铁路车载北斗高精度一体化天线设计与实现

2019-10-23孟川舒张吉峰

铁路计算机应用 2019年10期

孟川舒，赵晶，张吉峰

（中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

卫星导航天线是卫星导航应用能够正常进行的必要条件，随着我国北斗卫星导航系统的建设发展，北斗卫星导航天线的研发也在不断进行。国内有学者对北斗卫星导航天线的研究现状及技术问题做过系统性分析[1]，指出抗干扰、高精度是北斗卫星导航天线的发展趋势之一。此外，多模多功能天线也是近年研究热点，如兼容多个卫星导航系统的多模天线[2]，通信导航一体化天线[3]等，目前，市场上的卫星导航天线至少兼容全球定位系统（GPS，Global Positioning System）和北斗卫星导航系统（BDS，BeiDou Navigation Satellite System）的信号。

对于铁路而言，列车上多个系统都需要卫星定位功能，如机车综合无线通信系统、旅客信息系统等，也有专业需要使用北斗短报文通信功能，如机车远程监控系统。目前，各个系统均独立设置天线，导致列车顶部重复布设多个同类天线，造成车顶空间和设备投入的浪费。此外，现有天线均为导航型，无法进行高精度定位，更没有能够同时兼顾高精度定位和短报文通信的北斗一体化天线。本文基于当前实际情况，设计一款符合铁路车载应用需要的高精度一体化天线，为节约天线布设空间、降低布设成本提供可行方案。

1 需求分析

目前，铁路车载天线多是集成地面移动通信天线与卫星导航天线的组合天线，车载专业系统间基本独立，各布各的天线，造成浪费。而铁路车载卫星导航天线均为通用导航型天线，还没有同时具有高精度卫星无线电导航（RNSS，Radio Navigation Satellite System）功能和北斗卫星无线电测定（RDSS，Radio Determination Satellite Service）功能的车载天线，在同时需要这两种功能的时候，需要安装两个天线，也在一定程度上浪费了空间和成本。基于此，铁路车载北斗高精度一体化天线的需求如下。

1.1 功能需求

（1）车载天线能够实现RNSS与RDSS功能一体化，RNSS频点包括 L1、L2，B1、B2、B3，RDSS频点包括L、S，能够满足高速铁路大动态、高精度空间位置的实时动态监测要求。

（2）静态天线能够实现接收机内置，实现天线接收机一体化，可广泛应用于高精度静态观测，以及大型建筑物和路基桥梁等的位移形

变监测。

1.2 性能需求

（1）宽频带，高增益，适用性广，抗干扰性强。

（2）具有较好的抗多径干扰能力和接收稳定性,确保多路径值小于0.4 mm。

（3）具有稳定的相位中心特性，相位中心偏差控制在1 mm以内。

（4）具有隔离度高的双极化端口，以及独有的对前向多径抑制效能。

（5）从屏蔽、滤波、接地、印制电路板布局等方面解决多天线之间的电磁兼容和隔离度问题。

（6）天线方向图应近似半球状，均匀分布，法向增益≥2.5 dBi，仰角20°方向增益≥-4.5 dBi。

1.3 物理、环境需求

（1）车载天线外形是流线形，控制体积尽量小，符合车载及限界相关规定。静态天线主要采用蘑菇头形，但可根据实际情况不限形状。

（2）工作温度范围-40 ℃～+80 ℃。

（3）天线外壳颜色适合整车颜色要求。

（4）底板材料铝合金，表面氧化处理，保证金属件耐腐蚀。

（5）重量轻、高度集成。

2 技术方案

2.1 工作原理

2.1.1 RNSS部分射频电路原理

（1）由RNSS微带天线接收的两路信号（GPS L1与BDS B1信号、GPS L2与BDS B2B3信号）分别引入至低损耗前置滤波器，滤波后分别进入一级低噪声放大器（LNA）、放大增益为15 dB左右；（2）将两路信号通过合成器合为一路信号，再经二级滤波和放大后，通过衰减网络调整匹配增益及输出驻波，使放大后的信号增益及噪声等能够满足技术指标，输出给接收模块。

为使射频电路工作稳定，增加保护电路和稳压电路。RNSS部分射频电路原理如图1所示。

图1 RNSS部分射频电路原理

2.1.2 RDSS部分射频电路原理

（1）由S频点微带天线接收下来的信号引入至低损耗前置滤波器，滤波后进入一级LNA、放大增益为15 dB左右；（2）再经二级滤波和放大后，通过衰减网络调整匹配增益及输出驻波，使放大后的信号增益及噪声等能够满足技术指标，输出给接收模块。

为使射频电路工作稳定，增加稳压电路。RNSS部分射频电路原理如图2所示。

图2 RNSS部分射频电路原理

2.2 功能设计

根据需求，天线具备GPS L1/L2、BDS B1/B2/B3/S频点信号的接收功能，以及BDS L频点信号的发射功能。天线有3个端口：端口1为BDS S信号接收端口；端口2为BDS L信号发射端口；端口3为RNSS信号（GPS L1/L2、BDS B1/B2/B3）接收端口。

2.3 性能指标

（1）重量：≤1.5 kg。

（2）尺寸：260 mm（长）×104 mm（宽）×84 mm（高）（不含连接器）。

（3）隔离度：≥25 dB（工作频段内，两个射频端口之间）。

（4）工作频率： GPS为L1/L2；BDS为B1/B2/B3、L/S。

（5）极化方式：BDS L频点为左旋极化；GPS L1/L2、BDS B1/B2/B3/S频点为右旋极化。

（6）天线增益：法向增益≥2.5 dBi；仰角20°方向增益≥-4.5 dBi。

（7）电压驻波比：≤1.5。

（8）端口阻抗：50 Ω。

（9）法向轴比：≤1.5 dB。

（10）不圆度：≤2 dB（仰角20°）。

2.4 关键技术

（1）RDSS、RNSS干扰分析及隔离处理

RDSS、RNSS的干扰主要是由于L频点过近、RDSS上行具有较强发射功率引起，可通过增加低损耗高抑制的滤波器以及物理空间隔离来提高隔离度。

（2）复杂环境下天线的抗多路径设计

为使天线具有更好的抗干扰性能和环境适应性，进行空间滤波及抑制多径序贯设计，设计成双极化：直达信号通过右旋极化主通道进入接收机；一次反射散射信号无障碍地进入反旋通道，在终端被吸收电阻吸收。

（3）低仰角设计和电磁兼容设计

采用空间滤波与波束赋形技术，有意减低高仰角比较富裕的增益电平，而把能量转换到电平比较临界的低仰角区，以形成更加平头的赋形波束，在低仰角情况下保持性能良好。采用宽带自匹配振子技术,实现更宽的频带，具有良好的电磁兼容性。

3 原型产品研制及测试

3.1 产品设计

3.1.1 天线设计

RNSS天线选用微带天线，其频段分成两个：（1）GPS L1与BDS B1频段；（2）GPS L2与BDS B2、B3频段。用两个微带天线来满足全部带宽要求。考虑到天线的低损耗高增益要求，以及考虑天线的带宽因素，参考以往的同类天线测试数据，确定RNSS微带天线的介电常数为6，GPS L1与BDS B1频段的介质板厚度为4.5 mm，GPS L2与BDS B2、B3频段的介质板厚度为8 mm。RDSS方面，北斗S和L频段微带天线的介电常数为9.8，S频段的介质板厚度为4.5 mm，L频段的介质板厚度为4.5 mm。

3.1.2 结构设计

天线外壳全部采用非金属透波材料，同时，天线外壳结构表面圆滑，外形设计为鲨鱼鳍流线形状，可以减少物体在高速运动时的风阻。天线的底座采用铝合金，可减少天线整体质量。天线底部安装了防水透气阀，可以保证天线内外压差，防止水汽结雾等现象的发生，延长整个天线的使用寿命。天线的底座与安装载体之间采用丁晴橡胶垫，能够缓冲日常使用过程中的振动。

3.1.3 适应性设计

（1）电压适应性的设计

在天线的LNA内部设计保护电路和稳压电路，保护电路防止雷击等突发情况对LNA的影响，保证LNA能够稳定工作。

（2）耐高低温设计

选择对温度变化不敏感的材料；选择的电子元器件技术参数满足天线产品高低温的技术要求；电路板在生产、调试完成后做三防（防潮、防盐雾、防霉）处理，以降低或消除高低温环境对电子器件性能的不利影响。

（3）抗振动设计

电子元器件选择贴片式封装，贴片式器件抗振性好，形状简单，贴焊在电路板表面，可抗振动和冲击。

（4）抗盐雾防水设计

电路板在生产、调试完成后做三防处理，以降低或消除盐雾环境对电子器件性能的不利影响；采用抗盐雾能力强的材料和工艺，紧固件及连接器等配件，均采用不锈钢材质；外壳金属件在氧化处理后，再喷漆处理；在天线的底部安装防水绝缘垫，之间采用密封设计，相互之间应通过胶体实现完全、无缝粘连，以保证其防水可靠性；为保证天线内外气压一致，天线底部采用防水透气阀。

3.1.4 接口设计

天线输出为3个端口，端口1（BDS S）、端口2（BDS L）为RDSS天线接口，端口3（GPS L1/L2、BDS B1/B2/B3）为RNSS天线接口。端口的连接器类型为N-Female型，且与射频线缆的互换性良好。连接器与金属之间用螺纹固定，并且用密封胶水密封，以防漏水。

3.1.5 固件设计

为满足天线的固定强度和外形结构要求，天线安装选用4枚螺钉固定。螺钉的材质选择为不锈钢，以满足防盐雾等环境要求。

3.1.6 产品设计规格

图3 产品设计规格图

图4 原型产品实物图

产品设计规格如图3所示，原型产品实物如图4所示。

3.2 产品测试

3.2.1 静态指标测试

根据天线性能要求，对天线进行了静态指标测试，主要包括：工作频率、天线增益、方向性指标、LNA性能等。测试结果如表1所示，满足天线性能指标设计要求。

表1 指标测试表

3.2.2 外场动态测试

动态测试利用汽车在高速公路上进行，将天线固定在车顶上，通过同轴电缆线连接到车内的BDS终端和全频段接收机上，记录高速运动情况下的信噪比及定位情况，并连续发送10条短消息至另一BDS终端，记录短信接收情况。实测表明，在高速（125 km/h）状态下，车载端发送短信10条，接收端全部收到，BDS收发功能正常，RNSS 的L1/L2/B1/B2/B3频点信噪比稳定，接收机板卡一直处于定位状态，天线功能正常。信噪比如图5所示。