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【总结】卫星导航天线的规格参数和意义

发布时间:2021-12-29作者来源:金航标浏览:3160

如何衡量一个天线的性能优劣、是否能满足应用要求,需要有一系列的规格参数及其所对应的指标数值来衡量。通常,将天线的规格参数分成三部分:无源天线指标、有源电路指标、结构和环境要求等物理指标。

1 工作频率与带宽

 a  工作频率决定了天线可以接收什么样的信号。天线就是一个频率选择器件,接收(或者发射)某些频率的信号,滤掉其他不需要的频率信号,理论上任何一个天线都只能工作在有限的频段内。卫星导航系统除了一家独大的美国GPS,中国的北斗系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的GALILEO系统,还有日本、印度等国的区域系统,每个系统都有各自工作的中心频率及其覆盖的频带资源,所以在选择天线时首先要确定自己要接收哪些系统的哪些频率。为了适应导航定位技术的发展,天线的工作频率已由之前的支持单系统向支持多系统发展,单一频率向多个频率兼容发展。

 b  天线带宽就是保证天线在整个需要的频率范围内,其增益值、回波损耗、轴比等特性都要满足一定的要求。所以某些标称可以支持多系统多频段的天线,需要确认一下每一个频段内对应的具体指标是否也达标,比如某个频段增益太低,那么即使能接收到该频段的信号,其强度也会很弱,在实践中的意义就大打折扣了。

2 天线增益

 c  增益在之前的文章中专题讲过,也是很重要的指标。影响增益的因素很多,要提高天线的增益也涉及到方案、材料、工艺等各个方面。增益指标要怎么提,是根据使用环境来的。比如用在船上的定位天线,就要求低仰角增益尽量高一点,因为船在水上晃动厉害,天线在水平放置时定义的低仰角,在实际中可能变成了高仰角,若增益太低,就不能稳定捕获跟踪卫星了。

3 天线轴比

 d  卫星导航天线与普通通信天线的区别之一在于前者的极化方式大多是圆极化,而衡量极化特性优劣的指标就是轴比值。至于什么是天线的极化方式,什么又是圆极化,有兴趣可以去查阅相关资料,在此就不展开了。

 e  这里说几点关于天线极化需要注意的地方。

第一,地面终端接收的信号都是天上的卫星发射出来的,而卫星发射的信号就是右旋圆极化,为了尽可能减小发射和接收极化不匹配造成的极化损耗,需要接收天线的右旋圆极化特性尽量的好,也就是要求天线有尽可能低的轴比,这就是所谓“门当户对”。

第二,一般同一个天线高仰角的轴比值优于低仰角的轴比值,天线轴比差,也会降低天线的右旋增益,给低仰角本身就不高的增益“雪上加霜”,所以尽量降低低仰角的轴比值,也是天线设计需要重点考虑的。

第三,除了右旋圆极化,用线极化的天线,只要频率对,也能接收到卫星信号,但是和圆极化天线相比,就“先天不足”的会损失掉3dB,很多地方由于条件受限不得不使用线极化的方案,在信号强度要求不高的情况下,也是可以接受的,但切记不能用左旋圆极化来接收卫星信号,收发信号极化方式完全正交没有交集,只能干瞪眼了。

4 天线阻抗与驻波

 f   天线的阻抗和驻波是衡量天线将信号传送到后端的能力,天线馈电网络下来直接接射频前端电路,如果天线的阻抗和电路的输入阻抗匹配,理论上完全匹配时能量百分之百流向后端,如果存在失配,部分能量就被卡在这里倒流回去,造成能量的损失。就像两段水管拼在一起,只有匹配了水流才能顺利的流向后端,如果堵了水就得倒流。驻波值的大小是衡量阻抗匹配的程度,驻波越小,说明匹配越好,所以天线驻波值也是很重要的指标。

5 天线不圆度

 g  不圆度为啥要单独提出来说,因为对卫星天线来说,要求增益尽量均匀,如果某个方向增益明显高于其他方向,那收星能力就会大打折扣,具体体现在收星数量变少。以天线中心为旋转中心轴,在水平面360度旋转一周,每个角度的增益和轴比值是不一样的。性能好的天线不圆度的值会比较小,即是说各个方向的收星能力差不多。不圆度和天线的设计、天线的安装结构、天线周围是否有其他物理结构的东西遮挡等都有关系,特别在设计内置天线时需着重考虑。

6 天线极化增益前后比

 h  前后比的定义是天线法向极化增益与背向±30°内的极化增益最大值之差,表征天线对后瓣抑制的好坏。特别在高精度天线中该指标特别重要,因为高精度天线为了尽可能的接收有用的信号,阻隔无用的干扰信号,需要很低的背瓣增益。对于宽带天线而言,其中心频点的前后比会优于边带频点的前后比,因此要特别留意天线所有支持的工作频点的前后比。

7 天线相位中心

 I   高精度天线与普通导航定位天线最大的差别在于前者必须具有稳定的相位中心,因为最终解算出的位置信息就是天线相位中心所在的位置,如果相位中心波动太大,本身就会引入误差导致最终定位结果不准,达不到高精度的效果。关于相位中心的定义、计算和测量方法有很多种,以后再专题来讲。这里就特别说明一下,相位中心的稳定性比搜星信噪比的高低更重要,国外的天线实测信噪比很少有高于国产天线的,有的甚至会低不少,但在相位中心稳定性方面,确实做得很出色,不只在设计,还体现在工艺、材料等很多方面。

8 天线多径效应值

 J  多径效应是信号在传播信道中的多路径传输现象所引起的干涉延时效应。一般通过多径效应值的大小来衡量天线对于多径信号的抑制程度。一般要求高精度天线都具有一定的抗多径能力,特别是作为参考站信号来源的基准站天线,如果有较强的多径信号进入后端参与到信号解算,会导致解算出的位置信息与实际位置信息有较大偏差,同时也会影响到整个数据的有效率。目前有多种设计方法可达到抑制多径信号的目的,如扼流圈结构、EBG结构等,各有优点和使用的环境限制。抗多径能力差也会影响天线最后的相位中心解算。

9 有源电路的基本链路

 k  天线有源电路是由一系列双端口器件依次级联组成,主要是低噪声放大器和滤波器的组合使用,根据天线类型的不同,会有多级滤波、多级放大等不同方案,若是多系统多频段信号,还会有信号合路器。当然天线还包括电源管理模块,直流偏置电路等。无源天线信号下来应用最短的路径与有源电路连接,这样可减小无源增益的损耗,这也是为什么现在大多数天线都将无源馈电网络与有源电路板做到同一块电路板上。

10 天线的有源增益

 L  有源增益表征了低噪声放大器对微小信号的放大倍数,根据天线所配套定位模块的不同,需要的增益值是不一样的。增益太小,信号太弱后端无法提取有用信号,增益太高容易引起后端器件饱和进入非正常工作状态。匹配才是关键。

 M  低噪放是非常成熟的元器件,但不是所有的型号都适合用在导航天线上,首先需要足够低的噪声系数,后面再详细说明。第二是要有较好的线性度,保证天线在一定强度的信号范围内可以正常工作。第三是低噪放的稳定性,包括高低温环境下的稳定性,这对于天线的可靠性很重要。

11 有源天线的噪声系数

 N  天线有源电路的噪声会累加到整个接收机系统噪声中,噪声增加,会降低系统的信噪比,进而影响接收灵敏度。如何降低电路的噪声系数?第一,选择本身噪声系数低的低噪放管子,这虽然是一句废话,但很重要。第二,电路中所有的低噪放、滤波器或其他器件都会增加链路的总体噪声,由噪声系数级联公式可知,第一级放大器增益尽量高一点,这样可降低后面器件对总体噪声的贡献。第三,滤波器的[敏感词]损耗也会提高电路的噪声,有时为了提高天线的抗干扰能力,会设计前置滤波器,这时应选择[敏感词]损耗小一点的滤波器。

12 天线的带外抑制

 O  卫星信号到达地面接收端时已经很弱了,而且夹杂在各种干扰信号中,所以一般需要先将接收到的信号进行滤波,只让需要的信号进入后端进行信号处理。滤波器的选择很重要,为了提高天线的抗干扰能力,一般会采用多级滤波。值得注意的是滤波器只能滤除工作频带以外的干扰信号,带内的干扰信号只能通过其他手段来减弱或消除。将导航天线与其他大功率发射模块靠近使用时经常会出现性能明显下降的现象,这时可定制滤除特定频点的滤波器,或者尽可能使天线远离大功率信号发射源。

13 天线的载噪比

 P  不同于无源天线可通过微波暗室等方法测量评估其性能,有源天线由于其集成化和一体化设计,不能将其拆解后每个模块逐一测量,如何评估一个有源天线性能优劣,就有了载噪比这个指标。天线无源部分的增益、轴比、驻波,有源部分的增益、噪声系数、带外抑制等性能,都会体现在最终的载噪比数据上。如何衡量一个天线的载噪比数据?第一,看搜星数量多少。第二,看可用卫星载噪比值的高低。第三,看搜星速度快慢。第四,看载噪比数据的稳定性。一般情况下,搜星数量多、天线载噪比高、搜星速度快、载噪比跳动小的天线更好,但切记载噪比不是衡量天线性能好坏的唯一标准,相位中心、抗多径能力、天线稳定性等重要性能需综合考量。

14 天线的工作电压与电流

 Q  天线的低噪放需要通过偏置电路进行馈电和匹配,直流电一般通过天线射频接头馈入,天线中一般需要单独的电源模块,主要作用是稳压和去除一些杂波干扰信号。天线的工作电流因所选管子的不同而有所差别,在一些手持导航设备或无人机导航终端上使用,尽量选用电流低的管子来减小功耗,延长整机的工作时间。

15 天线电路的防静电、抗烧毁与防雷设计

 R   天线作为一个电子产品,常规的防护设计还是有必要的,防静电处理防止天线里面的元器件被静电损坏。抗烧毁处理是避免天线被突发的大功率信号压制损坏元器件,保护电路不会烧坏,待大功率信号消失后天线可恢复正常工作。由于部分外置天线长期置于室外高处,难免会遇到雷电天气,让天线具有一定的防雷能力,也是其可靠性设计的重要内容。

天线的所有指标都是相互关联,互相影响的,要想提高某个指标,一般都会对另外的某个指标有一定影响,理解并认可这一点很重要。天线的设计就是一门平衡和取舍的艺术,好的天线设计师会懂得如何取舍,达到系统整体的最优。把天线当成一门艺术来研究,还是挺有意思的。

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