使用微型高性能GNSS天线以最大限度减少设计妥协

工程设计工作里很重要的一点,就是结合产品必备功能和锦上添花功能,合理对元器件做取舍权衡。常见取舍方向包含:运行速度与功耗、产品体积尺寸与功能丰富度、设备性能与物料成本。

做这类选型决策时,既要通过各类模拟仿真预判不同方案效果,也要依靠行业经验判断方案实际落地效果与适用程度。最终选用的元器件,基本就决定了成品设备的性能、特性以及功能上限。

好在并不是所有元器件选型都需要艰难妥协。就拿全球导航卫星系统 GNSS 来说,它是 GPS、格洛纳斯、伽利略、北斗等各类卫星定位系统的统称,工作射频频段覆盖 1.1~1.6GHz,能够提供全球定位、导航、授时服务(见图1)。

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图1:有许多GNSS系统在使用,每个系统在射频频谱的1.1至1.6 GHz段中分配一个或多个。(图片来源:Taoglas)

依托卫星接收信号,再搭配成熟的信号处理技术与算法,GNSS 应用范围十分广泛,既能满足普通物品低精度定位追踪,也可实现厘米级别的高精度三维定位。

为适配不同使用场景,GNSS 天线分为多种设计款式。部分天线仅支持单一或少数导航频段,也有全频段覆盖款式。设计人员除了确定天线中心频率、工作带宽之外,还需要选定天线外形结构与电气类型:外形分为外置式和内置嵌入式;电气类型分为有源天线无源天线

·外置 GNSS 天线:定位精度高、接收卫星信号条件好,适合车联网、测绘勘测、自动驾驶等对信号质量要求极高,且视野开阔无遮挡的场景。

·嵌入式 GNSS 天线:集成度高,便于整合到设备内部,适合定位追踪器这类追求整机一体化小巧设计的产品。

·有源 GNSS 天线:内部自带外置供电的低噪声放大器 LNA,能够放大接收信号,提升信噪比,有效优化信号接收质量,减少数据传输误码率。

·无源 GNSS 天线:内部无放大器件,结构简单,直接接收射频信号并传输至后端射频电路,体积更小、价格更低,无需额外供电。

就算是嵌入式天线,在走线过长、建筑遮挡、植被遮挡等容易造成信号衰减的场景中,也需要加装低噪声放大器来弥补信号损耗。

有源嵌入式天线虽然性能更强,但也会增加电路复杂度、设备功耗、产品体积以及物料成本;无源天线结构简单实用,不过射频性能偏弱,摆放安装位置对使用效果影响很大。

泰格拉斯拥有品类齐全的 GNSS 天线产品,能让研发人员按照项目优先级需求,快速挑选出最合适的天线搭配方案。下面分别介绍一款典型无源内置天线与一款典型有源外置天线,直观对比两者差异。

英赛思系列的 HP2356.A 是一款多频段无源嵌入式贴片 GNSS 天线,主打精准定位,安装适配性强。采用创新双层陶瓷贴片结构设计,针对 GPS L1/L2、伽利略、格洛纳斯、北斗主流频段优化信号增益。产品标注有完整效率(图2,左下角)、信号增益(图2,右下角)等性能参数,清晰标注出信号最强频段与抑制干扰频段。

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图2:所示为HP2356。多频段GNSS无源嵌入式贴片天线(上方);关键性能参数包括天线效率(左下角)和增益(右下角)。(图片来源:Taoglas)

从曲线图可以清晰看出,这款无源天线在目标导航频段内信号表现稳定,同时有效抑制非目标频段干扰信号。

该天线尺寸 35×35×6 毫米,超薄造型可以装进以往受高度限制、无法搭载多频段 L1/L2 导航天线的设备中。天线连接至射频前端的线路阻抗需严格保持 50 欧姆,官方建议将天线布置在面积不小于 70×70 毫米的电路板接地层中心位置,以此保障最佳工作性能。

如果项目需要选用有源外置天线,可以选择 Colosseum X 系列 XAHP.50.A.301111 全频段 GNSS 天线(见图3,顶部),全导航频段信号表现优异,在城市复杂环境中也能实现高精度定位、稳定轨迹追踪。

这款天线各项射频参数出色,信号增益可达 22~28 分贝,带外信号抑制能力 25~50 分贝,噪声系数控制在 2.6~4.5 分贝之间。

使用微型高性能GNSS天线以最大限度减少设计妥协_http://www.hnzqjt.cn_行业资讯_第3张图3:XAHP.50.A.3011111多频段GNSS天线(上方)包含一个LNA以增强接收信号强度,从而增强

和BER;效率(左下角)和增益(右下角)相比无源天线有了显著提升。(图片来源:Taoglas)

全频段内信号输出平稳,三维信号接收范围广,抗多路径信号干扰能力强。内置低噪声放大器支持 1.8~5 伏直流供电,工作电流低于 20 毫安;标配 3 米长 RG-174 同轴线缆与 SMA 公头接口,接线便捷。

外壳坚固耐用、防恶意破坏,防护等级达到 IP67 防水防尘标准,整体高度 57 毫米,直径约 94 毫米,安装方式简单。通过 M20×1.5 空心螺纹柱固定安装,线缆可直接从中穿过走线;可安装在各类平面之上,仅需注意避免紧贴大面积金属板面使用,防止影响定位信号。

研发人员在设计单频段、多频段乃至全频段卫星定位设备时,不必再为挑选适配天线而左右为难。泰格拉斯齐全的产品线,涵盖内置 / 外置、无源 / 有源全类型 GNSS 天线,覆盖全部导航射频频段。

研发人员只需对照项目实际需求选型匹配产品,就能避开天线选型带来的研发难题,也能更灵活地推进设备其余部分的设计开发工作。