采用GNSS天線模塊設(shè)計衛(wèi)星定位系統(tǒng)

為了提供更具吸引力的特性，現(xiàn)在已有越來越多的終端產(chǎn)品整合了全球定位功能。除了人們所熟悉的導(dǎo)航系統(tǒng)，車輛和資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)、個人定位器、安全系統(tǒng)、自動販賣機(jī)、健康醫(yī)療監(jiān)測和運動休閑設(shè)備等應(yīng)用也都需要采用“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GNSS）接收器。

每個GNSS接收器都需要天線才能接收到2萬公里以外的微弱衛(wèi)星信號。由于許多客戶不具備RF/天線調(diào)諧的專業(yè)技術(shù)，因此將衛(wèi)星接收器芯片和天線整合在一個模塊上的性能優(yōu)化的“GNSS天線模塊”便成為一種較好的解決方案。對于想要“立即”擁有全球定位功能的設(shè)備來說，這些模塊具有快速上市和物流簡化的優(yōu)點，從而提供了一種具成本效益的絕佳方案。

GNSS天線模塊的尺寸也遠(yuǎn)比采用外部天線設(shè)計的GNSS模塊要小。這使得內(nèi)置芯片天線的GNSS天線模塊成為超薄型設(shè)計的理想選擇，而且可省去許多設(shè)計上的麻煩。

GNSS天線模塊的一種典型而理想的應(yīng)用是個人與寵物跟蹤設(shè)備，這是一個快速成長的市場。這類設(shè)備外形極小，卻要在任何方位下提供最佳的天線性能。

衛(wèi)星接收器芯片的另一項重要特性是需具備優(yōu)異的抗干擾性能，因為個人跟蹤設(shè)備通常會包含一個蜂窩調(diào)制解調(diào)器，而且可能會與移動電話放在同一個口袋中。兩個重要的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是：包含預(yù)調(diào)諧天線的GNSS天線模塊，應(yīng)能全方位提供最佳的接收質(zhì)量;整合SAW濾波器需提供良好的抗蜂窩噪音的能力。

根據(jù)使用區(qū)域的不同，定位模塊需要支持不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括GPS、GLONASS（俄羅斯）、北斗（中國）和QZSS（日本）。此外，同時支持兩種衛(wèi)星系統(tǒng) （例如GPS/GLONASS、GPS/北斗、GLONASS/北斗）提升了定位速度與可靠性，因為使用至少四顆衛(wèi)星來計算一個位置的機(jī)會增加了。

圖1所示為內(nèi)置芯片天線的GNSS天線模塊的一個應(yīng)用實例。由于芯片天線集成在模塊內(nèi)部，這款個人定位器的外形非常輕薄，它能通過網(wǎng)頁界面跟蹤和顯示用戶的位置。

該設(shè)備整合了u-blox的芯片天線模塊CAM-M8Q（Chip Antenna Module，芯片天線模塊），尺寸僅為9.6 x 14.0 x 1.95 mm，并支持多個GNSS。該芯片天線能處理從北斗（1560 MHz）和GPS（1575 MHz）到GLONASS （1606 MHz）的所有L1頻率。這款表面貼裝模塊也非常薄，可滿足客戶的超薄產(chǎn)品設(shè)計需求。

在設(shè)計芯片天線模塊時要特別小心，因為PCB本身就是天線整體的一部分（半個偶極）。因此，要獲得最佳性能，供應(yīng)商的設(shè)計支持，包括支持系統(tǒng)集成，并擁有具備多年芯片天線模塊設(shè)計經(jīng)驗的應(yīng)用工程師，便十分重要。

CAM-M8Q的另一個特性是，如果客戶決定采用外部天線，該模塊的內(nèi)部芯片天線則可作為備用之選。當(dāng)主選的外部天線可能出現(xiàn)故障或遭受損壞時，這一特性便能發(fā)揮良好的作用。舉例來說，車輛跟蹤系統(tǒng)的外部天線就很有可能被損壞 。

對于僅支持GPS功能的應(yīng)用來說，PAM-7Q （圖 3）的尺寸廣受歡迎，因為它具備較好的安裝靈活性。它可以直接安裝在現(xiàn)有的設(shè)計中，或者通過引腳頭（pin-header）焊接到定制的PCB上。PAM-7Q 的貼片（patch）天線尺寸為18 x 18 mm，可提供更小的貼片天線組件無法達(dá)到的RHCP極化性能。

設(shè)計簡單且對接容易可使安裝成本降至最低。該模塊非常適合需要小巧、快速與低成本GPS定位功能的工業(yè)與消費應(yīng)用。

這兩款模塊都經(jīng)過特別的設(shè)計與調(diào)整，在任何方位下，都能提供最佳的天線性能。同時，由于整合了SAW濾波器，它們還具備優(yōu)異的靈敏度與抗干擾特性。

圖4所顯示的是GNSS天線在三個不同平面上的增益測量結(jié)果。請注意，在垂直平面上的性能接近相同。這顯示出，不論設(shè)備的方位如何，都能在面對天空的方向提供一致的天線增益。

這些測量是將模塊安裝在80 x 40 mm的接地面上進(jìn)行的，此接地面實際上也是天線的一部份。圖中深藍(lán)色的長方形為建議的天線模塊安裝位置。

圖5和圖6電路原理圖說明了利用CAM-M8Q GNSS天線模塊進(jìn)行設(shè)計的簡易性。圖5中的第一個原理圖顯示了采用內(nèi)部GNSS天線的一個獨立方案：只需幾個外部無源器件用于常規(guī)電源供應(yīng)過濾及保護(hù)。圖中還包括了用來開啟和關(guān)閉電源的可選的電源開關(guān)。

所有定位信息都通過引腳25和26上的2線NMEA接口傳送給主機(jī)處理器;無需主機(jī)進(jìn)行處理，該模塊就能提供最終的定位信息。

圖6所示為使用外部GNSS天線的設(shè)計。當(dāng)外部天線損壞或連接中斷時，該模塊能自動切換到內(nèi)部GNSS芯片天線，并繼續(xù)執(zhí)行定位功能。這一特性在車輛應(yīng)用中非常有用，因為當(dāng)車輛發(fā)生事故時，外部天線很可能會損毀。