物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的GNSS天線(xiàn)設(shè)計(jì)建議

天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，尺寸較小（非常小的尺寸）的陶瓷天線(xiàn)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(hù)的需求。需要明確的是，客戶(hù)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(xiàn)的性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

GNSS天線(xiàn)的種類(lèi)：從安裝方式上分為外置天線(xiàn)和內(nèi)置天線(xiàn)；供電方式上分為有源天線(xiàn)和無(wú)源天線(xiàn)；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(xiàn)做些簡(jiǎn)單的介紹：

一、陶瓷PATCH天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)表面銀層可以影響天線(xiàn)共振頻率。理想的GNSS陶瓷片頻點(diǎn)準(zhǔn)確落在1575.42MHz，但天線(xiàn)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(xiàn)時(shí)一定要配合天線(xiàn)廠家，提供整機(jī)樣品進(jìn)行測(cè)試。

3、饋點(diǎn)：

陶瓷天線(xiàn)通過(guò)饋點(diǎn)收集共振信號(hào)并發(fā)送至后端。由于天線(xiàn)阻抗匹配的原因，饋點(diǎn)一般不是在天線(xiàn)的正中央，多數(shù)都是單偏或雙偏的形式。

二、無(wú)源天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)焊盤(pán)走線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)焊盤(pán)之間走線(xiàn)必須做50歐姆特性阻抗控制；如果是多層板，建議阻抗線(xiàn)走L1層，L2層鏤空參考L3的地。2層板走線(xiàn)線(xiàn)寬可以參考GSM天線(xiàn)部分走線(xiàn)線(xiàn)寬。

3、天線(xiàn)下方不要走線(xiàn)并做漏銅處理做天線(xiàn)的反射面；見(jiàn)下圖：

4、天線(xiàn)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(xiàn)高的金屬器件：如下圖：

三、有源天線(xiàn)

1、有源天線(xiàn)構(gòu)造與實(shí)物，見(jiàn)下圖：

紅框內(nèi)GNSS有源天線(xiàn)組成部分為：陶瓷天線(xiàn)、聲表濾波器、低噪聲放大電路、射頻線(xiàn)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(xiàn)性能的影響：

承載陶瓷天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)和有源天線(xiàn)做的共PAD兼容設(shè)計(jì)；L6和C38是有源天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)設(shè)計(jì)，貼R5是連接無(wú)源陶瓷天線(xiàn)焊盤(pán)；貼R6連接有源天線(xiàn)的RF Connector，L6和C38是有源天線(xiàn)供電的濾波電路。

四、GPS天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，在空間容許的情況下盡量選擇大尺寸的陶瓷天線(xiàn)。

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(xiàn)

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(xiàn)

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(lèi)似于GSM的外置棒狀天線(xiàn)。

五、在找天線(xiàn)廠家調(diào)試陶瓷PATCH天線(xiàn)時(shí)，對(duì)天線(xiàn)廠家的要求

1、VSWR：GPS天線(xiàn)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(xiàn)廠大多不具備GNSS天線(xiàn)OTA測(cè)試環(huán)境，天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)廠家不具備GNSS天線(xiàn)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(huà)可以多進(jìn)行路測(cè)。

測(cè)試環(huán)境：公司樓頂；天線(xiàn)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(xiàn)廠家選擇

國(guó)內(nèi)能自行生產(chǎn)GPS陶瓷天線(xiàn)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(xiàn)廠都是可以完成GPS天線(xiàn)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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