БЛОК ПРИЕМНИКА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ Российский патент 2002 года по МПК H05K1/00 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при конструировании блоков приемников аппаратуры потребителей сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС), например ГЛОНАСС, GPS и др., осуществляющих прием сигналов СРНС из эфира, их усиление, частотное преобразование, цифровую корреляционную обработку и формирование выходных цифровых сигналов, несущих данные, используемые при определении местоположения и точного времени, а также при осуществлении временной синхронизации по сигналам СРНС.

Как известно, обобщенная структурная схема аппаратуры потребителей сигналов СРНС состоит из основной и вспомогательной подсистем [1, с.44-45, рис. 15] . Основная подсистема образована антенным модулем и модулем приемника-процессора. Модули основной подсистемы обеспечивают прием сигналов навигационных спутников, решение навигационных, сервисных и других задач, а также обмен данными с интерфейсом периферийных устройств. Дополнительная подсистема предназначена, в частности, для обеспечения взаимодействия оператора с модулями основной подсистемы и периферийными устройствами. Вопросы конструктивной реализации основной подсистемы в рамках единого моноблока являются предметом рассмотрения в настоящей заявке, дополнительная подсистема при этом не рассматривается.

Типовое построение аппаратуры потребителей сигналов СРНС характеризуется тем, что антенный модуль и модуль приемника-процессора реализуются в виде двух конструктивно раздельных блоков, связанных между собой антенно-фидерным трактом [2, с.185]. Такое решение позволяет за счет комбинаций стандартизованных блоков конфигурировать аппаратуру с различными характеристиками и для различных применений, см., например, [1, с.48-52], [2, с.185-186, рис.12.1, 12.2] , [3, с.121-122, рис.7.10, 7.11], [4]. В такой аппаратуре в качестве конструктивно самостоятельных антенных блоков могут применяться, например, всенаправленные в верхней полусфере антенны, выполненные в виде конической плоской спирали [3, с. 121], квадрифилярные спиральные антенны [5], микрополосковые антенны [2, с.186-187], [6], [7], а в качестве конструктивно самостоятельных блоков приемников-процессоров могут применяться комбинированные приемники-процессоры сигналов СРНС ГЛОНАСС/GPS, например, аналогичные описанным в [8] , [9] . Типовое решение, при котором антенный модуль и модуль приемника-процессора реализуются в виде конструктивно раздельных блоков, имеет достоинства и недостатки. Достоинства, в основном, определяются указанной выше возможностью комбинаций различных модификаций антенн и приемников-процессоров. Недостаток связан с необходимостью передавать по антенно-фидерному тракту принятые антенной аналоговые сигналы СРНС, уровень которых может быть ниже уровня шума. При больших расстояниях это представляет определенную техническую проблему, для решения которой необходимо применять дополнительные технические средства, например устанавливать дополнительные СВЧ-усилители в определенных местах антенно-фидерного тракта, что приводит к усложнению оборудования.

В настоящей заявке рассматривается решение, заключающееся в конструктивном совмещении антенны и приемника-процессора сигналов СРНС в одном малогабаритном блоке приемника сигналов СРНС, который можно устанавливать, как и обычную антенну сигналов СРНС, на вертикальных опорах (стойках, мачтах и т. д. ), обеспечивая наилучшие условия приема сигналов СРНС. С выхода такого блока приемника сигналов СРНС, в отличие от обычных антенн, снимаются обработанные данные в виде низкочастотных цифровых сигналов, которые можно передавать практически на любые нужные расстояния к периферийному оборудованию. При этом в заявляемом блоке приемника сигналов СРНС решается проблема обеспечения электромагнитной совместимости разнородных элементов и узлов, входящих в состав блока, при ограниченных возможностях на размещение экранов, что связано с требованиями по минимизации габаритов и массы конструкции.

В качестве прототипа для заявляемого блока приемника сигналов СРНС выбран радиоэлектронный блок, известный из [10], реализующий функцию навигационного приемника-процессора сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS. Блок-прототип содержит плату приемника-процессора, предназначенную для частотного преобразования и корреляционной обработки сигналов СРНС, выполненную в виде многослойной печатной платы, в которой на наружных проводящих слоях размещены проводники, высокочастотный и низкочастотный соединители, а также сгруппированные по функциональным зонам в соответствии с характерными этапами обработки сигналов СРНС пассивные и активные электрорадиоэлементы, а во внутренних проводящих слоях в соответствии с расположением функциональных зон размещены проводники линий связи, проводники и плоскости питания, а также земляные плоскости и связывающие их земляные проводники, причем земляные плоскости функциональных зон образуют в своей совокупности внутриплатный плоскостной экран.

Характерными этапами обработки сигналов СРНС, в соответствии с которыми группируются электрорадиоэлементы, являются следующие пять этапов. Первый этап - это этап радиочастотного преобразования, обеспечивающий перенос спектра сигналов СРНС в более низкочастотную область. Второй этап - это этап аналого-цифрового преобразования, обеспечивающий формирование цифровых сигналов исходя из требований последующей цифровой обработки. Третий этап - это этап многоканальной корреляционной обработки, обеспечивающий поиск и слежение за сигналами одновременно нескольких навигационных спутников с привязкой их временного положения к шкале времени приемника-процессора. Четвертый этап - это этап вычислений, обеспечивающий получение данных. Пятый этап - это этап преобразования интерфейса, обеспечивающий передачу данных в нужном формате для потребителя.

В соответствии с характерными этапами обработки сигналов СРНС электрорадиоэлементы на плате приемника-процессора группируются, по крайней мере, по следующим функциональным зонам - зонам радиочастотного и аналого-цифрового преобразователей, многоканального цифрового коррелятора, вычислителя, преобразователя интерфейса.

В зависимости от конкретных особенностей схемотехнической реализации земляные плоскости могут выполняться либо отдельно для каждой из функциональных зон, либо конструктивно объединяться в общую для нескольких зон земляную плоскость. Например, в блоке-прототипе общую земляную плоскость имеют функциональные зоны радиочастотного и аналого-цифрового преобразователей, образующие совместно зону, называемую в [10] "зоной функционального размещения аналоговых электрорадиоэлементов".

Работа блока-прототипа осуществляется следующим образом. Входные аналоговые псевдошумовые сигналы СРНС ГЛОНАСС и GPS в диапазоне частот от 1200 до 1700 МГц, передаваемые по антенно-фидерному тракту от внешнего антенного модуля, поступают через высокочастотный соединитель в функциональную зону радиочастотного преобразователя, где подвергаются необходимому усилению, фильтрации от помех и частотному преобразованию с понижением частоты до десятков мегагерц. Далее сигналы СРНС преобразуются в цифровой вид в функциональной зоне аналого-цифрового преобразователя, затем подвергаются корреляционной обработке в функциональной зоне многоканального цифрового коррелятора. После этого сигналы обрабатываются в функциональной зоне вычислителя, далее - в функциональной зоне преобразователя интерфейса, после чего поступают на выход блока через низкочастотный соединитель.

Таким образом, блок-прототип осуществляет частотное преобразование сигналов СРНС, их цифровую корреляционную обработку и формирование выходных цифровых сигналов, несущих данные, используемые потребителем при определении местоположения, точного времени, при осуществлении временной синхронизации по сигналам СРНС. При этом внутриплатная экранировка, реализованная за счет земляных плоскостей, позволяет решить задачу защиты электрорадиоэлементов от паразитных наводок и наведенных помех в условиях, когда на одной многослойной печатной плате размещены разнородные электрорадиоэлементы (аналоговые и цифровые), работающие с сигналами в диапазоне частот от тысяч мегагерц на входе блока до единиц герц на выходе блока. Конструктивное выполнение блока-прототипа ориентировано на применение его в качестве модуля, встраиваемого в прибор, при этом задача приема сигналов СРНС из эфира ложится на внешний антенный модуль, который конструктивно не связан с блоком-прототипом и соединяется с ним посредством антенно-фидерного тракта.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является конструктивное совмещение приемника-процессора сигналов СРНС и средств, обеспечивающих прием сигналов СРНС из эфира, в рамках единой моноблочной конструкции. При этом решается возникающая при таком конструктивном совмещении техническая задача обеспечения электромагнитной совместимости платы приемника-процессора и указанных средств в условиях их плотной компоновки и использования для питания одного внешнего источника питания, общего для платы приемника-процессора и антенного усилителя. Также решается задача обеспечения защиты от внешних климатических и механических воздействий.

Сущность изобретения заключается в том, что в блоке приемника сигналов СРНС, содержащем плату приемника-процессора, предназначенную для частотного преобразования и корреляционной обработки сигналов СРНС, выполненную в виде многослойной печатной платы, в которой на наружных проводящих слоях размещены проводники, высокочастотный и низкочастотный соединители, а также сгруппированные по функциональным зонам в соответствии с характерными этапами обработки сигналов СРНС пассивные и активные электрорадиоэлементы, а во внутренних проводящих слоях в соответствии с расположением функциональных зон размещены проводники линий связи, проводники и плоскости питания, а также земляные плоскости и связывающие их земляные проводники, причем земляные плоскости функциональных зон образуют в своей совокупности внутриплатный плоскостной экран, указанная плата приемника-процессора размещена внутри замкнутого электропроводного экрана, образованного электропроводными корпусом и крышкой, взаимодействующими между собой посредством соответствующих фланцев с обеспечением электрического контакта, причем крышка, имеющая развитую плоскую поверхность, служит для размещения платы микрополосковой антенны и закрепленной на ней снизу платы антенного усилителя, под которую в крышке выполнено соответствующее окно.

При этом плата микрополосковой антенны закреплена на крышке сверху над указанным окном с обеспечением электрического контакта своей нижней металлизированной поверхности с поверхностью крышки, а плата антенного усилителя закреплена на плате микрополосковой антенны с обеспечением электрического контакта своей верхней металлизированной поверхности с нижней металлизированной поверхностью платы микрополосковой антенны, металлизированный участок верхней поверхности платы микрополосковой антенны, служащий излучателем микрополосковой антенны, связан вертикальными штырями-зондами с соответствующими вводами микрополосковой согласующей цепи, выполненной на плате антенного усилителя, плата антенного усилителя электрически соединена по "сигналу", "питанию" и "земле" с платой приемника-процессора посредством высокочастотного кабеля с соответствующим высокочастотным соединителем, подключенным к высокочастотному соединителю, размещенному на плате приемника-процессора, при этом экранирующая оплетка высокочастотного кабеля на плате антенного усилителя соединена с ее верхней металлизированной поверхностью, земляной вывод высокочастотного соединителя, размещенного на плате приемника-процессора, соединен с земляной плоскостью первой по ходу обработки сигналов СРНС функциональной зоны радиочастотного преобразователя, на плате антенного усилителя центральная жила высокочастотного кабеля связана через фильтр сигналов с сигнальным выводом активного усилительного элемента, служащего для усиления выходных сигналов микрополосковой согласующей цепи, а также с вводом питания этого же активного элемента через по крайней мере один фильтр питания, на плате приемника-процессора сигнальный вывод высокочастотного соединителя связан с входным сигнальным проводником функциональной зоны радиочастотного преобразователя, а также через по крайней мере один фильтр питания - с проводником питания этой же функциональной зоны.

При этом низкочастотный соединитель, расположенный на плате приемника-процессора, связан посредством соответствующего соединителя и жгута с выходным соединителем блока приемника сигналов СРНС, размещенным в нижней части корпуса и служащим для подключения периферийных устройств и внешнего источника питания, кроме этого, на плате приемника-процессора вывод низкочастотного соединителя, служащий для подвода к земляным плоскостям потенциала "Земля" от внешнего источника питания, электрически связан с корпусом посредством отдельного заземляющего отвода, корпус с крышкой и закрепленной на крышке платой микрополосковой антенны закрыты сверху обтекателем, выполненным из радиопрозрачного диэлектрика и скрепленным с корпусом так, что фланец крышки зажат между фланцами обтекателя и корпуса, при этом между взаимодействующими поверхностями фланцев обтекателя, крышки и корпуса размещены уплотнительные прокладки из упругого материала, причем уплотнительная прокладка, размещенная между взаимодействующими поверхностями фланцами крышки и корпуса, выполнена из упругого токопроводящего материала.

В частных случаях выполнения в заявляемом блоке приемника сигналов СРНС корпус снабжен средствами, обеспечивающими его крепление на вертикальной стойке; фильтр питания на плате антенного усилителя выполнен в виде Г-образного LC-фильтра, у которого соединенные между собой первые выводы индуктивного и емкостного компонентов образуют первый вывод, предназначенный для подключения к вводу питания активного элемента, второй вывод индуктивного компонента образует второй вывод, предназначенный для подключения к центральной жиле высокочастотного кабеля, а второй вывод емкостного компонента образует третий вывод, предназначенный для подключения к верхней металлизированной поверхности платы антенного усилителя; фильтр сигналов на плате антенного усилителя выполнен в виде последовательного LC-контура; фильтр питания на плате приемника-процессора, через который осуществляется связь сигнального вывода высокочастотного соединителя с проводником питания в функциональной зоне радиочастотного преобразователя, выполнен в виде Г-образного LC-фильтра, у которого соединенные между собой первые выводы индуктивного и емкостного компонентов образуют первый вывод, предназначенный для подключения к указанному проводнику питания, второй вывод индуктивного компонента образует второй вывод, предназначенный для подключения к сигнальному выводу высокочастотного соединителя, а второй вывод емкостного компонента образует третий вывод, предназначенный для подключения к земляной плоскости функциональной зоны радиочастотного преобразователя; входной сигнальный проводник функциональной зоны радиочастотного преобразователя является проводником, соединенным с сигнальным вводом входного полосового фильтра; вывод размещенного на плате приемника-процессора низкочастотного соединителя, служащий для подвода потенциала "Питание" от внешнего источника питания, соединен с входным проводником функциональной зоны преобразователя-стабилизатора напряжения питания - зоны, в которой осуществляется формирование внутреннего напряжения питания блока приемника сигналов СРНС из напряжения внешнего источника питания.

Сущность изобретения, его реализуемость и возможность промышленного применения поясняются чертежами, представленными на фиг.1-5, иллюстрирующими пример выполнения заявляемого блока приемника сигналов СРНС.

На фиг.1 представлены схематические чертежи заявляемого блока приемника сигналов СРНС, где фиг.1а - общий вид в разрезе, фиг.16 - фрагмент, поясняющий скрепление корпуса, крышки и обтекателя;
на фиг. 2 - схематический чертеж, поясняющий размещение платы приемника-процессора в корпусе заявляемого блока приемника сигналов СРНС (вид сверху со снятыми обтекателем и крышкой);
на фиг. 3 - схематические чертежи, поясняющие закрепление в заявляемом блоке приемника сигналов СРНС плат микрополосковой антенны и антенного усилителя (фиг.3а - вид плат в разрезе, фиг.3б - вид сверху со стороны платы микрополосковой антенны);
на фиг. 4 - пример выполнения платы антенного усилителя в заявляемом блоке приемника сигналов СРНС (вид со стороны электрорадиоэлементов);
на фиг. 5 - фрагмент функциональной электрической схемы, поясняющий реализацию электрических связей по "сигналу", "питанию" и "земле" платы антенного усилителя и платы приемника-процессора в заявляемом блоке приемника сигналов СРНС.

Заявляемый блок приемника сигналов СРНС (фиг.1-5) содержит плату 1 приемника-процессора, предназначенную для частотного преобразования и корреляционной обработки сигналов СРНС - в рассматриваемом случае сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS. Плата 1 приемника-процессора размещена внутри замкнутого электропроводного экрана, образованного электропроводными корпусом 2 и крышкой 3. В рассматриваемом примере корпус 2 и крышка 3 имеют коробчатую форму. Корпус 2 и крышка 3 взаимодействуют между собой с обеспечением электрического контакта посредством своих фланцев 4 и 5. Плата 1 приемника-процессора установлена внутри корпуса 2 и закреплена, например, с помощью винтов на соответствующих стойках.

Плата 1 приемника-процессора выполняется, как и в прототипе, в виде многослойной печатной платы, в которой на наружных проводящих слоях размещены высокочастотный 6 и низкочастотный 7 соединители, проводники, а также сгруппированные по функциональным зонам в соответствии с характерными этапами обработки сигналов СРНС пассивные и активные электрорадиоэлементы, а во внутренних проводящих слоях в соответствии с расположением функциональных зон размещены проводники линий связи, проводники и плоскости питания, а также земляные плоскости и связывающие их земляные проводники.

Пример расположения функциональных зон в плате 1 приемника-процессора показан (условно) на фиг. 2, где первая функциональная зона 8 - функциональная зона радиочастотного преобразователя, вторая функциональная зона 9 - функциональная зона аналого-цифрового преобразователя, третья функциональная зона 10 - функциональная зона многоканального цифрового коррелятора, четвертая функциональная зона 11 - функциональная зона вычислителя, пятая функциональная зона 12 - функциональная зона преобразователя интерфейса. Указанные функциональные зоны 8-12 соответствуют характерным и общепринятым этапам обработки сигналов СРНС в приемниках-процессорах сигналов СРНС. Кроме указанных функциональных зон, соответствующих характерным этапам обработки сигналов СРНС, на плате 1 приемника-процессора в рассматриваемом примере выполнения имеется шестая функциональная зона 13 - функциональная зона преобразователя-стабилизатора напряжения питания, в которой расположены электрорадиоэлементы, служащие для формирования внутреннего напряжения питания блока приемника сигналов СРНС из напряжения внешнего источника питания.

Конкретное послойное выполнение печатных проводников, земляных плоскостей и плоскостей питания в плате 1 приемника-процессора в рамках настоящей заявки не рассматривается как не относящееся к сущности заявляемого изобретения. Общие же приемы, используемые при послойном размещении этих печатных проводников и плоскостей, известны, в том числе и из прототипа. Из этих общих известных приемов существенным для решения задачи заявляемого изобретения является то, что земляные плоскости, выполненные во всех функциональных зонах 8-13 и связанные между собой земляными проводниками, образуют в своей совокупности внутриплатный плоскостной экран, предназначенный для защиты электрорадиоэлементов платы 1 приемника-процессора от паразитных наводок и наведенных помех, передаваемых, в основном, по цепям питания.

Защита электрорадиоэлементов платы 1 приемника-процессора от помех, передаваемых по эфиру, обеспечивается экраном, образованным электропроводными корпусом 2 и крышкой 3.

Крышка 3 помимо экранирующей функции выполняет также функцию несущего основания для платы 14 микрополосковой антенны с закрепленной на ней снизу платой 15 антенного усилителя. В рассматриваемом случае плата 14 микрополосковой антенны служит для приема из эфира сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS, а плата 15 антенного усилителя - для предварительного усиления принимаемых сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS в соответствии с требуемым уровнем входных сигналов платы 1 приемника-процессора. В заявляемом блоке приемника сигналов СРНС используется типовая конструкция микрополосковой антенны, состоящая из двух параллельных проводящих слоев, разделенных диэлектриком, где нижний проводящий слой является заземляющей плоскостью, а верхний - излучателем микрополосковой антенны [2, с.186-187].

Крышка 3 имеет развитую поверхность 16 и окно 17 под плату 15 антенного усилителя. Плата 14 микрополосковой антенны закреплена на крышке 3 сверху над окном 17 с обеспечением электрического контакта своей нижней металлизированной поверхности 18 с поверхностью 16 крышки 3. Закрепление осуществляется, например, посредством винтового соединения (в рассматриваемом примере - посредством винтов 19, ввинчиваемых в резьбовые отверстия 20 крышки 3) (фиг. 3а). Нижняя металлизированная поверхность 18 платы 14 служит подстилающей поверхностью микрополоской антенны, а развитая плоская поверхность 16 крышки 3 - ее продолжением. В соответствие с этим своим назначением поверхность 16 крышки 3 выполняется с высокой степенью чистоты обработки, например полируется. Металлизированный участок 21 верхней поверхности платы 14 микрополосковой антенны служит ее излучателем. В рассматриваемом примере плата 14 микрополосковой антенны и, соответственно, металлизированный участок 21 выполнены круглыми (фиг.3а, б). Возможно выполнение платы 14 микрополосковой антенны и ее металлизированного участка 21 иной формы - квадратной, прямоугольной или эллиптической [2, с. 186-188], [11, с.96-99, рис.2.74, 2.75]. Круглая форма платы 14 микрополосковой антенны и ее излучателя - металлизированного участка 21, показанная на фиг.3а, б, более технологична для изготовления.

Плата 15 антенного усилителя закреплена снизу на плате 14 микрополосковой антенны с обеспечением электрического контакта своей верхней металлизированной поверхности 22, являющейся экраном антенного усилителя, с нижней металлизированной поверхностью 18 платы 14 микрополосковой антенны (фиг.3а). Закрепление платы 15 антенного усилителя на плате 14 микрополосковой антенны осуществляется, например, с помощью винтового соединения - в рассматриваемом примере посредством винтов 23 и гаек 24. В рассматриваемом примере плата 15 антенного усилителя и окно 17 для ее размещения выполнены круглыми.

Металлизированный участок 21 верхней поверхности платы 14 микрополосковой антенны, служащий излучателем микрополосковой антенны, связан вертикальными штырями-зондами 25 с соответствующими вводами микрополосковой согласующей цепи 26 на плате 15 антенного усилителя (фиг.4). Вертикальные штыри-зонды 25 в рассматриваемом примере круглой платы 14 микрополосковой антенны выходят из точек, расположенных на одинаковом расстоянии от центра металлизированного участка 21 на угловом расстоянии 90^o друг от друга. Для исключения замыкания штырей-зондов 25 с металлизированными поверхностями 18 и 22 в этих металлизированных поверхностях выполняются соответствующие окна, лишенные металлизации.

Плата 15 антенного усилителя электрически соединена (см. фиг.5) по "сигналу", "питанию" и "земле" с платой 1 приемника-процессора. Электрическое соединение осуществляется посредством высокочастотного кабеля 27 с соответствующим высокочастотным соединителем 28, который подключен к высокочастотному соединителю 6, размещенному на плате 1 приемника-процессора. Экранирующая оплетка высокочастотного кабеля 27 соединена электрически с верхней металлизированной поверхностью 22 платы 15 антенного усилителя. Земляной вывод высокочастотного соединителя 6, размещенного на плате 1 приемника-процессора, соединен с земляной плоскостью первой по ходу обработки сигналов СРНС функциональной зоны 8 радиочастотного преобразователя.

На плате 15 антенного усилителя центральная жила высокочастотного кабеля 27 связана через фильтр сигналов 29 с сигнальным выводом активного усилительного элемента 30. Активный усилительный элемент 30 служит для усиления выходных сигналов микрополосковой согласующей цепи 26, поступающих на активный усилительный элемент 30, например, через полосовой СВЧ-фильтр 31, выполненный на основе объемного резонатора. Кроме этого, на плате 15 антенного усилителя центральная жила высокочастотного кабеля 27 связана с вводом питания активного усилительного элемента 30 через по крайней мере один фильтр питания - в рассматриваемом примере через фильтр питания 32. Фильтр питания 32 в рассматриваемом примере выполнен в виде Г-образного LC-фильтра, у которого соединенные между собой первые выводы индуктивного и емкостного компонентов, образующие первый вывод фильтра питания 32, соединены с вводом питания активного элемента 30, второй вывод индуктивного компонента, образующий второй вывод фильтра питания 32, соединен с центральной жилой высокочастотного кабеля 27, а второй вывод емкостного компонента, образующий третий вывод фильтра питания 32, соединен с верхней металлизированной поверхностью 22 платы 15 антенного усилителя. В рассматриваемом примере (фиг.4, 5) емкостный компонент фильтра питания 32 выполнен в виде двух включенных параллельно конденсаторов, один из которых фильтрующий высокочастотный конденсатор, например керамический, а другой - низкочастотный электролитический конденсатор, например танталовый или оксидно-полупроводниковый. Фильтр сигналов 29 в рассматриваемом примере выполнен в виде последовательного LC-контура.

На плате 1 приемника-процессора сигнальный вывод высокочастотного соединителя 6 соединен с входным сигнальным проводником функциональной зоны 8 радиочастотного преобразователя, а также с проводником питания этой же функциональной зоны 8 через по меньшей мере один фильтр питания - в рассматриваемом примере через два последовательно включенных фильтра питания 33 (33₁ и 33₂). Каждый из фильтров питания 33 выполнен в виде Г-образного LC-фильтра, у которого соединенные между собой первые выводы индуктивного и емкостного компонентов, образующие первый вывод фильтра питания 33, подключены к проводнику питания функциональной зоны 8 радиочастотного преобразователя (у фильтра питания 33₂ - непосредственно, у фильтра питания 33₁ - через фильтр питания 33₂), второй вывод индуктивного компонента, образующий второй вывод фильтра питания 33, подключен к сигнальному выводу высокочастотного соединителя 6 (у фильтра питания 33₁ - непосредственно, у фильтра питания 33₂ - через фильтр питания 33₁), а второй вывод емкостного компонента, образующий третий вывод фильтра питания 33, соединен с земляной плоскостью функциональной зоны 8 радиочастотного преобразователя.

В рассматриваемом примере (фиг.5) емкостный компонент фильтра питания 33₂ выполнен в виде двух включенных параллельно конденсаторов, один из которых фильтрующий высокочастотный конденсатор, например керамический, а другой - низкочастотный электролитический конденсатор, например танталовый или оксидно-полупроводниковый. Указанный выше входной сигнальный проводник функциональной зоны 8 радиочастотного преобразователя является проводником, соединенным с сигнальным вводом входного полосового фильтра 34 (фиг.5), представляющего собой, например, полосовой СВЧ-фильтр, выполненный на основе объемного резонатора.

Рассмотренные электрические соединения обеспечивают возможность подачи напряжения питания с платы 1 приемника-процессора на плату 15 антенного усилителя и, одновременно, передачу сигналов СРНС с платы 15 антенного усилителя на плату 1 приемника-процессора по высокочастотному кабелю 27. Таким образом, при минимальных затратах оборудования и минимальных потерях за счет снижения длины связи осуществляется одновременная электрическая связь по "питанию", "сигналу" и "земле" платы 1 приемника-процессора с платой 15 антенного усилителя.

Низкочастотный соединитель 7, расположенный на плате 1 приемника-процессора, связан посредством соответствующего соединителя 35 и жгута 36 с выходным соединителем 37 блока приемника сигналов СРНС, размещенным в нижней части корпуса 2 (фиг.1, 2) и служащим для подключения внешних периферийных устройств (пульта управления, дисплея и т.д.) и внешнего источника питания.

На плате 1 приемника-процессора вывод низкочастотного соединителя 7, служащий для подвода потенциала "Питание" от внешнего источника питания, связан с входным проводником (на фиг. не показан) функциональной зоны 13 преобразователя-стабилизатора напряжения питания, в которой располагаются электрорадиоэлементы, служащие для формирования внутреннего напряжения питания блока приемника сигналов СРНС из напряжения внешнего источника питания. Наличие функциональной зоны 13 преобразователя-стабилизатора напряжения питания обеспечивает определенную независимость работы заявляемого блока приемника сигналов СРНС от номиналов выходного напряжения внешнего источника питания, а также снимает ограничение на расстояние, на которое могут быть разнесены между собой блок приемника сигналов СРНС и внешний источник питания.

Кроме этого, на плате 1 приемника-процессора вывод низкочастотного соединителя 7, служащий для подвода к земляным плоскостям потенциала "Земля" от внешнего источника питания, электрически связан с корпусом 2 посредством отдельного заземляющего отвода 38. Тем самым осуществляется соединение внутриплатного плоскостного экрана платы 1 приемника-процессора, образованного земляными плоскостями, с внешним электропроводным экраном, образованным корпусом 1 и крышкой 2, в точке, соответствующей точке подвода потенциала "Земля" к плате 1 приемника-процессора от внешнего источника питания. При таком соединении обеспечивается наилучший эффект взаимного экранирования платы 1 приемника-процессора, размещенной в корпусе 2, и платы 14 микрополосковой антенны с платой 15 антенного усилителя, размещенных на крышке 3. Из технологических соображений удобства сборки-разборки соединение заземляющего отвода 38 с корпусом 2 выполнено разъемным, например, с помощью лепестка 39, взаимодействующего с запрессованной в корпусе 2 резьбовой шпилькой 40, оснащенной соответствующей гайкой (фиг.1а, 2). Запрессовка резьбовой шпильки 40 в корпусе 2 обеспечивает минимальное переходное сопротивление между шпилькой 40 с корпусом 2.

Корпус 2 с крышкой 3 и закрепленной на крышке 3 платой 14 микрополосковой антенны закрыты сверху обтекателем 41 (фиг.1). Обтекатель 41 выполнен из радиопрозрачного диэлектрика, например, литьем под давлением из материала марки АБС-1210-31, ТУ-05-1587-84 или путем склеивания из стеклоткани. Покрытие наружной поверхности обтекателя 41 осуществляется радиопрозрачной эмалью, например, ЭП-140. Обтекатель 41 имеет выпуклую, например сферическую, форму внешней поверхности. Фланец 42 обтекателя 41 выступает за габариты фланца 4 корпуса 2, что обеспечивает необходимый сход атмосферных осадков с внешней стороны обтекателя 41 (сток капель дождя или росы, сползание снега) при эксплуатации на открытом воздухе. Обтекатель 41 скреплен с корпусом 2 так, что фланец 5 крышки 3 зажат между фланцем 42 обтекателя 41 и фланцем 4 корпуса 2. Обтекатель 41 скреплен с корпусом 2 винтами 43, ввинченными в глухие резьбовые отверстия 44 фланца 42 обтекателя 41 через соответствующие отверстия, выполненные во фланцах 4 и 5 корпуса 2 и крышки 3. Между взаимодействующими горизонтальными поверхностями фланцев 42, 5 и 4 обтекателя 41, крышки 3 и корпуса 2 размещены, соответственно, уплотнительные прокладки 45 и 46. Уплотнительная прокладка 45, расположенная между взаимодействующими горизонтальными поверхностями фланцев 42 и 5 обтекателя 41 и крышки 3, имеет форму плоского кольца прямоугольного сечения с отверстиями под винты 43. Уплотнительная прокладка 45 выполняется из упругого материала, например из резины. Другая уплотнительная прокладка 46 выполняется, например, в форме торообразного кольца. Уплотнительная прокладка 46 размещается в кольцевой канавке 47, выполненной во фланце 4 корпуса 2 (фиг.1, 2). Уплотнительная прокладка 46 выполняется из упругого токопроводящего материала, например из силиконовой электропроводной резины.

Уплотнительные прокладки 45 и 46 защищают конструкцию от проникновения влаги. При этом уплотнительная прокладка 46 наряду с защитой конструкции от проникновения влаги также обеспечивает уменьшение переходного электрического сопротивления в зоне соприкосновения фланцев 4 и 5 корпуса 2 и крышки 3.

Положительно влияет на уменьшение переходного электрического сопротивления в зоне соприкосновения крышки 3 с корпусом 2, а также в зоне соприкосновения платы 14 микрополоской антенны с крышкой 3 наличие на корпусе 2 и крышке 3 токопроводящего покрытия. Например, корпус 2 и крышка 3 могут быть выполнены из алюминиевых сплавов со следующим токопроводящим покрытием: олово-висмут, никелирование или химическое оксидирование.

Для защиты корпуса 2 от проникновения влаги через выходной соединитель 37 в ситуации, когда блок приемника сигналов СРНС находится в нерабочем положении и к нему не подключены внешние устройства, соединитель 37 оснащается уплотнительной подпружиненной откидывающейся крышкой.

Совокупность рассмотренных конструктивных мер обеспечивает в заявляемом блоке приемника сигналов СРНС эффективное экранирование при минимальных затратах оборудования, габаритах и массе, что обеспечивает электромагнитную совместимость всех входящих в блок приемника сигналов СРНС элементов и узлов.

При практическом применении заявляемого блока приемника сигналов СРНС, например в условиях размещения его на вертикальной стойке, корпус 2 оснащается соответствующими крепежными средствами. В рассматриваемом примере для этих целей используется присоединительный узел 48 (фиг.1a), выполненный в виде цилиндрической втулки с продольным цилиндрическим отверстием 49 для стойки и фланцем 50 для крепления на корпусе 2. Крепление присоединительного узла 48 к корпусу 2 может осуществляться винтами 51, которые ввинчиваются в глухие - для обеспечения влагозащиты корпуса 2 - резьбовые отверстия. Для фиксации присоединительного узла 48 на вертикальной стойке может использоваться стопорящий винт, ввинчиваемый в соответствующее радиальное резьбовое отверстие.

Работа заявляемого блока приемника сигналов СРНС осуществляется следующим образом. Сигналы СРНС ГЛОНАСС и GPS (аналоговые псевдошумовые сигналы в диапазоне частот от 1200 до 1700 МГц) принимаются из эфира с помощью платы 14 микрополосковой антенны, обеспечивающей всенаправленный прием сигналов СРНС в верхней полусфере. Принятые сигналы СРНС посредством штырей-зондов 25 с излучателя микрополосковой антенны (т.е. с металлизированного участка 21 верхней поверхности платы 14) передаются для последующего преобразования на плату 15 антенного усилителя, а именно на вводы микрополосковой согласующей цепи 26, выполненной, например, по известной схеме микрополоскового согласующего (суммирующего) трансформатора [11, с. 98, рис. 2.75]. Непосредственная связь излучателя микрополосковой антенны с микрополосковой согласующей цепью 26 минимизирует потери в данной цепи передачи сигналов СРНС. Последующее преобразование сигналов СРНС на плате 15 антенного усилителя с помощью цепи, включающей полосовой СВЧ-фильтр 31, выполненный на основе объемного резонатора, и активный усилительный элемент 30, обеспечивает на выходе платы 15 антенного усилителя требуемый уровень сигналов СРНС исходя из условий их последующей обработки в плате 1 приемника-процессора.

На плату 1 приемника-процессора принятые сигналы СРНС передаются по высокочастотному кабелю 27 через высокочастотные соединители 28 и 6. Малая длина высокочастотного кабеля 27, обусловленная непосредственной близостью расположения платы 1 приемника-процессора и платы 15 антенного усилителя, минимизирует потери при передаче сигналов. Одновременно, по высокочастотному кабелю 27 с функциональной зоны 8 радиочастотного преобразователя платы 1 приемника-процессора на плату 15 антенного усилителя поступает напряжение питания для активного усилительного элемента 30. Электрическая развязка цепи питания и цепи передачи сигналов осуществляется с помощью размещенных на плате 15 антенного усилителя фильтра сигналов 29 и фильтра питания 32, а также с помощью размещенных на плате 1 приемника-процессора в зоне 8 радиочастотного преобразователя входного полосового фильтра 34 и фильтров питания 33 (33₁ и 33₂) (фиг.5).

На плате 1 приемника-процессора принятые сигналы СРНС вначале поступают в функциональную зону 8 радиочастотного преобразователя, где проходят через входной полосовой фильтр 34, а затем подвергаются необходимому усилению, фильтрации от помех и частотному преобразованию с понижением частоты до десятков мегагерц. Далее сигналы СРНС преобразуются в цифровой вид в функциональной зоне 9 аналого-цифрового преобразователя, затем подвергаются корреляционной обработке в функциональной зоне 10 многоканального цифрового коррелятора. После этого сигналы обрабатываются в функциональной зоне 11 вычислителя, далее - в функциональной зоне 12 преобразователя интерфейса, после чего низкочастотные цифровые сигналы (в формате RS-232 или RS-422, или RS-485 или ином), несущие обработанные выходные данные, поступают на выход блока приемника сигналов СРНС, а именно, через соединители 7 и 35, жгут 36 и выходной соединитель 37.

Далее сигналы передаются по соответствующему жгуту (на фигурах не показан) к периферийным устройствам, расположенным на удалении от блока приемника сигналов СРНС. В обратном направлении по этому жгуту поступает напряжение питания от внешнего источника питания, а также, при необходимости, управляющие сигналы от периферийных устройств. Расстояние от блока приемника сигналов СРНС до периферийных устройств и внешнего источника питания может быть значительным (десятки и сотни метров). Например, блок приемника сигналов СРНС может располагаться на крыше высотного здания на соответствующей стойке, а периферийные устройства - на нижних этажах этого здания или в соседних зданиях.

Из рассмотренного следует, что заявляемый блок приемника сигналов СРНС осуществим, промышленно реализуем и решает поставленную техническую задачу по конструктивному совмещению приемника-процессора сигналов СРНС и средств, обеспечивающих прием сигналов СРНС из эфира, в рамках единой моноблочной конструкции. При этом за счет предложенных мер по размещению, соединению и экранированию обеспечивается электромагнитная совместимость платы приемника-процессора и средств приема сигналов СРНС из эфира в условиях их плотной компоновки и использования для питания одного внешнего источника питания, а также обеспечивается защита от внешних климатических и механических воздействий. Все это предопределяет перспективы по широкому практическому использованию заявляемого блока приемника сигналов СРНС в аппаратуре потребителей сигналов СРНС.

Источники информации
1. Бортовые устройства спутниковой радионавигации. / И.В. Кудрявцев, И. Н. Мищенко, А. И. Волынкин и др.; под ред. В.С. Шебшаевича, М., Транспорт, 1988.

2. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М., ИПРЖР, 1998.

3. В. В. Шкирятов. Радионавигационные системы и устройства. М., Радио и связь, 1984.

4. Заявка WO 9428435 A1, кл. G 01 S 5/14, опубл. 08.12.94.

5. Патент США 5349365, кл. H 01 Q 11/08, 1/36, опубл. 20.09.94.

6. Патент США 5347286, кл. H 01 Q 3/00, 21/00, H 04 В 7/185, G 01 S 5/02, опубл. 13.09.94.

7. Патент США 5272485, кл. H 01 Q 23/00,1/38, опубл. 21.12.93.

8. Riley S. , Howard N., Aardoom E., Daly P., Silvestin P. "A Combined GPS/GLONASS High Precision Receiver for Spase Application", Proc. if ION GPS-95, Palm Springs, CA, US, Sept. 12-15, 1995, p.835-844.

9. Патент РФ (RU) 2146378 (С1), кл. G 01 S 5/14, опубл. 10.03.2000.

10. Патент РФ 2125775 (С1), кл. Н 05 К 1/00, 3/46, опубл. 27.01.99.

11. Полосковые платы и узлы. Проектирование и изготовление. Е.П. Котов, В.Д. Каплун, А.А. Тер-Маркарян н др.. Под ред. Е.П. Котова и В.Д. Каплуна. - М., Сов. радио, 1979.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при конструировании блоков приемной аппаратуры потребителей сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС). Техническим результатом является конструктивное и электромагнитное совмещение приемника-процессора сигналов СРНС и средств, обеспечивающих непосредственный прием сигналов СРНС из эфира, в условиях их плотной компоновки внутри единой моноблочной конструкции и использование для питания одного внешнего источника питания, общего для приемника-процессора и антенного усилителя. Сущность изобретения заключается в наличии платы приемника-процессора, предназначенной для частотного преобразования и корреляционной обработки сигналов СРНС, в которой электрорадиоэлементы сгруппированы по функциональным зонам в соответствии с характерными этапами обработки сигналов СРНС, а земляные плоскости и связывающие их земляные проводники, расположенные во внутренних проводящих слоях в соответствии с расположением функциональных зон, образуют в своей совокупности внутриплатный плоскостной экран. Плата приемника-процессора размещена внутри замкнутого электропроводного экрана, образованного состыкованными между собой электропроводными корпусом и крышкой. На крышке сверху размещена плата микрополосковой антенны, а снизу на плате микрополосковой антенны закреплена плата антенного усилителя. Металлизированный участок верхней поверхности платы микрополосковой антенны - излучатель антенны - связан вертикальными штырями-зондами с микрополосковой согласующей цепью на плате антенного усилителя, где также расположен активный усилительный элемент. 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Блок приемника сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащий плату приемника-процессора, предназначенную для частотного преобразования и корреляционной обработки сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС), выполненную в виде многослойной печатной платы, в которой на наружных проводящих слоях размещены проводники, высокочастотный и низкочастотный соединители, а также сгруппированные по функциональным зонам в соответствии с характерными этапами обработки сигналов СРНС пассивные и активные электрорадиоэлементы, а во внутренних проводящих слоях в соответствии с расположением функциональных зон размещены проводники линий связи, проводники и плоскости питания, а также земляные плоскости и связывающие их земляные проводники, причем земляные плоскости функциональных зон образуют в своей совокупности внутриплатный плоскостной экран, отличающийся тем, что указанная плата приемника-процессора размещена внутри замкнутого электропроводного экрана, образованного электропроводными корпусом и крышкой, взаимодействующими между собой посредством соответствующих фланцев с обеспечением электрического контакта, причем крышка, имеющая развитую плоскую поверхность, служит для размещения платы микрополосковой антенны и закрепленной на ней снизу платы антенного усилителя, под которую в крышке выполнено соответствующее окно, при этом плата микрополосковой антенны закреплена на крышке сверху над указанным окном с обеспечением электрического контакта своей нижней металлизированной поверхности с поверхностью крышки, а плата антенного усилителя закреплена на плате микрополосковой антенны с обеспечением электрического контакта своей верхней металлизированной поверхности с нижней металлизированной поверхностью платы микрополосковой антенны, металлизированный участок верхней поверхности платы микрополосковой антенны, служащий излучателем микрополосковой антенны, связан вертикальными штырями-зондами с соответствующими вводами микрополосковой согласующей цепи, выполненной на плате антенного усилителя, плата антенного усилителя электрически соединена по "сигналу", "питанию" и "земле" с платой приемника-процессора посредством высокочастотного кабеля с соответствующим высокочастотным соединителем, подключенным к высокочастотному соединителю, размещенному на плате приемника-процессора, при этом экранирующая оплетка высокочастотного кабеля на плате антенного усилителя соединена с ее верхней металлизированной поверхностью, земляной вывод высокочастотного соединителя, размещенного на плате приемника-процессора, соединен с земляной плоскостью первой по ходу обработки сигналов СРНС функциональной зоны радиочастотного преобразователя, на плате антенного усилителя центральная жила высокочастотного кабеля связана через фильтр сигналов с сигнальным выводом активного усилительного элемента, служащего для усиления выходных сигналов микрополосковой согласующей цепи, а также с вводом питания этого же активного элемента через по крайней мере один фильтр питания, на плате приемника-процессора сигнальный вывод высокочастотного соединителя связан с входным сигнальным проводником функциональной зоны радиочастотного преобразователя, а также через по крайней мере один фильтр питания - с проводником питания этой же функциональной зоны, при этом низкочастотный соединитель, расположенный на плате приемника-процессора, связан посредством соответствующего соединителя и жгута с выходным соединителем блока приемника сигналов СРНС, размещенным в нижней части корпуса и служащим для подключения периферийных устройств и внешнего источника питания, кроме этого, на плате приемника-процессора вывод низкочастотного соединителя, служащий для подвода к земляным плоскостям потенциала "Земля" от внешнего источника питания, электрически связан с корпусом посредством отдельного заземляющего отвода, корпус с крышкой и закрепленной на крышке платой микрополосковой антенны закрыты сверху обтекателем, выполненным из радиопрозрачного диэлектрика и скрепленным с корпусом так, что фланец крышки зажат между фланцами обтекателя и корпуса, при этом между взаимодействующими поверхностями фланцев обтекателя, крышки и корпуса размещены уплотнительные прокладки из упругого материала, причем уплотнительная прокладка, размещенная между взаимодействующими поверхностями фланцами крышки и корпуса, выполнена из упругого токопроводящего материала. 2. Блок по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен средствами, обеспечивающими его крепление на вертикальной стойке. 3. Блок по п.1, отличающийся тем, что фильтр питания на плате антенного усилителя выполнен в виде Г-образного LC-фильтра, у которого соединенные между собой первые выводы индуктивного и емкостного компонентов образуют первый вывод, предназначенный для подключения к вводу питания активного элемента, второй вывод индуктивного компонента образует второй вывод, предназначенный для подключения к центральной жиле высокочастотного кабеля, а второй вывод емкостного компонента образует третий вывод, предназначенный для подключения к верхней металлизированной поверхности платы антенного усилителя. 4. Блок по п.1, отличающийся тем, что фильтр сигналов на плате антенного усилителя выполнен в виде последовательного LC контура. 5. Блок по п.1, отличающийся тем, что фильтр питания на плате приемника-процессора, через который осуществляется связь сигнального вывода высокочастотного соединителя с проводником питания в функциональной зоне радиочастотного преобразователя, выполнен в виде Г-образного LC-фильтра, у которого соединенные между собой первые выводы индуктивного и емкостного компонентов образуют первый вывод, предназначенный для подключения к указанному проводнику питания, второй вывод индуктивного компонента образует второй вывод, предназначенный для подключения к сигнальному выводу высокочастотного соединителя, а второй вывод емкостного компонента образует третий вывод, предназначенный для подключения к земляной плоскости функциональной зоны радиочастотного преобразователя. 6. Блок по п.1, отличающийся тем, что входной сигнальный проводник функциональной зоны радиочастотного преобразователя является проводником, соединенным с сигнальным вводом входного полосового фильтра. 7. Блок по п.1, отличающийся тем, что вывод размещенного на плате приемника-процессора низкочастотного соединителя, служащий для подвода потенциала "Питание" от внешнего источника питания, соединен с входным проводником функциональной зоны преобразователя-стабилизатора напряжения питания - зоны, в которой осуществляется формирование внутреннего напряжения питания блока приемника сигналов СРНС из напряжения внешнего источника питания.