隨著GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，對GPS接收機的性能提出了進一步的要求,，從傳統(tǒng)的單頻接收機到雙頻接收機,，再到多天線雙頻接收機，使接收機能同時處理多路GPS信號,。多天線雙頻GPS接收機射頻前端的研究[1]可以提高國內(nèi)GPS接收機的水平，同時也能為我國自己的北斗導(dǎo)航定位技術(shù)提供借鑒,，為今后高性能導(dǎo)航接收機的開發(fā)打下良好的基礎(chǔ),。
1 系統(tǒng)總體方案
    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，5路天線輸入對應(yīng)天線1,、天線2,、天線3、天線4,、天線5,，其中天線1和天線5的信號處理電路完全相同：包括依次連接的低噪聲放大器LNA(Low Noise Amplifier)、二功分器,、后續(xù)信號調(diào)理電路,，并且具有兩條鏈路最終同時輸出GPS L1和GPS L2中頻信號；天線2,、天線3和天線4的信號處理電路完全相同：包括依次連接的低噪聲放大器LNA和后續(xù)信號調(diào)理電路,，只有一條鏈路并最終輸出GPS L2中頻信號。后續(xù)信號調(diào)理電路包括依次連接的射頻放大單元,、下混頻器,、中頻IF(Intermediate Frequency)濾波器、IF放大器,、可變增益放大器VGA(Variable Gain Amplifier),，射頻放大單元包括兩級射頻RF（Radio Frequency）濾波器以及位于兩級RF濾波器之間的RF放大器,。天線輸入的信號經(jīng)過低噪聲放大器放大后，通過RF濾波器選擇GPS L1頻點1 575.42 MHz或GPS L2頻點1 227.6 MHz并濾除帶外噪聲及干擾,，提高鏡頻抑制,；濾波之后的信號經(jīng)過適當(dāng)放大后進入混頻器與本振信號進行混頻，輸出46.035 MHz的中頻信號,；中頻信號經(jīng)過IF濾波和IF放大后進入VGA單元,，通過控制電平?jīng)Q定VGA這一級的增益，以實現(xiàn)系統(tǒng)最終輸出功率可調(diào),。

    如圖1所示,，各條鏈路都需要為混頻器提供本振信號，輸出GPS L1中頻信號的鏈路對應(yīng)的本振信號為本振a：1 529.385 MHz,，本振a與GPS L1頻點1 575.42 MHz混頻得到46.035 MHz中頻輸出,；輸出GPS L2中頻信號的信號鏈路對應(yīng)的本振信號為本振b：1 181.565 MHz，本振b與GPS L2頻點1 227.6 MHz混頻得到46.035 MHz中頻輸出,。最后一級VGA的增益控制電平由MCU配合多通道DA產(chǎn)生,，每一路電壓由5位撥碼開關(guān)控制，因而可以實現(xiàn)32級可調(diào),。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計
2.1 低噪聲放大器LNA
    在無線通信領(lǐng)域,，為了提高接收信號的靈敏度，一般在接收機的最前端采用低噪聲放大器,，最前端放大器的噪聲系數(shù)和增益對整個接收機的噪聲系數(shù)起決定作用[2],。其次低噪聲放大器的輸入信號來自天線。為了實現(xiàn)最大功率傳輸,，低噪放的輸入端與天線之間要求阻抗匹配,。此外，還要考慮功率增益,、功耗,。本系統(tǒng)天線接收的是一個寬帶信號(1 575.42-1 227.6=347.82 MHz)，這就決定了系統(tǒng)必須采用工作頻段包含1.2 GHz～1.6 GHz的寬帶低噪放大器,，綜合考慮最后選擇美國萬通公司的GPS雙頻專用低噪聲放大器WHM14-3020AE,，其工作頻率為1.2 GHz～1.6 GHz，固定增益為32 dB,，噪聲系數(shù)為0.5 dB,，輸入/輸出VSWR：1.22：1，輸出1 dB壓縮點為10 dBm,。它的各項指標(biāo)都達到了非常完美的程度,，而且芯片內(nèi)部已經(jīng)做好了阻抗匹配，所以信號輸入/輸出端口不需要做任何匹配，為電路的調(diào)試帶來了極大的方便,。
2.2 二功分器
    功分器有插入損耗,、隔離度、工作頻帶,、相位不平衡度,、功率不平衡度、電壓駐波等各種指標(biāo),，本系統(tǒng)信號的頻率范圍為1.2 GHz～1.6 GHz,，所以在選擇功分器時首先要滿足這個頻帶范圍的要求，其次插入損耗和VSWR越小越好,，隔離度越大越好,。本設(shè)計選取Mini-Circuits公司的BP2G1+無源功分器，其衰減小,，頻帶寬,，平坦度好，插入損耗小,，隔離度高,，能很好地滿足本系統(tǒng)的要求。
2.3 RF濾波器
    射頻頻濾波器也稱為預(yù)選器,，主要用來預(yù)選頻段并抑制鏡像干擾,、帶外干擾和各種噪聲。在選擇射頻濾波器時,，主要考慮通帶帶寬,、帶內(nèi)平坦度、帶外衰減以及插入損耗[3],。根據(jù)上述要求,，本設(shè)計選擇聲表面濾波器,。聲表面波濾波器具有體積小,、重量輕、性能可靠,、不需要復(fù)雜調(diào)整等特點,，而且?guī)?nèi)不平坦度僅為±0.3～±0.5 dB，群時延±30～±50 ns,，矩形系數(shù)好,，帶外抑制可達40 dB以上。針對L1,、L2頻點的射頻濾波器分別選用TA0549,、TA0490A，表1為兩濾波器性能指標(biāo)。
2.4 RF放大器
    由于天線輸入的信號很微弱,，前級LNA的30 dB增益還不夠大,，而且RF濾波器在濾波的同時會帶來信號的損耗，因而在兩級RF濾波器之間加入一級RF放大器對信號進行進一步放大,。本設(shè)計選用固定增益34 dB的射頻放大器BGA430,，BGA430帶內(nèi)平坦，增益大,，內(nèi)部已做好匹配,，使用簡單。
2.5 混頻器
    本設(shè)計選用MAX2682作為系統(tǒng)的混頻器,。MAX2682典型應(yīng)用電路如圖2所示[4],。

    圖2是MAX2682的典型應(yīng)用電路，其中Z1,、Z2,、Z3是RF輸入端口的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，L1,、R1,、C2是IF輸出端口的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，C1為本振端口的隔直電容,，C3,、C4、C5為電源濾波電容,。根據(jù)MAX2682的芯片資料可以查出,，當(dāng)輸入射頻信號為1 575.42 MHz時輸入匹配網(wǎng)路為：Z1=0、Z2=270 pF,、Z3=2.2 nH,；當(dāng)輸入射頻信號為1 227.6 MHz時輸入匹配網(wǎng)絡(luò)為：Z1=1.5 pF、Z2=270 pF,、Z3=10 nH,；當(dāng)輸出中頻信號為46.035 MHz時輸出匹配網(wǎng)絡(luò)為：L1=390 nH、R1=250 ?贅,、C2=39 pF,。本設(shè)計中所需的本振信號由定制的本振單元提供。
2.6 IF濾波器
    IF濾波器是一個中心頻率為某一固定值的帶通濾波器,，它是一個頻率選擇部件,，可以通過某些頻率的信號來抑制或衰減另外一些頻率的信號。本設(shè)計采用訂制的IF濾波器CF46-13,，其中心頻率為46.035 MHz,，3 dB帶寬為13 MHz，中心頻率±8 MHz處帶外抑制達到45 dB，帶內(nèi)平坦度優(yōu)于±0.3 dB,，插入損耗為22.5 dB,。考慮到減小插入損耗值和提高帶內(nèi)平坦度,，濾波器需要外接匹配網(wǎng)絡(luò),，具體電路如圖3所示。

2.7 IF放大器
    考慮到中頻濾波器有22.5 dB的插損,，為了彌補這個損耗,，本系統(tǒng)需要在中頻濾波器后面加入一級中頻放大器。中頻放大器的主要性能指標(biāo)與低噪放大器類似,，本設(shè)計選用HMC478ST89芯片作為中頻放大器[5],。HMC478ST89管腳較少，電路連接非常簡單,，不需要輸入輸出阻抗匹配,，在46 MHz附近增益為22 dB且增益很平坦。在設(shè)計HMC478ST89的外圍電路時,，主要考慮饋電電路,。這款放大器是+5 V～+8 V寬范圍電壓供電，不同的供電電壓需要不同的偏置電阻,。本設(shè)計采用了+5 V的供電電壓,，因此偏置電阻為18 Ω。饋電時采用高頻電感饋電方式,，即在電源與芯片的電源引腳間接入一繞線電感,。本設(shè)計中饋電電感采用270 nH，具體電路如圖4所示,。
2.8 VGA放大器
    射頻接收單元在接收信號時,，由于干擾源的距離和來向等因素，其輸入端信號電平在很大范圍內(nèi)變化,。而輸出功率是隨外來信號的大小而變化的,，所以輸出端會出現(xiàn)強弱非常懸殊的信號功率。但是ADC采樣都有一個比較合適的信號功率范圍,，超出這個范圍ADC采樣的效果就很差,，所以必須在ADC采樣之前加上一個增益可以控制的電路,。本系統(tǒng)采用撥碼開關(guān)控制單片機的DAC輸出,，使其在負載電阻上產(chǎn)生控制增益變化的電壓來實現(xiàn)對VGA增益的控制。這里采用ADI公司推出的一款可變增益單端IF放大器AD8367,，該芯片帶有可控制線性增益的高性能45 dB可變增益放大器,，并可以在低至500 MHz的頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定工作[6]。
2.9 本振單元和MCU單元
    本設(shè)計中混頻器AD8367所需要的本振a和本振b由本振單元提供。由于系統(tǒng)對本振信號的頻率和功率有較高要求,，因而采用定制的本振發(fā)生單元,。該單元產(chǎn)生功率恒定的兩路本振信號：1 529.385 MHz和1 181.565 MHz，即圖1中的本振a和本振b,，然后兩路本振信號經(jīng)過功分器產(chǎn)生多路本振信號提供給7路混頻器,。由于VGA模塊需要增益控制電平，因而采用單片機和多通道DA配合產(chǎn)生多路控制電平去控制各路增益,，本設(shè)計選用Silicon公司的C8051F066單片機配合8通道DA芯片DA8568產(chǎn)生圖1中所需的7路控制電平,。
3 系統(tǒng)測試
3.1 測試儀器與設(shè)備
    信號源采用Rohde & Schware SMB100A Signal Generator，頻率范圍為9 kHz～6 GHz,。頻譜儀采用Rohde & Schware FSC6.Spectrum Analyzer,，頻率范圍為9 kHz～6 GHz。
3.2 測試結(jié)果與分析
    GPS L1 和GPS L2對應(yīng)的46.035 MHz中頻信號輸出波形分別如圖5,、圖6所示（VGA增益調(diào)節(jié)為最大,，5位撥碼開關(guān)對應(yīng)11111）。

    GPS L1 和GPS L2對應(yīng)的46.035 MHz中頻信號輸出波形分別如圖7,、圖8所示（VGA增益調(diào)節(jié)為最小,，5位撥碼開關(guān)對應(yīng)00000）。

    由測試結(jié)果可知,，GPS L1和GPS L2的中頻輸出均為準(zhǔn)確的46.035 MHz,，帶寬為中頻濾波器的帶寬，帶內(nèi)平坦,，帶外噪聲得到抑制,；最大輸出功率約為0 dBm而且輸出功率可以在0 dBm～-31 dBm之間以1 dBm的步進調(diào)節(jié)。這樣的中頻輸出信號可以很好地滿足后級需求,。
參考文獻
[1] 張力敏.全球定位系統(tǒng)射頻前端電路設(shè)計[D].大連：大連海事大學(xué),，2009.
[2] 王寧章，高雅,，寧吉,，等.3 GHz-5 GHz超寬帶噪聲系數(shù)穩(wěn)定的低噪聲放大器[J].電子設(shè)計應(yīng)用，2013,，39(7)：31-35.
[3] 張濤.雙頻GPS接收機射頻前端的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢：武漢大學(xué),，2008.
[4] MAXIM.MAX2680/MAX2681/MAX2682 datasheet[Z].2003.
[5] Hittite Microwave Corporation.GaAs MMIC amplifier HMC478  data sheet[Z].2002.
[6] Anolog Devices.500 MHz，Linear-in-dB VGA with AGC detector AD8367 data sheet[Z].2004.