GPS天线的简介

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⒈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.⒉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25×25、18×18、15×15、12×12.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7cm×7cm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(PATCH Antenna)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3~5mm,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c ON nector,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filter,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.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(PATCH antenna)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个来自不同半导体公司的元件),使得这种方式仅适用于有大规模应用潜力的产品.GPS模块可以作为芯片组的替代选择.模块包含完整的GPS功能,允许开发工程师进行快速系统集成,而无需面对在开发过程中RF和GPS设计缺陷的麻烦.开发工程师只需要具备基本的RF知识,指定天线类型并将天线设计到模块的链路上.模块采用表面贴装焊盘,可适用于自动贴装和焊接流水线,因而对于中等和大批量生产项目来说是一种很有吸引力的选择.从备料角度来看,使用模块比采购数量众多的元件更为容易,同时,由于供应商已经对GPS模块做过全面测试,因此只需要进行相对简单的产品测试.图2:系统集成等级.GPS接收板本身带专用RF和I/O接头,体积虽然大于GPS模块,但却进一步简化了系统集成工作.使用过程中除了选择一款带合适连接电缆和接头的有源GPS天线外,不需要做其它与RF相关的设计工作.当易用性和划算的产品可靠性是重点考虑的因素时,插入式接收板是最佳的选择方案.当能否迅速完成产品定型或迅速将产品投放市场成为产品成功与否的决定因素时,GPS 智能天线模块是最佳的选择.智能天线模块包含完整的GPS接收机,带内置天线.智能天线模块有两种应用形式:一种是OEM智能天线模块,用于终端集成,另一种是将智能天线封装到某个组件中.设计中选择使用智能天线模块由于具有系统集成快速和风险低的特点,在要求实现迅速产品定型、小批量生产和对进入市场时间要求严格的应用场合,GPS智能天线模块是最适当的选择.即使智能天线模块包含了完全独立的GPS功能,在使用过程中仍有一些设计工作有待进行,包括天线类型(片状天线或螺旋天线)的选择和将智能天线模块嵌入到终端产品中去.大多数智能天线模块不是采用陶瓷片状天线就是螺旋天线.片状天线具有方向性,在辐射元的正交面上有最大增益.换句话说,水平面上的辐射元对从天穹顶点发来的信号具有最大增益.当水平面上接收仰角范围很窄的时候,对这种高度中心式的灵敏性会造成较大影响.片状天线适合用于主要朝向上方的终端产品中,例如用在车载导航中,靠着挡风玻璃安装在排气罩上.另外,由辐射元尺寸和它下方辐射经过的接地面尺寸共同决定的天线孔径(antenna aperture)大小,也会影响信号接收灵敏性.螺旋天线有相对较宽的方向特性:具有更宽的接收仰角,但峰值增益也相对较低.螺旋天线适合用于各个方向都要求能自由使用的终端产品中,如移动手持设备.由于靠近人体时会干扰信号接收,在这种情况下使用螺旋天线造成的影响也相对较小,因而在距离人体组织或远或近的位置、在各个方向手持终端产品时都能实现GPS接收.不过螺旋天线也存在一个缺点:天线孔径小,限制了整体的接收灵敏度.下面列出的几点影响智能天线模块在终端产品中嵌入应用的因素:1.在选择智能天线模块前应了解终端产品的主要定位方向和使用方式:例如,电子设备是被放置在平面上工作还是被拿在手里、与水平面呈一定倾角贴近人体头部使用.2.天线集成的位置不能靠近噪声源,如内部处理器和发光LCD显示屏.3.终端产品的外壳材料对天线性能有影响.外壳或屏蔽层材料的介电常数、厚度以及到天线表面的间距都会影响片状天线的谐振频率.因此,良好设计的OEM智能天线模块都按照厂商规范使用封装外壳,已经对偏移谐振频率进行了归零校准.封装式智能天线封装式智能天线是OEM智能天线模块的一种替代选择.在要求嵌入GPS的产品不做硬件改动的情况下,选择封装式智能天线有一定优势.封装式智能天线有两种:分立式智能天线和密耦合智能天线.分立式智能天线可以放在有较好天空视野的位置上,例如GPS鼠(GPS mice).它们之间通过RS-232、USB或蓝牙进行通信,由主机(例如通过USB电源线)或充电电池供电.密耦合智能天线可直接插入终端产品中去,例如通过CF插槽(Compact FLASH slot).封装式智能天线是在像便携PC和PDA这样的标准便携硬件平台上运行的系统解决方案的理想选择.本文结论在集成设计工作中使用经过良好设计的智能天线,可以提供与使用GPS模块和芯片组同样高的性能等级.在日本,新宿是路测环境最苛刻的城市之一.市内道路两侧高楼林立,天空视野有限,对接收机的多径抑制能力提出了严格考验.智能天线模块内含16通道ANTARIS定位技术,在如此恶劣的定位环境下仍能提供出色性能.当要求快速实现终端产品的设计,要求降低开发成本或者内部研发资源有限的时候,智能天线模块是切实可行的选择方案.经过仔细挑选的智能天线模块可以提供与传统GPS芯片组和模块集成相比拟的性能.测试有源GPS天线的方法GPS伴随着全球定位系统的发展,渐渐被全球消费市场所采用,不仅仅在专业或商业领域,如运输车队、科技探索、军事跟踪,而且还有许多消费类产品被普及到,比如手机和个人数据助理(PDA)设备上.实际上,车载GPS导航系统近几年已经成为美国、日本和欧洲市场上中高端汽车的标准配备.随着全球经济的带动,中国国产的GPS相关产品也越来越多,GOS产品的应用在国内也越来越普遍,相应人们在使用GPS时候产生的问题也与日俱增.根据MORLAB对GPS产品的检查测试实验经验,一部分GPS接收机的性能很不稳定的原因是由GPS 接收天线产生的.所以对GPS天线性能测试是必须而迫切的.GPS接收天线的作用是将卫星传来的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用的电流.通常对于专用设备或车载设备而言,由于设备与GPS接收模块之前往往有一定距离, 考虑到安装的便利性则可能在现实环境中会使用超过1米的溃线, 但由于馈线对信号有不少的损耗,在这种情况下我们只能选择有源GPS天线.所谓有源天线,是指天线中装有RF前置放大器或低噪声放大器的GPS天线.本文所述的有源GPS天线测试可在MORLAB的OTA天线测试实验室中进行.总体测试架构类似于普通无源天线的测试环境,主要变化是需要增加一个Antenna splitter,把DC直流信号隔离,使其不能输入到测试系统,但同时又能给GPS天线供电.由于有源GPS天线内含单向放大器,GPS的工作形式又为纯接收机方式.因此,在测试时需要对测试系统进行相关特殊设置,使测试天线探头从原来的接收状态改为发射状态,GPS天线接收信号后,经射频线再传给VNA作数据分析.GPS天线作为GPS设备中最重要的接收部件, 它起到的作用就像是人的"耳朵".因此GPS 天线的性能好坏将直接关系到GPS整机的产品质量.经过对有源GPS天线的测试,可以帮助厂家确认GPS天线其的中心频率是否正确,验正增益和方向性等性能指标是否达到设计要求.通过GPS的OTA测试,将帮助GPS天线厂家及整机生产厂家改进GPS产品的接受性能,同时也给GPS产品经销商提供了一种检验GPS产品质量的新途径和新方法.GPS天线测试系统总体框图GPS天线测试现场某GPS天线样品1575.42MHz GPS中心频率增益下陷GPS天线3D方向图基于GPS机的多天线分析设计0 引言全球定位系统(GLOBAL positioning system , 缩写为 GPS)是美国国防部于 1973 年11 月授权开始研制的海陆空三军共用的新一代卫星导航系统.GPS 由空间部分、地面监控部分和用户接收机 3 部分组成.经过 20 多年的研究和试验, 整个系统于1994年完全投入使用.在地球上任何位置、任何时刻, GPS 可为各类用户连续地提供动态的三维位置、三维速度和时间信息, 实现全球、全天候的连续实时导航、定位和授时.目前, GPS 已在大地测量、精密工程测量、地壳形变监测、石油勘探等领域得到广泛应用.利用 GPS 定位技术进行精密工程测量和大地测量, 平差后控制点的平面位置精度为 1 mm～2 mm ,高程精度为2 mm～ 3 mm .利用GPS 定位技术进行变形监测, 是一种先进的高科技监测手段.用GPS 监测滑坡是GPS 技术变形监测的一种典型应用, 通常有两种方案: ①用几台GPS 接收机, 由人工定期到监测点上观测, 对数据实施处理后进行变形分析与预报;②在监测点上建立无人值守的GPS 观测系统, 通过软件控制, 实现实时监测和变形分析、预报.但由于每个监测点上都需要安装GPS 接收机, 仅三峡库区的支、干流上需要监测的滑坡就有七八百个, 一个滑坡少则几个点, 多则几十个点, 有的甚至多达100 多点.如此大范围监测, 仅购买接收机就需几百万元, 致使监测系统的费用非常昂贵.基于上述问题, 我们开发了GPS 一机多天线控制器, 使一台GPS 接收机能连接多个天线.这样, 每个监测点上只安装天线, 不安装接收机.10 个乃至20 个监测点共用 1 台接收机, 可使监测系统的成本大幅度下降.该系统样机已在香港的山体滑坡监测中进行了测试, 定位精度为毫米级.该研究成果还可应用到岩土工程监测、建筑物变形监测、大坝变形监测、大桥变形监测等领域.1 系统组成GPS 一机多天线监测系统原理如图1 所示.该系统包括控制中心、数据通信、 GPS 多天线控制器和野外供电系统等 4 部分.1.1 控制中心控制中心可以对 GPS 多天线控制器微波开关各信号通道进行参数设定, 包括各通道的开/关选择、各通道的时间参数设定等.还可以设定系统的工作方式, 例如对采集数据的传送方式(实时/事后)进行控制, 并将由现场传来的 GPS 原始数据, 通过处理, 实现精确定位.整个控制软件由MicrosoftVisual C++ 语言编程, 具有良好的人机界面.1.2 数据通信根据实际使用情况的不同, 可以有以下几种数据传送方式:a. 利用电话线进行数据通信.由于有现成的电话线, 只需购置相关的调制解调器即可, 成本较低,传输距离不受限制, 实时性可以保证.工作时, 由于占用电话网, 费用较高.有些场合可以考虑使用内部小总机分机方式进行通信.b . 利用无线方式进行数据通信, 如利用现有的GSM信道.c . 组网方式.构成局域网, 从而可以利用网上的相关资源进行数据通信.这种方式进行数据通信时, 方便、可靠、通用性强, 不需购置专用设备.但组网成本较高, 如果不是具备现成的网络条件, 不太适宜采用.数据传送时, 实时性可能难以保证.1.3 GPS多天线控制器多天线控制器由计算机系统、天线开关阵列和控制电路组成, 如图2 所示.。