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1、GPS天线的简介GPS天线就是指通过接受卫星信号,从而进行定位或者导航所用到的天线. GPS卫星信号为L1和L2,频率分别为1575.42MHz和1228MHz,当中的L1为开放的民用信号,信号为圆形极化.信号一般在166-DBM左右,属于弱信号.GPS天线的分类 从极化方式上GPS天线分为垂直极化和圆形极化. 以现在的技术,垂直极化的效果比不上圆形极化.因此除了特殊情况,GPS天线都会采用圆形极化. 从放置方式上GPS天线分为内置天线和外置天线. 天线的装配位置也是十分重要.早期GPS手持机多采用外翻式天线,此时天线与整机内部基本隔离,EMI几乎不对其造成影响,收星效果很好.现在随着小型化潮
2、流,GPS天线多采用内置.此时天线必须在所有金属器件上方,壳内须电镀并良好接地,远离EMI干扰源,比如CPU、SDRAM、SD卡、晶振、DC/DC. 车载GPS的应用会越来越普遍.而汽车的外壳,特别是汽车防爆膜会GPS信号产生严重的阻碍.一个带磁铁(能吸附到车顶)的外接天线对于车载GPS来说是非常有必要的.GPS天线的构造 目前绝大部分GPS天线为右旋极化陶瓷介质,其组成部分为:陶瓷天线、低噪音信号模块、线缆、接头. 其中陶瓷天线也叫无源天线、介质天线、PATCH,它是GPS天线的核心技术所在.一个GPS天线的信号接受能力,大部分取决与其陶瓷部分的成分配料如何. 低噪声信号模块也称为LNA,是
3、将信号进行放大和滤波的部分.其元器件选择也很重要,否则会加大GPS信号的反射损耗,以及造成噪音过大. 线缆的选择也要以降低反射为标准,保证阻抗的匹配.影响GPS天线的主要因素 影响GPS天线性能的主要是以下几个方面 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.陶瓷片面积越大,介电常数越大,其共振频率越高,接受效果越好.陶瓷片大多是正方形设计,是为了保证在XY方向上共振基本一致,从而达到均匀收星的效果. 2、银层:陶瓷天线表面银层可以影响天线共振频率.理想的GPS陶瓷片频点准确落在1575.42MHz,但天线频点非常容易
4、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,而是在XY方向上做微小调整.这样的阻抗匹配方法简单而且没有增加成本.仅在单轴方向上移动称为单偏天线,在两轴均做移动称为双偏. 4、放大电路:承载陶瓷天线的PCB形状及面积.由于GPS有触地反弹的特性,当背景是7cm7cm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
5、且形状均匀.放大电路增益的选择必须配合后端LNA增益.Sirf的GSC3F要求信号输入前总增益不得超过29dB,否则信号过饱和会产生自激. GPS天线有四个重要参数:增益(Gain)、驻波(VSWR)、噪声系数(Noise figure)、轴比(Axial ratio).其中特别强调轴比,它是衡量整机对不同方向的信号增益差异性的重要指标.由于卫星是随机分布在半球天空上,所以保证天线在各个方向均有相近的敏感度是非常重要的.轴比受到天线性能、外观结构、整机内部电路及EMI等影响.两种内置GPS天线的简介 平板式天线(PATCHAntenna) 平板式天线由于其耐用性和相对地容易制作,所以成了应用最
6、为普遍的一类天线.其形状可以是圆的也可以方的或长方的,如同一块敷铜的印刷电路板.它由一个或多个金属片构成,所以GPS天线最常用的形状是块状结,像个烧饼.由于天线可以做得很小,因此适合于航空应用和个人手持应用. 天线的另一个主要特性,是其的增益图形,即方向性.利用天线的方向性可以提高其抗干扰和抗多径效应能力.在精确定位中,天线的相位中心的稳定性是个很重要的指标.但是,普通的导航应用中,人们希望用全向天线,至少能接收天线地平以上五度视野内所有天空中的可见卫星信号,但是平板式天线在卫星于天线正上方时,讯号增益才是最大.平板的接收范围在平板上方,平板要面向天空,这对于手持以及车载都会带来麻烦,我们可以
7、看到可调角度的CF接收器越来越多(可折叠的SDGPS 丽台9551),就是因为平板式天线这种特性使得厂家为了接收器有更好的收讯效果才想出来的招. 四臂螺旋式天线(Quadrifilar Helix Antenna ) 四臂螺旋式天线由四条特定弯曲的金属线条所组成.不需要任何接地.它具备有Zapper天线的特性,也具备有垂直天线的特性.此种巧妙的结构,使天线任何方向都有3dB的增益,增加了卫星讯号接收的时间.四臂螺旋式天线拥有全面向360度的接收能力,因此在与pda结合时,无论PDA的摆放位置如何,四臂螺旋式天线皆能接收,有别于使用平板GPS天线需要平放才能较好的接收的限制.使用此种天线,当卫星
8、出现于地平面上10度时,即可收到卫星所传送的讯号. 但是如果地面接收站附近干扰源较多,则不适用四臂螺旋式天线,因为四臂螺旋式天线具备有水平方向的增益,会将噪声一起放大,反而干扰了卫星讯号的接收.但是科技在进步,现在所生产的四臂螺旋式天线能突破多项传统天线的限制.天线是以陶瓷制成, Near-Field极小,约仅有35mm,而有些传统天线的Near-Field甚至高达1m.Near-Field愈小,则使用者手持GPS装置时,人体愈不会造成干扰.现在的四臂螺旋式天线的特点还包括完整的巴伦电路(Balun)设计,此设计能隔离天线周边的噪声,因此能容许各种功能的天线并存于极小的空间中而不会互相干扰.对
9、于整合功能日趋多元,且强调轻薄短小的手持式电子产品而言,此特性的重要性不可言喻.手机设计GPS天线需要注意事项 在设计GPS天线的时候,以下几个地方是需要注意的 1 供应商应该做的流程 客户立项-机构评估(根据案子的机构图,进行评估机构是否为GPS天线的合格工作环境)-调试(根据案子的机器,确认定位时间与CN值)-提供样品(根据调试结果,提供样品)-送承认书-量产 2 设计人员需要考虑的事项 1)2D图档 包括整个PCB外观尺寸,屏蔽盖的范围及厚度,有无cONnector,出线位置与方向,PATCH位置与大小,PCB板厚 2)有源天线的单/双极LNA(一般情况都是单极) 3)要不要加filte
10、r,filter在前面,中间,还是在后面(根据我们经验,一般情况会加一个SAW FILTER) 4)cable的线长,线径及使用什么接头 5)switch是电子式还是机构式 6)电型规格 工作电压(3-5V),工作电流(6-12mA),增益(17db,一般模块要求范围在13-25db,一般会有2-3个db的偏差),驻波比(我们一般做到最大2,不知道市场上是什么样),匹配电阻(50欧姆,定值),噪声指数(2.0,实际上可以做到更小),频率(1575.42MHZ,GPS的标准频率,定值),频宽(10mhz)GPS天线模块的性能考量和选择GPS作为一种新兴产业,已经渐渐从一种集成产品发展成为综合系统
11、解决方案的一部分.现有的原始设备制造商(OEM)可以选择单一的部分来实现系统集成,可以选择GPS芯片组、GPS模块或者智能天线模块.每种发难都自己的利弊,在OEM选择之前需要对整个系统进行做一个整体的评估工作.以下提供了智能天线方案的选择思路,并且讨论了片状天线和螺旋天线的性能对比以及影响智能天线模块在终端产品中的嵌入应用的因素. 近年来,GPS已从一种集成产品发展成综合系统解决方案的一部分.这种转变的动因是GPS的小型化进程和对降低成本的追求.高度集成的信号混合芯片完成RF前端功能,整个系统由包括GPS硬件、强大的处理内核、嵌入式存储器的芯片以及小型电子元件构成,这些使得GPS小型化成为可能
12、.OEM可以选择用GPS芯片组、GPS模块或智能天线模块来实现系统集成.每种方案都有各自的利弊:基于芯片组的设计能提供高度的灵活性,但同时设计需要投入大量精力,并要求设计工程师掌握丰富的RF知识;而智能天线模块是快速系统集成的正确选择,在快速系统集成应用中,基于这种充分设计的GPS子系统,集成只需要最短的开发时间、最低的开发成本以及最小的开发风险.在开始批量生产的时候,采用智能天线模块会显着简化物料采购储备工作和产品的测试流程. 图1:GPS系统需求分析. 目前,市场上价格适中的GPS接收机种类丰富,可满足OEM的不同需求.GPS生产商提供不同性能和不同系统集成等级的产品.即使现在的GPS接收
13、机看起来可以用于简单直接的系统集成,然而由于市场上存在大量可供选择的产品,使得OEM厂商仍然很难做出最恰当的选择.因此,建议OEM厂商在做出选择之前先确定GPS接收机需要满足的要求,包括技术和非技术因素,如图1中所示. 系统的技术或非技术性要求 技术性要求包括特性(如节能模式和支持SBAS)、易用性(特别是易配置性)和既要定性也要定量的性能标准.定量指标指可测参数,如准确度、启动性能、跟踪灵敏度和功耗,定性指标包括由外场测试获得的可预期定位结果.有些GPS接收机在实验室里测得的技术指标可能很好,但很可能外场测试就不行.外场测试暴露出技术特性上的弱点或缺陷.不管GPS接收机技术怎样发展,都仍会存
14、在由于某种权衡造成的性能上的折衷.对智能天线模块来说,片状天线(PATCHantenna)及其地面层的小型化是以牺牲灵敏度为代价的.对低功耗的追求带来了另一种性能折衷:功耗的降低可以通过缩减硬件架构得以实现,例如减少通道数和时/频搜索窗口,但同时启动性能便会打折扣. 工程师往往侧重于关心技术性要求而忽视非技术性要求的重要性.有限的项目周期、预算和可利用的内部研发资源都会对产品设计产生影响.工程师需要谨慎地决定系统集成等级,这一等级最好被视为衡量自己研发工作技术深度的标尺.所选的系统集成等级会影响项目复杂度、进度、成本、产品和物料采备.在评估GPS接收机时,成本因素扮演了重要角色.对产品批量小的
15、项目来说,最初的开发成本在整个产品成本中占据了最大的一部分,必须着重考虑.对产品批量大的项目来说,开发成本对项目本身的影响可以忽略,为了优化产品成本,需要在研发过程中投入充足的时间和资源. GPS厂商间的激烈竞争造成GPS产品的低价,工程师和采购经理很容易被价格因素吸引而选择最便宜的那种.请注意,单纯地只关心产品成本而忽视其它要求很可能会导致令人失望的结果,例如项目延期和出现产品质量缺陷.性能差、质量达不到预期要求以及让用户不满意,都是GPS嵌入式产品最不希望见到的. 在项目进行的初期阶段就必须确定系统集成等级,它会影响对OEM GPS接收机的选择.选定的系统集成等级类似于在设计复杂度和有限的周期、技巧和可用资源之间进行的一种权衡. 基于GPS芯片组设计可以提供最大的灵活性和产品优化.基于芯片组的设计需要开发工程师具备RF设计方面的丰富技巧和经验,以完成产品开发并提供全面彻底的配套产品测试系统.基于芯片组的产品设计开发周期通常超过一年,成本较高,同时技术风险不容忽视.一般会进行三次或以上的产品原型测试,产品方可定型,在开发过程中强烈建议与GPS厂商紧密合作.总之,高昂的设计费用、较大风险和复杂的物料来源(20-40
