多通道卫星导航探空接收机射频前端的设计与仿真_刘子锐.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 026多通道卫星导航探空接收机射频前端的设计与仿真刘子锐1，李晓波1，钱芝颖2，杨奥莉1(1 天津市气象探测中心，天津 300061;2 天津市武清区气象局，天津 310700)摘要:结合卫星导航探空系统的发展需要，为实现卫星导航探空系统实时跟踪多个探空仪，使用 EDA 软件设计对多通道卫星导航探空接收机射频(F)前端进行仿真。内容包括功率分配器、低噪声放大器和滤波器 3 种元器件与射频链路的级联仿真。信号经功率分配器变为多通道信号，不同通道使用不同解码方式可实现同时跟踪多个目标。仿真结果表明，方案可实现良好的物理多通道效果，解决了射频放大器芯片阻抗不匹配问题，实现了 2 5%带宽超窄带滤波。关键词:卫星导航;探空接收器;阻抗匹配;窄带滤波;功分器中图分类号:P 412 2;TP 391 9文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0123 06F Front-end Design and Simulation of Multi-channelSatellite Navigation Sounding eceiverLIU Zirui1，LI Xiaobo1，QIAN Zhiying2，YANG Aoli1(1 Tianjin Meteorological Observation Center，Tianjin 300061，China;2 Wuqing Meteorological Bureau of Tianjin，Tianjin 310700，China)Abstract:In order to meet the development needs of satellite navigation sounding system，realize the purpose of satellitenavigation sounding system tracking multiple sounding instruments in real time，this paper uses EDA software to designand simulate the F front-end of multi-channel satellite navigation sounding receiver The simulation content includespower divider，low noise amplifier and filter three kinds of component simulation and cascade simulation of F link Thesignal is changed into multi-channel signal by power divider，and different channels can track multiple targetssimultaneously by using different decoding methods The simulation results confirm that the design scheme can achievegood physical multi-channel effect In the simulation，the impedance mismatch problem of the F amplifier chip is alsosolved，and the ultra-narrowband filtering problem of 2 5%bandwidth is realizedKey words:satellite navigation;sounding receiver;impedance matching;narrowband filter;power divider收稿日期:2022-05-23作者简介:刘子锐(1995 )，男，天津人，硕士，助理工程师，主要研究方向为综合气象观测，雷达气象学。Tel:[phone];E-mail:liuzr20 qq com0引言卫星导航探空系统由卫星导航探空仪和卫星导航探空接收系统(含接收天线、接收机和数据处理终端)组成。卫星导航探空仪可实现 0 36 km 高空大气温度、湿度、气压和风向风速高准确度、高垂直分辨率的直接探测，采用高斯频移键控(Gauss Frequency ShiftKeying，GFSK)无线调频通信方式通过 P 波段频段将采集的数据实时发送至地面卫星导航探空接收系统。探空气球上升到 10 km 所需的时间一般约为 25 min，同时卫星导航探空仪也会飘离到探空气球施放的地点十几到几十 km 外。为保证较高的垂直观测高度，卫星导航探空系统水平方向最远探测距离设计为 260 300 km。探空资料对模式预报的贡献值很高，常作为真值与其他垂直探测资料进行对比。探空系统也在进一步第 42 卷发展，复杂的球载上升-平飘-下降探空预计明年实现业务化，其采用“套球法”和降落伞下投法，实现“上升平飘下降”三段式观测，实现时间、空间的观测数据加密，探测持续时间约8 h。在实际工作中探空仪的工作状态并不稳定，长时间的工作下电池电压变化将导致频率漂移与功率降低，使误码率提升，严重时导致目标丢失。在高空中紊乱的湍流也可能导致目标丢失。若接收机可同时跟踪多个探空仪，探空过程与探空数据将更加稳定。接收机性能是探空系统探测距离与多目标跟踪能力的主要制约因素。现有探空业务中目标丢失后需重新放球，高英杰等1 在多次放探空气球操作中信号出现混叠现象，研制多通道卫星导航探空接收机对探空业务发展有积极意义。1整体设计在数据通信领域，实现多目标通信的方法有 3 种，分别为频分多址(Frequency Division Multiple Access，FDMA)、时 分 多 址(Time Division Multiple Access，TDMA)和码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)。探空系统属于单向通信系统，适合使用FDMA 与 CDMA 方法，两种方法实现多目标通信均需对接收机进行多通道改造。雷达接收机常采用超外差结构，同时接收多个GPS 探空仪数据实现多通道有两种方式，一是在数字中频前将射频信号分为多路实现物理多通道;二是在数字中频后对数字信号进行傅里叶变换与滤波实现数字多通道2-3。卫星导航探空系统使用 P 波段带宽 6 MHz，若使用 FDMA 频分多址技术，工作中探空仪频率漂移范围为1 MHz，接收机至多可实现6 通道;若使用 CDMA 码分多址技术，常用的编码方式有 3 种，接收机至多可实现 3 通道。使用物理多通道方案实现卫星导航探空接收机多通道。接收机设计参数见表 1。表 1卫星导航探空接收机设计参数表频段/MHz体制增益/dB通道数通道隔离度/dB噪声/dB400 406超外差403252卫星导航探空接收机主要结构有 4 个，实现多通道的关键器件是功率分配器，使用 3 等分功率分配器。由于卫星导航探空接收机较高的增益需求，设计中使用两级低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)级联4。实现 2 5%带宽需使用超窄带滤波器，混频与中频部分可由类似 ADF7021 解码芯片支持。方案的关键是对射频链路的重新设计并进行合理组合。图 1 为设计方案射频链路图，功率分配器的位置尽可能靠后可降低整体成本，方案整体设计为 2 级低噪声放大器级联，接超窄带滤波器，由功率分配器分为3 路进入中频。在射频实现多通道。图 1射频链路示意图2射频元件设计仿真射频元件设计仿真主要使用 keysight 系列 EDA仿真软件，设计过程中使用 Matlab 进行辅助设计。2 1功率分配器设计功分器技术指标:频率范围 400 406 MHz;三等分理论分配损耗为 4 8 dB;设计插入损耗小于 5 8dB;各输出通道的隔离度为 25 dB 以上;驻波比 1 2以下。为实现高通道隔离度与良好的匹配，功分器选择经典的威尔金森结构5。其主要由传输线与隔离电阻组成，只在网络非互易时电阻才会起作用6-8。设计带宽较窄，一阶威尔金森功分器便可满足带宽要求，为实现三等分需使用 1 个一阶二不等分功分器级联 1个一阶二等分功分器。图 2 所示为功率分配器原理与PCB 版图。在射频设计中常使用/4 走线来降低反射，400MHz/4 微带线宽 2 76 mm，长 110 mm。使用圆弧线或者蛇行走线器件的尺寸依然大于 14 cm。更换板材，降低板材高度与提高介电常数都可有效降低标准微带线的宽度，但不能明显降低微带线的长度。设计中选择不使用/4 的传输线，将尺寸压缩至 7 4 cm 7 4 cm。图 3(a)线性仿真结果中 3 个端口的插入损耗均为 4 9 dB;输入端口的驻波比为 1 12。图 3(b)电磁仿真结果中 2 端口插损降低为 4 86 dB;3、4 端口插入损耗增大为 5 1 dB;输入端驻波比为 1 136。2 2超窄带滤波器设计超窄带滤波器设计指标:中心频率 403 MHz;工作频带为 400 406 MHz 带内起伏 1 dB，3 dB 带宽 9MHz;回波损耗大于 20 dB。图 4 为不同构型 3 阶滤波器理论 S 参数对比图。选择顶部电容型微波谐振滤波器实现 P 波段超窄带滤波9，图 5 为滤波器 PCB 版图，设计中未使用电感与微带线耦合结构，构型为巴特沃斯型。设计过程着重对电容元件值与微带线尺寸进行优化，当线性仿真结果达标后进行电磁仿真优化，最终选择 5%允许误差的标准电容元件值进行最终优化。电磁仿真结果与线性仿真结果时常存在差异，EMpro 软件仿真结果与真实情况接近。使用python脚本调用421第 2 期刘子锐，等:多通道卫星导航探空接收机射频前端的设计与仿真(a)原理图(b)PCB 版图图 2功率分配器原理图与 PCB 版图(a)线性仿真(b)电磁仿真图 3功率分配器线性仿真与电磁仿真对比(a)BandpassBessel，Order 3(b)Bandpass Butterworth，Order 3(c)BandpassChebyshev，Order 3图 4Bessel、Butterworth 与 Chebyshev 滤波器理论 S 参数对比图 5超窄带滤波器电路版图EMpro 并进行电磁仿真优化的结果如图 6 所示。此时3 dB 带宽 10 1 MHz，带内插损 2 3 dB，工作带宽内回波损耗最差的点为 15 8 dB。PCB 板材为 F4 双层板，高度 1 6 mm，滤波器具体参数见表 2。表 2超窄带滤波器参数板材尺寸/cm3 dB带宽/MHz带内回波损耗/dB带内起伏/dB带外抑制/dBF44 7101603倍频 48注:构型为巴特沃斯 3 阶顶部电容型微波谐振滤波器。521第 42 卷图 6电磁仿真优化结果2 3低噪声放大器设计低噪声放大器的设计指标为工作频率 403 MHz、输入阻抗50、增益40 dB 以上、噪声系数 2 dB。输入输出端口插入损耗 20 dB 以上。带内起伏 1 dB以内。LNA 设计重点是低噪声与高增益。LNA 需提供40 dB 以上的增益，0 dBm 输入时线性度良好且噪声系数小10-12。放大器的线性范围与器件、电路结构以及输入端的阻抗匹配网络都有关系13。任何一个线性网络的噪声系数为F=1+V2i4KTBS+I2i4KTB/S(1)式中:V2i、I2i分别为输入端等效噪声电压源和电流源;K为玻尔兹曼常数;T 为环境温度;B 为系统带宽;S为信号源内阻抗。P 波 段 专 用 LNA 芯 片 较 少，使 用 LM358 与ADL5521 两款 LNA 芯片实现低噪声放大器设计时发现输入、输出匹配会互相影响形成“跷跷板效应”。测量发现阻抗匹配的结果噪声与增益均很差。ADL5521性能稍好一些，ADL5521 工作频率为 400 MHz 10GHz，可实现宽带低噪声匹配，但 400 MHz 附近 S11为10 dB 驻波比为 1 9，匹配不良传输线不是零电抗，在匹配 时 需 考 虑 对 其 他 元 件 的 影 响14-15。选 择ADL5521 进行进一步仿真设计。在输入端匹配的条件少，ADL5521 受“跷跷板效应”的影响 S22只能优化到 5 dB。引入电阻进行阻抗匹配可打破“跷跷板效应”，S11、S22均可在带宽内到达40 dB，增益高于 23 dB。经测试 24 电阻在 0 4GHz 噪声系数为 2 dB。电阻的引入虽然同时提高了两个端口的散射参数品质，打破了跷跷板效应。但是同时引入了噪声与衰减，使放大器性能变差。引入电阻实现了最小反射匹配，也会使某一端口匹配时噪声圆的位置发生偏移。若进行最小噪声匹配，S22达到 20 dB。输入阻抗靠近(25+j10)，S11只能达到 9 dB。图7(a)显示 S11只能达到 9 dB，这可能影响天线工作状态16。图 7(b)为电磁仿真与线性仿真史密斯圆图，可直观显示出电磁仿真 S 参数的劣化。(a)最小噪声匹配电磁仿真结果(b)最小噪声匹配线性仿真与电磁仿真 Smith 圆图对比图 7最小噪声匹配 S 参数结果使用 Matlab 与 ADS 仿真平台联合仿真的方法共同优化两级放大器级联效果。前级最小噪声匹配、后级最小反射匹配，在前级输出端串联一个 6 2 的电阻，后级输入端反射阻抗设置为前级放大器输出端阻抗。使用 Matlab 对输入、输出端信号阻抗进行遍历，找到最佳散射参数时的输入、输出信号阻抗。使用此阻抗设计匹配网络结构。图 8 为两级低噪声放大器级联原理图。图 9 为对输入端口信号阻抗进行遍历的结果，选择反射最小时的阻抗进行输入匹配。图 10 显示最小反射匹配电磁仿真 S 参数输入、输出匹配均良好，噪声系数为 2 dB。图 8两级低噪声放大器级联原理图621第 2 期刘子锐，等:多通道卫星导航探空接收机射频前端的设计与仿真3联合仿真使用图 1 所示的链路图进行系统仿真，忽略传输线的影响。对于射频链路，重点评估增益与噪声，联合仿真中在不考虑端口不匹配18 情况下增益为叠加关系。噪声值定义为输入信噪比(SNIN)与输出信噪比(SNOUT)之比:图 9输入端阻抗遍历结果(a)最小反射匹配 LNA S 参数(b)两级 LNA 级联 S 参数图 10最小反射匹配与 2 级 LNA 级联 S 参数优化结果NF=SNIN/SNOUT(2)噪声系数与最小噪声系数(NFMIN)相关，即NF=NFMIN+N/GsYs YOPT2(3)式中:Ys=Gs+jBs为源导纳;N为归一化噪声电阻。NF级联=F1+(F2 1)G1+(F3 1)G1G2+(Fn 1)G1G2GN(4)各级器件级联进行系统线性仿真，最终线性仿真结果如图11 所示，各通道增益稳定大于40 dB，通道间增益差异 1 dB 以内。(a)系统线性仿真结果(b)各通道功率变化图 11系统线性仿真结果与通道功率变化图 12 中噪声结果显示，通道中噪声主要来自第 1级 LNA。通过对比级联噪声与各级噪声，仿真结果表明，此种设计方案的噪声为最优 0 806 dB。设计方案满足探空系统噪声、增益等要求。若将功分器或滤波器置于前级系统噪声将分别为 5 dB 与 3 dB。图 12级联功率、噪声与各级噪声、增益对比图4结语通过仿真，使用物理多通道方法可以实现卫星导航探空接收机多通道接收。现 P 波段解码芯片价格低廉，同时多个通道接收使信号拥有多个备份，保证接721第 42 卷收信号的稳定性。功分器放置于射频系统最后级的方案成本与指标均十分优良。现有的计算机仿真技术能有效支撑系统级接收机设计，可提供接近实际测试的元器件级仿真，也可提供多于实际测试的级联仿真测试数据。仿真可发现原本系统级设计中的不足之处，本次设计中目标相对带宽只有 2 5%，在 P 波段难以实现，且引入的衰减较大，应设置相对带宽为 5%。对设计过程部分内容进行经验总结:(1)滤波器设计仿真中集总参数出现较大误差的原因为在 P 波段的电感 Q 值不高，若改用其他公司的电感将可能大幅改善滤波器性能。(2)P 波段频率低波长较长，功率分配器不能使用标准/4 微带线，整体优化能有效减少元器件体积并保证器件性能。(3)P 波段频率低，市场上匹配的 LNA 芯片较少，易出现“跷跷板效应“，使用仿真技术引入电阻与阻抗遍历等复杂方法可实现良好阻抗匹配。使用仿真工具可使接收机整个设计流程在技术指标与技术方案迅速迭代，实现降本增效。在射频系统设计与雷达预研工作中广泛使用。参考文献(eferences):1高英杰，顾黎燕，郭义涛，等 高空气象探测中重放球操作及信号重叠处理J 气象水文海洋仪器，2016，33(1):20-252杜俊蛟，曹旭东，李宝森，等 基于 FPGA 的多通道雷达接收机幅相不一致校正J 电光与控制，2011，18(1):85-893王茹琪，张爱国，张兴敢，等 雷达接收机多通道高速数据采集系统J 电子技术应用，2005，31(7):35-374夏顺冬 雷达接收机的动态范围J 现代雷达，1996，18(4):76-825宋立众，刘尚吉，王永建 宽带功分器设计和电磁仿真研究J 实验技术与管理，2016，33(4):68-726焦永昌，廖小平 微波功分器的模拟与设计J 传感技术学报，2008，21(3):424-4277Kao J C，Lin K Y，Tsai Z M，et al A modified wilkinson powerdivider with isolation bandwidth improvementJ IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques，2012，60(9):2768-27808Deng P，Chen Y New wilkinson power dividers and their integrationapplications to four-way and filtering dividers J IEEE Transactionson Components，Packaging and Manufacturing Technology，2014，4(11):1828-18379黄乘顺，李星亮 传输线阻抗匹配的分析与设计J 科学技术与工程，2007，7(4):608-611 10Wedge S W，utledge D B Wave techniques for noise modeling andmeasurementJ IEEE Transactions on Microwave Theory 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