绪论gps天线部分.doc

国防科学技术大学本科毕业论文
第一章 绪 论
1.1　gps天线简介
GPS天线就是指通过接受卫星信号,从而进行定位或者导航所用到的天线.
    GPS卫星信号为L1和L2,频率分别为1575.42MHz和1228MHz,当中的L1为开放的民用信号,信号为圆形极化.信号一般在166-DBM左右,属于弱信号.
1.2　GPS天线的分类
⒈从极化方式上GPS天线分为垂直极化和圆形极化.
    以现在的技术,垂直极化的效果比不上圆形极化.因此除了特殊情况,GPS天线都会采用圆形极化.
    ⒉从放置方式上GPS天线分为内置天线和外置天线.
    天线的装配位置也是十分重要.早期GPS手持机多采用外翻式天线,此时天线与整机内部基本隔离,EMI几乎不对其造成影响,收星效果很好.现在随着小型化潮流,GPS天线多采用内置.此时天线必须在所有金属器件上方,壳内须电镀并良好接地,远离EMI干扰源,比如CPU、SDRAM、SD卡、晶振、DC/DC.
    车载GPS的应用会越来越普遍.而汽车的外壳,特别是汽车防爆膜会GPS信号产生严重的阻碍.一个带磁铁(能吸附到车顶)的外接天线对于车载GPS来说是非常有必要的.

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1.3　 GPS天线的构造
目前绝大部分GPS天线为右旋极化陶瓷介质,其组成部分为:陶瓷天线、低噪音信号模块、线缆、接头
    其中陶瓷天线也叫无源天线、介质天线、PATCH,它是GPS天线的核心技术所在.一个GPS天线的信号接受能力,大部分取决与其陶瓷部分的成分配料如何.
    低噪声信号模块也称为LNA,是将信号进行放大和滤波的部分.其元器件选择也很重要,否则会加大GPS信号的反射损耗,以及造成噪音过大.
    线缆的选择也要以降低反射为标准,保证阻抗的匹配.

1.4　影响GPS天线的主要因素
影响GPS天线性能的主要是以下几个方面
    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25×25、18×18、15×15、12×12.陶瓷片面积越大,介电常数越大,其共振频率越高,接受效果越好.陶瓷片大多是正方形设计,是为了保证在XY方向上共振基本一致,从而达到均匀收星的效果.
    2、银层:陶瓷天线表面银层可以影响天线共振频率.理想的GPS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,而是在XY方向上做微小调整.这样的阻抗匹配方法简单而且没有增加成本.仅在单轴方向上移动称为单偏天线,在两轴均做移动称为双偏.
    4、放大电路:承载陶瓷天线的PCB形状及面积.由于GPS有触地反弹的特性,当背景是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.放大电路增益的选择必须配合后端LNA增益.Sirf的GSC3F要求信号输入前总增益不得超过29dB,否则信号过饱和会产生自激.
    GPS天线有四个重要参数:增益(Gain)、驻波(VSWR)、噪声系数(Noise figure)、轴比(Axial ratio).其中特别强调轴比,它是衡量整机对不同方向的信号增益差异性的重要指标.由于卫星是随机分布在半球天空上,所以保证天线在各个方向均有相近的敏感度是非常重要的.轴比受到天线性能、外观结构、整机内部电路及EMI等影响.
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1.6 GPS天线性能要求
一、电气特性
a. 频率范围: 1575.42±5MHz 1.57G
b. 天线增益: 38±2dBi
c. 低噪声放大器(LNA)噪声系数: ≤2.5dB
d. 输入驻波比: VSWR≤2.0:1
e. 输出驻波比: VSWR≤2.5:1
f. 极化方式: 右旋圆极化
g. 前后比: 大于10
h.防雷击浪涌特性
二、机械特性
a. 温度范围: 工作温度-40℃～+70℃；
储存温度-55℃～+85℃
b.工作湿度: 95%
c.抗风能力： 45m/s能工作，60m/s不破坏
d.天线体积: φ110×113(mm^3)
e.天线重量: 2Kg（含安装管和夹具）
f.天线安装管： φ28×300
1.7 GPS常见天线
一、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。
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，这就有两个问题：
1、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。
2、我们知道，虽然我们正头顶上的卫星信号比较好，比较容易锁定，但其实正头顶上的卫星是最没用的，如果没有低角度的卫星，误差会相对较高，精度将会很差。所以基于这些缺点，GPS接收器上也开始使用四臂螺旋式天线。
二、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，人体越不会造成干扰。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。

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