GPS天线解决方案.doc

零件採購－GPS天線解決方案
（羅清岳／DigiT）
2006/04/10

根據ABI及IEK報告指出，GPS車用導航系統已被汽車廠列為未來擬訂導入的標準配備、美國E911法規要求行動電話，及其它手持式消費產品必須配備GPS導航功能，加上內建GPS功能各系統終端產品價格下滑等市場助力，促使GPS等相關產品的市佔率快速提升。

　另外，全球產業對於電子產品要求輕、薄、短、小等特性之下，加上高度整合的訊號混合晶片作為RF前端功能，整個GPS系統包括了GPS、處理核心、嵌入式記憶體晶片，及小型電子元件構成，這些使得GPS小型化形成了一股趨勢，也因這股發展趨勢，關係著未來GPS市場即將深入個人使用的範圍，有朝一日GPS將成為人們的日用必需品。

■GPS天線設計不如想像中簡單

　GPS整套系統已經從單一整合式產品逐漸發展成系統整合解決方案；從產品設計端來看，GPS導航設備廠商可以自行選擇GPS模組、晶片（智慧天線模組）藉以實現系統整合的目標。

　嚴格看來，目前市場上GPS導航解決方式都有其優劣；因此，在選擇之前，廠商必須再根據整個系統環境條件做出設計評估，而這其中又以GPS天線及接收器模組被視為導航系統中的重要零組件，GPS天線設計與接收器兩者又必須在相互搭配的情況下，才得以設計出一個GPS導航技術。

　從GPS天線技術設計的角度來評估，其天線嚴格要求適用特性、易用性及定量性能標準、準確度、啟動性能、定位追蹤靈敏度及產品低功耗等。因此，這對GPS天線模組設計而言，造成不小的衝擊。

　例如：天線設計小型化有可能會導致靈敏度降低；減少電源功耗雖然可透過縮小硬體架構得以實現，但對低功耗的追求卻又導致另一項性能的折衷，例如：減少通道數及搜尋頻道，在啟動性能方面也會因此受到影響。

　從過去螺旋式Helix的技術到現今Patch薄皮式技術，可以看出未來的GPS天線設計還存在著許多尚待解決的問題及研發空間。

■設計中選擇使用智慧天線模組

　由於具有系統整合快速和風險低的特點，在要求實現迅速產品定型、小量產和對進入市場時間要求嚴格的應用場合，GPS智慧天線模組是最適當的選擇。即使智慧天線模組包含了完全獨立的GPS功能，在使用過程中仍有一些設計工作有待進行，包括天線類型（片狀天線或螺旋天線）的選擇和將智慧天線模組嵌入到終端產品中去。

　大多數智慧天線模組不是採用陶瓷片狀天線就是螺旋天線。片狀天線具有方向性，在輻射元的正交面上有最大增益。換句話說，水準面上的輻射元對從天穹頂點發來的訊號具有最大增益。當水準面上接收仰角範圍很窄的時候，對這種高度中心式的靈敏性會造成較大影響。

　片狀天線適合用於主要朝向上方的終端產品中，例如用在車載導航中，靠著擋風玻璃安裝在排氣罩上。另外，由輻射元尺寸和它下方輻射經過的接地面尺寸共同決定的天線孔徑（antenna aperture）大小，也會影響訊號接收靈敏性。

　螺旋天線有相對較寬的方向特性：具有更寬的接收仰角，但峰值增益也相對較低。螺旋天線適合用於各個方向都要求能自由使用的終端產品中，如行動手持設備。

　由於靠近人體時會干擾訊號接收，在這種情況下使用螺旋天線造成的影響也相對較小，因而在距離人體組織或遠或近的位置、在各個方向手持終端產品時都能實現GPS接收。不過螺旋天線也存在一個缺點：天線孔徑小，限制了整體的接收靈敏度。

■封裝式GSP智慧天線設計

封裝式智慧天線是OEM智慧天線模組的一種替代選擇。在要求嵌入GPS的產品不做硬體改動的情況下，選擇封裝式智慧天線有一定優勢。封裝式智慧天線有兩種：分離式智慧天線和密耦合智慧天線。

分離式智慧天線可以放在有較好天空視野的位置上，例如GPS mice。它們之間可透過RS-232、USB或藍芽進行通訊，由主機（例如透過USB電源線）或充電電池供電。密耦合智慧天線可直接插入終端產品中，例如透過CF插槽（Compact Flash slot）。

封裝式智慧天線是在像可攜PC和PDA這樣的標準可攜式硬體平台上執行的系統解決方案的理想選擇。

在GSP導行系統整合的過程中，使用經過良好設計GPS天線，也能使天線設計與GPS模組和晶片組達到同樣的性能等級。當GSP被要求必須要快速實現終端產品的設計，要求降低開發成本或者內部研發資源有限的時候，智慧天線模組是切實可行的選擇方案，經過仔細挑選的智慧天線模組可以提供與傳統GPS晶片組和模組整合相比的性能。

■佳邦科技

　佳邦科技是台灣主要GPS天線製造設計廠商，在與台灣多家GPS相關GPS接收器、GPS主機板等廠商策略聯盟後，經濟規模逐漸擴大，使佳邦科技成為台灣本土GPS天線廠商中的佼佼者，在技術方面也結合了SMD天線技術，以極微小型模組成為GPS衛星導航定位接收模組；另外，在複合式天線模組，也有GPS、GSM/WLAN 功能複合式天線模組，可用於具有定位功能手持式無線通訊裝置。

■SARANTEL

　SARANTEL天線的特點包括完整的巴倫電路（Balun）設計，此設計能隔離天線周邊的雜訊，因此能容許各種功能的天線並存於極小的空間中而不會互相干擾。對於整合功能日趨多元，且強調輕薄短小的手持式電子產品而言，此特性的重要性不可言喻。

　此外，Sarantel GPS天線擁有全面向360度的接收能力，因此在與PDA結合時，無論PDA的擺放位置如何，Sarantel的天線皆能接收，有別於使用傳統GPS天線需要平放始能接收的限制。

　目前Sarantel的GPS天線價格較傳統天線高，然而系統廠商若採用Sarantel天線，將可大幅減少濾波電路（Filter Circuits）的使用，因此能有效降低整體系統成本。此外，如上所述的種種特性將能使產品性能大幅提昇，以符合某些特定市場地區的嚴苛標準。

■新禾航電

新禾航電所開發的MK-18GPS天線可以利用低耗電量的特性，使GPS應用更為廣闊；MK-18幾乎可與市面上所有的GPS接收器產品相連結，特別是GPS兼容手持式PDA的市場，為GPS廣大的應用提供一個優秀選擇，包括：AVL、汽車航海、航空和軍事。

超低輸入電壓和電力消耗也是MK-18GPS天線的特色之一，輸入電壓只需1.8V∼3.3V，電力消耗約為5.1mA，強調微小及穩定性的設計，可應用於軍事和其它高度機密的應用產品上。在設計上，使用超離頻的敏感性模塊板，可利用為嵌入應用在各種各樣的GPS導航、PDA等產品上，和其它車用GPS設備上也能達到對於多變環境的適應性。

■國巨

　被動元件龍頭廠國巨，其全球衛星定位系統（GPS）高頻天線產品已經全線到位，並可提供全球尺寸最小的高頻天線產品，以滿足內建GPS功能的各式可攜式消費性電子產品需求。

　被動元件龍頭廠國巨所發表的GPS高頻天線產品系列，涵蓋標準元件型GPS陶瓷天線與客製化的GPS金屬天線2大類。陶瓷天線產品皆為晶片型，包括積層陶瓷天線以及塊狀陶瓷天線（Bulk Ceramic Antenna），這些天線元件的主要特色在於尺寸為全球最小，可提供行動通訊裝置、PDA及車用導航系統等手持式設備所需的天線產品規格。

　其中晶片型積層陶瓷天線，尺寸僅有6.3×2.0×1.15mm，符合美國無線緊急救援服務（E911）規範中，是目前全球尺寸最小的GPS天線。同時，為因應筆記型電腦（NB）、手持式PDA與智慧型手機產品的特殊整合需求，國巨為這些客戶提供了客製化的GPS天線設計方案，協助客戶加速GPS相關應用產品上市。

■育新科技

　SM-25是一個外部天線，可提供連續不斷的L1頻道和好的增益及低消耗電力及充分的選擇配合市場上的GPS接收器，它是整合了體積小、高效能的GPS天線、低雜訊放大器，對於環境的防水性佳，封在天線的設計之內。

　提供最好的放大信號給任一3∼5VDC的GPS接收器，體積小且堅固的天線是對車輛定位和汽車航行GPS天線高要求的首要條件，要承受惡劣的環境並維持GPS信號穩定性。

　產品特色：高感度、低雜訊、100％完全防水、輕薄短小、攜帶方便、鎖螺絲或磁鐵底座、新型多變化的接頭、超穩定溫度適應能力；可應用在AVL車輛派遺系統、艦隊管理系統、汽車導航、GPS航海 衛星導航、安全監控、GPS手機設計的外部天線。

■立朗科技

　GPS天線採用最先進的衛星接收核心（FirstGPS），具備全方位功能，能滿足工業級定位的嚴格要求與個人手持式消費性產品的天線，並有GPS Mouse型接收器GPS天線＋模組整合產品，天線靈敏度已調校完畢。

　其產品強調高靈敏度、低耗電、最佳化尺寸，結合CF介面型GPS接收器與附件，具高感度，超過173dBW，極佳的城鎮實用性，使用3.3伏特、35毫安、全功率使用，輸出資料依循美國國家航海電子協會NMEA 0183 V3.0介面規範，通用性高