CN208780819U

CN208780819U - 一种具有精确相位中心的多模gnss测试接收机

Info

Publication number: CN208780819U
Application number: CN201821424304.0U
Authority: CN
Inventors: 卜景鹏; 马向华; 王鑫涛; 李燕香
Original assignee: GUANGDONG SHENGDA ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: GUANGDONG SHENGDA ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2019-04-23
Anticipated expiration: 2028-08-31

Abstract

本实用新型提供一种具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机，分为GNSS接收天线和有源接收机两部分，GNSS接收天线采用四馈电点宽带圆极化设计方法，驻波带宽和轴比带宽均覆盖四大GNSS导航信号频率，且其设计和制造结构简单，零部件少，系统稳定性高；有源接收机采用宽带电桥、低噪声放大器以及开关滤波器网络实现接收信号的预处理。

Description

一种具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机

技术领域

本实用新型涉及GNSS测试领域，特别涉及一种具有精确相位中心的多模 GNSS测试接收机。

背景技术

目前全球已建立四大GNSS(Global Navigation Satellite System)卫星导航系统，分别是美国的GPS，中国北斗二代，欧洲的伽利略系统和俄罗斯的 GLONASS系统，为地面用户提供定位、测量以及授时等服务，已广泛应用于民用和军用领域，在工程建设、科学研究、资源勘探以及军事部署中起着举足轻重的作用。GNSS接收机根据具体用途分为以下几种类型：(1)导航型接收机，用于确定运动载体的位置和速度等信息，单点测试精度较低，接收机结构简单，成本低；(2)测量型接收机，用于精密大地测量或工程测量，定位精度高，仪器构造复杂，成本高；(3)授时型接收机，用于接收卫星高精度时间标准，常用于无线通信中的时间同步。多模GNSS接收机工作频段能够覆盖四大导航系统所在的频段，即1163.72MHz～l278.75MHz和1561.098 MHz～1615.5MHz，并且兼容各个GNSS系统工作制式。多模GNSS圆极化天线需要覆盖近500MHz带宽，一般采用多频圆极化和宽带圆极化实现。在高精度大地测量应用领域，需要系统接收机有很低的测量误差，根据文献[1] (GNSS-750userguide.www.novatel.com)[2](张勇虎，卫星导航系统中的测试型天线技术研究，长沙：博士学位论文，2006)，测量天线的主要误差来源于天线的相位中心偏移和多径传输效应，同时天线的低仰角增益和交叉极化抑制能力也会影响GNSS接收机的测量灵敏度。因此高精度GNSS测量天线设计的核心问题可归结如下：(1)天线应具有高稳定度的相位中心；(2) 天线具有物理抗多径传输的能力；(3)天线应改善低仰角增益和轴比。

接收机天线相位中心既非天线几何中心，也不是一个稳定的点，而是与入射信号仰角、方位角、信号频率和天线形式有关。GNSS接收机的观测值是以天线的相位中心为基准的，但具体使用时天线的安置却是以其几何中心为准。如果天线的相位中心与其几何中心并不一致，则会引入测量误差。与仰角有关的相位中心变化，主要造成相对高程测量上的误差和测站间基线的尺度误差，而与方位角相关的相位中心变化则会导致水平位置的误差。在整个波束空间存在唯一相位中心的天线难以实现，绝大部分天线在整个波束空间不存在唯一的相位中心，只在主瓣某一范围内相位保持相对恒定。此时接收天线在接收不同方向的卫星信号时会引入相位差异，进而引入定位测量结果误差。天线相位中心飘动导致的测量误差为数毫米到数厘米不等。对于伪码测距定位来说，这种误差远小于定位精度，可以忽略不计，但是对于采用载波相位测量的精密相对定位而言，这种误差会严重影响测试精度。

多径效应是影响GNSS接收机测量精度的另一个主要误差源。卫星直达信号在传播过程中遇到山脉、河流、高层建筑等复杂环境对会发生反射和散射，某些反射和散射的信号会和直达信号一起被接收机所接收，这些进入接收机天线的反射和散射信号相当于传播路径延长的直达信号，其相位滞后，与原信号叠加后幅度可能衰减或者增强。多径信号会引起接收机载噪比变化，导致码相关峰变形，进而降低接收机的测距精度。

测量型天线除了要求具有高稳定的相位中心和多径抑制能力之外，还要求一定的低仰角增益和交叉极化抑制。提高天线的低仰角增益有利于GNSS接收机接收地平面附近的导航卫星信号，这在某些特定应用场合是非常有用的。提高天线轴比性能有利于抑制多径传输效应，提高测量精度。

业界推出的多种GNSS测量天线，例如Novatel公司的GNSS-750型测量型天线【1】(GNSS-750user guide.www.novatel.com)，覆盖四大导航系统频段，高频带：1525～1612MHz和低频带：1164～1301MHz，采用四个微带偶极子贴片天线通过轴对称分布和多馈源设计保持天线的轴对称，采用馈电网络将四路贴片天线馈电合为一路后经有源接收机放大滤波后输出卫星导航信号。天线增益为5dB，低仰角(90度)增益为-5dB，有源接收机增益为39dB，噪声系数为1.5dB。其天线结构和馈电网络较为复杂，生产加工工艺难度大。文献【2】(张勇虎，卫星导航系统中的测试型天线技术研究，长沙：博士学位论文，2006)的平面螺旋天线旋臂通过中心绕轴对称分布，具有高稳定的相位中心，频带很宽，国内外已有大量学者进行研究。文献【3】(Ronald H Johnston.Development of a High Performance GNSSAntenna.IEEE，2014： 1654-1655)将交叉偶极子安装于圆形波导腔内，利用90度相位差馈电实现天线圆极化，并采取措施拓展工作带宽使其能够覆盖所有的GNSS频段。文献【4】(杨眉，李全明.一种相位中心稳定的微带天线设计.电子测量技术， 2006,29(5)：213-214)提出一种四点馈电方贴片天线，通过均匀对称馈电来改善相位中心的稳定性，与传统设计相比，新的设计对相位方向图的周向对称性有极大的改善，并保证了相位中心的稳定。文献【5】(GNSS Base Station Antenna.Product Series Data Sheet.ORBAN MICROWAVEPRODUCTS.)介绍了一系列用于大地测量、定位以及航空导航的GNSS接收机。其天线具有稳定的相位中心、优良的半球辐射功能、优良的轴比和多径抑制能力。天线采用宽带馈电网络，后端配有宽带的低噪声放大器，并且增益20dB～50dB可选，并配有多频段滤波器选件其频段，可覆盖全部GNSS使用频率。其天线增益在俯仰角-90～90度范围内为-8～7dB，轴比小于5dB。

GNSS测量天线使用的抗多径技术主要包括扼流圈技术【6】(A Three DimensionalChoke RingGround Plane Antenna.WaldemarKunysz,NovAtel Inc)和烽火轮技术。扼流圈原理是将入射波和反射波等幅反相抵消多径信号的传输，扼流圈的深度与频率成反比，单环扼流圈仅对单频的多径信号起到抑制作用，单环抗多径能力最大可达40dB，对于宽带或多频多径信号的抑制需用到多环扼流圈。烽火轮是Novatel公司的技术专利【7】(WaldemarKunysz.High Performance GPS Pinwheel Antenna.Proceedings of theAnnual National Technical Meetingof the Institute of Navigation， 2000:2506-2512.)，起初应用于GPS接收天线，其技术的原理是在接收天线馈电点的设计上采用多馈源阵列设计方案。天线馈电点是指天线与有源接收机模块的电气连接点，一般的天线只有一个馈电点，此种天线相位中心稳定性差，抗多径能力有限。采用烽火轮技术将天线设计为多个馈点，通过馈源的优化排列使得接收多个频段信号的几何相位和电气相位中心能够同轴，消除接收信号的相位偏差，达到抑制多径干扰信号的目的。同时，由于多个频段信号具有稳定的同一相位中心，因而采用此技术的天线还具备较好的相位中心稳定性的特点。但实际上烽火轮技术的抗多径能力有限，仍需要与扼流圈配合使用才能达到最佳效果。

现有技术中，GNSS测量天线具有如下不足：

圆极化天线采用一个馈电点或两个馈电点，其圆极化轴比带宽不能够覆盖全部四大导航频段。

采用四个馈电点的测量天线采用复杂的馈电网络将信号合并为一路再送往有源接收机，其馈电网络复杂，且有损耗，提高了接收机的噪声电平。

圆极化天线天顶增益过高，导致低仰角增益不足。

现有的扼流圈对后瓣爬行波的抑制能力不足。

上述不足的原因如下：

圆极化天线采用一个馈电点或两个馈电点，其圆极化轴比带宽不能够覆盖全部四大导航频段，一般的微带圆极化天线均采用多点馈电方式来拓展轴比带宽，馈电点越多能够实现的轴比带宽越宽。

采用四个馈电点的测量天线采用复杂的馈电网络将信号合并为一路再送往有源接收机，其馈电网络复杂，且其损耗将提高接收机的噪声系数，恶化了接收机灵敏度。

圆极化天线天顶增益过高，导致天线辐射能力集中于天顶附近，对低仰角空域辐射能力不足，且低仰角的交叉极化恶化严重，导致接收系统抗多径传输的能力变差。

现有的扼流圈对后瓣爬行波的抑制能力不足，由于扼流环采用金属结构，通过1/4波长短路面对电磁波进行抑制，但对表面爬行波传输抑制的能力有限。

实用新型内容

针对现存技术存在的不足之处，本实用新型一种具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机。

本实用新型实现其技术目的技术方案是：一种具有精确相位中心的多模 GNSS测试接收机，包括GNSS接收天线和有源接收机；所述的GNSS接收天线包括碗形介质的承载结构，在所述的碗形介质的承载结构内壁上通过电镀工艺印制有至少一对天线轴对称分布、且采用多馈源渐进相位馈电的宽带偶极子。

本实用新型采用多单元轴对称分布的天线单元、并采用多馈源渐进相位馈电，提高了天线的相位中心稳定度和轴比带宽，并改善宽频带天线交叉极化抑制能力。本实用新型的天线单元采用宽带的偶极子，实现四大GNSS导航频率的全覆盖。本实用新型所采用的偶极子天线单元为三维曲面多边形，通过电镀工艺印制于碗形介质内壁，偶极子单元天线随着球形曲面自然弯折，同时倾斜放置，使其最大辐射方向接近于45度仰角，提高天线在低仰角方向的天线增益。本实用新型采用中间薄、边缘厚的碗形介质透镜使得天线波束向地平面倾斜以照顾低仰角增益。本实用新型采用高隔离度扼流环改善天线的抗多径传输能力，使得地物反射波在扼流环得到较大的衰减。本实用新型的天线馈线以最短的电长度接有源接收机，多个馈点在有源接收机内部完成合路、低噪声放大和开关频带滤波等预处理功能。

本实用新型实现一种用于高精度GNSS测量型接收天线，天线实测结果表明，天线的天顶增益约3～5dB，天顶轴比小于0.5dB，地平面增益约 -4.3～-2.4dB，天顶轴比小于0.5dB，低仰角轴比仍小于5dB，相位中心误差小于2mm，适用于GPS、GLONASS、伽利略和北斗导航系统，具有良好的实用性能。

进一步的，上述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机中：所述的偶极子为变形偶极子，其两个叶片分布于碗形介质的承载结构内壁上圆弧面上，呈空间三维分布，地参考极子为球面五边形结构，辐射极子为球面四边形结构，馈电用半钢同轴电缆外屏蔽层穿过参考地极子叶片并良好焊接，半钢同轴电缆芯弯曲焊接于辐射极子的馈电点处。

进一步的，上述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机中：所述的辐射极子叶片随碗形介质的承载结构内壁弧面下垂，使得天线最大辐射方向接近于45度仰角。

进一步的，上述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机中：包括四组变形偶极子，所述的四组变形偶极子按90度中心对称分布，四根垂直安装的半钢同轴电缆分别给四组变形偶极子天线馈电，半钢同轴电缆末端与所述的有源接收机连接。

进一步的，上述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机中：所述的碗形介质的承载结构采用中间薄、边缘厚的结构。

进一步的，上述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机中：还包括消除电磁波的多径传输的金字塔形三维高阻表面结构扼流环，所述的高阻表面由不同高度的金属杆及其顶部粘接的微波吸波介质组成，金属杆的高度随着距天线变远而逐步降低，呈现锥形结构。

进一步的，上述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机中：金属杆通过底部螺钉实现与扼流圈底座紧固，金属杆介质共布置五圈，第一圈每个金属杆间隔18度，第二圈位置间隔15度，第三圈位置间隔15度，第四圈位置间隔11.25度，第五圈位置间隔10度，每圈之间间距15mm；

进一步的，上述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机中：所述的扼流圈外壁直径280mm，深度120mm。

进一步的，上述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机中：有源接收机中包括两个90度电桥和一个180度电桥、低噪声放大器、带通滤波器，四组变形偶极子分别采用两个90度电桥和一个180度电桥实现两级馈电网络，低噪声放大器放置于馈电网络末端、中间和前端，带通滤波器为具体使用的GNSS导航信号的应用频段进行分段滤波的分段滤波网络，所述的分段滤波网络采用一对单刀四掷以及四个不同频段的声表面波滤波器构成。

以下将结合附图和实施例，对本实用新型进行较为详细的说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中使用的三种变形偶极子天线四阵子布局，其中(a)不包含地参考极子，(b)四个地参考极子合并成一个叶片，(c)地参考极子独立放置。

图2为本实用新型实施例1变形偶极子天线的结构。其中，图a是三维视图、b是侧视图、c俯视图。

图3为本实用新型实施例1碗形介质的承载结构。

图4为本实用新型实施例1四单元偶极子阵列结构。图中a、b、c分别为正视图，截面图和透视图。

图5为本实用新型实施例1扼流环的结构。图中a、b、c分别为立体图、正视图和截面图。

图6为本实用新型实施例1有源接收机不同的布置策略。图中a、b、c 分别三种不同的低噪声放大器的插入位置图。

图7为本实用新型实施例1有源接收机外形图。

图8为本实用新型实施例1GNSS天线在不同频率下的辐射方向图。

图9为本实用新型实施例1采用均匀厚度介质壳和凹透镜介质壳的GNSS 天线方向图。

图10为本实用新型实施例1GNSS天线轴比。

图11为本实用新型实施例1天线相位中心测试结果。

图12为本实用新型实施例1GNSS天线整体结构。图中a、b、c分别表示立体图、正视图和截面图。

具体实施方式

本实施例是一种具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机，分为GNSS 接收天线和有源接收机两部分，GNSS接收天线采用四馈电点宽带圆极化设计方法，驻波带宽和轴比带宽均覆盖四大GNSS导航信号频率，且其设计和制造结构简单，零部件少，系统稳定性高；有源接收机采用宽带电桥、低噪声放大器以及开关滤波器网络实现接收信号的预处理。

针对高精度测量型GNSS天线设计的三个核心问题，本实施例提出高精度宽带测量天线的设计方法：(1)天线采用多单元天线轴对称分布、且采用多馈源渐进相位馈电，提高相位中心稳定度，并改善宽频带天线交叉极化抑制能力(即改善天线轴比)，由于圆极化电磁波遇到大地反射极化反向，因此较好的交叉极化抑制能力的天线能够消除大地的一次反射；(2)天线单元采用宽带的偶极子或螺旋臂，实现四大GNSS导航频率的全覆盖；(3)采用高隔离度扼流环改善天线的抗多径传输能力，使得地物反射波在扼流环得到较大的衰减；(4)GNSS测量型天线应能够接收地平面附近的导航卫星的信号，即要求天线在低仰角具有足够高的增益，本实用新型将四个偶极子单元天线弯折设计，同时将偶极子倾斜放置，使其最大辐射方向接近于45度仰角；(5)本实用新型采用中间薄、边缘厚的碗形介质透镜使得天线波束向地平面倾斜以照顾低仰角增益；(6)偶极子天线通过电镀工艺印制在碗形介质内壁上，预留同轴馈线外屏蔽层和内芯的焊接孔，天线单元在空间中为三维分布而非简单二维平面分布；(7)天线馈电点以最短的电长度接有源接收机，多个馈点在有源接收机内部完成合路、低噪声放大和开关频带滤波等预处理功能。

多单元、渐进相位馈电的天线会产生顺序旋转效应，使得天线能够实现宽带的圆极化辐射，一般来说馈电点越多能够实现的轴比带宽越宽。本实用新型为四单元馈电天线，以此为例进行分析。假设四点馈电的电场如下：

其中分别为四点馈电电场向量，E₁～E₄为电场强度，φ为各馈电点相位角递增量。假设四馈点的几何排布角(按中心对称)分别为0、θ、2θ、 3θ，则可以得到总电场的x和y方向的电场分量为：

根据公式(2)可以分析物理制造和组装误差带来的馈源幅相不均衡对天线性能的影响。假设幅度不均衡和物理制造误差可以忽略，且各单元物理分布严格中心对称，即E₁＝E₂＝E₃＝E₄，θ＝90°，则公式(2)消除共有e^jwt项可以得到E_x和E_y的隐式方程：

其中：

(3)是椭圆曲线的方程，计算得到轴比为：

根据(4)可以计算得到3dB轴比带宽超过一个倍频程，即在L波段可以覆盖1～2GHz频率，覆盖四大导航系统的信号频率。

偶极子天线包含参考极子和辐射极子，本实用新型的天线单元采用宽带的变形偶极子实现，四阵子布局如图1所示，其中(a)不包含地参考极子， (b)四个地参考极子合并成一个叶片，(c)地参考极子独立放置。参考极子上有馈电点i。

为了照顾天线的低仰角增益，天线阵子并非平面放置，而是空间折角放置，同时极子本身也为三维曲面。变形偶极子天线结构如图2所示(分别为三维视图a、侧视图b和俯视图c)，偶极子的两个叶片分布于圆弧面上，呈空间三维分布，地参考极子15为球面五边形结构，辐射极子16为球面四边形结构，馈电用半钢同轴电缆17外屏蔽层穿过参考极子叶片并良好焊接，半钢同轴电缆芯18弯曲焊接于辐射叶片适当位置。偶极子天线的形状、尺寸、弧面曲率、相对位置以及同轴线屏蔽层和芯线的焊接位置均需精细优化以达到良好的宽带匹配。变形偶极子的辐射叶片随弧面下垂，使得天线最大辐射方向接近于45度仰角，这样天线在低仰角天线也有足够的增益。

本实施例采用碗形甲基树脂介质如图3所示，作为偶极子天线的承载结构，偶极子天线通过电镀工艺印制在碗形介质内壁上，偶极子的金属镀层厚度为50微米。在同轴线屏蔽层和芯线焊接的位置，碗形介质壳需打孔并作表面金属化处理，方便焊接病确保焊接后的牢固性。碗形介质壳结构上可采用均一厚度，但本实用新型采用中间薄、边缘厚的特殊结构，能够实现凹透镜散射效果，使得源于碗型介质壳内部的天线波束向地平面(低仰角方向)倾斜折射，提高天线的低仰角增益，如图3所示。

本实施例总体的天线结构采用四组变形偶极子按90度中心对称分布，偶极子与偶极子之间间隔适当的距离以保证单元之间隔离度，但偶极子的中心还应足够接近以保证天线的低仰角方向的增益和圆极化轴比性能，这个矛盾由曲面形状的偶极子天线结构以及倾斜的放置方式得以改善，使其能够在足够狭小的空间内布置四组单元天线，同时保证其具有足够好的水平面增益和轴比。四根垂直安装的半钢同轴电缆给偶极子天线馈电，电缆末端穿过天线底金属板与有源接收机连接。偶极子与底金属板的距离以及底金属板的尺寸需要优化以保证合适的天线辐射方向图。碗形介质壳与底金属板通过高强度环氧树脂胶粘接，四单元偶极子阵列结构如图4所示。10为GNSS天线结构； 11～14分别为四个变形偶极子天线；19是介质天线罩；20是天线底金属板； 181～184：四个同轴馈电接口。a、b、c分别为正视图，截面图和透视图。

电磁波经地面、建筑等反射会从负仰角(低于地平面方向)进入天线，对GNSS测量天线的测试精度造成影响。扼流环用于消除电磁波的多径传输，其基本原理是增大负仰角方向电磁波传输的阻抗，工程上采用机加工切削工艺的四分之一槽深二维平面扼流环或三维金字塔形扼流环实现高阻传输表面，阻断或者衰减表面爬行波的传输。

本实施例为进一步加大对表面爬行波的衰减，提出一种金字塔形三维高阻表面结构，具体结构如图5所示。高阻表面由不同高度的金属杆及其顶部粘接的微波吸波介质组成，金属杆的高度随着距天线变远而逐步降低，呈现锥形结构，一定高度的金属杆配合吸波介质实现一定频率的陷波功能，一连串不同的陷波频率能够连续覆盖四大导航卫星频率，即实现了有效的抗多径传输能力。金属杆通过底部螺钉实现与扼流圈底座紧固，金属杆介质陷波结构共布置五圈，第一圈每个金属杆间隔18度共20组，第二圈位置间隔15度共24组，第三圈位置间隔15度共24组，第四圈位置间隔11.25度共32组，第五圈位置间隔10度共36组，每圈之间间距15mm。扼流圈外壁直径280mm，深度120mm。GNSS天线通过天线底金属板上的螺钉孔与扼流圈内壁紧固。图5 中三幅图分别是立体图a、正视图b和截面图。图中，181～184：四组天线单元的馈电点；20：天线底金属板；21：扼流环外壁；22：介质吸波材料；23：金属杆；24：有源接收机安装凸台；25：扼流环内壁。

四阵子天线需要四组等幅功率但相位依次相差90°的馈电网络，分别采用两个90度电桥和一个180度电桥实现两级馈电网络即可实现。低噪声放大器可放置于电桥网络不同的位置。如图6所示为三种不同的低噪声放大器的插入位置，分别位于馈电网络末端、中间和前端。放大器位于馈电网络末端，使用的有源器件最少，成本最小，可靠性最高，但噪声系数略大；放大器位于前段则具有最小的噪声系数，但成本偏高，各放大器设计、布板和调试需保证其幅度和相位的一致性，难度较大；放大器位于中间则结合了前两种优点，即具有较低的噪声系数，同时设计、调试难度也在合理范围内。

本实施例采用放大器放置在中段这种形式，90度和180度电桥以及低噪声放大器均选用成熟的低成本工业级期间，工作频段覆盖1.1～1.9GHz，各路功分不平衡度小于0.5dB，相位不平衡度小于1.5度。

四天线接收信号经馈电网络合路以及低噪声放大之后还需根据具体使用的GNSS导航信号的应用频段进行分段滤波。分段滤波网络采用一对单刀四掷以及四个不同频段的声表面波滤波器构成，如图6所示，源接收机结构如图7 所示。图中，25：扼流环内壁；35：控制和电源接口；36：射频输出接口。

GNSS天线方向图测试结果如图8所示，在1207MHz、1268MHz、1575MHz 和1602MHz的天顶(0度)增益分别达到3.0dB、4.5dB、3.7dB、3.1dB，在地平面(90度和270度)增益分别达到-2.4dB、-3.2dB、-3.7dB、-4.3dB，优于业界产品水平。图9为采用均匀厚度介质壳的GNSS天线与采用凹透镜介质壳天线的方向图对比，可见采用凹透镜介质壳的天线方向图天顶方向增益降低，地平面方向增益升高，达到了波束弯折的效果。天线轴比如图10所示，在天顶轴比均为0.2dB，在地平面方向，轴比分别为12dB、11dB、11dB、10.5dB。详细数据见表1。

表1天线增益和轴比测试结果

有源接收机采用矢量网络分析仪测试，测试时将接收机的一个输入接口接信号而将其他三路接负载，测试该路信号增益和传输相位，测试结果如表2 所示，可见，在每个频率下，各路增益不平衡度(幅度不均衡度)优于0.9dB，相位不平衡度优于5度。

天线相位中心误差测量结果如图11所示，在仰角0°～70°范围内，天线的相位中心误差在2mm以内，具有较高的相位中心稳定度。

天线整体安装结构如图12所示。图中1、2、3分别表示GNSS天线、扼流环、有源接收机。

表2有源接收机各路增益和相位测试结果

频率(GHz)

1.15

1.23

1.32

1.51

1.56

1.62

S11(dB)

-17

-15

-14

-16

-18

-20

S21(dB/deg)

16.25/116

16.16/91

16.15/65

16.32/3

16.40/-13

16.62/-30

S31(dB/deg)

16.14/27

16.24/2

16.35/-24

16.18/-85

16.42/-102

16.56/-121

S41(dB/deg)

16.77/-64

16.65/-91

16.62/-119

17.03/176

17.12/159

17.31/142

S51(dB/deg)

16.63/-155

16.71/176

16.82/148

16.76/83

17.09/66

17.32/48

本实施例具有如下特点：

圆极化天线四个馈电点，馈电相位分别为0度、90度、180度、270度，并采用宽带偶极子天线单元实现宽带圆极化天线，驻波带宽和轴比带宽能够覆盖全部四大导航频段。

天线四个馈电点采用两个90度电桥合并为差分线，差分对经相同参数的低噪声放大器放大后经180度电桥合并为一路，再通过开关滤波器网络输出。

低噪声放大器置于90度电桥和180度电桥之间，前端仅有90度电桥的损耗，因而整体噪声系数较低，宽带电桥和低噪声放大器均有成熟的商用器件，系统成本低。

圆极化天线采用甲基树脂材料制成的碗型结构，辐射贴片为四组宽带偶极子，通过电镀工艺镀在碗型结构内层，馈电线采用同轴线，四个馈电点穿过金属底座与有源接收机连接。

本实施例将四个偶极子单元天线弯折设计，同时将偶极子倾斜放置，使其最大辐射方向接近于45度仰角，提高天线在低仰角的增益。

圆极化天线的碗型结构采用天顶薄、碗边缘厚的特殊结构，实现凹透镜结构，使得天线辐射能够偏向低仰角方向，提高低仰角空域辐射能力，改善低仰角的交叉极化。

本实施例扼流圈采用金属杆加载微波吸收圆盘，多组吸波结构呈现锥形配置，对宽频带后瓣爬行波进行吸收，有效改善天线抗多径传输性能。

本实施例与现有技术关键的区别在于：

本实施例所采用的圆极化天线由四组宽带偶极子天线构成四个馈电点，馈电相位分别为0度、90度、180度、270度。

天线四个馈电输入采用两个90度电桥和一个180度电桥合并为一路，再通过开关滤波器网络输出。

低噪声放大器置于90度电桥和180度电桥之间，宽带电桥和低噪声放大器均有成熟的商用器件，系统成本低。

圆极化天线采用甲基树脂材料制成的碗型结构，具有天顶薄、碗边缘厚的特殊结构，实现凹透镜电磁波折射结构。

辐射贴片为四组宽带偶极子，通过电镀工艺镀在碗型介质结构内层，馈电线采用同轴线，四个馈电点穿过金属底座与有源接收机连接。

本实施例将四个偶极子单元天线弯折设计，同时将偶极子倾斜放置，使其最大辐射方向接近于45度仰角。

本实施例中扼流圈采用金属杆加载微波吸收圆盘实现吸波结构，多组吸波结构呈现锥形配置，实现宽频带抗多径传输。

本实施例采用多单元轴对称分布的天线单元、并采用多馈源渐进相位馈电，提高了天线的相位中心稳定度和轴比带宽，并改善宽频带天线交叉极化抑制能力。本实施例的天线单元采用宽带的偶极子，实现四大GNSS导航频率的全覆盖。本实施例所采用的偶极子天线单元为三维曲面多边形，通过电镀工艺印制于碗形介质内壁，偶极子单元天线随着球形曲面自然弯折，同时倾斜放置，使其最大辐射方向接近于45度仰角，提高天线在低仰角方向的天线增益。本实施例采用中间薄、边缘厚的碗形介质透镜使得天线波束向地平面倾斜以照顾低仰角增益。本实施例采用高隔离度扼流环改善天线的抗多径传输能力，使得地物反射波在扼流环得到较大的衰减。本实施例的天线馈线以最短的电长度接有源接收机，多个馈点在有源接收机内部完成合路、低噪声放大和开关频带滤波等预处理功能。

本实施例实现一种用于高精度GNSS测量型接收天线，天线实测结果表明，天线的天顶增益约3～5dB，天顶轴比小于0.5dB，地平面增益约-4.3～-2.4dB，天顶轴比小于1dB，低仰角轴比仍小于12dB，相位中心误差小于2mm，适用于 GPS、GLONASS、伽利略和北斗导航系统，具有良好的实用性能。

Claims

1.一种具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机，包括GNSS接收天线和有源接收机；其特征在于：所述的GNSS接收天线包括碗形介质的承载结构，在所述的碗形介质的承载结构内壁上通过电镀工艺印制有至少一对天线轴对称分布、且采用多馈源渐进相位馈电的宽带偶极子；所述的偶极子为变形偶极子，其两个叶片分布于碗形介质的承载结构内壁上圆弧面上，呈空间三维分布，参考地极子(15)为球面五边形结构，辐射极子(16)为球面四边形结构，馈电用半钢同轴电缆(17)外屏蔽层穿过参考地极子(15)叶片并良好焊接，半钢同轴电缆芯(18)弯曲焊接于辐射极子(16)的馈电点处。

2.根据权利要求1所述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机，其特征在于：所述的辐射极子(16)叶片随碗形介质的承载结构内壁弧面下垂，使得天线最大辐射方向接近于45度仰角。

3.根据权利要求2所述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机，其特征在于：包括四组变形偶极子，所述的四组变形偶极子按90度中心对称分布，四根垂直安装的半钢同轴电缆(17)分别给四组变形偶极子天线馈电，半钢同轴电缆(17)末端与所述的有源接收机连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机，其特征在于：所述的碗形介质的承载结构采用中间薄、边缘厚的结构。

5.根据权利要求4所述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机，其特征在于：还包括消除电磁波的多径传输的金字塔形三维高阻表面结构扼流环，所述的高阻表面由不同高度的金属杆及其顶部粘接的微波吸波介质组成，金属杆的高度随着距天线变远而逐步降低，呈现锥形结构。

6.根据权利要求5所述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机，其特征在于：金属杆通过底部螺钉实现与扼流圈底座紧固，金属杆介质共布置五圈，第一圈每个金属杆间隔18度，第二圈位置间隔15度，第三圈位置间隔15度，第四圈位置间隔11.25度，第五圈位置间隔10度，每圈之间间距15mm。

7.根据权利要求6所述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机，其特征在于：所述的扼流圈外壁直径280mm，深度120mm。

8.根据权利要求7所述的具有精确相位中心的多模GNSS测试接收机，其特征在于：有源接收机中包括两个90度电桥和一个180度电桥、低噪声放大器、带通滤波器，四组变形偶极子分别采用两个90度电桥和一个180度电桥实现两级馈电网络，低噪声放大器放置于馈电网络末端、中间和前端，带通滤波器为具体使用的GNSS导航信号的应用频段进行分段滤波的分段滤波网络，所述的分段滤波网络采用一对单刀四掷以及四个不同频段的声表面波滤波器构成。