DE102017217117B3

DE102017217117B3 - GNSS antenna

Info

Publication number: DE102017217117B3
Application number: DE102017217117.0A
Authority: DE
Inventors: Stefano Caizzone
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2037-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine GNSS-Antenne mit einer elektrisch leitenden Antennengrundplatte (12), einer dielektrischen Resonatorantenne (14), die auf der Antennengrundplatte angeordnet ist, einer Schaltungsgrundplatte (16) mit einer darauf angeordneten Antennenschaltung, wobei die Schaltungsgrundplatte (16) auf der von der dielektrischen Resonatorantenne (14) abgewandten Seite der Antennengrunplatte (12) angeordnet ist, einem Ring (18), der ein Metallmaterial aufweist und der die Antennengrunplatte (12) mit der Schaltungsgrundplatte (16) verbindet.The invention relates to a GNSS antenna having an electrically conductive antenna baseplate (12), a dielectric resonator antenna (14) disposed on the antenna baseplate, a circuit baseplate (16) having an antenna circuit thereon, the circuit baseplate (16) being mounted on the baseplate (16) the dielectric resonator antenna (14) facing away from the antenna base plate (12), a ring (18) having a metal material and the antenna base plate (12) connects to the circuit base plate (16).

Description

Die Erfindung betrifft eine GNSS-Antenne.The invention relates to a GNSS antenna.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten GNSS-Antennen wird versucht, diese so klein wie möglich zu gestalten. Gleichzeitig bestehen hohe Anforderungen bezüglich der verfügbaren Frequenzbandbreite der Antennen, um beispielsweise in der Lage zu sein, die meisten oder alle GNSS-Signale zu empfangen und beispielsweise Doppelfrequenzkorrekturen vorzunehmen. Ferner ist eine große Beam-Weite von Vorteil, um Satellitensignale aus niedrigen Höhen zu empfangen und den DOP (Dilution Of Precision) zu verbessern. Ferner soll eine verbesserte Polarisationsreinheit sowie die Fähigkeit Mehrpfadsignale herauszufiltern, verbessert werden. Insbesondere die beiden letztgenannten Merkmale helfen dabei, lediglich direkte Signale von einem Satelliten zu empfangen, während Signale, die von Objekten in der Nähe der Empfangsantenne reflektiert wurden, nicht berücksichtigt werden. Solche Signale haben einen längeren Pfad zurückgelegt als direkte Signale und führen daher zu einer falschen Abstandsinformation und daher zu einem falschen Positionssignal.GNSS antennas known in the art seek to make them as small as possible. At the same time, there are high demands on the available frequency bandwidth of the antennas, for example, to be able to receive most or all of the GNSS signals and, for example, make dual frequency corrections. Furthermore, a large beam width is advantageous for receiving satellite signals from low altitudes and improving DOP (Dilution Of Precision). Furthermore, improved polarization purity and the ability to filter out multi-path signals should be improved. In particular, the latter two features help to receive only direct signals from a satellite while ignoring signals reflected from objects in the vicinity of the receiving antenna. Such signals have traveled a longer path than direct signals and therefore lead to incorrect distance information and therefore to an incorrect position signal.

Aus dem Stand der Technik sind GNSS-Antennen für Referenzstationen bekannt, die relativ große Abmessungen aufweisen und ferner relativ teuer sind.From the prior art GNSS antennas for reference stations are known, which have relatively large dimensions and are also relatively expensive.

Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise die folgenden Antennen bekannt: Chokering-Antenne, zum Beispiel AR25 der Firma Leica; HCIS-Antenne, zum Beispiel Topcon PN-A5; Array-Antenne, wie zum Beispiel HRL-1900 von BAE Systems; Rover-Antenne mit „Anti-Antennen“-Technologie, zum Beispiel MGA-8 von Topcon, Zephyr-Antenne von Trimble.For example, the following antennas are known from the prior art: Choke ring antenna, for example AR25 from Leica; HCIS antenna, for example Topcon PN-A5; Array antenna, such as HRL-1900 from BAE Systems; Rover antenna with "anti-antenna" technology, for example Topcon's MGA-8, Trimble Zephyr antenna.

DE 10 2015 220 372 B3 beschreibt eine Multiband-GNSS Antenne mit einer elektrisch leitenden Grundplatte, einer ersten dielektrischen Resonatorantenne, die auf der Grundplatte angeordnet ist und einer hierüber angeordneten zweiten elektrischen Resonatorantenne mit einem anderen Durchmesser. DE 10 2015 220 372 B3 describes a multiband GNSS antenna with an electrically conductive base plate, a first dielectric resonator antenna, which is arranged on the base plate and a second electrical resonator antenna arranged thereon with a different diameter.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine GNSS-Antenne mit geringeren Abmessungen und einer verbesserten Empfangsleistung und insbesondere einer verbesserten Multipfad-Reduktion bereitzustellen.The object of the invention is to provide a GNSS antenna with smaller dimensions and an improved reception power and in particular an improved multipath reduction.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße GNSS-Antenne weist eine elektrisch leitende Antennengrundplatte auf, auf der eine dielektrische Resonatorantenne angeordnet ist. Ferner weist sie eine Schaltungsgrundplatte mit einer darauf angeordneten Antennenschaltung auf. Die Schaltungsgrundplatte ist auf der von der dielektrischen Resonatorantenne abgewandten Seite der Antennengrundplatte angeordnet. Ferner weist die GNSS-Antenne bevorzugt einen Ring auf, der ein Metallmaterial aufweist und der die Antennengrundplatte mit der Schaltungsgrundplatte verbindet. Erfindungsgemäß werden die Form und die Abmessungen der Antennengrundplatte derart gewählt, dass an ihren Kanten ein geeignetes Ablenken oder Beugen von Strömen erfolgt, die sodann optimal mit den Feldern, die von der Antenne ausgestrahlt werden, kombiniert werden können. Hierdurch kann eine optimale Polarisationsreinheit auch bei sehr niedrigen Elevationen erreicht werden. Aus dem Stand der Technik bekannte Antennen dagegen weisen eine schlechte Leistungsfähigkeit bei niedrigen Elevationen auf, da die von der Antenne ausgestrahlten Felder nicht in konstruktiver Weise (insbesondere hinsichtlich ihres Phasenversatzes) mit den Feldern, die durch die Grundplatte ausgestrahlt werden, interagieren. Es ist bevorzugt, dass die Antennengrundplatte eine runde Form aufweist, so dass jegliche Asymmetrie vermieden werden kann. Ferner ist es bevorzugt, dass die Dimensionen der Antennengrundplatte derart angepasst werden, dass die von der Antennengrundplatte abgelenkten Ströme mit den Antennenfeldern bei der Frequenz, die von Interesse ist, interagieren. Beispielsweise kann die Antennengrundplatte einen Durchmesser von 80 - 120 mm aufweisen.The GNSS antenna according to the invention has an electrically conductive antenna base plate on which a dielectric resonator antenna is arranged. Further, it has a circuit base plate with an antenna circuit disposed thereon. The circuit base plate is disposed on the side of the antenna base plate remote from the dielectric resonator antenna. Further, the GNSS antenna preferably includes a ring having a metal material and connecting the antenna base plate to the circuit base plate. According to the invention, the shape and dimensions of the antenna base plate are chosen such that at their edges there is a suitable deflection or bending of currents, which can then be optimally combined with the fields emitted by the antenna. As a result, optimum polarization purity can be achieved even at very low elevations. On the other hand, antennas known in the art have poor low-elevation performance because the fields radiated by the antenna do not interact in a constructive manner (particularly with respect to their phase offset) with the fields emitted by the baseplate. It is preferable that the antenna base plate has a round shape, so that any asymmetry can be avoided. Further, it is preferred that the dimensions of the antenna baseplate be adjusted such that the currents deflected from the antenna baseplate interact with the antenna arrays at the frequency of interest. For example, the antenna base plate may have a diameter of 80-120 mm.

Der Ring weist vorzugsweise ein absorbierendes Material auf oder ist mit einem solchen beschichtet. Durch dieses elektrisch absorbierende Material können vertikal verlaufende Ströme im Ring verringert werden. Die Reduzierung der vertikal verlaufenden Ströme reduziert die Abhängigkeit der Eigenschaften der Antenne von der Installationsplattform. Auch kann hierdurch die Strahlung und der Empfang der Antenne in rückwertiger Richtung reduziert werden.The ring preferably comprises or is coated with an absorbent material. By means of this electrically absorbing material, vertically running currents in the ring can be reduced. The reduction of vertical currents reduces the dependency of the antenna characteristics on the installation platform. This can also reduce the radiation and the reception of the antenna in the backward direction.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die dielektrische Resonatorantenne vier, insbesondere in ihrer Form identische Anschlussleitungen aufweist, über die sie mit der Antennenschaltung verbunden ist.Furthermore, it is preferred that the dielectric resonator antenna has four, in particular in their form identical connecting lines, via which it is connected to the antenna circuit.

Es ist bevorzugt, dass die vier Anschlussleitungen jeweils um 90 Grad versetzt entlang des Umfangs der dielektrischen Resonatorantenne angeordnet sind und in axialer Richtung der Resonatorantenne verlaufen. Eine solche Ausbildung erlaubt ein sehr gelichmäßiges Antennenmuster über die gesamte obere Hemisphäre, wobei die durch die Antenne verursachten verbleibenden GNSS-Fehler reduziert werden können.It is preferable that the four connection lines are each arranged offset by 90 degrees along the circumference of the dielectric resonator antenna and extend in the axial direction of the resonator antenna. Such a design allows for a very uniform antenna pattern over the entire upper hemisphere, and the remaining GNSS errors caused by the antenna can be reduced.

Alternativ ist es auch möglich, mindestens zwei Anschlussleitungen zu verwenden.Alternatively, it is also possible to use at least two connecting lines.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass das von den Anschlussleitungen kommende Signal in eine integrierte Hybridschaltung geführt wird, die auf der Schaltungsgrundplatte angeordnet ist und durch die eine Phasenkombination der Antennensignale erfolgt. Furthermore, it is preferred that the signal coming from the connection lines is led into a hybrid integrated circuit, which is arranged on the circuit base plate and through which a phase combination of the antenna signals takes place.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass aktive Schaltungskomponenten, insbesondere LNA (Low Noise Amplifier) und Filter auf der Schaltungsgrundplatte angeordnet sind.Furthermore, it is preferred that active circuit components, in particular LNA (Low Noise Amplifier) and filters are arranged on the circuit base plate.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die dielektrische Resonatorantenne zylindrisch ausgebildet.In a preferred embodiment, the dielectric resonator antenna is cylindrical.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Schaltungsgrundplatte die gleichen Abmessungen und insbesondere den gleichen Durchmesser aufweist, wie die Antennengrundplatte.Furthermore, it is preferred that the circuit base plate have the same dimensions, and in particular the same diameter, as the antenna base plate.

Alternativ ist es möglich, unter der Schaltungsgrundplatte eine zusätzliche Metallplatte anzuordnen, die gegebenenfalls auch in einem Abstand zur Schaltungsgrundplatte angeordnet sein kann. Diese zusätzliche Metallplatte kann einen größeren Durchmesser als die Antennengrundplatte aufweisen. Die zusätzliche Metallplatte kann flach ausgebildet sein oder aber eine dreidimensionale Form aufweisen, d.h. beispielsweise die Form eines Bechers (oder anders ausgedrückt eine hohle hemisphärische Form) aufweisen. Sie kann beispielsweise auch gerollte Kanten aufweisen, um den Empfang von Signalen aus der unteren Hemisphäre zu unterdrücken und ferner die Beugung an den Kanten zu minimieren. Durch diese zusätzlich Platte werden die Gesamtabmessungen der Antenne größer. Diese Ausführungsform kann somit für Referenzstationen verwendet werden, während die erste Ausführungsform eher in Mobilgeräten verwendet werden kann. Das absorbierende Material der Metallplatte kann beispielsweise eine Dicke von 0,2 - 6 mm aufweisen. Selbiges gilt im Übrigen auch für das absorbierende Material des Rings in der ersten Ausführungsform. Die Antennengrundplatte und die Schaltungsgrundplatte können somit in bevorzugter Ausführungsform kreisrund ausgebildet sein.Alternatively, it is possible to arrange under the circuit base plate an additional metal plate, which may optionally be arranged at a distance from the circuit base plate. This additional metal plate may have a larger diameter than the antenna base plate. The additional metal plate may be flat or may have a three-dimensional shape, i. For example, have the shape of a cup (or in other words, a hollow hemispherical shape). It may, for example, also have rolled edges to suppress the reception of signals from the lower hemisphere and also to minimize the diffraction at the edges. This additional plate increases the overall dimensions of the antenna. This embodiment can thus be used for reference stations, while the first embodiment can be used more in mobile devices. The absorbing material of the metal plate may, for example, have a thickness of 0.2-6 mm. Incidentally, the same applies to the absorbent material of the ring in the first embodiment. The antenna base plate and the circuit base plate can thus be formed circular in a preferred embodiment.

Weiterhin ist es möglich, dass die Schaltungsgrundplatte ein metallisches Material aufweist. Ferner kann sie mit einem elektrisch absorbierenden Material beschichtet sein.Furthermore, it is possible that the circuit base plate comprises a metallic material. Further, it may be coated with an electrically-absorbent material.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Ring zylindrisch ist.It is further preferred that the ring is cylindrical.

Die erfindungsgemäße dielektrische Resonatorantenne ist somit in der Lage, alle GNSS-Bänder von 1,164 GHz bis 1,610 GHz zu empfangen. Sie kann eine sehr gute Signalqualität empfangen und gleichzeitig sehr geringe Abmessungen aufweisen (beispielsweise kann sie in eine Kugel mit 12 cm Durchmesser aufgenommen werden). Die verbesserte Signalqualität bezieht sich vor Allem auf die Gleichmäßigkeit in axialer Richtung, insbesondere bei niedrigen Elevationen.The inventive dielectric resonator antenna is thus able to receive all GNSS bands from 1.164 GHz to 1.610 GHz. It can receive a very good signal quality and at the same time have very small dimensions (for example, it can be accommodated in a sphere with a diameter of 12 cm). The improved signal quality relates above all to the uniformity in the axial direction, in particular at low elevations.

Durch die Verwendung von mehreren Zuführleitungen (bevorzugt mehr als zwei) kann eine besonders gute Polarisationsreinheit erreicht werden. Durch die verwendeten Grundplatten kann ferner ein besonders guter Signalempfang bei niedrigen Höhen (kleiner als 30 Grad) erreicht werden. Ferner kann eine reduzierte Rückstrahlung und ein verbesserter FBR (Front to Back Ratio) erreicht werden. Dies liegt insbesondere an dem absorbierenden Material des zylindrischen Rings bzw. an dem absorbierenden Material der zusätzlichen Metallplatte unterhalb der Schaltungsgrundplatte.By using several feed lines (preferably more than two), a particularly good polarization purity can be achieved. By the base plates used also a particularly good signal reception at low altitudes (less than 30 degrees) can be achieved. Furthermore, reduced back-radiation and improved front-to-back ratio (FBR) can be achieved. This is particularly due to the absorbent material of the cylindrical ring or to the absorbent material of the additional metal plate below the circuit base plate.

Wird ein zylindrischer Ring mit einer Höhe von mehr als 4 cm verwendet, kann der FBR weiter verbessert werden. In dieser Ausführungsform weist somit in axialer Richtung der Resonatorantenne betrachtet, die Schaltungsgrundplatte einen Abstand von mehr als 4 cm zu der Antennengrundplatte auf.If a cylindrical ring with a height of more than 4 cm is used, the FBR can be further improved. Thus, in this embodiment, in the axial direction of the resonator antenna, the circuit base plate is more than 4 cm from the antenna base plate.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.In the following, preferred embodiments of the invention will be explained with reference to figures.

Es zeigen:

1 und 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Show it:

1 and 2 a first embodiment of the device according to the invention,
3 a second embodiment of the device according to the invention

Die GNSS-Antenne gemäß 1 weist eine zylindrisch ausgebildete, dielektrische Resonatorantenne (14) auf, die auf eine kreisförmige, elektrisch leitende Antennengrundplatte (12) angeordnet ist. Diese ist wiederum über den kreiszylindrischen Ring (18) mit der Schaltungsgrundplatte (16) verbunden, auf der eine nicht dargestellte Antennenschaltung angeordnet ist. Die dielektrische Resonatorantenne (14) ist mit der Antennenschaltung über vier Anschlussleitungen (20a-20d) verbunden. Diese sind jeweils um 90 Grad versetzt entlang des Umfangs der dielektrischen Resonatorantenne angeordnet und verlaufen in axialer Richtung (siehe 2).The GNSS antenna according to 1 comprises a cylindrically shaped, dielectric resonator antenna ( 14 ) on a circular, electrically conductive antenna base plate ( 12 ) is arranged. This is in turn via the circular cylindrical ring ( 18 ) with the circuit base plate ( 16 ), on which an antenna circuit, not shown, is arranged. The dielectric resonator antenna ( 14 ) is connected to the antenna circuit via four connecting cables ( 20a - 20d) connected. These are each arranged offset by 90 degrees along the circumference of the dielectric resonator antenna and extend in the axial direction (see 2 ).

In der zweiten Ausführungsform gemäß 3 ist unterhalb der GNSS-Antenne (10) eine vergrößerte Metallplatte (17) mit einem absorbierenden Material angebracht, die einen größeren Durchmesser aufweist, als die Antennengrundplatte (12). Die Metallplatte (17) ist mit einem elektrisch absorbierenden Material beschichtet. Hierdurch kann eine weitere FBR Verbesserung erreicht werden.In the second embodiment according to 3 is below the GNSS antenna ( 10 ) an enlarged metal plate ( 17 ) with an absorbent material having a larger diameter than the antenna base plate ( 12 ). The metal plate ( 17 ) is coated with an electrically absorbing material. This allows a further FBR improvement can be achieved.

Claims

GNSS antenna with an electrically conductive antenna baseplate (12), a dielectric resonator antenna (14) disposed on the antenna base plate, a circuit base plate (16) having an antenna circuit disposed thereon; wherein the circuit base plate (16) is disposed on the side of the antenna base plate (12) remote from the dielectric resonator antenna (14), a ring (18) having a metal material and connecting the antenna base plate (12) to the circuit base plate (16).

GNSS antenna after Claim 1 , characterized in that the ring (18) comprises or is coated with an absorbent material to dissipate vertically flowing streams in the ring (18).

GNSS antenna after Claim 1 or Claim 2 , characterized in that the dielectric resonator antenna (14) has four, in particular in their form identical connecting lines (20a-20d), via which it is connected to the antenna circuit.

GNSS antenna after Claim 3 , characterized in that the four connecting lines (20a-20d) are each offset by 90 degrees along the circumference of the dielectric resonator antenna (14) and extend in the axial direction.

GNSS antenna after Claim 3 or Claim 4 , characterized in that the signal coming from the connecting lines (20a-20d) is fed into a hybrid integrated circuit which is arranged on the circuit base plate (16) and through which a phase combination of the antenna signals takes place.

GNSS antenna after Claim 1 to Claim 5 , characterized in that active circuit components, in particular a LNA (Low Noise Amplifier) and a filter on the circuit base plate (16) are arranged.

GNSS antenna after Claim 1 to Claim 6 , characterized in that the dielectric resonator antenna (14) is cylindrical.

GNSS antenna after Claim 1 to Claim 7 , characterized in that the circuit base plate (16) has the same dimensions, in particular the same diameter, as the antenna base plate (12).

GNSS antenna after Claim 1 to Claim 8 , characterized in that the antenna base plate has a diameter of 80 to 120 mm.

GNSS antenna after Claim 1 to Claim 8 , characterized in that an additional metal plate (17) below the circuit base plate (16) has larger dimensions and in particular a larger diameter than the antenna base plate (12), further comprising a metallic material and in particular coated with an absorbent material.

GNSS antenna after Claim 1 to Claim 10 , characterized in that the ring (18) is cylindrical and in particular has a height of more than 4 cm.