GPS天线设计 GNSS天线设计建议天线作为导航定位设备中最重要的接收器件,它起到的作用就像是人的“耳朵”是将卫星发送下来的电磁波能量变换成电子器件可解析的电流。因此天线的性能好坏将直接关系到GPS整机的产品性能。目前GNSS系统开放民用定位系统主要是美国GPS L1 band中心频点1575.42MHz俄罗斯GLONASS L1 band中心频点1602.5625MHz中国北斗B1 band1561.098MHz等等。GNSS天线在调试的时候小尺寸很小的尺寸的陶瓷天线上一般只能做到兼容2个频段体积大一些的可以兼容3个频段。这就需要我们在调试的时候就确认好客户需求确认是使用单GPS或北斗还是采用GPS北斗、GPSGLONASS等两两组合的方式。这样调试的时候有侧重点性能才能最优。GNSS天线的种类从安装方式上分为外置天线和内置天线供电方式上分为有源天线和无源天线从极化方式上分为垂直极化和圆极化。下面对目前市场上应用最广泛的陶瓷patch天线做些简单的介绍一、陶瓷PATCH天线结构图1、陶瓷片陶瓷粉末的好坏以及烧结工艺直接影响它的性能。现市面使用的陶瓷片主要是2525、1818、1515、1212、9*9。陶瓷片面积越大介电常数越大其共振频率越高接收效果越好陶瓷片的厚度对天线性能也会有不小的影响空间容许的情况下建议选择4mm的厚度。2、银层陶瓷天线表面银层可以影响天线共振频率。理想的GNSS陶瓷片频点准确落在1575.42MHz但天线频点非常容易受到周边环境影响特别是装配在整机内必须通过调整银面涂层外形来调节频点重新保持在1575.42MHz。因此GPS整机厂家在采购天线时一定要配合天线厂家提供整机样品进行测试。3、馈点陶瓷天线通过馈点收集共振信号并发送至后端。由于天线阻抗匹配的原因馈点一般不是在天线的正中央多数都是单偏或双偏的形式。二、无源天线在我们产品上的使用建议1、我们的GNSS模块上均内置18dBm增益的LNA可以直接将陶瓷介质的无源天线焊接在模块GNSS_ANT PIN脚处使用。产品布局的时候GNSS陶瓷天线朝上摆放模块可以放到PCB的另一面。这样就可以做到GNSS_ANT PIN到天线焊盘走线尽可能短。2、匹配电路如果天线焊盘离模块的GNSS_ANT PIN脚很近那么可以不预留匹配电路。如果由于结构等其他原因造成GNSS天线远离模块GNSS_ANT PIN那么建议预留pi型匹配电路。模块GNSS_ANT PIN到GNSS天线焊盘之间走线必须做50欧姆特性阻抗控制如果是多层板建议阻抗线走L1层L2层镂空参考L3的地。2层板走线线宽可以参考GSM天线部分走线线宽。3、天线下方不要走线并做漏铜处理做天线的反射面见下图4、天线周边不要有干扰源特别是DCDC等器件另外周边也不要有比GNSS天线高的金属器件如下图三、有源天线1、有源天线构造与实物见下图红框内GNSS有源天线组成部分为陶瓷天线、声表滤波器、低噪声放大电路、射频线缆、RF接头。其中低噪声放大电路是将信号进行放大和滤波的部分。2、PCB尺寸对天线性能的影响承载陶瓷天线的PCB形状及面积。由于GNSS有触地反弹的特性当PCB是7cm×7cm无间断大地时patch天线的效能可以发挥到极致。虽然受外观结构等因素制约但尽量保持相当的面积且形状均匀。另外放大电路增益的选择必须配合后端LNA增益一般不建议有源天线增益超过29dBm否则信号过饱和可能会导致自激。3、内外置天线兼容和供电处理参考电路是Air800模块的开发板M4R5和R6是为了兼容陶瓷PATCH天线和有源天线做的共PAD兼容设计L6和C38是有源天线供电电源滤波电路。原理图部分如下图。4、GNSS模块使用外置天线时的供电处理。PCB部分如下图上图中R5和R6就是共PAD兼容的有源天线设计贴R5是连接无源陶瓷天线焊盘贴R6连接有源天线的RF ConnectorL6和C38是有源天线供电的滤波电路。四、GPS天线选型建议1、在终端结构空间容许能够统一保证GNSS天线面朝上的安装使用状态并且周边没有大的金属物件遮挡的情况下建议使用GNSS陶瓷天线在空间容许的情况下尽量选择大尺寸的陶瓷天线。2、在不能保证终端使用状态且空间受限比如手机带定位功能的胸牌建议使用FPC天线3、在明确终端安装环境恶劣并且对GNSS性能有较高要求的建议使用GPS有源天线4、在不能保证产品安装使用状态但是空间不受限制也可以选择类似于GSM的外置棒状天线。五、在找天线厂家调试陶瓷PATCH天线时对天线厂家的要求1、VSWRGPS天线电压驻波比一般要求调到1.5左右2、Efficiency效率一般要求在40%左右3、Average Gain平均增益要求在-0.5dB4、OTA一般天线厂大多不具备GNSS天线OTA测试环境天线调试好后可以以实际测试数据做标准来衡量一般我们GNSS实测时要求是可用于定位卫星颗数大于6颗以上最强的信号在45dB/Hz左右要有3颗卫星信号大于40 dB/Hz。六、GPS天线测试报告参考1、Antenna Return loss and Smith chart:2、实际验证:多数天线厂家不具备GNSS天线OTA性能测试环境多数都是实际实网测试有条件的话可以多进行路测。测试环境公司楼顶天线朝上放置测试方向东西测试方向南北测试方向西东测试方向北南七、GPS天线厂家选择国内能自行生产GPS陶瓷天线的厂家主要有江苏、浙江嘉兴深圳台湾等地厂家。但是多数天线厂都是可以完成GPS天线的调试的只是生产时会外包给其他具有独立陶瓷粉末配方和烧制工艺的厂家。