天線作為導(dǎo)航定位設(shè)備中最為關(guān)鍵的接收器件,其發(fā)揮的作用猶如人的“耳朵”一般至關(guān)重要。它能夠?qū)⑿l(wèi)星發(fā)送下來(lái)的電磁波能量巧妙地變換成電子器件能夠解析的電流。正因如此,天線的性能優(yōu)劣將對(duì) GPS 整機(jī)的產(chǎn)品性能產(chǎn)生直接且深遠(yuǎn)的影響。
目前,GNSS 系統(tǒng)中向民用開(kāi)放的定位系統(tǒng)主要包括美國(guó)的 GPS L1 band,其中心頻點(diǎn)為 1575.42MHz;俄羅斯的 GLONASS L1 band,中心頻點(diǎn)是 1602.5625MHz;中國(guó)的北斗 B1 band,中心頻點(diǎn)為 1561.098MHz 等等。在對(duì) GNSS 天線進(jìn)行調(diào)試時(shí),尺寸較小(非常小的尺寸)的陶瓷天線上通常情況下只能實(shí)現(xiàn)兼容 2 個(gè)頻段,而體積相對(duì)較大一些的則能夠兼容 3 個(gè)頻段。這就迫切需要我們?cè)谡{(diào)試之初便精準(zhǔn)地確認(rèn)好客戶的需求。需要明確的是,客戶是使用單 GPS 或北斗,還是采用 GPS+北斗、GPS+GLONASS 等兩兩組合的方式。只有這樣,在調(diào)試過(guò)程中有清晰的側(cè)重點(diǎn),才能使天線的性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。
GNSS天線的種類:從安裝方式上分為外置天線和內(nèi)置天線;供電方式上分為有源天線和無(wú)源天線;從極化方式上分為垂直極化和圓極化。
下面對(duì)目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的陶瓷patch天線做些簡(jiǎn)單的介紹:
一、陶瓷PATCH天線結(jié)構(gòu)圖
1、陶瓷片:
陶瓷粉末的好壞以及燒結(jié)工藝直接影響它的性能?,F(xiàn)市面使用的陶瓷片主要是2525、1818、1515、1212、9*9。陶瓷片面積越大,介電常數(shù)越大,其共振頻率越高,接收效果越好;陶瓷片的厚度對(duì)天線性能也會(huì)有不小的影響,空間容許的情況下建議選擇4mm的厚度。
2、銀層:
陶瓷天線表面銀層可以影響天線共振頻率。理想的GNSS陶瓷片頻點(diǎn)準(zhǔn)確落在1575.42MHz,但天線頻點(diǎn)非常容易受到周邊環(huán)境影響,特別是裝配在整機(jī)內(nèi),必須通過(guò)調(diào)整銀面涂層外形,來(lái)調(diào)節(jié)頻點(diǎn)重新保持在1575.42MHz。因此GPS整機(jī)廠家在采購(gòu)天線時(shí)一定要配合天線廠家,提供整機(jī)樣品進(jìn)行測(cè)試。
3、饋點(diǎn):
陶瓷天線通過(guò)饋點(diǎn)收集共振信號(hào)并發(fā)送至后端。由于天線阻抗匹配的原因,饋點(diǎn)一般不是在天線的正中央,多數(shù)都是單偏或雙偏的形式。
二、無(wú)源天線在我們產(chǎn)品上的使用建議
1、我們的 GNSS 模塊具有獨(dú)特的設(shè)計(jì),其上均內(nèi)置了 18dBm 增益的 LNA(低噪聲放大器)。這意味著您可以直接將陶瓷介質(zhì)的無(wú)源天線焊接在模塊的 GNSS_ANTPIN 腳處進(jìn)行使用,無(wú)需額外的復(fù)雜操作。
在產(chǎn)品布局方面,需要特別注意的是,GNSS 陶瓷天線應(yīng)朝上擺放,以確保最佳的信號(hào)接收效果。同時(shí),模塊可以靈活地放到 PCB 的另一面,這樣的布局安排能夠最大程度地實(shí)現(xiàn) GNSS_ANT PIN 到天線焊盤(pán)走線的盡可能短。通過(guò)這種優(yōu)化設(shè)計(jì),可以有效地減少信號(hào)傳輸過(guò)程中的損耗,提高整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。
2、匹配電路;如果天線焊盤(pán)離模塊的GNSS_ANT PIN腳很近,那么可以不預(yù)留匹配電路。如果由于結(jié)構(gòu)等其他原因造成GNSS天線遠(yuǎn)離模塊GNSS_ANT PIN,那么建議預(yù)留pi型匹配電路。模塊GNSS_ANT PIN到GNSS天線焊盤(pán)之間走線必須做50歐姆特性阻抗控制;如果是多層板,建議阻抗線走L1層,L2層鏤空參考L3的地。2層板走線線寬可以參考GSM天線部分走線線寬。
3、天線下方不要走線并做漏銅處理做天線的反射面;見(jiàn)下圖:
4、天線周邊不要有干擾源,特別是DCDC等器件;另外周邊也不要有比GNSS天線高的金屬器件:如下圖:
三、有源天線
1、有源天線構(gòu)造與實(shí)物,見(jiàn)下圖:
紅框內(nèi)GNSS有源天線組成部分為:陶瓷天線、聲表濾波器、低噪聲放大電路、射頻線纜、RF接頭。其中低噪聲放大電路是將信號(hào)進(jìn)行放大和濾波的部分。
2、PCB尺寸對(duì)天線性能的影響:
承載陶瓷天線的PCB形狀及面積。由于GNSS有觸地反彈的特性,當(dāng)PCB是7cm×7cm無(wú)間斷大地時(shí),patch天線的效能可以發(fā)揮到極致。雖然受外觀結(jié)構(gòu)等因素制約,但盡量保持相當(dāng)?shù)拿娣e且形狀均勻。另外放大電路增益的選擇必須配合后端LNA增益;一般不建議有源天線增益超過(guò)29dBm,否則信號(hào)過(guò)飽和可能會(huì)導(dǎo)致自激。
3、內(nèi)外置天線兼容和供電處理;
參考電路是Air800模塊的開(kāi)發(fā)板M4,R5和R6是為了兼容陶瓷PATCH天線和有源天線做的共PAD兼容設(shè)計(jì);L6和C38是有源天線供電電源濾波電路。原理圖部分;如下圖。
4、GNSS模塊使用外置天線時(shí)的供電處理。PCB部分;如下圖:
上圖中R5和R6就是共PAD兼容的有源天線設(shè)計(jì),貼R5是連接無(wú)源陶瓷天線焊盤(pán);貼R6連接有源天線的RF Connector,L6和C38是有源天線供電的濾波電路。
四、GPS天線選型建議
1、在終端結(jié)構(gòu)空間容許,能夠統(tǒng)一保證GNSS天線面朝上的安裝使用狀態(tài);并且周邊沒(méi)有大的金屬物件遮擋的情況下,建議使用GNSS陶瓷天線,在空間容許的情況下盡量選擇大尺寸的陶瓷天線。
2、在不能保證終端使用狀態(tài),且空間受限:比如手機(jī),帶定位功能的胸牌;建議使用FPC天線
3、在明確終端安裝環(huán)境惡劣,并且對(duì)GNSS性能有較高要求的;建議使用GPS有源天線
4、在不能保證產(chǎn)品安裝使用狀態(tài),但是空間不受限制,也可以選擇類似于GSM的外置棒狀天線。
五、在找天線廠家調(diào)試陶瓷PATCH天線時(shí),對(duì)天線廠家的要求
1、VSWR:GPS天線電壓駐波比一般要求調(diào)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:一般天線廠大多不具備GNSS天線OTA測(cè)試環(huán)境,天線調(diào)試好后可以以實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量;一般我們GNSS實(shí)測(cè)時(shí)要求是:可用于定位衛(wèi)星顆數(shù)大于6顆以上,最強(qiáng)的信號(hào)在45dB/Hz左右,要有3顆衛(wèi)星信號(hào)大于40 dB/Hz。
六、GPS天線測(cè)試報(bào)告(參考)
1、Antenna Return loss and Smith chart:
2、實(shí)際驗(yàn)證:
多數(shù)天線廠家不具備GNSS天線OTA性能測(cè)試環(huán)境,多數(shù)都是實(shí)際實(shí)網(wǎng)測(cè)試;有條件的話可以多進(jìn)行路測(cè)。
測(cè)試環(huán)境:公司樓頂;天線朝上放置
測(cè)試方向:東西
測(cè)試方向:南北
測(cè)試方向:西東
測(cè)試方向:北南
七、GPS天線廠家選擇
國(guó)內(nèi)能自行生產(chǎn)GPS陶瓷天線的廠家主要有江蘇、浙江嘉興,深圳,臺(tái)灣等地廠家。但是多數(shù)天線廠都是可以完成GPS天線的調(diào)試的,只是生產(chǎn)時(shí)會(huì)外包給其他具有獨(dú)立陶瓷粉末配方和燒制工藝的廠家。
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