一种应用于微小型无人机的GPS/BDII三频双系统有源卫星导航接收天线

摘要

本发明提供一种应用于微小型无人机的GPS/BDII三频天线，包括无源介质陶瓷天线片组合、低噪声放大电路及屏蔽盒三部分。其中陶瓷天线片组合由两块高介电常数的陶瓷天线片组成，低噪声放大电路由两条射频支路构成，屏蔽盒与电路板共型设计，起到防异物以及电磁屏蔽的作用。在本发明中，天线兼容GPS/BDII双系统三频点工作、具备良好的抗干扰性能以及防过压/防电源反接的特点。

说明书

技术领域：

本发明属于卫星导航领域，涉及一种采用异型结构设计的轻量化、小型卫星导航天线。

 

背景技术

微小型无人机对天线的尺寸、高度、重量、抗干扰性能要求苛刻。在满足授时、定位的导航需求下，航空天线的小型化是未来无人机导航系统研究的发展方向。

随着我国北斗二代卫星导航系统的快速发展，GPS/BDII双系统一体式天线是未来航空天线的发展趋势。

该微小型无人机任务需求为：设计一款小型航空天线，天线放置于天线舱体结构中，舱体结构平面尺寸图如图1所示，舱体高度为13mm（图一为二维平面尺寸图，高度信息于此处以文字形式说明）。天线需要满足能够在GPS L1，北斗二代 B1、B3双系统三频点下工作，天线重量小于35g。 

目前市场上，GPS L1、BDII B1是小型航空天线的主流组合方式，兼容BDII B3的小型化航空天线尺寸，若采用叠层结构，体积和重量较大，不能满足该微小型无人机体积小、重量轻、剖面高度低的要求； 由于L1与B3两频点的频率比为1.24，若采用共面多频技术的天线要求频点频率比必须大于1.5。所以共面多频技术方案也不能满足任务需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：无源天线组合近距离放置条件下，克服由于方向图畸变产生的凹点以及增大射频信号之间的隔离度，以满足卫星导航接收机信号处理的要求。

本发明包括如下的技术方案：

一种应用于微小型无人机的GPS/BDII三频天线（以下简称三频天线），包括无源介质陶瓷天线片组合、低噪声放大电路及屏蔽盒三部分。

无源介质陶瓷天线片组合由两块高介电常数的陶瓷天线片组成，以实现三频天线的多频点、小型化。两块天线片按照特定的方位摆放，以实现最优的方向图。

低噪声放大电路由两条射频支路构成，分别接收处理GPS L1、BDII B1及BDII B3信号。经过放大、滤波的导航信号分别输出至相应的接收机端口进行处理。

屏蔽盒与电路板共型设计，起到防异物以及电磁屏蔽的作用。

本发明相比现有技术有如下优点：

（1）本发明针对微小型无人机导航要求，提出一种新型的双系统三频天线，天线结构形式简单、工作稳定可靠；

（2）本发明具备双系统多频点工作的特性，可以满足多种模式下的导航定位要求，兼容性强；

（3）本发明天线采用异型设计，重量轻，尺寸小，剖面高度低；

（4）本发明天线具有优良的带外抑制性能，在近距离有大功率设备工作时，仍能正常工作。

（5）本发明采用防过压、防电源反接、防静电设计。对于误操作或者供电电路异常等情况造成的伤害具有保护作用。

附图说明

图1为本发明一种应用于微小型无人机的GPS/BDII三频天线的天线舱平面结构尺寸图；

图2为本发明一种应用于微小型无人机的GPS/BDII三频天线的结构示意图；

图3为本发明一种应用于微小型无人机的GPS/BDII三频天线低噪声放大电路部分组成关系示意图；

图4为本发明一种应用于微小型无人机的GPS/BDII三频天线无源天线组合后最优的实测辐射方向图。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

如图2所示，三频天线主要由无源介质陶瓷天线片组合、低噪声放大电路、屏蔽盒三部分构成。

介质陶瓷天线片组合由两只天线片组成，按照如图位置摆放。其中天线片A部分负责接收GPS L1及BDII B1信号，天线片B部分接收BDII B3信号。

天线A与天线B的摆放的距离及相对方位，对三频天线的方向图影响很大。由于相对距离较近，对于其中的单个天线，另外一个天线电磁场分布必然会对该天线的辐射方向图进行“挤压”，使得轴向的最大辐射方向发生偏移。因此需要利用三维电磁仿真软件，对天线组合的辐射方向图进行仿真。通过分析仿真结果发现，两天线馈电点位置距离最近且位于电路板中轴线位置放置时，天线辐射方向图凹点最少，方向图形状最接近标准的倒苹果型，为最优的天线摆放方式。

卫星下传的信号为右旋圆极化电磁波，如果接收天线的极化方式也是右旋圆极化，则信号能够全部被接收；如果接收天线的极化方式为线极化，则接收到的信号会衰减3dB。采用高介电常数的陶瓷片带来尺寸小型化的同时，必然会造成天线的驻波比带宽以及轴比带宽的显著变窄。因此，在如此小的尺寸下，20MHz的频率范围内实现良好的轴比是非常困难的，即不能在全频带内实现右旋圆极化。因此，在设计中，要根据实际需求做好指标分配。由于GPS L1带宽较窄，收星能力和抗干扰性能优于北斗二代B1频点，故优先保证天线低频段部分极化方式为右旋圆极化，这样，在高频段部分（即L1频段附近）近似表现为线极化。

图3为本发明三频天线低噪声放大电路部分组成关系示意图。低噪声放大电路部分由两个独立的电路部分组成，两个独立电路部分结构相同，每个电路部分都由两级放大器以及三级滤波网络组成，但通过调节L型匹配网络传输线的电长度及滤波器的中心频率，可以使两部分电路分别作用于两个不同的频带中。两级放大用于满足接收机处理的信号电平门限，三级滤波带来足够的带外抑制，防止外部环境中的电磁辐射对卫星导航设备的影响。

在低噪声放大电路设计中，如何处理由高增益带来的自激现象是本发明的难点。

卫星导航接收机接收信号的强度以信噪比来表示，该指标是衡量卫星导航设备前端处理卫星信号的能力。在同等环境下，信噪比越高，说明设备收星能力越好。而该指标主要与系统的噪声系数有关。根据噪声级联公式，系统中的噪声系数主要取决于第一级放大电路的噪声系数。图3中的前置滤波器属于无源器件，其插入损耗等于自身的噪声系数。所以前置滤波器的选型要在噪声系数和带外抑制两指标之间折衷考虑。级间滤波器和末级滤波器则主要考虑带外抑制性能。

由于GPS/BDII三频天线与测控设备的天线相隔不到1m，第一级放大芯片应选用1dB压缩点和三阶交调截点高的芯片，以保证在较强功率信号输入时，不会对设备造成损坏。这里选择MACOM公司的AM50系列芯片，增益为25dB，输出1dB压缩点为1dBm，输入IP3为-14dBm，反向隔离度为48dB，具有较好的抗强输入信号能力；而第二级放大芯片应采用具有较小增益的芯片，这里选用infineon公司的BGA系列芯片，工作频率内增益为15dB左右，反向隔离度为28dB。电路中滤波器的总插入损耗为5dB左右，因此电路总增益为35dB左右；电路的反向总隔离度为81dB左右，远远大于电路前向增益。通过合理的器件选型和PCB版图布局可以避免电路自激现象产生。

如图3所示，B1L1电路的前置滤波器、级间滤波器、末级滤波器均采用了声表滤波器；B3电路前置滤波器采用两腔小型介质滤波器，级间滤波器和末级滤波器采用声表滤波器。相比于介质滤波器，声表滤波器具有更好的带外抑制特性，但该器件对电路匹配的要求较高。电路失配到一定程度，信号通过声表滤波器时，会造成频带平坦度指标极度恶化，所以做好电路间的阻抗匹配是保障三频天线功能特性的关键因素。图4为本发明一种应用于微小型无人机的GPS/BDII三频天线无源天线组合后最优的实测辐射方向图。

由于两天线之间距离过近，无源陶瓷天线片之间的隔离度实测仅有6dB，因此两级信号之间隔离度只有通过后级的放大电路来保证。第一级放大芯片本身需要做L枝节阻抗匹配，占据了电路板较大的面积，留给后级放大、滤波电路以及直流供电网络的空间，极为紧凑。这样，保证两部分放大电路间有效的信号隔离，是防止电路自激的关键。若采取两路无源天线输入，单路输出时，势必通过3dB耦合器或者功分器等器件进行和路，这样，两个支路之间的隔离度即为耦合器或者功分器的隔离度，即两个支路之间的隔离度最高只有30dB左右。在这种情况下，经电路放大的信号会耦合到另一支路中，当耦合信号相位与另一支路信号相位满足振荡条件时，便会引起电路自激。因此不能满足系统指标要求，所以采用两级分别输出的模式，这样隔离度可以改善到约50dB左右。

屏蔽盒采用与电路板共型设计，高度略高于电路板中焊接的介质滤波器（元器件中最高的元器件），以满足对天线高度的任务需求。使用焊锡将屏蔽盒与电路板外边缘接地部分焊接为一个密封的整体，起到防止异物进入和电磁屏蔽的作用。

在本发明中，天线兼容GPS/BDII双系统三频点工作、具备良好的抗干扰性能以及防过压/防电源反接的特点。