CN114928370B - 一种应用于gnss高性能双频有源天线的射频结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于GNSS高性能双频有源天线的射频结构。解决现有天线接收的两路信号合并为一路信号必须使用合路器，提高了成本，增加了有源天线面积，存在***损耗，增加GNSS双频有源天线整体电路结构复杂度的问题。结构包括GNSS双频陶瓷介质、窄带低噪声放大器、射频带通滤波器和改进型宽带低噪音放大器，GNSS双频陶瓷介质包括两个输出端口，改进型宽带低噪音放大器包括两个射频输入端口和射频输出端口，GNSS双频陶瓷介质两个输出端口分别依次连接窄带低噪声放大器、射频带通滤波器后与一个射频输入端口连接，射频输出端口作为有源天线输出端。本发明去除传统结构中的合路器，节省有源天线的成本，减小了有源天线面积和合路器***损耗。

Description

一种应用于GNSS高性能双频有源天线的射频结构

技术领域

本发明涉及射频通信技术领域，尤其是涉及一种应用于GNSS高性能双频有源天线的射频结构。

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***(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***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***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，GNSS两个频段的频率跨度近400MHz，需要覆盖这么大的工作带宽对射频器件设计是非常大的挑战。现在的高性能GNSS接收机需要使用双频有源天线同时接收这两个频段内的信号，然后再通过长的射频传输线输入射频前端和SOC芯片中进行信号处理。

目前，GNSS双频有源天线只有一个射频输出端口，通过一根很长的射频传输线与GNSS双频接收机中的射频前端输入端口相连接。而GNSS双频有源天线可以同时接收两个频段的信号，分别为GPS L1、BDS B1等高频段信号，以及GPS L2/L5、BDS B2/B3等低频段信号。现有的陶瓷介质同时接收GNSS两个频段的信号以后通过两个端口输出，为了得到性能优越的接收机性能，在有源天线中一般会使用低噪声放大器，射频带通滤波器等射频器件，滤除干扰信号和抑制后级电路对接收机噪声系数的影响。由于GNSS两个频段中心频率相差较远，将近400MHz，而制作400MHz工作带宽的射频滤波器是非常有难度的，目前的科技不足以制造出符合应用要求的宽带滤波器，导致现在的应用中，对于GNSS两个频段的信号都要分别使用对应的滤波器滤波后再进行下一步的信号处理。显然地，GNSS双频有源天线同时接收两个频段的信号，再通过一个射频输出端口作为有源天线输出端口，就必须在有源天线内将两路信号合并成一路信号，常规方法中，合并两路信号成一路信号，必须使用成本昂贵且尺寸较大的合路器。

目前，传统的GNSS双频有源天线结构如图1所示，有源天线含有两条电路支路，对应支路中使用的射频器件分别对应GNSS高频段信号以及GNSS低频段信号。GNSS双频陶瓷介质含有两个输出端口，输出两个频段的信号，第一支路由第一级窄带低噪声放大器、带通滤波器和第二级窄带低噪声放大器组成；第二支路由第一级窄带低噪声放大器、带通滤波器和第二级窄带低噪声放大器组成。两个支路的第二级窄带低噪声放大器的输出端连接合路器的输入端，信号合并成一路以后作为有源天线的输出端。同样地，合路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，保证信号可以正确传输。

传统的解决方案中，为了解决天线接收的两路信号合并为一路信号，并解决各个射频器件阻抗匹配的问题，必须使用合路器。显然地，这个合路器的加入需要增加有源天线的成本，而且这个合路器的成本非常高，可能超过有源天线中其他所有器件的总和。合路器本身的封装尺寸较大，需要增加GNSS双频有源天线的面积，导致模块无法小型化，对于固定尺寸的有源尺寸，传统的解决方案会受到极大的限制。同时，合路器为无源器件，有***损耗，会增大后级电路模块对***噪声系数的影响，因此增加GNSS双频有源天线的整体电路结构的复杂度。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中天线接收的两路信号合并为一路信号必须使用合路器，提高了成本，增加了有源天线面积，存在***损耗，增加GNSS双频有源天线整体电路结构复杂度的问题，提供了一种应用于GNSS高性能双频有源天线的射频结构。

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高性能双频有源天线的射频结构，包括GNSS双频陶瓷介质、窄带低噪声放大器、射频带通滤波器和改进型宽带低噪音放大器，GNSS双频陶瓷介质包括分别对应GNSS两个信号频段的第一输出端口和第二输出端口，改进型宽带低噪音放大器包括第一射频输入端口、第二射频输入端口和射频输出端口，GNSS双频陶瓷介质第一输出端口依次连接一个窄带低噪声放大器、一个射频带通滤波器后与第一射频输入端口连接，第二输出端口依次连接一个窄带低噪声放大器、一个射频带通滤波器后与第二射频输入端口连接，射频输出端口作为有源天线输出端。本发明采用双频输入单频输出的改进型宽带低噪音放大器，将两个频段的GNSS射频信号合并成一路射频信号，通过一个射频输出端口传输并直接驱动后级电路模块，去除传统结构中的合路器，节省有源天线的成本。减小有源天线面积，有利于提高有源天线***集成度，利于有源天线的小型化设计。减少了合路器的***损耗，降低电路复杂度，提高GNSS双频有源天线的性能。GNSS双频陶瓷介质具有两个射频输出端口，即第一输出端口和第二输出端口，分别对应GNSS信号高频段和GNSS信号低频段。GNSS双频陶瓷介质的两个射频输出端口的特征阻抗为50Ω，可以直接与后级电路模块的输入端相连接。

作为一种优选方案，所述改进型宽带低噪音放大器包括依次连接的第一级放大级电路、第二级输出级电路和输出谐振网络，第一级放大级电路包括两路放大电路，两路放大电路输入端分别对应第一射频输入端口和第二射频输入端口，第二级输出级电路包括两个信号放大支路，两个支路分别与两个放大电路连接，两个支路通过晶体管合并后输入到输出谐振网络，输出谐振网络输出端为射频输出端口。本方案中第一级放大级电路可以使用传统的射极电感负反馈电路结构，包括两个射频输入端口，两路放大电路电路结构一样，根据各自对应的信号频段做参数性能优化。第二级输出级电路包括两个放大支路，两个支路合并成一路后输入至输出谐振网络。输出谐振网络对信号进行选频，放大带内的信号而抑制带外的信号，最后通过射频输出端口输出信号。改进型宽带低噪音放大器由两个射频输入端口进入GNSS信号，经过第一级放大电路放大后，进入各自的支路进一步信号放大，然后在晶体管合并，经由晶体管将两路信号通过一路通道传输至输出谐振网络中，对信号进行选频，最后再将信号通过射频输出端口输出到下一级电路中处理。

作为一种优选方案，所述第一射频输入端口、第二射频输入端口与前级电路中心工作频率一致，分别对应GNSS两个信号频段，射频输出端口的工作带宽覆盖两个GNSS信号频段。三个射频端口在对应工作频段内的特征阻抗为50Ω，两个射频输入端口分别对应GNSS信号高频段和GNSS信号低频段，射频输出端口为有源天线的输出端，工作带宽覆盖两个GNSS信号频段，可以直接连接后级电路模块。

作为一种优选方案，两个窄带低噪声放大器中心工作频率分别对应GNSS信号两个信号频段。本方案两个窄带低噪声放大器中心工作频率分布对于GNSS信号高频端和GNSS信号低频段。GNSS有源天线作为接收机第一级，一般对噪声的要求是非常高，为了抑制后级电路对整个***的影响，往往有源天线的第一级电路是噪声系数极低的低噪声放大器。由GNSS双频陶瓷介质输出的信号是两路信号，中心频率不一样，因此第一级低噪声放大器一般使用性能优越的窄带低噪声放大器，表现为输入输出匹配以及噪声系数的窄带特性。两路的低噪声放大器的中心工作频率分别对应GNSS高频段和低频段。同时，为了获得最佳的有源天线性能，第一级低噪声放大器的功率增益不能太大，因为第一级放大器会把带外干扰信号一起放大，而过大的干扰信号会将后级电路模块造成阻塞降低接收机性能。

作为一种优选方案，所述射频带通滤波器的中心工作频率与窄带低噪声放大器的中心工作频率一致。本方案中两个射频带通滤波器分别与前级窄带低噪声放大器的中心工作频率一致，分别对应GNSS信号高频段和GNSS信号低频段。对于GNSS接收***而言，带外干扰信号在是非常强的信号，对接收机性能有极大的影响。而有源天线中的窄带低噪声放大器同时也会把干扰信号放大，为了降低带外干扰信号对整个***的影响，在窄带低噪声放大器后面需要连接射频带通滤波器滤除带外干扰信号。射频带通滤波器为了获得非常优越的带外性能，将带外信号最大程度地衰减，滤波器的工作带宽都比较窄，更不会覆盖GNSS的整个400MHz的信号频段。相应地，GNSS双频陶瓷介质第一输出端口和第二输出端口两路的中心频率也不一样，因此，需要使用两个不同中心频率的带通滤波器，两个射频带通滤波器分别对应GNSS信号高频段和低频段，滤波器的性能需要满足接收机对带外信号抑制的要求。

作为一种优选方案，所述射频带通滤波器为声表面滤波器或介质滤波器。

因此，本发明的优点是：

1.采用双频输入单频输出的改进型宽带低噪音放大器，将两个频段的GNSS射频信号合并成一路射频信号，通过一个射频输出端口传输并直接驱动后级电路模块，去除传统结构中的合路器，节省有源天线的成本。

2.减小有源天线面积，有利于提高有源天线***集成度，利于有源天线的小型化设计。

3.减少了合路器的***损耗，降低电路复杂度，提高GNSS双频有源天线的性能。

附图说明

图1是传统GNSS双频有源天线的一种结构示意图；

图2是本发明GNSS双频有源天线的一种结构示意图；

图3是本发明中改进型宽带低噪音放大器的一种电路结构示意图。

1-GNSS双频陶瓷介质 2-窄带低噪声放大器 3-射频带通滤波器 4-改进型宽带低噪声放大器 5-第一级放大级电路 6-第二级输出级电路 7-输出谐振网络。

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：

本实施例一种应用于GNSS高性能双频有源天线的射频结构，如图2所示，包括GNSS双频陶瓷介质1、窄带低噪声放大器2、射频带通滤波器3和改进型宽带低噪音放大器4，GNSS双频陶瓷介质包括分别对应GNSS两个信号频段的第一输出端口和第二输出端口，每个输出端口分别连接一条信号支路，两条信号支路结构相同。GNSS双频陶瓷介质第一输出端口依次连接一个窄带低噪声放大器、一个射频带通滤波器，第二输出端口依次连接一个窄带低噪声放大器、一个射频带通滤波器。改进型宽带低噪音放大器包括第一射频输入端口、第二射频输入端口和射频输出端口，两个支路的射频带通滤波器输出端分别连接第一射频输入端口、第二射频输入端口，射频输出端口作为有源天线输出端。

GNSS双频陶瓷介质是一种专门用于接收GNSS双频信号的无源天线介质，具有两个工作频段，一般包括两个输出端口，能同时接收GPS L1、BDS B1等GNSS高频段信号以及GPSL2/L5、BDS B2/B3等GNSS低频段信号，两个输出端口分别对应于GNSS的两个信号频段。在对应的工作频段内，特征阻抗为50Ω，直接与输入阻抗为50Ω的后级电路模块相连接。

GNSS有源天线作为接收机第一级，一般对噪声的要求是非常高，为了抑制后级电路对整个***的影响，往往有源天线的第一级电路是噪声系数极低的低噪声放大器。由GNSS双频陶瓷介质输出的信号是两路信号，中心频率不一样，因此第一级低噪声放大器一般使用性能优越的窄带低噪声放大器，表现为输入输出匹配以及噪声系数的窄带特性。两个级窄带低噪声放大器的中心工作频率分别对应GNSS高频段和低频段。同时，为了获得最佳的有源天线性能，窄带低噪声放大器的功率增益不能太大，因为第一级放大器会把带外干扰信号一起放大，而过大的干扰信号会将后级电路模块造成阻塞降低接收机性能。

对于GNSS接收***而言，带外干扰信号在是非常强的信号，对接收机性能有极大的影响。而有源天线中的窄带低噪声放大器同时也会把干扰信号放大，为了降低带外干扰信号对整个***的影响，在窄带低噪声放大器后面需要连接射频带通滤波器滤除带外干扰信号。射频带通滤波器为了获得非常优越的带外性能，将带外信号最大程度地衰减，滤波器的工作带宽都比较窄，更不会覆盖GNSS的整个400MHz的信号频段。相应地，GNSS双频陶瓷介质第一输出端口和第二输出端口两路的中心频率也不一样，因此，需要使用两个不同中心频率的带通滤波器，两个射频带通滤波器分别对应GNSS信号高频段和低频段，滤波器的性能需要满足接收机对带外信号抑制的要求。射频带通滤波器的中心工作频率与前一级的窄带低噪声放大器的中心工作频率一致。射频带通滤波器为声表面滤波器或介质滤波器。

如图3所示，改进型宽带低噪音放大器2包括依次连接的第一级放大级电路5、第二级输出级电路6和输出谐振网络7，第一级放大级电路包括两路放大电路，两路放大电路输入端分别对应第一射频输入端口和第二射频输入端口，第二级输出级电路包括两个信号放大支路，两个支路分别与两个放大电路连接，两个支路通过晶体管合并后输入到输出谐振网络，输出谐振网络输出端为射频输出端口。两路的GNSS信号经过各自频段的射频带通滤波器以后，一路滤波器输出端连接改进型宽带低噪声放大器的第一射频输入端口，另一路的滤波器输出端连接改进型宽带低噪声放大器的第二射频输入端口，然后在改进型低噪声放大器内部将双频信号从两路信号合并为一路信号并通过射频输出端口传输到后级电路模块继续处理。根据***应用要求，三个射频端口在对应工作频段内的特征阻抗为50Ω，两个射频输入端口分别对应GNSS信号高频段和GNSS信号低频段，射频输出端口为有源天线的输出端，工作频率覆盖整个GNSS信号频段，工作带宽需要超过400MHz。

同时，按照射频器件的应用要求，有源天线中所使用的射频器件还包括使用必要的***无源器件，如输入匹配器件、输出匹配器件以及电源上的旁路电容等。同时根据***的应用要求，还可以增加电源管理模块以及一些控制电路，控制其工作状态，扩展有源天线的应用范围。

具体的，改进型宽带低噪音放大器的第一级放大级电路为传统的射极电感负反馈电路结构，第一级放大级电路包括的两路放大电路结构一样，根据各自对应的工作频段做一些参数性优化。第一路放大电路包括射极电感L1、第一级放大晶体管Q1和线性负载电阻R3，第一射频输入端口连接晶体管Q1基极，晶体管Q1发射极连接电感L1一端，电感L1另一端接地，晶体管Q1集电极连接电阻R3一端，电阻R3另一端连接电源VDD。第二路放大电路包括射极电感L2、第一级放大晶体管Q2和线性负载电阻R4，第二射频输入端口连接晶体管Q2基极，晶体管Q2发射极连接电感L2一端，电感L2另一端接地，晶体管Q2集电极连接电阻R4一端，电阻R4另一端连接电源VDD。射极电感L1和射极电感L2主要提供各自射频输入端口的输入阻抗实部，满足低噪声放大器在工作频段内的阻抗为50Ω，但同时又会影响放大器的功率增益，需要折中设计取一个合适的电感值。第一级晶体管Q1和晶体管Q2是低噪声放大器中最重要的晶体管，它的尺寸决定了整个放大器的噪声系数，阻抗匹配等重要性能，晶体管尺寸需要认真考虑，基极寄生电容以及基极电阻对噪声系数和输入阻抗的匹配都有非常大的影响。第一级放大器的负载采用线性负载电阻R3和负载电阻R4，由于电阻本身的热噪声以及压降问题，也可以采用LC谐振网络作为负载。特别地，本实例第一级放大器只有一个晶体管作为放大管，如果设计需要，为了进一步提高功率增益和反向隔离度，可以采用两个晶体管堆叠的cascode结构。

第二级输出级电路为输出级，包括连个信号放大支路和晶体管Q5，一个支路包括隔直电容C1和晶体管Q3，另一个支路包括隔直电容C2和晶体管Q4。电容C1一端连接晶体管Q1集电极，电容C1另一端连接晶体管Q3基极，电容C2一端连接晶体管Q2集电极，电容C2另一端连接晶体管Q4基极，晶体管Q3发射极接地，晶体管Q4发射极接地，晶体管Q3和晶体管Q4的集电极连接在一起并与晶体管Q5的发射极相连接，晶体管Q5基极连接偏置电压，晶体管Q5集电极连接输出谐振网络。有两个射频输入端口进入的GNSS信号经过第一级放大后，分别直接连接第二级两个支路的输入晶体管基极，进入各自的支路进一步信号放大，然后信号在晶体管Q5的发射极合并，晶体管Q5作为共基极放大器晶体管将两路信号通过一路通道传输到输出谐振网络中。

输出谐振网络包括电阻R7、电感L3、电容C3和电容C4，电阻R7、电感L3、电容C3相并联，并联后的电路一端连接晶体管Q5集电极，另一端连接电源VDD。电容C4一端连接并联后电路一端，电容C4另一端为射频输出端口。输出谐振网络对信号进行选频，放大带内的信号而抑制带外的信号，最后再将信号输出到下一级电路中处理。输出谐振网络的工作带宽需要覆盖GNSS信号的两个频段，工作带宽将超过400MHz，因此需要增加合适的电阻R7进行扩频，降低谐振网络的品质因子，但又不能使功率效益下降太多。

双射频输入单射频输出的宽带低噪声放大器的第一级放大级电路的晶体管Q1、晶体管Q2、第二级输出电路的晶体管Q3和晶体管Q4需要有合适的偏置电压，该偏置电压的产生电路本实例未给出，可以在片内实现，也可以通过片外实现，为了隔离偏置电压产生电路的噪声对核心放大电路的影响，需要使用合适阻值的电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4隔离两部分电路，由于晶体管的基极上有电流流过，电阻上会有一定的压降，需要优化设计电阻的取值问题，阻值太大，电阻压降太大了，阻值太小，噪声隔离效果不好。同时，由于第二级输出级电路中的晶体管Q5基极没有射频信号，可以直接与对应的偏置电路相连接。

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GNSS双频陶瓷介质、窄带低噪声放大器、射频带通滤波器、改进型宽带低噪声放大器等术语，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高性能双频有源天线的射频结构，其特征在于：包括GNSS双频陶瓷介质（1）、窄带低噪声放大器（2）、射频带通滤波器（3）和改进型宽带低噪音放大器（4），GNSS双频陶瓷介质包括分别对应GNSS两个信号频段的第一输出端口和第二输出端口，改进型宽带低噪音放大器包括第一射频输入端口、第二射频输入端口和射频输出端口，GNSS双频陶瓷介质第一输出端口依次连接一个窄带低噪声放大器、一个射频带通滤波器后与第一射频输入端口连接，第二输出端口依次连接一个窄带低噪声放大器、一个射频带通滤波器后与第二射频输入端口连接，射频输出端口作为有源天线输出端；所述改进型宽带低噪音放大器（4）包括依次连接的第一级放大级电路（5）、第二级输出级电路（6）和输出谐振网络（7），第一级放大级电路包括两路放大电路，两路放大电路输入端分别对应第一射频输入端口和第二射频输入端口，第二级输出级电路包括两个信号放大支路，两个支路分别与两个放大电路连接，两个支路通过晶体管合并后输入到输出谐振网络，输出谐振网络输出端为射频输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种应用于GNSS高性能双频有源天线的射频结构，其特征是所述第一射频输入端口、第二射频输入端口与前级电路中心工作频率一致，分别对应GNSS两个信号频段，射频输出端口的工作带宽覆盖两个GNSS信号频段。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用于GNSS高性能双频有源天线的射频结构，其特征是两个窄带低噪声放大器（2）中心工作频率分别对应GNSS信号两个信号频段。

4.根据权利要求1或2所述的一种应用于GNSS高性能双频有源天线的射频结构，其特征是所述射频带通滤波器（3）的中心工作频率与窄带低噪声放大器（2）的中心工作频率一致。

5.根据权利要求1或2所述的一种应用于GNSS高性能双频有源天线的射频结构，其特征是所述射频带通滤波器（3）为声表面滤波器或介质滤波器。

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