物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的GNSS天線設計建議

天線作為導航定位設備中最為關(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 GPS 整機的產(chǎn)品性能產(chǎn)生直接且深遠的影響。

目前，GNSS 系統(tǒng)中向民用開放的定位系統(tǒng)主要包括美國的 GPS L1 band，其中心頻點為 1575.42MHz；俄羅斯的 GLONASS L1 band，中心頻點是 1602.5625MHz；中國的北斗 B1 band，中心頻點為 1561.098MHz 等等。在對 GNSS 天線進行調(diào)試時，尺寸較?。ǚ浅Ｐ〉某叽纾┑奶沾商炀€上通常情況下只能實現(xiàn)兼容 2 個頻段，而體積相對較大一些的則能夠兼容 3 個頻段。這就迫切需要我們在調(diào)試之初便精準地確認好客戶的需求。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)試過程中有清晰的側(cè)重點，才能使天線的性能達到最優(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源天線；從極化方式上分為垂直極化和圓極化。

下面對目前市場上應用最廣泛的陶瓷patch天線做些簡單的介紹：

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；陶瓷片的厚度對天線性能也會有不小的影響，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，多數(shù)都是單偏或雙偏的形式。

二、無源天線在我們產(chǎn)品上的使用建議

1、我們的 GNSS 模塊具有獨特的設計，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)的無源天線焊接在模塊的 GNSS_ANTPIN 腳處進行使用，無需額外的復雜操作。

在產(chǎn)品布局方面，需要特別注意的是，GNSS 陶瓷天線應朝上擺放，以確保最佳的信號接收效果。同時，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現(xiàn) GNSS_ANT PIN 到天線焊盤走線的盡可能短。通過這種優(yōu)化設計，可以有效地減少信號傳輸過程中的損耗，提高整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

2、匹配電路；如果天線焊盤離模塊的GNSS_ANT PIN腳很近，那么可以不預留匹配電路。如果由于結(jié)構(gòu)等其他原因造成GNSS天線遠離模塊GNSS_ANT PIN，那么建議預留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)造與實物，見下圖：

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進行放大和濾波的部分。

2、PCB尺寸對天線性能的影響：

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PCB是7cm×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(jié)構(gòu)等因素制約，但盡量保持相當?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29dBm，否則信號過飽和可能會導致自激。

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兼容設計；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兼容的有源天線設計，貼R5是連接無源陶瓷天線焊盤；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，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，對天線廠家的要求

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測試環(huán)境，天線調(diào)試好后可以以實際測試數(shù)據(jù)做標準來衡量；一般我們GNSS實測時要求是：可用于定位衛(wèi)星顆數(shù)大于6顆以上，最強的信號在45dB/Hz左右，要有3顆衛(wèi)星信號大于40 dB/Hz。

六、GPS天線測試報告（參考）

1、Antenna Return loss and Smith chart:

2、實際驗證:

多數(shù)天線廠家不具備GNSS天線OTA性能測試環(huán)境，多數(shù)都是實際實網(wǎng)測試；有條件的話可以多進行路測。

測試環(huán)境：公司樓頂；天線朝上放置

測試方向：東西

測試方向：南北

測試方向：西東

測試方向：北南

七、GPS天線廠家選擇

國內(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)時會外包給其他具有獨立陶瓷粉末配方和燒制工藝的廠家。

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審核編輯 黃宇