用于北斗卫星导航的圆极化微带天线及射频前端设计

发布时间：2017-10-14 16:08

  本文关键词：用于北斗卫星导航的圆极化微带天线及射频前端设计

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【摘要】：卫星导航系统可以为陆地、航空、海事等各领域提供高精度全天候的时间及空间信息,拥有独立的卫星导航系统可以带来巨大的经济效益和社会效益。我国独立研制的北斗卫星导航系统是全球四大卫星导航系统之一。由于卫星接收功率低,易收到来自各方的干扰,使得抗干扰成为了卫星导航接收机的必备性能。射频接收通道处于整个抗干扰模块的最前端,主要作用是将天线接收到的信号放大并下变频到较低的频段,信号接收性能的好坏直接决定了整个系统的使用功能。因此,对接收天线和射频前端的研究就具有了重要意义。卫星导航设备的各种应用场合中,在保证精度的同时也希望设备小又轻,而微带天线因体积小、重量轻、易于得到各种形式的极化、易集成等特点被广泛应用于卫星导航系统中。另外,圆极化天线特有的抗极化失配、抗多径效应等特性,也使其成为导航系统的首选极化形式。接收机射频前端的主要作用是将天线接收到的信号进行滤波、放大,使其功率大小适合采样,并将射频信号下变频到稳定的中频信号或基带信号,方便抗干扰处理模块进行后续的采样、抗干扰处理工作,其性能的好坏直接决定了整个系统的性能。本文主要研究了应用于北斗卫星导航的圆极化微带天线及射频前端,从以下几个部分进行展开:1.介绍了微带天线的基本理论,针对圆极化的实现方式进行讨论,并对微带天线关注较多的小型化、宽频带、宽波束等技术进行详细论述。2.设计两种双频带圆极化微带天线,一种通过单元形式实现,另一种为阵列形式,工作在北斗的B3频段以及GPS的L1频段。为了使结构紧凑,两种天线均选用了较高介电常数的介质基板并采用层叠结构,用双馈法馈电实现较好的圆极化性能。单元结构的尺寸为55mm×55mm×6.654mm,阵列结构总体尺寸为160mm*160mm*4.114mm,仿真设计满足指标要求。3.运用射频电路基础理论知识指导射频前端的设计,论述射频前端的基本结构、核心技术指标。采用自上而下的设计思路,在比较了各种接收机结构的性能指标后确定接收通道采用超外差式结构,再从模块化的角度根据指标要求选择每一级芯片,并通过仿真软件验证链路设计是否合理。设计产生固定点频的本振信号,使其通过混频器与射频信号混频,实现射频前端的下变频功能。4.根据射频前端的理论设计方案,结合具体的尺寸要求进行电路制版和腔体外壳设计,在确定接头的位置和形式时考虑射频前端与天线的对接。经过对实物的调试,测试结果基本满足指标要求,锁相环输出稳定的1.222GHz本振信号,接收通道总增益47dB。对未达标的参数进行分析,找出原因并提出下一步改进方案。
【关键词】：北斗卫星导航系统 抗干扰 微带天线 圆极化 接收机 射频前端
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN967.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.2.1 圆极化微带天线12
• 1.2.2 卫星导航接收机12-13
• 1.3 本文的主要研究内容及结构13-15
• 第二章 应用于卫星导航系统的微带天线基本理论15-28
• 2.1 引言15
• 2.2 微带天线的工作原理15-20
• 2.2.1 微带天线的辐射机理16-17
• 2.2.2 微带天线的分析方法17-20
• 2.3 圆极化微带天线的实现20-21
• 2.4 微带天线的发展趋势21-27
• 2.4.1 微带天线小型化技术21-23
• 2.4.2 微带天线频带展宽技术23-24
• 2.4.3 微带天线波束展宽技术24-26
• 2.4.4 微带天线的多功能技术26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 圆极化微带天线设计与实现28-42
• 3.1 引言28
• 3.2 双频带圆极化微带天线单元设计28-33
• 3.3 圆极化小型微带天线阵列设计33-38
• 3.4 微带天线阵列测试38-40
• 3.5 本章小结40-42
• 第四章 卫星导航系统射频前端的关键技术研究42-67
• 4.1 引言42
• 4.2 射频前端基本结构42-45
• 4.2.1 超外差式结构42-44
• 4.2.2 零中频接收结构44
• 4.2.3 镜像抑制结构44-45
• 4.3 射频前端核心技术指标分析45-50
• 4.3.1 噪声系数45-46
• 4.3.2 增益系数46-47
• 4.3.3 非线性影响47-50
• 4.3.4 灵敏度与动态范围50
• 4.4 射频前端下变频通道总体设计方案50-58
• 4.4.1 主要指标要求50-51
• 4.4.2 下变频通道设计51-52
• 4.4.3 下变频通道关键器件选择52-58
• 4.5 本振单元设计58-66
• 4.5.1 锁相环频率合成技术58-60
• 4.5.2 锁相环路的主要性能指标60-61
• 4.5.3 本振单元的实现61-66
• 4.6 本章小结66-67
• 第五章 射频前端的实现与测试结果67-75
• 5.1 引言67
• 5.2 射频前端的实现67-70
• 5.2.1 腔体外壳设计67-69
• 5.2.2 电路图布局69-70
• 5.3 测试结果70-74
• 5.4 本章小结74-75
• 结论75-76
• 参考文献76-80
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单80-81
• 致谢81

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