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摘要:针对现有的工业无人机导航接收机基本不具备抗干扰性能，无人机卫星导航信号易受干扰。研究在电磁干扰环境相对恶略情况下，依然能够捕获导航信号，能正常精确定位的抗干扰导航接收机，并可应用于无人设备，已经成为无人机卫星导航定位技术发展面临的重大课题。为此设计了一款小型化导航抗干扰接收机射频前端，最后对射频电路前端进行了测试，并给出测试结果，验证系统的可行性。
关键词:天线;射频前端;抗干扰;导航
0引言
全球卫星导航系统具有授时精准、定位精度高、实时性强等特点，其在诸多重要国民经济领域和军事领域举足轻重［1］。然而由于卫星与地球表面相距较远，信号发射功率较弱，同时人为有意或无意干扰的日益增多，导致用户段接收的导航信号质量较差，严重时甚至无法正常工作［2］。因此，为了使导航接收机能够应付更加复杂的环境，提高其自身的抗干扰能力，开展导航抗干扰技术的研究得到了广泛关注［3］。传统采用单天线结构的卫星导航接收机通常是在基带数字信号处理中采用最小均方算法(LMS)、递归最小二乘算法(ＲLS)等各种抗干扰算法来抑制射频干扰［4］。因为抗干扰算法与干扰信号的形式相关，所以能够抑制的干扰形式也有限［5］。采用阵列天线结构的接收机不仅能够抑制窄带干扰，还可以抑制宽带干扰，是卫星导航领域解决抗干扰问题的一种优选技术［5］。阵列抗干扰在空域区分信号，采用波束赋行技术抑制不同方向的干扰［6］。与干扰形式无关，优于单天线接收机的时域和变换域抗干扰方法。因此，该文设计了四阵元天线阵列导航抗干扰射频前端。方案采用了低噪声、滤波、混频、锁相环等射频模块，降低了损耗，提高信号稳定度，便于后续处理。
1射频前端总体设计
卫星导航接收系统包括卫星导航接收天线，射频前端，基带处理三个部分。卫星导航抗干扰接收系统则是在上述基础上进一步设计，由四条通路构成，每条通路有独立的射频前端，包括导航接收天线、低噪声放大器、带通滤波器、混频器、锁相环、中频放大器、中频滤波器。该系统对GPSL1(1575．42MHz)和BDB1(1561．75MHz)的导航信号具有一定的抗干扰作用。导航天线模块设计为能够接收GPSL1(1575．42MHz)和BDB1(1561．75MHz)导航信号，射频本振频率设计为1522MHz，采用一次下变频，中频中心频点为46MHz，带宽18MHz，由AD采样后，基带加入抗干扰算法处理，将处理后的中频信号上变频为实际的卫星信号，传输给导航接收机。天线采用均匀矩形阵［7］，四阵元的平面矩形阵列结构图如图2所示，在X方向阵元间距dx，在Y方向阵元间距dy，信号来波方向φ，俯仰角为θ，以坐标原点为参照点，第m×n个阵元到原点的相位延迟为φm×n(θ，φ)
2系统硬件电路设计
2．1导航接收天线设计
目前导航业界最常用的天线有两种，分别为偏心馈电方式和中心馈电方式，北斗导航接收天线和GPS导航接收天线均采用右旋圆极化。也有采用双点或四点馈电实现圆极化。该方案中天线辐射单元采用微带双馈点天线形式，天线双馈点连接合路器来实现右旋圆极化，采用TP－2高介电常数微波介质，具有剖面低，重量轻，制造工艺简单，适合于工程应用，合路器采用MINIQCN－19，0．4dB低插入损耗，两路相差90°。微带天线安装在盒体上表面，通过螺丝和金属壳体连接，天线双馈点处的馈针穿过壳体与射频板上的合路器连接实现馈电和极化方式。金属的盒体可以抑制天线的后向辐射，提高天线增益［8］。阵元间距是影响阵列增益及副瓣的主要指标，根据文献［5］的结论，阵元间距采用0．5λ。天线仿真模型如图3所示。天线单元天线最终设计指标如表1所示，能够满足系统要求。
2．2射频放大器设计
设计中共用到两种放大器，分别为射频低噪声放大器LNA和中频放大器AMP。接收机的接收灵敏度和噪声系数关系重大，噪声系数又由接收机的前级射频器件决定［9］。低噪声放大器采用SPF5043Z，器件的S参数如图4所示，S21表示增益，在工作频段内具有15dB的固定增益，而且噪声系数只有0．8dB。采用两级级联方式，固定增益可达到30dB，电路如图5所示。中频放大器件采用TQP369182，在中频工作频段内具有20dB的固定增益。射频放大器总增益为50dB。
2．3带通滤波器设计
设计中用到两种带通滤波器，滤除卫星导航信号的带外噪声，在低噪声放大器每级输出之后接带通滤波器BPF，用来预选频段，并抑制镜像干扰、带外干扰和各种噪声［10］，考虑到小型化设计，前级射频滤波器采用声表滤波器SAW，中频滤波器采用LC带通滤波器。该系统中射频前端采用的是无源声表面滤波器为TA1584A，中心频率为1568MHz，1dB带宽为18MHz，工作频段内插入损耗最大1．5dB。中频滤波器采用自研三阶LC带通滤波器，中心频率46MHz，1dB带宽≥19MHz，满足设计要求。
2．4锁相环本振设计
ADF4351是ADI公司推出的一款集成了压控振荡器(VCO)的宽带频率合成器，结合外部环路滤波器和外部基准时钟，可以实现小数N分频或整数N分频的锁相环频率合成器。利用其内部可编程的1/2/4/8/16分频电路，便可产生137．5MHz～4400MHz的ＲF输出频率。PLL电路设计如图6所示，采用外部MCU编程，通过SPI配置ADF4351输出1522MHz本振信号，经过功分器分为五路本振，其中四路本振用于四路导航信号的下变频，一路本振用于抗干扰算法处理后的信号上变频。系统使用的25MHz基准时钟输入，对频率的精确度和稳定度要求都比较高。系统采用有源温补晶振，频率25MHz，输出功率8dBm，谐波抑制－25dB，杂波抑制－70dB。具体电路如图7所示。
3系统性能测试
3．1系统模块测试
图8为抗干扰天线射频前端实物。对射频前端进行测试。测试仪器:信号源为安捷伦AgilentN5181A，输出频率范围为100kHz～6GHz。频谱仪为Ｒ＆SFSH13．SpectrumAnalyzer，频率范围为9kHz～13．6GHz。利用信号源产生BDB1和GPSL1的中间频点1568MHz，功率为－80dBm的单载波信号，模拟导航频段信号进行测试，将该信号作为四元天线阵列抗干扰射频前端的输入信号。图9为第一路输出信号的频谱图(另3路输出同图9)，频率为46MHz，信号功率为－17dBm左右。该结果表明PLL锁相环输出本振频率正常，阵列抗干扰射频前端工作正常，满足后级AD采样的需求。
3．2导航接收测试
将设计的导航抗干扰接收机射频板和导航接收天线同时应于配套设计的基带板，接入导航抗干扰算法处理模块，搭建导航接收机测试平台，如图10所示。并增加未知干扰信号，将抗干扰算法处理后的导航信号，接入UBLOX导航接收机，通过上位机显示收到卫星数据。图11为应用本射频接收前端并增加干扰后的卫星接收数量，共计18颗卫星，其中GPS有9颗卫星，BD有9颗卫星，载噪比最高达49dB左右，符合通信系统指标要求。该结果表明，天线阵列抗干扰前端在干扰下能够正常工作，系统设计可行。
4总结
该文设计了用于GPSL1和BDB1天线阵列抗干扰射频前端。文中对导航天线、低噪放、滤波器，中频放大器以及PLL锁相环进行了硬件电路设计，同时对系统硬件进行了单频信号测试和导航抗干扰接收测试。测试结果能够满足工业类无人机的实际应用，并且具有抗干扰性能强、电路简单、尺寸小，重量轻，可同时处理四路信号等优点，对导航抗干扰技术的研究具有一定参考价值。
参考文献:
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作者:王剑飞 吴建军 吴利刚 王水 单位:西安爱生无人机技术有限公司 西北工业大学 火箭军驻西安地区第六军事代表室
