物联网行业中的GNSS天线设计建议

天线作为导航定位设备中最为关键的接收器件，其发挥的作用犹如人的“耳朵”一般至关重要。它能够将卫星发送下来的电磁波能量巧妙地变换成电子器件能够解析的电流。正因如此，天线的性能优劣将对 GPS 整机的产品性能产生直接且深远的影响。

目前，GNSS 系统中向民用开放的定位系统主要包括美国的 GPS L1 band，其中心频点为 1575.42MHz；俄罗斯的 GLONASS L1 band，中心频点是 1602.5625MHz；中国的北斗 B1 band，中心频点为 1561.098MHz 等等。在对 GNSS 天线进行调试时，尺寸较小（非常小的尺寸）的陶瓷天线上通常情况下只能实现兼容 2 个频段，而体积相对较大一些的则能够兼容 3 个频段。这就迫切需要我们在调试之初便精准地确认好客户的需求。需要明确的是，客户是使用单 GPS 或北斗，还是采用 GPS+北斗、GPS+GLONASS 等两两组合的方式。只有这样，在调试过程中有清晰的侧重点，才能使天线的性能达到最优状态。

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 模块具有独特的设计，其上均内置了 18dBm 增益的 LNA（低噪声放大器）。这意味着您可以直接将陶瓷介质的无源天线焊接在模块的 GNSS_ANTPIN 脚处进行使用，无需额外的复杂操作。

在产品布局方面，需要特别注意的是，GNSS 陶瓷天线应朝上摆放，以确保最佳的信号接收效果。同时，模块可以灵活地放到 PCB 的另一面，这样的布局安排能够最大程度地实现 GNSS_ANT PIN 到天线焊盘走线的尽可能短。通过这种优化设计，可以有效地减少信号传输过程中的损耗，提高整个系统的性能和稳定性。

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。

4、GNSS模块使用外置天线时的供电处理。PCB部分；如下图：

上图中R5和R6就是共PAD兼容的有源天线设计，贴R5是连接无源陶瓷天线焊盘；贴R6连接有源天线的RF Connector，L6和C38是有源天线供电的滤波电路。

四、GPS天线选型建议

1、在终端结构空间容许，能够统一保证GNSS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GNSS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GNSS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。

五、在找天线厂家调试陶瓷PATCH天线时，对天线厂家的要求

1、VSWR：GPS天线电压驻波比一般要求调到1.5左右

2、Efficiency：效率一般要求在40%左右

3、Average Gain：平均增益要求在-0.5dB

4、OTA：一般天线厂大多不具备GNSS天线OTA测试环境，天线调试好后可以以实际测试数据做标准来衡量；一般我们GNSS实测时要求是：可用于定位卫星颗数大于6颗以上，最强的信号在45dB/Hz左右，要有3颗卫星信号大于40 dB/Hz。

六、GPS天线测试报告（参考）

1、Antenna Return loss and Smith chart:

2、实际验证:

多数天线厂家不具备GNSS天线OTA性能测试环境，多数都是实际实网测试；有条件的话可以多进行路测。

测试环境：公司楼顶；天线朝上放置

测试方向：东西

测试方向：南北

测试方向：西东

测试方向：北南

七、GPS天线厂家选择

国内能自行生产GPS陶瓷天线的厂家主要有江苏、浙江嘉兴，深圳，台湾等地厂家。但是多数天线厂都是可以完成GPS天线的调试的，只是生产时会外包给其他具有独立陶瓷粉末配方和烧制工艺的厂家。

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