【無線射頻天線】-GPS智慧天線在系統(tǒng)整合中的選擇和性能考量

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----GPS智慧天線在系統(tǒng)整合中的選擇和性能考量GPS已從一種整合產(chǎn)品進(jìn)展成整合系統(tǒng)解決方案的一部分。目前原始設(shè)備制造商(OEM)可以選擇用GPS晶片組、GPS模組或才智天線模組來實現(xiàn)系統(tǒng)整合。每種方案都有各自的利弊，OEM在選擇之前需要依據(jù)其整個系統(tǒng)的要求做出評估。本文供應(yīng)了才智天線方案選擇概念，并爭論了片狀天線和螺旋天線的性能對比以及影響才智天線模組在終端產(chǎn)品中嵌入應(yīng)用的因素。

近年來，GPS已從一種整合產(chǎn)品進(jìn)展成整合系統(tǒng)解決方案的一部分。這種轉(zhuǎn)變的緣由是GPS的小型化進(jìn)展和對降低成本的追求。高度整合的訊號混合晶片完成RF前端功能，整個系統(tǒng)由包括GPS硬體、強(qiáng)大的處理核心、嵌入式記憶體的晶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晶片組、GPS模組或才智天線模組來實現(xiàn)系統(tǒng)整合。每種方案都有各自的利弊：基于晶片組的設(shè)計能供應(yīng)高度的敏捷性，但同時設(shè)計需要投入大量精力，并要求設(shè)計工程師把握豐富的RF學(xué)問；而才智天線模組是快速系統(tǒng)整合的正確選擇，在快速系統(tǒng)整合應(yīng)用中，基于這種充分設(shè)計GPS子系統(tǒng)，整合只需要最短的開發(fā)時間、最低的開發(fā)成本以及最小的開發(fā)風(fēng)險。在開頭量產(chǎn)的時候，采納才智天線模組會顯著簡化物料選購儲備工作和產(chǎn)品的測試流程。

GPS才智天線模組在系統(tǒng)整合中的選擇和性能考量

目前，市場上價格適中的GPS接收機(jī)種類豐富，可滿意OEM的不同需求。GPS生產(chǎn)商供應(yīng)不同性能和不同系統(tǒng)整合等級的產(chǎn)品。即使現(xiàn)在的GPS接收機(jī)看起來可以用于簡潔直接的系統(tǒng)整合，然而由于市場上存在大量可供選擇的產(chǎn)品，使得OEM廠商仍舊很難做出最恰當(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)需要滿意的要求，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)能模式和支援SBAS)、易用性(特殊是易配置性)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)，如精確?????度、啟動性能、追蹤靈敏度和功耗，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)在試驗室里測得的技術(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)特性上的弱點或缺陷。不管GPS接收機(jī)技術(shù)怎樣進(jìn)展，都仍會存在由于某種權(quán)衡造成的性能上的折衷。對才智天線模組來說，片狀天線(patchantenna)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：功耗的降低可以透過縮減硬體架構(gòu)得以實現(xiàn)，例如削減通道數(shù)和時/頻搜尋窗口，但同時啟動性能便會打折扣。

工程師往往側(cè)重于關(guān)懷技術(shù)性要求而忽視非技術(shù)性要求的重要性。有限的計畫周期、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)慎地打算系統(tǒng)整合等級，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)整合等級會影響計畫簡單度、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)品量小的計畫來說，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，必需著重考慮。對產(chǎn)品量大的計畫來說，開發(fā)成本對計畫本身的影響可以忽視，為了最佳化產(chǎn)品成本，需要在研發(fā)過程中投入充分的時間和資源。

GPS廠商間的激烈競爭造成GPS產(chǎn)品的低價，工程師和選購經(jīng)理很簡單被價格因素吸引而選擇最廉價的那種。請留意，單純地只關(guān)懷產(chǎn)品成本而忽視其它要求很可能會導(dǎo)致令人絕望的結(jié)果，例如計畫延期和消失產(chǎn)品品質(zhì)缺陷。性能差、品質(zhì)達(dá)不到預(yù)期要求以及讓用戶不滿足，都是GPS嵌入式產(chǎn)品最不盼望見到的。

在計畫進(jìn)行的初期階段就必需確定系統(tǒng)整合等級，它會影響對OEMGPS接收機(jī)的選擇。選定的系統(tǒng)整合等級類似于在設(shè)計簡單度和有限的周期、技巧和可用資源之間進(jìn)行的一種權(quán)衡。

基于GPS晶片組設(shè)計可以供應(yīng)最大的敏捷性和產(chǎn)品最佳化。基于晶片組的設(shè)計需要開發(fā)工程師具備RF設(shè)計方面的豐富技巧和閱歷，以完成產(chǎn)品開發(fā)并供應(yīng)全面徹底的配套產(chǎn)品測試系統(tǒng)?；诰M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)過程中劇烈建議與GPS廠商緊密合作?？傊簱P的設(shè)計費用、較大風(fēng)險和簡單的物料來源(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模組可以作為晶片組的替代選擇。模組包含完整的GPS功能，允許開發(fā)工程師進(jìn)行快速系統(tǒng)整合，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學(xué)問，指定天線類型并將天線設(shè)計到模組的鏈路上。模組采納表面安裝焊盤，可適用于自動黏著和焊接管線，因而對于中等和大量產(chǎn)計畫來說是一種很有吸引力的選擇。從備料角度來看，使用模組比選購數(shù)量眾多的元件更為簡單，同時，由于供應(yīng)商已經(jīng)對GPS模組做過全面測試，因此只需要進(jìn)行相對簡潔的產(chǎn)品測試。

GPS接收板本身帶專用RF和I/O接頭，體積雖然大于GPS模組，但卻進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)整合工作。使用過程中除了選擇一款帶合適連接電纜和接頭的主動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)品牢靠性是重點考慮的因素時，插入式接收板是最佳的選擇方案。

當(dāng)能否快速完成產(chǎn)品定型或快速將產(chǎn)品投入市場成為產(chǎn)品勝利與否的打算因素時，GPS才智天線模組是最佳的選擇。才智天線模組包含完整的GPS接收機(jī)，帶內(nèi)建天線。才智天線模組有兩種應(yīng)用形式：一種是OEM才智天線模組，用于終端整合，另一種是將才智天線封裝到某個組件中。

設(shè)計中選擇使用才智天線模組

由于具有系統(tǒng)整合快速和風(fēng)險低的特點，在要求實現(xiàn)快速產(chǎn)品定型、小量產(chǎn)和對進(jìn)入市場時間要求嚴(yán)格的應(yīng)用場合，GPS才智天線模組是最適當(dāng)?shù)倪x擇。即使才智天線模組包含了完全的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)的選擇和將才智天線模組嵌入到終端產(chǎn)品中去。

大多數(shù)才智天線模組不是采納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(zhǔn)面上的輻射元對從天穹頂點發(fā)來的訊號具有最大增益。當(dāng)水準(zhǔn)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，由輻射元尺寸和它下方輻射經(jīng)過的接地面尺寸共同打算的天線孔徑(antennaaperture)大小，也會影響訊號接收靈敏性。

圖2:GPS的系統(tǒng)整合等級。

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，如行動手持設(shè)備。由于靠近人體時會干擾訊號接收，在這種狀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：天線孔徑小，限制了整體的接收靈敏度。

下面列出的幾點影響才智天線模組在終端產(chǎn)品中嵌入應(yīng)用的因素：

1.在選擇才智天線模組前應(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、與水準(zhǔn)面呈肯定傾角貼近人體頭部使用。

2.天線整合的位置不能靠近噪音源，如內(nèi)部處理器和發(fā)光LCD顯示螢?zāi)弧?/p>

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OEM才智天線模組都根據(jù)廠商規(guī)格使用封裝外殼，已經(jīng)對偏移諧振頻率進(jìn)行了歸零校準(zhǔn)。

封裝式才智天線

封裝式才智天線是OEM才智天線模組的一種替代選擇。在要求嵌入GPS的產(chǎn)品不做硬體改動的狀況下，選擇封裝式才智天線有肯定優(yōu)勢。封裝式才智天線有兩種：分別式才智天線和密耦合才智天線。分別式才智天線可以放在有較好天空視野的位置上，(例如GPSmice)。它們之間可透過RS-232、USB或藍(lán)芽進(jìn)行通訊，由主機(jī)(例如透過USB電源線)或充電電池供電。密耦合才智天線可直接插入終端產(chǎn)品中去，例如透過CF插槽(CompactFlashslot)。

封裝式才智天線是在像可攜PC和PDA這樣的標(biāo)準(zhǔn)可攜硬體平臺上執(zhí)行的系統(tǒng)解決方案的抱負(fù)選擇。

本文結(jié)論

在整合設(shè)計工作中使用經(jīng)過良好設(shè)計才智天線，可以供應(yīng)與使用GPS模組和晶片組同樣高的性能等級。在，Shinjuku(東京)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)的多徑抑制力量提出了嚴(yán)格考驗。才智天線模組內(nèi)含16通道ANTARIS定位技術(shù)，在如此惡劣的定位環(huán)境下仍能供