GNSS天线设计

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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 band,1561.098MHz 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、GPS+GLONASS 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 
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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: 
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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: 
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三、有源天线
1、有源天线构造与实物,见下图:
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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 M4,R5 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。 
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4、GNSS 模块使用外置天线时的供电处理。PCB 部分;如下图: 
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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 Connector,L6 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、VSWR:GPS 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 -0.5dB
 
4、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: 
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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 
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测试方向:南北 
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测试方向:西东 
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测试方向:北南
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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。
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