本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別是一種用于gps信號(hào)監(jiān)測(cè)的高性能射頻監(jiān)測(cè)前端，主要由pcb八木天線(xiàn)陣列、專(zhuān)用橋式合路器、濾波器和低噪聲放大器組成。本發(fā)明專(zhuān)注于提升gps?l1頻段信號(hào)的接收精度和抗干擾能力，尤其適用于干擾密集的環(huán)境下使用。

背景技術(shù)：

1、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（gnss）已廣泛應(yīng)用于多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，然而，由于gnss信號(hào)的低功率特性，其易受外界干擾影響，尤其是在電磁干擾源密集的環(huán)境中，gnss信號(hào)的接收質(zhì)量和定位精度均會(huì)顯著下降。例如，城市密集建筑區(qū)、山區(qū)以及軍事干擾環(huán)境等，均可能導(dǎo)致gnss定位系統(tǒng)性能大幅度降低，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)設(shè)備在檢測(cè)微弱干擾信號(hào)時(shí)存在靈敏度不足和測(cè)向精度不高的問(wèn)題，這促使了對(duì)高增益、高純凈度和優(yōu)異測(cè)向性能的射頻監(jiān)測(cè)前端的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種高性能的gps信號(hào)監(jiān)測(cè)天線(xiàn)陣列及其射頻監(jiān)測(cè)前端，能夠顯著提高對(duì)微弱gps干擾信號(hào)的檢測(cè)和測(cè)向能力。該天線(xiàn)陣列采用印刷電路板（pcb）技術(shù)制造，由多個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的八木天線(xiàn)單元組成，配合專(zhuān)用的橋式合路器、濾波器和低噪聲放大器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)gps?l1頻段信號(hào)的高效接收和處理；通過(guò)本發(fā)明的設(shè)計(jì)，可以大幅提升系統(tǒng)的方向性增益、信號(hào)純凈度和抗干擾能力，為gnss監(jiān)測(cè)提供可靠的技術(shù)保障。

2、八木天線(xiàn)單元設(shè)計(jì)?本發(fā)明的八木天線(xiàn)單元專(zhuān)為gps?l1頻段（1575.42?mhz）設(shè)計(jì)，采用印刷電路板（pcb）技術(shù)制造，該天線(xiàn)單元包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)振子、一個(gè)反射振子和兩個(gè)導(dǎo)引振子，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：驅(qū)動(dòng)振子（1）：長(zhǎng)度為9.5cm，是天線(xiàn)的主要輻射單元，負(fù)責(zé)接收和發(fā)送信號(hào)；?反射振子（3）：長(zhǎng)度為20cm，位于驅(qū)動(dòng)振子的一側(cè)，起到抑制背向傳來(lái)的信號(hào)的作用，從而提高天線(xiàn)的方向性；導(dǎo)引振子（2）：長(zhǎng)度為8.3cm，位于驅(qū)動(dòng)振子的另一側(cè)，用于增強(qiáng)前方信號(hào)的接收能力；?為了實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)單元的高性能，天線(xiàn)材料選擇了羅杰斯高頻板，其低介電損耗和高導(dǎo)電性確保了高頻信號(hào)的傳輸穩(wěn)定性；外層銅厚為2.5盎司，以增強(qiáng)信號(hào)的傳輸性能；反射振子與驅(qū)動(dòng)振子的間距設(shè)為3.5cm，驅(qū)動(dòng)振子與導(dǎo)引振子的間距為3.8cm，以實(shí)現(xiàn)50ω的阻抗匹配；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此設(shè)計(jì)能夠有效優(yōu)化天線(xiàn)的性能；天線(xiàn)的輸入端采用sma陰頭（4），尾端預(yù)留固定螺絲孔，以便于安裝固定。

3、八木天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)?為了進(jìn)一步提升接收增益和方向性，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)由四個(gè)八木天線(xiàn)單元組成的陣列，如圖2所示。陣列天線(xiàn)利用干涉效應(yīng)，通過(guò)多個(gè)輻射單元的相位疊加，增強(qiáng)主方向的信號(hào)，衰減次方向的信號(hào)。具體而言，陣列天線(xiàn)采用2×2的結(jié)構(gòu)排列，天線(xiàn)單元之間的中心間距均為20cm，以確保在主波束方向的增益最大化；該陣列天線(xiàn)固定在一個(gè)u型亞克力支架上，u型支架能夠有效支持天線(xiàn)陣列的穩(wěn)定性，并減少外部振動(dòng)對(duì)天線(xiàn)性能的影響；天線(xiàn)單元與合路器之間通過(guò)sma鍍銀射頻連接線(xiàn)連接，確保了信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和一致性。

4、橋式射頻合路器設(shè)計(jì)?本發(fā)明設(shè)計(jì)了一款專(zhuān)用的橋式射頻合路器，主要用于將多個(gè)天線(xiàn)單元的信號(hào)合并為一個(gè)輸出信號(hào)，如圖3所示。合路器采用兩個(gè)2合1同頻橋式合路器組合而成，輸入端口（5）間通過(guò)50歐姆（6）電阻進(jìn)行橋接，從而保證系統(tǒng)的阻抗匹配；合路器的電路布局嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)，以消除信號(hào)的相位差，確保輸出信號(hào)的一致性和純凈度；如圖5所示，天線(xiàn)單元與合路器之間通過(guò)sma鍍銀射頻連接線(xiàn)連接，并且四個(gè)天線(xiàn)單元與合路器之間的射頻連接線(xiàn)長(zhǎng)度嚴(yán)格等長(zhǎng)，以避免射頻連接線(xiàn)長(zhǎng)度差異導(dǎo)致引入相位誤差。

5、帶通濾波器的選擇?合路器輸出端（7）通過(guò)sma鍍銀射頻連接線(xiàn)連接gps專(zhuān)用帶通濾波器（9）；濾波器是一個(gè)選頻電路，只允許特定頻段內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，并抑制和衰減其他頻段信號(hào)，主要作用有：?提高信號(hào)純凈度，有效減少了鄰頻信號(hào)的干擾，提升了接收信號(hào)的純凈度；?增強(qiáng)抗干擾能力，通過(guò)抑制高功率鄰頻臺(tái)站的信號(hào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力；?減小互調(diào)干擾，減弱接收機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的互調(diào)干擾信號(hào)；?本發(fā)明采用低損耗gps?saw濾波器，其低插入損耗、高隔離度、小尺寸的特點(diǎn)使其成為高精度gps信號(hào)監(jiān)測(cè)的理想選擇。

6、低噪聲放大器（lna）設(shè)計(jì)?帶通濾波器的輸出端通過(guò)sma鍍銀射頻連接線(xiàn)連接低噪聲放大器（lna）（10），lna負(fù)責(zé)將天線(xiàn)接收的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，并確保放大過(guò)程中引入的噪聲和失真最小化；lna的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括噪聲系數(shù)和三階輸入截止點(diǎn)；為保證系統(tǒng)的高性能，本發(fā)明采用國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的高性能lna芯片，并參照相關(guān)設(shè)計(jì)示例針對(duì)本發(fā)明進(jìn)行輸出輸入和偏置電路設(shè)計(jì)，如圖4。

7、組件固定和布局設(shè)計(jì)?為了實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)的緊湊性和實(shí)用性，帶通濾波器（9）和lna（10）并排固定在亞克力支架下方，兩個(gè)輸出口均較支架下緣凸出，便于與后續(xù)儀表設(shè)備連接；根據(jù)應(yīng)用需求，帶通濾波器直連儀表設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)為無(wú)源天線(xiàn)模式；若帶通濾波器連接lna，再與儀表設(shè)備連接，則系統(tǒng)為有源天線(xiàn)模式，適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景；切換為有源天線(xiàn)使用時(shí)，需要配備電池，電池電壓3-5v，可通過(guò)膠帶固定在亞克力支架內(nèi)測(cè)，方便為lna供電；為實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)便攜使用，在合路器（8）上方安裝了輕質(zhì)的把手（11），由于天線(xiàn)整體輕便，且整體重心較低，天線(xiàn)持握后天線(xiàn)自然向前，有助于徒步監(jiān)測(cè)過(guò)程中起到省力作用。

8、實(shí)施例

9、為驗(yàn)證本發(fā)明的實(shí)際性能，本發(fā)明制作了樣品天線(xiàn)陣列，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，如圖6所示，測(cè)試環(huán)境涵蓋了城市建筑密集區(qū)、郊區(qū)開(kāi)闊地帶和山區(qū)復(fù)雜地形，分別模擬了不同干擾強(qiáng)度和環(huán)境條件下的gps信號(hào)接收情況。

10、在城市環(huán)境中，測(cè)試結(jié)果顯示，本發(fā)明的天線(xiàn)陣列能夠有效提升弱gps信號(hào)的接收強(qiáng)度，特別是在gps信號(hào)受到建筑物反射和多徑效應(yīng)干擾的情況下，天線(xiàn)陣列仍能保持較高的方向性和增益，使定位誤差減少了約20%。

11、在郊區(qū)測(cè)試中，天線(xiàn)陣列展現(xiàn)出卓越的抗干擾能力，在模擬的強(qiáng)干擾源（如電信基站和廣播發(fā)射塔）環(huán)境下，帶通濾波器的高選擇性有效抑制了鄰頻雜散干擾信號(hào)，保持了gps信號(hào)的純凈度。通過(guò)濾波器和lna的協(xié)同作用，天線(xiàn)陣列在中等干擾強(qiáng)度下仍能提供穩(wěn)定的信號(hào)輸出，確保監(jiān)測(cè)設(shè)備能持續(xù)捕獲并處理gps干擾信號(hào)。

12、在山區(qū)測(cè)試中，天線(xiàn)陣列表現(xiàn)出良好的信號(hào)獲取能力和環(huán)境適應(yīng)性，在地形復(fù)雜、信號(hào)易受遮擋的情況下，天線(xiàn)陣列能夠有效捕捉到微弱的gps信號(hào)，濾波器進(jìn)一步清除干擾信號(hào)，lna確保信號(hào)強(qiáng)度滿(mǎn)足后續(xù)處理需求，即使在極端環(huán)境下（如山谷深處或多障礙物區(qū)），天線(xiàn)陣列的測(cè)向誤差也僅為2度左右。

13、此外，我們還對(duì)不同頻率的干擾進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)測(cè)試，如圖7所示，結(jié)果顯示，本發(fā)明的設(shè)計(jì)在1570-1582mhz工作頻段內(nèi)，駐波比始終保持在1.9以下，表明天線(xiàn)具備良好的阻抗匹配和選頻特性，在實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明能夠有效檢測(cè)到功率極低的干擾信號(hào)，其干擾檢測(cè)靈敏度提高了約30%。

14、總體而言，本發(fā)明的樣品天線(xiàn)陣列和射頻監(jiān)測(cè)前端在各種復(fù)雜環(huán)境下均表現(xiàn)出色，特別是在強(qiáng)干擾環(huán)境中，依然能夠保持較高的gps信號(hào)接收精度和可靠性，這些測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本發(fā)明在實(shí)際無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)任務(wù)中的可行性和優(yōu)越性能。