專利名稱：一種射頻一體化gps有源天線的制作方法
一種射頻一體化GPS有源天線

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明屬于射頻通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種有源天線，特別是一種射頻 一體化GPS有源天線，這種小型有源天線帶有GPS數(shù)字采樣信號(hào)輸出端。
背景技術(shù)：
GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能提供位置、速度及時(shí)間的信息，可用于對(duì)各種目 標(biāo)進(jìn)行定位、導(dǎo)航及監(jiān)管，它具有全能性(陸地、海洋、航空和航天)、全 球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，在信息、交通、安全防衛(wèi)、農(nóng)業(yè)、 漁業(yè)、防災(zāi)救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等建設(shè)方面具有其他手段無法替代的重要作用， 其發(fā)展前景十分廣闊，近年來越來越受到人們的重視。
GPS芯片或芯片組的小型化、高精度、低功耗等技術(shù)進(jìn)展，有力的推 動(dòng)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在數(shù)碼消費(fèi)市場(chǎng)的應(yīng)用和拓展，出現(xiàn)了基于PDA、手 機(jī)、數(shù)碼播放器等平臺(tái)的GPS導(dǎo)航定位設(shè)備。但是這些實(shí)現(xiàn)GPS導(dǎo)航定位 系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)備對(duì)接收靈敏度要求較高，所以常常還需要在GPS射頻前端 芯片前面再加一級(jí)GPS有源天線，以提高系統(tǒng)接收靈敏度。
傳統(tǒng)GPS接收機(jī)的構(gòu)成框圖如圖1所示。在已有的技術(shù)方案GPS接收 機(jī)的構(gòu)成由有源天線101模塊，以及安裝在一塊印刷電路板上的GPS射頻 前端芯片102和基帶處理芯片103組成，有源天線101和GPS射頻前端芯 片相連接，GPS射頻前端芯片與基帶處理芯片103相連接。在現(xiàn)有技術(shù)中， 上述有源天線101包括無源介質(zhì)天線、低噪聲放大器和濾波器三個(gè)部分。 通常有源天線IOI自成一個(gè)獨(dú)立模塊，有源天線接收GPS信號(hào)并完成信號(hào) 的放大和濾波，而GPS射頻前端芯片也是需要獨(dú)立設(shè)計(jì)的模塊，有源天線 101的輸出信號(hào)必須通過SMA接頭和50歐姆傳輸線纜送到GPS射頻前端芯片的信號(hào)輸入端。傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)組成方案存在諸多缺點(diǎn)第
一，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有源天線和GPS射頻前端芯片是兩個(gè)獨(dú)立模塊，有源天 線模塊送給GPS射頻前端模塊的信號(hào)是射頻信號(hào)，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮二者的 連接問題，特別是輸入輸出接口與線纜的阻抗匹配，由于線纜和連接專用 SMA接頭的特性較復(fù)雜，兩模塊之間的特殊連接要求，所以匹配困難，增 加了模塊設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。第二，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成方案的有源天線和GPS射頻 前端芯片兩個(gè)模塊的連接線相對(duì)較長(zhǎng)，使射頻信號(hào)的處理和傳導(dǎo)會(huì)引入額 外的噪聲。第三，有源天線和GPS射頻前端兩射頻模塊之間阻抗匹配度低， 由此會(huì)帶來信號(hào)衰減較大，使系統(tǒng)的總噪聲指數(shù)指標(biāo)下降。第四，傳統(tǒng)有 源天線與射頻前端芯片通過線纜連接基帶處理芯片，其輸出到GPS基帶處 理芯片的信號(hào)是模擬信號(hào)，連接線纜傳輸易受干擾，所以傳輸距離不能很 長(zhǎng)。第五，傳統(tǒng)有源天線與射頻前端芯片以及基帶處理芯片之間不良的傳 導(dǎo)性能導(dǎo)致GPS接收機(jī)系統(tǒng)信噪比下降，最終使GPS導(dǎo)航定位設(shè)備的接收 靈敏度降低，直接影響系統(tǒng)性能的首次定位時(shí)間(包括冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)所 需的時(shí)間)和定位精度。第六，有源天線模塊和GPS射頻前端芯片模塊各 自獨(dú)成一體，額外多占用的芯片面積和空間，不易滿足小型化要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)射頻前端構(gòu)成的 以上問題，提供一種射頻一體化GPS有源天線的新型構(gòu)成技術(shù)構(gòu)思，該小 型的射頻一體化GPS有源天線用于GPS衛(wèi)星接收，它具備傳統(tǒng)天線接收來 自衛(wèi)星的微弱信號(hào)的功能，還具有對(duì)信號(hào)低噪聲放大、帶外抑制和濾波、 下變頻、數(shù)字化處理等功能。本發(fā)明將GPS有源天線和GPS接收機(jī)射頻前 端模塊有機(jī)接合在一起，通過極低噪聲系數(shù)的低噪放大器對(duì)微弱信號(hào)放大， 濾波器窄帶濾波，不但能極大限度的抑制噪聲，而且省去了有源天線與射 頻前端芯片的繁雜的連接，減小了互連損耗，可降低噪聲指數(shù)，提高GPS 接收機(jī)的接收靈敏度等系統(tǒng)性能，從而提高GPS導(dǎo)航定位設(shè)備的首次定位 時(shí)間和定位精度，由此還能降低設(shè)備功耗和體積，節(jié)約成本，方便與數(shù)字 基帶芯片的連接。本發(fā)明的一種射頻一體化GPS有源天線尤其適合于與手機(jī)、PDA等移動(dòng)通信產(chǎn)品功能模塊集成在一個(gè)系統(tǒng)中。
本發(fā)明的上述目的是通過下面的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)-
一種射頻一體化GPS有源天線，其在于它包括微帶貼片天線和GPS射 頻前端接收模塊；其中GPS射頻前端接收模塊由低噪聲放大器、射頻帶通 濾波器、GPS射頻前端接收芯片、晶振、電源模塊和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成；
所述微帶貼片天線采用小型化的微帶貼片天線，其輸出接到一個(gè)極低 噪聲指數(shù)的低噪聲放大器，低噪聲放大器的輸出連接一個(gè)帶通濾波器，以 濾除帶外雜散信號(hào)，濾波器的輸出直接接到GPS接收機(jī)射頻前端芯片的輸 入端，GPS射頻前端芯片內(nèi)部對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，連接一個(gè)中頻 濾波器，中頻濾波器的輸出端連接一個(gè)中頻放大器，中頻放大器的輸出端 連接一個(gè)ADC變換器，GPS射頻前端芯片輸出為經(jīng)過數(shù)字化的GPS信號(hào)；
在低噪聲放大器和GPS射頻前端接收芯片的輸入端各配接一個(gè)阻抗匹 配網(wǎng)絡(luò)，該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)C結(jié)構(gòu)。
所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其還在于射頻一體化GPS有源 天線為一塊印刷電路板和微帶貼片天線模塊緊湊安裝結(jié)構(gòu)；其中
微帶貼片天線模塊由微帶貼片天線的接地平面導(dǎo)體薄片、微帶貼片天 線的介質(zhì)基片、微帶貼片天線和微帶貼片天線饋電點(diǎn)構(gòu)成，微帶貼片天線 貼在微帶貼片天線的介質(zhì)基片上，微帶貼片天線的介質(zhì)基片貼在微帶貼片 天線的接地平面導(dǎo)體薄片上；
在一塊印刷電路板的正面貼片安裝有GPS射頻前端接收模塊的低噪聲 放大器、帶通濾波器、GPS接收機(jī)射頻前端芯片、晶振、電源模塊和阻抗 匹配網(wǎng)絡(luò)；
印刷電路板的背面部分覆蓋一層銅箔，作為微帶貼片天線的接地平面， 它也是其他所有電路的接地平面；
微帶貼片天線模塊的微帶貼片天線饋電點(diǎn)通過通孔連接到印刷電路板 的正面信號(hào)接入點(diǎn)，并經(jīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與低噪聲放大器的輸入端相連接。
為節(jié)省面積，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，該印刷電路板可以做得跟微帶貼片天線 差不多面積大小，由于器件布設(shè)緊湊，器件間連接經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可減小信 號(hào)通路上的損耗和引入的噪聲，GPS射頻前端接收模塊輸出為數(shù)字信號(hào)，不易受干擾，可以傳輸?shù)酶h(yuǎn)而不會(huì)帶來性能降低。
所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其在于所述的微帶貼片天線的 形狀和面積與印刷電路板的形狀和面積大小相近，GPS射頻前端接收模塊 在印刷電路板上的器件為結(jié)構(gòu)緊湊的貼片安裝；充分利用印刷電路板背板 面積為微帶貼片天線的接地平面，優(yōu)化接地和屏蔽性能，器件間連接傳導(dǎo) 短，減小信號(hào)傳導(dǎo)損耗和噪聲引入，模塊輸出為數(shù)字化信號(hào)，不易受干擾， 可以傳輸?shù)酶h(yuǎn)而不會(huì)帶來性能降低。
所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其在于所述的微帶貼片天線 由一定形狀的金屬貼片置于接地平面上一層的介質(zhì)基片表面構(gòu)成，金屬貼 片的形狀包括矩形、方形、圓形及其多種變形；其中微帶貼片天線的性 能參數(shù)與所用介質(zhì)基片的介電常數(shù)，介質(zhì)的尺寸和形狀密切相關(guān)，同時(shí)與 金屬貼片的形狀、尺寸和材質(zhì)饋電點(diǎn)的位置也相關(guān)，微帶貼片天線的金屬 貼片的形狀、尺寸和材質(zhì)饋電點(diǎn)位置以及介質(zhì)基片的介電常數(shù)、尺寸和形 狀，由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算和模擬仿真得到；
介質(zhì)基片介電常數(shù)設(shè)計(jì)的取值范圍為30 50;微帶貼片天線優(yōu)化設(shè)計(jì) 減小尺寸，天線工作在1575. 42MHz頻率左右，優(yōu)化安置微帶貼片天線饋 電點(diǎn)的位置，使其輸入阻抗為50歐姆。
本發(fā)明實(shí)施例微帶貼片天線由一矩形的金屬貼片置于接地平面上一片 薄層電介質(zhì)表面而制成。
所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其在于所述低噪聲放大器為高 性能的器件，低噪聲放大器處在鏈路的第一級(jí)，其噪聲指數(shù)直接疊加到系 統(tǒng)的噪聲指數(shù)上，低噪聲放大器的性能尤為重要，為減小系統(tǒng)的噪聲指數(shù)， 所選用的低噪聲放大器在1575.42 MHz頻率左右應(yīng)能提供較大增益，同時(shí) 具有極小的噪聲指數(shù)，低噪放大器至少提供20dB功率增益，噪聲指數(shù)小于 ldBQ
所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其在于所述的帶通濾波器為無 源器件，帶通濾波器是LC網(wǎng)絡(luò)或者聲表面濾波器或者其他類似裝置，濾波 器的中心頻率為1575.42MHz，帶寬為2.046MHz，較高品質(zhì)因子的帶通濾 波器的士40MHz帶外信號(hào)衰減優(yōu)于40dB。帶通濾波器對(duì)進(jìn)入GPS射頻前端芯片的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，濾除雜散成 分，減小帶外雜散信號(hào)對(duì)后級(jí)電路的影響，防止因較大的帶外干擾造成射 頻前端芯片過早飽和。
所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其特征在于所述的GPS射頻 前端芯片的片內(nèi)電路包括低噪聲放大器、下變頻混頻器、中頻濾波器、自 動(dòng)增益控制中頻放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、頻率綜合器等模塊，并集成在一塊 芯片上；GPS接收射頻前端芯片集成入射頻一體化GPS有源天線，片內(nèi)電 路依次連接低噪聲放大器、下變頻混頻器、中頻濾波器、自動(dòng)增益控制中 頻放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，頻率綜合器的輸出端連接下變頻混頻器的本振信 號(hào)輸入端。
GPS接收射頻前端芯片將輸入的射頻GPS信號(hào)接入低噪聲放大器，經(jīng) 放大和噪聲抑制后接到下變頻混頻器實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換，頻率綜合器提供的 本振頻率信號(hào)接到下變頻混頻器，下變頻混頻輸出的中頻信號(hào)接到中頻濾 波器，抑制帶外雜散及噪聲和鏡像信號(hào)，中頻濾波器輸出送AGC中頻放大 器將信號(hào)放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能處理水平，最后，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)中頻 信號(hào)進(jìn)行采樣和編碼，轉(zhuǎn)換成適合數(shù)字基帶芯片處理的數(shù)字化中頻信號(hào)后 輸出。
所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其在于所述晶振為具有自動(dòng)溫 度補(bǔ)償?shù)挠性淳д?，該高精度、頻偏小的有源晶振的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于 0.5ppm。它作為射頻前端芯片外接的頻率基準(zhǔn)，作為頻率綜合器的參考頻 率，這個(gè)基準(zhǔn)頻率還作為數(shù)字基帶的時(shí)鐘，其頻率精準(zhǔn)度直接影響數(shù)字解 算和定位的精度。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性效果
本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)是將作為GPS信號(hào)下變換和數(shù)字化功能的射頻前端芯 片與提供前級(jí)增益和噪聲抑制的有源天線集成在一個(gè)模組里，實(shí)現(xiàn)了射頻 一體化有源天線方案，從而產(chǎn)生了傳統(tǒng)解決方案所不具備的優(yōu)點(diǎn)。第一， 將GPS有源天線和GPS射頻前端芯片二者合為一體模塊，省去了連接所需 的線纜和SMA接頭，設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮有源天線輸出與射頻前端芯片的阻抗 匹配問題，由于只有印刷電路板上很短的連線，阻抗特性穩(wěn)定，所以匹配很容易。第二，本發(fā)明的解決方案在印刷電路板上的有源天線和GPS射頻
前端芯片的連接線極短，相比傳統(tǒng)方案來說可大幅改善引入額外的噪聲問 題。第三，本發(fā)明中射頻模塊之間阻抗匹配度高，信號(hào)衰減小，減少互聯(lián) 損耗。根據(jù)噪聲指數(shù)公式，則系統(tǒng)的總噪聲指數(shù)指標(biāo)可以得到改善。第四，
本發(fā)明射頻一體化GPS有源天線通過線纜連接基帶處理芯片，其輸出到 GPS基帶處理芯片的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，眾所周知，數(shù)字信號(hào)不易受干擾， 所以能夠傳輸較長(zhǎng)的距離而信號(hào)質(zhì)量不會(huì)有任何下降。第五，射頻一體化 GPS有源天線以及與GPS基帶處理芯片優(yōu)良的傳導(dǎo)性能，噪聲小，信噪比 高，使GPS接收機(jī)系統(tǒng)的靈敏度得到顯著提高，反映在系統(tǒng)性能上，就能 縮短首次定位時(shí)間，信號(hào)噪聲干擾小，提高定位精度。第六，新型構(gòu)成設(shè) 計(jì)上可以更加緊湊，所占用的空間和面積可以縮小，易于滿足小型化要求， 更適用于各種便攜通信設(shè)備。


圖l為傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)的構(gòu)成框圖。
圖2為使用本發(fā)明射頻一體化GPS有源天線的GPS接收機(jī)構(gòu)成框圖中201—一體化GPS有源天線、103"GPS基帶處理芯片。
圖3為本發(fā)明的射頻一體化GPS有源天線構(gòu)成電原理框圖中31—微帶貼片天線、32—GPS射頻前端芯片模塊、321—天線接
入端、322—低噪聲放大器、323—射頻帶通濾波器、324—晶振、325—GPS
射頻前端芯片、326—電源模塊、327—輸出接口。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例的射頻一體化GPS有源天線的一體化安裝結(jié)構(gòu)主
視圖中401"GPS射頻前端模塊印刷電路板、402—微帶貼片天線的接 地平面導(dǎo)體薄片、403—微帶貼片天線的介質(zhì)基片、404—微帶貼片天線、 405—微帶貼片天線饋電點(diǎn)、501—天線接入端、504—晶振、505—GPS射 頻前端芯片、506—電源。
圖5為圖4本發(fā)明實(shí)施例的射頻一體化GPS有源天線的一體化安裝結(jié) 構(gòu)左視圖。
圖6為圖4本發(fā)明實(shí)施例的射頻一體化GPS有源天線的一體化安裝結(jié)構(gòu)右視圖6中501—天線接入端、502—低噪聲放大器、503—射頻帶通濾波 器、504—晶振、505—帶輸出接口的GPS射頻前端芯片、506—電源模塊、 507—GPS射頻前端芯片505的輸出接口、 511和512—阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。 圖7本發(fā)明實(shí)施例的GPS射頻前端芯片的內(nèi)部電路構(gòu)成框圖 圖中701—低噪聲放大器、702—混頻器、703—中頻濾波器、704— 中頻放大器、705—數(shù)模轉(zhuǎn)換器、706—頻率合成器。
實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的 說明。
圖2是采用本發(fā)明射頻一體化GPS有源天線的GPS接收機(jī)構(gòu)成框圖。 該GPS接收機(jī)由射頻一體化GPS有源天線201和GPS基帶處理芯片103 構(gòu)成，射頻一體化GPS有源天線201為有源天線和射頻前端有機(jī)接合，采 用一體化設(shè)計(jì)的射頻GPS有源天線，射頻信號(hào)傳導(dǎo)的路徑很短，信號(hào)的衰 減可完全忽略。射頻一體化GPS有源天線的輸出信號(hào)是下變頻得到的低中 頻的、數(shù)字化的GPS信號(hào)，而較低中頻數(shù)字信號(hào)的傳導(dǎo)，不易受到干擾， 所以傳導(dǎo)距離遠(yuǎn)一些也不會(huì)影響GPS接收機(jī)的靈敏度。將射頻GPS前端芯 片與GPS基帶處理芯片分離，并采用射頻一體化GPS有源天線的技術(shù)方案， 對(duì)克服傳統(tǒng)技術(shù)缺點(diǎn)行之有效并且是可實(shí)現(xiàn)的。
圖3給出本發(fā)明射頻一體化GPS有源天線構(gòu)成的電原理框圖。它由微 帶貼片天線31、 GPS射頻前端模塊32組成。GPS射頻前端模塊32包括天 線接入端321、低噪聲放大器322、射頻帶通濾波器323、晶振324、 GPS 射頻前端芯片325、電源模塊326和輸出接口 327，并將它們貼片安裝集成 在一塊印刷電路板上。微帶貼片天線301直接接收來自衛(wèi)星的微弱信號(hào)， 其輸出端經(jīng)天線接入端321接到低噪聲放大器322輸入端，經(jīng)過低噪聲放 大器的放大，GPS信號(hào)的強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，但是噪聲增加很少。低噪聲放 大器322的輸出接到射頻帶通濾波器323，射頻帶通濾波器323為聲表面濾 波器或者是LC組成結(jié)構(gòu)濾波器，或者是其他能抑制1575.42il.023MHz頻帶以外信號(hào)的裝置。射頻帶通濾波器323的輸出端接到GPS射頻前端芯片 325的信號(hào)輸入端，GPS射頻前端芯片325的本振信號(hào)端連接晶振324的輸 出端，晶振324給GPS射頻前端芯片325提供精準(zhǔn)的頻率基準(zhǔn)。GPS射頻 前端芯片325的功能是進(jìn)一步放大GPS信號(hào)，并對(duì)GPS信號(hào)作下變頻處 理和中頻濾波，再對(duì)濾出的中頻信號(hào)作AGC放大，最后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和 編碼處理，由輸出接口 327送出。經(jīng)過GPS射頻前端芯片輸出的信號(hào)是下 變頻到零中頻或者是低中頻的數(shù)字化GPS信號(hào)。電源模塊326對(duì)電源電壓 進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波，給低噪聲放大器322、晶振324、 GPS射頻前端芯片325 提供穩(wěn)定的直流電壓。
圖4給出本發(fā)明實(shí)施例射頻一體化GPS有源天線的一體化安裝結(jié)構(gòu)主 視圖。射頻一體化GPS有源天線由GPS射頻前端模塊印刷電路板401和微 帶貼片天線模塊402構(gòu)成。GPS射頻前端模塊印刷電路板401上貼片安裝 GPS射頻前端模塊的天線接入端501、晶振504、 GPS射頻前端芯片505、 電源506等集成器件。微帶貼片天線模塊402包括微帶貼片天線的介質(zhì)基 片403、微帶貼片天線的饋電點(diǎn)405和微帶貼片天線的接地平面導(dǎo)體薄片 406構(gòu)成件。微帶貼片天線404是以403為介質(zhì)基片，并以406為接地平面 導(dǎo)體薄片，微帶貼片天線以405為其饋電點(diǎn)，構(gòu)成一體的微帶貼片天線模 塊402。微帶貼片天線模塊402與GPS射頻前端模塊印刷電路板401經(jīng)一 體化處理成為一整件，微帶貼片天線饋電點(diǎn)405與天線接入端501是通過 電路板上過孔相連接。
圖5為圖4實(shí)施例射頻一體化GPS有源天線的一體化安裝結(jié)構(gòu)的左視 圖。本實(shí)施例采用的微帶貼片天線模塊包括微帶貼片天線的介質(zhì)基片403、 微帶貼片天線的導(dǎo)體薄片404、微帶貼片天線的饋電點(diǎn)405和微帶貼片天線 的接地平面導(dǎo)體薄片406。微帶貼片天線的導(dǎo)體薄片404是貼在微帶貼片天 線的介質(zhì)基片403上面，微帶貼片天線的接地平面導(dǎo)體薄片406與微帶貼 片天線的介質(zhì)基片403的平面外尺寸相同，微帶貼片天線的介質(zhì)基片403 粘貼在微帶貼片天線的接地平面導(dǎo)體薄片406上面。微帶貼片天線的性能 參數(shù)與所使用介質(zhì)基片403的介電常數(shù)、介質(zhì)的尺寸和形狀密切相關(guān)，同 時(shí)與導(dǎo)體薄片404的形狀、尺寸和材質(zhì)相關(guān)。饋電點(diǎn)405的位置決定微帶貼片天線的輸出阻抗。根據(jù)實(shí)施的需要，可以選用不同材質(zhì)的基片，主要 是介質(zhì)的介電常數(shù)，為減小介質(zhì)片的尺寸，可選用介電常數(shù)較大的材料。 微帶貼片天線的接地平面導(dǎo)體薄片的形狀有方形、矩形等，視不同需要來
選擇。本發(fā)明實(shí)施例中，微帶貼片天線的接地平面導(dǎo)體薄片406采用簡(jiǎn)單 的方形銅薄片，其尺寸是寬為18mm，長(zhǎng)為18mm，厚為4mm。本實(shí)施例 微帶貼片天線的介質(zhì)基片403的介電常數(shù)取值為40，饋電點(diǎn)506位置于中 心偏下，設(shè)計(jì)使其輸出阻抗為50歐姆。
圖5所見到的是GPS射頻前端模塊印刷電路板401的背板，其表面全 覆蓋薄層銅箔。本實(shí)施例的微帶貼片天線的接地平面導(dǎo)體薄片406是用上 述印刷電路板401背板覆蓋的薄層銅箔，為提高接收GPS信號(hào)效果，對(duì)接 地平面導(dǎo)體薄片406的薄層銅箔采用鍍金處理。微帶貼片天線介質(zhì)基片403 與印刷電路板的背板的薄層銅箔406緊貼安裝。微帶貼片天線的是天線的 接地面，安裝時(shí)，微帶貼片天線介質(zhì)基片403與印刷電路板背板502緊密 相貼，而接地平面導(dǎo)電薄片406通過過孔與印刷電路板的正面的接地面相 連，并作為天線及其他所有電路的接地平面。
圖6為圖4實(shí)施例射頻一體化GPS有源天線的一體化安裝結(jié)構(gòu)的右視 圖。在GPS射頻前端模塊印刷電路板401的正板上貼片安裝有天線接入端 501、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)511、低噪聲放大器502、射頻帶通濾波器503、阻抗匹 配網(wǎng)絡(luò)512、晶振504、帶輸出接口的GPS射頻前端芯片505、電源模塊506。
502是低噪放大器，其輸入端通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)511連接到401，輸出 端連接到帶通濾波器503的輸入端。為盡量抑制噪聲，減小系統(tǒng)噪聲指數(shù)， 低噪放大器502應(yīng)能提供至少20dB增益，同時(shí)噪聲指數(shù)應(yīng)至少小于ldB。 本實(shí)施例中的低噪聲放大器502在GPS頻帶1575.42MHz附近的增益約為 20dB，噪聲指數(shù)約為0.8dB。
射頻帶通濾波器503采用LC網(wǎng)絡(luò)的濾波器或者聲表面濾波器。為提供 對(duì)帶外信號(hào)的衰減，要求濾波器的品質(zhì)因素足夠高，插入損耗小，頻率特 性穩(wěn)定。本實(shí)施例中采用了聲表面濾波器，選用頻率特性好、插入損耗小、 穩(wěn)定性高的器件，其中心頻率為1575.42MHz，帶寬為2.046MHz,插入損耗 約為1.5dB。 503的輸出通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)512連接到GPS射頻前端芯片505，其內(nèi)部框圖如圖6所示。
504為晶振，給GPS射頻前端芯片提供頻率基準(zhǔn)。本實(shí)施例中采用的 是高精度低頻偏的有源晶振，晶振的頻率為16.367667MHz，晶振的輸出端 接到GPS射頻前端芯片505的基準(zhǔn)頻率輸入端。GPS射頻前端芯片505帶 有一個(gè)輸出接口 507，該GPS射頻前端芯片的輸出接口為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明實(shí)施例的GPS射頻前端芯片505的內(nèi)部電路框圖如圖7所示。 GPS射頻前端505芯片采用低中頻的系統(tǒng)架構(gòu),它包括依次連接的低頻噪聲 放大器701、混頻器702、中頻濾波器703、中頻放大器704、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 705，還要連接混頻器702的頻率合成器706，它們都集成于同一芯片。GPS 射頻前端芯片505的輸入端711連接聲表面濾波器504的輸出端，GPS射 頻前端505芯片的輸出端733，它作為一體化GPS射頻前端芯片的輸出接 口連接GPS基帶處理芯片103。 GPS信號(hào)由輸入端711先經(jīng)過芯片集成的 低噪聲放大器701放大，噪聲進(jìn)一步得到抑制后的GPS信號(hào)送混頻器702。 混頻器702的本振信號(hào)來自頻率綜合器706的輸出，頻率綜合器706為鎖 相環(huán)結(jié)構(gòu)，其基準(zhǔn)頻率輸入端722連接晶振504，輸入的基準(zhǔn)頻率信號(hào)加到 頻率綜合器706，頻率綜合器706的輸出信號(hào)為晶振頻率的96倍，即 1571.296032MHz，它作為接收機(jī)下變頻的本振信號(hào)，送到混頻器702與低 噪聲放大器701輸出的GPS信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻器702輸出下變頻的中頻 信號(hào)，其中心頻率為4.124MHz，混頻器702輸出信號(hào)送中頻濾波器703濾 波，中頻濾波器703是一個(gè)復(fù)數(shù)帶通濾波器，它的中心頻率定在4.124MHz， 帶寬為2MHz，既能提供4.124MHz附近的帶通濾波，又能抑制鏡像頻率干 擾信號(hào)，中頻濾波器703的輸出信號(hào)加到中頻放大器704，中頻放大器704 將中頻濾波器703輸出的GPS信號(hào)再經(jīng)自動(dòng)增益控制中頻放大，輸出信號(hào) 為恒定幅度的信號(hào)。中頻放大器704輸出信號(hào)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器705，對(duì)幅度 恒定的GPS信號(hào)進(jìn)行量化和編碼，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率為中頻頻率的4 倍，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出的位數(shù)為2bit。 GPS射頻前端芯片505將接收的微弱GPS 射頻信號(hào)，經(jīng)過低噪放大、下變頻處理、中頻濾波、AGC中頻放大為低中 頻的恒定幅度的信號(hào)，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為適合數(shù)字基帶處理的GPS 數(shù)字中頻信號(hào)，這樣GPS射頻前端芯片505通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器這個(gè)輸出接口 ，將量化和編碼的GPS信號(hào)送到數(shù)字基帶處理芯片103。
綜上所述，本發(fā)明的射頻一體化GPS有源天線，將有源天線和GPS射 頻芯片以最緊湊的方式安裝在一塊印刷電路板上，在GPS射頻信號(hào)傳導(dǎo)的 通路上，以最短路徑和最優(yōu)阻抗匹配為原則，實(shí)現(xiàn)從微帶貼片天線到GPS 射頻前端芯片的設(shè)計(jì)。這種一體化的射頻GPS有源天線，能周全的考慮射 頻模塊之間的阻抗匹配，使傳導(dǎo)信號(hào)衰減最小化，引入的額外噪聲最小化， 有效地減小噪聲系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)提高其靈敏度的目標(biāo)。經(jīng)模擬仿真和實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證，采用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的射頻一體化GPS有源天線的GPS接收機(jī)與已有技 術(shù)的GPS接收機(jī)現(xiàn)比，接收靈敏度可提高3 5dB。顯而易見，本發(fā)明實(shí)現(xiàn) 的射頻一體化GPS有源天線，能使GPS接收機(jī)的系統(tǒng)性取得顯著的改善和 實(shí)質(zhì)性的提高。
本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明的技術(shù)方案后，在不背離本發(fā)明廣義范圍 的前提下，可以對(duì)上述實(shí)施例作出若干改動(dòng)。因而，本發(fā)明并不僅限于所 公開的特定實(shí)施例。其范圍應(yīng)當(dāng)涵蓋所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明核心及 保護(hù)范圍內(nèi)的所有變化。
權(quán)利要求
1、一種射頻一體化GPS有源天線，其特征在于它包括微帶貼片天線和GPS射頻前端接收模塊；其中GPS射頻前端接收模塊由低噪聲放大器、射頻帶通濾波器、GPS射頻前端接收芯片、晶振、電源模塊和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成；所述微帶貼片天線采用小型化的微帶貼片天線，其輸出接到一個(gè)極低噪聲指數(shù)的低噪聲放大器，低噪聲放大器的輸出連接一個(gè)帶通濾波器，以濾除帶外雜散信號(hào)，濾波器的輸出直接接到GPS接收機(jī)射頻前端芯片的輸入端，GPS射頻前端芯片內(nèi)部對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，連接一個(gè)中頻濾波器，中頻濾波器的輸出端連接一個(gè)中頻放大器，中頻放大器的輸出端連接一個(gè)ADC變換器，GPS射頻前端芯片輸出為經(jīng)過數(shù)字化的GPS信號(hào)；在低噪聲放大器和GPS射頻前端接收芯片的輸入端各配接一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)C結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其特征在于 射頻一體化GPS有源天線為一塊印刷電路板和微帶貼片天線模塊緊湊安裝 結(jié)構(gòu)；其中-微帶貼片天線模塊由微帶貼片天線的接地平面導(dǎo)體薄片、微帶貼片天 線的介質(zhì)基片、微帶貼片天線和微帶貼片天線饋電點(diǎn)構(gòu)成，微帶貼片天線 貼在微帶貼片天線的介質(zhì)基片上，微帶貼片天線的介質(zhì)基片貼在微帶貼片 天線的接地平面導(dǎo)體薄片上；在一塊印刷電路板的正面貼片安裝有GPS射頻前端接收模塊的低噪聲 放大器、帶通濾波器、GPS接收機(jī)射頻前端芯片、晶振、電源模塊和阻抗 匹配網(wǎng)絡(luò)；印刷電路板的背面部分覆蓋一層銅箔，作為微帶貼片天線的接地平面， 它也是其他所有電路的接地平面；微帶貼片天線模塊的微帶貼片天線饋電點(diǎn)通過通孔連接到印刷電路板 的正面信號(hào)接入點(diǎn)，并經(jīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與低噪聲放大器的輸入端相連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其特征在于: 所述的微帶貼片天線的形狀和面積與印刷電路板的形狀和面積大小相近， GPS射頻前端接收模塊在印刷電路板上的器件為結(jié)構(gòu)緊湊的貼片安裝；充 分利用印刷電路板背板面積為微帶貼片天線的接地平面，優(yōu)化接地和屏蔽 性能，器件間連接傳導(dǎo)短，減小信號(hào)傳導(dǎo)損耗和噪聲引入，模塊輸出為數(shù) 字化信號(hào)，不易受干擾，可以傳輸?shù)酶h(yuǎn)而不會(huì)帶來性能降低。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其特征 在于所述的微帶貼片天線由一定形狀的金屬貼片置于接地平面上一層的 介質(zhì)基片表面構(gòu)成，金屬貼片的形狀包括矩形、方形、圓形及其多種變形; 其中微帶貼片天線的性能參數(shù)與所用介質(zhì)基片的介電常數(shù)，介質(zhì)的尺寸 和形狀密切相關(guān)，同時(shí)與金屬貼片的形狀、尺寸和材質(zhì)饋電點(diǎn)的位置也相 關(guān)，微帶貼片天線的金屬貼片的形狀、尺寸和材質(zhì)饋電點(diǎn)位置以及介質(zhì)基 片的介電常數(shù)、尺寸和形狀，由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算和模擬仿真得 到；介質(zhì)基片盡量選用較大介電常數(shù)的介質(zhì)，介電常數(shù)設(shè)計(jì)的取值范圍為 30 50;微帶貼片天線優(yōu)化設(shè)計(jì)減小尺寸，天線工作在1575. 42MHz頻率 左右，優(yōu)化設(shè)置微帶貼片天線饋電點(diǎn)的位置，使其輸入阻抗為50歐姆。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其特征 在于所述低噪聲放大器為高性能的器件，它在1575.42 MHz頻率上至少 提供20dB功率增益，噪聲指數(shù)小于ldB。處在GPS信號(hào)鏈路第一級(jí)的低噪放大器，其噪聲指數(shù)直接疊加到系統(tǒng) 的噪聲指數(shù)上，為減小系統(tǒng)的噪聲指數(shù)而優(yōu)選高性能的低噪聲放大器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其特征 在于所述的帶通濾波器為無源器件，帶通濾波器是LC網(wǎng)絡(luò)或者聲表面濾 波器或者其他類似裝置，濾波器的中心頻率為1575.42MHz，帶寬為 2.046MHz，插入損耗小于1.5dB，較高品質(zhì)因子的帶通濾波器的士40MHz 帶外信號(hào)衰減優(yōu)于40dB。帶通濾波器對(duì)進(jìn)入GPS射頻前端芯片的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，濾除雜散成 分，減小帶外雜散信號(hào)對(duì)后級(jí)電路的影響，防止因較大的帶外干擾造成射頻前端芯片過早飽和。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其特征 在于所述的GPS射頻前端芯片的片內(nèi)電路包括低噪聲放大器、下變頻混 頻器、中頻濾波器、自動(dòng)增益控制中頻放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、頻率綜合器 等模塊，并集成在一塊芯片上；GPS接收射頻前端芯片集成入射頻一體化 GPS有源天線，片內(nèi)電路依次連接低噪聲放大器、下變頻混頻器、中頻濾 波器、自動(dòng)增益控制中頻放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，頻率綜合器的輸出端連接 下變頻混頻器的本振信號(hào)輸入端。GPS信號(hào)經(jīng)下變頻混頻器實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換成為較低頻率的GPS信號(hào)， 并經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成適合數(shù)字基帶芯片處理的數(shù)字采樣中頻信號(hào)；GPS接收射 頻前端芯片將輸入的射頻GPS信號(hào)接入低噪聲放大器，經(jīng)放大和噪聲抑制 后接到下變頻混頻器實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換，頻率綜合器提供的本振頻率信號(hào)接 到下變頻混頻器，下變頻混頻輸出的中頻信號(hào)接到中頻濾波器，抑制帶外 雜散及噪聲和鏡像信號(hào)，中頻濾波器輸出送AGC中頻放大器將信號(hào)放大到 模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能處理水平，最后，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣和 編碼，轉(zhuǎn)換成適合數(shù)字基帶芯片處理的數(shù)字化中頻信號(hào)后輸出。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種射頻一體化GPS有源天線，其特征 在于所述晶振為具有自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)挠性淳д瘢摳呔?、頻偏小的有 源晶振的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于0.5ppm。它作為射頻前端芯片外接的頻率基準(zhǔn)，作為頻率綜合器的參考頻率， 這個(gè)基準(zhǔn)頻率還作為數(shù)字基帶的時(shí)鐘，其頻率精準(zhǔn)度直接影響數(shù)字解算和 定位的精度。
全文摘要
本發(fā)明屬于射頻通信技術(shù)領(lǐng)域，提出一種射頻一體化GPS有源天線，用于解決現(xiàn)有技術(shù)的有源天線GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)組成方案存在的不易小型化、模塊連接復(fù)雜、接收靈敏度低以及影響首次定位時(shí)間和定位精度的問題。其技術(shù)方案是采用射頻GPS有源天線的一體化結(jié)構(gòu)，將GPS有源天線和GPS接收機(jī)射頻前端模塊有機(jī)接合在一起，優(yōu)化模塊設(shè)計(jì)，器件間阻抗匹配，減少互聯(lián)損耗，降低總噪聲指數(shù)，提高GPS導(dǎo)航定位設(shè)備的接收靈敏度等系統(tǒng)性能，從而顯著提高GPS導(dǎo)航定位設(shè)備的首次定位時(shí)間和定位精度。本發(fā)明的一種射頻一體化GPS有源天線易于滿足小型化要求，尤其適合于與手機(jī)、PDA等移動(dòng)通信產(chǎn)品功能模塊集成在一個(gè)系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)G01S5/02GK101308955SQ20081006164
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月22日
發(fā)明者葉甜春, 莊海孝, 潘文光, 甘業(yè)兵, 馬成炎, 黃增峰 申請(qǐng)人:杭州中科微電子有限公司