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文献综述
毕业设计题目:GPS抗干扰天线技术—多频带高增益微带天线单元的设计与仿真
GPS抗干扰天线技术—多频带高增益微带天线单元
的仿真与设计
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(通信工程07(*) E*****)
1 前言
全球定位系统(Global Positioning System,简称GPS)是美国从上世纪70年代开始规划研制的,历时21年,耗资200多亿美元,于1994年全面建成。她是具有海、陆、空全方位,实时三维(三维是指三维空间定位,如:东-北-天)导航与定位能力的第二代卫星导航系统[1]。由于GPS信号很弱,易受干扰,为了保证精确度,GPS抗干扰技术应运而生。在GPS抗干扰技术中,天线单元的设计起到至关重要的作用。微带贴片天线成为抗干扰天线的成熟技术,但是,设计出GPS接收机要求的天线,需要满足方向性、极化形式、频率特性和增益等。本课题主要内容就是设计出符合上述四项的多频带高增益微带贴片天线。
2 抗干扰天线的国内外研究历史和现状
抗干扰技术的国内外研究历史和现状
由于GPS信号很弱,易于受干扰,用户基于民用安全和军事的精确要求,已经开始关注GPS干扰问题。
多年来,美国研究人员一直在研究如何提高GPS系统的抗干扰能力。针对GPS易受干扰这一弱点,美国GPS联合计划办公室在1988年列出了30种有助于改进GPS性能的技术,包括有:空域、频域、时域滤波技术;接收P(Y)码技术;接收M码技术;GPX伪卫星技术和GPS与INS组合等抗干扰技术[5]。
著名导航定位系统GLONASS的拥有者俄罗斯早在上世纪80年代就开始了GPS干扰技术的研究,同美国拉开了GPS对抗的接力赛。俄罗斯已成功研制了数代压制式、欺骗式GPS干扰机。这些干扰机己在展览会上多次公开展出,其压制式干扰机还在科索沃和伊拉克战场上得到了运用[1]。
早在20世纪末,我国在世界国防科技展览会就展示了电子干扰机,该干扰机可使敌方无法接收GPS信号。目前国内开发出的自适应非线性A/D变换器,它用以检测连续波干扰和保护预相关A/D变换器;还有用于对付窄带射频干扰的瞬时滤波技术,这是一种数字信号处理技术,用离散傅利叶变换(DFT)处理数字化的中频信号。
天线的国内外研究现状
天线的小型化
近年来便携式接收机的应用,对小型化 GPS天线提出了迫切需求。目前 GPS微带天线和四臂螺旋天线多采用高介电常数的陶瓷材料作为介质来实现天线小型化。
采用εr = 28的陶瓷基片代替εr = 3的普通基片,微带天线的尺寸可以缩减 90% 左右。采用εr =40的陶瓷介质的四臂螺旋天线,体积只有原来的1 /6。但这类高介质天线的表面损耗较大,效率较低。对四臂螺旋天线来说,还可通过加载[ 13 ]、曲流[ 14 ]、部分折叠[ 15 ]等技术实现小型化。
今后,可采用损耗更小、介电常数更大的介质及特殊的天线结构,来进一步缩小天线尺寸。
降低天线成本
目前微带天线价格比较适中,在 GPS应用中处于优势地位。虽然介质加载四臂螺旋天线性能优良,但该天线结构复杂,制作加工成本较高,因而只应用在高端产品中。可见,设法降低四臂螺旋天线的制作成本,是保证 GPS产品广泛应用的必然要求。
增强抗干扰能力
GPS信号极易遭受外来的干扰,对于天线来说,主要通过波束控制技术和适应调零天线[ 16 ]来抗干扰。波束控制技术是用数字波束形成的方法将天线波束定向到所要跟踪的卫星,从而把增益加到所希望的信号上,这种方法需要使用大孔径的天线阵,计算任务繁重。自适应调零天线是通过电子调谐方式,使天线方向图在干扰源方向上建立零点,可将抗干扰能力提高 40~50dB。自适应调零天线在美国军事上得到了广泛应用。"战斧"导弹、JDAM (联合直接攻击弹药)及F216战斗机上的 GPS接收机均采用了自适应调零天线阵。
另外,如何对付城市中严重的多路径干扰,也是当前应用中的一个关键问题。
双/多频段天线
目前,美国的 GPS系统、俄罗斯的GLONASS系及欧洲伽利略系统,都能够提供导航服务。如果一部接收机能同时接收两种甚至三种卫星信号,不仅有助于观测更多的星座,提高定位精度,还能够免受单一系统的制约。另外,除了精密双频测量接收机外,GPS技术和个人移动通信终端的集成,也需要一个天线能够解决GPS和GSM、CDMA或
3G两个频段的应用问题。
目前的微带天线,多采用贴片层叠的方法来实现双/多频段。对于四臂螺旋天线,多采用上下堆叠和内外嵌套的方式来实现,还有一种方法是,将每条臂用三根不同长度臂代替实现三频段特性[ 17 ]。值得指出的是,四臂螺旋天线,在双频段天线设计上具有潜在优势,可利用它不同的工作模式,实现双/多频特性。