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    射頻天線設計建議及GPS天線廠家推薦

    佳晨科技 人氣:280 發表時間:2020-07-25
    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?,F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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