CC BY
238
УДК 621.396.67 А.Е. Попугаев
ИИС им. Фраунгофера, Эрланген, Германия
РАЗРАБОТКА ГНСС АНТЕНН В ИНСТИТУТЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ (ИИС) ИМЕНИ ФРАУНГОФЕРА
Описана новая дешевая в изготовлении активная четырехсистемная ГНСС антенна ЗО+С для высокоточных измерений. Оптимальная форма диаграммы направленности обеспечивает максимальное количество видимых спутников и хорошее подавление многолучевости. Антенну отличают также высокий коэффициент усиления (4 дБ) и стабильный фазовый центр.
A.E. Popugaev
Fraunhofer Institut fuer Integrierte Schaltungen (IIS) Am Wolfsmantel 33 91G58 Erlangen, Germany
DEVELOPMENT OF GNSS ANTENNAS AT THE FRAUNHOFER IIS
A new active low cost four constellation GNSS antenna 3G+C for high-precision applications is described. The optimal shape of the radiation pattern maximizes the number of visible satellites and allows a good multi-path rejection. Antenna exhibits a high antenna gain of 4 dBic and a stable phase center.
ВВЕДЕНИЕ
Модернизация уже существующих (российская GLONASS и американская GPS) и появление новых (европейская GALILEO и китайская COMPASS) Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС) требует разработки и новых антенн для высокоточных геодезических приложений, способных принимать сигналы всех четырех систем. Соответствующие диапазоны частот показаны на рис. l.
Рис. 1. Частоты сигналов Глобальных Навигационных Спутниковых Систем
По своему прямому назначению всякая приемная антенна преобразует падающие на нее электромагнитные волны в направлямемые волны фидерного тракта, которые (после усиления) подводятся ко входу приемника.
Для эффективного функционирования ГНСС антенна должна удовлетворять определенным требованиям.
Антенна должна реагировать на падающее электромагнитное поле по определенному закону, т.е. иметь заданную диаграмму направленности (ДН). Для ГНСС требуется способность принимать сигналы с правой круговой поляризацией (RHCP англ. аббр. от Right Hand Circular Polarisation) в определенном секторе углов и с коэффициентом усиления (КУ) не менее 3 децибел (дБ). Под коэффициентом усиления (пассивной, т.е. без усилителя) антенны в данном случае понимается ее направленность. Оптимальным с точки зрения точности определения координат является вариант ДН с шириной лепестка не менее 150° и не более 180° по уровню 10 дБ в верхней полусфере. В этом случае достигается компромисс между количеством видимых спутников и подавлением отраженных сигналов из нижней полусферы. Особенно высок уровень переотражений от металлических поверхностей, что имеет место при установке антенны на крыше машин и механизмов, зданий. В общем случае амплитуда и фаза отраженного сигнала зависят как от угла падения так и от материала отражателя. Соответственно вносятся различные изменения в спектр принимаемого сигнала. Поэтому важно уже на этапе разработки антенны учитывать этот фактор и свести к минимуму уровень лепестка заднего излучения.
В данной статье описана новая ГНСС антенна 3G+C для высокоточных приложений, разработанная в Институте Интегральных Схем им. Фраунгофера (Fraunhofer Institut fuer Integrierte Schaltungen) г. Эрланген, Германия. 3G+C — это четырехсистемная GLONASS/GPS/Galileo плюс Compass антенна, обеспечивающая прием E1, E2, E4, E5, E6, L1, L2, L5, G1, G2, G3, B1, B2, B3 и имеющая встроенный малошумящий усилитель сигнала
(мшу).
ГЕОМЕТРИЯ АНТЕННЫ
Основная проблема при разработке ГНСС антенн для высокоточных приложений заключается в достижении требуемой характеристики направленности. Приведем наглядное пояснение. ДН изотропного излучателя (гипотетической антенны) имеет вид сферы, т.е. такая антенна принимает сигналы со всех направлений одинаково и не имеет направленности. ДН любой реальной антенны отличается от сферы и может быть представлена как результат деформации сферической поверхности определенным образом. При этом объем, заключенный внутри этой поверхности остается постоянным. Очевидно, если сжимать такую оболочку в определенном направлении, то произойдет неизбежное ее расширение в другом. В подавляющем большинстве случаев ДН антенны имеет свойство сужаться с увеличением частоты, что сопровождается увеличением направленности антенны. Так как ГНСС антенна должна работать в достаточно широкой полосе частот (1,16 - 1,61 ГГц), то этот эффект будет особенно хорошо заметен. В итоге, как показано в [1], в случае простой конфигурации антенны при КУ >3 дБ достигается в данном частотном диапазоне ДН шириной 180° - 130° вместо требуемых 180° - 150°. Если же
попытаться подобрать размеры излучателя так, чтобы достичь ширины луча не менее 150°, то получается низкий КУ порядка 1 дБ в нижнем диапазоне, требуемый КУ > 3дБ.
Было найдено и запатентовано [2] оригинальное решение этой проблемы. Геометрия антенны представлена на рис. 2.
Рис. 2. Трехмерная модель антенны (без активных компонентов): высота от подложки до верхней границы излучателя 25 мм, диаметр l46 мм
Антенна состоит из излучателя, расположенного над круглым экраном на верхней стороне подложки (Rogers 3GG8, G,5G8 мм) и питаемого в четырех точках. Излучатель может быть изготовлен из дешевого материала, например тонкой жести. Отличительной особенностью этой антенны от других ГНСС антенн является наличие равномерно распределенных вокруг излучателя паразитных элементов в виде пластинок, служащих для формирования ДН. Благодаря такому сочетанию излучателя и паразитных элементов удалось достичь ширины ДН 180o - 150o и KУ 4 дБ.
Схема питания излучателя для реализации необходимого амплитуднофазового распределения с целью достижения правой круговой поляризации выполнена в микрополосковом (печатном) исполнении и расположена на нижней части подложки. Структура схемы возбуждения антенны и возможность ее миниатюризации показана на рис. 3.
Рис. 3. Миниатюризация схемы питания антенны
Слева приведен вариант схемы питания антенны круговой поляризации, использованный в первой версии антенны (пассивной). Схема включает в себя гибридное кольцо, два резистивных делителя; согласование антенны выполнено с помощью трансформаторов и шлейфов, подробнее см. в [1]. Затем была предпринята попытка миниатюризации печатной схемы с целью интеграции МШУ Именно на этом этапе разработки ГНСС антенны возникла идея разработать новую универсальную методику миниатюризации сложных микрополосковых схем. Такая методика большей частью уже разработана автором статьи и успешно развивается в ИИС. Подробное описание методики можно найти в [3]. Как видно из рис. 3, предложенная техника миниатюризации позволяет "сжать" печатную схему по занимаемой площади примерно в 5 раз.
Окончательный вариант схемы с интегрированным МШУ показан на рис. 4. Для фильтрации сигналов ГНСС был специально разработан четырехсистемный двухдиапазонный частотный сепаратор (диплексер), представляющий собой два определенным образом включенных керамических фильтра. Для его включения в миниатюризированной схеме питания предусмотрены два входа.
Рис. 4. Интеграция активных компонентов в схему питания антенны РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Характеристики направленности антенны измерялись в безэховой камере ИИС. Результаты измерений на крайних частотах диапазона ГНСС представлены на Рис. 5. Ширина ДН по уровню 10 дБ на 1,16 ГГц составляет 180° (а), уменьшаясь до 150° при 1,61 ГГц (б). При этом КУ остается примерно постоянным и равным 4 дБ. В горизонтальной плоскости ДН практически не зависят от азимута даже при низких углах склонения (в) и (г). Также из Рис. 5 видно хорошее подавление ортогональной левой поляризации (LHCP англ. аббр. от Left Hand Circular Polarisation) больше чем на 15 дБ.
Рис. 5. Измеренные диаграммы направленности (—ЯИСР, --ЬИСР),
нормировка 4 дБ:
а) в вертикальной плоскости на частоте 1,16 ГГц, б) в вертикальной плоскости на частоте 1,61 ГГц, в) в горизонтальной плоскости на частоте 1,16 ГГц, 15° от уровня горизионта г) в горизонтальной плоскости на частоте 1,61
ГГц, 15° от уровня горизионта
Другой важной характеристикой ГНСС антенны является стабильность положения ее фазового центра, т.е. точки, относительно которой эквифазные поверхности в дальней зоне представляют собой сферы. Результаты калибровочных измерений представлены на рис. 6. Как видно из графиков, вариация положения фазового центра не превышает 8 мм, что является очень хорошим показателем и обеспечивает высокую точность определения координат (не хуже 2 см). Следует отметить, что эти измерения были проведены для протипа, излучатель и паразитные элементы которого были вырезаны лазером из жести и изогнуты вручную, с ограниченной точностью. На момент написания статьи антенна находилась на заключительном этапе подготовки к серийному производству. В результате механизации процесса изготовления комплектующих антенны возрастет точность ее изготовления и
сборки, что позволяет ожидать от серийной антенны еще лучших характеристик относительно стабильности ее фазового центра.
б)
Рис. 6. Положение фазового центра антенны в диапазоне Ь1 (а) и Ь2 (б)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной статье описана новая четырехсистемная активная ГНСС антенна ЭО+С. Благодаря запатентованной геометрии излучателя и паразитных элементов достигнута оптимальная ДН, обеспечивающая максимальное количество видимых спутников и подавляющая многолучевость. В отличие от некоторых других коммерческих ГНСС антенн
не используются дорогие и тяжелые керамические подложки. Излучающие элементы выполнены из изогнутой жести. Конструкция корпуса антенны обеспечивает хорошую виброустойчивость и позволяет использовать антенну 3G+C на различных машинах и механизмах.
С помощью разработанной новейшей техники миниатюризации печатных схем удалось разместить пассивные и активные компоненты схемы питания на одном слое и отказаться от использования дорогих многослойных плат.
Таким образом, простота конструкции антенны, а следовательно и ее надежность, в сочетании с превосходными техническими характеристиками и малой стоимостью изготовления делают 3G+C особенно привлекательной для геодезистов во всем мире, в том числе и в России.
Антенна 3G+C, разработанная в Fraunhofer-IIS (Эрланген) и производимая фирмой navXperience GmbH (Берлин) - отличный выбор для тех, кто ценит настоящее немецкое качество по доступной цене.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. A.E. Popugaev, R. Wansch and S. F. Urquijo, "A Novel High Performance GNSS Antenna for High Precision Applications," 2nd European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2007). Proceedings. CD-ROM: 11 - 16 November 2007, EICC, Edinburgh, UK, 11-16 Nov. 2007, 5 pp.
2. (WO/2008/092592) Antenna Apparatus for Transmitting and Receiving Electromagnetic Signals
3. A.E. Popugaev, R. Wansch "A Novel Miniaturization Technique in Microstrip Feed Network Design," 3rd European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2009). Proceedings. CD-ROM: 23 - 27 March 2009, Berlin, Germany. Berlin: VDE-Verlag, 2009, pp. 2309-2313.
© А.Е. Попугаев, 2010
