LUAT模块GPS天线设计建议

2019年04月10日

天线作为GPS设备中最重要的接收器件,它起到的作用就像是人的“耳朵”;是将卫星发送下来的电磁波能量变换成电子器件可解析的电流。因此天线的性能好坏将直接关系到GPS整机的产品性能。

 

目前GPS系统开放民用定位系统主要是美国GPS L1 band,中心频点1575.42MHz;俄罗斯GLONASS L1 band,中心频点1602.5625MHz;中国北斗B1 band,1561.098MHz等等。GPS天线在调试的时候,小尺寸的陶瓷天线上一般只能做到兼容2个频段(一般软件上也是多选2);无法做到同时兼容3个频段。这就需要我们在调试的时候就确认好客户需求;确认是使用单GPS或北斗;还是采用GPS+北斗、GPS+GLONASS等两两组合的方式。这样调试的时候有侧重点,性能才能最优。

 

GPS天线的种类:从安装方式上分为外置天线和内置天线;供电方式上分为有源天线和无源天线;从极化方式上分为垂直极化和圆极化。

 

下面对目前市场上应用最广泛的陶瓷patch天线做些简单的介绍:

 

一、陶瓷PATCH天线结构图


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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2525、1818、1515、1212、9*9。陶瓷片面积越大,介电常数越大,其共振频率越高,接收效果越好;陶瓷片的厚度对天线性能也会有不小的影响,空间容许的情况下建议选择4mm的厚度。

 

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,多数都是单偏或双偏的形式。

 

二、无源天线在我们产品上的使用建议


1、我们的GPS模块上均内置18dBm增益的GPS LNA,可以直接将陶瓷介质的无源天线焊接在模块GPS_ANT PIN脚处使用。产品布局的时候,GPS陶瓷天线朝上摆放;模块可以放到PCB的另一面。这样就可以做到GPS_ANT PIN到天线焊盘走线尽可能短。

 

2、匹配电路;如果天线焊盘离模块的GPS_ANT PIN脚很近,那么可以不预留匹配电路。如果由于结构等其他原因造成GPS天线远离模块GPS_ANT PIN,那么建议预留pi型匹配电路。模块GPS_ANT PIN到GPS天线焊盘之间走线必须做50欧姆特性阻抗控制;如果是多层板,建议阻抗线走L1层,L2层镂空参考L3的地。2层板走线线宽可以参考GSM天线部分走线线宽。

 

3、天线下方不要走线并做漏铜处理做天线的反射面;见下图:

 

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4、天线周边不要有干扰源,特别是DCDC等器件;另外周边也不要有比GPS天线高的金属器件:如下图:

 

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三、有源天线


1、有源天线构造与实物,见下图:

 

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红框内GPS有源天线组成部分为:陶瓷天线、声表滤波器、低噪声放大电路、射频线缆、RF接头。其中低噪声放大电路是将信号进行放大和滤波的部分。

 

2、PCB尺寸对天线性能的影响:

 

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。另外放大电路增益的选择必须配合后端LNA增益;一般不建议有源天线增益超过29dBm,否则信号过饱和可能会导致自激。

 

3、内外置天线兼容和供电处理;

 

参考电路是Air800模块的开发板M4,R5和R6是为了兼容陶瓷PATCH天线和有源天线做的共PAD兼容设计;L6和C38是有源天线供电电源滤波电路。原理图部分;如下图。

 

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4、GPS模块使用外置天线时的供电处理。PCB部分;如下图:

 

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上图中R5和R6就是共PAD兼容的有源天线设计,贴R5是连接无源陶瓷天线焊盘;贴R6连接有源天线的RF Connector,L6和C38是有源天线供电的滤波电路。

 

四、GPS天线选型建议


1、在终端结构空间容许,能够统一保证GPS天线面朝上的安装使用状态;并且周边没有大的金属物件遮挡的情况下,建议使用GPS陶瓷天线,在空间容许的情况下尽量选择大尺寸的陶瓷天线。

 

2、在不能保证终端使用状态,且空间受限:比如手机,带定位功能的胸牌;建议使用FPC天线

 

3、在明确终端安装环境恶劣,并且对GPS性能有较高要求的;建议使用GPS有源天线

 

4、在不能保证产品安装使用状态,但是空间不受限制,也可以选择类似于GSM的外置棒状天线。

 

五、在找天线厂家调试陶瓷PATCH天线时,对天线厂家的要求


1、VSWR:GPS天线电压驻波比一般要求调到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:一般天线厂大多不具备GPS 天线OTA测试环境,天线调试好后可以以实际测试数据做标准来衡量;一般我们GPS实测时要求是:可用于定位卫星颗数大于6颗以上,最强的信号在45 dB/Hz左右,要有3颗卫星信号大于40 dB/Hz。

 

六、GPS天线测试报告(参考)


1、Antenna Return loss and Smith chart:

 

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2、活机验证:

 

多数天线厂家不具备GPS天线OTA性能测试环境,多数都是活机实网测试;有条件的话可以多进行路测。

 

测试环境:公司楼顶; 天线朝上放置

 

测试方向:东西

 

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测试方向:南北

 

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测试方向:西东

 

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测试方向:北南

 

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七、GPS天线厂家选择


国内能自行生产GPS陶瓷天线的厂家主要是艾福电子通讯有限公司、嘉兴佳利电子、佳邦电子、嘉康电子等厂家。但是多数天线厂都是可以完成GPS天线的调试的,只是生产时会外包给其他具有独立陶瓷粉末配方和烧制工艺的厂家。

来源:深圳市首质诚科技有限公司

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