CC BY
124
Доклады БГУИР
2013 № 6 (76)
УДК 539.216:546.824-31
АКТИВНАЯ АНТЕННА ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ GPS/CTO^^/EG^S
И.Ю. МАЛЕВИЧ, Ю.Ю. БОБКОВ, Е.Н. КАЛЕНКОВИЧ, М.И. КРЮЧКОВ, АС. ЛОПАТЧЕНКО
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 15 мая 2013
Приведены результаты разработки и лабораторных испытаний технологичной активной антенны на керамической подложке с уменьшенными размерами и питанием по радиочастотному кабелю, обеспечивающей прием сигналов спутниковых систем GPS, ГЛОНАСС и EGNOS.
Ключевые слова: активная антенна, прием сигналов спутниковых систем GPS, ГЛОНАСС и EGNOS.
Введение
В современном мире трудно переоценить роль спутниковых радионавигационных систем (СРНС). Для приема GPS/ГЛ0НАСС/EGN0S сигналов используются специализированные приемники, оснащенные высокочувствительными активными антеннами (АА) [1-3]. Активная антенна является входным элементом радиочастотного тракта приема и ее характеристики определяющим образом влияют на эффективность работы аппаратуры потребителей.
Актуальность задачи разработки новых технических решений АА для приема GPS/ГЛ0НАСС/EGN0S сигналов, наряду с высокой востребованностью таких устройств, определяется необходимостью создания автономных технологически простых конструкций, способных комплексироваться с типовыми мульти- и моносистемными приемо-индикаторами СРНС.
В числе перспективных подходов, решающих задачу реализации бюджетного варианта АА, особенным образом выделяется метод, основанный на комплексировании диапазонной резонансной антенны с широкополосным усилительным модулем.
Особенности функционирования АА для приема GPS/ГЛОНАСС/EGNOS сигналов
АА является входным устройством аппаратуры потребителей (т.е. приемо-индикаторов) СРНС, и предназначена для приема сигналов навигационных спутниковых систем GPS/ГЛ0НАСС/EGN0S, находящихся в зоне радиовидимости. На вход мультисистемной АА поступает многоканальный (от 4 до 22 каналов) сигнал уровнем не менее -130...-135 дБм в диапазоне 1565...1616,5 МГц [1-3]. Принятый групповой сигнал фильтруется и усиливается малошумящим усилителем (МШУ) и с выхода АА через интегрированную фидерную линию длиной 2,5 .5 м с оконечным разъемом (SMA-male либо SMB-male) подводится к 50-омному входу приемо-вычислителя, в котором расположен модуль унифицированного источника питания напряжением 2,5.3,3 В.
В современных компактных моделях АА обычно используются микрополосковые антенны на керамической подложке. Коэффициент направленного действия (КНД) таких
антенн не превышает 3. Это обуславливает необходимость применения МШУ с коэффициентом усиления 15.. .30 дБ и коэффициентом шума не более 3.. .4 дБ.
Практика использования АА показала, что наряду с низким коэффициентом шума, важно обеспечить высокую перегрузочную способность МШУ. Так, для условий функционирования АА в зоне действия передатчиков Bluetooth и сотовых сетей, точка компрессии усилительного модуля должна быть не менее -15 дБм.
Техническая реализация АА для приема GPS/ГЛОНAСС/EGNOS сигналов
Современный рынок СВЧ устройств переживает стадию интенсивного развития. Постоянно совершенствуются и характеристики АА СРНС. Причем, кроме традиционного для АА набора параметров - диапазон частот, линейность, уровень собственных шумов, напряжение питания, на первый план выходят технологичность, универсальность и стоимость. В этом ракурсе и был проведен синтез элементов структуры АА для приема GPS/OOm.CC/EGNOS сигналов.
В качестве антенной структуры АА был выбран одиночный микрополосковый печатный элемент прямоугольной формы, возбуждаемый штырем (рис. 1). Круговая поляризация обеспечивается смещением точки возбуждения излучателя по двум координатам. С целью уменьшения габаритов печатного излучателя активной антенны до размеров 25^25x5 мм в качестве подложки был использован керамический диэлектрик на основе оксида алюминия с диэлектрической проницаемостью s = 18 и тангенсом угла диэлектрических потерь tg 5 ~ 10-5. Общий вид излучающего элемента изображен на рис. 1, б.
Вид сверху
Вид в разрезе в месте подключения разъема питания
A-A
т
dy
dx
X
т
L
y
h
Б
Рис.1. Конструкция (а) и общий вид (б) приемного элемента АА: Lx = 20,15 мм; Ly = 21,26 мм; dx = 3,29 мм; dy = 3,5 мм; h = 2 мм; e = 1S
б
а
Размеры антенной структуры, указанные рис. 1, определены путем инженерного синтеза в процессе численного моделирования и обеспечивают стабильность параметров диаграммы направленности и согласования антенны при разбросе параметров подложки в переделах s = 16...20. Численное моделирование осуществлялось с помощью метода конечных разностей во временной области (FDTD).
В соответствии с полученными размерами элементов антенной структуры составлена ее SD-модель и проведено моделирование в CST Microwave Studio. Частотные зависимости КСВ и диаграммы направленности антенного элемента приведены на рис. 2.
; Ratio (VSWR)
3 2.8 2.6 2.4
1.8 1.6 1.4 1.2 1
............. ......... ..........-V ....... ............. / .............. ..............
/
\ /
- - А- — - / - - -
\
_____________
............. .............. ....... .............. .............. ..............
1.52 1.54 1.5^ 1.5695 |l.58 1.6 | 1.61161.62 1.64 1.66
Frequency / GHz
а
Рис. 2. Частотная зависимость КСВ (а) и диаграммы направленности для правой круговой (б) и левой
круговой (в) поляризаций приемного элемента АА
Из результатов моделирования видно, что антенный элемент соответствует ГОСТ Р 50860-2009 [4].
Частотные свойства структуры дают возможность использовать такой антенный элемент как эффективную селективную цепь для приема GPS/ГЛ0НАСС/EGN0S сигналов и выполнить МШУ по широкополосной схеме.
Успехи развития СВЧ техники позволяют создавать относительно простые и технологичные конструкции МШУ с приемлемыми характеристиками на интегральных модулях. На рис. 3 представлена схема разработанного МШУ с системой питания по фидеру.
Лабораторные испытания МШУ с интегрированным радиочастотным кабелем RG-174 (погонное затухание 1,19 дБ/м) длиной 2,5 м и оконечным разъемом типа SMA-male показали, что при напряжении питания 3,0 В в 50-омном тракте секция обеспечивает усиление 22,5 дБ в диапазоне частот GPS/ГЛ0НАСС/EGN0S сигналов, коэффициент шума 2,3 дБ и точку компрессии -5 дБм.
в
IN 10P
IN LNA оит
GND ИС
GND Б!А8
10p
L1
^ 18pH R1 820
C4 1n
И-
IN 1МА оит
GND ИС
GND Б!А8
С3
1°Р оит
C5 1n
R3
4,7
R2 240
C6 1n
И-
C7 1n
L3 18pH
R5,6 4,7
l-_L± _R4 L-i i ...i.J-L-V
! " ' 120mH 4,7 I " ......
C8 1n
HH
Рис. 3. Схема электрическая принципиальная МШУ АА с питанием по фидеру Общий вид конструктивного исполнения разработанной АА представлен на рисунке.
Рис. 4. Конструктивное исполнение разработанной АА
На рис. 5 представлены результаты экспериментальных исследований сквозных коэффициентов передачи двух радиоканалов: с приемным модулем в виде одиночного антенного элемента с фидером и конструктивно завершенной АА.
04:37:58 2000-12-09
Ref 0.00 Peak
Mkrl 1.595 GHz -24.45 dB
Ы1 S2 S3 FC
J \
M*tjt Wa aAAt -'lf"V i'I'1'
Ма rker
l.bS -24. JbUU 45 d UUUl в bH L
Center 1.500 GHz Res BW 3 MHz
Peak Search Next Peak
Next Pk Right
Next Pk Left
Pk-Pk Search
VBW 3 MHz
Scan l.ooo GHz Mkr~>CF Sweep 3S9 ms
✓iisb-stor agexSCREM098.GIF file saued
04:34:41 2000-12-09
Ref 0.00 dB Peak Log
Atten 0 dB
Mkrl 1.610 GHz 0.00 dB
Ш1 S2 S3 FC
->
r \
r\ A -Ai.
V V \.л
Ma rker
l.b 0.0( uuu )dB UUUl UH L
Center 1.500 GHz Res BW 3 MHz
Peak Search Next Peak
Next Pk Right
Next Pk Left
Pk-Pk Search
VBW 3 MHz
Span l.ooo GHz Sweep 389 ms
/usb-storage/SCREI1035.GIF file saued
а б
Рис. 5. Экспериментальные зависимости сквозного коэффициента передачи радиоканала с одиночным
антенным элементом (а) и АА (б)
Видно, что диапазонная неравномерность сквозного коэффициента передачи радиоканала не превышает 3 дБ.
На рис. 6 приведены результаты исследований диаграмм направленностей трех экспериментальных образцов разработанных АА.
ом
DA2
C1
MGA-62563
L2
dE Antenna pattern (azimuth)
■179,9 -150,0 -100,0 -50,0 0,0 50,0 100,0 150,0 179,7
deg
Рис. 6. Диаграммы направленности трех образцов разработанных АА в плоскости ф = 0 на частоте f =1,6 ГГц
Заключение
Разработаны техническое решение и конструкция универсального бюджетного варианта активной антенны для приема GPS/^OHACC/EGNOS сигналов, которая имеет уменьшенные габариты и систему питания по радиочастотному кабелю. Проведенные результаты испытаний АА показали эффективность и высокую повторяемость характеристик разработанных устройств.
ACTIVE ANTENNA FOR GPS/GLONASS/EGNOS SATELLITE SYSTEMS SIGNALS RECEIVING
I.Yu. MALEVICH, Y.Y. BOBKOV, E.N. KALENKOVICH, M.I. KRUCHKOV, AS. LOPATCHENKO
Abstract
The article describes the result of development and laboratory testing of the active antenna for receiving signals of satellite systems GPS/GLONASS/EGNOS with powered from the RF cable. The antenna element is designed on a ceramic substrate with high permittivity and reduced dimensions.
Список литературы
1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. М., 2010.
2. Elliott D. Kaplan, Christopher J. Hegarty. Understanding GPS Principles and Applications. Boston, 2006.
3. James Bao-Yen Tsui. Fundamentals of Global Positioning System Receivers: A Software Approach. New Jersey, 2004.
4. ГОСТ Р 50860-2009. Самолеты и вертолеты. Устройства антенно-фидерные радиосвязи, навигации, посадки и управления воздушным движением. Общие технические требования, параметры, методы измерений.
