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摘 要：我国海上的导航、定位、电台、勘探等应用和业务都与北斗卫星密切相关, 但由于海上气候条件恶劣, 海面的不 平坦性以及特殊的地理和电磁特性等原因,会对北斗卫星的信号产生严重的影响。本文设计了一款轻量化、低功耗、高性能的 多频段射频前端系统。该设备由 1615MHz、2004MHz 两路发射和 1575MHz、1176MHz 两路接收单元组成。在放大功率、 隔离度等各项设计参数满足指标的同时,还具备输出功率可调、功率放大器开关可控、驻波比告警等功能。设备位于天线与终 端设备之间,实现基于北斗卫星系统的海上通信,提供稳定可靠的通信链路。
关键词：海上通信,功率放大器,多频段,射频,北斗卫星
Design of Radio Frequency Transceiver System Based on Beidou Satellite
Communicati
ZHU Yiming, DUAN Jinjie, ZHOU Yongkang, HOU Qun, LAN Hui
( Jianghan University, Wuhan Hubei 430056)
【Abstract】： Beidou satellite is closely related to navigation, positioning, radio, exploration and other applications and operations on the sea in China. However, due to the harsh sea climate, the irregularity of the sea surface, and the special geographic and electromagnetic characteristics, the signals of Beidou satellite will be seriously affected. This paper designs a lightweight, low power consumption, high performance multi-band RF front-end system. The device consists of 1615MHz, 2004MHz two-channel transmitter and 1575MHz, 1176MHz two- channel receiver. While the design parameters such as amplification power and isolation meet the criteria, it also has functions such as adjustable output power, controllable power amplifier switch, standing wave ratio warning and so on. The equipment is located between the antenna and the terminal equipment, which enables the Beidou satellite system-based maritime communication and provides a stable and reliable communication link.
【Key words】： maritime communications;power amplifier;multiband;RF;Beidou satellite
近现代以来, 随着卫星导航系统的发展和进步,北 斗全球卫星导航系统已经在我国以及部分世界其他海域 上得到常态化应用。相较于国外的卫星导航系统传统的 定位功能而言,北斗导航系统还具备双向短报文通信功 能,该功能具有通信距离远、可靠性高等特点,在国 防、海防、海上监测、应急救援、海上运输、资源勘探等领域得到了广泛应用 [1]。而射频功率放大器作为北斗 卫星接收前的最后一级,其性能指标往往是影响信号链 路建立和报文稳定传输的关键。在实际的工作过程中, 海上射频功率放大器存在部署运维困难、工作效率低 下、容易因为温湿度变化和恶劣的天气环境带来的线性 度不理想、电路环境容忍度低导致损坏率过大等一系列问题。
针对上述问题,为保证北斗卫星的定位和报文传输 功能的实现和稳定,本文提出一种双频段接收、双频段 发射的射频前端系统。该系统由低噪声单元、功放单元 和电源控制单元三部分组成,与天线、通信终端配合, 为设备提供 S 波段卫星通信和北斗二号卫星导航 / 北斗 三号卫星导航系统(BD2/BD3)短报文通信及目标定位功能 [2]。
1 系统设计指标与仿真
低噪放模块实现多路接收信号的低噪声放大、滤 波、合路等功能。两个接收通道增益、输出功率、杂 散、驻波比等性能指标是系统接收报文和定位功能实现 的重要部分。
功放前端设备包括三个部分 ：公共通路部分、合 路滤波器部分、末级放大部分。公共通路包含数控 衰减器和放大器来满足指标中 20 ~ 50dB 增益可控 的要求 ;合路滤波器包括两个带通滤波器,实现对 1995 ~ 2010MHz 和 1610 ~ 1629MHz 两 路 信 号 的 隔离,保证指标中 40dBc 以上的隔离度 ;末级放大器 对上述两个频段的发射信号进行放大,在满足放大条 件的同时保证插入损耗小于 0.8dB。射频前端设备的 1980 ~ 2010MHz MHz 和 1610 ~ 1629MHz 频段的耦 合度仿真采用先进设计系统 Advanced Design System (ADS)进行,经过仿真,耦合度约为 30dB,插入损耗 小于 0.1dB,效率约为 43.2%[3.4] 结果如图 1、图 2 所示。
2 总体设计结构
2.1 射频硬件设计
射频前端模块由低噪声单元、功放单元和电源控制 单元三部分组成,实现 S 波段和 BD2/BD3 的定位和短 报文通信射频信号放大和处理,与天线、通信终端配 合,实现 BD2/BD3 短报文通信及定位功能,系统设计 框图如图 3 所示。
低噪声单元实现对天线接收的射频信号的带通滤 波、低噪声放大、合路放大等功能,将两个通道的射 频信号合成一路,同时滤除干扰信号。低噪放单元包 含两路低噪声放大通路和一路公共通路,两路分别为 1560 ~ 1590MHz 频段和 1165 ~ 1185MHz 频段,经过 带通滤波器滤波和低噪声放大后,合路滤波器将两路合为一路。为满足隔离度要求,滤波器使用两级滤波结构 ： 1573.98 ~ 1577.92 频段, 滤波器插入损耗为 1.5dB, 收 发隔离度为 40dBc ;1173.95 ~ 1178.95MHz 频段, 滤 波器该滤波器插入损耗为 1dB,收发隔离度为 45dBc。 由于两路信号的频率间隔不同,带通滤波器通道间的隔 离度也有所不同,设计时,射频链路增加 LC 低通 / 高 通滤波器,使射频通道相互屏蔽隔离。
功放单元采用 AB 类功率放大器,包含一路公共通 路和两路功率放大通路,为满足增益要求,选择三级放 大。在 1610 ~ 1629MHz 和 1995 ~ 2013MHz 通路中, 驱动放大芯片提供 30dB 的增益和 3W 推动功率 ;末级 放大选用 LDMOS 类功放管,提供 15dB 的增益和 40W 的功率输出。第一, 二级带通滤波器实现该频段正常工 作的 5W 功率输出,并且插入损耗小于 0.8dB, 以及 40dBc 以上的隔离度, 50dBc 以上的谐波抑制 [5] ;公共 通路包含数控衰减器和放大器,数控衰减器 7Bits 支持 31.75dB 动态及 0.25dB 步进的增益控制, 实际使用时, 增益可达到 18dB, 输出 1dB 压缩点为 22dBm。功放 单元实现光端机发射端口射频信号的放大,经数控衰减 器和放大后,合路滤波器将两路北斗发射信号进行分 离,然后分别送至对应的射频通道进行带通滤波、功率 放大等处理,将大功率信号送至发射天线。
电源控制单元具备开短路、过流和过温度保护功能, 通过以太网接口,可将上述温度、功率、开关状态等信息上报至终端。终端也可以通过以太网和 RS485/422 接 口来控制功率放大器的开关和系统输出功率。
2.2 软件控制设计
电源控制单元主要由电源电路和控制电路组成,电 源电路主要实现模块的各芯片供电处理,降压、滤波、 隔离等。控制电路主要基于 100M 以太网 UDP 协议, 实现终端对设备的控制,如功放开关、接收通道开关、 输出功率控制以及设备自身状态信息的上报,如温度、功 率、开关状态、告警等。
主控芯片为国产单片机 GD32F450VET6. 该 MCU 基于 ARM Cortex-M4 处理器, 最大主频达 200M, 支持4 个 16 位高速 ADC,一个以太网 MAC, 4 个 USART, 3 个 IIC 等外部接口 ;PHY 芯片为 SR8201F,最大支持 100M 传输速率。设备支持 485/422 接口和网口与主机 通信 ;4 路 16Bits ADC,分别采集电流、前向、反向、 温度等电压信号,实现电流、驻波比、温度告警及保护 及系统自检功能。控制原理框图如图 4 所示。
2.3 上位机界面设计
上位机采用 QT 进行编写,采用帧头、帧尾标识, 同时引入 CRC 校验循环的 12 位字节命令,通过串口 模拟网口的方式来控制射频系统,包括电源使能、通道 选择,衰减器设置,开关控制,获取系统当前工作的电 流、电压、温度值等功能,当射频系统接到正确命令时 回复相对应的命令。同时,上位机可以将当前射频系统状态记录并导出,方便进行系统调试。上位机界面如 图 5 所示。
3 测试结果及功耗分析
3.1 测试结果
功率放大器测试结果如表 1 所示, 在功率达标的情 况下,信号质量均满足预期值。低噪声放大器测试结果 如表 2 所示,测试结果均满足需求。
3.2 功耗分析
功放单元包含 1 个前端小放大器、2 个驱动放大 器、2 个末级放大器和 1 个数控衰减器其中,末级放大 器为 28V 供电,其他器件均为 5V 供电。功放单元在静 态模式下, 计算出总功耗 14.105W, 其 中 28V/0.4A,5V/0.6A,具体分析如表 3 所示。
在额定功率工作状态下, 1980 ~ 2010MHz 发射功率 为 5W,根据预算仿真驱动放大器 1 在输出功率 23dBm, 5V 电流在 0.7A 左右,末级放大器 1 的输出功率 38dBm, 28V 电流在 0.5A 左右 ;1610 ~ 1629MHz 发射功率为 10W, 驱动放大器 2 输出功率 26dBm,5V 电流在 0.8A 左 右,末级放大器 2 的输出功率 41dBm, 28V 电流在 1A 左 右 ;功放单元在工作模式下,计算出总功耗 49.680W, 其中 28V/1.5A,5V/1.28A[6],具体分析如表 4 所示。
4 结语
针对海上北斗卫星多频段通信问题,本文设计的多频 段射频前端系统集成了偏置电路、功率放大器、衰减器、 低噪声放大器、控制等电路。在实际测试使用中,设备重 约 542g, 静态功耗在 14.105W, 发射功耗为 49.68W, 满 足低功耗、轻量化的要求。同时,1995 ~ 2013MHz 和 1610 ~ 1629MHz 两路发射通道隔离度约为 43dBc, 带 外隔离大于 80dB ;1573.98 ~ 1577.92MHz 和 1173.95 ~ 1178.95MHz 两路接收频段通道隔离度约为 51dBc,带 外隔离大于 110dB。接收和发射链路之间隔离度约为45dBc,四频段隔离度均满足指标,且收、发各频段 工作良好,几乎无串扰现象。两路发射通路增益满足 20 ~ 50dB 可调,与北斗卫星之间通信良好,保证了短 报文通信的稳定性与定位功能的可靠性。
参考文献
[1] 蔡阳.基于北斗卫星系统的船用北斗短报文设备的设计与实 现[D].西安:西安电子科技大学,2016.
[2] 赵弘毅,张丹,封维忠,等.一种应用于2.2GHz的射频功率放 大器设计[J].计算技术与自动化,2021.40(03):57-61.
[3] 刘晓玲,王文豪,刘玲,等.一种用于北斗卫星导航的射频接收 前端芯片[J].半导体技术,2022.47(05):397-402.
[4] 高贵虎,苏凯雄,范梦怡.北斗导航射频功率放大器设计[J].电 气技术,2018.19(12):53-56.
[5] 刘旺.双频高效率微波功率放大器的研究与设计[D].长沙:湖 南大学,2021.
[6] 陈恺.北斗导航射频功率放大器设计研究[J].电子制作,2020 (19):55-57.
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