孟川舒，趙 晶，張吉峰

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

衛(wèi)星導(dǎo)航天線是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用能夠正常進行的必要條件，隨著我國北斗衛(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)也在不斷進行。國內(nèi)有學(xué)者對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航天線的研究現(xiàn)狀及技術(shù)問題做過系統(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)展趨勢之一。此外，多模多功能天線也是近年研究熱點，如兼容多個衛(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。

對于鐵路而言，列車上多個系統(tǒng)都需要衛(wèi)星定位功能，如機車綜合無線通信系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)等，也有專業(yè)需要使用北斗短報文通信功能，如機車遠程監(jiān)控系統(tǒng)。目前，各個系統(tǒng)均獨立設(shè)置天線，導(dǎo)致列車頂部重復(fù)布設(shè)多個同類天線，造成車頂空間和設(shè)備投入的浪費。此外，現(xiàn)有天線均為導(dǎo)航型，無法進行高精度定位，更沒有能夠同時兼顧高精度定位和短報文通信的北斗一體化天線。本文基于當前實際情況，設(shè)計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)間基本獨立，各布各的天線，造成浪費。而鐵路車載衛(wèi)星導(dǎo)航天線均為通用導(dǎo)航型天線，還沒有同時具有高精度衛(wèi)星無線電導(dǎo)航（RNSS，Radio Navigation Satellite System）功能和北斗衛(wèi)星無線電測定（RDSS，Radio Determination Satellite Service）功能的車載天線，在同時需要這兩種功能的時候，需要安裝兩個天線，也在一定程度上浪費了空間和成本?；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頻點包括 L1、L2，B1、B2、B3，RDSS頻點包括L、S，能夠滿足高速鐵路大動態(tài)、高精度空間位置的實時動態(tài)監(jiān)測要求。

（2）靜態(tài)天線能夠?qū)崿F(xiàn)接收機內(nèi)置，實現(xiàn)天線接收機一體化，可廣泛應(yīng)用于高精度靜態(tài)觀測，以及大型建筑物和路基橋梁等的位移形

變監(jiān)測。

1.2 性能需求

（1）寬頻帶，高增益，適用性廣，抗干擾性強。

（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，以及獨有的對前向多徑抑制效能。

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

為使射頻電路工作穩(wěn)定，增加保護電路和穩(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頻點微帶天線接收下來的信號引入至低損耗前置濾波器，濾波后進入一級LNA、放大增益為15 dB左右；（2）再經(jīng)二級濾波和放大后，通過衰減網(wǎng)絡(luò)調(diào)整匹配增益及輸出駐波，使放大后的信號增益及噪聲等能夠滿足技術(shù)指標，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

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

2.3 性能指標

（1）重量：≤1.5 kg。

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

（3）隔離度：≥25 dB（工作頻段內(nèi)，兩個射頻端口之間）。

（4）工作頻率： GPS為L1/L2；BDS為B1/B2/B3、L/S。

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

（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頻點過近、RDSS上行具有較強發(fā)射功率引起，可通過增加低損耗高抑制的濾波器以及物理空間隔離來提高隔離度。

（2）復(fù)雜環(huán)境下天線的抗多路徑設(shè)計

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

（3）低仰角設(shè)計和電磁兼容設(shè)計

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)品研制及測試

3.1 產(chǎn)品設(shè)計

3.1.1 天線設(shè)計

RNSS天線選用微帶天線，其頻段分成兩個：（1）GPS L1與BDS B1頻段；（2）GPS L2與BDS B2、B3頻段。用兩個微帶天線來滿足全部帶寬要求。考慮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

天線外殼全部采用非金屬透波材料，同時，天線外殼結(jié)構(gòu)表面圓滑，外形設(shè)計為鯊魚鰭流線形狀，可以減少物體在高速運動時的風(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，延長整個天線的使用壽命。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程中的振動。

3.1.3 適應(yīng)性設(shè)計

（1）電壓適應(yīng)性的設(shè)計

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

（2）耐高低溫設(shè)計

選擇對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)境對電子器件性能的不利影響。

（3）抗振動設(shè)計

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

（4）抗鹽霧防水設(shè)計

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)境對電子器件性能的不利影響；采用抗鹽霧能力強的材料和工藝，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，相互之間應(yīng)通過膠體實現(xiàn)完全、無縫粘連，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

天線輸出為3個端口，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

為滿足天線的固定強度和外形結(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)計規(guī)格

圖3 產(chǎn)品設(shè)計規(guī)格圖

圖4 原型產(chǎn)品實物圖

產(chǎn)品設(shè)計規(guī)格如圖3所示，原型產(chǎn)品實物如圖4所示。

3.2 產(chǎn)品測試

3.2.1 靜態(tài)指標測試

根據(jù)天線性能要求，對天線進行了靜態(tài)指標測試，主要包括：工作頻率、天線增益、方向性指標、LNA性能等。測試結(jié)果如表1所示，滿足天線性能指標設(shè)計要求。

表1 指標測試表

3.2.2 外場動態(tài)測試

動態(tài)測試利用汽車在高速公路上進行，將天線固定在車頂上，通過同軸電纜線連接到車內(nèi)的BDS終端和全頻段接收機上，記錄高速運動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。實測表明，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頻點信噪比穩(wěn)定，接收機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，而汽車橫向擺動及上下振動幅度比列車大，因此搭載汽車的測試結(jié)果具有一定代表性，可作為階段性成果和依據(jù)，指導(dǎo)下一步高速動車組搭載試驗。

4 結(jié)束語

鐵路車載北斗高精度一體化天線解決了以往無法使用單一天線同時實現(xiàn)高精度定位和短報文通信的難題，一體化設(shè)計能夠降低天線布設(shè)成本，節(jié)約列車頂部空間。但目前還缺少列車高速運行工況下的測試驗證，后續(xù)將開展高速動車組搭載試驗，優(yōu)化天線性能，推進產(chǎn)品定型。