基于Si4133的GPS八路本振一致性设计

孙健兴，郑建生，岳志刚

(武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430079)

0 引言

GPS[1]抗干扰自适应天线阵列技术[2]要求 GPS中频输出信号功率相位一致，而一般的如基于集成芯片如 GP2015的多路射频前端设计虽然可以保证中频输出功率一致，但是相位难以做到一致。而基于分立元件的设计不仅可以功率一致，而且可以保证相位一致。而其设计核心是在射频电路一致的情况下，要求本振输入的功率和相位一致。

1 总体方案

系统总体方案如图 1所示，以 10 MHz作为Si4133的参考时钟，单片机 C8051F410上电时将Si4133芯片配置写入Si4133，并实时检测Si4133的工作状态，当发现Si4133失锁时，单片机将重新配置Si4133，Si4133的射频输出将接入射频功率放大器，使射频信号有足够的功率驱动后级负载，放大后接入八路功分器实现八路同功率，同相位输出，其中电源模块将5 V转变成3.3 V。该方案电路简单，成本低廉，易于调试。

图1 系统总体结构

2 相位幅度一致性分析

该文所说的一致性问题主要指本振输出功率和相位一致，由于八路同功率同相的本振是由一路本振信号经八路功分器输出的，所以系统的一致性问题就是功分器的一致性问题。

功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件。在设计中可以选择多路输出功率相等，并且相位一致的功分器。现代工艺可以保证功分器的任意两路之间的功率相差不超过1 dB，相位相差不超过1度。如Mini-circuits的SCA-4-20+在1 500 MHz频点上幅度不平衡为0.51 dB，而相位不平衡度为0.89度。

其次频率在 1～2 GHz之间的信号其波长为30～15 cm[3]，以1575.42MHz为例，其波长为21.368 7 cm，则每1 cm则相位变化16.847度，因此在功分器、功分器之间和功分器、信号输出之间的走线尽可能做到八路相等，同时也保证了信号通过同样长的路径衰减相同，这样系统设计就可以保证本振输出相位和功率一致性。

3 系统实现设计

3.1 参考时钟选择

系统PLL电路是通过一个参考时钟实现倍频，此参考时钟选择晶振（TCXO，Temperature Compensate X'tal (crystal) Oscillator），TCXO 的特点是具有较高的频率稳定度，而且体积小，在小电流下能够快速启动。该系统选用的是 Conwin公司的M602,其主要指标参数：输出频率为10MHz,输出类型LVCMOS,频率稳定度±0.28 ppm供电电压3.3 V，温度范围0～70℃。

3.2 单片机选择

为了实现对 Si4133的控制，该课题中使用C8051F410单片机来配置Si4133的寄存器。在该系统中将Si4133的输入SDATA，SCLK，SEN，PWDN，AUXOUT分别接在C8051F410的P1.3，P1.4，P1.5，P1.6，P1.7，其中P1.3，P1.4，P1.5，P1.6配置成推挽输出，P1.7配置成输入。另外将P1.0，P1.1配置成输出并驱动LED，作为Si4133的状态指示。

3.3 核心芯片Si4133设计

Silicon Labs公司的Si4133[3]单片集成频率综合芯片，图2为Si4133的内部结构框图。根据Si4133内部结构框图可以看出，输出频率与基准频率间的关系为：fout=fref×N/R。Si4133内部寄存器与单片机通过SPI接口进行通信，在SPI时序下完成对主寄存器、鉴相器增益寄存器、电源控制电寄存器、射频信号的N分频器寄存器、射频信号的R分频频器寄存器的配置。其次还需设置VCO的中心频率，中心频率由外接电感决定，由于外接电感值很小，所以实际应用中常用一根铜丝来代替绕线电感。在使用Si4133的时候建议锁相环鉴相增益设置成最大，因为锁相环[4]的鉴相增益越大，锁相环的建立时间越小，相噪越小。在该系统中设置Si4133的输出频率为1 525.42 MHz。

图2 Si4133的内部功能框

3.4 射频功率放大器

由于Si4133的输出功率典型值为-3 dBm，加上功分器衰减，如果没有放大将达不到0 dBm的要求。因此该设计选用HMC478 ST89芯片作为射频功率放大器[5]，HMC478ST89管脚较少，电路连接简单，无需输入输出阻抗匹配，在1～2 GHz增益为19 dB。在设计外围电路时，主要考虑的是馈电电路。该设计采用了+5 V的供电电压，偏置电阻为18 Ω，馈电电感采用18 nH。HMC479ST89的典型应用电路设计如图3所示。

图3 HMC478ST89电路原理

3.5 功分器选择

该系统的本振在放大后输出后接入八路射频功分器，实现八路同功率同相位的输出，因此在选择功分器的时候，主要看重功率和相位不平衡度，还有工作频率以及相应的输出端口隔离度。功率和相位不平衡度越小越好，隔离度越大越好，同时满足工作频率要求。在设计中用一片一分二功分器BP2G1+，和二片一分四功分器SCA-4-20+组成一分八的射频功分器。BP2G1+主要指标如下表1所示。

表1 BP2G1+主要指标

SCA-4-20+主要指标如下表2所示：

表2 SCA-4-20+主要指标

由于本振频点为 1 525.42 MHz，该文给出了BP2G1+和SCA-4-20+在1 500～1 580 MHz的工作频率，由表1和表2可知采用组合功分器最大功率不平衡度为0.54 dB，相位不平衡度为1.05 dB。

4 系统测试

4.1 测试仪器与设备

信号源∶ROHDE&SCHWARE SMB100A SIGNAL GENERATOR 9KHz—6GHz

频谱仪∶ROHDE&SC HWARE FSC6.SPECTRUM ANALYZER 9KHz—6GHz

示波器：Tektronix TDS1012 100MHz 1GS/s

下变频器：基于AD8347的下变频模块（自制）——两块

4.2 测试内容

4.2.1 本振功率一致性测试

上电后将八路本振中的其中两路依次输入频谱仪，图 4、图 5分为其中一路本振和另外一路本振的输出，可以看出这两路本振的输出功率一致，仅差0.1 dB。

图4 其中一路本振输出图

4.2.2 本振相位一致性测试

由于实验室没有频率高达吉赫射频示波器，也没有相位测量仪，相位差无法直接测量，因此测量方法改为间接测量，测量过程具体如下，将其中两路本振分别接入基于AD8347的下变频模块的本振输入端，利用信号源产生频率为1 575.42 MHz的点弦信号接入功分器产生两路同相同功率的信号分别接入射频输入端，然后输出中频信号接入示波器观察，图6为其中两路的波形，从图6可知中频信号的相位基本一致，所以本振的相位基本一致。

图5 另外一路本振输出

图6 本振相位差间接测量

5 结语

至此该文完成了基于Si4133的GPS八路本振模块的设计，并对本振输出的功率和相位进行了测试，测试结果表明八路本振基本一致，可以满足应用。若在更高的应用中，可以考虑可控放大器调节八路本振的功率，对于相位，可以采用移相器去调节相位差。

[1] 曾兵,蒋涛.GPS在信息安全中的应用技术研究[J].信息安全与通信保密,2007(08):173-174.

[2] 李旭朝.基于自适应天线的GPS抗干扰技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2008.

[3] Reinhold Ludwing,Pavel Bretchko.射频电路设计－理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2002.

[4] 江晓林,苗雨.锁相环中基于电流控制技术的电荷泵的设计[J].通信技术,2009,42(09):35-36.

[5] 吴紫君,刘平.一种RF发射电路中的LNA设计[J].通信技术,2010,43(05):64-66.