GPS天線的簡(jiǎn)介解析

1、GPS天線的簡(jiǎn)介    GPS天線就是指通過(guò)接受衛(wèi)星信號(hào),從而進(jìn)行定位或者導(dǎo)航所用到的天線.    GPS衛(wèi)星信號(hào)為L(zhǎng)1和L2,頻率分別為1575.42MHz和1228MHz,當(dāng)中的L1為開(kāi)放的民用信號(hào),信號(hào)為圓形極化.信號(hào)一般在166-DBM左右,屬于弱信號(hào).GPS天線的分類    從極化方式上GPS天線分為垂直極化和圓形極化.    以現(xiàn)在的技術(shù),垂直極化的效果比不上圓形極化.因此除了特殊情況,GPS天線都會(huì)采用圓形極化.    從

2、放置方式上GPS天線分為內(nèi)置天線和外置天線.    天線的裝配位置也是十分重要.早期GPS手持機(jī)多采用外翻式天線,此時(shí)天線與整機(jī)內(nèi)部基本隔離,EMI幾乎不對(duì)其造成影響,收星效果很好.現(xiàn)在隨著小型化潮流,GPS天線多采用內(nèi)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.    車(chē)載GPS的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越普遍.而汽車(chē)的外殼,特別是汽車(chē)防爆膜會(huì)GPS信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的阻礙.一個(gè)帶磁鐵(能吸附到車(chē)頂)的外接天線對(duì)于車(chē)載GPS來(lái)說(shuō)是非常有必要的.GPS天線的構(gòu)造 

3、   目前絕大部分GPS天線為右旋極化陶瓷介質(zhì),其組成部分為:陶瓷天線、低噪音信號(hào)模塊、線纜、接頭.    其中陶瓷天線也叫無(wú)源天線、介質(zhì)天線、PATCH,它是GPS天線的核心技術(shù)所在.一個(gè)GPS天線的信號(hào)接受能力,大部分取決與其陶瓷部分的成分配料如何.    低噪聲信號(hào)模塊也稱為L(zhǎng)NA,是將信號(hào)進(jìn)行放大和濾波的部分.其元器件選擇也很重要,否則會(huì)加大GPS信號(hào)的反射損耗,以及造成噪音過(guò)大.    線纜的選擇也要以降低反射為標(biāo)準(zhǔn),保證阻抗的匹配.影響GPS天線的主要因素 

4、60;  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25×25、18×18、15×15、12×12.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)

5、,必須通過(guò)調(diào)整銀面涂層外形,來(lái)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(gòu)天線時(shí)一定要配合天線廠家,提供整機(jī)樣品進(jìn)行測(cè)試.    3、饋點(diǎn):陶瓷天線通過(guò)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(jiǎn)單而且沒(méi)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7cm×7cm無(wú)間斷大地時(shí),PATCH天線的效能可以發(fā)揮到極致

6、.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(guò)29dB,否則信號(hào)過(guò)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.兩種內(nèi)置GPS天線的簡(jiǎn)介 

7、   平板式天線(PATCH Antenna)    平板式天線由于其耐用性和相對(duì)地容易制作,所以成了應(yīng)用最為普遍的一類天線.其形狀可以是圓的也可以方的或長(zhǎng)方的,如同一塊敷銅的印刷電路板.它由一個(gè)或多個(gè)金屬片構(gòu)成,所以GPS天線最常用的形狀是塊狀結(jié),像個(gè)燒餅.由于天線可以做得很小,因此適合于航空應(yīng)用和個(gè)人手持應(yīng)用.    天線的另一個(gè)主要特性,是其的增益圖形,即方向性.利用天線的方向性可以提高其抗干擾和抗多徑效應(yīng)能力.在精確定位中,天線的相位中心的穩(wěn)定性是個(gè)很重要的指標(biāo).但是,普通的導(dǎo)航應(yīng)用中,人們希望用

8、全向天線,至少能接收天線地平以上五度視野內(nèi)所有天空中的可見(jiàn)衛(wèi)星信號(hào),但是平板式天線在衛(wèi)星于天線正上方時(shí),訊號(hào)增益才是最大.平板的接收范圍在平板上方,平板要面向天空,這對(duì)于手持以及車(chē)載都會(huì)帶來(lái)麻煩,我們可以看到可調(diào)角度的CF接收器越來(lái)越多(可折疊的SDGPS 麗臺(tái)9551),就是因?yàn)槠桨迨教炀€這種特性使得廠家為了接收器有更好的收訊效果才想出來(lái)的招.    四臂螺旋式天線(Quadrifilar Helix Antenna )    四臂螺旋式天線由四條特定彎曲的金屬線條所組成.不需要任何接地.它具備有Zapper天線的特性,也具備有垂直

9、天線的特性.此種巧妙的結(jié)構(gòu),使天線任何方向都有3dB的增益,增加了衛(wèi)星訊號(hào)接收的時(shí)間.四臂螺旋式天線擁有全面向360度的接收能力,因此在與pda結(jié)合時(shí),無(wú)論P(yáng)DA的擺放位置如何,四臂螺旋式天線皆能接收,有別于使用平板GPS天線需要平放才能較好的接收的限制.使用此種天線,當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)于地平面上10度時(shí),即可收到衛(wèi)星所傳送的訊號(hào).    但是如果地面接收站附近干擾源較多,則不適用四臂螺旋式天線,因?yàn)樗谋勐菪教炀€具備有水平方向的增益,會(huì)將噪聲一起放大,反而干擾了衛(wèi)星訊號(hào)的接收.但是科技在進(jìn)步,現(xiàn)在所生產(chǎn)的四臂螺旋式天線能突破多項(xiàng)傳統(tǒng)天線的限制.天線是以陶瓷制成,

10、0;   Near-Field極小,約僅有35mm,而有些傳統(tǒng)天線的Near-Field甚至高達(dá)1m.Near-Field愈小,則使用者手持GPS裝置時(shí),人體愈不會(huì)造成干擾.現(xiàn)在的四臂螺旋式天線的特點(diǎn)還包括完整的巴倫電路(Balun)設(shè)計(jì),此設(shè)計(jì)能隔離天線周邊的噪聲,因此能容許各種功能的天線并存于極小的空間中而不會(huì)互相干擾.對(duì)于整合功能日趨多元,且強(qiáng)調(diào)輕薄短小的手持式電子產(chǎn)品而言,此特性的重要性不可言喻.手機(jī)設(shè)計(jì)GPS天線需要注意事項(xiàng)    在設(shè)計(jì)GPS天線的時(shí)候,以下幾個(gè)地方是需要注意的    1 供應(yīng)商應(yīng)該做的

11、流程    客戶立項(xiàng)-機(jī)構(gòu)評(píng)估(根據(jù)案子的機(jī)構(gòu)圖,進(jìn)行評(píng)估機(jī)構(gòu)是否為GPS天線的合格工作環(huán)境)-調(diào)試(根據(jù)案子的機(jī)器,確認(rèn)定位時(shí)間與CN值)-提供樣品(根據(jù)調(diào)試結(jié)果,提供樣品)-送承認(rèn)書(shū)-量產(chǎn)    2 設(shè)計(jì)人員需要考慮的事項(xiàng)    1)2D圖檔    包括整個(gè)PCB外觀尺寸,屏蔽蓋的范圍及厚度,有無(wú)cONnector,出線位置與方向,PATCH位置與大小,PCB板厚    2)有源天線的單/雙極LNA(一般情況都是單極)  

12、  3)要不要加filter,filter在前面,中間,還是在后面(根據(jù)我們經(jīng)驗(yàn),一般情況會(huì)加一個(gè)SAW FILTER)    4)cable的線長(zhǎng),線徑及使用什么接頭    5)switch是電子式還是機(jī)構(gòu)式    6)電型規(guī)格    工作電壓(3-5V),工作電流(6-12mA),增益(17db,一般模塊要求范圍在13-25db,一般會(huì)有2-3個(gè)db的偏差),駐波比(我們一般做到最大2,不知道市場(chǎng)上是什么樣),匹配電阻(50歐姆,定值),噪聲指數(shù)(2.0,實(shí)際上

13、可以做到更小),頻率(1575.42MHZ,GPS的標(biāo)準(zhǔn)頻率,定值),頻寬(10mhz)GPS天線模塊的性能考量和選擇    GPS作為一種新興產(chǎn)業(yè),已經(jīng)漸漸從一種集成產(chǎn)品發(fā)展成為綜合系統(tǒng)解決方案的一部分.現(xiàn)有的原始設(shè)備制造商(OEM)可以選擇單一的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成,可以選擇GPS芯片組、GPS模塊或者智能天線模塊.每種發(fā)難都自己的利弊,在OEM選擇之前需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行做一個(gè)整體的評(píng)估工作.以下提供了智能天線方案的選擇思路,并且討論了片狀天線和螺旋天線的性能對(duì)比以及影響智能天線模塊在終端產(chǎn)品中的嵌入應(yīng)用的因素.    近

14、年來(lái),GPS已從一種集成產(chǎn)品發(fā)展成綜合系統(tǒng)解決方案的一部分.這種轉(zhuǎn)變的動(dòng)因是GPS的小型化進(jìn)程和對(duì)降低成本的追求.高度集成的信號(hào)混合芯片完成RF前端功能,整個(gè)系統(tǒng)由包括GPS硬件、強(qiáng)大的處理內(nèi)核、嵌入式存儲(chǔ)器的芯片以及小型電子元件構(gòu)成,這些使得GPS小型化成為可能.OEM可以選擇用GPS芯片組、GPS模塊或智能天線模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成.每種方案都有各自的利弊:基于芯片組的設(shè)計(jì)能提供高度的靈活性,但同時(shí)設(shè)計(jì)需要投入大量精力,并要求設(shè)計(jì)工程師掌握豐富的RF知識(shí);而智能天線模塊是快速系統(tǒng)集成的正確選擇,在快速系統(tǒng)集成應(yīng)用中,基于這種充分設(shè)計(jì)的GPS子系統(tǒng),集成只需要最短的開(kāi)發(fā)時(shí)間、最低的開(kāi)發(fā)成本以及最

15、小的開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn).在開(kāi)始批量生產(chǎn)的時(shí)候,采用智能天線模塊會(huì)顯著簡(jiǎn)化物料采購(gòu)儲(chǔ)備工作和產(chǎn)品的測(cè)試流程.    圖1:GPS系統(tǒng)需求分析.    目前,市場(chǎng)上價(jià)格適中的GPS接收機(jī)種類豐富,可滿足OEM的不同需求.GPS生產(chǎn)商提供不同性能和不同系統(tǒng)集成等級(jí)的產(chǎn)品.即使現(xiàn)在的GPS接收機(jī)看起來(lái)可以用于簡(jiǎn)單直接的系統(tǒng)集成,然而由于市場(chǎng)上存在大量可供選擇的產(chǎn)品,使得OEM廠商仍然很難做出最恰當(dāng)?shù)倪x擇.因此,建議OEM廠商在做出選擇之前先確定GPS接收機(jī)需要滿足的要求,包括技術(shù)和非技術(shù)因素,如圖1中所示.    系統(tǒng)的技

16、術(shù)或非技術(shù)性要求    技術(shù)性要求包括特性(如節(jié)能模式和支持SBAS)、易用性(特別是易配置性)和既要定性也要定量的性能標(biāo)準(zhǔn).定量指標(biāo)指可測(cè)參數(shù),如準(zhǔn)確度、啟動(dòng)性能、跟蹤靈敏度和功耗,定性指標(biāo)包括由外場(chǎng)測(cè)試獲得的可預(yù)期定位結(jié)果.有些GPS接收機(jī)在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)得的技術(shù)指標(biāo)可能很好,但很可能外場(chǎng)測(cè)試就不行.外場(chǎng)測(cè)試暴露出技術(shù)特性上的弱點(diǎn)或缺陷.不管GPS接收機(jī)技術(shù)怎樣發(fā)展,都仍會(huì)存在由于某種權(quán)衡造成的性能上的折衷.對(duì)智能天線模塊來(lái)說(shuō),片狀天線(PATCH antenna)及其地面層的小型化是以犧牲靈敏度為代價(jià)的.對(duì)低功耗的追求帶來(lái)了另一種性能折衷:功耗的降低可

17、以通過(guò)縮減硬件架構(gòu)得以實(shí)現(xiàn),例如減少通道數(shù)和時(shí)/頻搜索窗口,但同時(shí)啟動(dòng)性能便會(huì)打折扣.    工程師往往側(cè)重于關(guān)心技術(shù)性要求而忽視非技術(shù)性要求的重要性.有限的項(xiàng)目周期、預(yù)算和可利用的內(nèi)部研發(fā)資源都會(huì)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響.工程師需要謹(jǐn)慎地決定系統(tǒng)集成等級(jí),這一等級(jí)最好被視為衡量自己研發(fā)工作技術(shù)深度的標(biāo)尺.所選的系統(tǒng)集成等級(jí)會(huì)影響項(xiàng)目復(fù)雜度、進(jìn)度、成本、產(chǎn)品和物料采備.在評(píng)估GPS接收機(jī)時(shí),成本因素扮演了重要角色.對(duì)產(chǎn)品批量小的項(xiàng)目來(lái)說(shuō),最初的開(kāi)發(fā)成本在整個(gè)產(chǎn)品成本中占據(jù)了最大的一部分,必須著重考慮.對(duì)產(chǎn)品批量大的項(xiàng)目來(lái)說(shuō),開(kāi)發(fā)成本對(duì)項(xiàng)目本身的影響可以忽略,為了優(yōu)化產(chǎn)品

18、成本,需要在研發(fā)過(guò)程中投入充足的時(shí)間和資源.    GPS廠商間的激烈競(jìng)爭(zhēng)造成GPS產(chǎn)品的低價(jià),工程師和采購(gòu)經(jīng)理很容易被價(jià)格因素吸引而選擇最便宜的那種.請(qǐng)注意,單純地只關(guān)心產(chǎn)品成本而忽視其它要求很可能會(huì)導(dǎo)致令人失望的結(jié)果,例如項(xiàng)目延期和出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷.性能差、質(zhì)量達(dá)不到預(yù)期要求以及讓用戶不滿意,都是GPS嵌入式產(chǎn)品最不希望見(jiàn)到的.    在項(xiàng)目進(jìn)行的初期階段就必須確定系統(tǒng)集成等級(jí),它會(huì)影響對(duì)OEM GPS接收機(jī)的選擇.選定的系統(tǒng)集成等級(jí)類似于在設(shè)計(jì)復(fù)雜度和有限的周期、技巧和可用資源之間進(jìn)行的一種權(quán)衡.  

19、0; 基于GPS芯片組設(shè)計(jì)可以提供最大的靈活性和產(chǎn)品優(yōu)化.基于芯片組的設(shè)計(jì)需要開(kāi)發(fā)工程師具備RF設(shè)計(jì)方面的豐富技巧和經(jīng)驗(yàn),以完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)并提供全面徹底的配套產(chǎn)品測(cè)試系統(tǒng).基于芯片組的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期通常超過(guò)一年,成本較高,同時(shí)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)不容忽視.一般會(huì)進(jìn)行三次或以上的產(chǎn)品原型測(cè)試,產(chǎn)品方可定型,在開(kāi)發(fā)過(guò)程中強(qiáng)烈建議與GPS廠商緊密合作.總之,高昂的設(shè)計(jì)費(fèi)用、較大風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜的物料來(lái)源(20-40個(gè)來(lái)自不同半導(dǎo)體公司的元件),使得這種方式僅適用于有大規(guī)模應(yīng)用潛力的產(chǎn)品.    GPS模塊可以作為芯片組的替代選擇.模塊包含完整的GPS功能,允許開(kāi)發(fā)工程師進(jìn)行快速系統(tǒng)集成,

20、而無(wú)需面對(duì)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中RF和GPS設(shè)計(jì)缺陷的麻煩.開(kāi)發(fā)工程師只需要具備基本的RF知識(shí),指定天線類型并將天線設(shè)計(jì)到模塊的鏈路上.模塊采用表面貼裝焊盤(pán),可適用于自動(dòng)貼裝和焊接流水線,因而對(duì)于中等和大批量生產(chǎn)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)是一種很有吸引力的選擇.從備料角度來(lái)看,使用模塊比采購(gòu)數(shù)量眾多的元件更為容易,同時(shí),由于供應(yīng)商已經(jīng)對(duì)GPS模塊做過(guò)全面測(cè)試,因此只需要進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品測(cè)試.    圖2:系統(tǒng)集成等級(jí).    GPS接收板本身帶專用RF和I/O接頭,體積雖然大于GPS模塊,但卻進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)集成工作.使用過(guò)程中除了選擇一款帶合適連接電纜和接頭

21、的有源GPS天線外,不需要做其它與RF相關(guān)的設(shè)計(jì)工作.當(dāng)易用性和劃算的產(chǎn)品可靠性是重點(diǎn)考慮的因素時(shí),插入式接收板是最佳的選擇方案.    當(dāng)能否迅速完成產(chǎn)品定型或迅速將產(chǎn)品投放市場(chǎng)成為產(chǎn)品成功與否的決定因素時(shí),GPS智能天線模塊是最佳的選擇.智能天線模塊包含完整的GPS接收機(jī),帶內(nèi)置天線.智能天線模塊有兩種應(yīng)用形式:一種是OEM智能天線模塊,用于終端集成,另一種是將智能天線封裝到某個(gè)組件中.    設(shè)計(jì)中選擇使用智能天線模塊    由于具有系統(tǒng)集成快速和風(fēng)險(xiǎn)低的特點(diǎn),在要求實(shí)現(xiàn)迅速產(chǎn)品定型、小批量生產(chǎn)和對(duì)

22、進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合,GPS智能天線模塊是最適當(dāng)?shù)倪x擇.即使智能天線模塊包含了完全獨(dú)立的GPS功能,在使用過(guò)程中仍有一些設(shè)計(jì)工作有待進(jìn)行,包括天線類型(片狀天線或螺旋天線)的選擇和將智能天線模塊嵌入到終端產(chǎn)品中去.    大多數(shù)智能天線模塊不是采用陶瓷片狀天線就是螺旋天線.片狀天線具有方向性,在輻射元的正交面上有最大增益.換句話說(shuō),水平面上的輻射元對(duì)從天穹頂點(diǎn)發(fā)來(lái)的信號(hào)具有最大增益.當(dāng)水平面上接收仰角范圍很窄的時(shí)候,對(duì)這種高度中心式的靈敏性會(huì)造成較大影響.片狀天線適合用于主要朝向上方的終端產(chǎn)品中,例如用在車(chē)載導(dǎo)航中,靠著擋風(fēng)玻璃安裝在排氣罩上.另外,由輻

23、射元尺寸和它下方輻射經(jīng)過(guò)的接地面尺寸共同決定的天線孔徑(antenna aperture)大小,也會(huì)影響信號(hào)接收靈敏性.    螺旋天線有相對(duì)較寬的方向特性:具有更寬的接收仰角,但峰值增益也相對(duì)較低.螺旋天線適合用于各個(gè)方向都要求能自由使用的終端產(chǎn)品中,如移動(dòng)手持設(shè)備.由于靠近人體時(shí)會(huì)干擾信號(hào)接收,在這種情況下使用螺旋天線造成的影響也相對(duì)較小,因而在距離人體組織或遠(yuǎn)或近的位置、在各個(gè)方向手持終端產(chǎn)品時(shí)都能實(shí)現(xiàn)GPS接收.不過(guò)螺旋天線也存在一個(gè)缺點(diǎn):天線孔徑小,限制了整體的接收靈敏度.    下面列出的幾點(diǎn)影響智能天線模塊在終端產(chǎn)品中嵌

24、入應(yīng)用的因素:    1.在選擇智能天線模塊前應(yīng)了解終端產(chǎn)品的主要定位方向和使用方式:例如,電子設(shè)備是被放置在平面上工作還是被拿在手里、與水平面呈一定傾角貼近人體頭部使用.    2.天線集成的位置不能靠近噪聲源,如內(nèi)部處理器和發(fā)光LCD顯示屏.    3.終端產(chǎn)品的外殼材料對(duì)天線性能有影響.外殼或屏蔽層材料的介電常數(shù)、厚度以及到天線表面的間距都會(huì)影響片狀天線的諧振頻率.因此,良好設(shè)計(jì)的OEM智能天線模塊都按照廠商規(guī)范使用封裝外殼,已經(jīng)對(duì)偏移諧振頻率進(jìn)行了歸零校準(zhǔn).    封

25、裝式智能天線    封裝式智能天線是OEM智能天線模塊的一種替代選擇.在要求嵌入GPS的產(chǎn)品不做硬件改動(dòng)的情況下,選擇封裝式智能天線有一定優(yōu)勢(shì).封裝式智能天線有兩種:分立式智能天線和密耦合智能天線.分立式智能天線可以放在有較好天空視野的位置上,例如GPS鼠(GPS mice).它們之間通過(guò)RS-232、USB或藍(lán)牙進(jìn)行通信,由主機(jī)(例如通過(guò)USB電源線)或充電電池供電.密耦合智能天線可直接插入終端產(chǎn)品中去,例如通過(guò)CF插槽(Compact FLASH slot).    封裝式智能天線是在像便攜PC和PDA這樣的標(biāo)

26、準(zhǔn)便攜硬件平臺(tái)上運(yùn)行的系統(tǒng)解決方案的理想選擇.    本文結(jié)論    在集成設(shè)計(jì)工作中使用經(jīng)過(guò)良好設(shè)計(jì)的智能天線,可以提供與使用GPS模塊和芯片組同樣高的性能等級(jí).在日本,新宿是路測(cè)環(huán)境最苛刻的城市之一.市內(nèi)道路兩側(cè)高樓林立,天空視野有限,對(duì)接收機(jī)的多徑抑制能力提出了嚴(yán)格考驗(yàn).智能天線模塊內(nèi)含16通道ANTARIS定位技術(shù),在如此惡劣的定位環(huán)境下仍能提供出色性能.    當(dāng)要求快速實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì),要求降低開(kāi)發(fā)成本或者內(nèi)部研發(fā)資源有限的時(shí)候,智能天線模塊是切實(shí)可行的選擇方案.經(jīng)過(guò)仔細(xì)挑選的智能天線模塊可

27、以提供與傳統(tǒng)GPS芯片組和模塊集成相比擬的性能.測(cè)試有源GPS天線的方法    GPS伴隨著全球定位系統(tǒng)的發(fā)展,漸漸被全球消費(fèi)市場(chǎng)所采用,不僅僅在專業(yè)或商業(yè)領(lǐng)域,如運(yùn)輸車(chē)隊(duì)、科技探索、軍事跟蹤,而且還有許多消費(fèi)類產(chǎn)品被普及到,比如手機(jī)和個(gè)人數(shù)據(jù)助理(PDA)設(shè)備上.實(shí)際上,車(chē)載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)近幾年已經(jīng)成為美國(guó)、日本和歐洲市場(chǎng)上中高端汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配備.隨著全球經(jīng)濟(jì)的帶動(dòng),中國(guó)國(guó)產(chǎn)的GPS相關(guān)產(chǎn)品也越來(lái)越多,GOS產(chǎn)品的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)也越來(lái)越普遍,相應(yīng)人們?cè)谑褂肎PS時(shí)候產(chǎn)生的問(wèn)題也與日俱增.根據(jù)MORLAB對(duì)GPS產(chǎn)品的檢查測(cè)試實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),一部分GPS接收機(jī)的性能

28、很不穩(wěn)定的原因是由GPS接收天線產(chǎn)生的.所以對(duì)GPS天線性能測(cè)試是必須而迫切的.    GPS接收天線的作用是將衛(wèi)星傳來(lái)的無(wú)線電信號(hào)的電磁波能量變換成接收機(jī)電子器件可攝取應(yīng)用的電流.通常對(duì)于專用設(shè)備或車(chē)載設(shè)備而言,由于設(shè)備與GPS接收模塊之前往往有一定距離, 考慮到安裝的便利性則可能在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中會(huì)使用超過(guò)1米的潰線, 但由于饋線對(duì)信號(hào)有不少的損耗,在這種情況下我們只能選擇有源GPS天線.所謂有源天線,是指天線中裝有RF前置放大器或低噪聲放大器的GPS天線.    本文所述的有源GPS天線測(cè)試可在MORLAB的OTA天線測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行

29、.總體測(cè)試架構(gòu)類似于普通無(wú)源天線的測(cè)試環(huán)境,主要變化是需要增加一個(gè)Antenna splitter,把DC直流信號(hào)隔離,使其不能輸入到測(cè)試系統(tǒng),但同時(shí)又能給GPS天線供電.由于有源GPS天線內(nèi)含單向放大器,GPS的工作形式又為純接收機(jī)方式.因此,在測(cè)試時(shí)需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)特殊設(shè)置,使測(cè)試天線探頭從原來(lái)的接收狀態(tài)改為發(fā)射狀態(tài),GPS天線接收信號(hào)后,經(jīng)射頻線再傳給VNA作數(shù)據(jù)分析.    GPS天線作為GPS設(shè)備中最重要的接收部件, 它起到的作用就像是人的"耳朵".因此GPS天線的性能好壞將直接關(guān)系到GPS整機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量.經(jīng)過(guò)對(duì)有源GPS天線的

30、測(cè)試,可以幫助廠家確認(rèn)GPS天線其的中心頻率是否正確,驗(yàn)正增益和方向性等性能指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求.通過(guò)GPS的OTA測(cè)試,將幫助GPS天線廠家及整機(jī)生產(chǎn)廠家改進(jìn)GPS產(chǎn)品的接受性能,同時(shí)也給GPS產(chǎn)品經(jīng)銷(xiāo)商提供了一種檢驗(yàn)GPS產(chǎn)品質(zhì)量的新途徑和新方法.    GPS天線測(cè)試系統(tǒng)總體框圖    GPS天線測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)    某GPS天線樣品1575.42MHz GPS中心頻率增益下陷    GPS天線3D方向圖基于GPS機(jī)的多天線分析設(shè)計(jì)    0 引

31、言    全球定位系統(tǒng)(GLOBAL positioning system , 縮寫(xiě)為 GPS)是美國(guó)國(guó)防部于 1973 年 11 月授權(quán)開(kāi)始研制的海陸空三軍共用的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).    GPS 由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī) 3 部分組成.經(jīng)過(guò) 20 多年的研究和試驗(yàn), 整個(gè)系統(tǒng)于1994 年完全投入使用.在地球上任何位置、任何時(shí)刻, GPS 可為各類用戶連續(xù)地提供動(dòng)態(tài)的三維位置、三維速度和時(shí)間信息, 實(shí)現(xiàn)全球、全天候的連續(xù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航、定位和授時(shí).目前, GPS 已在大地測(cè)量、精密工程測(cè)量、地殼

32、形變監(jiān)測(cè)、石油勘探等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.    利用 GPS 定位技術(shù)進(jìn)行精密工程測(cè)量和大地測(cè)量, 平差后控制點(diǎn)的平面位置精度為 1 mm2 mm ,高程精度為2 mm 3 mm .利用GPS 定位技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè), 是一種先進(jìn)的高科技監(jiān)測(cè)手段.用GPS 監(jiān)測(cè)滑坡是GPS 技術(shù)變形監(jiān)測(cè)的一種典型應(yīng)用, 通常有兩種方案: 用幾臺(tái)GPS 接收機(jī), 由人工定期到監(jiān)測(cè)點(diǎn)上觀測(cè), 對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施處理后進(jìn)行變形分析與預(yù)報(bào); 在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上建立無(wú)人值守的GPS 觀測(cè)系統(tǒng), 通過(guò)軟件控制, 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和變形分析、預(yù)報(bào).但由于每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上都需要安裝GPS 接收機(jī), 僅三峽庫(kù)區(qū)的支、干流上需

33、要監(jiān)測(cè)的滑坡就有七八百個(gè), 一個(gè)滑坡少則幾個(gè)點(diǎn), 多則幾十個(gè)點(diǎn), 有的甚至多達(dá)100 多點(diǎn).如此大范圍監(jiān)測(cè), 僅購(gòu)買(mǎi)接收機(jī)就需幾百萬(wàn)元, 致使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的費(fèi)用非常昂貴.    基于上述問(wèn)題, 我們開(kāi)發(fā)了GPS 一機(jī)多天線控制器, 使一臺(tái)GPS 接收機(jī)能連接多個(gè)天線.這樣, 每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上只安裝天線, 不安裝接收機(jī).10 個(gè)乃至20 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)共用 1 臺(tái)接收機(jī), 可使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本大幅度下降.該系統(tǒng)樣機(jī)已在香港的山體滑坡監(jiān)測(cè)中進(jìn)行了測(cè)試, 定位精度為毫米級(jí).該研究成果還可應(yīng)用到巖土工程監(jiān)測(cè)、建筑物變形監(jiān)測(cè)、大壩變形監(jiān)測(cè)、大橋變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域.  

34、60; 1 系統(tǒng)組成    GPS 一機(jī)多天線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理如圖1 所示.該系統(tǒng)包括控制中心、數(shù)據(jù)通信、 GPS 多天線控制器和野外供電系統(tǒng)等 4 部分.    1.1 控制中心    控制中心可以對(duì) GPS 多天線控制器微波開(kāi)關(guān)各信號(hào)通道進(jìn)行參數(shù)設(shè)定, 包括各通道的開(kāi)/關(guān)選擇、各通道的時(shí)間參數(shù)設(shè)定等.還可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式, 例如對(duì)采集數(shù)據(jù)的傳送方式(實(shí)時(shí)/事后)進(jìn)行控制, 并將由現(xiàn)場(chǎng)傳來(lái)的 GPS 原始數(shù)據(jù), 通過(guò)處理, 實(shí)現(xiàn)精確定位.整個(gè)控制軟件由MicrosoftVisual C+ 語(yǔ)言編程, 具

35、有良好的人機(jī)界面.    1.2 數(shù)據(jù)通信    根據(jù)實(shí)際使用情況的不同, 可以有以下幾種數(shù)據(jù)傳送方式:    a. 利用電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.由于有現(xiàn)成的電話線, 只需購(gòu)置相關(guān)的調(diào)制解調(diào)器即可, 成本較低,傳輸距離不受限制, 實(shí)時(shí)性可以保證.工作時(shí), 由于占用電話網(wǎng), 費(fèi)用較高.有些場(chǎng)合可以考慮使用內(nèi)部小總機(jī)分機(jī)方式進(jìn)行通信.    b . 利用無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信, 如利用現(xiàn)有的GSM 信道.    c . 組網(wǎng)方式.構(gòu)成局域網(wǎng), 從

36、而可以利用網(wǎng)上的相關(guān)資源進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí), 方便、可靠、通用性強(qiáng), 不需購(gòu)置專用設(shè)備.但組網(wǎng)成本較高, 如果不是具備現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)條件, 不太適宜采用.數(shù)據(jù)傳送時(shí), 實(shí)時(shí)性可能難以保證.    1.3 GPS多天線控制器    多天線控制器由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、天線開(kāi)關(guān)陣列和控制電路組成, 如圖2 所示.    GPS 多天線控制器由硬件和軟件兩部分組成.它是無(wú)線電通信中的微波開(kāi)關(guān)技術(shù)、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)和大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理理論及算法的有機(jī)結(jié)合, 僅用1 臺(tái)GPS 接收機(jī)互不干擾地接收多個(gè)GPS天線

37、傳輸來(lái)的信號(hào).通過(guò)軟件處理實(shí)現(xiàn)精確定位.    系統(tǒng)硬件部分由若干 GPS 天線和具有若干通道的微波開(kāi)關(guān)、相應(yīng)的微波開(kāi)關(guān)控制電路及 1 臺(tái)GPS 接收機(jī)組成.微波開(kāi)關(guān)中若干信號(hào)通道的斷通狀態(tài)受開(kāi)關(guān)控制電路實(shí)時(shí)控制.硬件部分要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是微波開(kāi)關(guān)中各通道 GPS 信號(hào)的高隔離度問(wèn)題.    系統(tǒng)軟件分為兩部分: 實(shí)時(shí)控制微波開(kāi)關(guān)中各通道的斷通軟件; GPS 實(shí)時(shí)精確定位和變形分析與預(yù)報(bào)軟件.軟件部分要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是: 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確定位, 使定位精度達(dá)到毫米級(jí).    最新開(kāi)發(fā)的GPS 多天線控制器中, 現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)采用嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 并將控制電路板、 GPS接收機(jī)(OEM )板集成在一起, 配有LCD 液晶顯示器(L ).其功能如下:    a. 可以對(duì) GPS 的OEM 板數(shù)據(jù)輸出速率從4.8 kbit/s, 9.6 kbit/s,19.2 kbit/s,38.4 kbit/s,115.2 kbit/s 中選用;    b . 可以將現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)