GPS天线 接收机, 技术

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GPS天线主要有微带贴片天线和四臂旋天线两种，为满足当前各种便携式、多功能接收机的需求，人们对GPS天线的小型化、多频段、抗干扰、圆极化等技术进行了不断的研究。

目录

• GPS天线规格书
• 两种内置GPS天线的简介
• GPS天线特性
• GPS天线相位中心变化的改正方法
• 测试有源GPS天线的方法
• 手机设计GPS天线需要注意事项

• GPS天线规格书
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• 两种内置GPS天线的简介
  • 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.
    天线的另一个主要特性,是其的增益图形,即方向性.利用天线的方向性可以提高其抗干扰和抗多径效应能力.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.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.
    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装置时,人体愈不会造成干扰.现在的四臂螺旋式天线的特点还包括完整的巴伦电路(Balun)设计,此设计能隔离天线周边的噪声,因此能容许各种功能的天线并存于极小的空间中而不会互相干扰.对于整合功能日趋多元,且强调轻薄短小的手持式电子产品而言,此特性的重要性不可言喻.
    
  
  
• GPS天线特性
  • 天线是GPS 用户设备的重要组成部分，GPS 接收机 通过天线获取卫星信号及相关数据信息，GPS 用于大地测量 所获取的基线及三维坐标矢量是通过基线两端GPS 天线中 心之间的坐标矢量加上相应的天线高改正获得的。由于GPS 天线本身的特性，其几何中心与其电学相位中心不一致，两 者不仅在东、北、高程三个方向存在一个固定的偏差，而且 随着接收到的GPS 卫星的高度和方位的变化而变化。这种变 化有时在高程方向上会带来十几厘米的误差，若不考虑加以 修正，必将对测量结果带来影响，尤其是在高精度的GPS 测 量中。
    利用GPS 进行静态测量时，对于用同一种类型的天线进 行短基线或超短基线静态测量，由于基线两端GPS 天线接收 到的卫星数目和信号强度基本一致（假设没有测站环境干 扰），基线两端GPS 天线的电学相位中心随接收到GPS 卫星 的变化基本相同，这种情况可以认为是由于天线相位中心的 变化致使基线有一个小的平移量，但基线长度及相应的三维 坐标分量基本不受影响，因此在解算基线时可以不考虑对天 线相位中心的变化进行改正。
    但用同一种类型的天线进行长距离、高精度测量时，由于基线两端GPS 天线接收到的卫星不一致，不仅接收到卫星 的高度角、方位角可能不同，而且接收到卫星的数目也可能 不同，在这种情况下，解算基线时必须考虑对天线相位中心 的变化进行改正。 不同类型的天线混合使用进行时高精度测量时，必须考 虑对天线相位中心的变化进行改正。
    
  
  
• GPS天线相位中心变化的改正方法
  • 在硬件方面，生产商已经研制出了多个馈源GPS 天 线，通过在一个安装多个信号馈源，使GPS 天线随着卫星信 号变化的减小，从而达到减小天线相位中心变化误差的目的。
    在软件方面，通过大量的实际观测测定出GPS 天线电学 相位中心与其几何中心的固定偏差及不同高度角和方位角的 卫星信号所引起的天线相位中心的变化参数，并把这些参数 加入到软件中，在进行基线解算时利用这些参数对天线相位中心变化进行改正。
    不同频率的信号对GPS 天线相位中心变化的影响不同。
    同一厂家的同类GPS 天线特性基本一致。
    多路径效应对天线相位中心变化带来一定的影响
    不同材料的天线罩对天线相位中心变化影响较大
    
  
  
• 测试有源GPS天线的方法
  • GPS伴随着全球定位系统的发展,渐渐被全球消费市场所采用,不仅仅在专业或商业领域,如运输车队、科技探索、军事跟踪,而且还有许多消费类产品被普及到,比如手机和个人数据助理(PDA)设备上.实际上,车载GPS导航系统近几年已经成为美国、日本和欧洲市场上中高端汽车的标准配备.随着全球经济的带动,中国国产的GPS相关产品也越来越多,GOS产品的应用在国内也越来越普遍,相应人们在使用GPS时候产生的问题也与日俱增.根据MORLAB对GPS产品的检查测试实验经验,一部分GPS接收机的性能很不稳定的原因是由GPS接收天线产生的.所以对GPS天线性能测试是必须而迫切的。
    GPS接收天线的作用是将卫星传来的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用的电流.通常对于专用设备或车载设备而言,由于设备与GPS接收模块之前往往有一定距离, 考虑到安装的便利性则可能在现实环境中会使用超过1米的溃线, 但由于馈线对信号有不少的损耗,在这种情况下我们只能选择有源GPS天线.所谓有源天线,是指天线中装有RF前置放大器或低噪声放大器的GPS天线。
    本文所述的有源GPS天线测试可在MORLAB的OTA天线测试实验室中进行.总体测试架构类似于普通无源天线的测试环境,主要变化是需要增加一个Antenna splitter,把DC直流信号隔离,使其不能输入到测试系统,但同时又能给GPS天线供电.由于有源GPS天线内含单向放大器,GPS的工作形式又为纯接收机方式.因此,在测试时需要对测试系统进行相关特殊设置,使测试天线探头从原来的接收状态改为发射状态,GPS天线接收信号后,经射频线再传给VNA作数据分析。
    GPS天线作为GPS设备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天线的性能好坏将直接关系到GPS整机的产品质量.经过对有源GPS天线的测试,可以帮助厂家确认GPS天线其的中心频率是否正确,验正增益和方向性等性能指标是否达到设计要求.通过GPS的OTA测试,将帮助GPS天线厂家及整机生产厂家改进GPS产品的接受性能,同时也给GPS产品经销商提供了一种检验GPS产品质量的新途径和新方法。
    
    
    GPS天线测试系统总体框图
    
    
    GPS天线测试现场
    
    
    某GPS天线样品1575.42MHz GPS中心频率增益下陷
    
    
    GPS天线3D方向图
    
  
  
• 手机设计GPS天线需要注意事项
  • 在设计GPS天线的时候,以下几个地方是需要注意的
    1 供应商应该做的流程
    客户立项----机构评估(根据案子的机构图,进行评估机构是否为GPS天线的合格工作环境)----调试(根据案子的机器,确认定位时间与CN值)----提供样品(根据调试结果,提供样品)----送承认书----量产
    2 设计人员需要考虑的事项
    1)2D图档
    包括整个PCB外观尺寸,屏蔽盖的范围及厚度,有无cONnector,出线位置与方向,PATCH位置与大小,PCB板厚
    2)有源天线的单/双极LNA(一般情况都是单极)
    3)要不要加fir,filter在前面,中间,还是在后面(根据我们经验,一般情况会加一个SAW FILTER)
    4)cable的线长,线径及使用什么接头
    5)switch是电子式还是机构式
    6)电型规格
    工作电压(3-5V),工作电流(6-12mA),增益(17db,一般模块要求范围在13-25db,一般会有2-3个db的偏差),驻波比(我们一般做到最大2,不知道市场上是什么样),匹配(50欧姆,定值),噪声指数(2.0,实际上可以做到更小),频率(1575.42MHZ,GPS的标准频率,定值),频宽(10mhz)