孟川舒，趙 晶，張吉峰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

衛(wèi)星導(dǎo)航天線是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用能夠正常進(jìn)行的必要條件，隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航天線的研發(fā)也在不斷進(jìn)行。國(guó)內(nèi)有學(xué)者對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航天線的研究現(xiàn)狀及技術(shù)問(wèn)題做過(guò)系統(tǒng)性分析[1]，指出抗干擾、高精度是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航天線的發(fā)展趨勢(shì)之一。此外，多模多功能天線也是近年研究熱點(diǎn)，如兼容多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多模天線[2]，通信導(dǎo)航一體化天線[3]等，目前，市場(chǎng)上的衛(wèi)星導(dǎo)航天線至少兼容全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS，BeiDou Navigation Satellite System）的信號(hào)。

對(duì)于鐵路而言，列車上多個(gè)系統(tǒng)都需要衛(wèi)星定位功能，如機(jī)車綜合無(wú)線通信系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)等，也有專業(yè)需要使用北斗短報(bào)文通信功能，如機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。目前，各個(gè)系統(tǒng)均獨(dú)立設(shè)置天線，導(dǎo)致列車頂部重復(fù)布設(shè)多個(gè)同類天線，造成車頂空間和設(shè)備投入的浪費(fèi)。此外，現(xiàn)有天線均為導(dǎo)航型，無(wú)法進(jìn)行高精度定位，更沒(méi)有能夠同時(shí)兼顧高精度定位和短報(bào)文通信的北斗一體化天線。本文基于當(dāng)前實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一款符合鐵路車載應(yīng)用需要的高精度一體化天線，為節(jié)約天線布設(shè)空間、降低布設(shè)成本提供可行方案。

1 需求分析

目前，鐵路車載天線多是集成地面移動(dòng)通信天線與衛(wèi)星導(dǎo)航天線的組合天線，車載專業(yè)系統(tǒng)間基本獨(dú)立，各布各的天線，造成浪費(fèi)。而鐵路車載衛(wèi)星導(dǎo)航天線均為通用導(dǎo)航型天線，還沒(méi)有同時(shí)具有高精度衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航（RNSS，Radio Navigation Satellite System）功能和北斗衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定（RDSS，Radio Determination Satellite Service）功能的車載天線，在同時(shí)需要這兩種功能的時(shí)候，需要安裝兩個(gè)天線，也在一定程度上浪費(fèi)了空間和成本?；诖耍F路車載北斗高精度一體化天線的需求如下。

1.1 功能需求

（1）車載天線能夠?qū)崿F(xiàn)RNSS與RDSS功能一體化，RNSS頻點(diǎn)包括 L1、L2，B1、B2、B3，RDSS頻點(diǎn)包括L、S，能夠滿足高速鐵路大動(dòng)態(tài)、高精度空間位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)要求。

（2）靜態(tài)天線能夠?qū)崿F(xiàn)接收機(jī)內(nèi)置，實(shí)現(xiàn)天線接收機(jī)一體化，可廣泛應(yīng)用于高精度靜態(tài)觀測(cè)，以及大型建筑物和路基橋梁等的位移形

變監(jiān)測(cè)。

1.2 性能需求

（1）寬頻帶，高增益，適用性廣，抗干擾性強(qiáng)。

（2）具有較好的抗多徑干擾能力和接收穩(wěn)定性,確保多路徑值小于0.4 mm。

（3）具有穩(wěn)定的相位中心特性，相位中心偏差控制在1 mm以內(nèi)。

（4）具有隔離度高的雙極化端口，以及獨(dú)有的對(duì)前向多徑抑制效能。

（5）從屏蔽、濾波、接地、印制電路板布局等方面解決多天線之間的電磁兼容和隔離度問(wèn)題。

（6）天線方向圖應(yīng)近似半球狀，均勻分布，法向增益≥2.5 dBi，仰角20°方向增益≥-4.5 dBi。

1.3 物理、環(huán)境需求

（1）車載天線外形是流線形，控制體積盡量小，符合車載及限界相關(guān)規(guī)定。靜態(tài)天線主要采用蘑菇頭形，但可根據(jù)實(shí)際情況不限形狀。

（2）工作溫度范圍-40 ℃～+80 ℃。

（3）天線外殼顏色適合整車顏色要求。

（4）底板材料鋁合金，表面氧化處理，保證金屬件耐腐蝕。

（5）重量輕、高度集成。

2 技術(shù)方案

2.1 工作原理

2.1.1 RNSS部分射頻電路原理

（1）由RNSS微帶天線接收的兩路信號(hào)（GPS L1與BDS B1信號(hào)、GPS L2與BDS B2B3信號(hào)）分別引入至低損耗前置濾波器，濾波后分別進(jìn)入一級(jí)低噪聲放大器（LNA）、放大增益為15 dB左右；（2）將兩路信號(hào)通過(guò)合成器合為一路信號(hào)，再經(jīng)二級(jí)濾波和放大后，通過(guò)衰減網(wǎng)絡(luò)調(diào)整匹配增益及輸出駐波，使放大后的信號(hào)增益及噪聲等能夠滿足技術(shù)指標(biāo)，輸出給接收模塊。

為使射頻電路工作穩(wěn)定，增加保護(hù)電路和穩(wěn)壓電路。RNSS部分射頻電路原理如圖1所示。

圖1 RNSS部分射頻電路原理

2.1.2 RDSS部分射頻電路原理

（1）由S頻點(diǎn)微帶天線接收下來(lái)的信號(hào)引入至低損耗前置濾波器，濾波后進(jìn)入一級(jí)LNA、放大增益為15 dB左右；（2）再經(jīng)二級(jí)濾波和放大后，通過(guò)衰減網(wǎng)絡(luò)調(diào)整匹配增益及輸出駐波，使放大后的信號(hào)增益及噪聲等能夠滿足技術(shù)指標(biāo)，輸出給接收模塊。

為使射頻電路工作穩(wěn)定，增加穩(wěn)壓電路。RNSS部分射頻電路原理如圖2所示。

圖2 RNSS部分射頻電路原理

2.2 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，天線具備GPS L1/L2、BDS B1/B2/B3/S頻點(diǎn)信號(hào)的接收功能，以及BDS L頻點(diǎn)信號(hào)的發(fā)射功能。天線有3個(gè)端口：端口1為BDS S信號(hào)接收端口；端口2為BDS L信號(hào)發(fā)射端口；端口3為RNSS信號(hào)（GPS L1/L2、BDS B1/B2/B3）接收端口。

2.3 性能指標(biāo)

（1）重量：≤1.5 kg。

（2） 尺寸：260 mm（長(zhǎng)）×104 mm（寬）×84 mm（高）（不含連接器）。

（3）隔離度：≥25 dB（工作頻段內(nèi)，兩個(gè)射頻端口之間）。

（4）工作頻率： GPS為L(zhǎng)1/L2；BDS為B1/B2/B3、L/S。

（5）極化方式：BDS L頻點(diǎn)為左旋極化；GPS L1/L2、BDS B1/B2/B3/S頻點(diǎn)為右旋極化。

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

（7）電壓駐波比：≤1.5。

（8）端口阻抗：50 Ω。

（9）法向軸比：≤1.5 dB。

（10）不圓度：≤2 dB（仰角20°）。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）RDSS、RNSS干擾分析及隔離處理

RDSS、RNSS的干擾主要是由于L頻點(diǎn)過(guò)近、RDSS上行具有較強(qiáng)發(fā)射功率引起，可通過(guò)增加低損耗高抑制的濾波器以及物理空間隔離來(lái)提高隔離度。

（2）復(fù)雜環(huán)境下天線的抗多路徑設(shè)計(jì)

為使天線具有更好的抗干擾性能和環(huán)境適應(yīng)性，進(jìn)行空間濾波及抑制多徑序貫設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成雙極化：直達(dá)信號(hào)通過(guò)右旋極化主通道進(jìn)入接收機(jī)；一次反射散射信號(hào)無(wú)障礙地進(jìn)入反旋通道，在終端被吸收電阻吸收。

（3）低仰角設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)

采用空間濾波與波束賦形技術(shù)，有意減低高仰角比較富裕的增益電平，而把能量轉(zhuǎn)換到電平比較臨界的低仰角區(qū)，以形成更加平頭的賦形波束，在低仰角情況下保持性能良好。采用寬帶自匹配振子技術(shù),實(shí)現(xiàn)更寬的頻帶，具有良好的電磁兼容性。

3 原型產(chǎn)品研制及測(cè)試

3.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

3.1.1 天線設(shè)計(jì)

RNSS天線選用微帶天線，其頻段分成兩個(gè)：（1）GPS L1與BDS B1頻段；（2）GPS L2與BDS B2、B3頻段。用兩個(gè)微帶天線來(lái)滿足全部帶寬要求?？紤]到天線的低損耗高增益要求，以及考慮天線的帶寬因素，參考以往的同類天線測(cè)試數(shù)據(jù)，確定RNSS微帶天線的介電常數(shù)為6，GPS L1與BDS B1頻段的介質(zhì)板厚度為4.5 mm，GPS L2與BDS B2、B3頻段的介質(zhì)板厚度為8 mm。RDSS方面，北斗S和L頻段微帶天線的介電常數(shù)為9.8，S頻段的介質(zhì)板厚度為4.5 mm，L頻段的介質(zhì)板厚度為4.5 mm。

3.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線外殼全部采用非金屬透波材料，同時(shí)，天線外殼結(jié)構(gòu)表面圓滑，外形設(shè)計(jì)為鯊魚(yú)鰭流線形狀，可以減少物體在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的風(fēng)阻。天線的底座采用鋁合金，可減少天線整體質(zhì)量。天線底部安裝了防水透氣閥，可以保證天線內(nèi)外壓差，防止水汽結(jié)霧等現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)整個(gè)天線的使用壽命。天線的底座與安裝載體之間采用丁晴橡膠墊，能夠緩沖日常使用過(guò)程中的振動(dòng)。

3.1.3 適應(yīng)性設(shè)計(jì)

（1）電壓適應(yīng)性的設(shè)計(jì)

在天線的LNA內(nèi)部設(shè)計(jì)保護(hù)電路和穩(wěn)壓電路，保護(hù)電路防止雷擊等突發(fā)情況對(duì)LNA的影響，保證LNA能夠穩(wěn)定工作。

（2）耐高低溫設(shè)計(jì)

選擇對(duì)溫度變化不敏感的材料；選擇的電子元器件技術(shù)參數(shù)滿足天線產(chǎn)品高低溫的技術(shù)要求；電路板在生產(chǎn)、調(diào)試完成后做三防（防潮、防鹽霧、防霉）處理，以降低或消除高低溫環(huán)境對(duì)電子器件性能的不利影響。

（3）抗振動(dòng)設(shè)計(jì)

電子元器件選擇貼片式封裝，貼片式器件抗振性好，形狀簡(jiǎn)單，貼焊在電路板表面，可抗振動(dòng)和沖擊。

（4）抗鹽霧防水設(shè)計(jì)

電路板在生產(chǎn)、調(diào)試完成后做三防處理，以降低或消除鹽霧環(huán)境對(duì)電子器件性能的不利影響；采用抗鹽霧能力強(qiáng)的材料和工藝，緊固件及連接器等配件，均采用不銹鋼材質(zhì)；外殼金屬件在氧化處理后，再噴漆處理；在天線的底部安裝防水絕緣墊，之間采用密封設(shè)計(jì)，相互之間應(yīng)通過(guò)膠體實(shí)現(xiàn)完全、無(wú)縫粘連，以保證其防水可靠性；為保證天線內(nèi)外氣壓一致，天線底部采用防水透氣閥。

3.1.4 接口設(shè)計(jì)

天線輸出為3個(gè)端口，端口1（BDS S）、端口2（BDS L）為RDSS天線接口，端口3（GPS L1/L2、BDS B1/B2/B3）為RNSS天線接口。端口的連接器類型為N-Female型，且與射頻線纜的互換性良好。連接器與金屬之間用螺紋固定，并且用密封膠水密封，以防漏水。

3.1.5 固件設(shè)計(jì)

為滿足天線的固定強(qiáng)度和外形結(jié)構(gòu)要求，天線安裝選用4枚螺釘固定。螺釘?shù)牟馁|(zhì)選擇為不銹鋼，以滿足防鹽霧等環(huán)境要求。

3.1.6 產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格

圖3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格圖

圖4 原型產(chǎn)品實(shí)物圖

產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格如圖3所示，原型產(chǎn)品實(shí)物如圖4所示。

3.2 產(chǎn)品測(cè)試

3.2.1 靜態(tài)指標(biāo)測(cè)試

根據(jù)天線性能要求，對(duì)天線進(jìn)行了靜態(tài)指標(biāo)測(cè)試，主要包括：工作頻率、天線增益、方向性指標(biāo)、LNA性能等。測(cè)試結(jié)果如表1所示，滿足天線性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

表1 指標(biāo)測(cè)試表

3.2.2 外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試

動(dòng)態(tài)測(cè)試?yán)闷囋诟咚俟飞线M(jìn)行，將天線固定在車頂上，通過(guò)同軸電纜線連接到車內(nèi)的BDS終端和全頻段接收機(jī)上，記錄高速運(yùn)動(dòng)情況下的信噪比及定位情況，并連續(xù)發(fā)送10條短消息至另一BDS終端，記錄短信接收情況。實(shí)測(cè)表明，在高速（125 km/h）狀態(tài)下，車載端發(fā)送短信10條，接收端全部收到，BDS收發(fā)功能正常，RNSS 的L1/L2/B1/B2/B3頻點(diǎn)信噪比穩(wěn)定，接收機(jī)板卡一直處于定位狀態(tài)，天線功能正常。信噪比如圖5所示。

圖5 信噪比

汽車速度較低，可模擬普速列車，而汽車橫向擺動(dòng)及上下振動(dòng)幅度比列車大，因此搭載汽車的測(cè)試結(jié)果具有一定代表性，可作為階段性成果和依據(jù)，指導(dǎo)下一步高速動(dòng)車組搭載試驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路車載北斗高精度一體化天線解決了以往無(wú)法使用單一天線同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度定位和短報(bào)文通信的難題，一體化設(shè)計(jì)能夠降低天線布設(shè)成本，節(jié)約列車頂部空間。但目前還缺少列車高速運(yùn)行工況下的測(cè)試驗(yàn)證，后續(xù)將開(kāi)展高速動(dòng)車組搭載試驗(yàn)，優(yōu)化天線性能，推進(jìn)產(chǎn)品定型。