GNSS antenna

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出差碰到一些产品定位功能不准确的问题，因此挑出来总结一下简单介绍一下GNSS天线相关的设计因素和一些简单的实例介绍。

全球卫星导航系统 (Global navigation satellite system，GNSS) 是一个一般术语，用于描述使用卫星信号来确定用户接收机位置的系统。目前的全球卫星导航系统中，中国的北斗，美国的 GPS 系统和俄罗斯的 GLONASS 系统，欧盟的伽利略系统处于完全运行状态，可以提供全球定位服务。

GNSS 系统及频率分布

一、设计因素

对于能够可靠且一致的报告目标的精准位置的跟踪设备来说，天线的性能是最为需要关注的，即使天线出现微小的功能故障，也会导致设备无法正常工作。目前可用于GNSS的天线形式多样，且有不同的材质和尺寸，根据应用设备的环境，不同种类的天线有相应的优势。以下几方面可作为GNSS天线选型的参考依据。

1. 工作频率

不同的国家使用的卫星系统频率不一样，美国的GPS，中国的北斗（BDS）和欧盟的伽利略。每个卫星系统在不同的频率和不同的频段上运行。因此在天线设计时，首先需要确认应用系统的工作频率。

2.天线尺寸

天线尺寸主要占据PCB的区域，在布局前期要对性能进行权衡设计，主要关注几个天线的参数如辐射效率，电压驻波比，轴比以及增益。

3. 材料和天线形式

用于GNSS的材料很多，陶瓷、柔性和各种复合材料都能用于天线的设计，不同的材料会影响天线的辐射效率。如穿戴式设备上的定位天线，柔性的材料会是最佳的选择，在设计之初就应评估好形变对天线性能的影响程度。

4. 天线接地和净空区域

从 GNSS卫星发射的射频波容易受到多径干扰，这种干扰发生在信号在到达 GNSS天线之前从建筑物和地形等固体物体反射时发生。这会导致卫星信号在到达 GNSS天线之前经过多条路径，并可能导致导航解决方案出现错误。为了防止来自天线下方的多径干扰，接地平面通常安装在 GNSS 天线下方。接地层可以是任何薄金属片，包括箔片，它可以阻止任何多径干扰反射到天线底部。天线地是所有天线中的重要组成部分，良好的接地能保证信号的完整性。受电路布局空间和设备结构的限制，天线地的尺寸及净空区域需要配合天线的辐射区域进行仿真设计。

5.Cable

由于 GNSS 信号接收中使用的高频，因此可使用同轴电缆。同轴电缆由被电介质包围的中心导体、外导体和外绝缘体组成。保持电缆较短可减少 GNSS 信号强度损失。

6.射频连接器

GNSS 信号出现在底噪之下，需要特殊的处理算法来恢复信号。因此，减少任何潜在的额外损失非常重要。天线特性、电缆损耗和连接器损耗都会影响信号的接收效果。电缆、连接器和可选的分路器的选择将对 GNSS 信号强度产生影响。不同种类的连接器应用在不同的调试和设计阶段，需要关注连接器类型和插拔次数。

不同类型的连接器

7.射频功率分配

RF分配器允许多个设备接收相同的 GNSS信号。射频分路器将一个信号分成2个或更多输出，每个输出都具有原始强度的一小部分。1对2分配器的每个输出将降低 3 dB（50%功率）。较大的分路器通常由1对2分路器组合而成，因此每增加一个分路器，强度就会降低3dB。重要的是不要将信号拆分太多次，否则如果不添加另一个放大器（这会增加噪声），GNSS接收器可能很难恢复。此外，分离器通常在除一根天线之外的所有天线上都包含DC块，以防止多个供电天线源并联并相互损坏。有源天线上的低噪声放大器只需要一个电源。

8.其他因素

除此之外，天线安装位置，天线高度和系统之间的阻抗匹配，天线暴露的环境，功率损耗和信噪比也将对GNSS系统性能产生影响，应合理的评估。

二、主要参数

天线参数较多，但GNSS天线的主要关注的参数有辐射效率、增益、带宽、阻抗和极化等。

1.辐射效率：定义为天线辐射出去的能量和输入能量的比值。常规的能量损耗包括欧姆损耗、介质损耗和热损耗。

2.增益：天线中，“增益”指天线最强辐射方向的天线辐射方向图强度与参考天线的强度之比取对数。如果参考天线是全向天线，增益的单位为dBi。比如，偶极子天线的增益为2.14dBi。天线增益是无源现象，天线并不增加功率，而是仅仅重新分配而使在某方向上比全向天线辐射更多的能量。如果天线在一些方向上增益为正，由于天线的能量守恒，它在其他方向上的增益则为负。因此，天线所能达到的增益要在天线的覆盖范围和它的增益之间达到平衡;

3.带宽：天线的带宽是指它有效工作的频率范围，通常以其谐振频率为中心。天线带宽可以通过以下多种技术增大，如使用较粗的金属线，使用金属“网笼”来近似更粗的金属线，尖端变细的天线元件（如馈电喇叭中），以及多天线集成的单一部件，使用特性阻抗来选择正确的天线。小型天线通常使用方便，但在带宽、尺寸和效率上有着不可避免的限制。

4.阻抗：“阻抗”类似于光学中的折射率。电波穿行于天线系统不同部分（电台、馈线、天线、自由空间）时会遇到阻抗差异。在每个接口处，取决于阻抗匹配，电波的部分能量会反射回源，在馈线上形成一定的驻波。此时电波最大能量与最小能量比值可以测出，称之为驻波比（SWR）。驻波比为1:1是理想情况。1.5:1的驻波比在能耗较为关键的低能应用上被视为临界值。而高达6:1的驻波比也可出现在相应的设备中。极小化各处接口的阻抗差（阻抗匹配）将减小驻波比并极大化天线系统各部分之间的能量传输。

天线的复阻抗涉及该天线工作时的电长度。通过调节馈线的阻抗，即将馈线当作阻抗变换器，天线的阻抗可以和馈线和电台相匹配。更为常见的是使用天线调谐器、巴倫器、阻抗变换器、包含电容和电感的匹配网络，或者如伽马匹配的匹配段。

5.方向图：辐射方向图是天线发射或接受相对场强度的图形描述。由于天线向三维空间辐射，需要数个图形来描述。如果天线辐射相对某轴对称（如双极子天线、螺旋天线和某些抛物面天线），则只需一张方向图；

6.极化：天线的极化是指天线辐射时形成的电场强度的方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化；

线极化

圆极化

椭圆极化

三、天线种类

1.线天线（Wire antenna）

常规的偶极子天线产生线极化，根据频率要求设计对应的振臂长度和宽度。交叉偶极子由两个相互垂直的偶极子天线构成，两个偶极子天线存在90度的相位差，能得到圆极化辐射波。

Dipole and Cross Dipole

2.环天线（loop antenna）

寄生环天线

双矩形环天线

3.螺旋天线（Helix antenna）

参见文章Helix array

螺旋形或螺旋形天线由一根或多根线绕成螺旋形，呈圆柱形或平面形。虽然最常安装在接地平面上，但可以通过省略接地平面来实现全向设计。螺旋天线是通用的，因为它们可以在正常模式或轴向模式下工作，具体取决于相对于预期波长的螺旋周长。正常模式用于发射或接收垂直于螺旋轴的波，而轴向模式用于发射或接收螺旋轴方向的波。这些天线可以做得足够小以适应移动应用，也可以做得更大。由于其设计因导致螺旋天线更容易受到多径的影响。

螺旋天线及外壳

4.贴片天线（Microstrip patch antenna）

微带贴片天线是一种较为常见的GNSS天线，剖面小，易加工，能通过设计改变天线的极化方式，因此应用也较为广泛。

不同的贴片形状

不同的馈电形式

1.Edge feed；2：Inset feed；3：Probe feed；4. Slot Feed

实现圆极化的不同方式

1.单馈激发不同模式（不同角度馈点和切角）2.开槽微扰；3：多馈；4：设计馈电网络

5.陶瓷天线Ceramic Antenna

陶瓷天线是以陶瓷材料作为天线的核心材料。使用陶瓷天线主要是由于设备的空间限制。陶瓷与常用的FR4PCB板材相比具有较高的相对介电常数，因此陶瓷天线能做到小尺寸，但是较小的天线尺寸导致增益、带宽和方向性下降，虽然如此，但和同尺寸的FR4基材的天线相比，陶瓷天线能提供更好的增益和方向性。陶瓷天线主要分为三种类型，一种是陶瓷谐振器或者介质谐振器天线，它通常是用于辐射能量的陶瓷长方体或者圆柱体。第二类是陶瓷贴片天线，目前GNSS应用较多，第三种是陶瓷芯片天线（Ceramic chip antenna），以小尺寸和高性能著称，价格更高。

5.1.陶瓷芯片天线（Ceramic chip antenna）：

陶瓷芯片天线具有小尺寸、高增益易于实现等优点，因此是GNSS天线方案的良好选择之一。这种天线主要用于相对较小的移动应用设备。与其他类型的天线相比，陶瓷芯片天线提供相对较高的增益，但较难实现圆极化，天线性能主要取决于地板尺寸。常用单极子天线形式设计，匹配带来的损耗和有限尺寸的天线极大的限制了陶瓷芯片天线的应用场景。

Ceramic chip antenna

芯片天线具有尺寸优势，外形尺寸从3.0 x 1.6 x 0.55 毫米不等。这些天线非常适合紧凑型应用，例如可穿戴和健身追踪器、GPS/GLONASS/北斗模块、无人机、AR/VR 应用。

在射频设计中，一切都是有代价的，芯片天线也不例外。通常，较小的天线提供较低的增益。第二个缺点是线性极化。片状天线的典型线极化信号对方向更敏感。

以下为某厂的天线设计实例及性能指标，尽管存在线性极化的限制，但支持 4dBi 或更高增益的芯片天线代表了灵敏度和尺寸之间的极好折衷；

特性及应用场景

天线参数

芯片视图

天线布局及参数

天线匹配

史密斯原图及S11

radiation patternCeramic chip antenna characteristics

5.2.Ceramic Patch Antenna

陶瓷贴片天线是一种设计在陶瓷基板上的贴片天线，而不是普通的PCB。上面所提及的微带贴片形式均可以用于陶瓷贴片天线的设计。典型GNSS应用的微带贴片尺寸为60mm*40mm，而陶瓷贴片天线尺寸为10mm*10mm，实际上由于高介电常数，对减小天线尺寸有一定的帮助。不像陶瓷芯片天线，陶瓷贴片天线经过合理的设计贴片和馈电形式，是可以实现圆极化工作的，并且具有半球辐射的方向图（因此方向性几乎是全向天线的两倍）。