淺談無人機(jī)上GPS模塊的天線

GPS就是通過接受衛(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。GPS衛(wèi)星信號(hào)分為L1和L2，頻率分別為1575.42MHZ和1228MHZ，其中L1為開放的民用信號(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)備專門的天線。目前GPS天線在農(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、勘測與繪圖等領(lǐng)域中發(fā)揮著很重要的作用。

接收天線是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)功率被集中起來朝向地球發(fā)射，這種指向也稱為增益。天線的越大，增益越高。

一、GPS天線的分類

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；Thomas Seiler先生在GPS天線領(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。

GPS接收機(jī)天線有不同構(gòu)造類型，比如，單極，偶極，螺旋，微帶和扼流線圈等。貼片天線屬于微帶天線的一種。

1、從極化方式上GPS模塊天線分為垂直極化和圓形極化。

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

2、從安裝放置方式上GPS模塊天線分為內(nèi)置天線和外置天線。

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

此時(shí)天線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、從供電方式上來看，GPS模塊天線內(nèi)置天線又分有源和無源天線。

無源天線不含低噪聲放大器，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，從無源天線到接收機(jī)的電纜長度一般不超過1m。

如圖是GPS模塊與天線一體化的無源天線：

（1）銀層：陶瓷天線的表面銀層可以影響天線的共振頻率，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：一般就是要供電的天線模塊，是由陶瓷天線、LNA（低噪聲信號(hào)模塊）、線纜、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，是天工測控的G-mouse：

二、GPS模塊有源天線和無源天線的區(qū)別

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

2、形狀區(qū)分 由于有源天線增加了放大器，增益較高，因此多數(shù)有源天線比無源天線體積、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），無源的就沒有。

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

這是u-blox公司AEK-4H評(píng)估器標(biāo)配的GPS有源天線電路架構(gòu)，可以看到有源天線只通過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）為有源天線的LNA供直流電；

（2）穿束天線接收并經(jīng)過方法的GPS射頻信號(hào)。

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

電路圖（射頻前端的設(shè)計(jì)） ：

三、GPS天線的性能

影響GPS天線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。現(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：陶瓷天線表面銀層可以影響天線共振頻率。理想的GPS陶瓷片頻點(diǎn)準(zhǔn)確落在1575.42MHz，但天線頻點(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)，必須通過調(diào)整銀面涂層外形，來調(diào)節(jié)頻點(diǎn)重新保持在1575.42MHz。

因此GPS整機(jī)廠家在采購天線時(shí)一定要配合天線廠家，提供整機(jī)樣品進(jìn)行測試。

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

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

4、放大電路：承載陶瓷天線的PCB形狀及面積。由于GPS有觸地反彈的特性，當(dāng)背景是7×7cm無間斷大地時(shí)，patch天線的效能可以發(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29dB，否則信號(hào)過飽和會(huì)產(chǎn)生自激。

GPS天線有四個(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、如何選用無源天線和有源天線？

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

大部分廠家均從國內(nèi)外采購陶瓷部分，配合設(shè)計(jì)的放大電路。超級(jí)智能終端越來越成為大勢(shì)所趨，狹小的空間對(duì)配件的大小提出了很高的要求。原來國內(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、無源GPS天線使用無源GPS天線時(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)類產(chǎn)品。

這種天線的布局是從天線的引腳直達(dá)模塊的RF-IN腳，這根導(dǎo)線需要進(jìn)行50歐阻抗匹配，而且在天線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)良的無源天線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天線通常對(duì)于設(shè)備或車載機(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1米的距離，在這種情況下我們只能選擇有源GPS天線，由于天線長度的信號(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。

由于天線收到的信號(hào)在有源天線接受頭內(nèi)完成信號(hào)接受與天線放大，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距離延長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)于有源天線的性能受影響的主要是陶瓷天線片及LNA，還有天線設(shè)計(jì)、阻抗匹配及屏譜測試及天線微調(diào)及輸出線材端子等各個(gè)方面。