北斗卫星导航终端发射通道集成电路的设计_余之喜.pdf

北斗卫星导航终端发射通道集成电路的设计余之喜（福建福大北斗通信科技有限公司，福建 福州 ）摘要：随着我国北斗卫星导航系统日趋成熟，研制出小体积、低成本、低功耗的北斗卫星导航专用发射机迫在眉睫。因此，设计了一种北斗卫星导航终端发射通道集成电路。该电路首先在跨导输入级采用电阻负反馈技术，改进了吉尔伯特单元的双平衡电路结构，然后采用 类放大器、共源共栅负反馈结构来设计片内驱动放大器，最后采用 类放大器结构设计、仿真和制作了小型化高效率的外置功率放大器。经测试，该电路输出特性优异。关键词：导航系统；混频器；压控振荡器中图分类号：（，）：，：；收稿日期：作者简介：余之喜（），硕士研究生，研究方向为北斗定位导航与通信。引言全球卫星导航系统，又称天基定位、导航和授时系统，它利用卫星实现实时、全天候的授时、定位、导航等服务，在军事、民用领域应用广泛。全球卫星导航系统是一个国家保障经济、国防等领域安全的基础，标志着一个国家的综合国力和国际地位。正因为如此，各国都在打造自己的全球卫星导航系统。未来几年，全球将逐渐建成个具有兼容共享的全球导航系统，并以此满足不同层次用户 的 需 求，它 们 分 别 是 北 斗 卫 星 导 航 系 统、和 。在北斗卫星定位行业发展方面，目前国内有包括国防科技大学等多家院校、研究所、企业单位从事“北斗”设备的研制和生产，另有包括北斗星通导航技术股份有限公司等多家单位从事北斗民用分理服务。对于北斗二代卫星定位系统，现已建成覆盖亚太地区的卫星组网，并正式用于商业。从发展趋势来说，芯片化是“北斗”终端的必由之路，但国内目前“北斗”芯片的研制还处于发展的初期，对于北斗二代，国内已经有东莞泰斗等公司研发了相应的射频芯片。但国内的北斗二代芯片和 芯片还差距很大。集成电路设计方法 混频器的设计混频是两个不同频率的信号相乘，完成频谱的搬移过程。混频器在无线发射机系统中扮演着上变频的作用，是其射频前端电路中重要的组成部分。在发射机中，混频器是其中的核心模块，每个发射机系统都会用到混频器。在无线发射机中，基带信号通过滤波器直接进入混频器，混频器的主要功能是将经过低通滤波的基带信号与本振信号相乘，把基带信号调制到载波频率上。理想的上变频混频器是三端口的，它们分别是中频信号（）输入端口、本振（）输入端口和射频信号（）输出端口，如图所示。图混频器示意图电力设备电工技术 在本设计中，采用 型混频器进行设计，关键参数应用灵活，同时对高次谐波具有很好的抑制效果。下面就对混频器电路做设计。（）跨导输入级采用负反馈技术。由于上混频器的输入幅度大对输入管线性度改善的设计有一定难度，所幸的是上变频混频器的输入信号是来自于基带的较低频率（）信号，因此用于一般低频模拟电路的线性改善措施适用于本设计。核心电路通过在跨导输入级中差分对管的源极增加源极负反馈电阻，同时在其漏端桥接电阻来提高线性度。（）在开关级电路中用共源级的 作尾电流源，以此来抑制输入共模电平的变化对输入差分对管的工作以及输出电平的影响，从而提高混频器的噪声性能。（）在输出端采用电阻负载，避免了电感作为负载的版图面积较大问题。电阻作为负载级是混频器中较常用的负载形式，由于电流通过电阻产生的压降，会使开关级电路和跨导输入级中的晶体管不能工作在饱和区，因此选用的电阻阻值要适当，虽然这样会牺牲混频器的转换增益，但是本设计对转换增益的要求较低，对设计的影响比较小。压控振荡器的设计在无线发射机中，振荡器为混频器提供本振信号，将基带信号迁移到对应的载波频率上。作为锁相环频率合成器中的一部分，压控振荡器产生频率合成器的输出频率信号，压控振荡器是设计锁相环频率合成器的核心和难点。振荡器实现了将直流转换成交流信号的功能，包括了正反馈、增益和选频网络，从而能够产生自振荡信号。正反馈放大器的原理框图如图所示。图振荡器原理图 振荡器利用 谐振来得到振荡频率。虽然 振荡器存在无源器件会导致电路性能差、频率调谐范围窄、芯片面积大的后果，设计中存在片上的电感和可调电容两大难点，但是与上文提及的环形振荡器比较，其相位噪声有了很大的提升。差分 振荡器由差分耦合放大器和 谐振电路两大部分构成，如图所示。它在 谐振电路完成频率调谐的基础上，利用有源器件的负阻效应来补偿 谐振电路损耗的能量，从而产生稳定的等幅振荡。（）放大器电路（）等效电路图差分耦合放大器及其等效电路图目前在 集成电路中，差分耦合放大器是应用最广泛的负阻电路，其等效电路图如图所示。（）（）易得差分耦合放大器的等效负阻为：（）式中，和 分别为 和 的跨导。如果 ，那么有：（）假设 谐振回路的并联等效电阻为，为了保证电路起振，则 要满足：（）即。和 管的跨导分别对应 和，那么它们对应的等效负阻分别为 和，并联后的总负阻为：（）如果等效负阻 的绝对值小于 ，就能保证电路达到稳定的振荡状态。为了维持电路的正常振荡，同时考虑实际中外部因素，设计过程中会留一定的余量，对于两个 管结构，约为的 倍。采用两个 管结构，有以下几个优点：在 谐振电路中能储存高能量，具有良好的相位噪声性能；同时由于使用了双差分耦合放大器，振荡器拥有两倍的差分输出电压；拥有更大的总负阻，补偿 调谐损耗的偏置电流可以更低；更小的噪声拐角。由于空间衰减的存在，在利用电磁波传输信息的过程中，需要大的发射功率才能将其传得足够远。本文讨论的发射机中，片外功率放大器在整个发射机系统中占有主要地位。实验证实本文使 用 的 仿 真 平 台 是 。是 中的 电磁仿真器，能准确计算微带线的电性能、板和元器件的寄生和耦合效应等，利用它做的 具有仿真结果准确、贴近实测的特点。利用 公司给的器件模型，本文综合了分立元件和微带线的优势，利用 软件仿真并设计分立元件、微带线混合匹配网络。并应用了 中的 模块对设计的匹配网络进行 的电磁仿真。下匹配电路仿真结果如图所示，匹配后的电路可以得到 的小信号增益；、，都小于 ，因而驻波比小于。由仿真结果预计，当 信号输入时，该电路（下转第 页）电工技术电力设备流的频率，仅输出设定的高倍频电流，若设定值接近工频，则装置将中断输出并告警。此外，目前 间隔零序电流保护定值一般整定为 （一次值），故装置输出电流上限设置为，远小于零序电流保护的动作定值，即使装置输出电流频率控制故障，也不会导致零序电流保护误动作。应用实例采用本文研制的零序电流互感器及其二次回路不停电智能检测装置在 某变电站进行试点应用，对站内 个 间隔的零序电流互感器及其二次回路进行不停电检测，智能诊断报告如图所示。试点应用结果验证了该装置的有效性和实用性。采用该装置可不停电及时发现零序电流互感器及其二次回路缺陷，帮助运维人员及时发现并消除缺陷，有效提高零序电流互感器及其二次回路的运维效率，具有较大的推广应用价值。图智能诊断报告结语本文研制的零序电流互感器及其二次回路不停电智能检测装置实现了 间隔零序电流互感器和零序回路的不停电智能检测，并自动生成诊断报告。该装置已在中山供电局 某变电站进行了试点应用。应用结果表明，该装置能快速诊断零序电流互感器变比、极性错误及零序回路缺陷，帮助运维人员及时发现并消除缺陷，有效提高零序电流互感器及其二次回路的运维效率，避免缺陷导致零序电流保护误动、拒动，提高了 配电网的供电可靠性。参考文献 毛锦庆 电力系统继电保护实用技术 北京：中国电力出版社，王其军零序电流互感器的优化设计中低压电器，（）：杨浩，李长明 基于自适应正弦滤波的零序电流互感器在线检测方法 微计算机信息，（）：陈冬霞 零序电流互感器特性及其检测方法研究广州：华南理工大学，尹刚，司瑞琦，李长明自适应滤波器在提高持续正弦信号采集精度中的应用重庆大学学报，（）：李军，朱亚清，陈文一种新型正弦跟踪微分器的研究与应用控制理论与应用，（）：（上接第 页）输出功率预计为 。仿真结果总体上满足 设 计要求。图 下匹配电路仿真结果 板加工工艺偏差对匹配电路性能的影响会很大。根据本文的大功率放大器电路设计的需要，对各种因素进行了综合考虑，选择了合适的板材参数和加工工艺，具体如下：尺寸为 ；层数为；表面处理采用沉 金 的 方 式；材 质 为 ；介 电 常 数 为 ；板厚为 ；铜厚为（）。结语针对北斗卫星导航终端发射通道的技术要求，采用了直接上变频发射机的总体结构设计，并在此基础上分解制定了系统中各模块的指标。采用了 工艺，研究并设计了射频前端芯片的部分关键电路，其中包括上变频混频器、压控振荡器、内置驱动放大器和外置大功率放大器等模块。参考文献 高贵虎，苏凯雄 北斗导航接收通道低噪声放大器设计电气开关，（）：陈丽坤，苏秀松一种船舶北斗导航天通卫星电话终端外壳结构的设计 科技创新与应用，（）：富新辉，余之喜，苏凯雄 基于 北斗便携终端的安卓系统设计 微型机与应用，（）：张蕊，黄海生 北斗卫星信号多普勒频移的电路设计 电子技术应用，（）：张聪，张伟，钟洋，等 基于北斗卫星技术的通信导航服务系统设计与实现电子技术与软件工程，（）：电力设备电工技术