GNSS天线设计-EDA365

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天线作为导航定位设备中最重要的接收器件,它起到的作用就像是人的“耳朵”；是将卫星发送下来的电磁波能量变换成电子器件可解析的电流。因此天线的性能好坏将直接关系到 GPS 整机的产品性能。

目前 GNSS 系统开放民用定位系统主要是美国 GPS L1 band，中心频点 1575.42MHz；俄罗斯 GLONASS L1 band，中心频点 1602.5625MHz；中国北斗 B1 band，1561.098MHz 等等。GNSS 天线在调试的时候，小尺寸（很小的尺寸）的陶瓷天线上一般只能做到兼容 2 个频段，体积大一些的可以兼容 3 个频段。这就需要我们在调试的时候就确认好客户需求；确认是使用单 GPS 或北斗；还是采用 GPS+北斗、GPS+GLONASS 等两两组合的方式。这样调试的时候有侧重点，性能才能最优。

GNSS 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 2525、1818、1515、1212、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 GNSS 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 GNSS 模块上均内置 18dBm 增益的 LNA，可以直接将陶瓷介质的无源天线焊接在模块 GNSS_ANT PIN 脚处使用。产品布局的时候，GNSS 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 GNSS_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 GNSS_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 GNSS 天线远离模块 GNSS_ANT PIN，那么建议预留 pi 型匹配电路。模块 GNSS_ANT PIN 到 GNSS 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 GNSS 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 GNSS 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 GNSS 有触地反弹的特性，当 PCB 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。原理图部分；如下图。