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摘要:針對(duì)現(xiàn)有的工業(yè)無人機(jī)導(dǎo)航接收機(jī)基本不具備抗干擾性能，無人機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)易受干擾。研究在電磁干擾環(huán)境相對(duì)惡略情況下，依然能夠捕獲導(dǎo)航信號(hào)，能正常精確定位的抗干擾導(dǎo)航接收機(jī)，并可應(yīng)用于無人設(shè)備，已經(jīng)成為無人機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展面臨的重大課題。為此設(shè)計(jì)了一款小型化導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)射頻前端，最后對(duì)射頻電路前端進(jìn)行了測(cè)試，并給出測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞:天線;射頻前端;抗干擾;導(dǎo)航

0引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有授時(shí)精準(zhǔn)、定位精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，其在諸多重要國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域舉足輕重［1］。然而由于衛(wèi)星與地球表面相距較遠(yuǎn)，信號(hào)發(fā)射功率較弱，同時(shí)人為有意或無意干擾的日益增多，導(dǎo)致用戶段接收的導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量較差，嚴(yán)重時(shí)甚至無法正常工作［2］。因此，為了使導(dǎo)航接收機(jī)能夠應(yīng)付更加復(fù)雜的環(huán)境，提高其自身的抗干擾能力，開展導(dǎo)航抗干擾技術(shù)的研究得到了廣泛關(guān)注［3］。傳統(tǒng)采用單天線結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)通常是在基帶數(shù)字信號(hào)處理中采用最小均方算法(LMS)、遞歸最小二乘算法(ＲLS)等各種抗干擾算法來抑制射頻干擾［4］。因?yàn)榭垢蓴_算法與干擾信號(hào)的形式相關(guān)，所以能夠抑制的干擾形式也有限［5］。采用陣列天線結(jié)構(gòu)的接收機(jī)不僅能夠抑制窄帶干擾，還可以抑制寬帶干擾，是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域解決抗干擾問題的一種優(yōu)選技術(shù)［5］。陣列抗干擾在空域區(qū)分信號(hào)，采用波束賦行技術(shù)抑制不同方向的干擾［6］。與干擾形式無關(guān)，優(yōu)于單天線接收機(jī)的時(shí)域和變換域抗干擾方法。因此，該文設(shè)計(jì)了四陣元天線陣列導(dǎo)航抗干擾射頻前端。方案采用了低噪聲、濾波、混頻、鎖相環(huán)等射頻模塊，降低了損耗，提高信號(hào)穩(wěn)定度，便于后續(xù)處理。

1射頻前端總體設(shè)計(jì)

衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)包括衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線，射頻前端，基帶處理三個(gè)部分。衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收系統(tǒng)則是在上述基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)，由四條通路構(gòu)成，每條通路有獨(dú)立的射頻前端，包括導(dǎo)航接收天線、低噪聲放大器、帶通濾波器、混頻器、鎖相環(huán)、中頻放大器、中頻濾波器。該系統(tǒng)對(duì)GPSL1(1575．42MHz)和BDB1(1561．75MHz)的導(dǎo)航信號(hào)具有一定的抗干擾作用。導(dǎo)航天線模塊設(shè)計(jì)為能夠接收GPSL1(1575．42MHz)和BDB1(1561．75MHz)導(dǎo)航信號(hào)，射頻本振頻率設(shè)計(jì)為1522MHz，采用一次下變頻，中頻中心頻點(diǎn)為46MHz，帶寬18MHz，由AD采樣后，基帶加入抗干擾算法處理，將處理后的中頻信號(hào)上變頻為實(shí)際的衛(wèi)星信號(hào)，傳輸給導(dǎo)航接收機(jī)。天線采用均勻矩形陣［7］，四陣元的平面矩形陣列結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，在X方向陣元間距dx，在Y方向陣元間距dy，信號(hào)來波方向φ，俯仰角為θ，以坐標(biāo)原點(diǎn)為參照點(diǎn)，第m×n個(gè)陣元到原點(diǎn)的相位延遲為φm×n(θ，φ)

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2．1導(dǎo)航接收天線設(shè)計(jì)

目前導(dǎo)航業(yè)界最常用的天線有兩種，分別為偏心饋電方式和中心饋電方式，北斗導(dǎo)航接收天線和GPS導(dǎo)航接收天線均采用右旋圓極化。也有采用雙點(diǎn)或四點(diǎn)饋電實(shí)現(xiàn)圓極化。該方案中天線輻射單元采用微帶雙饋點(diǎn)天線形式，天線雙饋點(diǎn)連接合路器來實(shí)現(xiàn)右旋圓極化，采用TP－2高介電常數(shù)微波介質(zhì)，具有剖面低，重量輕，制造工藝簡(jiǎn)單，適合于工程應(yīng)用，合路器采用MINIQCN－19，0．4dB低插入損耗，兩路相差90°。微帶天線安裝在盒體上表面，通過螺絲和金屬殼體連接，天線雙饋點(diǎn)處的饋針穿過殼體與射頻板上的合路器連接實(shí)現(xiàn)饋電和極化方式。金屬的盒體可以抑制天線的后向輻射，提高天線增益［8］。陣元間距是影響陣列增益及副瓣的主要指標(biāo)，根據(jù)文獻(xiàn)［5］的結(jié)論，陣元間距采用0．5λ。天線仿真模型如圖3所示。天線單元天線最終設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示，能夠滿足系統(tǒng)要求。

2．2射頻放大器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中共用到兩種放大器，分別為射頻低噪聲放大器LNA和中頻放大器AMP。接收機(jī)的接收靈敏度和噪聲系數(shù)關(guān)系重大，噪聲系數(shù)又由接收機(jī)的前級(jí)射頻器件決定［9］。低噪聲放大器采用SPF5043Z，器件的S參數(shù)如圖4所示，S21表示增益，在工作頻段內(nèi)具有15dB的固定增益，而且噪聲系數(shù)只有0．8dB。采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式，固定增益可達(dá)到30dB，電路如圖5所示。中頻放大器件采用TQP369182，在中頻工作頻段內(nèi)具有20dB的固定增益。射頻放大器總增益為50dB。

2．3帶通濾波器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中用到兩種帶通濾波器，濾除衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的帶外噪聲，在低噪聲放大器每級(jí)輸出之后接帶通濾波器BPF，用來預(yù)選頻段，并抑制鏡像干擾、帶外干擾和各種噪聲［10］，考慮到小型化設(shè)計(jì)，前級(jí)射頻濾波器采用聲表濾波器SAW，中頻濾波器采用LC帶通濾波器。該系統(tǒng)中射頻前端采用的是無源聲表面濾波器為TA1584A，中心頻率為1568MHz，1dB帶寬為18MHz，工作頻段內(nèi)插入損耗最大1．5dB。中頻濾波器采用自研三階LC帶通濾波器，中心頻率46MHz，1dB帶寬≥19MHz，滿足設(shè)計(jì)要求。

2．4鎖相環(huán)本振設(shè)計(jì)

ADF4351是ADI公司推出的一款集成了壓控振蕩器(VCO)的寬帶頻率合成器，結(jié)合外部環(huán)路濾波器和外部基準(zhǔn)時(shí)鐘，可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)N分頻或整數(shù)N分頻的鎖相環(huán)頻率合成器。利用其內(nèi)部可編程的1/2/4/8/16分頻電路，便可產(chǎn)生137．5MHz～4400MHz的ＲF輸出頻率。PLL電路設(shè)計(jì)如圖6所示，采用外部MCU編程，通過SPI配置ADF4351輸出1522MHz本振信號(hào)，經(jīng)過功分器分為五路本振，其中四路本振用于四路導(dǎo)航信號(hào)的下變頻，一路本振用于抗干擾算法處理后的信號(hào)上變頻。系統(tǒng)使用的25MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入，對(duì)頻率的精確度和穩(wěn)定度要求都比較高。系統(tǒng)采用有源溫補(bǔ)晶振，頻率25MHz，輸出功率8dBm，諧波抑制－25dB，雜波抑制－70dB。具體電路如圖7所示。

3系統(tǒng)性能測(cè)試

3．1系統(tǒng)模塊測(cè)試

圖8為抗干擾天線射頻前端實(shí)物。對(duì)射頻前端進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試儀器:信號(hào)源為安捷倫AgilentN5181A，輸出頻率范圍為100kHz～6GHz。頻譜儀為Ｒ＆SFSH13．SpectrumAnalyzer，頻率范圍為9kHz～13．6GHz。利用信號(hào)源產(chǎn)生BDB1和GPSL1的中間頻點(diǎn)1568MHz，功率為－80dBm的單載波信號(hào)，模擬導(dǎo)航頻段信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，將該信號(hào)作為四元天線陣列抗干擾射頻前端的輸入信號(hào)。圖9為第一路輸出信號(hào)的頻譜圖(另3路輸出同圖9)，頻率為46MHz，信號(hào)功率為－17dBm左右。該結(jié)果表明PLL鎖相環(huán)輸出本振頻率正常，陣列抗干擾射頻前端工作正常，滿足后級(jí)AD采樣的需求。

3．2導(dǎo)航接收測(cè)試

將設(shè)計(jì)的導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)射頻板和導(dǎo)航接收天線同時(shí)應(yīng)于配套設(shè)計(jì)的基帶板，接入導(dǎo)航抗干擾算法處理模塊，搭建導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試平臺(tái)，如圖10所示。并增加未知干擾信號(hào)，將抗干擾算法處理后的導(dǎo)航信號(hào)，接入U(xiǎn)BLOX導(dǎo)航接收機(jī)，通過上位機(jī)顯示收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)。圖11為應(yīng)用本射頻接收前端并增加干擾后的衛(wèi)星接收數(shù)量，共計(jì)18顆衛(wèi)星，其中GPS有9顆衛(wèi)星，BD有9顆衛(wèi)星，載噪比最高達(dá)49dB左右，符合通信系統(tǒng)指標(biāo)要求。該結(jié)果表明，天線陣列抗干擾前端在干擾下能夠正常工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行。

4總結(jié)

該文設(shè)計(jì)了用于GPSL1和BDB1天線陣列抗干擾射頻前端。文中對(duì)導(dǎo)航天線、低噪放、濾波器，中頻放大器以及PLL鎖相環(huán)進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行了單頻信號(hào)測(cè)試和導(dǎo)航抗干擾接收測(cè)試。測(cè)試結(jié)果能夠滿足工業(yè)類無人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，并且具有抗干擾性能強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單、尺寸小，重量輕，可同時(shí)處理四路信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)航抗干擾技術(shù)的研究具有一定參考價(jià)值。

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作者:王劍飛 吳建軍 吳利剛 王水 單位:西安愛生無人機(jī)技術(shù)有限公司 西北工業(yè)大學(xué) 火箭軍駐西安地區(qū)第六軍事代表室