GPS 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3535, 2525、1818、1515、12*12、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 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,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 GPS 模块上均内置 18dBm 增益的 GPS LNA,可以直接将陶瓷介质的无源天线焊接在模块 GPS_ANT PIN 脚处使用。产品布局的时候,GPS 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 GPS_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 GPS_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 GPS 天线远离模块 GPS_ANT PIN,那么建议预留 pi 型匹配电路。模块 GPS_ANT PIN 到 GPS 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 GPS 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 GPS 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 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。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。
四、GPS 天线选型建议
1、在终端结构空间容许,能够统一保证 GPS 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 GPS 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 GPS 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。