CN104393424B - 卫星导航精密进近四臂螺旋宽带阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星导航精密进近四臂螺旋宽带阵列天线，由7个结构相同的四臂螺旋叠层天线阵元组成，其中6个四臂螺旋叠层天阵元线均匀分布在圆周上，1个四臂螺旋叠层天线阵元设置在中心；四臂螺旋叠层天线阵元由级联的四臂螺旋叠层天线、馈电网络和低噪声放大电路组成；四臂螺旋叠层天线包括层叠放置的分别接收不同频段的卫星信号的上层四臂螺旋天线和下层四臂螺旋天线。它实现了可接收GPS的L1和L2C频段、北斗的B1和B2频段、GALILEO的E1和E5频段信号接收，阵元天线增益均匀并具有高相位中心，可在低仰角处对卫星导航信号形成增益，有利于多径信号抑制的阵列处理实现，有利于实现飞行器精密进近所需的多系统、多频点、完好性处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种四臂螺旋宽带阵列天线，尤其是一种卫星导航精密进近四臂螺旋宽带阵列天线，属于卫星导航航空增强技术领域。
背景技术
卫星导航系统的原理本质是无线电测距。接收机天线是实现无线电信号接收的关键部分，其方向图、工作带宽和相位稳定度等指标直接决定了接收机整体性能。
阵列天线将多个单天线按一定规律排列组成天线系统，通过调整各天线单元的馈电方式和排列规律，来实现特定的方向图、极化特性以及带宽特性需要，具有重要应用前景和意义。
卫星导航成为航空飞行器定位的一种重要技术途径，可应用于航路飞行和精密进近。为满足飞行器精密阶段的精度和完好性要求，需要引入增强系统，它由多台参考接收机和完好性处理信息设施组成。为便于完好性监测，参考接收机的天线增益希望具有均匀特性。此外，卫星导航信号弱，易受外界干扰，参考接收机希望具有信号强度改善和干扰抑制功能。
阵列天线可提高参考接收机的抗多径、抗干扰性能，提高导航定位精度,使卫星导航适用于飞机着陆、着舰等高精度要求的使用场合。但是，目前的参考接收机天线通常采用高精度天线，不具备增益均匀性、信号强度改善和干扰抑制能力。
Lopez，A.R等在GPS landing system reference antenna，IEEE,Volume:52,ISSE:1,2010,Page:104-113中使用21个阵元形成1路信号，构成的天线方向图增益均匀，但仅接收GPS的L1、L2和L5频点，未考虑射频干扰抑制，且其天线呈“杆”状，加上天线支撑杆，整体尺寸具有一定高度，安装时需要考虑机场的限高要求。NAVSYS公司研制了应用于GPS的阵列天线，用于提高信号增益、增强抗干扰能力，但未考虑天线增益均匀性。
目前的技术方案主要是针对GPS系统，不包含其它卫星导航系统；“天线增益均匀性”和“信号强度改善并具备干扰抑制”两个方面设计未同时具备。
本发明依据四臂螺旋天线特点，设计了多系统多频点的卫星导航四臂螺旋阵列天线，通过选择适当的物理尺寸来形成均匀增益的辐射方向图，以满足精密进近参考接收机高性能处理需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种卫星导航精密进近四臂螺旋宽带阵列天线。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种卫星导航精密进近四臂螺旋宽带阵列天线，由7个结构相同的四臂螺旋叠层天线阵元组成，其中6个四臂螺旋叠层天阵元线均匀分布在圆周上，1个四臂螺旋叠层天线阵元设置在中心；所述四臂螺旋叠层天线阵元由级联的四臂螺旋叠层天线、馈电网络和低噪声放大电路组成；所述四臂螺旋叠层天线包括层叠放置的上层四臂螺旋天线和下层四臂螺旋天线；所述上层四臂螺旋天线和下层四臂螺旋天线分别接收不同频段的卫星信号。
所述上层四臂螺旋天线和下层四臂螺旋天线均由四根长度一致的螺旋导线，等间距围中轴绕制而成。所述上层四臂螺旋天线接收1.5G频段的卫星信号，所述下层四臂螺旋天线接收1.2G频段的卫星信号。
所述上层四臂螺旋天线的螺旋升角为45°，天线直径为25mm；所述下层四臂螺旋天线的其螺旋升角为65°，螺旋臂的宽度为2mm，天线直径为35mm。
所述馈电网络为电桥馈电网络。
所述电桥馈电网络包括电桥芯片N1-N6；所述电桥芯片N1、N3的3脚和4脚分别接上层四臂螺旋天线各螺旋导线的馈电端口；所述电桥芯片N5、N7的3脚和4脚分别接下层四臂螺旋天线各螺旋导线的馈电端口；所述电桥芯片N2的3脚和4脚分别接所述电桥芯片N1和N3的1脚，其1脚作为所述电桥馈电网络的第一输出端；所述电桥芯片N6的3脚和4脚分别接所述电桥芯片N5和N7的1脚，其1脚作为所述电桥馈电网络的第二输出端。
所述低噪声放大电路由低噪声放大器A1-A3、带通滤波器Z1-Z2、合路器N4、电阻R1-R6、电容C1-C4、电感L1组成；所述低噪声放大器A1和A2的输入端分别接所述电桥馈电网络的第一输出端和第二输出端，其输出端分别接所述带通滤波器Z1和Z2的1脚；所述电阻R1-R3首尾相接，电阻R1和R2间的结点接所述带通滤波器Z1的2脚，电阻R1和R3间的结点接合路器N4的3脚，电阻R2和R3间的结点接地；所述电阻R4-R6首尾相接，电阻R4和R5间的结点接所述带通滤波器Z2的2脚，电阻R4和R6间的结点接合路器N4的4脚，电阻R5和R6间的结点接地；所述低噪声放大器A3的1脚经电容C3接合路器N4的6脚，其6脚经电感L1接+3.3V电源，其4脚接电容C4；电容C4的另一端作为所述低噪声放大电路的输出端。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明采用宽带设计，实现了GPS的L1和L2C频段、北斗的B1和B2频段、GALILEO的E1和E5频段信号的阵列接收，具有宽频带特点，满足了参考接收机的多模多频点需求；每路信号合成1路输出，便于连接使用。
2、本发明的天线增益具有均匀特性，可进行卫星导航信号增强及干扰抑制，有利于实现飞行器精密进近所需的多系统、多频点、完好性处理。天线互耦小，具有高稳定性相位中心。
3、本发明天线具有理想半球辐射特性，便于阵列处理在低仰角处形成较高增益。满足卫星导航航空增强应用需求。
4、本发明的两个频段信号分别放大再滤波，保证了不受到带外干扰信号影响，并具有良好信道选择性。
5、本发明有利于降低设备体积与功耗，便于高精度测量。
附图说明：
图1是本发明的俯视图；
图2是本发明四臂螺旋叠层天线阵元的原理框图；
图3是本发明四臂螺旋叠层天线阵元的结构图；
图4是本发明馈电网路和低噪声放大器的电路原理图。
1：上层四臂螺旋天线，2：铜杆，3：下层四臂螺旋天线，4：底座
具体实施方式
如图1所示，一种卫星导航精密进近四臂螺旋宽带阵列天线，由7个结构相同的四臂螺旋叠层天线阵元组成，其中6个四臂螺旋叠层天阵元线均匀分布在圆周上，1个四臂螺旋叠层天线阵元设置在中心。如图2所示，所述四臂螺旋叠层天线阵元由级联的四臂螺旋叠层天线、馈电网络和低噪声放大电路组成。所述四臂螺旋叠层天线包括层叠放置的上层四臂螺旋天线和下层四臂螺旋天线；所述上层四臂螺旋天线和下层四臂螺旋天线分别接收不同频段的卫星信号。
如图3所示，所述上层四臂螺旋天线和下层四臂螺旋天线均由四根长度一致的螺旋导线，等间距围中轴绕制而成。所述上层四臂螺旋天线和下层四臂螺旋天线均由四根长度一致的螺旋导线，等间距围中轴绕制而成。所述上层四臂螺旋天线接收1.5G频段的卫星信号，所述下层四臂螺旋天线接收1.2G频段的卫星信号。
为了保证精密进近系统参考天线的宽波束、增益均匀特性，将天线的侧向辐射特性作重点设计。螺旋天线谐振频率所对应的波长为由天线直径和螺旋升角决定：
λ＝πd(1+cosα)/sinα
依据此设计公式，对天线进行优化设计，优化仿真结果为：
上层四臂螺旋天线接收1.5G频段的卫星信号，其螺旋升角为45°，直径为25mm；下层四臂螺旋天线接收1.2G频段的卫星信号，其螺旋升角为65°，螺旋臂的宽度为2mm，直径为35mm。
所述馈电网络为电桥馈电网络。
如图4所示，所述电桥馈电网络包括电桥芯片N1-N6；所述电桥芯片N1、N3的3脚和4脚分别接上层四臂螺旋天线各螺旋导线的馈电端口；所述电桥芯片N5、N7的3脚和4脚分别接下层四臂螺旋天线各螺旋导线的馈电端口；所述电桥芯片N2的3脚和4脚分别接所述电桥芯片N1和N3的1脚，其1脚作为所述电桥馈电网络的第一输出端；所述电桥芯片N6的3脚和4脚分别接所述电桥芯片N5和N7的1脚，其1脚作为所述电桥馈电网络的第二输出端。
如图4所示，所述低噪声放大电路由低噪声放大器A1-A3、带通滤波器Z1-Z2、合路器N4、电阻R1-R6、电容C1-C4、电感L1组成；所述低噪声放大器A1和A2的输入端分别接所述电桥馈电网络的第一输出端和第二输出端，其输出端分别接所述带通滤波器Z1和Z2的1脚；所述电阻R1-R3首尾相接，电阻R1和R2间的结点接所述带通滤波器Z1的2脚，电阻R1和R3间的结点接合路器N4的3脚，电阻R2和R3间的结点接地；所述电阻R4-R6首尾相接，电阻R4和R5间的结点接所述带通滤波器Z2的2脚，电阻R4和R6间的结点接合路器N4的4脚，电阻R5和R6间的结点接地；所述低噪声放大器A3的1脚经电容C3接合路器N4的6脚，其6脚经电感L1接+3.3V电源，其4脚接电容C4；电容C4的另一端作为所述低噪声放大电路的输出端。
根据GPS的L1和L2C频段、北斗的B1和B2频段、GALILEO的E1和E5频段信号的频点设置，每个系统的两个频点，分别属于两个频段：L1、B1、E1信号属于1.5GHz频段，L2C、B2、E5信号属于1.2GHz频段。
四臂螺旋叠层天线采用将两个四臂螺旋天线进行叠层放置形式，上层螺旋天线工作在1.5GHz频段，下层螺旋天线工作在1.2GHz频段。上层螺旋天线的四个螺旋臂电流幅值相等，采用电桥馈电，4个端口间的相位差依次为0°、90°、180°、270°方式进行馈电。下层螺旋天线的四个螺旋臂电流幅值相等，采用电桥馈电，4个端口间的相位差依次为0°、90°、180°、270°方式进行馈电。
上层螺旋天线采用柔性PCB结构，将其弯折，并与天线辐射振子印刷成于一体。下层螺旋天线底部采用平面PCB结构设计。
上层螺旋天线的馈电线缆从高度为69mm,直径为10mm的铜管内部穿过，上层螺旋天线和下层螺旋天线距离51mm。
馈电网路采用Anaren公司的XC1400P-03S，其幅相不平衡度为0.3dB/4°，具有良好的幅相平衡特性，并保证了天线优异的轴比和相位中心稳定度。
低噪声放大器前级采用WANTCOM公司的超低噪声器件WHM14-3020LE，带通滤波器CMF44C1575C32B和NBF4565C1166C98A分别将1.5GHz频段和1.2GHz频段的卫星导航信号滤出。
电阻R1、R2、R3和R4、R5、R6组成两个级间匹配网络，保证带通滤波器的端口具有较小的电压驻波比，从而使带通滤波器良好的幅频特性不受后端的影响。
应用MINI-CIRCUITS的SBTC-2-25将两个频段信号合路，之后进行低噪声放大，整个限幅场放的噪声系数小于0.8dB,增益为40dB。
两个频段信号分别放大再滤波的设计保证了不受到带外干扰信号影响，并具有良好信道选择性。
Claims (4)
1.一种卫星导航精密进近四臂螺旋宽带阵列天线，其特征在于：由7个结构相同的四臂螺旋叠层天线阵元组成，其中6个四臂螺旋叠层天阵元线均匀分布在圆周上，1个四臂螺旋叠层天线阵元设置在中心；所述四臂螺旋叠层天线阵元由级联的四臂螺旋叠层天线、馈电网络和低噪声放大电路组成；所述四臂螺旋叠层天线包括层叠放置的上层四臂螺旋天线和下层四臂螺旋天线；所述上层四臂螺旋天线和下层四臂螺旋天线分别接收不同频段的卫星信号；
其中，所述馈电网络为电桥馈电网络，所述低噪声放大电路由低噪声放大器A1-A3、带通滤波器Z1-Z2、合路器N4、电阻R1-R6、电容C1-C4、电感L1组成；所述低噪声放大器A1和A2的输入端分别接所述电桥馈电网络的第一输出端和第二输出端，其输出端分别接所述带通滤波器Z1和Z2的1脚；所述电阻R1-R3首尾相接，电阻R1和R2间的结点接所述带通滤波器Z1的2脚，电阻R1和R3间的结点接合路器N4的3脚，电阻R2和R3间的结点接地；所述电阻R4-R6首尾相接，电阻R4和R5间的结点接所述带通滤波器Z2的2脚，电阻R4和R6间的结点接合路器N4的4脚，电阻R5和R6间的结点接地；所述低噪声放大器A3的1脚经电容C3接合路器N4的6脚，其6脚经电感L1接+3.3V电源，其4脚接电容C4；电容C4的另一端作为所述低噪声放大电路的输出端。
2.一种根据权利要求1所述的卫星导航精密进近四臂螺旋宽带阵列天线，其特征在于：所述上层四臂螺旋天线和下层四臂螺旋天线均由四根长度一致的螺旋导线，等间距围中轴绕制而成；所述上层四臂螺旋天线接收1.5G频段的卫星信号。
3.一种根据权利要求2所述的卫星导航精密进近四臂螺旋宽带阵列天线，其特征在于：其螺旋升角为45°，直径为25mm；所述下层四臂螺旋天线接收1.2G频段的卫星信号，其螺旋升角为65°，螺旋臂的宽度为2mm，直径为35mm。
4.一种根据权利要求1所述的卫星导航精密进近四臂螺旋宽带阵列天线，其特征在于：所述电桥馈电网络包括电桥芯片N1-N6；所述电桥芯片N1、N3的3脚和4脚分别接上层四臂螺旋天线各螺旋导线的馈电端口；所述电桥芯片N5、N7的3脚和4脚分别接下层四臂螺旋天线各螺旋导线的馈电端口；所述电桥芯片N2的3脚和4脚分别接所述电桥芯片N1和N3的1脚，其1脚作为所述电桥馈电网络的第一输出端；所述电桥芯片N6的3脚和4脚分别接所述电桥芯片N5和N7的1脚，其1脚作为所述电桥馈电网络的第二输出端。
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