一種海事衛(wèi)星有源天線模塊的制作方法
【專利摘要】過去的幾十年里，由于技術(shù)簡單，人們設計出機械控制海事衛(wèi)星天線，這種天線系統(tǒng)采用單波束天線，沒有辦法得到更寬的低仰角覆蓋范圍，為此本發(fā)明提出了一種海事衛(wèi)星有源天線模塊，主要由接收系統(tǒng)（GPS接收系統(tǒng)、衛(wèi)星接收系統(tǒng)）、發(fā)射系統(tǒng)、電壓系統(tǒng)、濾波器系統(tǒng)（輸入和輸出雙工器、衛(wèi)星發(fā)射濾波器、衛(wèi)星接收濾波器、GPS接收濾波器）、信號完整性查驗系統(tǒng)和接插件系統(tǒng)組成，能夠基本滿足第四代海事衛(wèi)星天線帶寬設計要求。
【專利說明】一種海事衛(wèi)星有源天線模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其涉及衛(wèi)星通信領(lǐng)域。。
【背景技術(shù)】
[0002]從早期從事海上遇險安全通信體系保障到后來向航空和陸地通信的發(fā)展，海事衛(wèi)星通信更多的應用主要是在應急通信領(lǐng)域。而隨著INMARSAT第四代海事衛(wèi)星的應用，衛(wèi)星容量大幅增漲，是第三代衛(wèi)星的16倍，更高的衛(wèi)星功率意味著更小的終端，其星座設計為三顆衛(wèi)星覆蓋全球，2005年底，海事衛(wèi)星通信實現(xiàn)了全球的無縫隙覆蓋，當今，海事衛(wèi)星通信發(fā)展迅速，它通過電話、傳真和數(shù)據(jù)通信等形式使我們可以和任何地點的人通信，且價格合理，在過去的30年里，人們已經(jīng)發(fā)射了許多應用于全球和區(qū)域海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的海事衛(wèi)星。
[0003]海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以根據(jù)它們所處地球上方的緯度定義為地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星系統(tǒng)，中緯地球軌道(MEO)衛(wèi)星系統(tǒng)和低緯地球軌道(LEO)衛(wèi)星系統(tǒng)。針對用戶特殊用途，每個系統(tǒng)都有其優(yōu)缺點。GEO由于處于高緯度，全球覆蓋可以僅用3顆GEO衛(wèi)星實現(xiàn)，而對于LEO系統(tǒng)，為達到相同的覆蓋率則需要幾十到幾百顆衛(wèi)星，由于GEO系統(tǒng)的衛(wèi)星對于地球相對靜止，地面工作站天線和衛(wèi)星之間不需要具備入口連接的跟蹤能力，雖然GEO衛(wèi)星位于赤道上方35700公里，發(fā)射費用昂貴，同時又0.37秒的傳輸延遲，但是預計未來GEO系統(tǒng)將繼續(xù)在海事衛(wèi)星通信市場中占主宰地位。
[0004]由于人們不但規(guī)劃新的全球和區(qū)域GEO系統(tǒng)，GEO系統(tǒng)的商業(yè)用途已經(jīng)應用于移動通信的幾個系統(tǒng)中，比如INMARSAT、MSAT (北美衛(wèi)星移動通信系統(tǒng))和OPTUS (澳都斯)。前兩個系統(tǒng)使用中心頻率為1.593GHz,相對帶寬為8.5%的衛(wèi)星鏈路(衛(wèi)星到用戶終端的下行鏈路為1.5250 GHz-1.5590 GHz，用戶終端到衛(wèi)星的上行鏈路為1.6565 GHz — 1.6605GHz)。OPTUS系統(tǒng)使用中心頻率為1.603 GHz相對帶寬為7.2%的衛(wèi)星鏈路(下行鏈路為1.5450 GHz-1.5590 GHz，上行鏈路為1.6465 GHz-1.6605 GHz)。由于對帶寬和仰角覆蓋范圍的要求不同，應用于前兩個系統(tǒng)的海事衛(wèi)星天線陣比應用于第三個系統(tǒng)的海事衛(wèi)星天線陣更具技術(shù)挑戰(zhàn)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]對于海事衛(wèi)星天線，我們要求，在水平面上，任何移動終端必須有衛(wèi)星跟蹤能力并且0° — 360° 的水平角，對仰角覆蓋范圍的要求取決于終端使用的特定區(qū)域。如，對于澳大利亞使用的OPTUS系統(tǒng)仰角覆蓋30° — 70°就足夠了，北美使用的是INMARSAT和MSAT系統(tǒng)，仰角需要覆蓋20° — 70°，對仰角覆蓋范圍要求最高的是大陸之間的航海系統(tǒng)，它經(jīng)常需要覆蓋整個赤道，這需要覆蓋范圍達到20° — 90°的全球終端，雖然這里沒有對天線軸比的特定要求，但復合增益仍定義在終端天線的增益減去終端天線和衛(wèi)星入射波之間的極化失配因子，它的大小在工作帶寬內(nèi)不得低于7dB。天線的回波損耗通常要求低于-10 dB。為了適應汽車由于惡劣的路況而震動和輪船因海上強風搖擺的情況，天線的結(jié)構(gòu)必須牢固，為了能安裝在交通工具上，天線需要重量輕，天線需要低剖面來降低由于交通工具快速行駛而引起風的阻力，最后一個也是其中一個很重要的要求就是，作為商業(yè)產(chǎn)品天線必須成本低廉,這樣才能夠開拓足夠大的市場。
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種針對現(xiàn)有技術(shù)缺陷的一種海事衛(wèi)星有源天線模塊，本發(fā)明經(jīng)過分析及測試，可以達到工作頻段:海事衛(wèi)星接收1518-1559MHZ，海事衛(wèi)星發(fā)射 1626.5-1675 MHz, GPS 頻率:1565.19-1585.65 MHz ;增益:GPS ≥ 26dB,海事衛(wèi)星接收≥26Db,海事衛(wèi)星發(fā)射≥IldB ;駐波比≤1.5 ;端口阻抗:50Ω ;適用溫度:-40 — 70°C，并且根據(jù)本發(fā)明的特殊要求各接頭都是定制的，是在基礎(chǔ)接頭的前提下進行改良過的。
[0007]為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的采用的技術(shù)方案:
一種海事衛(wèi)星有源天線模塊，包含接收系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、濾波器系統(tǒng)、信號完整性查驗系統(tǒng)和接插件系統(tǒng)，具體實現(xiàn)包含濾波器(I )，濾波器(I)上連接頭(9)下連低噪聲放大器(2)，所述的低噪聲放大器(2)下連功分器(3)，所述的功分器(3)下連兩路支路，一路支路下連濾波器(4)另一路支路下連濾波器(5)，所述的濾波器(4)下連定制接頭(10)，所述的濾波器(5)下連定制接頭(11)，所述的定制接頭(11)下連濾波器(6)，所述的濾波器(6 )下連放大器(7 )，所述的放大器(7 )下連濾波器(8 )，所述的濾波器(8 )下連定制接頭(9)。
[0008]所述的接收系統(tǒng)包含GPS接收系統(tǒng)、衛(wèi)星接收系統(tǒng)；所述的GPS接收系統(tǒng)采用一級放大直接實現(xiàn)26dB放大增益或者采用二級級聯(lián)的方式實現(xiàn)26dB放大增益；所述的衛(wèi)星接收系統(tǒng)同所述的GPS接收系統(tǒng)一樣可以采用一級直接放大或二級級聯(lián)的方式實現(xiàn)放大增益26dB ;所述的二級級聯(lián)方式是在兩個一級級聯(lián)電路中間加帶通濾波器的放大器。
[0009]所述的發(fā)射系統(tǒng)采用一級放大電路直接實現(xiàn)IldB ;所述的發(fā)射系統(tǒng)采用220120M芯片，該芯片在頻率為1595MHz時增益為18 dB。
[0010]所述的電源系統(tǒng)采用降壓穩(wěn)壓芯片對同軸電纜芯來的電壓進行穩(wěn)壓變換。優(yōu)選型號LM25574。所述的LM25574通過逐周期限流、短路保護、熱關(guān)斷和遠程關(guān)斷等措施保證其可靠性，其提供TSSOP-16封裝。
[0011]所述的濾波器系統(tǒng)包含輸入和輸出雙工器、衛(wèi)星發(fā)射濾波器、衛(wèi)星接收濾波器和GPS接收濾波器；所述的輸入和輸出雙工器的輸入頻率為1518-1577MHZ，輸出頻率為1626-1676MHZ ;所述的衛(wèi)星發(fā)射濾波器的工作頻率為1626_1676MHz ;所述的衛(wèi)星接收濾波器的工作頻率為1518-1577MHZ ;所述的GPS接收濾波器的工作頻率為1570_1580MHz。
[0012]所述的信號完整性查驗系統(tǒng)采用示波器家一個l_2ghz的檢波器，從發(fā)射耦合出信號，通過對數(shù)放大，來檢查信號。
[0013]有益效果:
本發(fā)明下的海事衛(wèi)星天線模炔基本滿足各項天線單元所需指標及工程要求，并且體積小，頻帶寬，成本低廉。
[0014]本發(fā)明采用特別定制接頭，解決了由于天線所用饋線基板比較厚導致其與傳統(tǒng)的微帶同軸轉(zhuǎn)換接頭連接不方便的問題。
[0015]本發(fā)明采用功分器基本滿足第四代海事衛(wèi)星天線帶寬設計要求。
[0016]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1:本發(fā)明的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖； 其中圖1中:1、4、5、6、8——濾波器；2——低噪聲放大器；3——功分器；；7——放大器；；9 — 11:接頭；
圖2:本發(fā)明所述一級LNA級聯(lián)實現(xiàn)圖；
圖3:本發(fā)明所述的二級LNA級聯(lián)實現(xiàn)圖；
圖4:本發(fā)明的發(fā)射系統(tǒng)芯片輸入端電路圖；
圖5:本發(fā)明的發(fā)射系統(tǒng)放大后的輸出匹配電路圖；
圖6:本發(fā)明所述的降壓穩(wěn)壓器工作電路圖；
圖7:本發(fā)明所述的雙工器的實現(xiàn)效果及測試數(shù)據(jù)圖；
圖8:本發(fā)明所述的衛(wèi)星發(fā)射濾波器效果及測試數(shù)據(jù)圖；
圖9:本發(fā)明所述的接收濾波器的仿真效果圖；
圖10:本發(fā)明GPS接收濾波器的仿真效果圖。
[0017]具體實施方案:
一種海事衛(wèi)星有源天線模塊，包含接收系統(tǒng)(內(nèi)含GPS接收系統(tǒng)、衛(wèi)星接收系統(tǒng)、)、發(fā)射系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、濾波器系統(tǒng)、信號完整性查驗系統(tǒng)、接插件系統(tǒng)。
如圖1所示，本發(fā)明包括濾波器(I )，所述的濾波器(I)與所述的低噪聲放大器(2)相連，所述的此時的濾波器(I)的作用是把GPS信號和海事衛(wèi)星接收信號分離出來；所述的低噪聲放大器(2)上連所述的濾波器(I)同時下連所述的功分器(3)，此時所述的低噪聲放大器的作用是對下行信號進行放大；所述的功分器(3)上連低噪聲放大器(2)同時下連兩個支路，一個支路連接濾波器(4)，另一支路連接濾波器(5)，此時的功分器(3)的作用把下行信號分為2個部分，一部分為GPS信號輸出給濾波器(4)，一部分為海事衛(wèi)星接收信號輸出給濾波器(5);所述的濾波器(4)上連功分器(3)下連接頭(10)，此時的濾波器(4)的作用是把GPS信號分離出來；所述的濾波器(5)上連分工器(3)下連接頭(11)。所述的接頭(11)上連濾波器(5)下連濾波器(6)，此時的濾波器(6)的作用是控制海事衛(wèi)星發(fā)射信號；所述的放大器(7 )上連濾波器(6 )下連濾波器(8 )，此時的放大器(7 )作用是把海事衛(wèi)星發(fā)射信號放大；所述的濾波器(8)上連放大器(7)下連接頭(9)，此時的濾波器(8)的作用是把發(fā)射信號放大后濾波。
[0018]第一步，在接收系統(tǒng)設計時，首先考慮GPS接收系統(tǒng)設計，考慮到其基本設計指標:增益3 26dB，噪聲系數(shù)=1.5dB,駐波=2，增益平坦度=±1.0 dB，采用一級放大直接實現(xiàn)26dB放大增益(如圖2)或者采用二級級聯(lián)的方式實現(xiàn)26dB放大(如圖3)的硬件實現(xiàn)方式，其中GPS信號在所述的低噪聲放大器的電路中，和海事衛(wèi)星接收為同一部分電路(如圖2)。其次考慮衛(wèi)星接收系統(tǒng)設計，其設計指標同上GPS接收系統(tǒng)設計指標，同樣采用同上GPS接收系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方式。其中圖1為一級LNA級聯(lián)實現(xiàn)圖，能夠?qū)崿F(xiàn)增益16-18dB，噪聲小于ldB，其中Ql為HEMT低噪聲放大器，具有優(yōu)良的噪聲，適合小信號的接收。而圖2為二級LNA級聯(lián)實現(xiàn)圖，是在兩個一級級聯(lián)LNA的基礎(chǔ)上中間加帶通濾波器的放大器，使得增益可以達到“26 dB+濾波器插損”，此時由于海事衛(wèi)星接收系統(tǒng)設計的目標為26 dB的增益，由于濾波器的插損，我們采用的無損失增益為“26 dB+濾波器插損”。
[0019]第二步，在發(fā)射系統(tǒng)設計時，考慮到其設計指標:增益會lldB，噪聲系數(shù)=1.5dB,駐波=2，增益平坦度=±1.0 dB，連續(xù)波最大功率12W，本發(fā)明采用一級放大(如圖2)直接實現(xiàn)11 dB放大增益，尤其在功能模塊選擇時，考慮到LDMOS具有優(yōu)良的增益、高效率和線性，本發(fā)明選擇220121M芯片，可以達到10多瓦的功率，在額定工作電壓28V的情況下其增益為“IldB+濾波器插損”，芯片增益在發(fā)射頻率在1595MHz的時為18dB左右，如圖4:發(fā)射系統(tǒng)芯片輸入端電路圖，通過此電路測試，本發(fā)明能達到最好的駐波比及最小的反射，如圖5:發(fā)射系統(tǒng)放大后的輸出匹配電路圖,放大后的功率輸出能夠達到最優(yōu)化。
[0020]第三步，在電源部分設計時，本發(fā)明采用一降壓穩(wěn)壓芯片，對同軸電纜芯來的電壓進行穩(wěn)壓變換，確保系統(tǒng)可以可靠穩(wěn)定的運行，如圖6，本發(fā)明采用的降壓穩(wěn)壓器可利用最少的兀器件來優(yōu)化一款穩(wěn)健的電源，本發(fā)明米用的降壓穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍為6-42V，通過內(nèi)部集成的750πιΩ N溝道輸出0.5A的連續(xù)電流，穩(wěn)壓器利用了仿真電流模式設計，可以提供內(nèi)部線性調(diào)節(jié)和精確的負載瞬態(tài)響應，易于回路補償，且不存在電流模式穩(wěn)壓器低占空比的限制。工作頻率在50kHz — IMHz內(nèi)可調(diào)，以實現(xiàn)尺寸和效率最優(yōu)化，同時為減少電磁干擾(EMI)，降壓穩(wěn)壓器的頻率同步引腳允許多個集成電路(IC)自同步或與外部時鐘同步，降壓穩(wěn)壓器通過逐周期限流、短路保護、熱關(guān)斷和遠程關(guān)斷等措施保證其可靠性。
[0021]第四步，在濾波器系統(tǒng)設計時，包含輸入和輸出雙工器、衛(wèi)星發(fā)射濾波器、衛(wèi)星接收濾波器和GPS接收濾波器。如圖7雙工器的實現(xiàn)效果及測試數(shù)據(jù)圖，雙工器是雙工電臺收發(fā)信號同時出入的必經(jīng)途徑，它既能將微弱的接收信號耦合起來，又能將較大的發(fā)射功率饋送到天線上去，且兩者各自完成其功能而不相互影響，在雙工電臺中起到收發(fā)共同天線的作用。本發(fā)明在基礎(chǔ)雙工器的前提上改良設計開發(fā)的雙工器(如圖7)其信號輸入頻率為1518-1577MHZ，信號輸出頻率為1626-1676 MHz0本發(fā)明在基礎(chǔ)濾波器的前提下改良設計采用的衛(wèi)星接收濾波器(如圖9)的工作頻率為1518-1577MHZ，衛(wèi)星發(fā)射濾波器(如圖8)的工作頻率為1626-1676 MHz，GPS接收濾波器(如圖10)的工作頻率為1570_1580MHz。
[0022]第五步，在信號完整性查驗系統(tǒng)設計時，從發(fā)射耦合出信號，通過對數(shù)放大，來檢查信號，將來米用不波器加一個l-2ghz的檢波器。
[0023]第六步，本發(fā)明采用的接插件系統(tǒng)，都是根據(jù)基礎(chǔ)信號接插件改良的適用于本發(fā)明的接插件。
[0024]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)有的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種海事衛(wèi)星有源天線模塊，包含接收系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、濾波器系統(tǒng)、信號完整性查驗系統(tǒng)和接插件系統(tǒng)，具體實現(xiàn)包含濾波器(I )，濾波器(I)上連接頭(9)下連低噪聲放大器(2)，所述的低噪聲放大器(2)下連功分器(3)，所述的功分器(3)下連兩路支路，一路支路下連濾波器(4)另一路支路下連濾波器(5)，所述的濾波器(4)下連定制接頭(10)，所述的濾波器(5)下連定制接頭(11)，所述的定制接頭(11)下連濾波器(6)，所述的濾波器(6 )下連放大器(7 )，所述的放大器(7 )下連濾波器(8 )，所述的濾波器(8 )下連定制接頭(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海事衛(wèi)星有源天線模塊，其特征在于所述的接收系統(tǒng)包含GPS接收系統(tǒng)、衛(wèi)星接收系統(tǒng)；所述的GPS接收系統(tǒng)采用一級放大直接實現(xiàn)26dB放大增益或者采用二級級聯(lián)的方式實現(xiàn)26dB放大增益；所述的衛(wèi)星接收系統(tǒng)同所述的GPS接收系統(tǒng)一樣可以采用一級直接放大或二級級聯(lián)的方式實現(xiàn)放大增益26dB ;所述的二級級聯(lián)方式是在兩個一級級聯(lián)電路中間加帶通濾波器的放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海事衛(wèi)星有源天線模塊，其特征在于所述的發(fā)射系統(tǒng)采用一級放大電路直接實現(xiàn)IldB ;所述的發(fā)射系統(tǒng)采用220120M芯片，該芯片在頻率為1595MHz時增益為18 dB。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海事衛(wèi)星有源天線模塊，其特征在于所述的電源系統(tǒng)采用降壓穩(wěn)壓芯片對同軸電纜芯來的電壓進行穩(wěn)壓變換，優(yōu)選型號LM25574，所述的LM25574通過逐周期限流、短路保護、熱關(guān)斷和遠程關(guān)斷等措施保證其可靠性，其提供TSSOP-16封裝。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海事衛(wèi)星有源天線模塊，其特征在于所述的濾波器系統(tǒng)包含輸入和輸出雙工器、衛(wèi)星發(fā)射濾波器、衛(wèi)星接收濾波器和GPS接收濾波器；所述的輸入和輸出雙工器的輸入頻率為1518-1577MHZ，輸出頻率為1626_1676MHz ;所述的衛(wèi)星發(fā)射濾波器的工作頻率為1626-1676MHZ ;所述的衛(wèi)星接收濾波器的工作頻率為1518_1577MHz ;所述的GPS接收濾波器的工作頻率為1570-1580MHZ。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海事衛(wèi)星有源天線模塊，其特征在于所述的信號完整性查驗系統(tǒng)采用示波器家一個l_2ghz的檢波器，從發(fā)射耦合出信號，通過對數(shù)放大，來檢查信號。
【文檔編號】H04B7/185GK103746732SQ201310459223
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】李江華, 史焱, 續(xù)欣 申請人:南京凱瑞得信息科技有限公司