衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線，由7個結(jié)構(gòu)相同的四臂螺旋疊層天線陣元組成，其中6個四臂螺旋疊層天陣元線均勻分布在圓周上，1個四臂螺旋疊層天線陣元設(shè)置在中心；四臂螺旋疊層天線陣元由級聯(lián)的四臂螺旋疊層天線、饋電網(wǎng)絡(luò)和低噪聲放大電路組成；四臂螺旋疊層天線包括層疊放置的分別接收不同頻段的衛(wèi)星信號的上層四臂螺旋天線和下層四臂螺旋天線。它實現(xiàn)了可接收GPS的L1和L2C頻段、北斗的B1和B2頻段、GALILEO的E1和E5頻段信號接收，陣元天線增益均勻并具有高相位中心，可在低仰角處對衛(wèi)星導航信號形成增益，有利于多徑信號抑制的陣列處理實現(xiàn)，有利于實現(xiàn)飛行器精密進近所需的多系統(tǒng)、多頻點、完好性處理。
【專利說明】衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種四臂螺旋寬帶陣列天線，尤其是一種衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線，屬于衛(wèi)星導航航空增強【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]衛(wèi)星導航系統(tǒng)的原理本質(zhì)是無線電測距。接收機天線是實現(xiàn)無線電信號接收的關(guān)鍵部分，其方向圖、工作帶寬和相位穩(wěn)定度等指標直接決定了接收機整體性能。
[0003]陣列天線將多個單天線按一定規(guī)律排列組成天線系統(tǒng)，通過調(diào)整各天線單元的饋電方式和排列規(guī)律，來實現(xiàn)特定的方向圖、極化特性以及帶寬特性需要，具有重要應用前景和意義。
[0004]衛(wèi)星導航成為航空飛行器定位的一種重要技術(shù)途徑，可應用于航路飛行和精密進近。為滿足飛行器精密階段的精度和完好性要求，需要引入增強系統(tǒng)，它由多臺參考接收機和完好性處理信息設(shè)施組成。為便于完好性監(jiān)測，參考接收機的天線增益希望具有均勻特性。此外，衛(wèi)星導航信號弱，易受外界干擾，參考接收機希望具有信號強度改善和干擾抑制功能。
[0005]陣列天線可提高參考接收機的抗多徑、抗干擾性能，提高導航定位精度，使衛(wèi)星導航適用于飛機著陸、著艦等高精度要求的使用場合。但是，目前的參考接收機天線通常采用高精度天線，不具備增益均勻性、信號強度改善和干擾抑制能力。
[0006]Lopez, A.R等在GPS landing system reference antenna, IEEE, Volume: 52, ISSE:1, 2010, Page: 104-113中使用21個陣元形成1路信號，構(gòu)成的天線方向圖增益均勻，但僅接收GPS的L1、L2和L5頻點，未考慮射頻干擾抑制，且其天線呈“桿”狀，加上天線支撐桿，整體尺寸具有一定高度，安裝時需要考慮機場的限高要求。NAVSYS公司研制了應用于GPS的陣列天線，用于提高信號增益、增強抗干擾能力，但未考慮天線增益均勻性。
[0007]目前的技術(shù)方案主要是針對GPS系統(tǒng)，不包含其它衛(wèi)星導航系統(tǒng)；“天線增益均勻性”和“信號強度改善并具備干擾抑制”兩個方面設(shè)計未同時具備。
[0008]本發(fā)明依據(jù)四臂螺旋天線特點，設(shè)計了多系統(tǒng)多頻點的衛(wèi)星導航四臂螺旋陣列天線，通過選擇適當?shù)奈锢沓叽鐏硇纬删鶆蛟鲆娴妮椛浞较驁D，以滿足精密進近參考接收機高性能處理需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線。
[0010]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:
[0011]一種衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線，由7個結(jié)構(gòu)相同的四臂螺旋疊層天線陣元組成，其中6個四臂螺旋疊層天陣元線均勻分布在圓周上，1個四臂螺旋疊層天線陣元設(shè)置在中心；所述四臂螺旋疊層天線陣元由級聯(lián)的四臂螺旋疊層天線、饋電網(wǎng)絡(luò)和低噪聲放大電路組成；所述四臂螺旋疊層天線包括層疊放置的上層四臂螺旋天線和下層四臂螺旋天線；所述上層四臂螺旋天線和下層四臂螺旋天線分別接收不同頻段的衛(wèi)星信號。
[0012]所述上層四臂螺旋天線和下層四臂螺旋天線均由四根長度一致的螺旋導線，等間距圍中軸繞制而成。所述上層四臂螺旋天線接收1.5G頻段的衛(wèi)星信號，所述下層四臂螺旋天線接收1.2G頻段的衛(wèi)星信號。
[0013]所述上層四臂螺旋天線的螺旋升角為45°，天線直徑為25mm ;所述下層四臂螺旋天線的其螺旋升角為65°，螺旋臂的寬度為2mm，天線直徑為35mm。
[0014]所述饋電網(wǎng)絡(luò)為電橋饋電網(wǎng)絡(luò)。
[0015]所述電橋饋電網(wǎng)絡(luò)包括電橋芯片N1-N6 ;所述電橋芯片N1、N3的3腳和4腳分別接上層四臂螺旋天線各螺旋導線的饋電端口 ；所述電橋芯片N5、N7的3腳和4腳分別接下層四臂螺旋天線各螺旋導線的饋電端口 ；所述電橋芯片N2的3腳和4腳分別接所述電橋芯片NI和N3的I腳，其I腳作為所述電橋饋電網(wǎng)絡(luò)的第一輸出端；所述電橋芯片N6的3腳和4腳分別接所述電橋芯片N5和N7的I腳，其I腳作為所述電橋饋電網(wǎng)絡(luò)的第二輸出端。
[0016]所述低噪聲放大電路由低噪聲放大器A1-A3、帶通濾波器Z1-Z2、合路器N4、電阻R1-R6、電容C1-C4、電感LI組成；所述低噪聲放大器Al和A2的輸入端分別接所述電橋饋電網(wǎng)絡(luò)的第一輸出端和第二輸出端，其輸出端分別接所述帶通濾波器Zl和Z2的I腳；所述電阻R1-R3首尾相接，電阻Rl和R2間的結(jié)點接所述帶通濾波器Zl的2腳，電阻Rl和R3間的結(jié)點接合路器N4的3腳，電阻R2和R3間的結(jié)點接地；所述電阻R4-R6首尾相接，電阻R4和R5間的結(jié)點接所述帶通濾波器Z2的2腳，電阻R4和R6間的結(jié)點接合路器N4的4腳，電阻R5和R6間的結(jié)點接地；所述低噪聲放大器A3的I腳經(jīng)電容C3接合路器N4的6腳，其6腳經(jīng)電感LI接+3.3V電源，其4腳接電容C4 ;電容C4的另一端作為所述低噪聲放大電路的輸出端。
[0017]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:
[0018]1、本發(fā)明采用寬帶設(shè)計，實現(xiàn)了 GPS的LI和L2C頻段、北斗的BI和B2頻段、GALILEO的El和E5頻段信號的陣列接收，具有寬頻帶特點，滿足了參考接收機的多模多頻點需求；每路信號合成I路輸出，便于連接使用。
[0019]2、本發(fā)明的天線增益具有均勻特性，可進行衛(wèi)星導航信號增強及干擾抑制，有利于實現(xiàn)飛行器精密進近所需的多系統(tǒng)、多頻點、完好性處理。天線互耦小，具有高穩(wěn)定性相位中心。
[0020]3、本發(fā)明天線具有理想半球輻射特性，便于陣列處理在低仰角處形成較高增益。滿足衛(wèi)星導航航空增強應用需求。
[0021]4、本發(fā)明的兩個頻段信號分別放大再濾波，保證了不受到帶外干擾信號影響，并具有良好信道選擇性。
[0022]5、本發(fā)明有利于降低設(shè)備體積與功耗，便于高精度測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0023]圖1是本發(fā)明的俯視圖；
[0024]圖2是本發(fā)明四臂螺旋疊層天線陣元的原理框圖；
[0025]圖3是本發(fā)明四臂螺旋疊層天線陣元的結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖4是本發(fā)明饋電網(wǎng)路和低噪聲放大器的電路原理圖。
[0027]1:上層四臂螺旋天線，2:銅桿，3:下層四臂螺旋天線，4:底座

【具體實施方式】
[0028]如圖1所示，一種衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線，由7個結(jié)構(gòu)相同的四臂螺旋疊層天線陣元組成，其中6個四臂螺旋疊層天陣元線均勻分布在圓周上，1個四臂螺旋疊層天線陣元設(shè)置在中心。如圖2所示，所述四臂螺旋疊層天線陣元由級聯(lián)的四臂螺旋疊層天線、饋電網(wǎng)絡(luò)和低噪聲放大電路組成。所述四臂螺旋疊層天線包括層疊放置的上層四臂螺旋天線和下層四臂螺旋天線；所述上層四臂螺旋天線和下層四臂螺旋天線分別接收不同頻段的衛(wèi)星信號。
[0029]如圖3所示，所述上層四臂螺旋天線和下層四臂螺旋天線均由四根長度一致的螺旋導線，等間距圍中軸繞制而成。所述上層四臂螺旋天線和下層四臂螺旋天線均由四根長度一致的螺旋導線，等間距圍中軸繞制而成。所述上層四臂螺旋天線接收1.5G頻段的衛(wèi)星信號，所述下層四臂螺旋天線接收1.2G頻段的衛(wèi)星信號。
[0030]為了保證精密進近系統(tǒng)參考天線的寬波束、增益均勻特性，將天線的側(cè)向輻射特性作重點設(shè)計。螺旋天線諧振頻率所對應的波長為由天線直徑和螺旋升角決定:
[0031]λ = 31 d (1+cos α ) /sin α
[0032]依據(jù)此設(shè)計公式，對天線進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化仿真結(jié)果為:
[0033]上層四臂螺旋天線接收1.5G頻段的衛(wèi)星信號，其螺旋升角為45°，直徑為25mm ；下層四臂螺旋天線接收1.2G頻段的衛(wèi)星信號，其螺旋升角為65°，螺旋臂的寬度為2mm，直徑為35mm。
[0034]所述饋電網(wǎng)絡(luò)為電橋饋電網(wǎng)絡(luò)。
[0035]如圖4所示，所述電橋饋電網(wǎng)絡(luò)包括電橋芯片N1-N6 ;所述電橋芯片N1、N3的3腳和4腳分別接上層四臂螺旋天線各螺旋導線的饋電端口 ；所述電橋芯片N5、N7的3腳和4腳分別接下層四臂螺旋天線各螺旋導線的饋電端口 ；所述電橋芯片N2的3腳和4腳分別接所述電橋芯片N1和N3的1腳，其1腳作為所述電橋饋電網(wǎng)絡(luò)的第一輸出端；所述電橋芯片N6的3腳和4腳分別接所述電橋芯片N5和N7的1腳，其1腳作為所述電橋饋電網(wǎng)絡(luò)的第二輸出端。
[0036]如圖4所示，所述低噪聲放大電路由低噪聲放大器A1-A3、帶通濾波器Z1-Z2、合路器N4、電阻R1-R6、電容C1-C4、電感L1組成；所述低噪聲放大器A1和A2的輸入端分別接所述電橋饋電網(wǎng)絡(luò)的第一輸出端和第二輸出端，其輸出端分別接所述帶通濾波器Z1和Z2的1腳；所述電阻R1-R3首尾相接，電阻R1和R2間的結(jié)點接所述帶通濾波器Z1的2腳，電阻R1和R3間的結(jié)點接合路器N4的3腳，電阻R2和R3間的結(jié)點接地；所述電阻R4-R6首尾相接，電阻R4和R5間的結(jié)點接所述帶通濾波器Z2的2腳，電阻R4和R6間的結(jié)點接合路器N4的4腳，電阻R5和R6間的結(jié)點接地；所述低噪聲放大器A3的1腳經(jīng)電容C3接合路器N4的6腳，其6腳經(jīng)電感L1接+3.3V電源，其4腳接電容C4 ；電容C4的另一端作為所述低噪聲放大電路的輸出端。
[0037]根據(jù)GPS的L1和L2C頻段、北斗的B1和B2頻段、GALILEO的E1和E5頻段信號的頻點設(shè)置，每個系統(tǒng)的兩個頻點，分別屬于兩個頻段:L1、B1、E1信號屬于1.5GHz頻段，L2C、B2、E5信號屬于1.2GHz頻段。
[0038]四臂螺旋疊層天線采用將兩個四臂螺旋天線進行疊層放置形式，上層螺旋天線工作在1.5GHz頻段，下層螺旋天線工作在1.2GHz頻段。上層螺旋天線的四個螺旋臂電流幅值相等，采用電橋饋電，4個端口間的相位差依次為0°、90°、180°、270°方式進行饋電。下層螺旋天線的四個螺旋臂電流幅值相等，采用電橋饋電，4個端口間的相位差依次為0°、90°、180°、270°方式進行饋電。
[0039]上層螺旋天線采用柔性PCB結(jié)構(gòu)，將其彎折，并與天線輻射振子印刷成于一體。下層螺旋天線底部采用平面PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計。
[0040]上層螺旋天線的饋電線纜從高度為69mm，直徑為1mm的銅管內(nèi)部穿過，上層螺旋天線和下層螺旋天線距離51mm。
[0041]饋電網(wǎng)路采用Anaren公司的XC1400P-03S，其幅相不平衡度為0.3dB/4°，具有良好的幅相平衡特性，并保證了天線優(yōu)異的軸比和相位中心穩(wěn)定度。
[0042]低噪聲放大器前級采用WANTC0M公司的超低噪聲器件WHM14-3020LE，帶通濾波器CMF44C1575C32B和NBF4565C1166C98A分別將1.5GHz頻段和1.2GHz頻段的衛(wèi)星導航信號濾出。
[0043]電阻R1、R2、R3和R4、R5、R6組成兩個級間匹配網(wǎng)絡(luò)，保證帶通濾波器的端口具有較小的電壓駐波比，從而使帶通濾波器良好的幅頻特性不受后端的影響。
[0044]應用MIN1-CIRCUITS的SBTC_2_25將兩個頻段信號合路，之后進行低噪聲放大，整個限幅場放的噪聲系數(shù)小于0.8dB,增益為40dB。
[0045]兩個頻段信號分別放大再濾波的設(shè)計保證了不受到帶外干擾信號影響，并具有良好信道選擇性。
【權(quán)利要求】
1.一種衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線，其特征在于:由7個結(jié)構(gòu)相同的四臂螺旋疊層天線陣元組成，其中6個四臂螺旋疊層天陣元線均勻分布在圓周上，1個四臂螺旋疊層天線陣元設(shè)置在中心；所述四臂螺旋疊層天線陣元由級聯(lián)的四臂螺旋疊層天線、饋電網(wǎng)絡(luò)和低噪聲放大電路組成；所述四臂螺旋疊層天線包括層疊放置的上層四臂螺旋天線和下層四臂螺旋天線；所述上層四臂螺旋天線和下層四臂螺旋天線分別接收不同頻段的衛(wèi)星信號。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線，其特征在于:所述上層四臂螺旋天線和下層四臂螺旋天線均由四根長度一致的螺旋導線，等間距圍中軸繞制而成；所述上層四臂螺旋天線接收1.5G頻段的衛(wèi)星信號。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求2所述的衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線，其特征在于:其螺旋升角為45°，直徑為25mm ;所述下層四臂螺旋天線接收1.2G頻段的衛(wèi)星信號，其螺旋升角為65°，螺旋臂的寬度為2mm，直徑為35mm。
4.一種根據(jù)由權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線，其特征在于:所述饋電網(wǎng)絡(luò)為電橋饋電網(wǎng)絡(luò)。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求4所述的衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線，其特征在于:所述電橋饋電網(wǎng)絡(luò)包括電橋芯片N1-N6 ;所述電橋芯片N1、N3的3腳和4腳分別接上層四臂螺旋天線各螺旋導線的饋電端口 ；所述電橋芯片N5、N7的3腳和4腳分別接下層四臂螺旋天線各螺旋導線的饋電端口 ；所述電橋芯片N2的3腳和4腳分別接所述電橋芯片N1和N3的1腳，其1腳作為所述電橋饋電網(wǎng)絡(luò)的第一輸出端；所述電橋芯片N6的3腳和4腳分別接所述電橋芯片N5和N7的1腳，其1腳作為所述電橋饋電網(wǎng)絡(luò)的第二輸出端。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的任一衛(wèi)星導航精密進近四臂螺旋寬帶陣列天線，其特征在于:所述低噪聲放大電路由低噪聲放大器A1-A3、帶通濾波器Z1-Z2、合路器N4、電阻R1-R6、電容C1-C4、電感L1組成；所述低噪聲放大器A1和A2的輸入端分別接所述電橋饋電網(wǎng)絡(luò)的第一輸出端和第二輸出端，其輸出端分別接所述帶通濾波器Z1和Z2的1腳；所述電阻R1-R3首尾相接，電阻R1和R2間的結(jié)點接所述帶通濾波器Z1的2腳，電阻R1和R3間的結(jié)點接合路器N4的3腳，電阻R2和R3間的結(jié)點接地；所述電阻R4-R6首尾相接，電阻R4和R5間的結(jié)點接所述帶通濾波器Z2的2腳，電阻R4和R6間的結(jié)點接合路器N4的4腳，電阻R5和R6間的結(jié)點接地；所述低噪聲放大器A3的1腳經(jīng)電容C3接合路器N4的6腳，其6腳經(jīng)電感L1接+3.3V電源，其4腳接電容C4 ;電容C4的另一端作為所述低噪聲放大電路的輸出端。
【文檔編號】H01Q5/20GK104393424SQ201410679814
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】邢兆棟, 董建明, 張輝, 徐良, 屈崇祥 申請人:中國電子科技集團公司第五十四研究所