隨著GPS衛星導航定位技術的發展，對GPS接收機的性能提出了進一步的要求，從傳統的單頻接收機到雙頻接收機，再到多天線雙頻接收機，使接收機能同時處理多路GPS信號。多天線雙頻GPS接收機射頻前端的研究[1]可以提高國內GPS接收機的水平，同時也能為我國自己的北斗導航定位技術提供借鑒，為今后高性能導航接收機的開發打下良好的基礎。
1 系統總體方案
    系統總體結構簡圖如圖1所示，5路天線輸入對應天線1、天線2、天線3、天線4、天線5，其中天線1和天線5的信號處理電路完全相同：包括依次連接的低噪聲放大器LNA(Low Noise Amplifier)、二功分器、后續信號調理電路，并且具有兩條鏈路最終同時輸出GPS L1和GPS L2中頻信號；天線2、天線3和天線4的信號處理電路完全相同：包括依次連接的低噪聲放大器LNA和后續信號調理電路，只有一條鏈路并最終輸出GPS L2中頻信號。后續信號調理電路包括依次連接的射頻放大單元、下混頻器、中頻IF(Intermediate Frequency)濾波器、IF放大器、可變增益放大器VGA(Variable Gain Amplifier)，射頻放大單元包括兩級射頻RF（Radio Frequency）濾波器以及位于兩級RF濾波器之間的RF放大器。天線輸入的信號經過低噪聲放大器放大后，通過RF濾波器選擇GPS L1頻點1 575.42 MHz或GPS L2頻點1 227.6 MHz并濾除帶外噪聲及干擾，提高鏡頻抑制；濾波之后的信號經過適當放大后進入混頻器與本振信號進行混頻，輸出46.035 MHz的中頻信號；中頻信號經過IF濾波和IF放大后進入VGA單元，通過控制電平決定VGA這一級的增益，以實現系統最終輸出功率可調。

    如圖1所示，各條鏈路都需要為混頻器提供本振信號，輸出GPS L1中頻信號的鏈路對應的本振信號為本振a：1 529.385 MHz，本振a與GPS L1頻點1 575.42 MHz混頻得到46.035 MHz中頻輸出；輸出GPS L2中頻信號的信號鏈路對應的本振信號為本振b：1 181.565 MHz，本振b與GPS L2頻點1 227.6 MHz混頻得到46.035 MHz中頻輸出。最后一級VGA的增益控制電平由MCU配合多通道DA產生，每一路電壓由5位撥碼開關控制，因而可以實現32級可調。
2 系統實現設計
2.1 低噪聲放大器LNA
    在無線通信領域，為了提高接收信號的靈敏度，一般在接收機的最前端采用低噪聲放大器，最前端放大器的噪聲系數和增益對整個接收機的噪聲系數起決定作用[2]。其次低噪聲放大器的輸入信號來自天線。為了實現最大功率傳輸，低噪放的輸入端與天線之間要求阻抗匹配。此外，還要考慮功率增益、功耗。本系統天線接收的是一個寬帶信號(1 575.42-1 227.6=347.82 MHz)，這就決定了系統必須采用工作頻段包含1.2 GHz～1.6 GHz的寬帶低噪放大器，綜合考慮最后選擇美國萬通公司的GPS雙頻專用低噪聲放大器WHM14-3020AE，其工作頻率為1.2 GHz～1.6 GHz，固定增益為32 dB，噪聲系數為0.5 dB，輸入/輸出VSWR：1.22：1，輸出1 dB壓縮點為10 dBm。它的各項指標都達到了非常完美的程度，而且芯片內部已經做好了阻抗匹配，所以信號輸入/輸出端口不需要做任何匹配，為電路的調試帶來了極大的方便。
2.2 二功分器
    功分器有插入損耗、隔離度、工作頻帶、相位不平衡度、功率不平衡度、電壓駐波等各種指標，本系統信號的頻率范圍為1.2 GHz～1.6 GHz，所以在選擇功分器時首先要滿足這個頻帶范圍的要求，其次插入損耗和VSWR越小越好，隔離度越大越好。本設計選取Mini-Circuits公司的BP2G1+無源功分器，其衰減小，頻帶寬，平坦度好，插入損耗小，隔離度高，能很好地滿足本系統的要求。
2.3 RF濾波器
    射頻頻濾波器也稱為預選器，主要用來預選頻段并抑制鏡像干擾、帶外干擾和各種噪聲。在選擇射頻濾波器時，主要考慮通帶帶寬、帶內平坦度、帶外衰減以及插入損耗[3]。根據上述要求，本設計選擇聲表面濾波器。聲表面波濾波器具有體積小、重量輕、性能可靠、不需要復雜調整等特點，而且帶內不平坦度僅為±0.3～±0.5 dB，群時延±30～±50 ns，矩形系數好，帶外抑制可達40 dB以上。針對L1、L2頻點的射頻濾波器分別選用TA0549、TA0490A，表1為兩濾波器性能指標。
2.4 RF放大器
    由于天線輸入的信號很微弱，前級LNA的30 dB增益還不夠大，而且RF濾波器在濾波的同時會帶來信號的損耗，因而在兩級RF濾波器之間加入一級RF放大器對信號進行進一步放大。本設計選用固定增益34 dB的射頻放大器BGA430，BGA430帶內平坦，增益大，內部已做好匹配，使用簡單。
2.5 混頻器
    本設計選用MAX2682作為系統的混頻器。MAX2682典型應用電路如圖2所示[4]。

    圖2是MAX2682的典型應用電路，其中Z1、Z2、Z3是RF輸入端口的阻抗匹配網絡，L1、R1、C2是IF輸出端口的阻抗匹配網絡，C1為本振端口的隔直電容，C3、C4、C5為電源濾波電容。根據MAX2682的芯片資料可以查出，當輸入射頻信號為1 575.42 MHz時輸入匹配網路為：Z1=0、Z2=270 pF、Z3=2.2 nH；當輸入射頻信號為1 227.6 MHz時輸入匹配網絡為：Z1=1.5 pF、Z2=270 pF、Z3=10 nH；當輸出中頻信號為46.035 MHz時輸出匹配網絡為：L1=390 nH、R1=250 ?贅、C2=39 pF。本設計中所需的本振信號由定制的本振單元提供。
2.6 IF濾波器
    IF濾波器是一個中心頻率為某一固定值的帶通濾波器，它是一個頻率選擇部件，可以通過某些頻率的信號來抑制或衰減另外一些頻率的信號。本設計采用訂制的IF濾波器CF46-13，其中心頻率為46.035 MHz，3 dB帶寬為13 MHz，中心頻率±8 MHz處帶外抑制達到45 dB，帶內平坦度優于±0.3 dB，插入損耗為22.5 dB。考慮到減小插入損耗值和提高帶內平坦度，濾波器需要外接匹配網絡，具體電路如圖3所示。

2.7 IF放大器
    考慮到中頻濾波器有22.5 dB的插損，為了彌補這個損耗，本系統需要在中頻濾波器后面加入一級中頻放大器。中頻放大器的主要性能指標與低噪放大器類似，本設計選用HMC478ST89芯片作為中頻放大器[5]。HMC478ST89管腳較少，電路連接非常簡單，不需要輸入輸出阻抗匹配，在46 MHz附近增益為22 dB且增益很平坦。在設計HMC478ST89的外圍電路時，主要考慮饋電電路。這款放大器是+5 V～+8 V寬范圍電壓供電，不同的供電電壓需要不同的偏置電阻。本設計采用了+5 V的供電電壓，因此偏置電阻為18 Ω。饋電時采用高頻電感饋電方式，即在電源與芯片的電源引腳間接入一繞線電感。本設計中饋電電感采用270 nH，具體電路如圖4所示。
2.8 VGA放大器
    射頻接收單元在接收信號時，由于干擾源的距離和來向等因素，其輸入端信號電平在很大范圍內變化。而輸出功率是隨外來信號的大小而變化的，所以輸出端會出現強弱非常懸殊的信號功率。但是ADC采樣都有一個比較合適的信號功率范圍，超出這個范圍ADC采樣的效果就很差，所以必須在ADC采樣之前加上一個增益可以控制的電路。本系統采用撥碼開關控制單片機的DAC輸出，使其在負載電阻上產生控制增益變化的電壓來實現對VGA增益的控制。這里采用ADI公司推出的一款可變增益單端IF放大器AD8367，該芯片帶有可控制線性增益的高性能45 dB可變增益放大器，并可以在低至500 MHz的頻率范圍內穩定工作[6]。
2.9 本振單元和MCU單元
    本設計中混頻器AD8367所需要的本振a和本振b由本振單元提供。由于系統對本振信號的頻率和功率有較高要求，因而采用定制的本振發生單元。該單元產生功率恒定的兩路本振信號：1 529.385 MHz和1 181.565 MHz，即圖1中的本振a和本振b，然后兩路本振信號經過功分器產生多路本振信號提供給7路混頻器。由于VGA模塊需要增益控制電平，因而采用單片機和多通道DA配合產生多路控制電平去控制各路增益，本設計選用Silicon公司的C8051F066單片機配合8通道DA芯片DA8568產生圖1中所需的7路控制電平。
3 系統測試
3.1 測試儀器與設備
    信號源采用Rohde & Schware SMB100A Signal Generator，頻率范圍為9 kHz～6 GHz。頻譜儀采用Rohde & Schware FSC6.Spectrum Analyzer，頻率范圍為9 kHz～6 GHz。
3.2 測試結果與分析
    GPS L1 和GPS L2對應的46.035 MHz中頻信號輸出波形分別如圖5、圖6所示（VGA增益調節為最大，5位撥碼開關對應11111）。

    GPS L1 和GPS L2對應的46.035 MHz中頻信號輸出波形分別如圖7、圖8所示（VGA增益調節為最小，5位撥碼開關對應00000）。

    由測試結果可知，GPS L1和GPS L2的中頻輸出均為準確的46.035 MHz，帶寬為中頻濾波器的帶寬，帶內平坦，帶外噪聲得到抑制；最大輸出功率約為0 dBm而且輸出功率可以在0 dBm～-31 dBm之間以1 dBm的步進調節。這樣的中頻輸出信號可以很好地滿足后級需求。
參考文獻
[1] 張力敏.全球定位系統射頻前端電路設計[D].大連：大連海事大學，2009.
[2] 王寧章，高雅，寧吉，等.3 GHz-5 GHz超寬帶噪聲系數穩定的低噪聲放大器[J].電子設計應用，2013，39(7)：31-35.
[3] 張濤.雙頻GPS接收機射頻前端的設計與實現[D].武漢：武漢大學，2008.
[4] MAXIM.MAX2680/MAX2681/MAX2682 datasheet[Z].2003.
[5] Hittite Microwave Corporation.GaAs MMIC amplifier HMC478  data sheet[Z].2002.
[6] Anolog Devices.500 MHz，Linear-in-dB VGA with AGC detector AD8367 data sheet[Z].2004.