淺談無(wú)人機(jī)上GPS模塊的天線(xiàn)

淺談無(wú)人機(jī)上GPS模塊的天線(xiàn)

GPS就是通過(guò)接受衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行定位或者導(dǎo)航的終端。而接收信號(hào)就必須用到天線(xiàn)。GPS衛(wèi)星信號(hào)分為L(zhǎng)1和L2，頻率分別為1575.42MHZ和1228MHZ，其中L1為開(kāi)放的民用信號(hào)，信號(hào)為圓形極化。信號(hào)強(qiáng)度為-166dBW左右，屬于比較弱的信號(hào)。

這些特點(diǎn)決定了要為GPS信號(hào)的接收準(zhǔn)備專(zhuān)門(mén)的天線(xiàn)。目前GPS天線(xiàn)在農(nóng)業(yè)、航空、環(huán)境、海運(yùn)、公共安全和災(zāi)難救援、鐵路、空間、勘測(cè)與繪圖等領(lǐng)域中發(fā)揮著很重要的作用。

接收天線(xiàn)是GPS接收機(jī)處理衛(wèi)星信號(hào)的首個(gè)器件，將接收到的GPS衛(wèi)星發(fā)射的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號(hào)，以使接收機(jī)的射頻前端進(jìn)行處理。

衛(wèi)星的天線(xiàn)具有一定的指向功能，也即原本散發(fā)到各個(gè)方向上的信號(hào)功率被集中起來(lái)朝向地球發(fā)射，這種指向也稱(chēng)為增益。天線(xiàn)的越大，增益越高。

一、GPS天線(xiàn)的分類(lèi)

根據(jù)瑞士u-blox公司的CEO Thomas Seiler研究，在全球總共有20多種GPS天線(xiàn)；Thomas Seiler先生在GPS天線(xiàn)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了20多年的研究，但是目前按體積與靈敏度及價(jià)格等綜合性能考慮還是推薦使用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)型陶瓷天線(xiàn)。

GPS接收機(jī)天線(xiàn)有不同構(gòu)造類(lèi)型，比如，單極，偶極，螺旋，微帶和扼流線(xiàn)圈等。貼片天線(xiàn)屬于微帶天線(xiàn)的一種。

1、從極化方式上GPS模塊天線(xiàn)分為垂直極化和圓形極化。

以現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)看，在性能上，圓形極化的效果更好。因此除了特殊情況，GPS模塊天線(xiàn)都會(huì)采用圓形極化！

2、從安裝放置方式上GPS模塊天線(xiàn)分為內(nèi)置天線(xiàn)和外置天線(xiàn)。

目前的GPS模塊逐漸小型化，集成化，所以GPS模塊天線(xiàn)多采用內(nèi)置安裝和放置 。

此時(shí)天線(xiàn)必須在所有金屬器件上方，殼內(nèi)須電鍍并良好接地，遠(yuǎn)離EMI干擾源，比如CPU，SDRAM，SD卡，晶振，DC/DC。3、從供電方式上來(lái)看，GPS模塊天線(xiàn)內(nèi)置天線(xiàn)又分有源和無(wú)源天線(xiàn)。

無(wú)源天線(xiàn)不含低噪聲放大器，也不需要電源，但是由于未經(jīng)放大的GPS信號(hào)強(qiáng)度較弱，從無(wú)源天線(xiàn)到接收機(jī)的電纜長(zhǎng)度一般不超過(guò)1m。

如圖是GPS模塊與天線(xiàn)一體化的無(wú)源天線(xiàn)：

（1）銀層：陶瓷天線(xiàn)的表面銀層可以影響天線(xiàn)的共振頻率，理想的頻點(diǎn)是1574.42MHZ，在時(shí)間制作中可以調(diào)整銀面形狀來(lái)調(diào)頻點(diǎn)。

（2）陶瓷片：陶瓷粉末的好壞和燒結(jié)工藝直接影響它的性能，陶瓷片的面積越大，共振的頻率越高。有源天線(xiàn)：一般就是要供電的天線(xiàn)模塊，是由陶瓷天線(xiàn)、LNA（低噪聲信號(hào)模塊）、線(xiàn)纜、接頭組成、外加一個(gè)密封防水圈，也就是所謂的G-mouse。如圖所示，是天工測(cè)控的G-mouse：

二、GPS模塊有源天線(xiàn)和無(wú)源天線(xiàn)的區(qū)別

1、概念區(qū)分 無(wú)源天線(xiàn)：純粹是一個(gè)金屬體，是平常看到很普通的各種天線(xiàn)。 有源天線(xiàn)：是在這普通的天線(xiàn)后加放大器，有放大器配套的電源，放大器用來(lái)提高靈敏度，降低信噪比。

2、形狀區(qū)分 由于有源天線(xiàn)增加了放大器，增益較高，因此多數(shù)有源天線(xiàn)比無(wú)源天線(xiàn)體積、尺寸均大一些。重要的一點(diǎn)：另外外觀上有源的一般表明了電壓（VCC），無(wú)源的就沒(méi)有。

3、圖解分析區(qū)別 外形上沒(méi)有太大的區(qū)別，只是電路上有源的比無(wú)源的加了低噪放大和電源。以下是有源天線(xiàn)的電路標(biāo)示 ：

這是u-blox公司AEK-4H評(píng)估器標(biāo)配的GPS有源天線(xiàn)電路架構(gòu)，可以看到有源天線(xiàn)只通過(guò)一根同軸電纜跟后面的射頻電路連接；這根電纜主要起到兩個(gè)作用：

（1）為有源天線(xiàn)的LNA供直流電；

（2）穿束天線(xiàn)接收并經(jīng)過(guò)方法的GPS射頻信號(hào)。

那么同軸線(xiàn)中的直流電和射頻GPS信號(hào)是怎么隔離的呢？從上圖可以看出：是通過(guò)電感和電容實(shí)現(xiàn)的，而電感是通過(guò)用微帶線(xiàn)的方式實(shí)現(xiàn)的。

電路圖（射頻前端的設(shè)計(jì)） ：

三、GPS天線(xiàn)的性能

影響GPS天線(xiàn)性能的主要是以下幾個(gè)方面：

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25×25mm、18×18mm、15×15mm、12×12mm。

陶瓷片面積越大，介電常數(shù)越大，其共振頻率越高，接受效果越好。陶瓷片大多是正方形設(shè)計(jì)，是為了保證在XY方向上共振基本一致，從而達(dá)到均勻收星的效果。

2、銀層：陶瓷天線(xiàn)表面銀層可以影響天線(xiàn)共振頻率。理想的GPS陶瓷片頻點(diǎn)準(zhǔn)確落在1575.42MHz，但天線(xiàn)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(xiàn)時(shí)一定要配合天線(xiàn)廠家，提供整機(jī)樣品進(jìn)行測(cè)試。

3、饋點(diǎn)：陶瓷天線(xiàn)通過(guò)饋點(diǎn)收集共振信號(hào)并發(fā)送至后端。由于天線(xiàn)阻抗匹配的原因，饋點(diǎn)一般不是在天線(xiàn)的正中央，而是在XY方向上做微小調(diào)整。這樣的阻抗匹配方法簡(jiǎn)單而且沒(méi)有增加成本。

僅在單軸方向上移動(dòng)稱(chēng)為單偏天線(xiàn)，在兩軸均做移動(dòng)稱(chēng)為雙偏。

4、放大電路：承載陶瓷天線(xiàn)的PCB形狀及面積。由于GPS有觸地反彈的特性，當(dāng)背景是7×7cm無(wú)間斷大地時(shí)，patch天線(xiàn)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。放大電路增益的選擇必須配合后端LNA增益。Sirf的GSC3F要求信號(hào)輸入前總增益不得超過(guò)29dB，否則信號(hào)過(guò)飽和會(huì)產(chǎn)生自激。

GPS天線(xiàn)有四個(gè)重要參數(shù)：增益（Gain）、駐波（VSWR）、噪聲系數(shù)（Noise figure）、軸比（Axial ratio）。其中特別強(qiáng)調(diào)軸比，它是衡量整機(jī)對(duì)不同方向的信號(hào)增益差異性的重要指標(biāo)。

由于衛(wèi)星是隨機(jī)分布在半球天空上，所以保證天線(xiàn)在各個(gè)方向均有相近的敏感度是非常重要的。軸比受到天線(xiàn)性能、外觀結(jié)構(gòu)、整機(jī)內(nèi)部電路及EMI等影響。

四、如何選用無(wú)源天線(xiàn)和有源天線(xiàn)？

目前市面上能自行生產(chǎn)GPS陶瓷天線(xiàn)的廠家主要是達(dá)伽馬導(dǎo)航、嘉興佳利電子、佳邦、嘉康電子等廠家。

大部分廠家均從國(guó)內(nèi)外采購(gòu)陶瓷部分，配合設(shè)計(jì)的放大電路。超級(jí)智能終端越來(lái)越成為大勢(shì)所趨，狹小的空間對(duì)配件的大小提出了很高的要求。原來(lái)國(guó)內(nèi)的技術(shù)只在15×15mm以上成熟，10×10mm以上基本成熟。最小可以做到7×7mm左右，良率會(huì)偏低。

1、無(wú)源GPS天線(xiàn)使用無(wú)源GPS天線(xiàn)時(shí)，由于只有一個(gè)陶瓷片接收天空的衛(wèi)星信號(hào)，直接連接到模塊的RF-IN腳，這種聯(lián)接方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且標(biāo)準(zhǔn)的25×25×4mm的陶瓷片成本低廉，技術(shù)成熟，占空體積小，適合于強(qiáng)調(diào)緊湊型空間GPS導(dǎo)航產(chǎn)品、藍(lán)牙GPS、手機(jī)GPS及其他小型GPS消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品。

這種天線(xiàn)的布局是從天線(xiàn)的引腳直達(dá)模塊的RF-IN腳，這根導(dǎo)線(xiàn)需要進(jìn)行50歐阻抗匹配，而且在天線(xiàn)附近不能有電磁干擾，對(duì)PCB的設(shè)計(jì)及整機(jī)的EMI設(shè)計(jì)要求較高，但如果設(shè)計(jì)得優(yōu)良的無(wú)源天線(xiàn)GPS產(chǎn)品同樣有非常好的表現(xiàn)效果，而且耗電方式省。

2、有源GPS天線(xiàn)通常對(duì)于設(shè)備或車(chē)載機(jī)而言，由于設(shè)備與GPS接收模塊之前往往有距離，考慮到安裝的便利性可能會(huì)有超過(guò)1米的距離，在這種情況下我們只能選擇有源GPS天線(xiàn)，由于天線(xiàn)長(zhǎng)度的信號(hào)衰減需要進(jìn)行補(bǔ)償，一般有兩級(jí)低噪聲放大器（LNA）進(jìn)行天線(xiàn)前端信號(hào)放大，放大后的信號(hào)經(jīng)電纜輸出，電纜同步提供LNA所需要的直流電壓。

由于天線(xiàn)收到的信號(hào)在有源天線(xiàn)接受頭內(nèi)完成信號(hào)接受與天線(xiàn)放大，并且遠(yuǎn)離GPS設(shè)備或其他電器設(shè)備，干擾源最小，而且安裝位置由于天線(xiàn)距離延長(zhǎng)安裝位置可以選擇非常理想的環(huán)境，所以實(shí)際使用時(shí)往往感覺(jué)信號(hào)較強(qiáng)。

尤其是在弱信號(hào)啟動(dòng)由于內(nèi)部的二級(jí)放大也會(huì)有一定的增益，往往啟動(dòng)時(shí)間較快，但正由于內(nèi)部有了二級(jí)LNA，也會(huì)耗費(fèi)一定的電能，不同廠商的產(chǎn)品表現(xiàn)也不同，對(duì)于有源天線(xiàn)的性能受影響的主要是陶瓷天線(xiàn)片及LNA，還有天線(xiàn)設(shè)計(jì)、阻抗匹配及屏譜測(cè)試及天線(xiàn)微調(diào)及輸出線(xiàn)材端子等各個(gè)方面。