一种组合卫星导航高精度有源天线设计

魏景辉，廖 林，张品春，孙艳明

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

近年来，全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）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。因此，设计多模导航天线时，主要依据以下几个设计原则[1]。

（1）在工作带宽内方向图尽量稳定，波束覆盖范围尽量大。

（2）为了提高导航卫星信号的抗干扰能力，如大气、雨水、雾霾能气候条件对信号的干扰，卫星调制信号主要采用右旋圆极化的极化方式。

（3）根据卫星导航定位系统的星座布32局来看，要求在天线被覆盖区域天顶上半球区域范围内尽可能有均匀且较高的增益，使得所有有用视角的信号电平满足接收机的信噪比要求，最终将接收到的电磁信号转换为终端的射频信号。

（4）具有高稳定相位中心的天线有助于提高卫星导航系统的测距精度。所以，多模导航天线设计时还需兼顾高相位中心稳定性的要求。

本文介绍了一种BD-2/GPS/GLONASS组合卫星导航高精度有源天线的设计方法，上层陶瓷贴片B1/L1/GLONASS接收天线由4个同轴馈针直接馈电，下层层叠的是B3接收天线，采取耦合馈电方式。B1/L1/GLONASS和B3低噪声放大电路集成在同一块电路板上，并与天线宽带馈电网络板直接探针相连。最终整个多模卫星导航天线单路输出。

1 双层四馈点耦合式高精度微带天线设计

基板材料的εr和tanδ值及其厚度h直接影响着天线的一系列性能指标。因此，根据实际需要，选用介电常数为6的陶瓷作为天线基板[2]。

如图1所示，B1/L1/GLONASS天线在上层，尺寸为35 mm× 35 mm×3 mm；B3天线层叠在下层；尺寸为55 mm×55 mm× 5 mm。连接到馈电网络层的同轴馈针直接焊接到B1/L1/GLONASS贴片上，而B3贴片则通过探针耦合馈电，因此大大扩展了天线的阻抗带宽。

天线下方圆形大地板，加上贴片完全中心对称的设计有利于辐射方向图周向圆对称和实现良好的广角圆极化特性，减少了相位中心离散度[3]。

图1 双层四馈点耦合式高精度微带天线设计

2 1.2～1.6 G宽带移相微带馈电网络设计

本天线馈电网络传输线的中心频率为1.414 G，如果采用传统微带传输线方案，其相位和幅值的公共带宽仅为4%，无法覆盖1.2～1.6 G。

在巧妙运用宽带3DB电桥集成器件的前提下，通过在上、下两级功分结构之间以及各输出端口上加载级间传输线或并联相位补偿结构，实现所述移相功分器的宽带功分和宽带相位补偿功能，其相位和幅值的公共带宽达36%，如图2所示。

图2 1.2～1.6 G宽带移相馈电网络端口相位差

3 宽带低噪声高增益放大电路设计

所谓宽带放大电路并不是对指整个1.2～1.6 G都线性放大。而是只指针对B3，B1，L1和GL1 4个频点进行低噪声放大，并且对其他频点保持高带外抑制。

因此，在RF输入端先设置一分二的滤波双工器，把无源天线接收的卫星信号滤为二路，一路为B3频段放大通道，另外一路为B1/L1/GL1放大通道。

在每一个通道单独进行低噪声放大，保持较高增益和较低噪声系数，并且用声表滤波器对带外信号有效滤除，实现最大限度地降低噪声干扰，避免天线端引入的噪声对后级系统造成影响[4]。

最后RF输出端设置二合一滤波双工器，实现有源天线的一线通功能。宽带低噪声高增益放大电路设计如图3所示。

图3 宽带低噪声高增益放大电路设计

4 组合卫星导航有源天线实测结果

无源天线实测方向，低噪放电路的实测数据如表1所示，各指标符合设计预期，满足项目指标要求。

表1 组合卫星导航有源天线实测结果

5 结语

综上所述，本文设计了一种组合卫星导航高精度有源天线，实测结果表明各频点天线增益高，相位中心稳定，低噪放电路高带外抑制可靠性高，对本行业有源天线设计有重大的参考意义。