GPS天線的簡介

1、GPS天線的簡介    GPS天線就是指通過接受衛(wèi)星信號,從而進(jìn)行定位或者導(dǎo)航所用到的天線.    GPS衛(wèi)星信號為L1和L2,頻率分別為1575.42MHz和1228MHz,當(dāng)中的L1為開放的民用信號,信號為圓形極化.信號一般在166-DBM左右,屬于弱信號.GPS天線的分類    從極化方式上GPS天線分為垂直極化和圓形極化.    以現(xiàn)在的技術(shù),垂直極化的效果比不上圓形極化.因此除了特殊情況,GPS天線都會采用圓形極化.    從

2、放置方式上GPS天線分為內(nèi)置天線和外置天線.    天線的裝配位置也是十分重要.早期GPS手持機(jī)多采用外翻式天線,此時天線與整機(jī)內(nèi)部基本隔離,EMI幾乎不對其造成影響,收星效果很好.現(xiàn)在隨著小型化潮流,GPS天線多采用內(nèi)置.此時天線必須在所有金屬器件上方,殼內(nèi)須電鍍并良好接地,遠(yuǎn)離EMI干擾源,比如CPU、SDRAM、SD卡、晶振、DC/DC.    車載GPS的應(yīng)用會越來越普遍.而汽車的外殼,特別是汽車防爆膜會GPS信號產(chǎn)生嚴(yán)重的阻礙.一個帶磁鐵(能吸附到車頂)的外接天線對于車載GPS來說是非常有必要的.GPS天線的構(gòu)造 

3、   目前絕大部分GPS天線為右旋極化陶瓷介質(zhì),其組成部分為:陶瓷天線、低噪音信號模塊、線纜、接頭.    其中陶瓷天線也叫無源天線、介質(zhì)天線、PATCH,它是GPS天線的核心技術(shù)所在.一個GPS天線的信號接受能力,大部分取決與其陶瓷部分的成分配料如何.    低噪聲信號模塊也稱為LNA,是將信號進(jìn)行放大和濾波的部分.其元器件選擇也很重要,否則會加大GPS信號的反射損耗,以及造成噪音過大.    線纜的選擇也要以降低反射為標(biāo)準(zhǔn),保證阻抗的匹配.影響GPS天線的主要因素 

4、60;  影響GPS天線性能的主要是以下幾個方面    1、陶瓷片:陶瓷粉末的好壞以及燒結(jié)工藝直接影響它的性能.現(xiàn)市面使用的陶瓷片主要是25×25、18×18、15×15、12×12.陶瓷片面積越大,介電常數(shù)越大,其共振頻率越高,接受效果越好.陶瓷片大多是正方形設(shè)計,是為了保證在XY方向上共振基本一致,從而達(dá)到均勻收星的效果.    2、銀層:陶瓷天線表面銀層可以影響天線共振頻率.理想的GPS陶瓷片頻點(diǎn)準(zhǔn)確落在1575.42MHz,但天線頻點(diǎn)非常容易受到周邊環(huán)境影響,特別是裝配在整機(jī)內(nèi)

5、,必須通過調(diào)整銀面涂層外形,來調(diào)節(jié)頻點(diǎn)重新保持在1575.42MHz.因此GPS整機(jī)廠家在采購天線時一定要配合天線廠家,提供整機(jī)樣品進(jìn)行測試.    3、饋點(diǎn):陶瓷天線通過饋點(diǎn)收集共振信號并發(fā)送至后端.由于天線阻抗匹配的原因,饋點(diǎn)一般不是在天線的正中央,而是在XY方向上做微小調(diào)整.這樣的阻抗匹配方法簡單而且沒有增加成本.僅在單軸方向上移動稱為單偏天線,在兩軸均做移動稱為雙偏.    4、放大電路:承載陶瓷天線的PCB形狀及面積.由于GPS有觸地反彈的特性,當(dāng)背景是7cm×7cm無間斷大地時,PATCH天線的效能可以發(fā)揮到極致

6、.雖然受外觀結(jié)構(gòu)等因素制約,但盡量保持相當(dāng)?shù)拿娣e且形狀均勻.放大電路增益的選擇必須配合后端LNA增益.Sirf的GSC3F要求信號輸入前總增益不得超過29dB,否則信號過飽和會產(chǎn)生自激.    GPS天線有四個重要參數(shù):增益(Gain)、駐波(VSWR)、噪聲系數(shù)(Noise figure)、軸比(Axial ratio).其中特別強(qiáng)調(diào)軸比,它是衡量整機(jī)對不同方向的信號增益差異性的重要指標(biāo).由于衛(wèi)星是隨機(jī)分布在半球天空上,所以保證天線在各個方向均有相近的敏感度是非常重要的.軸比受到天線性能、外觀結(jié)構(gòu)、整機(jī)內(nèi)部電路及EMI等影響.兩種內(nèi)置GPS天線的簡介 

7、   平板式天線(PATCH Antenna)    平板式天線由于其耐用性和相對地容易制作,所以成了應(yīng)用最為普遍的一類天線.其形狀可以是圓的也可以方的或長方的,如同一塊敷銅的印刷電路板.它由一個或多個金屬片構(gòu)成,所以GPS天線最常用的形狀是塊狀結(jié),像個燒餅.由于天線可以做得很小,因此適合于航空應(yīng)用和個人手持應(yīng)用.    天線的另一個主要特性,是其的增益圖形,即方向性.利用天線的方向性可以提高其抗干擾和抗多徑效應(yīng)能力.在精確定位中,天線的相位中心的穩(wěn)定性是個很重要的指標(biāo).但是,普通的導(dǎo)航應(yīng)用中,人們希望用

8、全向天線,至少能接收天線地平以上五度視野內(nèi)所有天空中的可見衛(wèi)星信號,但是平板式天線在衛(wèi)星于天線正上方時,訊號增益才是最大.平板的接收范圍在平板上方,平板要面向天空,這對于手持以及車載都會帶來麻煩,我們可以看到可調(diào)角度的CF接收器越來越多(可折疊的SDGPS 麗臺9551),就是因為平板式天線這種特性使得廠家為了接收器有更好的收訊效果才想出來的招.    四臂螺旋式天線(Quadrifilar Helix Antenna )    四臂螺旋式天線由四條特定彎曲的金屬線條所組成.不需要任何接地.它具備有Zapper天線的特性,也具備有垂直

9、天線的特性.此種巧妙的結(jié)構(gòu),使天線任何方向都有3dB的增益,增加了衛(wèi)星訊號接收的時間.四臂螺旋式天線擁有全面向360度的接收能力,因此在與pda結(jié)合時,無論P(yáng)DA的擺放位置如何,四臂螺旋式天線皆能接收,有別于使用平板GPS天線需要平放才能較好的接收的限制.使用此種天線,當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)于地平面上10度時,即可收到衛(wèi)星所傳送的訊號.    但是如果地面接收站附近干擾源較多,則不適用四臂螺旋式天線,因為四臂螺旋式天線具備有水平方向的增益,會將噪聲一起放大,反而干擾了衛(wèi)星訊號的接收.但是科技在進(jìn)步,現(xiàn)在所生產(chǎn)的四臂螺旋式天線能突破多項傳統(tǒng)天線的限制.天線是以陶瓷制成,

10、0;   Near-Field極小,約僅有35mm,而有些傳統(tǒng)天線的Near-Field甚至高達(dá)1m.Near-Field愈小,則使用者手持GPS裝置時,人體愈不會造成干擾.現(xiàn)在的四臂螺旋式天線的特點(diǎn)還包括完整的巴倫電路(Balun)設(shè)計,此設(shè)計能隔離天線周邊的噪聲,因此能容許各種功能的天線并存于極小的空間中而不會互相干擾.對于整合功能日趨多元,且強(qiáng)調(diào)輕薄短小的手持式電子產(chǎn)品而言,此特性的重要性不可言喻.手機(jī)設(shè)計GPS天線需要注意事項    在設(shè)計GPS天線的時候,以下幾個地方是需要注意的    1 供應(yīng)商應(yīng)該做的

11、流程    客戶立項-機(jī)構(gòu)評估(根據(jù)案子的機(jī)構(gòu)圖,進(jìn)行評估機(jī)構(gòu)是否為GPS天線的合格工作環(huán)境)-調(diào)試(根據(jù)案子的機(jī)器,確認(rèn)定位時間與CN值)-提供樣品(根據(jù)調(diào)試結(jié)果,提供樣品)-送承認(rèn)書-量產(chǎn)    2 設(shè)計人員需要考慮的事項    1)2D圖檔    包括整個PCB外觀尺寸,屏蔽蓋的范圍及厚度,有無cONnector,出線位置與方向,PATCH位置與大小,PCB板厚    2)有源天線的單/雙極LNA(一般情況都是單極)  

12、  3)要不要加filter,filter在前面,中間,還是在后面(根據(jù)我們經(jīng)驗,一般情況會加一個SAW FILTER)    4)cable的線長,線徑及使用什么接頭    5)switch是電子式還是機(jī)構(gòu)式    6)電型規(guī)格    工作電壓(3-5V),工作電流(6-12mA),增益(17db,一般模塊要求范圍在13-25db,一般會有2-3個db的偏差),駐波比(我們一般做到最大2,不知道市場上是什么樣),匹配電阻(50歐姆,定值),噪聲指數(shù)(2.0,實際上

13、可以做到更小),頻率(1575.42MHZ,GPS的標(biāo)準(zhǔn)頻率,定值),頻寬(10mhz)GPS天線模塊的性能考量和選擇    GPS作為一種新興產(chǎn)業(yè),已經(jīng)漸漸從一種集成產(chǎn)品發(fā)展成為綜合系統(tǒng)解決方案的一部分.現(xiàn)有的原始設(shè)備制造商(OEM)可以選擇單一的部分來實現(xiàn)系統(tǒng)集成,可以選擇GPS芯片組、GPS模塊或者智能天線模塊.每種發(fā)難都自己的利弊,在OEM選擇之前需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行做一個整體的評估工作.以下提供了智能天線方案的選擇思路,并且討論了片狀天線和螺旋天線的性能對比以及影響智能天線模塊在終端產(chǎn)品中的嵌入應(yīng)用的因素.    近

14、年來,GPS已從一種集成產(chǎn)品發(fā)展成綜合系統(tǒng)解決方案的一部分.這種轉(zhuǎn)變的動因是GPS的小型化進(jìn)程和對降低成本的追求.高度集成的信號混合芯片完成RF前端功能,整個系統(tǒng)由包括GPS硬件、強(qiáng)大的處理內(nèi)核、嵌入式存儲器的芯片以及小型電子元件構(gòu)成,這些使得GPS小型化成為可能.OEM可以選擇用GPS芯片組、GPS模塊或智能天線模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)集成.每種方案都有各自的利弊:基于芯片組的設(shè)計能提供高度的靈活性,但同時設(shè)計需要投入大量精力,并要求設(shè)計工程師掌握豐富的RF知識;而智能天線模塊是快速系統(tǒng)集成的正確選擇,在快速系統(tǒng)集成應(yīng)用中,基于這種充分設(shè)計的GPS子系統(tǒng),集成只需要最短的開發(fā)時間、最低的開發(fā)成本以及最

15、小的開發(fā)風(fēng)險.在開始批量生產(chǎn)的時候,采用智能天線模塊會顯著簡化物料采購儲備工作和產(chǎn)品的測試流程.    圖1:GPS系統(tǒng)需求分析.    目前,市場上價格適中的GPS接收機(jī)種類豐富,可滿足OEM的不同需求.GPS生產(chǎn)商提供不同性能和不同系統(tǒng)集成等級的產(chǎn)品.即使現(xiàn)在的GPS接收機(jī)看起來可以用于簡單直接的系統(tǒng)集成,然而由于市場上存在大量可供選擇的產(chǎn)品,使得OEM廠商仍然很難做出最恰當(dāng)?shù)倪x擇.因此,建議OEM廠商在做出選擇之前先確定GPS接收機(jī)需要滿足的要求,包括技術(shù)和非技術(shù)因素,如圖1中所示.    系統(tǒng)的技

16、術(shù)或非技術(shù)性要求    技術(shù)性要求包括特性(如節(jié)能模式和支持SBAS)、易用性(特別是易配置性)和既要定性也要定量的性能標(biāo)準(zhǔn).定量指標(biāo)指可測參數(shù),如準(zhǔn)確度、啟動性能、跟蹤靈敏度和功耗,定性指標(biāo)包括由外場測試獲得的可預(yù)期定位結(jié)果.有些GPS接收機(jī)在實驗室里測得的技術(shù)指標(biāo)可能很好,但很可能外場測試就不行.外場測試暴露出技術(shù)特性上的弱點(diǎn)或缺陷.不管GPS接收機(jī)技術(shù)怎樣發(fā)展,都仍會存在由于某種權(quán)衡造成的性能上的折衷.對智能天線模塊來說,片狀天線(PATCH antenna)及其地面層的小型化是以犧牲靈敏度為代價的.對低功耗的追求帶來了另一種性能折衷:功耗的降低可

17、以通過縮減硬件架構(gòu)得以實現(xiàn),例如減少通道數(shù)和時/頻搜索窗口,但同時啟動性能便會打折扣.    工程師往往側(cè)重于關(guān)心技術(shù)性要求而忽視非技術(shù)性要求的重要性.有限的項目周期、預(yù)算和可利用的內(nèi)部研發(fā)資源都會對產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)生影響.工程師需要謹(jǐn)慎地決定系統(tǒng)集成等級,這一等級最好被視為衡量自己研發(fā)工作技術(shù)深度的標(biāo)尺.所選的系統(tǒng)集成等級會影響項目復(fù)雜度、進(jìn)度、成本、產(chǎn)品和物料采備.在評估GPS接收機(jī)時,成本因素扮演了重要角色.對產(chǎn)品批量小的項目來說,最初的開發(fā)成本在整個產(chǎn)品成本中占據(jù)了最大的一部分,必須著重考慮.對產(chǎn)品批量大的項目來說,開發(fā)成本對項目本身的影響可以忽略,為了優(yōu)化產(chǎn)品

18、成本,需要在研發(fā)過程中投入充足的時間和資源.    GPS廠商間的激烈競爭造成GPS產(chǎn)品的低價,工程師和采購經(jīng)理很容易被價格因素吸引而選擇最便宜的那種.請注意,單純地只關(guān)心產(chǎn)品成本而忽視其它要求很可能會導(dǎo)致令人失望的結(jié)果,例如項目延期和出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷.性能差、質(zhì)量達(dá)不到預(yù)期要求以及讓用戶不滿意,都是GPS嵌入式產(chǎn)品最不希望見到的.    在項目進(jìn)行的初期階段就必須確定系統(tǒng)集成等級,它會影響對OEM GPS接收機(jī)的選擇.選定的系統(tǒng)集成等級類似于在設(shè)計復(fù)雜度和有限的周期、技巧和可用資源之間進(jìn)行的一種權(quán)衡.  

19、0; 基于GPS芯片組設(shè)計可以提供最大的靈活性和產(chǎn)品優(yōu)化.基于芯片組的設(shè)計需要開發(fā)工程師具備RF設(shè)計方面的豐富技巧和經(jīng)驗,以完成產(chǎn)品開發(fā)并提供全面徹底的配套產(chǎn)品測試系統(tǒng).基于芯片組的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期通常超過一年,成本較高,同時技術(shù)風(fēng)險不容忽視.一般會進(jìn)行三次或以上的產(chǎn)品原型測試,產(chǎn)品方可定型,在開發(fā)過程中強(qiáng)烈建議與GPS廠商緊密合作.總之,高昂的設(shè)計費(fèi)用、較大風(fēng)險和復(fù)雜的物料來源(20-40個來自不同半導(dǎo)體公司的元件),使得這種方式僅適用于有大規(guī)模應(yīng)用潛力的產(chǎn)品.    GPS模塊可以作為芯片組的替代選擇.模塊包含完整的GPS功能,允許開發(fā)工程師進(jìn)行快速系統(tǒng)集成,

20、而無需面對在開發(fā)過程中RF和GPS設(shè)計缺陷的麻煩.開發(fā)工程師只需要具備基本的RF知識,指定天線類型并將天線設(shè)計到模塊的鏈路上.模塊采用表面貼裝焊盤,可適用于自動貼裝和焊接流水線,因而對于中等和大批量生產(chǎn)項目來說是一種很有吸引力的選擇.從備料角度來看,使用模塊比采購數(shù)量眾多的元件更為容易,同時,由于供應(yīng)商已經(jīng)對GPS模塊做過全面測試,因此只需要進(jìn)行相對簡單的產(chǎn)品測試.    圖2:系統(tǒng)集成等級.    GPS接收板本身帶專用RF和I/O接頭,體積雖然大于GPS模塊,但卻進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)集成工作.使用過程中除了選擇一款帶合適連接電纜和接頭

21、的有源GPS天線外,不需要做其它與RF相關(guān)的設(shè)計工作.當(dāng)易用性和劃算的產(chǎn)品可靠性是重點(diǎn)考慮的因素時,插入式接收板是最佳的選擇方案.    當(dāng)能否迅速完成產(chǎn)品定型或迅速將產(chǎn)品投放市場成為產(chǎn)品成功與否的決定因素時,GPS智能天線模塊是最佳的選擇.智能天線模塊包含完整的GPS接收機(jī),帶內(nèi)置天線.智能天線模塊有兩種應(yīng)用形式:一種是OEM智能天線模塊,用于終端集成,另一種是將智能天線封裝到某個組件中.    設(shè)計中選擇使用智能天線模塊    由于具有系統(tǒng)集成快速和風(fēng)險低的特點(diǎn),在要求實現(xiàn)迅速產(chǎn)品定型、小批量生產(chǎn)和對

22、進(jìn)入市場時間要求嚴(yán)格的應(yīng)用場合,GPS智能天線模塊是最適當(dāng)?shù)倪x擇.即使智能天線模塊包含了完全獨(dú)立的GPS功能,在使用過程中仍有一些設(shè)計工作有待進(jìn)行,包括天線類型(片狀天線或螺旋天線)的選擇和將智能天線模塊嵌入到終端產(chǎn)品中去.    大多數(shù)智能天線模塊不是采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,水平面上的輻射元對從天穹頂點(diǎn)發(fā)來的信號具有最大增益.當(dāng)水平面上接收仰角范圍很窄的時候,對這種高度中心式的靈敏性會造成較大影響.片狀天線適合用于主要朝向上方的終端產(chǎn)品中,例如用在車載導(dǎo)航中,靠著擋風(fēng)玻璃安裝在排氣罩上.另外,由輻

23、射元尺寸和它下方輻射經(jīng)過的接地面尺寸共同決定的天線孔徑(antenna aperture)大小,也會影響信號接收靈敏性.    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.螺旋天線適合用于各個方向都要求能自由使用的終端產(chǎn)品中,如移動手持設(shè)備.由于靠近人體時會干擾信號接收,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(yuǎn)或近的位置、在各個方向手持終端產(chǎn)品時都能實現(xiàn)GPS接收.不過螺旋天線也存在一個缺點(diǎn):天線孔徑小,限制了整體的接收靈敏度.    下面列出的幾點(diǎn)影響智能天線模塊在終端產(chǎn)品中嵌

24、入應(yīng)用的因素:    1.在選擇智能天線模塊前應(yīng)了解終端產(chǎn)品的主要定位方向和使用方式:例如,電子設(shè)備是被放置在平面上工作還是被拿在手里、與水平面呈一定傾角貼近人體頭部使用.    2.天線集成的位置不能靠近噪聲源,如內(nèi)部處理器和發(fā)光LCD顯示屏.    3.終端產(chǎn)品的外殼材料對天線性能有影響.外殼或屏蔽層材料的介電常數(shù)、厚度以及到天線表面的間距都會影響片狀天線的諧振頻率.因此,良好設(shè)計的OEM智能天線模塊都按照廠商規(guī)范使用封裝外殼,已經(jīng)對偏移諧振頻率進(jìn)行了歸零校準(zhǔn).    封

25、裝式智能天線    封裝式智能天線是OEM智能天線模塊的一種替代選擇.在要求嵌入GPS的產(chǎn)品不做硬件改動的情況下,選擇封裝式智能天線有一定優(yōu)勢.封裝式智能天線有兩種:分立式智能天線和密耦合智能天線.分立式智能天線可以放在有較好天空視野的位置上,例如GPS鼠(GPS mice).它們之間通過RS-232、USB或藍(lán)牙進(jìn)行通信,由主機(jī)(例如通過USB電源線)或充電電池供電.密耦合智能天線可直接插入終端產(chǎn)品中去,例如通過CF插槽(Compact FLASH slot).    封裝式智能天線是在像便攜PC和PDA這樣的標(biāo)

26、準(zhǔn)便攜硬件平臺上運(yùn)行的系統(tǒng)解決方案的理想選擇.    本文結(jié)論    在集成設(shè)計工作中使用經(jīng)過良好設(shè)計的智能天線,可以提供與使用GPS模塊和芯片組同樣高的性能等級.在日本,新宿是路測環(huán)境最苛刻的城市之一.市內(nèi)道路兩側(cè)高樓林立,天空視野有限,對接收機(jī)的多徑抑制能力提出了嚴(yán)格考驗.智能天線模塊內(nèi)含16通道ANTARIS定位技術(shù),在如此惡劣的定位環(huán)境下仍能提供出色性能.    當(dāng)要求快速實現(xiàn)終端產(chǎn)品的設(shè)計,要求降低開發(fā)成本或者內(nèi)部研發(fā)資源有限的時候,智能天線模塊是切實可行的選擇方案.經(jīng)過仔細(xì)挑選的智能天線模塊可

27、以提供與傳統(tǒng)GPS芯片組和模塊集成相比擬的性能.測試有源GPS天線的方法    GPS伴隨著全球定位系統(tǒng)的發(fā)展,漸漸被全球消費(fèi)市場所采用,不僅僅在專業(yè)或商業(yè)領(lǐng)域,如運(yùn)輸車隊、科技探索、軍事跟蹤,而且還有許多消費(fèi)類產(chǎn)品被普及到,比如手機(jī)和個人數(shù)據(jù)助理(PDA)設(shè)備上.實際上,車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)近幾年已經(jīng)成為美國、日本和歐洲市場上中高端汽車的標(biāo)準(zhǔn)配備.隨著全球經(jīng)濟(jì)的帶動,中國國產(chǎn)的GPS相關(guān)產(chǎn)品也越來越多,GOS產(chǎn)品的應(yīng)用在國內(nèi)也越來越普遍,相應(yīng)人們在使用GPS時候產(chǎn)生的問題也與日俱增.根據(jù)MORLAB對GPS產(chǎn)品的檢查測試實驗經(jīng)驗,一部分GPS接收機(jī)的性能

28、很不穩(wěn)定的原因是由GPS接收天線產(chǎn)生的.所以對GPS天線性能測試是必須而迫切的.    GPS接收天線的作用是將衛(wèi)星傳來的無線電信號的電磁波能量變換成接收機(jī)電子器件可攝取應(yīng)用的電流.通常對于專用設(shè)備或車載設(shè)備而言,由于設(shè)備與GPS接收模塊之前往往有一定距離, 考慮到安裝的便利性則可能在現(xiàn)實環(huán)境中會使用超過1米的潰線, 但由于饋線對信號有不少的損耗,在這種情況下我們只能選擇有源GPS天線.所謂有源天線,是指天線中裝有RF前置放大器或低噪聲放大器的GPS天線.    本文所述的有源GPS天線測試可在MORLAB的OTA天線測試實驗室中進(jìn)行

29、.總體測試架構(gòu)類似于普通無源天線的測試環(huán)境,主要變化是需要增加一個Antenna splitter,把DC直流信號隔離,使其不能輸入到測試系統(tǒng),但同時又能給GPS天線供電.由于有源GPS天線內(nèi)含單向放大器,GPS的工作形式又為純接收機(jī)方式.因此,在測試時需要對測試系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)特殊設(shè)置,使測試天線探頭從原來的接收狀態(tài)改為發(fā)射狀態(tài),GPS天線接收信號后,經(jīng)射頻線再傳給VNA作數(shù)據(jù)分析.    GPS天線作為GPS設(shè)備中最重要的接收部件, 它起到的作用就像是人的"耳朵".因此GPS天線的性能好壞將直接關(guān)系到GPS整機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量.經(jīng)過對有源GPS天線的

30、測試,可以幫助廠家確認(rèn)GPS天線其的中心頻率是否正確,驗正增益和方向性等性能指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計要求.通過GPS的OTA測試,將幫助GPS天線廠家及整機(jī)生產(chǎn)廠家改進(jìn)GPS產(chǎn)品的接受性能,同時也給GPS產(chǎn)品經(jīng)銷商提供了一種檢驗GPS產(chǎn)品質(zhì)量的新途徑和新方法.    GPS天線測試系統(tǒng)總體框圖    GPS天線測試現(xiàn)場    某GPS天線樣品1575.42MHz GPS中心頻率增益下陷    GPS天線3D方向圖基于GPS機(jī)的多天線分析設(shè)計    0 引

31、言    全球定位系統(tǒng)(GLOBAL positioning system , 縮寫為 GPS)是美國國防部于 1973 年 11 月授權(quán)開始研制的海陸空三軍共用的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).    GPS 由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī) 3 部分組成.經(jīng)過 20 多年的研究和試驗, 整個系統(tǒng)于1994 年完全投入使用.在地球上任何位置、任何時刻, GPS 可為各類用戶連續(xù)地提供動態(tài)的三維位置、三維速度和時間信息, 實現(xiàn)全球、全天候的連續(xù)實時導(dǎo)航、定位和授時.目前, GPS 已在大地測量、精密工程測量、地殼

32、形變監(jiān)測、石油勘探等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.    利用 GPS 定位技術(shù)進(jìn)行精密工程測量和大地測量, 平差后控制點(diǎn)的平面位置精度為 1 mm2 mm ,高程精度為2 mm 3 mm .利用GPS 定位技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測, 是一種先進(jìn)的高科技監(jiān)測手段.用GPS 監(jiān)測滑坡是GPS 技術(shù)變形監(jiān)測的一種典型應(yīng)用, 通常有兩種方案: 用幾臺GPS 接收機(jī), 由人工定期到監(jiān)測點(diǎn)上觀測, 對數(shù)據(jù)實施處理后進(jìn)行變形分析與預(yù)報; 在監(jiān)測點(diǎn)上建立無人值守的GPS 觀測系統(tǒng), 通過軟件控制, 實現(xiàn)實時監(jiān)測和變形分析、預(yù)報.但由于每個監(jiān)測點(diǎn)上都需要安裝GPS 接收機(jī), 僅三峽庫區(qū)的支、干流上需

33、要監(jiān)測的滑坡就有七八百個, 一個滑坡少則幾個點(diǎn), 多則幾十個點(diǎn), 有的甚至多達(dá)100 多點(diǎn).如此大范圍監(jiān)測, 僅購買接收機(jī)就需幾百萬元, 致使監(jiān)測系統(tǒng)的費(fèi)用非常昂貴.    基于上述問題, 我們開發(fā)了GPS 一機(jī)多天線控制器, 使一臺GPS 接收機(jī)能連接多個天線.這樣, 每個監(jiān)測點(diǎn)上只安裝天線, 不安裝接收機(jī).10 個乃至20 個監(jiān)測點(diǎn)共用 1 臺接收機(jī), 可使監(jiān)測系統(tǒng)的成本大幅度下降.該系統(tǒng)樣機(jī)已在香港的山體滑坡監(jiān)測中進(jìn)行了測試, 定位精度為毫米級.該研究成果還可應(yīng)用到巖土工程監(jiān)測、建筑物變形監(jiān)測、大壩變形監(jiān)測、大橋變形監(jiān)測等領(lǐng)域.  

34、60; 1 系統(tǒng)組成    GPS 一機(jī)多天線監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖1 所示.該系統(tǒng)包括控制中心、數(shù)據(jù)通信、 GPS 多天線控制器和野外供電系統(tǒng)等 4 部分.    1.1 控制中心    控制中心可以對 GPS 多天線控制器微波開關(guān)各信號通道進(jìn)行參數(shù)設(shè)定, 包括各通道的開/關(guān)選擇、各通道的時間參數(shù)設(shè)定等.還可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式, 例如對采集數(shù)據(jù)的傳送方式(實時/事后)進(jìn)行控制, 并將由現(xiàn)場傳來的 GPS 原始數(shù)據(jù), 通過處理, 實現(xiàn)精確定位.整個控制軟件由MicrosoftVisual C+ 語言編程, 具

35、有良好的人機(jī)界面.    1.2 數(shù)據(jù)通信    根據(jù)實際使用情況的不同, 可以有以下幾種數(shù)據(jù)傳送方式:    a. 利用電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.由于有現(xiàn)成的電話線, 只需購置相關(guān)的調(diào)制解調(diào)器即可, 成本較低,傳輸距離不受限制, 實時性可以保證.工作時, 由于占用電話網(wǎng), 費(fèi)用較高.有些場合可以考慮使用內(nèi)部小總機(jī)分機(jī)方式進(jìn)行通信.    b . 利用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信, 如利用現(xiàn)有的GSM 信道.    c . 組網(wǎng)方式.構(gòu)成局域網(wǎng), 從

36、而可以利用網(wǎng)上的相關(guān)資源進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時, 方便、可靠、通用性強(qiáng), 不需購置專用設(shè)備.但組網(wǎng)成本較高, 如果不是具備現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)條件, 不太適宜采用.數(shù)據(jù)傳送時, 實時性可能難以保證.    1.3 GPS多天線控制器    多天線控制器由計算機(jī)系統(tǒng)、天線開關(guān)陣列和控制電路組成, 如圖2 所示.    GPS 多天線控制器由硬件和軟件兩部分組成.它是無線電通信中的微波開關(guān)技術(shù)、計算機(jī)實時控制技術(shù)和大地測量數(shù)據(jù)處理理論及算法的有機(jī)結(jié)合, 僅用1 臺GPS 接收機(jī)互不干擾地接收多個GPS天線

37、傳輸來的信號.通過軟件處理實現(xiàn)精確定位.    系統(tǒng)硬件部分由若干 GPS 天線和具有若干通道的微波開關(guān)、相應(yīng)的微波開關(guān)控制電路及 1 臺GPS 接收機(jī)組成.微波開關(guān)中若干信號通道的斷通狀態(tài)受開關(guān)控制電路實時控制.硬件部分要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是微波開關(guān)中各通道 GPS 信號的高隔離度問題.    系統(tǒng)軟件分為兩部分: 實時控制微波開關(guān)中各通道的斷通軟件; GPS 實時精確定位和變形分析與預(yù)報軟件.軟件部分要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是: 實現(xiàn)實時精確定位, 使定位精度達(dá)到毫米級.    最新開發(fā)的GPS 多天線控制器中, 現(xiàn)場計算機(jī)采用嵌入式工業(yè)控制計算機(jī), 并將控制電路板、 GPS接收機(jī)(OEM )板集成在一起, 配有LCD 液晶顯示器(L ).其功能如下:    a. 可以對 GPS 的OEM 板數(shù)據(jù)輸出速率從4.8 kbit/s, 9.6 kbit/s,19.2 kbit/s,38.4 kbit/s,115.2 kbit/s 中選用;    b . 可以將現(xiàn)場計算機(jī)