绪论gps天线部分

第 1 页 第一章 绪 论 1 1 gps 天线简介 GPS 天线就是指通过接受卫星信号 从而进行定位或者导航所用到的天线 GPS 卫星信号为 L1 和 L2 频率分别为 1575 42MHz 和 1228MHz 当中的 L1 为 开放的民用信号 信号为圆形极化 信号一般在 166 DBM 左右 属于弱信号 1 2 GPS 天线的分类 从极化方式上 GPS 天线分为垂直极化和圆形极化 以现在的技术 垂直极化的效果比不上圆形极化 因此除了特殊情况 GPS 天 线都会采用圆形极化 从放置方式上 GPS 天线分为内置天线和外置天线 天线的装配位置也是十分重要 早期 GPS 手持机多采用外翻式天线 此时天 线与整机内部基本隔离 EMI 几乎不对其造成影响 收星效果很好 现在随着小型化 潮流 GPS 天线多采用内置 此时天线必须在所有金属器件上方 壳内须电镀并良好 接地 远离 EMI 干扰源 比如 CPU SDRAM SD 卡 晶振 DC DC 车载 GPS 的应用会越来越普遍 而汽车的外壳 特别是汽车防爆膜会 GPS 信 号产生严重的阻碍 一个带磁铁 能吸附到车顶 的外接天线对于车载 GPS 来说是非 常有必要的 1 3 GPS 天线的构造 目前绝大部分 GPS 天线为右旋极化陶瓷介质 其组成部分为 陶瓷天线 低 噪音信号模块 线缆 接头 其中陶瓷天线也叫无源天线 介质天线 PATCH 它是 GPS 天线的核心技 术所在 一个 GPS 天线的信号接受能力 大部分取决与其陶瓷部分的成分配料如何 国防科学技术大学本科毕业论文 第 2 页 低噪声信号模块也称为 LNA 是将信号进行放大和滤波的部分 其元器件选 择也很重要 否则会加大 GPS 信号的反射损耗 以及造成噪音过大 线缆的选择也要以降低反射为标准 保证阻抗的匹配 1 4 影响 GPS 天线的主要因素 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 25 18 18 15 15 12 12 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 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 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 1 5 国防科学技术大学本科毕业论文 第 3 页 1 6 GPS 天线性能要求天线性能要求 一 电气特性 a 频率范围 1575 42 5MHz 1 57G b 天线增益 38 2dBi c 低噪声放大器 LNA 噪声系数 2 5dB d 输入驻波比 VSWR 2 0 1 e 输出驻波比 VSWR 2 5 1 f 极化方式 右旋圆极化 g 前后比 大于 10 h 防雷击浪涌特性 二 机械特性 a 温度范围 工作温度 40 70 储存温度 55 85 b 工作湿度 95 c 抗风能力 45m s 能工作 60m s 不破坏 d 天线体积 110 113 mm 3 e 天线重量 2Kg 含安装管和夹具 f 天线安装管 28 300 1 7 GPS 常见天线常见天线 一 平板式天线 Patch Antenna 平板式天线由于其耐用性和相对地容易制作 所以成了应用最为普遍的一类天线 其形状可以是圆的也可以方的或长方的 如同一块敷铜的印刷电路板 它由一个 国防科学技术大学本科毕业论文 第 4 页 或多个金属片构成 所以 GPS 天线最常用的形状是块状结 像个烧饼 由于天线 可以做得很小 因此适合于航空应用和个人手持应用 在精确定位中 天线的相位中心的稳定性是个很重要的指标 但是 普通的导航 应用中 人们希望用全向天线 至少能接收天线地平以上五度视野内所有天空中 的可见卫星信号 但是平板式天线在卫星于天线正上方时 讯号增益才是最大 这就有两个问题 1 平板的接收范围在平板上方 平板要面向天空 这对于手持以及车载都会带 来麻烦 我们可以看到可调角度的 CF 接收器越来越多 可折叠的 SDGPS 丽台 9551 就是因为平板式天线这种特性使得厂家为了接收器有更好的收讯效果才 想出来的招 2 我们知道 虽然我们正头顶上的卫星信号比较好 比较容易锁定 但其实正 头顶上的卫星是最没用的 如果没有低角度的卫星 误差会相对较高 精度将会 很差 所以基于这些缺点 GPS 接收器上也开始使用四臂螺旋式天线 二 四臂螺旋式天线 Quadrifilar Helix Antenna 四臂螺旋式天线由四条特定弯曲的金属线条所组成 不需要任何接地 它具备有 Zapper 天线的特性 也具备有垂直天线的特性 此种巧妙的结构 使天线任何方 向都有 3dB 的增益 增加了卫星讯号接收的时间 四臂螺旋式天线拥有全面向 360 度的接收能力 因此在与 PDA 结合时 无论 PDA 的摆放位置如何 四臂螺 旋式天线皆能接收 有别于使用平板 GPS 天线需要平放才能较好的接收的限制 使用此种天线 当卫星出现于地平面上 10 度时 即可收到卫星所传送的讯号 但是如果地面接收站附近干扰源较多 则不适用四臂螺旋式天线 因为四臂 螺旋式天线具备有水平方向的增益 会将噪声一起放大 反而干扰了卫星讯号的 接收 但是科技在进步 现在所生产的四臂螺旋式天线能突破多项传统天线的限 制 天线是以陶瓷制成 Near Field 极小 约仅有 3 5mm 而有些传统天线的 Near Field 甚至高达 1m Near Field 愈小 则使用者手持 GPS 装置