一種組合衛(wèi)星導(dǎo)航高精度有源天線設(shè)計(jì)

魏景輝，廖 林，張品春，孫艷明

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

近年來，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）具有全時(shí)空、全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)地提供導(dǎo)航、定位和授時(shí)的特點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)多模導(dǎo)航天線時(shí)，主要依據(jù)以下幾個(gè)設(shè)計(jì)原則[1]。

（1）在工作帶寬內(nèi)方向圖盡量穩(wěn)定，波束覆蓋范圍盡量大。

（2）為了提高導(dǎo)航衛(wèi)星信號的抗干擾能力，如大氣、雨水、霧霾能氣候條件對信號的干擾，衛(wèi)星調(diào)制信號主要采用右旋圓極化的極化方式。

（3）根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的星座布32局來看，要求在天線被覆蓋區(qū)域天頂上半球區(qū)域范圍內(nèi)盡可能有均勻且較高的增益，使得所有有用視角的信號電平滿足接收機(jī)的信噪比要求，最終將接收到的電磁信號轉(zhuǎn)換為終端的射頻信號。

（4）具有高穩(wěn)定相位中心的天線有助于提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的測距精度。所以，多模導(dǎo)航天線設(shè)計(jì)時(shí)還需兼顧高相位中心穩(wěn)定性的要求。

本文介紹了一種BD-2/GPS/GLONASS組合衛(wèi)星導(dǎo)航高精度有源天線的設(shè)計(jì)方法，上層陶瓷貼片B1/L1/GLONASS接收天線由4個(gè)同軸饋針直接饋電，下層層疊的是B3接收天線，采取耦合饋電方式。B1/L1/GLONASS和B3低噪聲放大電路集成在同一塊電路板上，并與天線寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)板直接探針相連。最終整個(gè)多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線單路輸出。

1 雙層四饋點(diǎn)耦合式高精度微帶天線設(shè)計(jì)

基板材料的εr和tanδ值及其厚度h直接影響著天線的一系列性能指標(biāo)。因此，根據(jù)實(shí)際需要，選用介電常數(shù)為6的陶瓷作為天線基板[2]。

如圖1所示，B1/L1/GLONASS天線在上層，尺寸為35 mm× 35 mm×3 mm；B3天線層疊在下層；尺寸為55 mm×55 mm× 5 mm。連接到饋電網(wǎng)絡(luò)層的同軸饋針直接焊接到B1/L1/GLONASS貼片上，而B3貼片則通過探針耦合饋電，因此大大擴(kuò)展了天線的阻抗帶寬。

天線下方圓形大地板，加上貼片完全中心對稱的設(shè)計(jì)有利于輻射方向圖周向圓對稱和實(shí)現(xiàn)良好的廣角圓極化特性，減少了相位中心離散度[3]。

圖1 雙層四饋點(diǎn)耦合式高精度微帶天線設(shè)計(jì)

2 1.2～1.6 G寬帶移相微帶饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本天線饋電網(wǎng)絡(luò)傳輸線的中心頻率為1.414 G，如果采用傳統(tǒng)微帶傳輸線方案，其相位和幅值的公共帶寬僅為4%，無法覆蓋1.2～1.6 G。

在巧妙運(yùn)用寬帶3DB電橋集成器件的前提下，通過在上、下兩級功分結(jié)構(gòu)之間以及各輸出端口上加載級間傳輸線或并聯(lián)相位補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)所述移相功分器的寬帶功分和寬帶相位補(bǔ)償功能，其相位和幅值的公共帶寬達(dá)36%，如圖2所示。

圖2 1.2～1.6 G寬帶移相饋電網(wǎng)絡(luò)端口相位差

3 寬帶低噪聲高增益放大電路設(shè)計(jì)

所謂寬帶放大電路并不是對指整個(gè)1.2～1.6 G都線性放大。而是只指針對B3，B1，L1和GL1 4個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行低噪聲放大，并且對其他頻點(diǎn)保持高帶外抑制。

因此，在RF輸入端先設(shè)置一分二的濾波雙工器，把無源天線接收的衛(wèi)星信號濾為二路，一路為B3頻段放大通道，另外一路為B1/L1/GL1放大通道。

在每一個(gè)通道單獨(dú)進(jìn)行低噪聲放大，保持較高增益和較低噪聲系數(shù)，并且用聲表濾波器對帶外信號有效濾除，實(shí)現(xiàn)最大限度地降低噪聲干擾，避免天線端引入的噪聲對后級系統(tǒng)造成影響[4]。

最后RF輸出端設(shè)置二合一濾波雙工器，實(shí)現(xiàn)有源天線的一線通功能。寬帶低噪聲高增益放大電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 寬帶低噪聲高增益放大電路設(shè)計(jì)

4 組合衛(wèi)星導(dǎo)航有源天線實(shí)測結(jié)果

無源天線實(shí)測方向，低噪放電路的實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示，各指標(biāo)符合設(shè)計(jì)預(yù)期，滿足項(xiàng)目指標(biāo)要求。

表1 組合衛(wèi)星導(dǎo)航有源天線實(shí)測結(jié)果

5 結(jié)語

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種組合衛(wèi)星導(dǎo)航高精度有源天線，實(shí)測結(jié)果表明各頻點(diǎn)天線增益高，相位中心穩(wěn)定，低噪放電路高帶外抑制可靠性高，對本行業(yè)有源天線設(shè)計(jì)有重大的參考意義。