北斗高性能卫星无线电测定业务发射通道的研制.pdf

Jun.20232023年6 月JOURNAL OF DONGGUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.30)No.3第30 卷第3期学院学报东莞理北斗高性能卫星无线电测定业务发射通道的研制高贵虎范梦怡？（1.闽江学院物理与电子信息工程学院，福建福州350108;2.福建江夏学院电子信息科学学院，福建福州350108)摘要：针对发射通道高功率、高线性度、高效率等性能指标的优化问题，提出了一种直接上变频+三级级联功率放大器的设计框架，结合功率回退设计、多目标联合优化法完成了高性能卫星无线电测定业务发射通道的设计。同时，引入小型温度补偿器，进一步提高了宽温度范围的线性度，避免低温自激饱和烧毁芯片。经过系统设计、性能分析、实物制作和测试，常温下发射通道的输出功率为10.11W，调制相位误差为1.26，载波抑制度为46.2 1dBc，效率为50.2 1%，实现了产品级的高性能设计，已批量生产并应用于北斗导航通信终端关键词：北斗卫星导航系统；发射通道；基带；上变频；射频功率放大器中图分类号：TN927.23文献标志码：A文章编号：10 0 9-0 312（2 0 2 3）0 3-0 0 7 8-0 5北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和社会经济发展需要，自主建设、独立运行的重要空间基础设施，其高性能卫星无线电测定业务(Radio Determination Satellite Service，RD SS）功能支持短报文通信功能，在农、林、牧、渔等领域应用十分广泛。随着车载、船载等应用场景的推广，电源扰动、车船结构对信号的遮挡、户外暴晒昼夜温差大2-3】等等问题日益突出，北斗终端的可靠性对发射通道的性能提出了更高的要求。对于性能问题，常采用多级放大器结构4耦合电桥的平衡型结构5提高增益和输出功率；采用平衡放大器6 、预失真法7 】提高线性度；采用低导通角的功率放大器8 拱提高效率。但这类针对单一性能进行优化的方法，不仅牺牲了系统的体积，还提高了系统复杂度和设计难度，对于综合性设计往往容易顾此失彼，这也导致其在应用型研究中难以推广。针对此，提出了一种直接上变频+三级级联功率放大器的设计框架，基于功率回退设计、温度补偿等方法，实现了宽温度范围内高性能的发射通道设计。系统架构设计根据北京导航定位中心标准文献中国第二代卫星导航系统重大专项标准9 ，北斗通信终端RDSS发射通道的指标要求如表1所示。表1RDSS发射通道指标要求指标指标要求本振信号频率/MHz1 615.68输出功率/W10调制相位误差/。3载波抑制度/dBc30结合指标要求和各类发射机结构的性能分析，采用结构清晰、无镜频信号、体积小、功耗低的直接上变频结构，所得系统框图如图1所示。系统架构由基带芯片、低通滤波器、变频器、本振、可变增益放大器（VariableGainAmplifier，VGA）、驱动放大器（DriverAmplifier，D A）和高功率放大器（HighPowerAmplifier，H PA）组成射频信号处理链路。同时，结合温度补偿网络提高线性度与工作温度范围、级间匹配网络提高功率传输效率、电源网络提高发射效率与响应速度、腔体提高散热与电磁屏蔽等方法完成高性能收稿日期：2 0 2 2-10-31基金项目：国家自然科学基金面上项目（52 17 2 32 7）；福建省中青年教师教育科研项目（JAT220313）；福州市科技计划项目（2 0 2 1-SG-272）；实验室研究专项课题校级项目（MJUS2022A005）。作者简介：高贵虎（19 9 3一），男，福建福州人，助理实验师，硕士，主要从事北斗卫星导航研究，Email：10 6 15512 8 9 q q.c o m。79高贵虎，等：北斗高性能卫星无线电测定业务发射通道的研制第3期发射通道设计。天线基带VGAVGA温补DAHPA图1发射通道系统框图首先，基带芯片输出单端LV_TTL、速率为4.08MHz的数字信号，经过低通滤波器滤除数模转换产生的谐波等干扰信号，由差分可变增益放大器初步进行功率电平处理；然后，将基带信号通过上变频器直接调制为BPSK射频信号；接着，通过驱动放大器和高功率放大器放大输出功率；最后，经过天线将信号发射到北斗卫星。2射频链路性能分析2.1增益分析在功率放大器设计中，增益主要来源于驱动级放大器。由于单级直接提供高增益存在自激震荡的隐患，故考虑增加一级增益模块（GainBlock，CB）提供增益，通过两级放大器驱动与高功率放大器即可实现10 W稳定输出。根据10W（40 d Bm）输出要求，结合输出功率、1dB压缩点、线性度等指标进行性能分析与芯片选型，增益分配情况如图2 所示。天线OdBm!30dBmHPA40dBmlVGAGBDAG-10111G-30 dB1图2发射通道增益分配框图其中，VGA增益包含了压控增益与变频增益，其输出功率的线性范围在-5dBm和4dBm之间，默认设置为OdBm输出；DA增益包含了温度补偿衰减、固定增益、匹配网络损耗与驱动级增益，输出功率为30 dBm；H PA 增益包含了匹配网络损耗与高功率增益，输出功率为40 dBm。2.2线性度分析由于放大器的非线性特性，信号在放大的过程中会产生各次谐波，不仅损耗功率，还会成为其他频点的干扰信号。三阶互调失真（Third-or-der Inter-Modulation Distortion，IM D 3）是衡量放大器线性度的一个重要指标，级联放大器的IMD3与各级放大器的IMD3白的关系如式（1）(MD3=201g(10*/20+10*2/2010*/20(1）式中，IMD3为级联放大器的三阶互调失真，x1、x2、x 为各级放大器的三阶互调失真。为了方便理解，以两级放大器为例，即IMD3=201g(10*/20+10*2/20)X2+20log1+10(x=*2)/20(2)令X=x-x2，表示第一级的IMD3与第二级的IMD3之差的绝对值，则第一级的IMD3对第二级的IMD3的恶化程度Y可用公式（3）表示Y=201og1+10-X/20(3)根据公式（3），第一级优于第二级的IMD3与第二级IMD3恶化值的关系见表2。表2X与Y的关系表XY0351.2100.4150.135200.043根据表中的数据分析，随着X值的增大，Y值成倍减小，说明优化第一级IMD3可以减小第二级IMD3的恶化程度，从而改善级联放大器的IMD3。因此，在方案设计时需要选用IMD3指标良好的变频器和前级放大器来提高系统的线性度。当工作点位于1dB压缩点时，功率放大器具有较高的线性度与效率，工作点每回退3dB，IMD3将改善6 dB，该方法设计简单且容易实现，但牺牲了部分效率。考虑到系统效率主要由末级决定，结合上文分析，可针对前级放大器做功率回退设计，进一步优化射频链路的线性度。3关键单元特性分析与设计3.1基带单元的设计北斗基带处理芯片集成了北斗RDSS专用基带芯片与32 位高性能CPU，包含串口、IC卡接口、Flash等外设。在北斗RDSS发射通道中，通过分析入站协议和通信协议，可以完成对设定原始观测量生成、导航电文编码、发射通道控制等功能。基带单元主要由基带、发射通道控制、存储、数模转换、时钟整形、复位、电源等电路组成。当上位机程序键入通信定位参数并确认启动发送指令时，基带芯片将发出基带信号，同时也会发2023年80工学院学报东莞理出使能信号开启发射通道的各功能单元。由于功率放大器开启瞬间电流较大，需要选用大电流、低压差的MOS管作为控制器件。为了达到导通条件，避免误触发，本文提出一种三极管做电平转换+MOS管导流的设计方案，由瞬时高电平作为控制信号，控制电路如图3所示。VCC5.1VR56ENRFIC10KR57鞋T2R58T0JioKMOS2301BBENR59Q2IC124VpaSiVT5KC9014R600.1uFIC125J10Ko.1uF图3发射通道控制电路图3中，三级管Q2为场效应管T提供栅极偏置，当控制信号BB_EN为低电平时，三极管Q2不导通，电阻R60接地可避免误启动提高稳定性；当控制信号BB_EN为高电平时，射频芯片控制信号EN_RFIC也为高电平，开启VGA与上变频电路。同时，晶体管Q2的BE级导通，将集电级下拉为低电平，此时场效应管T2达到导通条件，开启功率放大器电路。3.2上变频单元的设计为了提高系统集成度，本研究选用一款国产北斗RDSS射频芯片，集成了切比雪夫滤波器、无源变频器、频率合成器、VGA等单元，具有调制相位误差小、载波抑制度高、线性度高、阻抗自匹配等优点，内部集成的放大器具备功率控制功能，其输出1dB压缩点高于4dBm，当输出功率设置为0 dBm时，功率回退设计对IMD3的改善将超过6 dB。通过设计外围低压差稳压器、压控振荡器、环路滤波器等电路即可正常工作。其中，环路滤波器作为频率合成器的重要部分，对于信号锁定、相位噪声均具有较大影响，对系统稳定性至关重要。由于北斗RDSS系统的通信频度为6 0 s，环路滤波器需要具备快速锁定、低相位噪声、低杂散等特性。当环路带宽选在最优抖动带宽时，环路抖动、杂散性、捕获时间和相位噪声等指标都比较好。为了提高滤波性能，发射通道采用三阶无源滤波器，设计电路如图4所示。3.3驱动级功率放大器的设计与实现驱动级主要采用高增益和高线性度为主、高R17R18VTUNE.TX10K3.6KC40C41C42二100pF120pF10nF图4三阶无源环路滤波器电路效率为辅的设计方法，由增益模块与驱动级构成。相比于驱动级，增益模块设计的侧重点将在高增益和高线性度，故选用IMD3、噪声等指标优异的固定增益射频芯片，其内部完成了50 欧姆匹配，有利于功率回退设计。增益模块功率回退设计为3dB，可进一步提高系统的线性度。在此基础上，驱动级功率放大器将侧重于高效率与高线性度进行设计，工作点选择在1dB压缩点附近。驱动级的供电电压由发射通道控制电路提供，其输出功率特性如图5所示。401dB30m120mlInput RFpower=O dBmOutput RFpower=29.95dBm10-15-10-50510Input RFpower/dBm图5驱动级输出功率特性曲线由特性曲线可以看出，驱动级具有良好的线性度，工作点位于1dB压缩点附近。当输人功率为北斗RDSS射频芯片设置的输出功率时，输出功率满足增益分析的设计要求。3.4末级功率放大器的设计与实现末级功率放大器主要由有源芯片、匹配电路、偏置电路构成。常见的设计方法是：在工作频段内绝对稳定的条件下，调整偏置使有源芯片的静态工作点位于线性放大区。通过合理设计输入输出匹配网络，实现有源器件对源阻抗和负载阻抗的匹配，从而保证功率放大器的增益、效率和输出功率。考虑到系统效率主要由末级功率放大器决定，故工作点选在1dB附近，在保证系统线性度的同时尽量提高效率。末级由开关电源直接供电，偏81第3 期高贵虎，等：北斗高性能卫星无线电测定业务发射通道的研制置电压则由发射通道控制电压分压而来。针对阻抗匹配网络，本文采用分布参数和集总参数相结合的方法进行设计，用村田元件和微带线做匹配。末级特性曲线如图6 所示。5012m2f.idB.10408306Gain/dBm2420Input RFpower=30.00 dBm2OutputRFpower=40.08dBm1001520253035InputRFpower/dBm图6末级输出功率与增益特性曲线图6 中，末级功率放大器的输出功率为40.08dBm。从增益的变化趋势可以看出，末级功率放大器的工作点刚好位于1dB压缩点附近，此时系统的线性度和效率都处在较高的水平3.5温度补偿的设计当功率放大器的偏置电流一定时，电子迁移率和电子饱和迁移率决定着晶体管的增益和饱和功率，且都是随温度上升而降低。北斗终端常年在户外风吹日晒，冬夏工作温度差值将超过80。因此，发射通道需要加人温度补偿网络防止输出饱和、自激，同时也能够提高宽温度范围内的线性度。结合晶体管的高低温增益特性分析，三级功率放大器从低温-40 至高温8 0 的增益累计将减小1.2 dB，且呈线性变化。为了解决增益变化带来的不稳定性，选取小型温度补偿衰减器STCA0603N3，其在L频段的频率响应呈线性变化，低温-40 至高温8 0 的衰减量从3.7 dB减小至2.42 dB，刚好能够抵消晶体管因温度变化而带来的增益变化量，确保三级功率放大器的高低温增益控制在40 dB+0.2dB。4系统测试与验证在理论分析和单元设计的基础上，结合射频电路的设计原则，经过PCB版图设计、电路板加工、元器件焊接、腔体设计制造后，测试实物图如图7 所示。图中银色金属腔体为测试模块，下板为测试用转接板，负责测试模块提供电源与RS232串口通信电平转换。通过北斗测试平台、频谱分析仪、高低温箱图7测试实物图等设备来模拟北斗RDSS系统的测试环境，并与市面上一种典型产品S1进行对比，测试数据由7次测量数据剔除最高最低后取平均得到，测试结果如表3所示。表3同类设计指标对比测试参数本设计S1温度/-40258025输出功率/W10.2610.1110.075.08调制相位误差/1.121.261.311.46载波抑制/dBc46.3746.2146.0541.98效率/%50.0850.2150.1648.53测试数据表明，发射通道的各项指标与理论分析、单元设计基本一致，优于北斗卫星导航系统重大专项标准的设计要求，说明本研究的成果具备较好的一致性、可靠性与易用性。相比于S1，本研究具有更高的输出功率和效率、更好的调制指标，这能够提高信号的完整性，提高通信定位的成功率。5结语根据重大专项标准关于北斗RDSS发射通道的设计要求，提出了直接上变频+三级级联功率放大器的设计框架。为了减小系统体积，简化设计流程，基带和上变频部分选用集成芯片；为了实现高功率、高线性度、高效率，综合使用功率回退设计、多目标联合优化法；为了进一步提高宽温度范围的线性度，避免低温自激、饱和烧毁芯片，引人温度补偿网络。经过实物制作、调试与测试，常温下发射通道的输出功率为10.11W，调制相位误差为1.2 6，载波抑制度为46.2 1dBc，效率为50.2 1%，实现了产品级的高性能设计，已批量生产并应用于北斗导航通信终端，这8220233年东莞理工学院学报进一步说明了本研究的可行性和实际应用价值。参考文献1宫山：北斗卫星导航系统和全球卫星通信系统J中国船检，2 0 2 2,2 3（10）：54-58.2聂光皓，申亮亮，王新龙，等北斗卫星信号结构及其特性分析J航空兵器，2 0 2 0，2 7（5）：7 3-8 0.3黄思育基于天通卫星通信的海洋浮标监测系统设计J东莞理工学院学报,2 0 2 1,2 8（1）：43-47.4杨涵一种高性能L波段射频功率放大器的研制D深圳：深圳大学,2 0 18.5南敬昌，李政，卢永.平衡式并发双波段功率放大器的设计与实现J电波科学学报,2 0 2 2,37（5）：8 8 3-8 9 1.6童华清用于北斗一代发射机的功率放大器设计D杭州：浙江大学，2 0 17.7王楠射频功率放大器线性化技术分析J：科技创新与应用，2 0 2 0,19（2 6）：16 4-16 5.8刘承鑫高效率射频功率放大器研究与实现D西安：西安电子科技大学,2 0 2 1.9BD420007-2015.中国第二代卫星导航系统重大专项标准S.北京：中国标准出版社，2 0 15.Development of Beidou High-Performance RadioDetermination Satellite Service Transmission ChannelGAOGuihuFAN Mengyi2(1.School of Physics and Electronic Information Engineering,Minjiang College,Fuzhou 350108,China;2.School of Electronic Information Science,Jiangxia College,Fuzhou 350108,China)Abstractt Aiming at the optimization of high power,high linearity,high efficiency and other performance indicators of thetransmission channel,this paper proposes a design framework of direct up conversion and three-stage cascaded power amplifier,andcompletes the design of the high performance satellite radio determination satellite service transmission channel by combining thepower fallback design and multi-objective joint optimization method.At the same time,a small temperature compensator is intro-duced to further improve the linearity of the wide temperature range and avoid the low temperature self-excitation saturation burningchip.After system design,performance analysis,physical production and testing,the output power of the transmission channel atroom temperature is 10.11W,the modulation phase error is 1.26,the carrier suppression degree is 46.21dBc,and the efficiencyis 50.21%.The product-level high-performance design has been realized,and has been produced in batches and applied to the Bei-dou navigation and communication terminal.Key words BDS;transmission channel;baseband;up conversion;RF power amplifier