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射頻天線設(shè)計(jì)建議及GPS天線廠家推薦

首頁(yè) 人氣：4758 發(fā)表時(shí)間：2020-07-25 【小中大】
天線作為導(dǎo)航定位設(shè)備中最重要的接收器件,它起到的作用就像是人的“耳朵”；是將衛(wèi)星發(fā)送下來(lái)的電磁波能量變換成電子器件可解析的電流。因此天線的性能好壞將直接關(guān)系到GPS整機(jī)的產(chǎn)品性能。
目前GNSS系統(tǒng)開(kāi)放民用定位系統(tǒng)主要是美國(guó)GPS L1 band，中心頻點(diǎn)1575.42MHz；俄羅斯GLONASS L1 band，中心頻點(diǎn)1602.5625MHz；中國(guó)北斗B1 band，1561.098MHz等等。GNSS天線在調(diào)試的時(shí)候，小尺寸（很小的尺寸）的陶瓷天線上一般只能做到兼容2個(gè)頻段，體積大一些的可以兼容3個(gè)頻段。這就需要我們?cè)谡{(diào)試的時(shí)候就確認(rèn)好客戶需求；確認(rèn)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。這樣調(diào)試的時(shí)候有側(cè)重點(diǎn)，性能才能最優(yōu)。
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模塊上均內(nèi)置18dBm增益的LNA，可以直接將陶瓷介質(zhì)的無(wú)源天線焊接在模塊GNSS_ANT PIN腳處使用。產(chǎn)品布局的時(shí)候，GNSS陶瓷天線朝上擺放；模塊可以放到PCB的另一面。這樣就可以做到GNSS_ANT PIN到天線焊盤走線盡可能短。
2、匹配電路；如果天線焊盤離模塊的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；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。