全双工系统中收发隔离的分析与实现

在“北斗一号”卫星导航系统中， 卫星均为地面静止卫星( GEO ) ， 下行链路的频率为fR =2491. 75MH z， 到达地面最小功率约为PR =- 127. 6dBm， 上行链路的频率为fT = 1615. 68MH z，为了保证卫星收到用户发射的信号， 设备的发射功率不应小于PT = + 40dBm。将接收机的射频模块分为接收通道和发射通道两个部分， 具体设计如下。

　　3. 1 接收通道的设计

　　目前 北斗一代!导航业界内手持机天线在fR和fT 频率上的隔离度均可以做到10dB 左右。以功放的发射功率PT = + 40dBm 来算， 则耦合到低噪放入口的发射信号功率约为+ 30dBm。为使低噪放不饱和或稳定工作必须在低噪放和接收天线之间插入滤波器来抑制fT 频率上的泄漏功率。由级联系统的噪声系统定义[ 4] 可知， 插入的滤波器在fR 频段上的插损必须非常小而不至于显着的恶化接收通道的噪声系数。另外， 因为导航信号为弱信号， 而单级的射频放大芯片的增益有限， 所以实际中低噪放由几级芯片级联。为保障低噪放中各级芯片均不饱和，不仅要在低噪放入口处加滤波器， 在各级联芯片之间也应有滤波器。图3所示为接收通道的电路。

图3 接收通道原理示意图。

图4 发射通道原理示意图。

　　图3中滤波器1 和滤波器2在1616MH z上抑制分别约为47dB 和60dB 左右， 放大器1的增益约为17. 5dB， 输入1dB压缩点功率约为+ 3. 5dBm， 放大器2和放大器3相同， 它们的增益约为17dB， 1dB饱和输入功率约为- 11dBm， 接收混频芯片的1dB饱和输入功率约为- 8dBm。通过计算， P in1 = PT -IT - ILF = 40 - 10 - 47 = - 17dBm， Pin2 = P in 1 +GATF 34143 - 60= - 17+ 17. 5 - 60 = - 59. 5dBm， 在这样的输入功率下足以保证各级放大器和混频器均不饱和， 满足原则1中要求。

　　3. 2 发射通道的设计

　　出于成本的考虑， 手持机功放模块中所选择的功放芯片的饱和输出功率必然十分接近所要求的输出功率PT = + 40dBm。由于功放的发射功率接近其饱和输出功率， 功放很难完全工作在线性区域， 所以功放工作时不仅在fT 频段上有功率输出， 在fR 频段上也会相应的有噪声功率输出。若耦合到接收天线中的噪声功率Pn与天线入口处的正常卫星信号噪声功率Pn0相当， 将影响信号的接收。由于功放输出的带外噪声功率很大程度上取决于芯片本身， 一旦选定了功放芯片， 它的输出噪声功率就相对确定。

　　为了控制功放输出的fR 频段上的噪声功率， 有必要在功放和发射天线之间加一个隔离器， 增加对fR 频段信号的抑制。

　　如图4为发射通道所采用的电路模型。为了满足原则2中要求， 在末级放大器后接入隔离器来抑制带外的噪声功率。隔离器在2492MH z处的抑制有20dB， 另外ADS 仿真可知， 最后一级芯片在2492MH z处的增益约为- 11dB。实测发现， 在这样的电路设计下， 可以满足原则2的要求， 不影响接收通道的正常工作。

　　4 实测结果

　　将所设计的射频模块接入整机进行暗室测试， 调整接收机天线入口处的信号功率强度， 在接收机接收到的信号波束强度为47dBH z左右时， 进行连续定位测试。功放发射时， 信号接收波束强度基本无变化; 再降低接收机天线入口处的信号功率强度， 使接收机接收到的信号波束强度在门限电平44dBH z左右， 再进行连续定位测试， 发现功放发射时， 手持机无失锁现象， 只是接收信号误码率略有增加。

　　5 结 论

　　总结了全双工系统中收发隔离的理论， 着重分析了非同频全双工系统的特点， 并给合实际工程需要， 提出了一些设计原则。在 北斗一代!导航系统中手持式接收机的研发背景下， 由理论分析和所提原则， 制作了射频模块。经过整机测试发现， 该模块实现了手持机的收发隔离， 满足手持机全双工工作的要求， 证明了所提原则。目前该模块已成功应用于某产品中。