一种用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器及使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器及其使用方法。通过在该低噪声功率放大器设置匹配电阻、单刀双掷射频开关、射频放大器和微处理器的方式，由微处理器控制单刀双掷射频开关分别接入匹配电阻和天线输入端，使该低噪声功率放大器在不同的时间段内分别输出本底噪声，或者包含本底噪声、卫星信号和外部干扰在内的总接收信号，以便接收机利用本底噪声和总接收信号功率的差值变化来实时识别判断是否存在干扰信号。这种方式实现了对本底噪声功率和总接收信号功率的独立测量，不受环境温度的影响，提高了检测效率，方便使用。
【专利说明】
一种用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器及使用方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种低噪声功率放大器，特别是涉及一种用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器及其使用方法。
【背景技术】
[0002]随着GPS和“北斗”卫星导航定位以及授时业务在我国的普遍应用，对国民经济有重要影响的行业部门，如通信、电力、交通、金融等，不仅对卫星导航定位及授时业务的精准性有较高要求，对其依赖性也大大增强，主要或完全通过卫星导航定位及授时来提供基础服务和技术支持，因此对卫星导航定位及授时业务的安全性提出了更高要求。
[0003]由于卫星导航接收设备(包括定位、导航、授时等功能)接收来自外层空间导航卫星发出的信号，这些信号经过长距离传输后，到达接收设备的信号功率很小，而接收设备的接收天线通常具有较宽的波束，除了接收所需的有用信号外，还会感应接收天线周围的其他噪声及无用信号，这些噪声和无用信号对于有用信号而言可以视为干扰，并且成分复杂，既包括其他设备辐射的普通干扰信号，还可能有恶意的大功率干扰信号、虚假欺骗干扰信号等。如果卫星导航接收设备被这些干扰信号侵入，则有可能丧失定位、授时等功能，也有可能被欺骗而产生错误的位置和时间信息，进而可能会对重要的行业部门产生极为不利的影响，甚至造成严重后果和重大损失。
[0004]现有技术中，低噪声功率放大器只能输出包含本底噪声、夕卜部噪声(各类干扰信号均可视为外部噪声)和有用信号在内的总接收信号，不能单独输出低噪声功率放大器的本底噪声。而低噪声功率放大器输出的总接收信号再经过不同长度、不同衰减量的电缆传输到接收机时，接收机收到的总接收信号的功率存在较大的变化范围，接收机很难根据接收到的总接收信号功率的大小来判断是否存在干扰。
[0005]基于上述原因，有必要提供一种用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器及其使用方法，由此既能够单独输出该低噪声功率放大器的本底噪声，又能够输出包含本底噪声、外部噪声和接收信号在内的总接收信号，以便后一级接收机通过分别检测本底噪声功率和总接收信号功率来准确判断识别是否存在干扰。
【发明内容】
[0006]本发明主要解决的技术问题是提供一种用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器及其使用方法，解决现有技术中低噪声功率放大器因不能单独输出本底噪声而难以快速检测、准确判别是否存在干扰信号的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器，包括天线输入端、射频信号输出端和电源输入端，该低噪声功率放大器包括匹配电阻、单刀双掷射频开关、射频放大器和微处理器，该单刀双掷射频开关的一个输入端与该天线输入端电连接，该单刀双掷射频开关的另一个输入端与该匹配电阻电连接，该单刀双掷射频开关的公共输出端与该射频放大器的输入端电连接，该射频放大器的输出端与该射频信号输出端电连接，该单刀双掷射频开关与该微处理器电连接并受该微处理器控制，该电源输入端连接该单刀双掷射频开关、射频放大器和微处理器。
[0008]在本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的另一个实施例中，该匹配电阻的阻值与该天线输入端的输入特性阻抗值相同。
[0009]在本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的另一个实施例中，该射频信号输出端和电源输入端为同一个双信号端口，该双信号端口与一个馈电网络的混合信号输出端电连接，该馈电网络的射频信号输入端连接该射频放大器的输出端，该馈电网络的直流电源输出端连接该单刀双掷射频开关、射频放大器和微处理器。
[0010]在本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的另一个实施例中，该馈电网络的该混合信号输出端与该射频信号输入端之间连接有电容器，该馈电网络的该混合信号输出端与该直流电源输出端之间连接有电感器，该直流电源输出端连接一个稳压器的输入端，该稳压器的输出端连接该单刀双掷射频开关、射频放大器和微处理器。
[0011]在本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的另一个实施例中，该单刀双掷射频开关为单片集成电路射频开关，该集成电路射频开关的插入损耗小于ldB，隔离度大于30dB，带宽为IGHz?2GHz，工作频率涵盖该天线输入端外部连接的天线所接收的卫星导航信号的中心频率。
[0012]在本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的另一个实施例中，该射频放大器包括两个级联的放大器组件，其中，第一级放大器组件的输入端与该单刀双掷射频开关的公共输出端电连接，该第一级放大器组件的输出端与第二级放大器组件的输入端电连接，该第二级放大器组件的输出端连接该馈电网络的射频信号输入端，第一级放大器的增益大于18dB，噪声系数低于ldB，第二级放大器的增益大于20dB，噪声系数低于4dB，ldB压缩点的输出功率不小于OdBm。
[0013]在本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的另一个实施例中，在该第一级放大器组件的输入端与该单刀双掷射频开关的公共输出端之间串接第一声带通滤波器，在该第一级放大器组件的输出端与第二级放大器组件的输入端之间串接第二带通滤波器。
[0014]本发明还提供了一种用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的使用方法，将上述低噪声功率放大器的天线输入端连接外部接收天线，射频信号输出端通过射频电缆连接接收机，电源输入端接入直流电源，开机加电后，该微处理器控制该单刀双掷射频开关，接通该匹配电阻与该射频放大器之间的电连接，经延时，该射频信号输出端输出该用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的本底噪声；延时结束后，该微处理器控制该单刀双掷射频开关，断开该匹配电阻与该射频放大器之间的电连接，接通并保持该天线输入端与该射频放大器之间的电连接，该射频信号输出端输出总接收信号。
[0015]在本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器使用方法的另一个实施例中，该延时时长为I秒?60秒。
[0016]本发明的有益效果是:通过在该低噪声功率放大器中设置匹配电阻、单刀双掷射频开关、射频放大器和微处理器的方式，由微处理器控制单刀双掷射频开关分别接入匹配电阻和天线输入端，以便接收机测量该低噪声功率放大器的本底噪声和总接收信号的输出功率，再用这两个功率的差值变化来实时识别判断是否存在干扰信号。这种方式实现了对本底噪声功率和总接收信号输出功率的独立测量，并且，这两种功率测量可以实时自动进行切换，不受环境温度的影响，提高了检测效率，方便使用。
【附图说明】
[0017]图1是本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器一实施例的组成图；
[0018]图2是本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器另一实施例的组成图；
[0019]图3是本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器中馈电网络组成图；
[0020]图4是本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器使用方法流程图。
【具体实施方式】
[0021]为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0022]需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0023]下面结合附图，对本发明的各实施例进行详细说明。
[0024]图1是本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器一实施例的组成图。在图1中，该低噪声功率放大器10包括天线输入端11、射频信号输出端16和电源输入端17。其中，天线输入端11用于连接卫星导航信号接收天线，例如接收GPS LI频点信号的微带天线，可选用张家港保税区灿勤微波技术有限公司生产的DA1575S10T4微带天线;射频信号输出端16用于将该低噪声功率放大器10放大输出的射频信号通过射频电缆输出给后一级的接收机;电源输入端17用于连接直流电源，由此向该低噪声功率放大器10供电。
[0025]进一步的，在该低噪声功率放大器10内部还包括匹配电阻12、单刀双掷射频开关
13、射频放大器15和微处理器14。从图1可以看出，该单刀双掷射频开关13的一个输入端131与该天线输入端11电连接，该单刀双掷射频开关13的另一个输入端132与该匹配电阻12电连接，该单刀双掷射频开关13的公共输出端133与该射频放大器15的输入端151电连接，该射频放大器15的输出端152与该射频信号输出端16电连接，该单刀双掷射频开关13与该微处理器14电连接并受该微处理器14控制，该电源输入端17连接该单刀双掷射频开关13、射频放大器15和微处理器14，为其供电。
[0026]由于采用了单刀双掷射频开关13和匹配电阻12这种电路结构，在该低噪声功率放大器10加电工作后，先通过微处理器14控制该射频开关13，将匹配电阻12与射频开关13的输入端132接通，同时，天线输入端11与射频开关13的输入端131断开，这样该低噪声功率放大器10只输出本底噪声。在微处理器14延时工作一段时间后(具体延时长度，根据后一级接收机测量噪声功率时间以及控制内部各器件工作时间精度而定，一般在I秒?60秒之间)，再控制射频开关13，将天线输入端11与射频开关13的输入端131接通，同时，匹配电阻12与射频开关13的输入端132断开，该低噪声功率放大器10将输出本底噪声、来自天线输入端11接收到的外部噪声和卫星信号在内的总接收信号。
[0027]优选的，匹配电阻12的电阻值与天线输入端11的输入特性阻抗值相同。例如，天线输入端11的输入特性阻抗值通常为50欧，匹配电阻12的电阻值也是50欧。另外，这里选用了单刀双掷射频开关13而不选用继电器作为两路射频切换的器件，主要是基于射频开关的体积尺寸要比继电器小，在价格上也较便宜，尽管带来一定的插入损耗，但对整体性能影响很小，还可以通过后一级射频放大器来弥补插入损耗。
[0028]由此可见，采用图1所示的低噪声功率放大器这一实施例，通过微处理器控制射频开关进行转换的方式，既能够单独输出该低噪声功率放大器的本底噪声，又能够输出包含本底噪声、外部噪声和接收信号在内的总接收信号，从而能够通过分别检测本底噪声功率和总接收信号功率的变化情况来准确判断识别是否存在干扰信号。这是由于在获得本底噪声功率测量值后，正常情况下，外部噪声和接收信号功率通常都是在一个合理区间范围内，因此总的输出功率减去本底噪声功率后剩余的功率值也应该处于该合理区间范围内。若检测出的总的输出功率减去本底噪声功率后剩余的功率值明显超出该合理区间范围，则可以判断有干扰信号存在。
[0029]图2是本发明用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器一实施例的组成图。与图1相比较，图2中的低噪声功率放大器20包括天线输入端21、匹配电阻22、单刀双掷射频开关23、射频放大器25和微处理器24，与图1中对应的这些组成部分具有相同的功能作用，不再赘述。区别在于，图1中的射频信号输出端16和电源输入端17为在图2中为同一个双信号端口 27，该双信号端口 27与一个馈电网络26的混合信号输出端263电连接，该馈电网络26的射频信号输入端261连接射频放大器25的输出端252，该馈电网络26的直流电源输出端262连接单刀双掷射频开关23、射频放大器25和微处理器24。
[0030]采用馈电网络26后，可以使得射频信号输出端16和电源输入端17合二为一，减少了该低噪声功率放大器的接口端数，更加方便使用。
[0031]进一步的，图2中馈电网络26的一个优选实施例如图3所示:该馈电网络36的混合信号输出端363与射频信号输入端361之间连接有电容器37，该馈电网络36的混合信号输出端363与直流电源输出端362之间连接有电感器38。进一步的，在直流电源输出端362还连接一个稳压器39的输入端391，稳压器的输出端392连接单刀双掷射频开关、射频放大器和微处理器。优选的，电容器37可以采用电容量大于100pF、误差不超过5%，耐压不低于50V的NPO材质的贴片陶瓷电容器，如福建火炬电子科技股份有限公司生产的CC41-0402-CG-50V-1OOP-C(N)贴片电容器；电感器38可以采用电感量不低于47nH，误差不超过20%，允许最大通过电流不低于100mA，自谐振频率不低于2000MHz的电感器，如MURATA公司生产的LQW18AN47NJ00D贴片电感器;稳压器39选用输出电流大于75mA，压差不大于10mV的低压差线性稳压器，如TI公司的TPS73130DBVR稳压器。
[0032]优选的，在图1或图2所示的用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的实施例中，上述匹配电阻可以选用阻值49.9欧姆、精度I %的普通贴片电阻；上述微处理器可使用小体积、低功耗、内置数据存储器和程序存储器的微处理器，如TI公司的MSP430F2012RSA处理器;该单刀双掷射频开关为单片集成电路射频开关，该集成电路射频开关的插入损耗小于IdB，隔离度大于30dB，带宽为IGHz?2GHz，工作频率涵盖该天线输入端外部连接的天线所接收的卫星导航信号的中心频率。例如，单刀双掷射频开关可使用带宽覆盖I?2GHz，插损小于IdB，隔离度大于30dB的射频开关，如TriQuint Semiconductor公司生产的TQP4M0010。
[0033]优选的，在图1或图2所示的用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的实施例中，为了保证该射频放大器有更高的增益值，上述射频放大器可以包括两个级联的放大器组件，其中，第一级放大器组件的输入端与该单刀双掷射频开关的公共输出端电连接，该第一级放大器组件的输出端与第二级放大器组件的输入端电连接，该第二级放大器组件的输出端连接该馈电网络的射频信号输入端，第一级放大器的增益大于18dB，噪声系数低于ldB，如MAX頂公司MAX2659低噪声GPS放大器;第二级放大器的增益大于20dB，噪声系数低于4dB，ldB压缩点的输出功率不小于OdBm，如AVAGO公司的ABA31563低噪声放大器。这样，整个射频放大器的总增益为35dB左右。
[0034]进一步的，为了抑制带外干扰，可以在该第一级放大器组件的输入端与该单刀双掷射频开关的公共输出端之间串接低插入损耗的第一带通波滤波器，如TriQuintSemiconductor公司生产的856561等GPS LI频点声表面波带通滤波器;在该第一级放大器组件的输出端与第二级放大器组件的输入端之间串接通频带宽较窄的第二带通滤波器，如TAISAW公司生产的TA0664A等GPS LI频点声表面波带通滤波器。
[0035]本发明还提供了上述用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的使用方法。通常是将该低噪声功率放大器的天线输入端连接外部接收天线，射频信号输出端通过射频电缆连接接收机，电源输入端接入直流电源。进一步的，如图4所示，在步骤Sll中，开机加电后，微处理器控制单刀双掷射频开关，接通匹配电阻与射频放大器之间的电连接，经延时，该射频信号输出端输出该用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的本底噪声。在步骤S12中，延时结束后，微处理器控制单刀双掷射频开关，断开匹配电阻与所述射频放大器之间的电连接，接通并保持天线输入端与射频放大器之间的电连接，该射频信号输出端输出总接收信号功率。优选的，上述延时时长为I秒?60秒，不短于接收机测量本底噪声功率所需要得时间即可。
[0036]基于以上实施例，本发明提供的用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器及其使用方法，通过在该低噪声功率放大器设置匹配电阻、单刀双掷射频开关、射频放大器和微处理器的方式，由微处理器控制单刀双掷射频开关分别接入匹配电阻和天线输入端，来测量该低噪声功率放大器的本底噪声功率和总接收信号功率，再用这两个功率的差值变化来实时识别判断是否存在干扰信号。这种方式实现了对本底噪声功率和总接收信号功率的独立测量，并且，这两种功率测量可以实时进行自动切换，不受环境温度的影响，提高了检测效率，方便使用。
[0037]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器，包括天线输入端、射频信号输出端和电源输入端，其特征在于， 所述低噪声功率放大器包括匹配电阻、单刀双掷射频开关、射频放大器和微处理器，所述单刀双掷射频开关的一个输入端与所述天线输入端电连接，所述单刀双掷射频开关的另一个输入端与所述匹配电阻电连接，所述单刀双掷射频开关的公共输出端与所述射频放大器的输入端电连接，所述射频放大器的输出端与所述射频信号输出端电连接，所述单刀双掷射频开关与所述微处理器电连接并受所述微处理器控制，所述电源输入端连接所述单刀双掷射频开关、射频放大器和微处理器。2.根据权利要求1所述的用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器，其特征在于，所述匹配电阻的阻值与所述天线输入端的输入特性阻抗值相同。3.根据权利要求2所述的用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器，其特征在于，所述射频信号输出端和电源输入端为同一个双信号端口，所述双信号端口与一个馈电网络的混合信号输出端电连接，所述馈电网络的射频信号输入端连接所述射频放大器的输出端，所述馈电网络的直流电源输出端连接所述单刀双掷射频开关、射频放大器和微处理器。4.根据权利要求3所述的用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器，其特征在于，所述馈电网络的所述混合信号输出端与所述射频信号输入端之间连接有电容器，所述馈电网络的所述混合信号输出端与所述直流电源输出端之间连接有电感器，所述直流电源输出端连接一个稳压器的输入端，所述稳压器的输出端连接所述单刀双掷射频开关、射频放大器和微处理器。5.根据权利要求3或4所述的用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器，其特征在于，所述单刀双掷射频开关为单片集成电路射频开关，所述集成电路射频开关的插入损耗小于IdB，隔离度大于30dB，带宽为IGHz?2GHz，工作带宽涵盖所述天线输入端外部连接的天线所接收的卫星导航信号的频带。6.根据权利要求5所述的用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器，其特征在于，所述射频放大器包括两个级联的放大器组件，其中，第一级放大器组件的输入端与所述单刀双掷射频开关的公共输出端电连接，所述第一级放大器组件的输出端与第二级放大器组件的输入端电连接，所述第二级放大器组件的输出端连接所述馈电网络的射频信号输入端，第一级放大器的增益大于18dB，噪声系数低于ldB，第二级放大器的增益大于20dB，噪声系数低于4dB，IdB压缩点的输出功率不小于OdBm。7.根据权利要求6所述的用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器，其特征在于，在所述第一级放大器组件的输入端与所述单刀双掷射频开关的公共输出端之间串接第一带通滤波器，在所述第一级放大器组件的输出端与第二级放大器组件的输入端之间串接第二带通滤波器。8.—种用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的使用方法，将权利要求1至7任一项所述的低噪声功率放大器的天线输入端连接外部接收天线，射频信号输出端通过射频电缆连接接收机，电源输入端接入直流电源，其特征在于， 开机加电后，所述微处理器控制所述单刀双掷射频开关，接通所述匹配电阻与所述射频放大器之间的电连接，经延时，所述射频信号输出端输出所述用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的本底噪声； 延时结束后，所述微处理器控制所述单刀双掷射频开关，断开所述匹配电阻与所述射频放大器之间的电连接，接通并保持所述天线输入端与所述射频放大器之间的电连接，所述射频信号输出端输出总接收信号。9.根据权利要求8所述的用于卫星导航及授时的低噪声功率放大器的使用方法，其特征在于，所述延时时长为I秒?60秒。
【文档编号】H03F3/195GK105897186SQ201610324337
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】刘波
【申请人】江苏指南针导航通信技术股份有限公司