射頻天線設計建議及GPS天線廠家推薦

首頁人氣：5575 發表時間：2020-07-25 【小中大】

天線作為導航定位設備中最重要的接收器件,它起到的作用就像是人的“耳朵”；是將衛星發送下來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系到GPS整機的產品性能。

目前GNSS系統開放民用定位系統主要是美國GPS L1 band，中心頻點1575.42MHz；俄羅斯GLONASS L1 band，中心頻點1602.5625MHz；中國北斗B1 band，1561.098MHz等等。GNSS天線在調試的時候，小尺寸（很小的尺寸）的陶瓷天線上一般只能做到兼容2個頻段，體積大一些的可以兼容3個頻段。這就需要我們在調試的時候就確認好客戶需求；確認是使用單GPS或北斗；還是采用GPS+北斗、GPS+GLONASS等兩兩組合的方式。這樣調試的時候有側重點，性能才能最優。

GNSS天線的種類：從安裝方式上分為外置天線和內置天線；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天線結構圖

1、陶瓷片：

陶瓷粉末的好壞以及燒結工藝直接影響它的性能。現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境影響，特別是裝配在整機內，必須通過調整銀面涂層外形，來調節頻點重新保持在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，多數都是單偏或雙偏的形式。

二、無源天線在我們產品上的使用建議

1、我們的GNSS模塊上均內置18dBm增益的LNA，可以直接將陶瓷介質的無源天線焊接在模塊GNSS_ANT PIN腳處使用。產品布局的時候，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，那么可以不預留匹配電路。如果由于結構等其他原因造成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、有源天線構造與實物，見下圖：

紅框內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天線的效能可以發揮到極致。雖然受外觀結構等因素制約，但盡量保持相當的面積且形狀均勻。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、內外置天線兼容和供電處理；

參考電路是Air800模塊的開發板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、在終端結構空間容許，能夠統一保證GNSS天線面朝上的安裝使用狀態；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，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、在不能保證產品安裝使用狀態，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測試環境，天線調試好后可以以實際測試數據做標準來衡量；一般我們GNSS實測時要求是：可用于定位衛星顆數大于6顆以上，最強的信號在45dB/Hz左右，要有3顆衛星信號大于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:

多數天線廠家不具備GNSS天線OTA性能測試環境，多數都是實際實網測試；有條件的話可以多進行路測。

測試環境：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

國內能自行生產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。但是多數天線廠都是可以完成GPS天線的調試的，只是生產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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