北斗導航通信一線通射頻組件設計

趙澤平，陳志春，李健均，林啟華

（廣州潤芯信息技術有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

在北斗系統應用中，一線通射頻組件和北斗接收機通過單根射頻電纜進行連接。接收機通過射頻電纜向一線通射頻組件提供饋電和北斗一代的發射信號，一線通射頻組件則將接收到的衛星導航信號放大后再通過射頻電纜傳輸給接收機[1]。

傳統的一線通組件中，5 V饋電往往對應的是5 W的發射功率，12 V以上饋電對應的是10 W的發射功率，這主要是因為10 W功率放大器一般要求供電在12 V以上，且10 W功率放大器對能量的輸送要求高。本文在傳統一線通組件的基礎上，實現了一種改進的低壓高功率一線通射頻組件設計方案。通過超級電容儲能以及DC-DC升壓芯片，在5 V饋電下驅動了10 W的發射功率，且實現了1s/次的北斗一代極限發射頻度。

1 一線通射頻組件設計方案

1.1 系統構成

一線通射頻組件覆蓋的頻點有北斗一代收發S/L、北斗二代B3以及民用導航信號B1/L1。其中B1是中國北斗的民用導航頻點，L1指的就是傳統的GPS信號[2]。一線通組件通常使用一根射頻電纜即可完成所有信號的傳輸，安裝方便，在一些導航接收機安置在室內或天線與接收機距離較遠的場景下有著廣泛的應用[3]。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

其中的一線通射頻組件則由兩大部分構成，即射頻部分和電源部分。射頻部分主要包含有B3、B1/L1、S頻點的低噪聲放大器、L頻點的10 W功率放大器以及發射檢波電路、合路器等。電源部分則主要包含電源保護、超級電容及其充電電路、DC-DC降壓和升壓電路等。

1.2 低噪放設計

低噪聲放大器負責把接收到的衛星導航信號進行放大，其噪聲系數和增益直接關系到接收機接收信號的強度[4]。一線通射頻組件包含3個頻段的低噪聲放大器，分別是B3（1 268.52 MHz±10.24 MHz）、L1/B1（B1：1 561.098 MHz±4.02 MHz，L1：1 575.42 MHz±4.02 MHz）和 S（2 491.75 MHz±4.16 MHz）低噪聲放大器。低噪聲放大器架構如圖2所示。

圖2 低噪聲放大器架構

所有低噪聲放大器都采用了相似的級聯架構，區別在于B1/L1頻段的放大器在第一級介質濾波器后面添加了一個PIN管限幅電路[5]。S頻段放大器采用了3級放大器級聯，比其他兩個頻段的放大器多了1級。這是因為B1/L1頻段靠近發射L頻段，在L發射時由于頻率太靠近，介質濾波器無法濾除L發射的大功率信號，因此需要使用限幅電路保護第一級放大器。而S頻段放大器比其他頻段多一級放大，原因是高頻段放大器的增益會下降，使用3級放大才能滿足整體增益45 dB的要求。

1.3 功率放大器和檢波電路設計

一線通射頻組件的10 W功率放大器供電電壓為12 V，由4.8 V電源升壓提供[6]。當射頻電纜輸入端口檢測到有L頻段信號時，射頻組件內部檢波器會輸出一個1.8 V左右的直流電壓信號，從而開啟功率放大器的相關電源，完成信號發射。開啟功率放大器的同時，L1/B1低噪聲放大器的電源也會被關閉，這主要是為了防止L發射的信號通過天線耦合到L1/B1低噪聲放大器被放大，然后經過合路器再耦合到L通道，形成一個閉環的自激回路。

1.4 合路器設計

合路器主要由兩個器件構成，即BMD003和GP2S1+。BMD003是個三路功分合路器，內置相應通道的濾波器。三路低噪聲放大器的輸出經過BMD003合成一路信號，然后再與L發射信號經過二合一功分器GP2S1+進行合成。需要注意的是，兩者的信號方向剛好相反。如圖3所示,低噪聲放大器的合成信號的傳輸路徑是從GP2S1+的9端口到2端口，L發射信號是從GP2S1+的2端口到7端口，直流饋電和射頻信號則通過MCX-KHD端口處的1 000 pF電容和27 nH饋電電感進行分離。

圖3 合路器原理

1.5 基于超級電容的儲能電源設計

根據指標要求，接收機對一線通射頻組件供電指標為電壓5 V、電流3.5 A。按北斗一代通信協議要求，脈沖發射時間≤300 ms。按照10 W功率放大器效率為43%計算，發射一次所需要的能量為10×0.3÷43%≈6.98 J。由于需要采用DC-DC電壓轉換，DC-DC轉換效率為85%，計算可得到需要提供的能量JPA=8.21 J，而接收機0.3 s內能提供的能量只有5×3.5×0.3=5.25 J，功率放大器耗費的能量已經超過接收機一線通端口的供電量。如果采用儲能電路，把功率放大器非工作期間的能量也存儲起來，則相當于接收機在1 s內都可以為功率放大器提供能量[7]。1 s內接收機能夠供給的能量為5×3.5×1=17.5 J，遠大于功率放大器所要消耗的8.21 J，因此該方案理論上可實現。在實際應用中，則還需要考慮充電IC的轉換效率和射頻線纜直流電阻造成的能量損耗。

蓄電方案采用超級電容+充電電路實現[8]。受升壓DC-DC和升降壓DC-DC的最低輸入電壓以及超級電容輸出的最高電流限制，不希望發射瞬間消耗掉電容存儲的所有能量，而是把電容的輸出電壓維持在4.6 V以上。根據電容的放電公式，可以求得所需要的超級電容容量：

式中，Umax為充電IC設置的停止充電的電壓；Umin為將能量供給功率放大器之后超級電容兩端量測的電壓。將JPA=8.21 J、Umax=4.8 V、Umin=4.6 V代入式（1），可以得到C=8.73 F，取最接近的標準電容值10 F。如圖4所示，4個容值相同的超級電容兩兩先并后串，最終的總容值與單個超級電容相同。而之所以要把電容串聯，是因為一般單個超級電容的工作電壓只有2.7 V，電容串聯可以把工作電壓提高到5.4 V[9]。

圖4 儲能電路設計原理

電源部分的總體架構如圖5所示[10]。

圖5 電源板設計原理框圖

整個電源通路，在經過防反接和過壓保護之后主要分為兩個支路。一路是超級電容組成的儲能電路，其電流為Ia；另外一路是3個低噪聲放大電路和PA第一級推動的供電電路，其電流為Ib。已知低噪聲放大電路電源DC-DC轉換的效率為90%，則這一路損耗的能量JLNA=(0.25+0.02)×3.3÷90%=1.11 J，由此可知Ib遠小于Ia。在計算射頻電纜的直流壓降時，可以認為Iall≈Ia。已知射頻電纜的直流電阻為0.2 Ω，則充電時射頻電纜與一線通射頻組件接口處的電壓為Uin=5-IaR。

充電IC的能量轉換效率η=75%，充電時間t=1 s。射頻電纜在這1 s內傳輸的能量必須滿足開啟一次功率放大器所需要的能量。由此可得：

將各個值代入公式，可得Ia=2.43 A。因為設計需要留有一定余量，所以把充電電流設定為3 A。，射頻電纜上的總電流Iall=Ia+Ib=3.241 A≤3.5 A，符合要求。

2 組件結構外形

按照上述設計方案，設計制造的一線通射頻組件如圖6所示。圖6（a）為射頻組件的頂面，可以看到與射頻部分連接的電源板以及電源板上用于儲能的4個超級電容。圖6（b）為射頻組件與天線接口的一面，定制天線接口與圖中展示的天線接口相匹配，采用的是對插連接方式。

圖6 一線通射頻組件實物

3 結 論

本文設計了一種儲能型的一線通射頻組件，解決了傳統一線通組件10 W高功率必須配備12 V以上直流饋電的問題，在5 V/3.5 A的供電能力下實現了支持10 W功率放大器的秒發射。由于5 V/3.5 A也是現有大多數北斗接收機所配備的一線通端口的電源指標，因此該一線通射頻組件有著極其廣泛的適配性。在導航信號體制上，包含了北斗一代S、北斗二代B3、北斗二代B1以及GPS L1，而且可以向上對北斗三代進行兼容。測試表明，該組件滿足設計指標要求。