CN113169456A - 宽带gnss天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用廉价制造技术形成的复杂精细的GNSS天线。该天线将环形天线和交叉偶极子天线一起组合在单个平面内而形成最佳GNSS增益方向图。天线结构是对称的并且发生右旋圆极化以推动宽泛频率和波束宽度的范围内的正确极化。馈电结构是天线辐射元件的一部分。

Description

宽带GNSS天线系统
背景技术
技术领域
本发明整体涉及全球导航卫星系统接收器天线，并且具体地涉及高端全球导航卫星系统接收器天线，所述高端全球导航卫星系统接收器天线提供多路径减少，同时仍接收地平线以上的所有可见卫星信号，同时允许廉价的制造技术和材料。
现有技术
高端全球导航卫星系统(GNSS)接收器通常能够从多个可用的GNSS卫星(包括欧洲、俄罗斯、中国、日本和美国GNSS卫星)接收信号。这些卫星以略微不同的频率传输，因此天线必须仅在例如1.5GHz频带内接收1555至1610MHz。另外，存在许多GNSS高端用户，这些GNSS高端用户为了访问和利用修正服务，通常利用INMARSAT地球同步卫星。这扩展了1.5GHz频带的相关频率范围以包括1530至1560MHz的范围。由于链路余量在这些场景中非常小，因此需要低仰角增益和高天线效率。GNSS卫星和INMARSAT卫星传输右旋圆极化(RHCP)信号。来自理想反射器的反射发生左旋圆极化(LHCP)并且通常从地平线以下到达。为了使用GNSS信号计算精确位置，重要的是尽可能多地抑制多路径。这通过以下方式实现：使LHCP抑制最大化；使地平线以下的增益最小化；并且为地平线以上的RHCP信号提供尽可能宽的波束宽度。这些要求使得高端GNSS天线的设计很复杂，通常需要使用昂贵的RF材料。
因此，需要的是这样的高端GNSS天线，其提供多路径减少，同时接收地平线以上的所有可见卫星信号，并且使用廉价的制造技术和材料。
发明内容
本发明整体涉及全球导航卫星系统接收器天线，并且具体地涉及高端全球导航卫星系统接收器天线，该高端全球导航卫星系统接收器天线提供多路径减少，同时仍接收地平线以上的所有可见卫星信号，并且使用廉价的制造技术和材料。
所公开的结构天线系统为GNSS接收器提供理想增益方向图。天线系统在单个平面中使用由交叉偶极子天线馈电的寄生回路。偶极子天线也是辐射元件的一部分。使用馈电网络作为辐射结构的一部分增加效率。该回路提供交叉偶极子无法实现的低仰角增益。天线结构与充当接地面的低噪声放大器(LNA)PCB分开，其中天线元件与接地面之间具有间隔件和气隙，使得该气隙用作天线元件与接地面之间的电介质。没有陶瓷或塑料的空气电介质提供低损耗(更高效率)和低成本，但通常会产生边缘相隔180度的问题，从而引起地平线处的极差增益。然而，由于未使用除空气之外的电介质，可用带宽增加。为了补偿低仰角增益，馈电(交叉偶极子)是曲折的或螺旋形的，使得其具有配合在回路内的长为1/4波长的谐振臂。周长为大约1波长(谐振所需)的回路具有波长/2π或大约1/6波长的半径。这提供了INMARSAT跟踪所需的低仰角增益。可通过将调谐电容器耦合到回路来调节增益方向图。
通过对如在附图中示出的本发明特定实施例的以下更详细描述，本发明的以上和其他特征及优点将显而易见。
附图说明
通过参照具体实施方式和权利要求书在结合附图考虑时，可以得到对本发明的更完整理解，在附图中，类似的参考标号在所有附图中表示相似的项目，并且：
图1是没有接地面的常规环形天线的增益方向图的图解视图；
图2是定位在接地面上方的常规环形天线的增益方向图的图解视图；
图3是交叉偶极子天线的透视图；
图4是没有接地面的常规交叉偶极子天线的增益方向图的图解视图；
图5是最佳期望GNSS接收器天线增益方向图的图解视图；
图6是根据本发明的一个实施方案的GNSS天线系统的增益方向图的图解视图；
图7总体示出了根据本发明的一个实施方案的GNSS天线系统的顶视图；
图8是根据本发明的一个实施方案的GNSS天线系统的横截面；
图9是根据一个实施方案的GNSS天线系统的模拟增益方向图的图解视图；并且，
图10是没有接地增强的GNSS天线系统的模拟增益方向图的图解视图。
具体实施方式
参见附图，图1是没有接地面的常规环形天线的侧视图，具有与叠加在天线上的天线相关联的增益方向图。这总体示出了相对于天线的各种位置处的预期增益。如图所示，环形天线的最高增益与回路的平面一致(270度和90度)。如图所示，在大约0度和180度处发生环形天线的最低增益。
图2示出了具有接地面的常规环形天线的增益方向图。如图2所示，穿过-90度、原点和+90度的线称为“地平线”。如图所示，接地面上方的环形天线在地平线正上方(从大约–90度至-85度，以及从大约+85度至+90度)具有零点(0)增益，但在回路的平面上方的低角度(大约–75度至-45度，以及+45度至+75度)处仍得到优化(提供高增益)。
图3是具有两个偶极子的交叉偶极子天线的透视图。第一偶极子由臂614和618形成，并且第二偶极子由臂616和612形成。如图所示，第二偶极子可围绕穿过杆中心602的轴线旋转。
图4示出了没有接地面的交叉偶极子的增益方向图。在该图中，穿过–90度(或270度)、原点和+90度的线称为地平线。如图所示，地平线以上或以下45度处的常规交叉偶极子天线的增益迅速下降并且在与地平线所成的60度以下的角度处低于-10dB(并且在地平线以上90度处为大约0)。
图5示出了GNSS天线的近似优化期望增益方向图，其基本上呈地平面以上的半球的形状。根据本发明，在正确加权的情况下，具有接地面的交叉偶极子天线与环形天线的组合使用会产生与图5所示近似的优化期望增益方向图。
图6示出了根据本发明的一个实施方案的GNSS天线系统50的实测增益方向图。增益方向图示出了与常规天线相比时低仰角增益(接近地平线)的增加。
图7总体示出了根据本发明的一个实施方案的GNSS天线系统50的顶视图。如图7所示，提供了在上部印刷电路板(PCB)16的表面上形成的寄生导电回路1。在图7的实施方案中，上部印刷电路板具有107mm的直径。回路1具有1波长的长度(周长)，从而提供1波长/2π(大约1/6波长)的半径。这提供了低仰角增益，可能需要该低仰角增益来进行例如INMARSAT跟踪。提供了在上部PCB 16的表面上形成的四个导电交叉偶极子臂4。每个导电交叉偶极子臂4具有相同形状，并且被形成为使得其第一端位于回路1的中心附近，并从中心向外朝向导电回路1辐射(曲折)。在另选实施方案中，交叉偶极子臂可具有与所示不同的形状。每个导电交叉偶极子臂4的第二端在邻近回路1处终止。在图7的实施方案中，交叉偶极子臂4的第一端与该中心大约等距地隔开，并且交叉偶极子臂4围绕该中心对称地定位，使得交叉偶极子臂4上的对应点彼此围绕回路1的中心是等距的。交叉偶极子臂4被进一步配置为使得它们彼此不重叠。每个交叉偶极子臂4的长度被配置为回路1的长度的1/4(即，1/4波长)。每个交叉偶极子臂的第二端在其端部处经由耦合/匹配电容器2(每个交叉偶极子臂4有一个耦合电容器)耦合到回路1。在图7的实施方案中，每个交叉偶极子臂4通过匹配部件3耦合到相位网络，该相位网络形成大致相等振幅下的0度、90度、180度和270度相位信号。在图7的实施方案中，匹配部件3是值为1.8pF的串联RF电容器。在图7的实施方案中，上部PCB 16由FR4构成，该FR4是一种允许天线系统被制造成精确地满足这些要求的廉价标准PCB材料。
图8是图7的实施方案的剖视图。参见图7和图8，天线系统50还包括充当接地面的第二下部PCB 18。在图7和图8的实施方案中，下部PCB 18具有107mm的直径，并且包括低噪声放大器(LNA)20。在图7和图8的实施方案中，由环绕柔性PCB环12(图8中以横截面示出)将上部PCB 16上形成的平面天线结构与下部PCB 18分开，使得仅空气用作上部PCB 16上形成的平面天线结构与下部PCB 18接地面之间的电介质14。在一个另选实施方案(未示出)中，并非由环绕柔性PCB环12将上部PCB 16与下部PCB 18分开，而是可由间隔件或“突片”将上部PCB 16与下部PCB 18分开，这些间隔件或“突片”可由PCT或其他材料或结构形成，围绕上部PCB 16和下部PCB 18的周边并在上部PCB 16和下部PCB 18之间周期性地隔开。在图7和图8的实施方案中，下部PCB 18也由FR4构成。天线系统还包括用于将天线系统连接到GNSS或其他接收器的输出MCX连接器21。
参见图7和图8，信号在回路1中接收到，并且经由耦合电容器2继续进入四个交叉偶极子臂4。然后该信号沿着四个交叉偶极子臂4向下行进穿过匹配电容器(1.8pF)3，其中各两个相对交叉偶极子臂4对两个平衡-不平衡转换器(也称为BALUN)6进行馈电。BALUN有效地组合具有0和180度相移的两个相对臂。这使得四个交叉偶极子臂4的信号组合到具有0和90度差异的两个信号路径中。图7和图8的实施方案还包括竖直馈电网络PCB 7，该竖直馈电网络PCB包括混合90度分路器，该混合90度分路器以最小损耗组合来自PCB 16顶部上的BALUN 6的RF路径。该混合体先有效地以0度延迟偏移一个信号路径并且以90度延迟偏移另一个信号路径，再将它们一起组合成一个输出路径。因此来自BALUN的处于0度的输出穿过该混合体上的路径(这添加了90度偏移)，而来自BALUN的相对于另一信号具有90度偏移的信号穿过该混合体上的臂(这不添加附加的相移)。因此当组合这两个信号时，它们同相并且增加唯一输出上的总信号(前提条件是所接收的信号为RHCP)。如果所接收的信号为LHCP，则这两个路径将完全相对(相隔0和180度)并且在混合体的输出处组合时将相消。当如50中那样组装时，来自混合体的唯一路径被馈送到LNA中。结果是这四个臂在进入LNA之前通过0、90、180和270度延迟以最小损耗组合。正确定相使得在组合之前每个臂上的所接收的能量被适当延迟以使右旋圆极化信号的总能量最大化。
还示出了包括接地面增强突片10的图7至图8的实施方案，这些接地面增强突片形成在上部PCB 16上并且被配置为尽管下部PCB 18具有相对较小的接地面，也能改善后瓣抑制和极化(降低左旋圆极化(LHCP))。在图7和图8的实施方案中，下部PCB 18和上部PCB 16具有大约107mm的直径。在该实施方案中，PCB环12为大约1cm高，并且焊接在下部PCB 18与上部PCB 16之间。在该实施方案中，存在8个接地增强突片10，每个接地增强突片具有两个臂，这进一步增强了接地面并且有助于吸收后瓣。在另选实施方案中，还可使用其他接地面增强，诸如例如分形接地面增强。图7和图8中总体示出的实施方案提供了低仰角增益并且相对于交叉偶极子天线增加了辐射电阻。
图9和图10总体示出了由申请人执行的模拟。参见图9，该模拟指示对于图7和图8的实施方案而言，天线系统50的阻抗为大约57欧姆。图10出于比较目的而总体示出了不存在接地增强突片10的图7和图8的实施方案的模拟结果。可以看出，移除接地增强突片10导致后瓣尺寸的非期望显著增加。另外，出于比较目的而对缺少回路1的天线系统执行了模拟。模拟结果(未示出)表明，从天线系统移除回路1导致阻抗的显著非期望降低(与图7和图8的实施方案的大约57欧姆相比，阻抗仅为大约4欧姆)。这展示了包括耦合回路1的优点，该耦合回路增加了天线的辐射电阻。应当理解，更高的辐射电阻使得阻抗匹配更容易，提供更宽的带宽，并且允许整个天线的更高操作效率。
应当理解，通过提供空气电介质14而不是诸如例如陶瓷或塑料的不同电介质，可在提供更高性能的同时实现更低损耗(更高效率)和更低成本。使用空气作为电介质的另一个优点是其增加天线系统的可用带宽。
还应当理解，通过调谐耦合到回路1的电容器2，可调节和/或优化天线系统50的增益方向图。还应当理解，所公开的实施方案在提供具有最低高度(就图7和图8的实施方案而言，仅大约1cm高)的天线系统的同时提供改善的天线性能。还应当理解，在实施方案中，所采用的balun可提供2:1、4:1或1:1阻抗匹配或其他阻抗匹配。
本文所示的实施例和例子的展示是为了最好地阐释本发明及其实际应用，并因而使得本领域的普通技术人员能够制作和使用本发明。然而，本领域的普通技术人员将认识到，以上描述和例子只是为了举例说明和示例的目的而展示。如本文所示的描述无意为穷举性的，也无意将本发明限于所公开的精确形式。鉴于以上教导，在不脱离随附权利要求书的精神和范围的情况下，许多修改和变化都是可能的。

Claims (15)

1.一种GNSS天线系统，所述GNSS天线系统包括：
环形天线，所述环形天线设置在第一平面基板上并且具有周长；和，
交叉偶极子天线，所述交叉偶极子天线具有四个臂，所述交叉偶极子天线设置在所述平面基板上并且完全位于所述环形天线的所述周长内并耦合到所述环形天线。
2.根据权利要求1所述的GNSS天线系统，其中所述环形天线具有第一波长的周长，并且其中所述交叉偶极子天线的每个臂具有所述第一波长的1/4的长度。
3.根据权利要求2所述的GNSS天线系统，其中相邻交叉偶极子臂之间的距离围绕所述环形天线的中心点是相同的。
4.根据权利要求2所述的GNSS天线系统，其中所述交叉偶极子臂中的每个交叉偶极子臂具有相同螺旋形状。
5.根据权利要求1所述的GNSS天线系统，所述GNSS天线系统还包括第二接地面平面基板，所述第二接地面平面基板被定位成平行于所述第一平面基板并在所述第一平面基板下方，其中所述交叉偶极子天线耦合到所述第二接地面平面基板。
6.根据权利要求5所述的GNSS天线系统，其中所述第一平面基板和所述第二接地面平面基板具有相同形状并且被定位成使得它们基本上彼此重叠。
7.根据权利要求5所述的GNSS天线系统，所述GNSS天线系统还包括：
多个接地延伸部，所述多个接地延伸部围绕所述环形天线设置在所述第一平面基板上并且耦合到所述第二接地面平面基板，所述多个接地延伸部被配置为增强低仰角性能并且吸收后瓣能量。
8.根据权利要求5所述的GNSS天线系统，所述GNSS天线系统还包括定位在所述第一平面基板与所述第二接地面平面基板之间的电介质材料。
9.根据权利要求1所述的GNSS天线系统，所述GNSS天线系统还包括设置在所述第一平面基板上的第二环形天线，所述第二环形天线具有与所述第一环形天线不同的周长并且提供附加谐振，使得所述GNSS天线系统被配置为支持多个GNSS频带。
10.根据权利要求5所述的GNSS天线系统，其中所述第一平面基板与所述第二接地面平面基板之间的距离不超过1cm的高度。
11.一种用于提供优化GNSS天线的方法，所述方法包括以下步骤：
在第一平面基板上提供具有第一波长的第一环形天线；
在所述第一平面基板上并完全在所述第一环形天线的所述周长内提供具有四个对称臂的交叉偶极子天线，并且所述四个对称臂围绕所述基板的中心对称地隔开，每个臂具有等于大约1/4所述第一波长的长度；
将每个臂的第一端耦合到所述第一环形天线；以及，
将每个臂的第二端耦合到GNSS接收器。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
提供接地面平面基板，所述接地面平面基板被定位成平行于所述第一平面基板并在所述第一平面基板下方，其中所述交叉偶极子天线耦合到所述第二接地面平面基板。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
在所述接地面平面基板与所述第一平面基板之间提供气隙。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述交叉偶极子通过balun耦合到所述第二接地面平面基板。
15.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括围绕所述第一环形天线在所述第一平面基板上提供耦合到所述接地面平面基板的多个接地延伸部的步骤，所述多个接地延伸部被配置为增强低仰角性能并且吸收后瓣能量。
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