一种小型化北斗二代卫星导航系统收发模块的研制

吴　为，赖生建，邓建华，白志刚，陶　炜，吴凌华

（1.电子科技大学物理电子学院，四川成都610054；2.中国测试技术研究院，四川成都610021；3.空军驻川西地区军代室，四川成都610041；4.中国人民解放军驻209所军代室，四川成都610041；5.海军驻航天科技集团公司第七研究院军事代表工作组，四川成都610041）



一种小型化北斗二代卫星导航系统收发模块的研制

吴为1，赖生建1，邓建华2，白志刚3，陶炜4，吴凌华5

（1.电子科技大学物理电子学院，四川成都610054；2.中国测试技术研究院，四川成都610021；3.空军驻川西地区军代室，四川成都610041；4.中国人民解放军驻209所军代室，四川成都610041；
5.海军驻航天科技集团公司第七研究院军事代表工作组，四川成都610041）

摘要：该文主要研制一种基于北斗二代卫星导航系统B3授权频段的小型化射频前端收发模块。该模块采用多层板技术（printed circuit board，PCB），两路接收通道和一路发射通道，通过优化设计，设计小型化的收发模块，模块实际尺寸仅为50mm×15mm×7.5mm。该收发模块在46.52MHz频率和100kHz频偏下，测试的相位噪声结果为105dBc/Hz，收发性能符合指标要求。该射频前端收发模块已应用于某测控系统中，并且此模块也可以广泛应用于车载、移动定位等卫星导航通信与测试中。

关键词：北斗二代；收发模块；相位噪声；小型化

0　引言

全球卫星导航系统在现代通信领域中发挥着越来越广泛的作用。比如，美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统已经覆盖全球并且有许多相对应的研究成果。我国北斗卫星系统已经覆盖亚太地区，但是还处于发展阶段，系统的性能、接收机技术、信号调制还有很大的提升空间，在全球卫星导航系统中也面临激烈的技术竞争[1]。卫星导航通信系统的通信收发机要求小型化、抗干扰能力强，已是当前通信系统发展的必然要求。国内对于北斗一代卫星导航系统的射频前端收发模块小型化、低噪声的研究已经取得了一定的成果。但是随着整个北斗系统的建设，目前正在向北斗二代系统发展。

本文针对我国北斗二代卫星导航的定位测控系统，研制一款在B3授权服务频段的小型化射频前端收发模块，该模块包含了两路接收通道和一路发射通道。

1　方案设计

卫星导航系统中，通信模块由天线、收发模块和基带处理模块构成，天线用于发射信号或者接收卫星信号；收发模块用于上下变频以适用天线发射和基带处理；基带处理模块用于信号处理。收发模块是天线与基带处理模块的桥梁，对通信系统起着重要的作用。设计中，需要根据不同的用途和指标做出相应的方案选择。本设计主要针对北斗二代的移动卫星通信与定位，从指标、尺寸、成本等多方面考虑，最终采用6层印制板（printed circuit board，PCB）技术。整个链路设计充分利用多层板PCB的各层空间走线，并且兼顾了信号完整性，采用一次下变频技术。使得整个模块设计更为方便的嵌入整个测控系统。整个模块电路布局如图1所示。

两路接收通道主要位于PCB板的顶层，对称布局。每一路接收通道通过低噪声放大器把接收信号放大，再通过混频器下变频，最后通过带通滤波器和自动发电控制（automatic generation control，AGC）输出中频信号给基带模块。由于收发模块尺寸比较小，在高增益的AGC附近容易产生耦合信号，形成环路引起自激振荡。因此，在AGC前一级加入了一级π型衰减，并且通过PCB通孔将信号穿入底层，再通过通孔连接顶层的滤波器。

一路发射通道直接将输入的中频信号与本振信号混频，经过滤波器和功率放大器输出。由于整个系统的天线在发射端口集成了高增益放大器，因此该收发模块的发射通道的末级放大器增益不用太高，还可以避免自激振荡、也能减小模块发热量[2-3]。

2　电路设计

收发模块要求小型化，在电路设计和布局布线上，需要充分考虑各通道信号相互之间的干扰、电源的低频串扰、晶振信号泄露等引起的输出信号杂波抑制。因此，在设计走线时，第1层和第3层主要走接收通道的信号线；第2层和第4层接地；第6层主要走锁相环电路和发射通道的信号线；第5层主要为地线，同时有少量的电源走线。PCB布局结构如图2所示。

图1　收发模块整体布局结构

图2　PCB走线布局结构

整个电路板采用双面表贴器件，通道、锁相环电路均由隔离线和屏蔽罩隔开。采用这样的布局方式，不仅可以充分利用空间布线的资源，而且对收发通道模块、锁相环电路模块以及电源相互之间都有良好地隔离，大大减小了干扰，同时也利用了屏蔽罩散热[4]。

2.1锁相环电路设计

锁相环电路为整个收发模块提供变频的本振信号，设计中采用ADI公司的ADF4351数字锁相环芯片，该芯片内部集成了鉴相器和压控振荡器，可以实现小数分频和整数分频，通过内部寄存器控制。因此，可以选择不同频率和性能的晶振，采用不同分频方式，为减小锁相环输出本振信号相位噪声提供多种可选择的方案。

锁相环输出信号的噪声由参考晶振、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器共同决定。通常情况下鉴相器和压控振荡器与选择的器件有关。因此，锁相环输出噪声需要通过参考晶振和环路滤滤波器参数来改善。锁相环带内噪声为

L（fm）=PN（1 Hz）+10lgfPDF+20lgN

式中：PN（1 Hz）——鉴相器的噪声基底；

fPDF——鉴相频率；

N——分频数。

环路滤波器的设计又与整个锁相环的相位裕量、增益裕量和环路带宽有关，直接影响整个环路的稳定性、锁定时间和近端噪声[5-7]。通过ADIsimPLL软件仿真设计，并且综合考虑了实际工程中可以获得的电阻和电容值，得到最后锁相环输出的相位噪声仿真结果如图3所示，可以看出，输出的本振信号的相位噪声为-94 dBc@100 Hz、-103 dBc@1 kHz、-105 dBc@10kHz、-114 dBc@100 kHz。从仿真结果来看指标都比较理想。

2.2收发通道链路设计

整个收发链路，通过使用ADS2011（advanced design system）软件进行射频系统仿真。

发射链路中，主要有仿真、分析链路的谐波和杂散。由于器件的非线性、小型化射频信号辐射、链路级间不匹配等因素，发射链路信号都有可能存在不同程度的干扰。因此，发射链路设计时，需要注意以下3点：1）加入合适性能和尺寸的滤波器；2）通过信号完整性分析，采用合理的布局布线；3）在混频器处做好隔离措施[7-8]。

图3　锁相环噪声仿真结果

图4　接收通道相位噪声仿真

接收链路中，对于46.52 MHz的中频信号而言，采用一般的滤波器尺寸较大，不利于小型化。因此，选用针对北斗二代接收机设计的中频声表带通滤波器以节省空间尺寸。该滤波器的带外抑制度＞40dBc，在二次谐波处没有寄生通带等优点，但是其插入损耗一般在20dB以上，综合考虑整个链路的增益和噪声等指标后，在接收通道的第一级选用噪声系数为0.6dB的两级集成低噪声放大器芯片。接收通道的相位噪声通过在ADS中设置链路的本振信号的相位噪声、以及所选器件的噪声系数，从而进行仿真。最终链路仿真结果为-93.15 dBc@100 Hz、-100.9dBc@1 kHz、-103.4 dBc@10 kHz、-113.1 dBc@100 kHz，如图4所示。

3　实物与测试

整个收发模块采用FR4材料的6层PCB板加工而成，实物图如图5所示。

图5　收发模块实物图

相对低温共烧陶瓷（low temperature co-fired ceramic，LTCC）材料设计方式，该模块不仅加工周期短，设计成本也大大降低，同样能够满足小型化的指标需求[8]。

实物测试时，收发模块通过信号源（安捷伦E4448A）输出所需要的中频信号或者射频信号，电源对收发模块进行供电，频谱仪（安捷伦E8257D）对输出的信号进行测试分析。

发射通道的主要指标有信号的杂散抑制（＜-50 dBc）、载波抑制（＜-45 dBc），输出的射频信号在频谱分析仪上面测试的结果如表1所示。

表1　发射通道测试结果

从表中看出，在距中心频率-53 MHz左右有最大的杂波，其抑制度为-47.74 dBc，该杂波由晶振的二次谐波和本振信号混频产生，而近端的杂波抑制度均大于50dBc。测试结果满足设计指标要求。

接收通道测试中，对接收信号测试的主要指标有杂散抑制度（＜-60 dBc）、谐波抑制度（＜-50dBc），以及输出中频接收信号的相位噪声（-80 dBc@100 Hz、-90dBc@1kHz、-95dBc@10kHz、-100dBc@100kHz），测试结果如表2所示。

表2　接收通道测试结果

从表2看出，由于器件之间的微小差异，导致其测试结果也存在着不同。两个通道都在不同程度上出现了电源带来的低频串扰，但是抑制度均在-60dBc以下，也满足设计指标。

4　结束语

本文研制一款小型化的北斗二代卫星导航系统在B3授权频段应用的射频前端收发模块，整个模块的尺寸相对于以往同类模块的65mm×55mm×16mm[9]，缩小到50mm×10mm×7.5mm。该模块嵌入整个测控系统中，在有干扰的情况下，也能够实现定位测试，达到了设计指标。该北斗收发模块具有尺寸小、成本低，相位噪声好等特点，在卫星定位系统以及相应的测试平台中具有广泛地应用价值。

参考文献

[1]杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报，2010，39（1）：1-6.

[2]蔡竟业，夏蓉，刘镰斧. Ka波段全相参雷达收发射频前端系统组件研制[J].电子科技大学学报，2009，38（5）：629-633.

[3]李桂萍，徐军，罗慎独.毫米波高增益大功率收发组件研制[J].电子科技大学学报，2008，37（2）：248-250.

[4] KA F C，CUBILLO J R. Analysis of signal and power/ ground pin assignment in multi-layer PCB and its im pact on signal integrity and crosstalk[J]. EPTC，2013：789 -792.

[5]杨远望，蔡竟业，任威. X～Ku波段宽覆盖捷变频频率合成器研制[J].电子科技大学学报，2007，36（4）：709-712.

[6]市川裕一.高频电路设计与制作[M].北京：科学出版社，2011：245-255.

[7]李振荣，庄亦琪，龙强.具有高线性调谐特性的1.2 GHz CMOS频率综合器[J].电子科技大学学报，2012，41（6）：853-858.

[8]朱正立.基于LTCC技术的L波段低相噪频率源小型化设计[D].成都：电子科技大学，2012.

[9]王江涛，徐鸣.北斗射频一体机模块设计[J].微波学报，2010（S1）：238-241.

（编辑：李妮）

A miniaturized transceiver module designed based on COMPASS II satellite navigation system

WU Wei1，LAI Shengjian1，DENG Jianhua2，BAI Zhigang3，TAO Wei4，WU Linghua5
（1. School of Physical Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chenghdu 610054，China；2. National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China；3. Air Force Military Representative Office in the West of Sichuan Province，Chengdu 610041，China；4. Military Representative Office at the 209th Institute，Chengdu 610041，China；5. The Military Representatives Office of Navy in No.7 Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation，Chengdu 610041，China）

Abstract:A miniaturized transceiver module for Compass II satellite navigation system was designed on B3 band. This module，developed by the Printed Circuit Board（PCB）technology，comprises two transceiver module receiving channels and one transmitter rational distribution channel and was optimized into the dimension of 50 mm×15 mm×7.5 mm. According to the experiment，the phase noise of the module is 105 dBc/Hz at 46.52 MHz-frequency and 100 kHzfrequency offset. The module has been applied in a measurement and control system，so it can be widely used in the communication and testing of on -board and mobile navigation and positioning systems.

Keywords:COMPASS II satellite；transceiver module；phase noise；miniaturization

作者简介：吴为（1990-），男，硕士研究生，专业方向为微波射频电路与系统。

基金项目：2013年度中央高校基本科研业务费（A03010023801055）

收稿日期：2015-03-17；收到修改稿日期：2015-05-13

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.016

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）02-0071-04