（电子科学与技术专业论文）用于卫星导航定位通信机的射频收发前端研究.pdf

国防科技大学研究生院学位论文 a b s t r a c t r e l a t e dt h e o r i e sa n dp r a c t i c a lc i r c m td e s i g no fi n t e g r a t e dr ff r o n d e n dw h i c h h a sa p p l i c a t i o ni ns a t e l l i t en a v i g a t i o nc o m m u n i c a t i o nh a n d s e ta r ep r e s e n t e di nt h i s p a p e r a f t e rs e r i o u sa n a l y s i sa n dd e t a i l e dd e s i g no f t h es t r u c t u r eo f t h er ff r o n d e n d ， 1 1 l ed e s i g n so fk e ye o m p o n e n t s ( d u a l - b a n dc i r c u l a r l yp o l a r i z e da n t e n n a , r fp o w e r a m p l i f i e r , l o wn o i s ea m p l i f i e r ) a r ef o o t i s e do n t h s p a p e ri n c l u d e sf o u rm a i np a r t s ：c o l l e c t i v i t ys t r u c t u r ed e s i g n a n t e n n ad e s i g n , r fp o w e ra m p l i f i e rd e s i g na n dt h ed e s i g no fl o wn o i s ea m p l i f i e r 1 1 伦e m i p e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ef r a m e w o r ki sc o n s i d e r e dw h i l ed e s i g n i n gt h eu n i t a r y s t r u c t u r e 1 1 蟾c i r c u i t so fr ff r o n d e n da r ed i v i d e di n t os e v e r a lp a r t sw h i c hw o r ka s m o d u l e s w ic h o o s ed e v i c e sa n dm a k ec i r c u i tt o p o l o g ya c c o r d i n gt ot h em a i n d e m a n d so ft e c h n i q u ep e r f o r m a n c e s ；m i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o na r ea l s ot a k e n i n t oa c c o u n t w 1 1 i l ed e s i g n i n gt h ea n t e m m , w ec h o o s et h ek i n do fm i c r o s t r i pp a t c h a n t e n n a h f s si su s e df o rs i m u l a t i o ni no r d e rt oe s t i m a t et h ed i m e n s i o no ft h e a n t e n n a a f t e rd e b u g g i n ga n dt u n i n g , f i n ec i r c u l a r l yp o l a r i z e dp e r f o r m a n c e sa n d e x c e l l e n ti s o l a t i o na r ea c h i e v e d w e1 l s et h es o f t w a r em w of o rs i m u l a t i o nh e l p st o d e s i g nt l l er fp o w e ra m p f i f i e rm a t c hn e t w o r k d u et oc a r e f u l l yc h o i c eo ff e t sa n d u s i n go ft w o - s t a g ec a s c a d e s ，f i n a l l yw eg o t1 0w a t t so u t p u tp o w e rw h i c hm e e t st h e d e m a n d 瑚i ca r es e l e c t e dt od e s i g nt h el o wn o i s ea m p l i f i e rc i r c u i t so w i n gt ot h e s m a l ld i m e n s i o n , l o wn o i s ef i g u r ea n ds i m p l ep e r i p h e r a lb i a sc i r c u i t s a f t e rd e b u g g i n g t h en o i s ef i g u r eo f t h ea m p l i f i e rn f 3 5 d b i ； 接收最大增益： 3 5 d b i ； 3 d b 波瓣宽度： 9 0 0 ： 带宽：阻抗带宽： 3 0 m h z ； 轴比带宽： 3 0 m h z 。 所研制的天线应用于便携式的卫星导航定位通信机，因此对天线的体积和重 量均有要求。在实现性能指标的前提下天线的体积越小越好，重量越轻越好。 3 2 1 初步设计 根据微带天线的相关理论，从小型化的角度出发，我们比较了多种天线形式， 最后选定叠层矩形微带天线的形式。为实现天线的双频工作，我们选用双层微带 贴片，微带天线的基本形状为矩形，圆极化通过对矩形微带天线实现双点正交馈 电实现产生两个极化方向正交、幅度相等、相位相差9 0 0 的线极化波合成获得。 微带贴片的尺寸在基板介质取定条件下决定于工作频率石和z 。上层贴片 工作于较高频率，下层贴片工作于较低频率。上层贴片利用探针馈电，下层贴片 通过电磁耦合馈电。正交馈电所需等幅信号和9 0 0 相位差，由集成的功分移相器 提供。下面介绍了具体结构设计。 1 介质基片的选取和频带的预估 选定介质基板并确定介质基板厚度h 是微带天线设计第一步。因为基板材料 的相对介电常数和介质损耗角正切t a n 8 直接影响着微带天线的一系列性能指 标。介质基板的相对介电常数越大，基板厚度越小，矩形贴片尺寸越小，考虑到 课题要求天线小型化，我们应选用较大的板材和较小的h 然而基板厚度h 对 天线频带和天线辐射效率有较大影响，微带天线的频带较窄，对矩形微带天线其 原因可以理解为两个等效辐射缝之间低的传输特性阻抗所致，h 的增大使得传输 线特性阻抗增大从而使频带变宽。当厚度h 2 1 6 时，v s w r 2 的频带宽度的经 验公式【5 】为： b w ( m h z ) = 5 0 4 f 2 ho 1 2 ) 其中h 以毫米为单位，f 以g l - i z 为单位。 h 取较大的值，同时也有利于提高天线的辐射效率。由矩形贴片辐射q 值得 近似表达式【5 1 。o ：c , z ； 。4 f , h ( 3 1 3 ) 第1 9 页 国防科技大学研究生院学位论文 我们可以知道，h 越大，辐射q 值越小，天线的辐射效率越高。 为了展宽频带和提高效率，设计时往往增大基板厚度h ，经综合考虑，初步选 取基板厚度h = 2 5 m m ，选用介电常数= 9 8 的介质基板。h = 2 5 m m 时，由公式 ( 3 1 2 ) 容易算出： b w i = 3 3 m h z ( f = - i 6 1 6 g i - i z ) ： b w 2 = 7 8 2 m h z f f = 2 4 9 2 g h z ) 。 初步估算情况下，带宽满足要求，约2 2 5 r a m 的天线厚度，在体积上也不 会过大。 2 尺寸的初步确定 尺寸的确定包括辐射贴片尺寸的初步确定和介质板尺寸的初步确定。 矩形微带贴片的长度理论上应取丸2 ( 以为介质内波长) ，但实际上由于边 缘场的影响，在设计尺寸时应从丸2 中减去2 a l ，a i 的值由式( 3 - 3 ) 给出，因此 l = o 5 t 一2 z = c 1 2 f 4 f , 一2 a l ( 3 1 4 ) 为有效介电常数，可表示为： 乞= 孚+ 等( + 警r 由于天线需要设计成圆极化工作形式，理论上矩形贴片的宽度应和长度一 样，但由式( 3 1 5 ) 可知，t 跟w 有关，而单元长度l 的尺寸又取决于乞，w 的 尺寸影响着微带天线的方向性函数，辐射电阻及输入阻抗，从而也就影响着频带 宽度和辐射效率。w 适当取大一些对频带，效率及阻抗匹配都有利，但当w 尺 寸大于3 1 6 式给出的值将产生高次模，从而引起场的畸变 2 1 - 2 2 】。图3 3 为不同 介质基片的辐射贴片单元宽度与频率的关系曲线。 麓摩( g h 幻 图3 3 不同介质基片的辐射贴片单元宽度与频率的关系 第2 0 页 国防科技大学研究生院学位论文 = 旁( 孚广 n 回 根据3 1 6 式，将= 9 8 代入，我们可以算出： f l = 1 6 1 6 g h z 时，w 1 4 c m = 4 0 r a m ； f 2 = 2 4 9 2 g h z 时，w 2 2 6 c m = 2 6 m m 。 将w 1 ，w 2 的值分别代入3 1 3 式可得： t = 8 8 5 ，乞2 = 8 5 4 将