作为GPS最重要的接收部件,相当于人的耳朵及眼睛,是GPS的对外的主要窗户,GPS天线的好坏关系到整机的产品性能,是尤为关键,我们先来了解与GPS有关的天线的大概种类,根据LOCUSY研究,在全球总共有20多种GPS天线,LOCUSY在GPS天线领域已经进行了20多年的研究,但是目前按体积与灵敏度及价格等综合性能考虑还是推荐使用广泛的标准型陶瓷天线.

LOCUSY实验室经过全国50家客户的测试及试用,最终发现这个观点在目前的5年内是不会改变,所以基于此,我们在进行客户的GPS产品配置中,反复强调客户选用陶瓷平板天线的重要性,目前已经形成产业标准的陶瓷片的尺寸是:25*25*4mm

GPS天线有无源陶瓷天线,有源陶瓷天线,螺旋天线,PF天线,贴片天线,PCB天线,薄膜印刷PCCB天线

这里主要介绍国内用于GPS产业的无源陶瓷天线,有源陶瓷天线,螺旋天线

无源GPS天线

有源GPS天线

螺旋GPS全向天线

无源GPS天线

使用无源GPS天线时,由于只有一个陶瓷片接收天空的卫星信号,直接连接到模块的RF-IN脚,这种联接方式结构简单,而且标准的25*25*4的陶瓷片成本低廉,技术成熟,占空体积小,适合于强调紧凑型空间GPS导航产品,蓝牙GPS,手机GPS及其他小型GPS消费类产品.

这种天线的布局是从天线的引脚直达模块的RF-IN脚,这根导线需要进行50欧阻抗匹配,而且在天线附近不能有电磁干扰,对PCB的设计及整机的EMI设计要求较高,但如果设计得优良的无源天线GPS产品同样有非常好的表现效果,而且耗电方式省.

有源GPS天线

通常对于设备或车载机而言,由于设备与GPS接收模块之前往往有距离,考虑到安装的便利性可能会有超过1米的距离,在这种情况下我们只能选择有源GPS天线,有源天线由于天线长度的信号衰减需要进行补偿,一般而言有两级低噪声放大器(LNA)进行天线前端信号放大,放大后的信号经电缆输出,电缆同步提供LNA所需要的直流电压,而且由于天线收到的信号在有源天线接受头内完成信号接受与天线放大,并且远离GPS设备或其他电器设备,干扰源最小,而且安装位置由于天线距离延长安装位置可以选择非常理想的环境,所以实际使用时往往感觉信号较强,尤其是在弱信号启动由于内部的二级放大也会有一定的增益,往往启动时间较快,但正由于内部有了二级LNA,也会耗费一定的电能,不同厂商的产品表现也不同,对于有源天线的性能受影响的主要是陶瓷天线片及LNA,还有天线设计,阻抗匹配及屏谱测试及天线微调及输出线材端子等各个方面.

GAMIN 航海GPS天线

而有源天线的另一个特殊品种航海天线则除了对普通天线的性能要求外,还需要具备抗酸碱及盐雾,良好的密封性能抗风抗浪冲击能力,由于航海的GPS本身信号极好,对灵敏度要求并不高,高可靠性才是王道,目前船用的高档天线主要是有GARMIN及YAMAHA,由于航海天线体积大,PCB反射面积大,所以整体增益高,稳定性好. 

某公司的有源天线内部解剖

为了让大家更好的了解名牌有源天线的内部架构,我们解剖了一根某著名公司的原装标配天线:

从架构中可以看到,天线内部采用二级有源放大器架构,AM5002是M/A-COM公司的低噪声运放,工作频率1.575GHz,27dbm增益,3-5V电压自适应,3V直流电压随电缆进入并通过蛇形走线提供给两级LNA放大,最后将放大后的GPS信号通过电缆联接到GPS模块.

台湾产GPS有源天线内部解析 

这是台湾某品牌厂商的GPS有源天线,也是国内比较常见的GPS天线内部架构,使用的是常规的LNA及介质滤波器,通常使用介质滤波器比走蛇形微波线的LC方式要简单,蛇形微波线有极高的技术含量,需要进行相当多的计算及具备一定的工程经验,决定价格主要差距的是在LNA及设计选材等技术含量.

螺旋GPS全向天线

螺旋天线是一种新型的全向天线,尤其是在GPS的使用环境不固定时尤为表现突出,例如朝下或侧面,影响较小,但是由于陶瓷基片及铜片面积小,接受的天线信号并不强,比正常的25*25*4的GPS平板天线平均要少3dbm,而且由于订货价格贵,天线交货期厂,已经逐步被平板天线所替换.

贴片天线

贴片天线有点类似1812的大贴片电容,有各种规格,主要生产均为国外厂商，有日本京瓷,村田,三菱,美国Johanson及台湾的一些厂商，这种天线的优势是尺寸小,可以适合于超小型机安装,但缺陷是天线增益低,灵敏度差,对GPS冷启动构成一定的挑战,我们认为除非是受体积所限,不到万不得已忆一般情况下不予以推荐.

PF天线

手机行业受PF内置天线的影响,往往喜欢考虑低成本的PF天线,但经过实测证明灵敏度极低,信号不稳定,就连NOKIA公司的PF天线GPS产品也不尽如意,我们希望客户不要选用此种天线做为手持机或手机的导航GPS天线.

GPS天线的接口

GPS有源天线的主要接口有SMA,MCX及BNC接口.

但从性能的角度出发,推荐使用SMA接口,而且SMA的接口产品价格便宜,可靠性高,LOCUSY主要的有源天线产品一般情况下选用SMA接口.

MCX及MMCX接口主要是用在手持机,接口插座较贵,可靠性不如SMA.

BNC主要是航海GPS所有,针对于长距离的大口径电缆,一般情况下对民用GPS产品不太具备实用性.

GPS无源天线的设计

将下来我们将详细讨论如何用便宜的GPS无源天线来构筑一流GPS产品

无源天线的设计: 接地反射面积越大,信号越强,同时需要对整机的天线进行频率调整匹配

无源天线的频率匹配工作由天线的生产工厂完成,客户只需要提供完整可以工作的机器则可以交给工厂进行相应的频率匹配,工厂将会有相应的整机调试记录并以后均按此频率批量供货,注意整机的尺寸及材料,油漆变化必须要再重新匹配.

无源天线板的PCB设计要注意阻抗匹配及抗干扰设计