浅谈无人机上GPS模块的天线
2020-08-17
这些特点决定了要为GPS信号的接收准备专门的天线。目前GPS天线在农业、航空、环境、海运、公共安全和灾难救援、铁路、空间、勘测与绘图等领域中发挥着很重要的作用。
接收天线是GPS接收机处理卫星信号的首个器件，将接收到的GPS卫星发射的电磁波信号转变成电压或电流信号，以使接收机的射频前端进行处理。
卫星的天线具有一定的指向功能，也即原本散发到各个方向上的信号功率被集中起来朝向地球发射，这种指向也称为增益。天线的越大，增益越高。
一、GPS天线的分类
根据瑞士u-blox公司的CEO Thomas Seiler研究，在全球总共有20多种GPS天线；Thomas Seiler先生在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。
GPS接收机天线有不同构造类型，比如，单极，偶极，螺旋，微带和扼流线圈等。贴片天线属于微带天线的一种。
1、从极化方式上GPS模块天线分为垂直极化和圆形极化。
以现有的技术来看，在性能上，圆形极化的效果更好。因此除了特殊情况，GPS模块天线都会采用圆形极化！
2、从安装放置方式上GPS模块天线分为内置天线和外置天线。
目前的GPS模块逐渐小型化，集成化，所以GPS模块天线多采用内置安装和放置 。
无源天线不含低噪声放大器，也不需要电源，但是由于未经放大的GPS信号强度较弱，从无源天线到接收机的电缆长度一般不超过1m。
如图是GPS模块与天线一体化的无源天线：
（1）银层：陶瓷天线的表面银层可以影响天线的共振频率，理想的频点是1574.42MHZ，在时间制作中可以调整银面形状来调频点。
（2）陶瓷片：陶瓷粉末的好坏和烧结工艺直接影响它的性能，陶瓷片的面积越大，共振的频率越高。有源天线：一般就是要供电的天线模块，是由陶瓷天线、LNA（低噪声信号模块）、线缆、接头组成、外加一个密封防水圈，也就是所谓的G-mouse。如图所示，是天工测控的G-mouse：
二、GPS模块有源天线和无源天线的区别
1、概念区分 无源天线：纯粹是一个金属体，是平常看到很普通的各种天线。 有源天线：是在这普通的天线后加放大器，有放大器配套的电源，放大器用来提高灵敏度，降低信噪比。
2、形状区分 由于有源天线增加了放大器，增益较高，因此多数有源天线比无源天线体积、尺寸均大一些。重要的一点：另外外观上有源的一般表明了电压（VCC），无源的就没有。
3、图解分析区别 外形上没有太大的区别，只是电路上有源的比无源的加了低噪放大和电源。以下是有源天线的电路标示 ：
这是u-blox公司AEK-4H评估器标配的GPS有源天线电路架构，可以看到有源天线只通过一根同轴电缆跟后面的射频电路连接；这根电缆主要起到两个作用：
（1）为有源天线的LNA供直流电；
（2）穿束天线接收并经过方法的GPS射频信号。
那么同轴线中的直流电和射频GPS信号是怎么隔离的呢？从上图可以看出：是通过电感和电容实现的，而电感是通过用微带线的方式实现的。
电路图（射频前端的设计） ：
三、GPS天线的性能
影响GPS天线性能的主要是以下几个方面：
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25×25mm、18×18mm、15×15mm、12×12mm。
陶瓷片面积越大，介电常数越大，其共振频率越高，接受效果越好。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、银层：陶瓷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。
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，而是在XY方向上做微小调整。这样的阻抗匹配方法简单而且没有增加成本。
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。
4、放大电路：承载陶瓷天线的PCB形状及面积。由于GPS有触地反弹的特性，当背景是7×7cm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。放大电路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。
GPS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。
四、如何选用无源天线和有源天线？
目前市面上能自行生产GPS陶瓷天线的厂家主要是达伽马导航、嘉兴佳利电子、佳邦、嘉康电子等厂家。
大部分厂家均从国内外采购陶瓷部分，配合设计的放大电路。超级智能终端越来越成为大势所趋，狭小的空间对配件的大小提出了很高的要求。原来国内的技术只在15×15mm以上成熟，10×10mm以上基本成熟。最小可以做到7×7mm左右，良率会偏低。
1、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25×25×4mm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。
2、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，由于天线长度的信号衰减需要进行补偿，一般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。
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。
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