GPS设计之天线知识

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GPS设计之天线篇

由于直接面向工程应用，本文不做原理上的讨论。现在使用的GPS天线主要是两种：patch天线和chip天线。由于GPS信号采用右旋圆极化方式发射，所以采用线性极化的chip天线，性能暂时无法与圆形极化的patch天线相比。影响patch天线性能主要有几个因素：
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。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、银面，patch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。
3、馈点，patch天线通过馈点收集共振信号并发送至后端，同样由于频点漂移的问题，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，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。
       因为GPS信号非常微弱，仅为-160dBm（GSM信号强度为-97dBm ～ -102dBm）。所以LNA部分就近直接做在天线承载板背面，需要外部提供电源工作，这是最普遍使用的有源天线。影响有源天线的主要因素：
1、承载patch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。
2、LNA的增益选择。有源天线LNA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。
       有源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）。其中个人特别强调轴比，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。
       天线的装配位置也是十分重要。早期PND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。

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