孫健興，鄭建生，岳志剛

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079)

0 引言

GPS[1]抗干擾自適應(yīng)天線陣列技術(shù)[2]要求 GPS中頻輸出信號(hào)功率相位一致，而一般的如基于集成芯片如 GP2015的多路射頻前端設(shè)計(jì)雖然可以保證中頻輸出功率一致，但是相位難以做到一致。而基于分立元件的設(shè)計(jì)不僅可以功率一致，而且可以保證相位一致。而其設(shè)計(jì)核心是在射頻電路一致的情況下，要求本振輸入的功率和相位一致。

1 總體方案

系統(tǒng)總體方案如圖 1所示，以 10 MHz作為Si4133的參考時(shí)鐘，單片機(jī) C8051F410上電時(shí)將Si4133芯片配置寫入Si4133，并實(shí)時(shí)檢測Si4133的工作狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)Si4133失鎖時(shí)，單片機(jī)將重新配置Si4133，Si4133的射頻輸出將接入射頻功率放大器，使射頻信號(hào)有足夠的功率驅(qū)動(dòng)后級(jí)負(fù)載，放大后接入八路功分器實(shí)現(xiàn)八路同功率，同相位輸出，其中電源模塊將5 V轉(zhuǎn)變成3.3 V。該方案電路簡單，成本低廉，易于調(diào)試。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 相位幅度一致性分析

該文所說的一致性問題主要指本振輸出功率和相位一致，由于八路同功率同相的本振是由一路本振信號(hào)經(jīng)八路功分器輸出的，所以系統(tǒng)的一致性問題就是功分器的一致性問題。

功分器全稱功率分配器，是一種將一路輸入信號(hào)能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件。在設(shè)計(jì)中可以選擇多路輸出功率相等，并且相位一致的功分器?，F(xiàn)代工藝可以保證功分器的任意兩路之間的功率相差不超過1 dB，相位相差不超過1度。如Mini-circuits的SCA-4-20+在1 500 MHz頻點(diǎn)上幅度不平衡為0.51 dB，而相位不平衡度為0.89度。

其次頻率在 1～2 GHz之間的信號(hào)其波長為30～15 cm[3]，以1575.42MHz為例，其波長為21.368 7 cm，則每1 cm則相位變化16.847度，因此在功分器、功分器之間和功分器、信號(hào)輸出之間的走線盡可能做到八路相等，同時(shí)也保證了信號(hào)通過同樣長的路徑衰減相同，這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)就可以保證本振輸出相位和功率一致性。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

3.1 參考時(shí)鐘選擇

系統(tǒng)PLL電路是通過一個(gè)參考時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)倍頻，此參考時(shí)鐘選擇晶振（TCXO，Temperature Compensate X'tal (crystal) Oscillator），TCXO 的特點(diǎn)是具有較高的頻率穩(wěn)定度，而且體積小，在小電流下能夠快速啟動(dòng)。該系統(tǒng)選用的是 Conwin公司的M602,其主要指標(biāo)參數(shù)：輸出頻率為10MHz,輸出類型LVCMOS,頻率穩(wěn)定度±0.28 ppm供電電壓3.3 V，溫度范圍0～70℃。

3.2 單片機(jī)選擇

為了實(shí)現(xiàn)對(duì) Si4133的控制，該課題中使用C8051F410單片機(jī)來配置Si4133的寄存器。在該系統(tǒng)中將Si4133的輸入SDATA，SCLK，SEN，PWDN，AUXOUT分別接在C8051F410的P1.3，P1.4，P1.5，P1.6，P1.7，其中P1.3，P1.4，P1.5，P1.6配置成推挽輸出，P1.7配置成輸入。另外將P1.0，P1.1配置成輸出并驅(qū)動(dòng)LED，作為Si4133的狀態(tài)指示。

3.3 核心芯片Si4133設(shè)計(jì)

Silicon Labs公司的Si4133[3]單片集成頻率綜合芯片，圖2為Si4133的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。根據(jù)Si4133內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖可以看出，輸出頻率與基準(zhǔn)頻率間的關(guān)系為：fout=fref×N/R。Si4133內(nèi)部寄存器與單片機(jī)通過SPI接口進(jìn)行通信，在SPI時(shí)序下完成對(duì)主寄存器、鑒相器增益寄存器、電源控制電寄存器、射頻信號(hào)的N分頻器寄存器、射頻信號(hào)的R分頻頻器寄存器的配置。其次還需設(shè)置VCO的中心頻率，中心頻率由外接電感決定，由于外接電感值很小，所以實(shí)際應(yīng)用中常用一根銅絲來代替繞線電感。在使用Si4133的時(shí)候建議鎖相環(huán)鑒相增益設(shè)置成最大，因?yàn)殒i相環(huán)[4]的鑒相增益越大，鎖相環(huán)的建立時(shí)間越小，相噪越小。在該系統(tǒng)中設(shè)置Si4133的輸出頻率為1 525.42 MHz。

圖2 Si4133的內(nèi)部功能框

3.4 射頻功率放大器

由于Si4133的輸出功率典型值為-3 dBm，加上功分器衰減，如果沒有放大將達(dá)不到0 dBm的要求。因此該設(shè)計(jì)選用HMC478 ST89芯片作為射頻功率放大器[5]，HMC478ST89管腳較少，電路連接簡單，無需輸入輸出阻抗匹配，在1～2 GHz增益為19 dB。在設(shè)計(jì)外圍電路時(shí)，主要考慮的是饋電電路。該設(shè)計(jì)采用了+5 V的供電電壓，偏置電阻為18 ?，饋電電感采用18 nH。HMC479ST89的典型應(yīng)用電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 HMC478ST89電路原理

3.5 功分器選擇

該系統(tǒng)的本振在放大后輸出后接入八路射頻功分器，實(shí)現(xiàn)八路同功率同相位的輸出，因此在選擇功分器的時(shí)候，主要看重功率和相位不平衡度，還有工作頻率以及相應(yīng)的輸出端口隔離度。功率和相位不平衡度越小越好，隔離度越大越好，同時(shí)滿足工作頻率要求。在設(shè)計(jì)中用一片一分二功分器BP2G1+，和二片一分四功分器SCA-4-20+組成一分八的射頻功分器。BP2G1+主要指標(biāo)如下表1所示。

表1 BP2G1+主要指標(biāo)

SCA-4-20+主要指標(biāo)如下表2所示：

表2 SCA-4-20+主要指標(biāo)

由于本振頻點(diǎn)為 1 525.42 MHz，該文給出了BP2G1+和SCA-4-20+在1 500～1 580 MHz的工作頻率，由表1和表2可知采用組合功分器最大功率不平衡度為0.54 dB，相位不平衡度為1.05 dB。

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試儀器與設(shè)備

信號(hào)源∶ROHDE&SCHWARE SMB100A SIGNAL GENERATOR 9KHz—6GHz

頻譜儀∶ROHDE&SC HWARE FSC6.SPECTRUM ANALYZER 9KHz—6GHz

示波器：Tektronix TDS1012 100MHz 1GS/s

下變頻器：基于AD8347的下變頻模塊（自制）——兩塊

4.2 測試內(nèi)容

4.2.1 本振功率一致性測試

上電后將八路本振中的其中兩路依次輸入頻譜儀，圖 4、圖 5分為其中一路本振和另外一路本振的輸出，可以看出這兩路本振的輸出功率一致，僅差0.1 dB。

圖4 其中一路本振輸出圖

4.2.2 本振相位一致性測試

由于實(shí)驗(yàn)室沒有頻率高達(dá)吉赫射頻示波器，也沒有相位測量儀，相位差無法直接測量，因此測量方法改為間接測量，測量過程具體如下，將其中兩路本振分別接入基于AD8347的下變頻模塊的本振輸入端，利用信號(hào)源產(chǎn)生頻率為1 575.42 MHz的點(diǎn)弦信號(hào)接入功分器產(chǎn)生兩路同相同功率的信號(hào)分別接入射頻輸入端，然后輸出中頻信號(hào)接入示波器觀察，圖6為其中兩路的波形，從圖6可知中頻信號(hào)的相位基本一致，所以本振的相位基本一致。

圖5 另外一路本振輸出

圖6 本振相位差間接測量

5 結(jié)語

至此該文完成了基于Si4133的GPS八路本振模塊的設(shè)計(jì)，并對(duì)本振輸出的功率和相位進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明八路本振基本一致，可以滿足應(yīng)用。若在更高的應(yīng)用中，可以考慮可控放大器調(diào)節(jié)八路本振的功率，對(duì)于相位，可以采用移相器去調(diào)節(jié)相位差。

[1] 曾兵,蔣濤.GPS在信息安全中的應(yīng)用技術(shù)研究[J].信息安全與通信保密,2007(08):173-174.

[2] 李旭朝.基于自適應(yīng)天線的GPS抗干擾技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.

[3] Reinhold Ludwing,Pavel Bretchko.射頻電路設(shè)計(jì)－理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[4] 江曉林,苗雨.鎖相環(huán)中基于電流控制技術(shù)的電荷泵的設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2009,42(09):35-36.

[5] 吳紫君,劉平.一種RF發(fā)射電路中的LNA設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2010,43(05):64-66.