МНОГОДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ
MULTI-BAND ANTENNA FOR SATELLITE POSITIONING SYSTEM

Настоящее изобретение относится к антенне спутниковой системы определения местоположения, более точно, многодиапазонной патч-антенне (с многоярусными излучателями).
В спутниковых навигационных системах для ослабления эффектов многолучевого распространения и ошибок ионосферного или тропосферного распространения и, в конечном счете, повышения точности определения местоположения используют многочастотные диапазоны. В существующей глобальной системе определения местоположения (GPS, от английского - Global Positioning System), в частности, используют сигналы в диапазоне частот L1 с центром на частоте 1575,42 МГц и в диапазоне частот L2 с центром на частоте 1227,6 МГц. В создаваемой европейской системе определения местоположения Galileo будет использоваться другой набор диапазонов частот, например, диапазон Е5 (1164-1215 МГц), диапазон Е6 (1260-1300 МГц) и диапазон E2-L1-Е1 (1559-1593), называемый далее для простоты диапазоном L1. Чтобы воспользоваться расширенными возможностями определения местоположения и различными услугами определения местоположения, пользователю необходима приемо-передающая инфраструктура, способная работать на множестве частот.
Известно, что в спутниковых системах определения местоположения применяются многодиапазонные антенны с многоярусными излучателями (patches). Многочастотная антенна с уменьшенным обратным излучением и приемом описана, например, в патентной заявке US 2005/0052321 А1. Такая многодиапазонная антенна обычно включает ярусы преимущественно плоских диэлектрических подложек, на поверхности каждой из которых находится проводящий слой. Каждый проводящий слой соответствует определенному диапазону частот и настроен на резонансный режим в соответствующем диапазоне частот. Излучатели через щели соединены паразитной связью с микрополосковыми линиями передачи, нанесенными на обратную поверхность нижней диэлектрической подложки. Другая антенна, применяемая в спутниковых системах определения местоположения, описана в статье Pozar и др. "A Dual Band Circularly Polarized Aperture-Coupled Stacked Microstrip Antenna for Global Positioning Satellite", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, том 45, №.11, ноябрь 1997 г. Описанная у Pozar антенна включает многоярусную конструкцию из первого и второго излучателей, крестообразный щелевой облучатель и цепь микрополосковых линий передачи. Упомянутая цепь включает сумматоры мощностей для суммирования сигналов микрополосковых линий с правильной относительной фазой.
Известны другие антенны, не имеющие конкретного отношения к спутниковым системам определения местоположения и/или многодиапазонной работе, например, из патентной заявки US 2004/0189527 А1, в которой описана микрополосковая антенна с крестообразным щелевым облучателем, патента US 6054953, в котором описана двухдиапазонная антенна с апертурной связью, патентной заявки US 2004/0263392 А1, в которой описана многодиапазонная антенна базовой станции для связи с наземными мобильными устройствами, и патентной заявки US 2004/0239565 А1, в которой описана печатная двухдиапазонная антенна.
Важными вопросами для спутниковых систем определения местоположения являются эффекты многолучевого распространения и устойчивость фазового центра. В результате отражения от поверхностей вокруг антенны возникают многолучевые сигналы, являющиеся сдерживающим фактором при определении местоположения. Чем ближе к антенне находится отражающая поверхность, тем сложнее для приемника ослабить эффект многолучевого распространения. Для ослабления ближних эффектов многолучевого распространения необходимо построить диаграмму направленности приема антенны.
Другим сдерживающим фактором при определении местоположения являются отклонения фазового центра по частоте, которые также необходимо сводить к минимуму на уровне антенны. Еще одним параметром, который должен быть сведен к минимуму, является изменение фазового центра в зависимости от температуры.
В спутниковых навигационных системах сигналы обычно имеют уровень -130 дбмвт (Диапазон L1) и -125 дбмвт (диапазон Е5/Е6), что налагает относительно жесткие требования на высокочастотный тракт. Кроме того, подавление вне полосы пропускания должно быть очень высоким, в особенности, если антенна должна применяться в условиях высоких уровней радиопомех, таких как, например, авиационное электронное оборудование.
Другой важной особенностью является изменение групповой задержки в зависимости от частоты. Групповую задержку вызывают в основном части электрических схем, включающие резонансные участки. Для точного определения местоположения необходимо поддерживать изменение групповой задержки на низком уровне в заданном диапазоне частот. Кроме того, необходимо сводить к минимуму зависящее от температуры изменение групповой задержки на заданной частоте.
В основу настоящего изобретения положена задача создания усовершенствованной многоярусной многодиапазонной антенны. Эта задача решена с помощью антенны по п.1 формулы изобретения.
Такая многоярусная многодиапазонная антенна спутниковой системы определения местоположения включает ярус проводящих излучателей, размеры каждого из которых рассчитаны на работу в соответствующем выделенном диапазоне частот. Согласно одной из важных особенностей изобретения под упомянутым ярусом проводящих излучателей расположена секция линий возбуждения, которая включает пары проводящих линий. Каждая пара проводящих линий рассчитана на излучательную (радиационную) связь с соответствующим проводящим излучателем яруса проводящих излучателей. Антенна дополнительно включает высокочастотный тракт по меньшей мере с одной электрической схемой в трехслойной секции (с тремя проводящими слоями) под секцией линий возбуждения, для функционального соединения проводящих линий со спутниковым приемником определения местоположения. По меньшей мере одна электрическая схема включает фильтры и усилители соответственно для фильтрации и усиления сигналов, поступающих из пар проводящих линий во время работы антенны. Высокочастотный тракт предпочтительно имеет раздельные схемы для различных диапазонов частот. Это позволяет осуществлять независимое согласование импедансов, возбуждение, фильтрацию и усиление. В случае двух диапазонов частот антенна способна самоустанавливать диплексный режим. Трехслойная секция защищает по меньшей мере одну электрическую схему. Наиболее предпочтительно проводящие линии из каждой пары проводящих линий расположены преимущественно ортогонально друг другу. При приеме или передаче сигналов с круговой поляризацией сигналы в проводящих линий каждой пары проводящих линий имеют разность фаз в 90 градусов. За счет компактной конфигурации антенны обеспечивается высокая устойчивость фазового центра.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая из пар проводящих линий включает две проводящие линии схожей или одинаковой длины, проходящие под прямым углом от виртуальной точки пересечения, расположенной по центру под проводящими излучателями. Кроме того, проводящие линии могут иметь Х-образную конфигурацию, при этом первая проводящая линия первой пары выровнена в линию с первой проводящей линией второй пары, а вторая проводящая линия первой пары лежит выровнена в линию со второй проводящей линией второй пары. Следует отметить, что каждая пара проводящих линий может включать линии возбуждения особой формы, отличающиеся в каждой паре. Проводящие линии могут быть преимущественно прямыми или включать изогнутый участок.
Проводящие излучатели могут иметь любую форму, обеспечивающую качественный прием сигналов в их соответствующих диапазонах частот. Например, они могут быть квадратными или шестиугольными, но предпочтительно ярус проводящих излучателей включает осесимметричные проводящие излучатели, такие как дисковидный проводящий излучатель и кольцевой проводящий излучатель.
В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения ярус проводящих излучателей включает первый проводящий излучатель, размеры которого рассчитаны на работу в первом диапазоне частот (например, диапазоне L1) и второй проводящий излучатель, размеры которого рассчитаны на работу во втором диапазоне частот, отличающемся от первого диапазона частот (например, диапазоне Е5/Е6 в случае спутниковой системы Galileo, диапазоне L2 в случае GPS). На упомянутой секции линий возбуждения находится первая пара проводящих линий, излучательно связанная с первым проводящим излучателем, и вторая пара проводящих линий, излучательно связанная со вторым проводящим излучателем, у которых соответственно первая и вторая линии проходят перпендикулярно друг другу на секции линий возбуждения. Антенна дополнительно включает, например, трехслойную секцию, первую электрическую схему для соединения первой пары проводящих линий со спутниковым приемником определения местоположения, и вторую электрическую схему для соединения второй пары проводящих линий со спутниковым приемником определения местоположения. Предпочтительно между первой и второй схемами отсутствует электрический контакт, что позволяет специально настраивать их на соответствующие диапазоны частот.
Схемы предпочтительно включают цепь согласования импедансов, цепь возбуждения, по меньшей мере одно фильтрующее звено и малошумящие усилители. Каждая схема может быть оптимизирована, чтобы обеспечить максимальное пропускание сигналов соответствующего диапазона частот и отражение или ослабление внеполосных сигналов. Компоненты согласования, возбуждения и усиления могут быть выбраны с целью обеспечения дополнительных возможностей фильтрации в соответствующем диапазоне частот. За счет этого могут быть смягчены требования к самому фильтрующему звену и получены более компактные, устойчивые и менее дорогостоящие электрические схемы.
Для адаптации электрических схем к сигналам с круговой поляризацией первая электрическая схема включает первое звено связи для сочетания сигналов первой частоты, поступающих в первую линейку или из первой линии первой пары проводящих линий, и сигналов первой частоты, поступающих во вторую линейку или из второй линии первой пары проводящих линий, с относительной разностью фаз в 90 градусов, а вторая электрическая схема включает второе звено связи для сочетания сигналов второй частоты, поступающих в первую линейку или из первой линии второй пары проводящих линий, и сигналов второй частоты, поступающих во вторую линейку или из второй линии второй пары проводящих линий, с относительной разностью фаз в 90 градусов. Как отметил бы специалист в данной области техники, каждое звено связи может включать один или несколько устройств связи, в частности, три устройства связи в каждой из упомянутых первой и второй электрических схем. За счет этого может быть достигнуто симметричное возбуждение или чувствительность сигналов первой частоты и сигналов второй частоты.
Первая электрическая схема может включать полосовой фильтр и усилитель соответственно для фильтрации и усиления объединенных сигналов первой частоты, поступающих из первой пары проводящих линий, а вторая электрическая схема может включать полосовой фильтр и усилитель соответственно для фильтрации и усиления объединенных сигналов второй частоты, поступающих из второй пары проводящих линий.
Когда это целесообразно, по меньшей мере вторая электрическая схема может включать диплексер с двумя полосовыми фильтрами для выбора двух более узких диапазонов частот во втором диапазоне частот. Если, в частности, второй диапазон частот включает диапазон Е5 и диапазон Е6, фильтрация сигналов диапазона Е5 может осуществляться отдельно от фильтрации сигналов диапазона Е6, за счет чего улучшается отношение сигнал-шум.
Антенна может включать диэлектрические подложки, на которые методом печати или осаждения могут быть помещены проводящие излучатели. Проводящие излучатели могут быть изготовлены, например, из меди, покрытой оловянно-свинцовым сплавом. Проводящие излучатели на подложках, секция линий возбуждения и трехслойная секция могут быть помещены друг на друга с воздушными зазорами или без воздушных зазоров между ними.
Для уменьшения обратного падающего излучения антенна может включать металлическую емкость с полостью внутри, в которой помещается ярус проводящих излучателей и секция линий возбуждения. Обратное падающее излучение также может быть уменьшено с помощью дросселя, расположенного напротив проводящих излучателей. Такой дроссель может быть выполнен в виде единого целого с металлической емкостью или отдельного элемента антенны. В частности, задняя сторона металлической емкости может быть гофрирована (снабжена дроссельными кольцами).
Подразумевается, что антенна может включать защитный кожух. Такой кожух уместен, когда антенна используется вне помещения. Кожух может быть изготовлен из обычных материалов, таких как полиметилакрилат, поликарбонаты или эпоксидная смола со стекловолокном.
Далее описаны предпочтительные, не ограничивающие варианты осуществления изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
на фиг.1 показано схематическое перспективное изображение многоярусной многодиапазонной антенны с пространственным разделением деталей,
на фиг.2 - блок-схема высокочастотного тракта, соединенного с проводящими линиями секции линий возбуждения,
на фиг.3 - блок-схема первого варианта осуществления цепей возбуждения, фильтрации и усиления,
на фиг.4 - блок-схема второго варианта осуществления цепей возбуждения, фильтрации и усиления,
на фиг.5 - блок-схема третьего варианта осуществления цепей возбуждения, фильтрации и усиления,
на фиг.6 - блок-схема четвертого варианта осуществления цепей возбуждения, фильтрации и усиления,
на фиг.7 - блок-схема пятого варианта осуществления цепей возбуждения, фильтрации и усиления,
на фиг.8 - перспективное изображение металлической емкости многоярусной многодиапазонной антенны,
на фиг.9 - перспективное изображение показанной на фиг.8 металлической емкости, покрытой кожухом для применения вне помещения.
На фиг.1 схематически проиллюстрирован предпочтительный вариант осуществления многодиапазонной антенны 10 с многоярусными излучателями. Антенна включает ярус проводящих излучателей 12, 14, каждый из которых помещается на дисковидной диэлектрической подложке 16, 18. Под многоярусными излучателями расположена секция линий 20 возбуждения, включающая две пары 22, 24 проводящих линий 22а, 22b, 24a, 24b на диэлектрической подложке 26. Проводящие линии 22а, 22b, 24a, 24b соединены с высокочастотным трактом в виде трехслойной секции 28 под секцией линий 20 возбуждения. Проводящие излучатели 12, 14, секция линий 20 возбуждения и трехслойная секция 28 расположены преимущественно параллельно.
Проводящие излучатели 12, 14 и проводящие линии 22а, 22b, 24a, 24b секции 20 линий возбуждения выполнены из меди в виде печатных слоев, покрытых оловянно-свинцовым сплавом. В качестве альтернативы, может использоваться сплав, не содержащий свинца.
Верхний проводящий излучатель 12 представляет собой дисковидный медный излучатель на первом диэлектрическом диске 16. Под верхним диэлектрическим диском 16 расположен второй диэлектрический диск 18 с дисковидным проводящим излучателем 14. Второй диэлектрический диск 18 установлен на заданном расстоянии от первого диэлектрического диска 16 с помощью нескольких проставок (не показаны), расположенных по окружности диэлектрических дисков 16, 18.
Секция линий 20 возбуждения включает диэлектрический диск 26 с двумя парами 22, 24 проводящих линий 22а, 22b, 24a, 24b и с помощью проставок (не показаны), расположенных по окружности дисков 18, 26, установлен под вторым диэлектрическим диском 18. Высота многоярусной конструкции составляет порядка нескольких сантиметров.
Поперечные размеры проводящих излучателей 12, 14 обычно выбирают в пределах приблизительно от четверти до целой длины принимаемых радиоволн, чтобы обеспечить резонанс проводящих излучателей 12, 14 в соответствующих диапазонах частот. В показанной на фиг.1 конфигурации, например, верхний проводящий излучатель 12 соответствует диапазону L1 частот, а второй проводящий излучатель 14 соответствует диапазонам Е5 и Е6 частот. Для специалиста в данной области техники ясно, что предложенная антенна может быть легко настроена на другие диапазоны частот.
Каждая пара 22, 24 проводящих линий 22а, 22b, 24a, 24b включает две медные линии, образующие прямой угол. Медные линии не находятся в электрическом контакте с секцией линий 20 возбуждения. Медные линии 22а, 22b, 24a, 24b проходят в радиальном направлении от центра дисковидной секции 20 линий возбуждения, но в действительности не соединяются в центре, образуя тем самым только виртуальную точку пересечения. Две пары 22, 24 проводящих линий 22а, 22b, 24a, 24b расположены симметрично вокруг центра диска 26 и образуют Х-образную конфигурацию: проводящая линия 22а лежит на одной прямой с проводящей линией 24a, а проводящая линия 22b лежит на одной прямой с проводящей линией 24b.
За счет конфигурации проводящих излучателей 12, 14 и секции 20 линий возбуждения обеспечивается высокая устойчивость фазового центра, высокий коэффициент усиления при малых углах возвышения, низкий уровень кросс-поляризации и небольшие диэлектрические омические потери.
Секция линий 20 возбуждения расположена поверх трехслойной секции 28, которая включает диэлектрический диск 30 с покрытой медью поверхностью 32, которая обращена в сторону секции 20 линий возбуждения. Второй диэлектрический диск 34, включающий высокочастотный тракт с цепями или схемами 36, 38 согласования, возбуждения и усиления, примыкает к нижней диэлектрической поверхности 40 верхнего диэлектрического диска 30 трехслойной секции 28, в результате чего высокочастотный тракт помещается между двумя изолирующими слоями. Поверхность второго диэлектрического диска 34, обращенная в противоположную сторону от проводящих излучателей 12, 14 и секции 20 линий возбуждения, покрыта проводящим слоем.
Проводящие излучатели 12, 14 на подложках 16, 18, секция линий 20 возбуждения и трехслойная секция 28 многодиапазонной антенны 10 помещаются в полости металлической емкости 42. Металлическая емкость (контейнер) имеет цилиндрическую боковую стенку 44 и основание, закрывающее емкость 42 с задней стороны, при этом емкость 42 открыта со стороны проводящих излучателей 12, 14. Емкость 42 преимущественно уменьшает количество излучения, достигающего антенны 10 с задней стороны. Форму емкости 42 и взаимное расположение проводящих излучателей 12, 14 и секции 20 линий возбуждения выбирают таким образом, чтобы диаграмма направленности излучения антенны 10 была по мере возможности симметрична ее оси.
Поскольку металлическая емкость 42 находится в электрическом контакте с верхним и нижним проводящими слоями трехслойной секции, электрические схемы 36, 38 защищены от электромагнитного излучения.
Каждая пара 22, 24 проводящих линий 22а, 22b, 24a, 24b соответствует определенному проводящему излучателю. Пара 22 соответствует диапазону L1, a другая пара 24 соответствует диапазонам Е5 и Е6. Проводящие линии 22а, 22b, 24a, 24b не соединены с проводящими излучателями 12, 14. Они излучательно связаны с проводящими излучателями 12, 14. В качестве альтернативы, они могут быть соединены с проводящими излучателями 12, 14.
Проводящие линии соединены с цепями 36, 38 согласования, возбуждения, фильтрации и усиления на трехслойной секции 28.
Трехслойная секция 28 включает две отдельные цепи 36, 38 для двух пар 22, 24 проводящих линий, которые описаны далее со ссылкой на фиг.2-7. За счет конфигурации антенны с самоустанавливающимся диплексным режимом может быть оптимизирована цепь согласования, цепь возбуждения, фильтрующее звено и усилительный каскад по отдельности для диапазонов Е5/Е6 и L1.
Цепь 36 соответствует диапазону L1, а цепь 38 соответствует диапазонам Е5 и Е6. За проводящими линиями 22а, 22b, 24a, 24b каждая цепь 36, 38 имеет устройство 50, 52 связи, закрепленное за соответствующим диапазоном частот. Далее описана схема соединений такого устройства с устройством 50 связи цепи 36. Устройство 50 связи имеет четыре порта, при этом первый порт 50а служит для передачи сигналов антенны спутниковому приемнику определения местоположения. Второй порт 50b и третий порт 50с соединены цепью 54 согласования импедансов соответственно с одной из проводящих линий 22b, 22а той же пары 22. Четвертый порт 50d соединен с 50-омным оконечным устройством 56. Устройство 50 связи объединяет соответствующие сигналы второго порта 50b и третьего порта 50с с разностью фаз в 90 градусов и подает объединенные сигналы на первый порт 50а. Четвертый порт 50d служит для поглощения остаточной мощности. Таким образом, за счет использования отличающихся цепей 36, 38 для диапазона L1 и диапазонов Е5/Е6 обеспечивают предварительное разделение сигналов диапазона L1 и диапазонов Е5/Е6 до их прохождения через соответствующее фильтрующее звено 62, 64 и усилительный каскад 66, 68. В цепи 38 позицией 58 обозначена цепь согласования импедансов пары проводящих линий 24, а позицией 60 обозначено 50-омное оконечное устройство.
Фильтрующие звенья 62, 64 и усилительные каскады 66, 68 также расположены на трехслойной секции 28, чтобы максимально уменьшить длину электрических соединений. За счет уменьшения длины соединений уменьшаются потери. Фильтрующие звенья 62, 64 расположены непосредственно перед усилительными каскадами 66, 68 и служат для фильтрации всех внеполосных помех, способных приводить к насыщению усилителей.
На фиг.3-7 показано несколько вариантов осуществления фильтрующих звеньев 62, 62 и усилительных каскадов 66, 68 антенны 10.
В показанном на фиг.3 варианте осуществления первый порт устройства 50 связи цепи 36, которая соответствует диапазону L1, соединен с фильтрующим звеном 62, состоящим из полосового фильтра для фильтрации нежелательных частотных составляющих вне диапазона L1. Затем отфильтрованный сигнал диапазона L1 усиливает малошумящий усилитель усилительного каскада 66. В цепи 38, которая соответствует диапазонам Е5 и Е6 в качестве фильтрующего звена 64 используют встроенный диплексер и сумматор. Фильтрующее звено включает два полосовых фильтра 70, 72 для полосовой фильтрации сигналов диапазона Е5 и Е6 соответственно. Диплексер/сумматор распложен за первым портом устройства 52 связи. После фильтрации сигналов диапазонов Е5 и Е6 их воссоединяют и усиливают в малошумящем усилителе 68, после чего подают в соединитель спутникового приемника определения местоположения.
На фиг.4 проиллюстрирован показанный на фиг.3 вариант осуществления с дополнительными фильтрующими звеньями 74, 76 за усилительными каскадами 66, 68. Диплексер/сумматор 76 цепи 38 включает полосовой фильтр диапазона Е5 и полосовой фильтр диапазона Е6.
Как показано на фиг.5, фильтрующее звено 64 включает диплексер без функций сумматора. Отфильтрованные сигналы диапазонов Е5 и Е6 по отдельности усиливают различные усилители усилительного каскада 68. Воссоединение сигналов диапазонов Е5 и Е6 происходит за усилительным каскадом 68 в сумматор 78, который включает полосовые фильтры для раздельной фильтрации сигналов диапазонов Е5 и Е6.
Как показано на фиг.6 и 7, сигналы диапазонов Е5 и Е6 могут быть по отдельности поданы в спутниковый приемник определения местоположения, минуя стадию воссоединения усиленных сигналов. После усиления сигналы могут быть поданы непосредственно в приемник или после полосовой фильтрации в фильтры 74, 80, 82, соответственно.
Поскольку в показанных на фиг.3 и 4 вариантах осуществления используют только два малошумящих усилителя, а не три, как это проиллюстрировано на фиг.4-7, их преимуществом является меньшее потребление энергии и стоимость. С учетом того, что дополнительные фильтрующие звенья 74, 76 увеличивают изменение групповых задержек в зависимости от частоты и снижают устойчивость групповой задержки в зависимости от температуры, показанный на фиг.3 вариант осуществления является предпочтительным по сравнению с вариантом осуществления, показанным на фиг.4.
На фиг.8 показано перспективное изображение емкости 42 для размещения узла многоярусных излучателей 12, 14, секции 20 линий возбуждения и трехслойной секции 28 с высокочастотным трактом.
Для защиты на случай применения вне помещения, например, от дождевой воды или снега антенна предпочтительно снабжена кожухом 90, таким как показан на фиг.9.
Для специалистов в данной области техники ясно, что в описанной антенне сочетается несколько функциональных возможностей, что делает ее особо применимой в профессиональных спутниковых системах определения местоположения, системах координат и системах охраны человеческой жизни, например, в Европейской спутниковой системе определения местоположения Galileo. В антенне предусмотрены следующие возможности:
трехдиапазонная работа (например, L1, Е5, Е6);
встроенный самоустанавливающийся диплексный режим (раздельные схемы для диапазона L1 и диапазонов Е5/Е6);
высокая устойчивость фазового центра и низкий уровень кросс-поляризации за счет компактности и низкого силуэта.
Антенна обладает высоким потенциалом промышленного применения, поскольку она является одной из первых высокоэффективных антенн, применимых в системе Galileo, и полностью раскрывает технологический потенциал системы Galileo. Кроме того, существует потребность в такой приемлемой по цене, компактной и портативной антенне с встроенными фильтрующими и усилительными элементами.