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全球导航卫星系统天线设计:是选FRPA还是CRPA?

2023-12-26 16:20:59 JEAN-JACQUES (JJ) DELISLE 阅读:
本文将重点介绍固定接收模式天线(FRPA)和受控辐射天线/受控辐射阵列(CRPA),前者是典型的GNSS天线,后者则是最近推出的民用GNSS天线解决方案。

GPS、GLONASS(俄罗斯)、北斗、伽利略(欧盟)、QZSS(日本)、IRNSS/NavIC(印度)等全球导航卫星系统(GNSS)技术对于地面导航、航空电子设备和舰船导航以及遍布全球的各种通信网络的授时变得越来越重要。USgednc

从固定设备到高机动设备,GNSS技术现在几乎被应用于所有有价值的设备上。即使不是用于资产追踪,GNSS系统也可用于授时以保障内部网络计时误差在可管理的范围内,否则可能会与外部网络隔离。USgednc

特别是当sub-6GHz频率的拥塞日益严重以及几乎所有环境中的电气和电子设备普遍杂乱无章时,GPS系统的准确性和可靠性就会受到严重破坏。这个问题有多种解决方案,其中一些是在GPS接收机技术中嵌入复杂的信号处理/滤波技术,而另一些则包括使用多元件天线和空间滤波来衰减jamming/interfering(干扰)信号。USgednc

本文将重点介绍后者,主要是介绍固定接收模式天线(FRPA)和受控辐射天线/受控辐射阵列(CRPA),前者是典型的GNSS天线,后者则是最近推出的民用GNSS天线解决方案。USgednc

FRPA基础知识

FRPA是简单的贴片或鞭形天线,具有标准的全向模式并且是纯无源的。天线模块中的大多数FRPA都与低噪声放大器(LNA)配套使用以增强信号强度,并且还可能包含有某种类型的带通滤波器以限制带外信号的放大。USgednc

USgednc

图1 FRPA以标准全向模式运行,并且是纯无源的。资料来源:ResearchGateUSgednc

FRPA本身通常重量非常轻、结构紧凑、坚固耐用,因为它们通常由某种类型的介电基板/支撑件和简单的导电天线元件构成。然而,FRPA很容易在近球形的接收模式中转换所有接收到的信号,无论是GNSS信号还是干扰信号。USgednc

除了某些天线设计会导致带外信号的轻微衰减外,FRPA并不能专门防止任何一种形式的干扰。因此,必须在GNSS接收器中添加抗干扰和干扰抑制电路,以增强配备FRPA的GNSS设备的抗干扰能力。USgednc

CRPA基础知识

CRPA是多元件天线设计,包含有源信号处理和波束成形,与有源电子扫描阵列(AESA)和相控阵类似。不过,CRPA专门设计用于在干扰信号方向上呈现接收模式无效,同时尝试保持与多个GNSS卫星信号的最佳连接。USgednc

USgednc

图2 在面对干扰威胁的设计中,CRPA被认为是有效的。资料来源:SafranUSgednc

CRPA使用某种形式的空间滤波来消除不需要的信号,并提供更高保真度的GNSS信号。使用CRPA很有吸引力,因为它不需要任何额外的电子设备或对GNSS接收器进行编程,只是FRPA的一种替代品。但与FRPA不同的是,CRPA不是无源的,需要外部电源。此外,CRPA往往比FRPA更大,对于紧凑型设计来说也更昂贵。USgednc

美国政府文件中表达了对将CRPA用于授时应用的担忧,例如“CRPA天线在时间和频率应用中的使用还不成熟,需要考虑一系列政策和技术因素”。技术因素包括引入额外的可变信号延迟和相位中心移动,这可能会影响授时应用的准确性。USgednc

对于政府/军事应用,CRPA的价格往往在数千到数万之间。近年来,针对民用的CRPA越来越多样化,价格也越来越实惠。因此,商用现成的CRPA可能比传统产品更便宜且更紧凑。USgednc

何时选择CRPA?

CRPA直到大约10年前才开始向民用供应,因此在许多应用中仍相对陌生。选择CRPA而不是FRPA的唯一原因就是有没有存在干扰的威胁,甚至是对于用于非全向GNSS天线应用的扼流环天线或喇叭天线。这可能意味着GNSS接收器提供的的某些关键授时或定位信息需要尽可能可靠和准确。或者,如果系统碰巧位于GNSS信号可能因故意干扰而被主动拒绝接收的区域。USgednc

闪电、太阳气象或宇宙气象对GNSS的自然干扰相对较少,除非是在风暴频繁或臭氧层薄/高空气象活动频繁的环境中。所以,CRPA并不适用于使用典型GNSS技术就能维持可控的可靠性水平的应用。因此毫无疑问,CRPA是增强GNSS抗干扰能力的首选方法。USgednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog,参考链接:GNSS/GPS antenna design: FRPA or CRPA?,由Ricardo Xie编译。)USgednc

责编:Ricardo
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