CN109546358B - 一种全向双天线系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种全向双天线系统，包括：第一仰角天线、第二仰角天线；所述第一仰角天线，设置为接收北斗卫星中心站接收机所在区域的北斗地球同步轨道GEO卫星下行波束的用户机定位信号和/或通信信号；所述第二仰角天线，设置为接收北斗卫星中心站接收机所在区域之外预设范围的北斗GEO卫星下行波束的用户机定位信号和/或通信信号，本发明的技术方案，在大规模下属用户监测接收机在机动式工作的情况下，使用由一个负责接收高仰角范围信号的北斗天线和一个负责接收低仰角范围的信号的北斗天线组成的北斗GEO卫星信号的双天线系统，实现在大区域范围内山区机动的相同环境下，中心站接收机天线完整、连续接收下属用户定位、通信信息。
Description
技术领域
本发明涉及天线系统设计领域，具体涉及一种全向双天线系统。
背景技术
中国北斗卫星导航系统(BDS，BeiDou Navigation Satellite System)是中国自行研制的全球卫星导航系统。空间系统由运行在GEO(Geosynchronous Orbit，地球同步轨道卫星)、IGSO(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，倾斜同步轨道卫星)和MEO(Medium Earth Orbit，中地球轨道卫星)3种不同轨道的35颗卫星组成。中国北斗卫星导航系统具备2种导航定位方式：
1、卫星无线电测量(RDSS，Radio DeterminationSatellite Service)定位工作方式，这种方式下，需要有2颗北斗GEO卫星参与测量用户机到卫星的距离，用户机的定位结果是由北京枢纽站完成，经由5颗GEO卫星中对用户机接收最有利的那1颗GEO卫星转发给用户机。
2、卫星无线电导航(RNSS，Radio Navigation Satellite System)定位工作方式，这种方式下，用户机接收到北斗GEO、IGSO和MEO卫星中的4颗卫星发出的下行导航信号，就能自主在本机内解算出自己的位置参数。
目前有5颗GEO卫星在轨运行，这5颗星既兼容了RNSS定位工作方式，又保持了原北斗一号卫星导航系统的RDSS工作方式。它们的定点位置分别在东经58.75度，东经80度，东经110.5度，东经140度和东经160度。按照RDSS定位原理，5颗星其中的2颗星就能给分布在纬度±55度范围内的用户机定位。由于覆盖的陆地和海洋面积辽阔，如果每颗卫星上只装一副天线将无法对陆、海地域实现全面覆盖，即使能覆盖，由于波束宽度太宽，造成波束内传输信号的功率谱密度较低，也无法满足地面用户对接收信号电平的要求。为了确保地面用户接收信号质量，每颗卫星都使用了多付天线，对陆、海地域实现多波束分别覆盖。
位于北斗GEO卫星覆盖区域内的北斗用户机，为了在各陆、海地域都能接收到1颗北斗GEO卫星下行定位、通信信号，使用时要求天线俯仰角为90°(中心线垂直于所在地面)，方位角不受方向限制，其天线波束的覆盖角度设计成至天线底面起指向上方的全向天线。这些单独使用的用户机的接收机，无论在GEO卫星覆盖陆、海地域的任何地方、任何时候都处于某颗卫星某一个波束的覆盖范围中。由于受到天线设计制作时波束旁瓣、背瓣的以及低仰角折射信号影响，实际中，北斗地面接收机天线的波束方向图一般都在俯仰角30°以上才能保证正常工作。
北斗卫星系统RDSS定位结果处理是由位于北京的枢纽站完成的，对某一个特定用户将通过该用户机所处的能够覆盖其天线的GEO卫星信号最佳的波束转发给其所述定位结果。
对于要求能够同时监控多下属用户机位于地面的并机动式工作的中心站用户机(简称：中心站)来说，这种做法存在以下问题：
当所属用户机在相邻的卫星下行波束范围内工作而不在中心站接收机所处的卫星下行波束覆盖范围时，就可能接收不到北斗卫星发给下属用户的卫星信号；
当中心站是机动式工作方式，如果行进到山区、坡路时，由车身倾斜造成天线中心线相对垂线的倾斜，这种倾斜角度可能达到30°，中心站接收机天线有可能接收不到北斗卫星发给下属用户的卫星信号。
发明内容
本发明提供一种全向双天线系统，在下属用户监测接收机在机动式工作的情况下，使得中心站接收机天线完整、连续接收下属用户定位、通信信息。
为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种全向双天线系统，包括：第一仰角天线、第二仰角天线；
所述第一仰角天线，设置为接收北斗卫星中心站接收机所在区域的北斗地球同步轨道GEO卫星下行波束的用户机定位信号和/或通信信号；
所述第二仰角天线，设置为接收北斗卫星中心站接收机所在区域之外预设范围的北斗GEO卫星下行波束的用户机定位信号和/或通信信号。
优选地，所述的双天线系统还包括：固定底盘，所述固定底盘，设置为固定所述所述第一仰角天线和所述第二仰角天线。
优选地，所述的双天线系统还包括：天线罩；所述天线罩设置在所述固定底盘上，与所述固定底盘形成容纳所述第一仰角天线和所述第二仰角天线的舱体。
优选地，所述固定底盘上设置穿线管，射频电缆通过所述穿线管穿入所述天线罩和所述固定底盘形成的舱体内，将所述第一仰角天线和所述第二仰角天线与双天线系统外的设备电连接。
优选地，所述第二仰角天线包括：第二仰角天线罩、轴向模螺旋天线、螺旋天线支撑体、馈电线缆插座、接地平面、底板和设备仪器舱；
所述轴向模螺旋天线设置在螺旋天线支撑体上，所述轴向模螺旋天线电连接在馈电线缆插座，所述螺旋天线支撑体固定在接地平面上，所述馈电线缆插座设置在底板上，所述馈电线缆插座连接至设备仪器舱内的功率放大器。
优选地，轴向模螺旋天线缠绕在所述螺旋天线支撑体上。
优选地，所述馈电线缆插座为50Ω同轴馈电线缆插座。
优选地，所述底座为树脂底座。
优选地，所述螺旋天线支撑体为有机玻璃圆柱体。
优选地，所述设备仪器舱内还设置有避雷器和射频电缆座。
本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的技术方案，在大规模下属用户监测接收机在机动式工作的情况下，使用由一个负责接收高仰角范围信号的北斗天线和一个负责接收低仰角范围的信号的北斗天线组成的北斗GEO卫星信号的双天线系统，实现在大区域范围内山区机动的相同环境下，中心站接收机天线完整、连续接收下属用户定位、通信信息。本发明可以应用到我国南海、东海、黄海渔政部门对所属大量渔船管理以及道路车辆运输部门对大范围大量车辆的运营管理中。
附图说明
图1为本发明实施例的全向双天线系统结构图；
图2为本发明实施例的第二仰角天线结构图；
图3为本发明实施例的第二仰角天线螺旋天线结构图；
图4为本发明实施例的第二仰角天线阻抗变换图；
图5为本发明实施例的第一仰角天线方向性图；
图6为本发明实施例的第二仰角天线方向性图；
图7为本发明实施例的天线罩结构图。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种全向双天线系统，包括：第一仰角天线1和第二仰角天线2；
所述第一仰角天线1，设置为接收北斗卫星中心站接收机所在区域的北斗地球同步轨道GEO卫星下行波束的用户机定位信号和/或通信信号；
所述第二仰角天线2，设置为接收北斗卫星中心站接收机所在区域之外预设范围的北斗GEO卫星下行波束的用户机定位信号和/或通信信号。
本发明实施例可以在较大范围里接收北斗GEO卫星发给用户机的射频信号，第一仰角天线1与第二仰角天线2共同构建一个较高增益的接收北斗GEO卫星下行信号的全向天线系统，在机动式工作时，第一仰角天线1与第二仰角天线2接收的用户机信号成互补关系。
所述的双天线系统，还包括：固定底盘4，所述固定底盘4，设置为固定所述所述第一仰角天线1和所述第二仰角天线2。
所述的双天线系统，还包括：天线罩3；所述天线罩3设置在所述固定底盘4上，与所述固定底盘4形成容纳所述第一仰角天线1和所述第二仰角天线2的舱体。
所述天线罩3包裹所述第一仰角天线1和所述第二仰角天线2。
本发明实施例的天线罩3，可以为所述第一仰角天线1和第二仰角天线2遮挡风、沙、雨、雪、强烈阳光及其紫外线等等自然现象的侵蚀，行进中保护第一仰角天线1和第二仰角天线2以及所属电缆不被树枝等尖锐物体刮伤，避免公路小型滚石等物体的直接碰撞、线缆的挂擦，对下行用户机信号频段的电磁波损耗小，透波率高，电波折射率低以及引起的相位偏移小。
所述天线罩3内还可以安装一台带发射定位申请信号和短消息的车载机，用于所述大规模下属用户监测接收机自定位以及与各个用户机进行短消息通讯联系。
所述固定底盘4可以对第一仰角天线1和第二仰角天线2固定，天线罩3固定，射频电缆穿舱保护。
所述固定底盘4上设置穿线管5，射频电缆通过所述穿线管5穿入所述天线罩3和所述固定底盘4形成的舱体内，将所述第一仰角天线1和所述第二仰角天线2与双天线系统外的设备电连接。
所述射频电缆至设备舱穿线管5把对设备舱内的设备之间的各种走向的信号电缆和电源电缆统一安排穿舱，带有弯度的管口还能起到防水、防潮，放沙尘和尽少减少热交换以保持设备舱内温度。
如图2所示，所述第二仰角天线2包括：第二仰角天线罩17、轴向模螺旋天线11、螺旋天线支撑体12、馈电线缆插座13、接地平面14、底板15和设备仪器舱16；
所述轴向模螺旋天线11设置在螺旋天线支撑体12上，所述轴向模螺旋天线11电连接在馈电线缆插座13，所述螺旋天线支撑体12固定在接地平面14上，所述馈电线缆插座13设置在底板15上，所述馈电线缆插座13连接至设备仪器舱16内的功率放大器。
轴向模螺旋天线11缠绕在所述螺旋天线支撑体12上。
所述馈电线缆插座13为50Ω同轴馈电线缆插座。
所述底座为树脂底座。
所述螺旋天线支撑体12为有机玻璃圆柱体。
所述设备仪器舱16内还设置有避雷针和射频电缆座。
所述第二仰角天线罩17对轴向模螺旋天线11起到保护作用，在第二仰角天线2独立使用时，起到防水、防潮，防沙尘，防紫外线和防止外界尖、硬物体对第二仰角天线2的伤害，所述第二仰角天线罩17的制作材质是环氧树脂，设计和生产时达到了对射频信号的衰减小于0.2dB(各向)。引起天线相位中心的偏移量小于0.5mm(各向)。
所述轴向模螺旋天线11是第二仰角天线2方向性图产生的核心器件，
所述螺旋天线支撑体12为有机玻璃材质的圆柱体，紧固在接地平面14上，螺旋天线11按照设计要求缠绕在上面，能承受各种方向的振动保护螺旋天线11的尺寸不至变形。
所述馈电线缆插座13位于设备仪器舱16里，安装了低噪放用来传送接收到的射频信号。
所述接地平面14为杯盖形，起到反射电磁波形成要求的波束，环形的杯状边缘还用于防止多路径信号产生的干扰。
所述树脂底板15用于安装50Ω同轴馈电线缆插座13时起到绝缘作用。
所述设备仪器舱16里安装了低噪放、避雷器、射频电缆座等高频器件。
实施例1
本发明实施例的第一仰角天线1和第二仰角天线2是各自增益最大点的仰角相互相对而言。它们的增益的高低也是相对一般北斗GEO卫星地面接收天线平均增益3dB而言的。
所述第一仰角天线1主要负责接收仰角30度至80度的北斗GEO卫星下行信号，在仰角为60度时，天线增益最大，为4.5～5.5dB。所述第一仰角天线1的结构和布局同于第二仰角天线2，区别在于螺旋天线11尺寸设计的不同，构成了最大增益方向的不同。
所述第二仰角天线2主要负责接收仰角10度至仰角55度的北斗GEO卫星下行信号，在仰角为40度时，天线增益最大，为4.5～5.5dB。
所述天线系统结构固定底盘4将本发明实施例北斗GEO卫星双天线系统牢固地与设备舱顶棚连接，它的边缘用以固定天线罩3，内部包括：第二仰角天线2支架、第一仰角天线1支架和车载式用户机支架。
所述这些支架用来固定天线、用户机，将第一仰角天线1、第二仰角天线2、车载式用户机的底座抬高5cm,安装下出口射频电缆，确保系统的防水性能。
所述第二仰角天线2包括：第二仰角天线罩17、轴向模螺旋天线11、螺旋天线圆柱形支撑体12、50Ω同轴馈电线缆插座13、杯盖形接地平面14、树脂底板15和设备仪器舱16。
所述第二仰角天线罩17对第二仰角天线2起到保护作用，在第二仰角天线2独立使用时，起到防水、防潮，放沙尘，防紫外线和防止外界尖、硬物体对第二仰角天线2系统的伤害，所述第二仰角天线罩17的制作材质是环氧树脂，设计和生产时达到了对射频信号的衰减小于0.2dB(各向)。引起天线相位中心的偏移量小于0.5mm(各向)。
所述轴向模螺旋天线11是第二仰角天线2方向性图产生的核心器件，北斗GEO卫星地面设备的接收频率为2491.75MHz，波长λ≈(3E08(米/秒))/(2491.75MHZ)＝0.12(米)，螺旋天线11的螺距Δ≈0.12(米)/4≈0.03(米)，螺旋的内径Φ≈0.12(米)/π≈0.038(米)。
如图3所示，所述第二仰角天线2的轴向模螺旋天线11是由直径φ≈0.12(米)/100≈0.0012(米)，材质为紫铜的细线绕制而成，轴向螺旋天线11的螺距Δ≈0.03(米)，有机玻璃材质的螺旋天线圆柱形支撑体12的外径Φ≈0.038(米)。所述第二仰角天线2的轴向模螺旋天线11的主体部位固定在所述有机玻璃材质的螺旋天线圆柱形支撑体12上，所述第二仰角天线2的轴向模螺旋天线11的尾端与阻抗变换段连接。
如图4所示，所述第二仰角天线2的阻抗变换段是连接轴向模螺旋天线11的螺旋线与SMA(Small A Type一种小型微波高频连接器)型50Ω射频同轴馈电线缆插座13的芯线，由一段宽度渐变的紫铜材质线组成，把轴向模螺旋天线11大约130～150Ω的阻抗变换到50Ω，使它们阻抗匹配。50Ω射频同轴馈电线缆插座13的外壳部分，负责射频信号接地。
如图5所示，所述第一仰角天线1主要负责接收仰角30度至仰角80度的北斗GEO卫星下行信号，在仰角为60度时，天线增益最大，为4.5～5.5dB。实测值也在此范围内，与第二仰角天线2配合能够保障处于相同波束范围内的下属用户下行信号的接收和机动行进状态下下属用户信号的接收。
如图6所示，所述第二仰角天线2主要负责接收仰角10度至55度的北斗GEO卫星下行信号，在仰角为40度时，天线增益最大，为4.5～5.5dB。实测值也在此范围内，与第一仰角天线1配合能够保障处于外波束范围内的下属用户下行信号的接收和机动行进状态下下属用户信号的接收。
如图7所示，本实施例的天线罩3对第一仰角天线1、第二仰角天线2、车载式用户机和它们的射频线缆起到保护作用，使其不会受到风、雨、雪、沙尘、强烈阳光及其紫外线等自然态的侵蚀；在行进状态时能够避免公路小型滚石等其它物体的直接碰撞、树枝、线缆的挂擦，起到防水、防潮，放沙尘，防紫外线和防止外界尖、硬物体对天线系统的伤害，所述本实施例的天线罩3的制作材质是环氧树脂，设计和生产时达到了对射频信号的衰减小于0.2dB(各向)。引起天线相位中心的偏移量小于0.5mm(各向)。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。
Claims (9)
1.一种全向双天线系统，其特征在于，包括：第一仰角天线、第二仰角天线；
所述第一仰角天线，设置为接收北斗卫星中心站接收机仰角30度至仰角80度的北斗地球同步轨道GEO卫星下行波束的用户机定位信号和/或通信信号；
所述第二仰角天线，设置为接收北斗卫星中心站接收机仰角10度至仰角55度的北斗GEO卫星下行波束的用户机定位信号和/或通信信号；
还包括：固定底盘，所述固定底盘，设置为固定所述第一仰角天线和所述第二仰角天线。
2.如权利要求1所述的双天线系统，其特征在于：还包括：天线罩；所述天线罩设置在所述固定底盘上，与所述固定底盘形成容纳所述第一仰角天线和所述第二仰角天线的舱体。
3.如权利要求2所述的双天线系统，其特征在于：所述固定底盘上设置穿线管，射频电缆通过所述穿线管穿入所述天线罩和所述固定底盘形成的舱体内，将所述第一仰角天线和所述第二仰角天线与双天线系统外的设备电连接。
4.如权利要求1所述的双天线系统，其特征在于：所述第二仰角天线包括：第二仰角天线罩、轴向模螺旋天线、螺旋天线支撑体、馈电线缆插座、接地平面、底板和设备仪器舱；
所述轴向模螺旋天线设置在螺旋天线支撑体上，所述轴向模螺旋天线电连接在馈电线缆插座，所述螺旋天线支撑体固定在接地平面上，所述馈电线缆插座设置在底板上，所述馈电线缆插座连接至设备仪器舱内的功率放大器。
5.如权利要求4所述的双天线系统，其特征在于：轴向模螺旋天线缠绕在所述螺旋天线支撑体上。
6.如权利要求4所述的双天线系统，其特征在于：所述馈电线缆插座为50Ω同轴馈电线缆插座。
7.如权利要求4所述的双天线系统，其特征在于：所述底板为树脂底板。
8.如权利要求4所述的双天线系统，其特征在于：所述螺旋天线支撑体为有机玻璃圆柱体。
9.如权利要求4所述的双天线系统，其特征在于：所述设备仪器舱内还设置有避雷器和射频电缆座。
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