淺談無人機上GPS模塊的天線

淺談無人機上GPS模塊的天線

GPS就是通過接受衛(wèi)星信號，進行定位或者導航的終端。而接收信號就必須用到天線。GPS衛(wèi)星信號分為L1和L2，頻率分別為1575.42MHZ和1228MHZ，其中L1為開放的民用信號，信號為圓形極化。信號強度為-166dBW左右，屬于比較弱的信號。

這些特點決定了要為GPS信號的接收準備專門的天線。目前GPS天線在農(nóng)業(yè)、航空、環(huán)境、海運、公共安全和災難救援、鐵路、空間、勘測與繪圖等領域中發(fā)揮著很重要的作用。

接收天線是GPS接收機處理衛(wèi)星信號的首個器件，將接收到的GPS衛(wèi)星發(fā)射的電磁波信號轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號，以使接收機的射頻前端進行處理。

衛(wèi)星的天線具有一定的指向功能，也即原本散發(fā)到各個方向上的信號功率被集中起來朝向地球發(fā)射，這種指向也稱為增益。天線的越大，增益越高。

一、GPS天線的分類

根據(jù)瑞士u-blox公司的CEO Thomas Seiler研究，在全球總共有20多種GPS天線；Thomas Seiler先生在GPS天線領域已經(jīng)進行了20多年的研究，但是目前按體積與靈敏度及價格等綜合性能考慮還是推薦使用廣泛的標準型陶瓷天線。

GPS接收機天線有不同構造類型，比如，單極，偶極，螺旋，微帶和扼流線圈等。貼片天線屬于微帶天線的一種。

1、從極化方式上GPS模塊天線分為垂直極化和圓形極化。

以現(xiàn)有的技術來看，在性能上，圓形極化的效果更好。因此除了特殊情況，GPS模塊天線都會采用圓形極化！

2、從安裝放置方式上GPS模塊天線分為內(nèi)置天線和外置天線。

目前的GPS模塊逐漸小型化，集成化，所以GPS模塊天線多采用內(nèi)置安裝和放置 。

此時天線必須在所有金屬器件上方，殼內(nèi)須電鍍并良好接地，遠離EMI干擾源，比如CPU，SDRAM，SD卡，晶振，DC/DC。3、從供電方式上來看，GPS模塊天線內(nèi)置天線又分有源和無源天線。

無源天線不含低噪聲放大器，也不需要電源，但是由于未經(jīng)放大的GPS信號強度較弱，從無源天線到接收機的電纜長度一般不超過1m。

如圖是GPS模塊與天線一體化的無源天線：

（1）銀層：陶瓷天線的表面銀層可以影響天線的共振頻率，理想的頻點是1574.42MHZ，在時間制作中可以調(diào)整銀面形狀來調(diào)頻點。

（2）陶瓷片：陶瓷粉末的好壞和燒結工藝直接影響它的性能，陶瓷片的面積越大，共振的頻率越高。有源天線：一般就是要供電的天線模塊，是由陶瓷天線、LNA（低噪聲信號模塊）、線纜、接頭組成、外加一個密封防水圈，也就是所謂的G-mouse。如圖所示，是天工測控的G-mouse：

二、GPS模塊有源天線和無源天線的區(qū)別

1、概念區(qū)分 無源天線：純粹是一個金屬體，是平?？吹胶芷胀ǖ母鞣N天線。 有源天線：是在這普通的天線后加放大器，有放大器配套的電源，放大器用來提高靈敏度，降低信噪比。

2、形狀區(qū)分 由于有源天線增加了放大器，增益較高，因此多數(shù)有源天線比無源天線體積、尺寸均大一些。重要的一點：另外外觀上有源的一般表明了電壓（VCC），無源的就沒有。

3、圖解分析區(qū)別 外形上沒有太大的區(qū)別，只是電路上有源的比無源的加了低噪放大和電源。以下是有源天線的電路標示 ：

這是u-blox公司AEK-4H評估器標配的GPS有源天線電路架構，可以看到有源天線只通過一根同軸電纜跟后面的射頻電路連接；這根電纜主要起到兩個作用：

（1）為有源天線的LNA供直流電；

（2）穿束天線接收并經(jīng)過方法的GPS射頻信號。

那么同軸線中的直流電和射頻GPS信號是怎么隔離的呢？從上圖可以看出：是通過電感和電容實現(xiàn)的，而電感是通過用微帶線的方式實現(xiàn)的。

電路圖（射頻前端的設計） ：

三、GPS天線的性能

影響GPS天線性能的主要是以下幾個方面：

1、陶瓷片：陶瓷粉末的好壞以及燒結工藝直接影響它的性能?，F(xiàn)市面使用的陶瓷片主要是25×25mm、18×18mm、15×15mm、12×12mm。

陶瓷片面積越大，介電常數(shù)越大，其共振頻率越高，接受效果越好。陶瓷片大多是正方形設計，是為了保證在XY方向上共振基本一致，從而達到均勻收星的效果。

2、銀層：陶瓷天線表面銀層可以影響天線共振頻率。理想的GPS陶瓷片頻點準確落在1575.42MHz，但天線頻點非常容易受到周邊環(huán)境影響，特別是裝配在整機內(nèi)，必須通過調(diào)整銀面涂層外形，來調(diào)節(jié)頻點重新保持在1575.42MHz。

因此GPS整機廠家在采購天線時一定要配合天線廠家，提供整機樣品進行測試。

3、饋點：陶瓷天線通過饋點收集共振信號并發(fā)送至后端。由于天線阻抗匹配的原因，饋點一般不是在天線的正中央，而是在XY方向上做微小調(diào)整。這樣的阻抗匹配方法簡單而且沒有增加成本。

僅在單軸方向上移動稱為單偏天線，在兩軸均做移動稱為雙偏。

4、放大電路：承載陶瓷天線的PCB形狀及面積。由于GPS有觸地反彈的特性，當背景是7×7cm無間斷大地時，patch天線的效能可以發(fā)揮到極致。

雖然受外觀結構等因素制約，但盡量保持相當?shù)拿娣e且形狀均勻。放大電路增益的選擇必須配合后端LNA增益。Sirf的GSC3F要求信號輸入前總增益不得超過29dB，否則信號過飽和會產(chǎn)生自激。

GPS天線有四個重要參數(shù)：增益（Gain）、駐波（VSWR）、噪聲系數(shù)（Noise figure）、軸比（Axial ratio）。其中特別強調(diào)軸比，它是衡量整機對不同方向的信號增益差異性的重要指標。

由于衛(wèi)星是隨機分布在半球天空上，所以保證天線在各個方向均有相近的敏感度是非常重要的。軸比受到天線性能、外觀結構、整機內(nèi)部電路及EMI等影響。

四、如何選用無源天線和有源天線？

目前市面上能自行生產(chǎn)GPS陶瓷天線的廠家主要是達伽馬導航、嘉興佳利電子、佳邦、嘉康電子等廠家。

大部分廠家均從國內(nèi)外采購陶瓷部分，配合設計的放大電路。超級智能終端越來越成為大勢所趨，狹小的空間對配件的大小提出了很高的要求。原來國內(nèi)的技術只在15×15mm以上成熟，10×10mm以上基本成熟。最小可以做到7×7mm左右，良率會偏低。

1、無源GPS天線使用無源GPS天線時，由于只有一個陶瓷片接收天空的衛(wèi)星信號，直接連接到模塊的RF-IN腳，這種聯(lián)接方式結構簡單，而且標準的25×25×4mm的陶瓷片成本低廉，技術成熟，占空體積小，適合于強調(diào)緊湊型空間GPS導航產(chǎn)品、藍牙GPS、手機GPS及其他小型GPS消費類產(chǎn)品。

這種天線的布局是從天線的引腳直達模塊的RF-IN腳，這根導線需要進行50歐阻抗匹配，而且在天線附近不能有電磁干擾，對PCB的設計及整機的EMI設計要求較高，但如果設計得優(yōu)良的無源天線GPS產(chǎn)品同樣有非常好的表現(xiàn)效果，而且耗電方式省。

2、有源GPS天線通常對于設備或車載機而言，由于設備與GPS接收模塊之前往往有距離，考慮到安裝的便利性可能會有超過1米的距離，在這種情況下我們只能選擇有源GPS天線，由于天線長度的信號衰減需要進行補償，一般有兩級低噪聲放大器（LNA）進行天線前端信號放大，放大后的信號經(jīng)電纜輸出，電纜同步提供LNA所需要的直流電壓。

由于天線收到的信號在有源天線接受頭內(nèi)完成信號接受與天線放大，并且遠離GPS設備或其他電器設備，干擾源最小，而且安裝位置由于天線距離延長安裝位置可以選擇非常理想的環(huán)境，所以實際使用時往往感覺信號較強。

尤其是在弱信號啟動由于內(nèi)部的二級放大也會有一定的增益，往往啟動時間較快，但正由于內(nèi)部有了二級LNA，也會耗費一定的電能，不同廠商的產(chǎn)品表現(xiàn)也不同，對于有源天線的性能受影響的主要是陶瓷天線片及LNA，還有天線設計、阻抗匹配及屏譜測試及天線微調(diào)及輸出線材端子等各個方面。