基于Si4133的GPS八路本振一致性設計

孫健興，鄭建生，岳志剛

(武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430079)

0 引言

GPS[1]抗干擾自適應天線陣列技術(shù)[2]要求 GPS中頻輸出信號功率相位一致，而一般的如基于集成芯片如 GP2015的多路射頻前端設計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計不僅可以功率一致，而且可以保證相位一致。而其設計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的參考時鐘，單片機 C8051F410上電時將Si4133芯片配置寫入Si4133，并實時檢測Si4133的工作狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)Si4133失鎖時，單片機將重新配置Si4133，Si4133的射頻輸出將接入射頻功率放大器，使射頻信號有足夠的功率驅(qū)動后級負載，放大后接入八路功分器實現(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能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件。在設計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、信號輸出之間的走線盡可能做到八路相等，同時也保證了信號通過同樣長的路徑衰減相同，這樣系統(tǒng)設計就可以保證本振輸出相位和功率一致性。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)設計

3.1 參考時鐘選擇

系統(tǒng)PLL電路是通過一個參考時鐘實現(xiàn)倍頻，此參考時鐘選擇晶振（TCXO，Temperature Compensate X'tal (crystal) Oscillator），TCXO 的特點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。該系統(tǒng)選用的是 Conwin公司的M602,其主要指標參數(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 單片機選擇

為了實現(xiàn)對 Si4133的控制，該課題中使用C8051F410單片機來配置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LED，作為Si4133的狀態(tài)指示。

3.3 核心芯片Si4133設計

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，輸出頻率與基準頻率間的關系為：fout=fref×N/R。Si4133內(nèi)部寄存器與單片機通過SPI接口進行通信，在SPI時序下完成對主寄存器、鑒相器增益寄存器、電源控制電寄存器、射頻信號的N分頻器寄存器、射頻信號的R分頻頻器寄存器的配置。其次還需設置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，所以實際應用中常用一根銅絲來代替繞線電感。在使用Si4133的時候建議鎖相環(huán)鑒相增益設置成最大，因為鎖相環(huán)[4]的鑒相增益越大，鎖相環(huán)的建立時間越小，相噪越小。在該系統(tǒng)中設置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，如果沒有放大將達不到0 dBm的要求。因此該設計選用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。在設計外圍電路時，主要考慮的是饋電電路。該設計采用了+5 V的供電電壓，偏置電阻為18 ?，饋電電感采用18 nH。HMC479ST89的典型應用電路設計如圖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，實現(xiàn)八路同功率同相位的輸出，因此在選擇功分器的時候，主要看重功率和相位不平衡度，還有工作頻率以及相應的輸出端口隔離度。功率和相位不平衡度越小越好，隔離度越大越好，同時滿足工作頻率要求。在設計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+主要指標如下表1所示。

表1 BP2G1+主要指標

SCA-4-20+主要指標如下表2所示：

表2 SCA-4-20+主要指標

由于本振頻點為 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 測試儀器與設備

信號源∶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

由于實驗室沒有頻率高達吉赫射頻示波器，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，利用信號源產(chǎn)生頻率為1 575.42 MHz的點弦信號接入功分器產(chǎn)生兩路同相同功率的信號分別接入射頻輸入端，然后輸出中頻信號接入示波器觀察，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八路本振模塊的設計，并對本振輸出的功率和相位進行了測試，測試結(jié)果表明八路本振基本一致，可以滿足應用。若在更高的應用中，可以考慮可控放大器調(diào)節(jié)八路本振的功率，對于相位，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.基于自適應天線的GPS抗干擾技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學,2008.

[3] Reinhold Ludwing,Pavel Bretchko.射頻電路設計－理論與應用[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)的電荷泵的設計[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設計[J].通信技術(shù),2010,43(05):64-66.