GNSS天线设计建议

天线作为导航定位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GNSS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。GNSS天线在调试的时候，小尺寸（很小的尺寸）的陶瓷天线上一般只能做到兼容2个频段，体积大一些的可以兼容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。

   GNSS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

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GNSS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GNSS模块上均内置18dBm增益的LNA，可以直接将陶瓷介质的无源天线焊接在模块GNSS_ANT PIN脚处使用。产品布局的时候，GNSS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GNSS_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GNSS_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GNSS天线远离模块GNSS_ANT PIN，那么建议预留pi型匹配电路。模块GNSS_ANT PIN到GNSS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：

    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GNSS天线高的金属器件：如下图：

三、有源天线

    1、有源天线构造与实物，见下图：

红框内GNSS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GNSS有触地反弹的特性，当PCB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。

4、GNSS模块使用外置天线时的供电处理。PCB部分；如下图：

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GNSS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GNSS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GNSS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GNSS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GNSS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45dB/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:

2、实际验证:

    多数天线厂家不具备GNSS天线OTA性能测试环境，多数都是实际实网测试；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

测试方向：南北

测试方向：西东

测试方向：北南

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有江苏、浙江嘉兴，深圳，台湾等地厂家。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。

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