Abstract
Met de wijdverspreide toepassing van satellietnavigatiesystemen wereldwijd, worden multi-mode satellietnavigatieontvangers, die verschillende navigatiesystemen zoals GPS, GLONASS, Galileo en BeiDou kunnen ondersteunen, de mainstream keuze voor navigatieapparaten. Hun verdere uitbreiding wordt echter aanzienlijk beperkt door de grootte en het stroomverbruik. De RF ontvangsteenheid, als kerncomponent van een navigatieontvanger, heeft een directe invloed op de stabiliteit en betrouwbaarheid van het hele systeem. Traditionele ontwerpen met discrete componenten resulteren in grote afmetingen, hoog energieverbruik en onstabiele systeemprestaties. Om deze beperkingen te overwinnen, is het vervangen van discrete componenten door radiofrequente toepassingsspecifieke geïntegreerde schakelingen (RF ASIC's) het belangrijkste technische pad geworden om ontvangerverkleining, laag energieverbruik en hoge stabiliteit te bereiken. Dit artikel bestudeert systematisch de belangrijkste technologieën in RF ASIC-ontwerp voor multimodale satellietnavigatieontvangers, stelt een complete RF-chiparchitectuur voor en biedt haalbare oplossingen voor de ontwerpuitdagingen van kernmodules zoals ruisarme versterkers, mixers en frequentiesynthesizers. De bevindingen bieden theoretische en praktische ondersteuning voor de autonome ontwikkeling en integratie van multimodale navigatie RFchips.

Inleiding
Met de voortdurende verbetering en integratie van wereldwijde satellietnavigatiesystemen hebben multimodale satellietnavigatieontvangers, die tegelijkertijd signalen van meerdere navigatiesystemen kunnen ontvangen en verwerken, de betrouwbaarheid, nauwkeurigheid en beschikbaarheid van positionering aanzienlijk verbeterd. Hierdoor zijn ze een belangrijke ontwikkelingsrichting geworden in de moderne navigatietechnologieën. Met het toenemend aantal geïntegreerde functies zijn de problemen met de omvang en het stroomverbruik van de ontvanger echter prominenter geworden, met name in draagbare en embedded apparaten, waar deze twee factoren de toepassingsmogelijkheden direct beperken.

De RF-ontvangstunit, als het front-end deel van de navigatieontvanger, is verantwoordelijk voor belangrijke processen zoals signaalontvangst, versterking en downconversie. De prestaties hebben een directe invloed op de nauwkeurigheid van de daaropvolgende basisbandverwerking en de algehele stabiliteit van het systeem. Traditionele RF ontvangereenheden zijn meestal opgebouwd uit discrete componenten. Hoewel deze ontwerpen flexibiliteit bieden, beperken hun grote omvang, hoge stroomverbruik en slechte consistentie de prestaties van de ontvanger. Als gevolg hiervan is de verschuiving naar gespecialiseerde RF Application Specific Integrated Circuits (ASIC's) voor het RF-gedeelte een onvermijdelijke keuze geworden voor het bereiken van hoge prestaties, lage kosten en compacte afmetingen in ontvangers.

1. Multi-Mode Satelliet Navigatie RFchips Eisen

Multimodale satellietnavigatieontvangers moeten tegelijkertijd meerdere frequentiebanden en modulatieschema's ondersteunen, wat hogere eisen stelt aan RFchips. Aan de ene kant moet de chip breedbandige ontvangstmogelijkheden hebben om de operationele frequentiebanden van verschillende navigatiesystemen te dekken. Aan de andere kant moet de chip een hoge gevoeligheid behouden en tegelijkertijd weinig ruis, een hoge lineariteit en uitstekende anti-jamming prestaties leveren. Bovendien moet de chip een laag energieverbruik hebben en een balans vinden tussen integratie, kosten en betrouwbaarheid om mobiele apparaten op batterijen te kunnen gebruiken.

2. RFchip architectuurontwerp

Op basis van de bovenstaande vereisten wordt in dit artikel een complete RF ASIC-architectuur voor multimodale satellietnavigatie voorgesteld. De architectuur maakt gebruik van een Zero-IF (Zero Intermediate Frequency) of Low-IF ontvangerstructuur om de complexiteit van het systeem te vereenvoudigen en het aantal externe componenten te verminderen. De chip integreert kernmodules, waaronder een Low-Noise Amplifier (LNA), mixer, frequentiesynthesizer, filter en versterker met variabele versterking (VGA), door middel van een sterk geïntegreerd ontwerp, waardoor de signaalketen wordt geoptimaliseerd en het stroomverbruik onder controle wordt gehouden.

3. Belangrijkste technologieën en oplossingen

3.1 Ruisarme versterker (LNA)
Als eerste actieve circuit in de ontvanger heeft het ruisgetal van de LNA een directe invloed op de gevoeligheid van het systeem. De multi-mode navigatiechip vereist dat de LNA een lage ruis, hoge versterking en goede input matching heeft over een breed frequentiebereik. Het ontwerp maakt gebruik van een cascodestructuur in combinatie met ruisaanpassingstechnieken om de versterking te garanderen en de ruis effectief te onderdrukken. Daarnaast wordt adaptieve biasingtechnologie geïntroduceerd om optimale prestaties te behouden onder verschillende bedrijfsomstandigheden.

3.2 Mixer
De mixer downconverteert RF-signalen naar middenfrequenties. De lineariteit en conversiewinst zijn cruciaal voor het anti-jamming vermogen van het systeem. Dit artikel maakt gebruik van een actieve mixer gebaseerd op de Gilbert Cell-structuur, waarbij de afmetingen en de voorspanningscondities van de schakeltransistors worden geoptimaliseerd om de lineariteit te verbeteren en lekkage van de lokale oscillator te beperken. Verder wordt de technologie voor hergebruik van stroom gebruikt om het stroomverbruik te verminderen.

3.3 Frequentiesynthesizer
De frequentiesynthesizer levert een stabiel en nauwkeurig lokaal oscillatorsignaal aan de mixer. Multi-mode navigatie vereist snelle vergrendeling en dekking van meerdere frequentiepunten. Het ontwerp maakt gebruik van een PLL-structuur (Phase-Locked Loop), waarin een spanningsgestuurde oscillator (VCO) met lage faseruis en een verdeler met hoge resolutie zijn geïntegreerd. Er worden digitale kalibratietechnieken gebruikt om frequentiefouten te beperken en er wordt gebruikgemaakt van technologie voor fractionele deling om flexibele configuratie van frequentiepunten mogelijk te maken.

4. Samenvatting en vooruitzichten

In dit artikel wordt een uitgebreide RF ASIC-ontwerpoplossing voorgesteld voor multimodale satellietnavigatieontvangers, waarbij de nadruk ligt op de ontwerpuitdagingen en oplossingen voor belangrijke modules zoals de ruisarme versterker, mixer en frequentiesynthesizer. Door optimalisatie van de circuitstructuur en systeemintegratie is het mogelijk om de omvang en het stroomverbruik aanzienlijk te verminderen en tegelijkertijd de stabiliteit en algehele prestaties van de ontvanger te verbeteren. In de toekomst, met de vooruitgang in technologie en toenemende systeemeisen, zullen multi-mode navigatie RFchips zich blijven ontwikkelen in de richting van hogere integratie, lager stroomverbruik en sterkere anti-jamming capaciteiten, wat solide technische ondersteuning biedt voor de grootschalige toepassing van wereldwijde navigatiesystemen.