GPS天线设计

双频GPS接收机射频前端建模与仿真于晓丰北京航空航天大学电子信息工程学院电磁兼容实验室北京100191摘要：根据双频GPS接收机总体指标要求，提出切实可行的前端电路实现方案。利用ADS仿真软件建立射频接收机的行为级模型，采用S参数、Budget和Envelope仿真器对接收机的信道选择性、噪声系数、三阶截断点、载噪比、幅频特性和动态范围等指标进行计算。ADS软件的系统仿真功能可以快速有效对模型进行验证，对指导射频接收机的设计具有重要意义。关键词：射频接收机；系统建模；系统仿真一、引言在射频接收机的设计过程中，用AgilentADS软件对接收系统进行行为级建模仿真分析，可以了解系统的幅频特性，输出的频谱特性，系统载噪比，非线性等性能指标。通过行为级建模和仿真能够确定射频接收机各组成模块的技术指标，快捷有效地对接收系统的性能进行验证，对指导射频接收机的设计和验证具有重要的意义。二、接收机结构及指标分配GPS接收机的任务是，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解调出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的二维位置，位置。双频GPS卫星信号的射频带宽为20MHz，采用L频带的两个不同频率的电磁波作为载波信号，分别称为L1载波和L2载波。其中，L1载波的频率1575MHz，L2载波的频率1227MHz。2.1双频GPS接收机结构GPS接收机的硬件部分包括射频前端、基带处理器和外围芯片等。射频前端是GPS接收机的关键组成部分。由于天线接收到的GPS卫星信号较弱、干扰频率较多，射频电路要完成对GPS信号的放大、变频、滤波等处理，使其频率、幅值和载噪比(CNR)能够达到对信号进行正确处理的要求。同时，要求GPS接收机有较高的灵敏度和较小的噪声系数(NF)，并且对带外干扰信号有一定的抑制作用。到达天线的射频GPS信号功率大约为-130dBm，深埋于热噪声电平之下(-114dBm/MHz)。因此射频前端必须将GPS信号放大到某一电平之上，使得该信号能够为基带处理器所利用。为了提高接收机灵敏度和抗干扰能力，双频GPS接收机采用两级变频超外差结构。射频电路主要由低噪声放大器、混频器、滤波器、自动增益放大器等部分组成。其中，L1信号第一中频频率为470.2MHz，第二中频频率为60.2MHz；L2信号第一中频频率为470.6MHz，第二中频频率为60.6MHz。2.2指标分配本文中基带处理器对信号幅度的要求为-15~-10dBm，再结合GPS接收机测距和定轨精度需求，可以确定射频前端的总体设计指标要求，如表1所示。表1接收机总体指标指标参数数值NF≤1.8dBCNR(L1)≥43dBCNR(L2)≥37dBTotalGain≥115dBDynamicRange≥35dBIP3≥20dBm根据总体指标要求，二次变频双频GPS接收机射频前端电路结构如图1虚线框中所示。前端电路包括接收天线、低噪声放大器(LNA1、LNA2)、预选择带通滤波器(BPF1)、功分器、混频器(MIX1、MIX2)、中频放大器(AMP1、AMP2)、低通滤波器(LPF)、自动增益放大器(AGC)。功分器射频信号-130dBmLNA1LNA2BPF1AMP1AMP2AGCAMP2AMP1BPF2BPF2MIX1MIX1MIX2MIX2LPFLPFAGCL1L2基带处理器射频前端图1双频GPS接收机射频前端结构图射频信号经低噪声放大器、混频器、滤波器及中频放大器等单元模块的传输，由于每个单元都有固有噪声，经传输后信噪比将下降。n级电路总的噪声系数TOTF与各级电路噪声系数iF的关系为：121213121111−−++−+−+=nnTOTGGGFGGFGFFFLL式中iG为第i级电路的增益。所以前置低噪声放大器(LNA)应具有低噪声系数、高增益特性，且其工作频段应满足GPS接收机的射频带宽指标。级联系统中，后级电路输出的功率要高于前级电路的功率。所以，射频系统的三阶截断点主要受后级电路的限制。n级电路总的三阶截断点TOTIP,3与各级电路三阶截断点的关系为iIP,3nnTOTIPGGGIPGIPIP,32122212,3211,3,3......11−+++=(2)利用公式(1)和(2)，根据总体指标要，射频前端各级电路的指标分配如表2所示。表2接收机单元器件指标器件名称Gain(dB)NF(dB)IP3(dBm)LNA1/LNA2351.022BPF1-11.5MIX1-83.012AMP1182.724BPF2-230.5MIX2-73.622AMP2182.814LPF-11.0AGC-2.5~42.53.527三、行为级建模及仿真AgilentADS软件中提供了以上各个模块的基本模型，模型的参数可以按照要求进行设置，可以快捷的计算射频电路的参数验证接收机的性能。在ADS中建立射频前端电路的行为级模型，如图2所示。AMdemodoutL2outAMdemodoutVconL1outVconRFinS_ParamSP1Step=0.001GHzStop=3GHzStart=0.0001GHzS-PARAMETERSBudgetBudgetMeasurement[4]=OutSNR_Total_dBMeasurement[3]=Cmp_NF_dBMeasurement[2]=OutTOI_dBmMeasurement[1]=Cmp_OutTOI_dBmSystemCommand=RunCommand=noMeasurementAngleUnit=degreesMeasurementFrequencyUnit=HzNonlinearAnalysis=yesBUDGETEnvelopeEnv1Step=10nsecStop=500nsecOrder[3]=3Order[2]=3Order[1]=3Freq[3]=IF1L1-IF2L1Freq[2]=RFL1-IF1L1Freq[1]=RFL1ENVELOPEAmplifier2AMP6NF=2.8dBS21=dbpolar(20,0)Amplifier2AMP5NF=2.8dBS21=dbpolar(20,0)AM_DemodTunedDEMOD3V_DCSRC3Vdc=VrefOpAmpAMP13RR6R=1OhmRR5R=1OhmP_1TonePORT4Freq=RFL1-IF1L1P=dbmtow(LO1P)Z=50OhmNum=4P_1TonePORT7Freq=IF1L1-IF2L1P=dbmtow(LO2P)Z=50OhmNum=7Amplifier2AMP3NF=2.7dBS21=dbpolar(18,0)MixerMIX1ConvGain=dbpolar(-8,0)SideBand=LOWERMixerMIX3ConvGain=dbpolar(-7,0)SideBand=LOWERLPF_ChebyshevLPF1Astop=30dBApass=3dBFpass=100MHzBPF_ChebyshevBPF2BWpass=20MHzFcenter=470MHzRR4R=50OhmAM_DemodTunedDEMOD2AmplifierVCAMP14CC2C=1pFResetSwitchSWITCH3t0t=0AmplifierVCAMP15V_DCSRC4Vdc=VrefOpAmpAMP16RR7R=1OhmRR8R=1OhmResetSwitchSWITCH4t0t=0CC3C=1pFRR9R=50OhmAmplifier2AMP1NF=0.8dBS21=dbpolar(35,0)BPF_ChebyshevBPF3BWpass=20MHzFcenter=470MHzLPF_ChebyshevLPF2Astop=30dBApass=3dBFpass=100MHzMixerMIX4ConvGain=dbpolar(-7,0)SideBand=LOWERMixerMIX2ConvGain=dbpolar(-8,0)SideBand=LOWERAmplifier2AMP2NF=0.8dBS21=dbpolar(35,0)Amplifier2AMP4NF=2.7dBS21=dbpolar(18,0)PwrSplit2PWR1S31=1S21=1P_1TonePORT6Freq=IF1L2-IF2L2P=dbmtow(LO2P)Z=50OhmNum=6P_1TonePORT5Freq=RFL2-IF1L2P=dbmtow(LO1P)Z=50OhmNum=5P_nTonePORT3P[2]=polar(dbmtow(Pwr),0)P[1]=polar(dbmtow(Pwr),0)Freq[2]=RFL2Freq[1]=RFL1Z=50OhmNum=3BPFmodeBPF1图2GPS接收机射频前端行为级链路3.1信道选择性仿真利用Sparameter仿真器，可以对信道选择性进行仿真验证，具体仿真结果见图3所示。1.0331.2671.5001.7331.9670.8002.20027.545.062.510.080.0freq,GHzchannalselectivitym1m2m3m4m1freq=dB(S(2,1))=78.2851.210GHzm2freq=dB(S(2,1))=78.2361.234GHzm3freq=dB(S(2,1))=78.2501.570GHzm4freq=dB(S(2,1))=78.2521.593GHz图3(a)GPS双通道选择性1.21.41.61.82.01.02.2-153075-60120freq,GHzL1channalselectivity1.0331.2671.5001.7331.9670.8002.200-153075-60120freq,GHzL2channalselectivity图3(b)L1通路选择性图3(c)L2通路选择性从仿真结果可以看出，射频接收机的信道满足GPS信号的带宽要求，并且L1和L2通路对带外信号都有较好的抑制作用。3.2性能指标仿真计算利用Budget仿真器，对射频前端电路的噪声系数、三阶截断点、射频增益等仿真计算。以L1链路为例进行计算，建立Budget仿真模型。其中，输入信号功率设为-130dBm。对Budget仿真器进行设置，选取Cmp_OutTOI_dBm、OutTOI_dBm以及(1)Cmp_NF_dB、OutSNR_Total_dB为计算参数，仿真计算结果如表4所示。表4接收机单元器件及系统指标仿真计算值ComponentNFAMP10.800BPF11.622AMP20.800MIX53.000AMP32.700BPF20.522MIX63.000AMP52.800LPF11.339AGC3.500System_NameSystemInN0_dBmSystemInNPwr_dBmSystemInSOI_dBmSystemInTOI_dBmSystemNF_dBSystemOutN0_dBmSystemOutNPwr_dBmSystemOutSOI_dBmSystemOutTOI_dBmSystemPGain_SS_dBSystemPGain_dBSystemPOut_dBmSystem_Value-258.599-258.599-83.962-90.7020.802-63.389-63.38933.55426.815117.517117.517-12.483由计算结果可知，实际模型中滤波器BPF1的噪声系数为1.622dB，BPF2的噪声为0.522dB，LPF1的噪声系数为1.399。射频前端总噪声系数TOTF=0.802，满足系统总体指标小于1.8dB的要求。TOTIP,3=26.784dB，满足总体指标大于20dB的要求。射频前端总增益117.517dB，满足总体指标大于115dB的