CN101895018A - 一种防雷型gnss有源天线 - Google Patents

Abstract

一种防雷型GNSS有源天线涉及一种GNSS接收天线，适用于导航、定位与时频基准。本发明解决的问题是提供一种能够免除避雷器的使用、有效防止雷击损坏的高可靠性GNSS有源天线，防雷能力符合通信行业标准YD/T5098-2001《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》要求。其特征在于：GNSS无源天线、GNSS低噪声放大模块、射频电缆、避雷模块、螺栓固定密封型针式射频连接器依次连接，收纳于由雷达罩和安装底盘组成的密闭壳体内，采用模块化、层次化的结构设计，简化了生产工艺、提高了生产效率、降低了生产成本。本发明有效防止有源天线的雷击损坏，免除避雷器的使用，节约了系统的成本，简化了工程安装。

Description

一种防雷型GNSS有源天线

技术领域

本发明涉及一种GNSS(Global Navigation Satellite System)接收天线，尤其适用于导航、定位与时频基准。

背景技术

GNSS全球导航卫星系统目前包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的Compass(北斗)、欧盟的Galileo系统，具有全球、全天候、实时和高精度的优点。采用时间测距定位原理，可对地面车辆、海上船只、飞机、导弹、卫星和飞船等各种移动用户进行全天侯的、实时的高精度三维定位测速和精确授时；对于测绘领域，GNSS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段；用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

GNSS在授时领域的应用中，为移动通信系统提供时间基准是其重要的一方面，目前，在第二代和第三代移动通信系统五个标准中，只是第二代的GSM和第三代的WCDMA两个通信标准不使用GNSS授时，其它如二代CDMA和三代的CDMA2000、TD-SCDMA三个通信标准必须使用GNSS进行授时。在现实实现例中，一般采用将GNSS无源天线与具有选频功能的低噪声放大器模块相连接，放大器再与射频连接器相连，然后收纳于雷达罩内并将射频连接器引出，组成一GNSS有源天线，然后GNSS有源天线、避雷器、射频同轴电缆、避雷器、基站GNSS接收机依次相连，组成授时应用系统，同时也有在放大器单元的基板上加设防浪涌器件的应用实例，如专利号为ZL200620024687.3和ZL200620132858.4两个实施例，但是上述两种方案只是在电路中简单加设浪涌吸收器件(瞬态电压抑制二极管)，远达不到中华人民共和国通信行业标准YD/T5098-2001《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》中所要求的不小于5KA的标准，达不到避雷效果。在实际应用中为了保障系统的可靠性，必须加设避雷器，这就为工程施工增加了困难，同时增加了成本。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种能够免除避雷器的使用、有效防止雷击损坏的高可靠性GNSS有源天线，具有结构简单、安装方便、成本低和符合行业防雷标准要求的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：GNSS有源天线由GNSS无源天线、GNSS低噪声放大模块、射频电缆、避雷模块、螺栓固定密封型射频连接器、雷达罩、安装底盘组成。

其特征在于：GNSS无源天线、GNSS低噪声放大模块、射频电缆、避雷模块、螺栓固定密封型针式射频连接器依次连接，收纳于由雷达罩、安装底盘和雷达罩防水胶圈组成的密闭壳体内。防雷能力符合中华人民共和国通信行业标准YD/T5098-2001《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》要求，新型螺栓固定密封型针式射频连接器能够低成本地实现可靠连接和密封性能。

其中：

所述GNSS无源天线为单模天线或多模天线，可以是单只单模或单只多模或多只多模型无源天线，天线的类型可以是圆极化微带天线，也可以是螺旋天线，连接并固定于GNSS低噪声放大模块印刷电路板中放大电路的另一面，也可以利用低噪声放大器模块印刷电路板中放大电路的另一面印刷而成的微带天线。

所述GNSS低噪声放大模块为单频或多频低噪声放大模块，与GNSS无源天线相匹配，是由低损带通滤波器、低噪声放大器、高抑制度带通滤波器、高增益小信号放大器、低压差稳压器、阻容感器件等通用器件按照常规设计方案在印刷电路板上布设实现，根据增益要求的不同，取舍高增益小信号放大器的使用数量；根据幅频响应要求的不同，取舍高抑制度带通滤波器的使用数量。所述GNSS多频低噪声放大模块可采用多路技术实现，也可采用双工技术实现或宽带技术实现。所述GNSS低噪声放大模块的电路部分按照电磁兼容规范进行布局，防止级间干扰，GNSS低噪声放大模块印刷电路板含有放大电路部分的那一面的四周边缘导电化，安装在安装底盘上并与其紧密结合，达到屏蔽防护的目的，这样舍弃金属屏蔽罩的使用，节约成本并简化生产工序。

所述射频电缆为同轴型射频电缆，特性阻抗为50欧姆。

所述避雷模块是由高压电容、大功率电感、陶瓷气体放电管、压敏电阻、可恢复保险丝、瞬态电压抑制二极管、射频高阻器件等器件合理布设于印刷电路板的同一面，雷击端与螺栓固定密封型针式射频连接器相连，保护端通过射频电缆与GNSS低噪声放大模块相连。所述避雷模块置于安装底盘内部底面上，与置于安装底盘上面的GNSS多频低噪声放大模块平行。所述避雷模块能够承受8/20us的20KA冲击电流的防雷能力，并且根据天线消耗电流的大小，选择保持电流适合的可恢复保险丝，更为有效的保护后续电路不被损坏。所述避雷模块可采用多只陶瓷气体放电管和多只压敏电阻并联使用以提高防雷能力。

所述螺栓固定密封型针式射频连接器由射频连接器体、第一防水胶圈、第二防水胶圈、平垫、固定螺母、内导体和介质组成，射频连接器体的结构依次为标准型连接器结构、定位卡台、第一防水胶圈槽、圆柱体、第二防水胶圈槽、圆柱体、固定螺纹、针式接地端。标准型连接器结构，可以是N型，也可以是TNC型或其它；内导体针式端与避雷模块的雷击端相连，针式接地端与避雷模块的接地部分相连，螺纹和光滑圆柱部分直径小于标准型连接器结构直径。

所述雷达罩为尖锥状，可防止积雪、尘土堆积以及飞鸟驻足，避免遮挡信号。雷达罩采用耐候型工程塑料，防止紫外线老化。

所述安装底盘底面为圆盘，中心留有固定螺栓固定密封型针式射频连接器的圆孔，圆孔的外部设有用于管式安装GNSS有源天线的管式安装外螺纹，底面圆盘边缘设有与雷达罩通过螺钉结合的外壳结合安装螺钉孔，外壳结合安装螺钉孔与中心圆孔之间设有用于平面安装GNSS有源天线的平面安装螺钉孔和用于防雷接地的接地螺孔；安装底盘的另一面为圆桶状凸起，圆桶底部用于安装避雷模块，圆桶的上部安装GNSS低噪声放大模块，GNSS低噪声放大模块的外边缘与圆桶状凸起的外边缘相齐。安装底盘的材料为铝或铝合金，可通过数控机床加工成形，也可铸造成形，并对其表面作导电化处理，以便与GNSS低噪声放大模块印刷电路板边缘导电化部分充分接触，共同组成屏蔽腔。

本发明的有益效果是：能够有效防止有源天线的雷击损坏，免除了避雷器的使用，节约了系统的成本，简化了工程安装；防雷型GNSS有源天线整体采用模块化、层次化的结构设计，简化了生产工艺、提高了生产效率、降低了生产成本。

附图说明

图1是GNSS有源天线实施例的剖面示意图

图2是避雷模块实施例的俯视结构示意图

图3是避雷模块的电路原理图

图4是螺栓固定密封型针式射频连接器的剖面结构示意图

其中，1.GNSS无源天线，2.GNSS低噪声放大模块，3.射频电缆，4.避雷模块，5.螺栓固定密封型射频连接器，6.雷达罩，7.安装底盘，8.雷达罩防水胶圈，401.雷击端，402.保护端，403.高压电容，404.射频高阻器件，405.射频高阻器件，406.大功率电感，407.可恢复保险丝，408.陶瓷气体放电管，409.压敏电阻，410.瞬态电压抑制二极管，411.避雷模块印刷电路板，501.射频连接器体，502.内导体，503.介质，504.介质，505.固定螺母，506.平垫，507.第二防水胶圈，508.第一防水胶圈，501a.标准射频连接器端，501b.针式接地端，501c.定位卡台，501d.固定螺纹，501e.圆柱体，501f.防水胶圈槽，502a.内导体针式端，701.外壳结合安装螺钉孔，702.平面安装螺钉孔，703.管式安装外螺纹。

具体实施方式

如图1、图2、图4所示，图1是GNSS有源天线的实施例构造，GNSS无源天线1安装于GNSS低噪声放大模块2印刷电路板的一侧面，GNSS低噪声放大模块2印刷电路板的另一侧面布设低损带通滤波器、低噪声放大器、高抑制度带通滤波器、高增益小信号放大器、低压差稳压器、阻容感器件等器件，GNSS低噪声放大模块2通过螺钉固定于安装底盘7的柱装腔上部；GNSS低噪声放大模块2通过射频电缆3与避雷模块4相连，避雷模块印刷电路板411的一侧面布设高压电容、射频高阻器件、大功率电感、陶瓷气体放电管、压敏电阻、可恢复保险丝、瞬态电压抑制二极管，退耦电容等器件，且采用表面贴装方式，避雷模块印刷电路板411的另一侧面为导电化大面积接地形式，避雷模块4通过螺钉固定于安装底盘7的内腔底部；避雷模块印刷电路板411的中心留有焊接孔，固定在安装底盘7上的螺栓固定密封型射频连接器5的针式接地端501b与内导体针式端502a插入避雷模块印刷电路板411的焊接孔内，并用焊锡焊牢；螺栓固定密封型射频连接器5的针式端从安装底盘7的底部装入，在安装底盘7的内腔内通过平垫506和固定螺母505固定，第一防水胶圈508和第二防水胶圈507确保安装的密封性能。上述五部分连接固定完毕之后，雷达罩防水胶圈8放置于安装底盘7的图示位置，再将雷达罩6放置于安装底盘7上，在外壳结合安装螺钉孔701处用螺钉拧合。GNSS有源天线的安装固定方式设计有两种，一种是在平面安装螺钉孔702处利用螺钉将平面结构式固定架与GNSS有源天线拧合安装固定，另一种是将管式结构固定架的内扣螺管部分与管式安装外螺纹703旋接。

如图2-3所示，避雷模块由高压电容403、射频高阻器件404、射频高阻器件405、大功率电感406、可恢复保险丝407、陶瓷气体放电管408、压敏电阻409、瞬态电压抑制二极管410平面安装布设于避雷模块印刷电路板411一侧面构成，高压电容403的一端和射频高阻器件404的一端连接组成雷击端401，射频高阻器件404的另一端同时和陶瓷气体放电管408、大功率电感406各自的一端连接在一起，陶瓷气体放电管408的另一端与避雷模块印刷电路板411接地部分连接，大功率电感406的另一端同时和可恢复保险丝407、压敏电阻409各自的一端连接在一起，压敏电阻409的另一端与避雷模块印刷电路板411接地部分连接，可恢复保险丝407的另一端同时和瞬态电压抑制二极管410、射频高阻器件405的各自的一端连接在一起，瞬态电压抑制二极管410另一端与避雷模块印刷电路板411接地部分连接，射频高阻器件405的另一端与高压电容403的另一端相连接组成保护端402。其中高压电容403的耐压值不小于1KV，射频高阻器件404、射频高阻器件405可以是大功率电感，也可以是高通流量的四分之一波长线。

避雷模块的工作过程是：在没有雷击能量的情况下，GNSS射频信号由保护端402通过高压电容403向雷击端401传输，由于射频高阻器件404和射频高阻器件405对GNSS射频信号表现为高阻，等效开路，所以GNSS信号在雷击端401、保护端402两端的损耗很小。直流馈电电流由雷击端410向保护端402方向馈送，由于高压电容403的阻挡和陶瓷气体放电管408、压敏电阻409、瞬态电压抑制二极管410未达到开启门限电压不动作，表现为开路，直流馈电电流通过射频高阻器件404、大功率电感406、可恢复保险丝407、射频高阻器件405传输到保护端402，射频高阻器件404、405、大功率电感406对直流电流表现为短路，可恢复保险丝407在稳态的情况下电阻很小，所以直流通路的压降非常小，对GSNN低噪声放大模块2的供电不产生影响。

当雷击能量叠加到直流馈电到达雷击端401时，由于高压电容403的高阻作用，对雷击能量表现为开路，射频高阻器件404对雷击能量表现短路，直接作用于陶瓷气体放电管408，当雷击能量脉冲电压上升到陶瓷气体放电管408放电电压门限值时，陶瓷气体放电管408开始放电，将大部分雷击能量通过地线泄放掉，少部分泄漏的雷击能量或不能使陶瓷气体放电管408放电的较小雷击能量经过大功率电感406延迟到达压敏电阻409，电压峰值超过其最大持续工作电压时，压敏电阻409的等效电阻快速下降，进一步将雷击能量泄放掉，由于陶瓷气体放电管408和压敏电阻409动作时间滞后于雷击能量的到来时刻，部分能量会作用于可恢复保险丝407，同时，当较大雷击能量作用于雷击端401时，也会有较高峰值的脉冲电压长时间作用于可恢复保险丝407，当雷击能量电流超过其触发电流时，可恢复保险丝407的阻值突变增大，遏制雷击能量向后传导，同样由于可恢复保险丝407动作时间的限制，极少部分雷击能量会泄漏到瞬态电压抑制二极管410，瞬态电压抑制二极管410反应速度极快，纳秒级的反应时间，将残余能量泄放到大地中去，通过上述四级避雷防护，到达保护端402的雷击能量极小，不会对GNSS低噪声放大模块2造成损坏，同时当GNSS低噪声放大模块2意外故障导致短路时，可恢复保险丝407会在很短的时间内突变为高阻，等效开路，保护供电系统电源不会损坏。

如图4所示是螺栓固定密封型射频连接器5的结构剖面，螺栓固定密封型射频连接器5的组成部分为射频连接器体501、内导体502、介质503、介质504、固定螺母505、平垫506、第二防水胶圈507、第一防水胶圈508。其中射频连接器体501的结构由上至下依次为针式接地端501b、固定螺纹501d、圆柱体501e、防水胶圈槽501f、圆柱体501e、防水胶圈槽501f、定位卡台501c、标准射频连接器端501a。标准射频连接器端501a，可以是N型或TNC型也可以为其它，本图以N型连接器端为例说明，内导体502为倒T型结构，结合介质503和介质504的上下两段式结构设计，防止内导体向上串动，提高连接的可靠性。定位卡台501C可以是正方形也可以是双边圆缺形或单边圆缺形，用于安装螺栓固定密封型射频连接器5时使其不旋转。

Claims (6)

1.一种防雷型GNSS有源天线，其特征是：它由GNSS无源天线(1)、GNSS低噪声放大模块(2)、射频电缆(3)、避雷模块(4)、螺栓固定密封型针式射频连接器(5)依次连接，收纳于由雷达罩(6)、安装底盘(7)和雷达罩防水胶圈(8)组成的密闭壳体内组成。

2.根据权利要求1所述的防雷型GNSS有源天线，其特征是：所述GNSS无源天线(1)为单模天线或多模天线，可以是单只单模或单只多模或多只多模型无源天线，天线的类型可以是圆极化微带天线，也可以是螺旋天线，连接并固定于GNSS低噪声放大模块(2)印刷电路板中放大电路的另一面，也可以利用多层板技术将低噪声放大器模块(2)印刷电路板中放大电路的另一面印刷而成微带天线，并通过穿针与放大电路相连。

3.根据权利要求1所述的防雷型GNSS有源天线，其特征是：所述GNSS低噪声放大模块(2)为单频或多频低噪声放大模块，与GNSS无源天线(1)相匹配，由低损带通滤波器、低噪声放大器、高抑制度带通滤波器、高增益小信号放大器、低压差稳压器、阻容感器件等通用器件，按照常规设计方案在印刷电路板上布设实现，GNSS多频低噪声放大模块可采用多路技术实现，也可采用双工技术或宽带技术实现。GNSS低噪声放大模块(2)印刷电路板含有放大电路部分的那一面的四周边缘导电化，安装在安装底盘上与其紧密结合，达到屏蔽防护的目的，这样舍弃金属屏蔽罩的使用，节约成本并简化生产工序。

4.根据权利要求1所述的防雷型GNSS有源天线，其特征是：所述避雷模块(4)是由高压电容(403)、射频高阻器件(404，405)、大功率电感(406)、陶瓷气体放电管(408)、压敏电阻(409)、可恢复保险丝(407)、瞬态电压抑制二极管(410)平面安装布设于避雷模块印刷电路板(411)一侧面构成，置于安装底盘(8)内部底面上，所述避雷模块(4)能够承受8/20us的20KA冲击电流的防雷能力，并可采用多只陶瓷气体放电管(408)和多只压敏电阻(409)并联使用提高防雷能力。

5.根据权利要求1所述的防雷型GNSS有源天线，其特征是：所述螺栓固定密封型针式射频连接器(5)组成部分为射频连接器体(501)、内导体(502)、介质(503，504)、固定螺母(505)、平垫(506)、第二防水胶圈(507)、第一防水胶圈(508)。其中射频连接器体(501)的结构由上至下依次为针式接地端(501b)、固定螺纹(501d)、圆柱体(501e)、防水胶圈槽(501f)、圆柱体(501e)、防水胶圈槽(501f)、定位卡台(501c)、标准射频连接器端(501a)。标准射频连接器端(501a)可以是N型或TNC型也可以为其它，内导体(502)为倒T型结构，结合介质(503)和介质(504)的上下两段式结构设计，防止内导体向上串动，提高连接的可靠性。定位卡台(501C)可以是正方形也可以是双边圆缺形或单边圆缺形，用于安装螺栓固定密封型射频连接器5时使其不旋转。

6.根据权利要求4所述的避雷模块，其特征是：高压电容(403)的一端和射频高阻器件(404)的一端连接组成雷击端(401)，射频高阻器件(404)的另一端同时和陶瓷气体放电管(408)、大功率电感(406)各自的一端连接在一起，陶瓷气体放电管(408)的另一端与避雷模块印刷电路板(411)接地部分连接，大功率电感(406)的另一端同时和可恢复保险丝(407)、压敏电阻(409)各自的一端连接在一起，压敏电阻(409)的另一端与避雷模块印刷电路板(411)接地部分连接，可恢复保险丝(407)的另一端同时和瞬态电压抑制二极管(410)、射频高阻器件(405)的各自的一端连接在一起，瞬态电压抑制二极管(410)另一端与避雷模块印刷电路板(411)接地部分连接，射频高阻器件(405)的另一端与高压电容(403)的另一端相连接组成保护端(402)。其中高压电容(403)的耐压值不小于1KV，射频高阻器件(404，405)可以是大功率电感，也可以是高通流量的四分之一波长线。

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