[发明专利]一种小型双频有源导航天线装置

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域的微带天线设计，尤其涉及一种双频有源天线在卫星导航领域、测绘领域的应用，具体是一种小型双频有源导航天线装置。

背景技术

由于卫星导航能够具有全时空、全天候、高精度、连续实时地提供导航、定位和授时的特点，广泛应用于导航、测绘、监测、授时、通信等多种领域，因此在经济发展、科学研究、灾害防控以及军事领域起着越来越重要的作用，对国防安全和经济建设贡献巨大。以美国GPS（(Global Positioning System，GPS)）为代表的全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）应用产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业。

随着卫星导航技术的广泛应用，对高精度测量的手持机设备的天线性能也提出了越来越高的要求，主要表现在：

（1）良好的右旋圆极化

GPS信号是由卫星从空间发送下来的，为了消除电离层对信号的法拉第旋转效应，信号采用的是右旋圆极化，因此，接收天线也应采用右旋圆极化方式。当GPS卫星信号被地面或建筑物等对称物体反射后，会变成左旋极化的交叉极化信号，多路径信号多是这种形式，所以右旋圆极化天线还能够抑制多路径干扰。由于圆极化天线存在交叉极化现象，所以应设法提高天线的交叉极化抑制能力。

（2）多星双频

一般情况下，导航型天线工作在单频，但在精确测量时，通常工作在双频或多频来补偿电离层延时，提升定位测量精度。

同时多星多频不仅有助于观测更多的星座，提高定位精度和可靠性，还能够免受单一系统的制约，可见研究多频多模的卫星导航天线有着重要的现实意义。本发明天线同时支持美国GPS和俄罗斯GLONASS的双频段L1和L2。（（多星是指多个导航卫星系统）

（3）低功耗小型化

由于导航设备都有低功耗小型化趋势，尤其是手持设备，因为在保证性能指标的前提下，降低功耗，控制体积。

（4）方向性

导航接收机能够接收到地平面上的卫星数目越多越好，一般要求能够接收仰角5°以上的所有天空中的卫星信号。因此，天线在这个空间内要对卫星信号具有均匀的响应，当低于接收高度时，为抑制严重的多路径效应和对流层效应，天线响应要迅速截止。理想的GPS接收机天线在上半平面具有近似半球形的方向图，一般要求波瓣宽度≥120°，水平面附近的截止率大于1dB／度(从仰角－5°到5°)。在利用载波相位测量的接收机中，天线还应该具有均匀的相位响应，且相位中心要和天线几何中心吻合。

（5）有源放大

导航天线具有半球形的方向性，因此增益一般都很低。天线单元一般都由接收天线和低噪声前置放大器组成，放大器一般能够提供15～35dB的增益，许多导航天线直接采用有源天线设计。

（6）内外天线切换

天线小型化后，有些性能变差。当手持机设备处于严重遮挡、强干扰情况下甚至无法工作。为了解决这一问题，GNSS外置天线成了许多高端信号接收设备的必备装置，使得内置、外置天线切换装置在手持机设备上应用越来越广泛。

目前小型双频有源导航天线装置多采用螺旋天线和微带天线两种形式。传统的螺旋天线除样式不吸引人外，体积大也限制了它的发展。而微带天线由于其体积小，剖面低，能与载体共形，易于实现圆极化等优点受到了人们的极大关注。

现用技术特点：

（1）当前小型化天线贴片天线往往只能覆盖GPS的L1频段，或者GPS L1和L2频段。

（2）馈电方式，有孔径耦合、电磁耦合以及常用的同轴馈电方式。同轴馈电方式有采用单馈点、双馈点以及多馈点馈电方式。实现双频馈电又有采用分别馈电以及同时馈电方式。

（3）内外天线切换电路多采用软件控制电路切换（软切换），缺点是，操作繁琐，切换时间长，电路复杂。此外内外天线之间隔离度低，同时采用传输线匹配电路时，造成多星多频宽带匹配性能差。

（4）有源放大电路采用前置滤波器技术时，噪声系数是关键。

多星双频技术：

目前小型化贴片天线工作带宽和轴比带宽窄，这是由采用天线介质材料性能以及天线结构原因造成的。采用新型天线介质材料，高频性能良好，介质常数稳定；同时馈电技术采用双馈点分别馈电技术，在介质基板上合适布置，提高了轴比带宽和天线带宽，提高了接收信号的能力。

内外切换电路正如上述，它操作繁琐，切换时间长，电路复杂。此外内外天线之间隔离度低，同时采用传输线匹配电路时，造成多星多频宽带匹配性能差。