CN111538047B - 一种应用于gnss双频接收机的射频前端结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于GNSS双频接收机的射频前端结构。解决现有技术中宽带低噪声放大器输出端信号需要通过连接功率分配器才能驱动电路模块，提高了成本，使GNSS双频接收机前端结构更复杂的问题。结构包括双频天线、宽带低噪声放大器和SOC处理芯片，双频天线与宽带低噪声放大器输入端连接，宽带低噪声放大器输出端分成两个支路，两个支路通过连接电路模块后分别连接在SOC处理芯片的射频输入端上。本发明宽带低噪声放大器输出端直接与两个后续的电路模块连接，省去了功率分配器，大大降低了接收机的成本；无需功率分配器，减小了接收机的面积，提高了接收机系统的集成度；没有了功率分配器的插入损耗，降低了电路复杂度，提高了接收机的性能。

Description

一种应用于GNSS双频接收机的射频前端结构

技术领域

本发明涉及一种射频通信技术领域，尤其是涉及一种应用于GNSS双频接收机的射频前端结构。

背景技术

随着航天、空间卫星和通信的迅速发展，全球导航卫星系统(GNSS, GlobalNavigation Satellite System)在军用和民用领域得到了快速的发展，成为国家经济发展和民众生活中不可或缺的重要部分。随着技术的不断发展，对导航接收机的要求也是不断提高，提高定位和授时精度，降低接收机功耗，增加一些辅助功能等，近年来成为当前卫星导航领域研究的热点内容。目前GNSS主要包括美国的GPS(Global Position System)、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和中国的北斗BDS(或称COMPASS)。

GPS为军用和民用安排了不同的频段，主要包括L1/L2/L5三个频段，对应的载波频率为1575.42 MHz /1227.6 MHz /1176.45 MHz；GLONASS的对应两个载波频段L1和L2，频率分别为1602 MHz和1246 MHz，分别用于发射标准精度和高精度信号；Galileo与GPS系统一样，采用码分多址技术，信号主要包括三个频段E5a-E5b、E6和E2-L1-E1，对应的频率分别为1164 MHz-1214 MHz、1278.75 MHz以及1575.42 MHz；目前北斗系统可覆盖亚太地区并提供服务，后续将逐步实现全球范围的覆盖，BDS主要包括3个频段B1、B2和B3，分别为1559.052MHz- 1591.788 MHz、1166.22 MHz - 1217.37 MHz以及1250.618 MHz - 1286.423 MHz。如上所述，GNSS的有效信号频段主要集中在1164 MHz - 1286.423 MHz以及1559.052 MHz –1602 MHz这两个频段内，频率范围的示意图如图1所示。现在的高精度GNSS接收机需要同时接收这两个频段内的信号，然后在SOC芯片中进行并行处理。

目前，双频天线可以实现一个天线接收两个频段的信号，并只通过一个特征阻抗为50Ω的输出端口输出这两个频段的信号，而目前主流设计的应用于GNSS双频接收机的SOC芯片是含有两个特征阻抗为50Ω的射频输入端口，分别对应GPS L1、BDS B1等高频段信号，以及GPS L2/L5、BDS B2/B3等低频段信号，两个信号在SOC芯片内部是并行处理的。因此从天线输出端口到SOC芯片的两个射频输入端口需要将信号一分为二才能做到阻抗匹配，信号正常接收。同时，为了提高接收信号的质量，在天线与SOC芯片之间一般会增加低噪声放大器，声表面滤波器等射频器件，而使用的射频器件的特征阻抗均是50Ω，连接均需要考虑阻抗匹配。

目前，传统的解决方案如图2所示，为了得到更高的信号质量，在天线与SOC芯片之间连接了低噪声放大器等射频信号预处理器件。双频天线的输出端口连接宽带低噪声放大器的输入端，然后低噪声放大器的输出端连接一个功率分配器，将信号一分为二，再将这两路信号分别与第一电路模块和第二电路模块相连接，最后将第一电路模块和第二电路模块预处理过的信号分别对应接入SOC芯片的第一射频输入端口和第二射频输入端口。传统的解决方案中所有射频器件的输入输出端口特征阻抗都是50Ω，这样才可以达到阻抗匹配，保证信号的传输。

传统的解决方案中，为了解决天线接收的信号一分为二，并解决各个射频器件阻抗匹配的问题，必须使用功率分配器将信号一分为二，然后功率分配器的三个端口的特征阻抗都是50 Ω的，这样才能满足各个射频链路上的阻抗是匹配的，保证信号可以正常传输。显然地，这个功率分配器的加入需要增加接收机的成本，而且这个功率分配器的成本非常高，可能超过接收机中除SOC芯片以外所有器件的总和。功率分配器本身的封装尺寸较大，需要增加GNSS双频接收机的面积。功率分配器属于无源器件，至少3dB的插入损耗，会增加后级电路到前级电路的等效噪声系数，对前级宽带低噪声放大器的噪声系数要求增高，同时也会需要增加GNSS双频接收机的整体复杂度。

为了解决上述问题，需要设计一种GNSS双频接收机前端结构，使得无需使用功率分配器，达到降低成本，优化接收机前端电路结构的效果。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中宽带低噪声放大器输出端信号需要通过连接功率分配器才能驱动电路模块，提高了成本，使GNSS双频接收机前端结构更复杂的问题，提供了一种应用于GNSS双频接收机的射频前端结构。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种应用于GNSS双频接收机的射频前端结构，包括双频天线、宽带低噪声放大器和SOC处理芯片，双频天线与宽带低噪声放大器输入端连接，宽带低噪声放大器输出端分成两个支路，两个支路通过连接电路模块后分别连接在SOC处理芯片的射频输入端上。本发明中宽带低噪声放大器输出端分为两个支路，一个支路通过连接电路模块后连接到SOC处理芯片的一个射频输入端上，另一个支路通过连接电路模块后连接到SOC处理芯片的另一个射频输入端上，即宽带低噪声放大器输出端直接与两个后续的电路模块连接，省去了传统结构中的功率分配器，大大降低了接收机的成本，还减小了接收机的面积，提高了接收机系统的集成度。没有了功率分配器的插入损耗，降低了电路复杂度，提高了接收机的性能。

作为一种优选方案，所述宽带低噪声放大器包括一个射频输入端口和一个射频输出端口，所述双频天线包括一个阻抗与宽带低噪声放大器射频输入端口阻抗相同的天线输出端口，天线输出端口与射频输入端口阻抗相匹配连接。本方案中双频天线包括一个50Ω阻抗天线输出端口，天线输出端口与后续宽带低噪声放大器的射频输入端口连接。

作为一种优选方案，所述宽带低噪声放大器包括依次连接的阻抗匹配电路、放大级电路和输出级电路，阻抗匹配电路输入端连接射频输入端口，所述放大级电路包括扩宽带宽的谐振网络，谐振网络连接至输出级电路，输出级电路在超带宽内输出阻抗变换，输出级电路输出端连接射频输出端口。阻抗匹配电路将放大器的射频输入端特征阻抗调整至50Ω，使得可与GNSS双频天线的天线输出端口直接相连，达到传输阻抗匹配。阻抗匹配电路与放大级电路一端连接，放大级电路包括谐振网络，谐振网络调节Q值拓宽工作带宽，输出级电路连接在谐振网络上，在超宽的工作带宽内实现阻抗变换，使得输出级电路可以直接驱动两个特征阻抗为50Ω的电路模块，信号可以正常传输，无需复杂的外围匹配，相比传统技术中需要连接功率分配器的GNSS双频接收机方案，节省了功率分配器，降低了制造成本。同时也优化了GNSS双频接收机的电路，达到降低接收机的成本，降低接收机面积，提高接收机的系统集成度。

作为一种优选方案，所述电路模块包括特征阻抗都为50Ω的第一电路模块和第二电路模块，宽带低噪声放大器输出端分成两个支路分别连接到第一电路模块和第二电路模块上，SOC处理芯片的射频输入端包括特征阻抗都为50Ω的第一射频输入端和第二射频输入端，第一电路模块输出端连接第一射频输入端，第二电路模块输出端连接第二射频输入端。本方案中第一电路模块和第二电路模块泛指宽带低噪声放大器与SOC处理芯片之间的射频器件，如滤波器、窄带低噪声放大器等，并不限定射频器件的个数，也不限定射频器件的连接顺序。第一电路模块和第二电路模块的特征阻抗都为50Ω，宽带低噪声放大器输出端直接与特征阻抗50Ω的第一电路模块和第二电路模块连接。

作为一种优选方案，所述电路模块包括特征阻抗都为50Ω的第一电路模块和第二电路模块，宽带低噪声放大器输出端分成两个支路分别连接到第一电路模块和第二电路模块上，SOC处理芯片的射频输入端包括特征阻抗为50Ω的第一射频输入端，第一电路模块输出端和第二电路模块输出端分别连接功率合成器输入端，功率合成器输出端连接第一射频输入端。本方案中SOC处理芯片包括一个特征阻抗为50Ω的射频输入端，在第一电路模块和第二电路模块的后面增加一个功率合成器，将两路信号合成一路信号后再通过第一射频输入端传入SOC处理芯片中进行信号进一步处理。

因此，本发明的优点是：

1.宽带低噪声放大器输出端直接与两个后续的电路模块连接，省去了传统结构中的功率分配器，大大降低了接收机的成本；

2.无需功率分配器，减小了接收机的面积，提高了接收机系统的集成度；

3.没有了功率分配器的插入损耗，降低了电路复杂度，提高了接收机的性能。

附图说明

图1是GNSS信号两个频段的频率范围示意图；

图2是传统GNSS双频接收机的一种结构示意图；

图3是本发明的第一种电路结构示意图；

图4是本发明的第二种电路结构示意图；

图5是本发明中宽带低噪声放大器的一种电路结构示意图。

1-双频天线 2-宽带低噪声放大器 21-阻抗匹配网络 22-放大级电路 23-输出级电路 3-电路模块 31-第一电路模块 32-第二电路模块 4-SOC处理芯片 41-第一射频输入端 42-第二射频输入端。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

本实施例一种应用于GNSS双频接收机的射频前端结构，如图3所示，包括双频天线1、宽带低噪声放大器2和SOC处理芯片4，双频天线1与宽带低噪声放大器2输入端连接，宽带低噪声放大器输出端分成两个支路，两个支路通过连接电路模块3后分别连接在SOC处理芯片4的射频输入端上。

双频天线是一种专门用于接收双频信号的天线，它具有两个工作频段，能同时接收GPS L1、BDS B1等GNSS高频段信号以及GPS L2/L5、BDS B2/B3等GNSS低频段信号，双频天线包括一个阻抗为50Ω的天线输出端口，双频天线将同时接收到的所有频段的GNSS信号通过一个天线输出端口传出。宽带低噪声放大器包括一个射频输入端口和一个射频输出端口，双频天线的天线输入端口与宽带低噪声放大器的连接。

GNSS接收机一般对噪声的要求是非常高，为了抑制后级电路对接收机系统的影响，往往双频天线的后一级电路是噪声系数极低的低噪声放大器。宽带低噪声放大器包括一个射频输入端口和一个射频输出端口，双频天线的天线输入端口与宽带低噪声放大器的射频输入端口连接，宽带低噪声放大器的射频输出端口分成两个支路，两个支路通过连接电路模块3后分别连接在SOC处理芯片4的射频输入端上。

与传统的宽带低噪声放大器不同的是射频输出端口的特征阻抗不再是50Ω，因为该宽带低噪声放大器的射频输出端不再是只连接一个特征阻抗为50Ω的功率分配器，而是直接与两个电路模块3连接。也就是说，从该宽带低噪声放大器的射频输入端到射频输出端，将接收到的双频信号从一路信号分为两路信号。宽带低噪声放大器还可以增加一些控制电路，控制其工作状态等等，只需要满足射频输出端的特征阻抗经过调整设计可以满足连接两个特征阻抗为50Ω的电路模块即可。

电路模块3包括特征阻抗都为50Ω的第一电路模块31和第二电路模块32，宽带低噪声放大器输出端分成两个支路分别连接到第一电路模块和第二电路模块上。第一电路模块和第二电路模块的输出端分别连接到SOC处理芯片的射频输入端上。第一电路模块和第二电路模块泛指宽带低噪声放大器与SOC处理芯片之间的射频器件，如滤波器、窄带低噪声放大器等，根据应用要求的不同，射频器会有些变化，不然射频器的个数，射频器的类型，实施例中并不限定射频器件的个数，不限定射频器的类型以及连接顺序。但是不管怎么变化，第一电路模块和第二电路模块的射频输入端和射频输出端的特征阻抗都是标准的50Ω。

SOC处理芯片是专门为GNSS双频接收机设计的芯片，为了达到更好的信号处理效果，在处理射频信号的传输上，业界常规的方法是将高频段和低频段的GNSS信号分开传输，通过两个射频输入端口传入SOC处理芯片中。如图3所示，SOC处理芯片的射频输入端包括特征阻抗都为50Ω的第一射频输入端41和第二射频输入端42，第一电路模块的射频输出端连接第一射频输入端，第二电路模块的射频输出端连接第二射频输入端。

本实施例将双频天线接收到的信号通过宽带低噪声放大器放大后分为两路经过第一电路模块和第二电路模块预处理后，第一电路模块和第二电路模块的输出端分别与应用于GNSS双频接收机的SOC处理芯片的两个射频输入端口相连接，进行下一步的信号处理。

本实施例中宽带低噪声放大器为新型宽带低噪声放大器，包括必要的芯片外围器件，如输入匹配器件，输出匹配器件，电源旁路电容等。其结构如图5所示，宽带低噪声放大器2包括依次连接的阻抗匹配电路21、放大级电路22和输出级电路23，阻抗匹配电路输入端连接射频输入端口，放大级电路包括扩宽带宽的谐振网络，谐振网络连接至输出级电路，输出级电路在超带宽内输出阻抗变换，输出级电路输出端连接射频输出端口。

具体的，谐振网络包括电阻R2、电感L2、电容C2，电阻R2、电感L2、电容C2相并联，放大级电路还包括晶体管Q1和电感L3，晶体管可以采用HBT、MOS、pHEMT类型，本实施例中以HBT类型为例。放大级电路采用射极电感负反馈结构，结构为谐振网络的一端连接电源VDD，谐振网络的另一端分别连接到输入级电路、第一级晶体管Q1的源极即第一输入端，第一级晶体管Q1的发生极即第二输入端连接电感L3一端，电感L3另一端接地，第一级晶体管Q1的基极即控制端连接阻抗匹配电路电感L1另一端。电感L3主要是提供输入阻抗的实部，需要在工作频率设计为50Ω左右，但同时电感L3优惠影响放大器的功率增益，需要折中设计电感L3的值。第一级晶体管Q1寄生电容以及控制端电阻对噪声系数和输入阻抗的匹配都有非常大的影响，第一级晶体管Q1的尺寸需要认真考虑，选取合适的尺寸。谐振网络由窄带谐振网络增加并联电阻构成，由于低噪声放大器的工作带宽需要超过400MHz，需要降低谐振网络的Q值，拓宽工作带宽，由Q=ΩL/R可得到谐振网络的Q值在并联电阻R2后降低，拓宽了工作带宽，但是谐振网络的Q值太低会严重恶化增益和噪声系统等性能，电阻R2取值非常关键，要选取合适值的电阻。

输出级电路作为放大器第二级，提供输出阻抗变换和信号缓冲隔离。输出级电路包括隔直电容C3、第二级晶体管Q2、负载电阻R4和电容C4，隔直电容C3一端与第一级晶体管Q1的集电极连接，隔直电容C3另一端连接第二级晶体管Q2的控制端即基极，负载电阻R4一端连接电源VDD，负载电阻R4另一端连接第二级晶体管Q2的第一输入端即集电极，第二级晶体管Q2的第二输入端即发射极接地，电容C4一端连接在第二级晶体管Q2第一输入端，电容C4另一端连接放大器的射频输出端口。在通过第一级放大级电路放大后的信号通过隔直电容C3传入第二级晶体管Q2的基极，负载电阻R4和电容C4是线性负载，没有谐振作用，使得在超宽的工作带宽内实现阻抗的变换，使得输出级电路可以直接驱动两个特征阻抗为50Ω的电路模块。

第一级晶体管Q1和第二级晶体管Q2都需要有电压偏置，第一级晶体管Q1的控制端通过连接电阻R1后连接偏置电压电路，第二级晶体管Q2的控制端通过连接电阻R2后连接偏置电压电路。偏置电压电路可以在片内实现，也可以通过片外实现，通过增加电阻R1和电阻R3，为了隔离偏置电压产生电路的噪声对核心放大级电路的影响，由于晶体管的控制端上有电流流过，电阻上会有一定的压降，阻值太大，电阻压降太大了，而阻值太小，噪声隔离效果不好，则需要考虑取值的问题，选取合适阻值的电阻。

实施例2：

本实施例给出了第二种应用于GNSS双频接收机的射频前端结构，为了针对一些特殊的GNSS接收机的SOC处理芯片，对前端结构进行了一些修改变形。如图4所示，与实施例1不同的地方在于，本实施例中SOC处理芯片只包括一个特征阻抗为50Ω的第一射频输入端口41，为了获得性能的优化，必须使用第一电路模块和第二电路模块进行信号的预处理，在只有SOC处理芯片只有一个第一射频输入端口情况下，在第一电路模块和第二电路模块后面增加一个功率合成器5。第一电路模块射频输出端和第二电路模块射频输出端分别连接功率合成器输入端，功率合成器输出端连接第一射频输入端。功率合成器将两路信号合成一路信号传入SOC处理芯片内进行处理。本实施例其他结构与实施例1相同。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了双频天线、宽带低噪声放大器、阻抗匹配网络、放大级电路等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (5)

1.一种应用于GNSS双频接收机的射频前端结构，包括双频天线、宽带低噪声放大器和SOC处理芯片，其特征在于：双频天线（1）与宽带低噪声放大器（2）输入端连接，宽带低噪声放大器输出端分成两个支路，两个支路通过连接电路模块（3）后分别连接在SOC处理芯片（4）的射频输入端上；

所述宽带低噪声放大器（2）包括依次连接的阻抗匹配电路（21）、放大级电路（22）和输出级电路（23），还包括一个射频输入端口和一个射频输出端口；所述放大级电路包括扩宽带宽的谐振网络；谐振网络包括电阻R2、电感L2、电容C2，电阻R2、电感L2、电容C2相并联，放大级电路还包括晶体管Q1和电感L3，放大级电路采用射极电感负反馈结构，结构为谐振网络的一端连接电源VDD，谐振网络的另一端分别连接到输入级电路、第一级晶体管Q1的源极即第一输入端，第一级晶体管Q1的发生极即第二输入端连接电感L3一端，电感L3另一端接地，第一级晶体管Q1的基极即控制端连接阻抗匹配电路电感L1另一端；输出级电路包括隔直电容C3、第二级晶体管Q2、负载电阻R4和电容C4，隔直电容C3一端与第一级晶体管Q1的集电极连接，隔直电容C3另一端连接第二级晶体管Q2的控制端即基极，负载电阻R4一端连接电源VDD，负载电阻R4另一端连接第二级晶体管Q2的第一输入端即集电极，第二级晶体管Q2的第二输入端即发射极接地，电容C4一端连接在第二级晶体管Q2第一输入端，电容C4另一端连接放大器的射频输出端口；第一级晶体管Q1的控制端通过连接电阻R1后连接偏置电压电路，第二级晶体管Q2的控制端通过连接电阻R2后连接偏置电压电路。

2.根据权利要求1所述的一种应用于GNSS双频接收机的射频前端结构，其特征是所述双频天线（1）包括一个阻抗与宽带低噪声放大器射频输入端口阻抗相同的天线输出端口，天线输出端口与射频输入端口阻抗相匹配连接。

3.根据权利要求2所述的一种应用于GNSS双频接收机的射频前端结构，其特征是阻抗匹配电路输入端连接射频输入端口，谐振网络连接至输出级电路，输出级电路在超带宽内输出阻抗变换，输出级电路输出端连接射频输出端口。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种应用于GNSS双频接收机的射频前端结构，其特征是所述电路模块（3）包括特征阻抗都为50Ω的第一电路模块（31）和第二电路模块（32），宽带低噪声放大器输出端分成两个支路分别连接到第一电路模块和第二电路模块上，SOC处理芯片的射频输入端包括特征阻抗都为50Ω的第一射频输入端（41）和第二射频输入端（42），第一电路模块输出端连接第一射频输入端，第二电路模块输出端连接第二射频输入端。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种应用于GNSS双频接收机的射频前端结构，其特征是所述电路模块（3）包括特征阻抗都为50Ω的第一电路模块（31）和第二电路模块（32），宽带低噪声放大器输出端分成两个支路分别连接到第一电路模块和第二电路模块上，SOC处理芯片的射频输入端包括特征阻抗为50Ω的第一射频输入端（41），第一电路模块输出端和第二电路模块输出端分别连接功率合成器（5）输入端，功率合成器输出端连接第一射频输入端。

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