CN101424729B - 北斗/gps授时型双系统接收模块 - Google Patents
北斗/gps授时型双系统接收模块 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种北斗/GPS授时型双系统接收天线，其特征在于：该天线能同时接收GPS授时信号和北斗一代授时信号，它包括设置在同一接收系统中的的北斗接收单元和GPS接收单元，所述北斗接收单元和GPS接收单元分别与同一个保护电路相连接。采用上述技术的北斗/GPS授时型双系统接收天线，不但能实现更加精确的授时，而且摆脱了对单一导航系统的依赖，实现了北斗授时和GPS授时的优势互补，提高系统得稳定性。同时北斗天线和GPS天线的一体化设计，减小了天线的体积，使用更加方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种接收天线，尤其适用于兼容GPS与北斗一代卫星授时信号接收，能同时接收GPS波段和北斗一代波段的授时卫星信号。
背景技术
GPS是由美国军方掌控的卫星导航系统，其授时精度和可用性受制于美国的GPS政策，因此，对于关系到国计民生的一些行业，GPS授时具有潜在的不安全因素，我国的北斗一号卫星导航系统由我国自主研制开发，不受别国限制，安全性高。北斗卫星导航系统可采用单星授时方式，由于北斗一号卫星为静止轨道卫星，不涉及星间切换，授时信号波动小，授时体制好。GPS卫星是中高轨道卫星，相对于固定地面用户其位置是不断变化的，授时过程中须跟踪不同的卫星，授时信号波动大，在授时体制方面不及北斗卫星导航系统，但GPS在稳定性方面相对较好且GPS授时技术更加成熟，北斗和GPS在授时方面各有优劣。
目前，GPS的卫星授时技术已相当成熟，北斗一代卫星授时技术也已大量应用，但是尚未出现能兼容北斗一代和GPS双系统授时信号接收的一体化天线，同时能够接收北斗授时信号和GPS授时信号的北斗/GPS授时型双系统接收天线的出现，为授时设备同时提供了北斗授时信号和GPS授时信号，使授时设备能够采用北斗及GPS主备结合的工作模式，功能互补，提高系统可靠性，能够摆脱对单一GPS导航系统的依赖，当某一卫星授时信号不正常时，能够排除干扰，提供持续可靠的授时信息，减少安全隐患。北斗/GPS授时型双系统接收天线的使用能更好的满足我国国民经济和国防建设的需要，实现良好的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的是，提供一种北斗一代和GPS双系统授时信号一体化接收天线，既能接收北斗信号，又能接收GPS信号，信号之间无干扰，以便更好的满足授时型用户的高精度，高可靠授时需求。
本发明的目的是这样实现的：
一种北斗/GPS授时型双系统接收模块，该模块能同时接收GPS授时信号和北斗一代授时信号，它包括设置在同一接收模块中的的北斗接收单元和GPS接收单元，所述北斗接收单元和GPS接收单元分别与同一个保护电路相连接。
所述的北斗接收单元为：北斗天线与北斗低噪声放大电路相连接，北斗低噪声放大电路共有三级，其中，北斗第一级低噪声放大电路和北斗第二级低噪声放大电路依次连接后，与北斗带通滤波电路相连；北斗带通滤波电路后再与北斗第三级低噪声放大电路相连接，北斗第三级低噪声放大电路与北斗/GPS混合电路相连接；所述的北斗天线为陶瓷天线。
所述北斗第一级低噪声放大电路中的放大器为低噪声的场效应晶体管；所述北斗带通滤波电路采用介质滤波器。
所述的GPS接收单元为：GPS天线与GPS第一级低噪声放大电路相连接，GPS第一级低噪声放大电路与GPS带通滤波电路连接，GPS带通滤波电路与GPS第二级低噪声放大电路相连接后，与北斗/GPS混合电路相连接；所述的GPS天线为陶瓷天线。
所述GPS第一级低噪声放大电路中的放大器为低噪声的场效应晶体管。
所述的GPS带通滤波电路采用介质滤波器。
所述的北斗/GPS混合电路为介质滤波器和LC电路的结合电路。
所述的保护电路为两级防雷保护电路。
采用上述技术方案的北斗/GPS授时型双系统接收天线包含两个信号通路：
GPS通路：接收频点为1575.42MHz的GPS授时信号电路。
北斗通路：接收频点为2491.75MHz的北斗一代授时信号电路。
本一体化天线的指标如下：
北斗/GPS授时型双系统接收天线，不但能实现更加精确的授时，而且摆脱了对单一导航系统的依赖，实现了北斗授时和GPS授时的优势互补，提高系统得稳定性。同时北斗天线和GPS天线的一体化设计，减小了天线的体积，使用更加方便。
从上述指标和结构原理可看出，本发明具有以下优点：
1.北斗接收天线和GPS接收天线的一体化设计，能同时接收北斗一代卫星授时信号和GPS卫星授时信号；
2.北斗和GPS授时信号有良好的隔离度，相互之间无干扰；
3.天线和低噪声放大器的一体化设计，提供了足够的天线增益；
4.完善的防雷设计，对电路进行两级防雷保护；
5.低噪声设计，使天线具有较高的接收灵敏度；
6.体积小，和单一北斗或GPS天线相当，使用方便。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图；
图2是本发明的防雷电路原理图；
图3是本发明的北斗天线方向图；
图4是本发明的GPS天线方向图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本发明同时接收北斗授时信号和GPS授时信号并将接收的信号进行合理的射频电路放大、混和形成北斗/GPS授时型双系统接收天线。它包括设置在同一接收系统中的北斗接收单元和GPS接收单元，所述北斗接收单元和GPS接收单元分别与同一个保护电路相连接。
所述的北斗接收单元为：北斗天线接收北斗授时信号后，经过北斗低噪声放大电路和北斗带通滤波电路后，进入北斗/GPS混合电路。
所述的GPS接收单元为：GPS天线接收GPS授时信号后，经过GPS第一级低噪声放大电路和GPS带通滤波电路后，与GPS第二级低噪声放大电路相连接，GPS第二级低噪声放大电路与北斗/GPS混合电路相连接。
具体地说，北斗/GPS授时型双系统接收天线结构中包括两个授时信号接收通路：
GPS授时信号接收通路：接收频点为1575.42MHz的GPS授时信号电路；
北斗授时信号接收通路：接收频点为2491.75MHz的北斗一代授时信号电路。
两个信号通路的接收原理是：通过北斗和GPS天线分别接收北斗卫星和GPS卫星授时信号，然后通过北斗低噪声放大电路和北斗带通滤波电路对北斗授时信号进行放大滤波，通过GPS低噪声放大电路和GPS带通滤波电路对GPS授时信号进行放大滤波，最后通过北斗/GPS混合电路对放大滤波后的北斗和GPS授时信号进行混合。
实施例二
如图1所示，本发明同时接收北斗授时信号和GPS授时信号并将接收的信号进行合理的射频电路放大、混和形成北斗/GPS授时型双系统接收天线。它包括设置在同一接收系统中的北斗接收单元和GPS接收单元，所述北斗接收单元和GPS接收单元分别与同一个保护电路相连接。
所述的北斗接收单元为：北斗天线接收北斗授时信号后，经过北斗低噪声放大电路和北斗带通滤波电路后，进入北斗/GPS混合电路。在所述的北斗接收单元中，北斗带通滤波电路前的北斗低噪声放大电路包括两级放大电路：北斗第一级低噪声放大电路和北斗第二级低噪声放大电路；北斗带通滤波电路后再与北斗第三级低噪声放大电路相连接，北斗第三级低噪声放大电路与北斗/GPS混合电路相连接。
所述的GPS接收单元为：GPS天线接收GPS授时信号后，经过GPS第一级低噪声放大电路和GPS带通滤波电路后，与GPS第二级低噪声放大电路相连接，GPS第二级低噪声放大电路与北斗/GPS混合电路相连接。
所述的北斗天线和所述的GPS天线都为陶瓷天线。所述北斗第一级低噪声放大电路和所述GPS第一级低噪声放大电路中的放大器为低噪声的场效应晶体管。
北斗接收单元：
北斗接收单元其电路连接如下：介质天线接收2491.75±5MHz的北斗卫星信号后，经北斗第一低噪声放大器，北斗第二级低噪声放大器输出连接到北斗带通滤波电路，北斗带通滤波电路的输出连接到北斗第三级低噪声放大器，北斗第三级低噪声放大器的输出连接北斗带通滤波混合电路，最后混合输出。同时加上防雷电路保护本射频电路。本电路的天线采用高性能的陶瓷天线，放大器采用低噪声的PHEMT场效应晶体管，带通滤波电路采用高性能的介质滤波器，混和电路采用介质滤波器和LC电路的结合。
GPS接收单元：
GPS接收单元其电路连接如下：介质天线接收1575.42±5MHZ的GPS卫星信号后，经GPS第一级低噪声放大输出连接到GPS带通滤波电路，GPS带通滤波电路的输出连接到GPS第二级低噪声放大器，GPS第二级低噪声放大器输出连接到GPS带通滤波混合电路，最后混合输出。同时加上防雷电路保护本射频电路。本电路的天线同样采用高性能的陶瓷天线，放大器采用低噪声的PHEMT场效应晶体管，带通滤波电路采用高性能的介质滤波器，混和电路采用介质滤波器和LC电路的结合。
低噪声放大电路：
能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个系统来说是至关重要的。本方案的低噪声放大电路既要求系统有低的噪声又要兼顾增益要求。
北斗卫星放大电路和GPS卫星放大电路均要求为低噪声放大电路，因此在器件的选择上具有相似之处。对放大电路中应用的第一级低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围。
微波低噪声管的噪声系数足够小工作频段足够高，晶体管的fT一般要比工作频率高4倍以上，现在PHEMT场效应管的噪声系数在2GHz可在0.5dB左右，工作频率高端可达到6GHz。微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态范围，一般要求放大器工作增益大于10dB以上。安华高科的PHEMT场效应管适合我们的第一级低噪声放大管选择。
对放大电路中应用的第二级低噪声放大管及第三级低噪声放大管的选择一般选用单片放大器，此类放大器在内部就完成了电路的匹配，只需外接少量元件，就能得到足够的增益和良好的输入输出匹配。本系统同样选用安华高科的单片放大器。
实际设计时为了保证低噪声放大器稳定工作还要注意使放大器避开潜在不稳定区。为改善微波管自身稳定性，采用以下两种方式：
1)、串接阻抗负反馈
在MES FET的源极和地之间串接一个阻抗元件，从而构成负反馈电路。对于双极晶体管则是在发射极经反馈元件接地。在实际的微波放大器电路中，电路尺寸很小，外接阻抗元件难以实现，因此反馈元件常用一段微带线来代替，它相当于电感性元件的负反馈。
2)、稳定衰减器
∏型阻性衰减器是一种简易可行的改善放大器稳定性的措施，通常接在低噪声放大器末级输出口，有时也加在低噪声放大器内的级间，由于衰减器是阻型衰减，不能加在输入口或前级的级间，以免影响噪声系数。放大器输出口潜在不稳定区较大，在输出端加∏型阻性衰减器，对改善稳定性相当有效。
实施例三
如图1所示，本发明同时接收北斗授时信号和GPS授时信号并将接收的信号进行合理的射频电路放大、混和形成北斗/GPS授时型双系统接收天线。它包括设置在同一接收系统中的北斗接收单元和GPS接收单元，所述北斗接收单元和GPS接收单元分别与同一个保护电路相连接。
所述的北斗接收单元为：北斗天线接收北斗授时信号后，经过北斗低噪声放大电路和北斗带通滤波电路后，进入北斗/GPS混合电路。在所述的北斗接收单元中，北斗带通滤波电路前的北斗低噪声放大电路包括两级放大电路：北斗第一级低噪声放大电路和北斗第二级低噪声放大电路；北斗带通滤波电路后再与北斗第三级低噪声放大电路相连接，北斗第三级低噪声放大电路与北斗/GPS混合电路相连接。
所述的GPS接收单元为：GPS天线接收GPS授时信号后，经过GPS第一级低噪声放大电路和GPS带通滤波电路后，与GPS第二级低噪声放大电路相连接，GPS第二级低噪声放大电路与北斗/GPS混合电路相连接。
所述的北斗带通滤波电路和所述的GPS带通滤波电路都采用介质滤波器。所述的北斗混合电路和所述的北斗/GPS混合电路都为介质滤波器和LC电路的结合电路。
带通滤波电路：
由于北斗/GPS授时型双系统接收天线用于授时型接收机，对射频通道的时延及一致性要求较高，经过总体评估，最终选用介质滤波器，北斗介质滤波器中心频率在2492MHz，3dB带宽为20MHz，带外抑制(f0±100MHz)≥40dB，驻波比＜2；GPS介质滤波器中心频率在1575MHz，3dB带宽为10MHz，驻波比＜2，带外抑制(f0±100MHz)≥40dB，由其性能指标可以看出，介质滤波器具有尺寸小、损耗低、频率调谐范围宽和结构简单等优点，且具有良好的温度稳定度。
实施例四
如图1所示，本发明包括设置在同一接收系统中的北斗接收单元和GPS接收单元，所述北斗接收单元和GPS接收单元分别与同一个保护电路相连接，即在供电部分增加防雷电路进行保护。
所述的北斗接收单元为：北斗天线接收北斗授时信号后，经过北斗低噪声放大电路和北斗带通滤波电路后，进入北斗/GPS混合电路。在所述的北斗接收单元中，北斗带通滤波电路前的北斗低噪声放大电路包括两级放大电路：北斗第一级低噪声放大电路和北斗第二级低噪声放大电路；北斗带通滤波电路后再与北斗第三级低噪声放大电路相连接，北斗第三级低噪声放大电路与北斗/GPS混合电路相连接。
所述的GPS接收单元为：GPS天线接收GPS授时信号后，经过GPS第一级低噪声放大电路和GPS带通滤波电路后，与GPS第二级低噪声放大电路相连接，GPS第二级低噪声放大电路与北斗/GPS混合电路相连接。
所述的北斗天线和所述的GPS天线都为陶瓷天线。所述北斗第一级低噪声放大电路和所述GPS第一级低噪声放大电路中的放大器为低噪声的场效应晶体管。所述的北斗带通滤波电路和所述的GPS带通滤波电路都采用介质滤波器。所述的北斗/GPS混合电路为介质滤波器和LC电路的结合电路。所述的保护电路为两级防雷保护电路。
滤波混合电路：
本滤波混频电路由电感，电容和介质滤波器实现构成，在北斗带通滤波电路部分，通过电感和电容的适当组合形成巴特沃斯带通滤波器，并在滤波器输出端进行适当变换，使滤波后的北斗授时信号通过一电容输出，以便使此带通滤波电路在整个混合电路中呈现高通特性，在GPS带通滤波混合电路部分，通过电感和电容的适当组合形成巴特沃斯带通滤波器，并在滤波器输出端进行适当变换，使滤波后的GPS授时信号通过一电感输出，以便使此带通滤波电路在整个混合电路中呈现低通特性，本滤波混合电路将北斗和GPS授时信号进行二次滤波并混合输出，混和输出的北斗授时信号和GPS授时信号具有良好的信号隔离度，授时信号相互之间无干扰。为减小天线的体积，滤波混频电路通过介质滤波器和电感，电容相结合的实现。
防雷保护电路：
如图2所示是本发明的两级防雷保护电路的原理图，当雷击发生时，通过放电管G1的放电，此时过电压被大大削弱到约500V左右，通过自恢复保险丝F1不但可满足高压测试要求，同时可有效进行过流防护，TVS1进行二次限压后，到收发器的电压被钳制在6.8V左右，从而实现对北斗/GPS授时型双系统接收天线的保护。
北斗/GPS授时型双系统接收天线实行长距离传输，通常暴露于户外，因此极易因为雷击等原因引入过电压。北斗/GPS授时型双系统接收天线工作电压较低(5V左右)，其本身耐压耐压范围也非常窄(-7V～+12V)，一旦过压引入，就会击穿损坏，导致通讯中断，设备无法运行。在有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到北斗/GPS授时型双系统接收天线爆裂，线路板焦糊的现象，造成巨大的经济损失。因而在设计中加入了防雷保护电路。
天线部分：
GPS授时信号通路和北斗授时信号通路的接收天线均使用高性能的陶瓷天线，北斗卫星接收天线的中心频率为2491.75MHZ，GPS卫星接收天线的中心频率为1575.42MHz，陶瓷天线体积小，可靠性好，效率高，技术成熟，稳定性好。
如图3所示的F＝2492MHz的北斗卫星天线的方向图，其中：
幅度刻度：3dB/Div；
3db宽度：89.7；
方向性系数：5.9(dB)；
前后比：18.86(dB)。
如图4所示的F＝1575MHz的GPS卫星天线的方向图，其中：
幅度刻度：3dB/Div；
3dB宽度：89.4；
向性系数：6.8(dB)；
前后比：15.11(dB)。
另外，北斗/GPS授时型双系统接收天线不仅适用于基于我国自主知识产权的北斗一代卫星导航系统的北斗一代授时接收机，也适用于基于美国GPS全球卫星导航系统的GPS授时接收机，还适用于双接收系统的北斗/GPS接收机。
Claims (8)
1.一种北斗/GPS授时型双系统接收模块，其特征在于：该模块能同时接收GPS授时信号和北斗一代授时信号，它包括设置在同一接收模块中的的北斗接收单元和GPS接收单元，所述北斗接收单元和GPS接收单元分别与同一个保护电路相连接。
2.根据权利要求1所述的北斗/GPS授时型双系统接收模块，其特征在于：所述的北斗接收单元为：北斗天线与北斗低噪声放大电路相连接，北斗低噪声放大电路共有三级，其中，北斗第一级低噪声放大电路和北斗第二级低噪声放大电路依次连接后，与北斗带通滤波电路相连；北斗带通滤波电路后再与北斗第三级低噪声放大电路相连接，北斗第三级低噪声放大电路与北斗/GPS混合电路相连接；所述的北斗天线为陶瓷天线。
3.根据权利要求2所述的北斗/GPS授时型双系统接收模块，其特征在于：所述北斗第一级低噪声放大电路中的放大器为低噪声的场效应晶体管；所述北斗带通滤波电路采用介质滤波器。
4.根据权利要求1所述的北斗/GPS授时型双系统接收模块，其特征在于：所述的GPS接收单元为：GPS天线与GPS第一级低噪声放大电路相连接，GPS第一级低噪声放大电路与GPS带通滤波电路连接，GPS带通滤波电路与GPS第二级低噪声放大电路相连接后，与北斗/GPS混合电路相连接；所述的GPS天线为陶瓷天线。
5.根据权利要求4所述的北斗/GPS授时型双系统接收模块，其特征在于：所述GPS第一级低噪声放大电路中的放大器为低噪声的场效应晶体管。
6.根据权利要求4所述的北斗/GPS授时型双系统接收模块，其特征在于：所述的GPS带通滤波电路采用介质滤波器。
7.根据权利要求2或4所述的北斗/GPS授时型双系统接收模块，其特征在于：所述的北斗/GPS混合电路为介质滤波器和LC电路的结合电路。
8.根据权利要求1所述的北斗/GPS授时型双系统接收模块，其特征在于：所述的保护电路为两级防雷保护电路。
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| 杜雪涛等.北斗与GPS双授时在TD-SCDMA中的应用.《电信工程技术与标准化》.2007,正文5-7页. * |
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