三分鐘帶你深入!GPS智能天線模塊在系統集成中的選擇和性能考量

三分鐘帶你深入！GPS智能天線模塊在系統集成中的選擇和性能考量

工程師2 發表於 2018-05-15 09:44:00

中心論題：

智能天線方案選擇思路

片狀天線與螺旋天線的性能對比

影響智能天線模塊在終端產品中應用的因素

解決方案：

選擇GPS接收機時時考慮技術性以及非技術性要求

選擇智能天線模塊

GPS已從一種集成產品發展成綜合系統解決方案的一部分。目前原始設備製造商(OEM)可以選擇用GPS晶片組、GPS模塊或智能天線模塊來實現系統集成。每種方案都有各自的利弊，OEM在選擇之前需要根據其整個系統的要求做出評估。本文提供了智能天線方案選擇思路，並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品中嵌入應用的因素。

近年來，GPS已從一種集成產品發展成綜合系統解決方案的一部分。這種轉變的動因是GPS的小型化進程和對降低成本的追求。高度集成的信號混合晶片完成RF前端功能，整個系統由包括GPS硬體、強大的處理內核、嵌入式存儲器的晶片以及小型電子元件構成，這些使得GPS小型化成為可能。OEM可以選擇用GPS晶片組、GPS模塊或智能天線模塊來實現系統集成。每種方案都有各自的利弊：基於晶片組的設計能提供高度的靈活性，但同時設計需要投入大量精力，並要求設計工程師掌握豐富的RF知識；而智能天線模塊是快速系統集成的正確選擇，在快速系統集成應用中，基於這種充分設計的GPS子系統，集成只需要最短的開發時間、最低的開發成本以及最小的開發風險。在開始批量生產的時候，採用智能天線模塊會顯著簡化物料採購儲備工作和產品的測試流程。

圖1：GPS系統需求分析

目前，市場上價格適中的GPS接收機種類豐富，可滿足OEM的不同需求。GPS生產商提供不同性能和不同系統集成等級的產品。即使現在的GPS接收機看起來可以用於簡單直接的系統集成，然而由於市場上存在大量可供選擇的產品，使得OEM廠商仍然很難做出最恰當的選擇。因此，建議OEM廠商在做出選擇之前先確定GPS接收機需要滿足的要求，包括技術和非技術因素，如圖1中所示。

系統的技術或非技術性要求 

技術性要求包括特性(如節能模式和支持SBAS)、易用性(特別是易配置性)和既要定性也要定量的性能標準。定量指標指可測參數，如準確度、啟動性能、跟蹤靈敏度和功耗，定性指標包括由外場測試獲得的可預期定位結果。有些GPS接收機在實驗室裡測得的技術指標可能很好，但很可能外場測試就不行。外場測試暴露出技術特性上的弱點或缺陷。不管GPS接收機技術怎樣發展，都仍會存在由於某種權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：功耗的降低可以通過縮減硬體架構得以實現，例如減少通道數和時/頻搜索窗口，但同時啟動性能便會打折扣。

工程師往往側重於關心技術性要求而忽視非技術性要求的重要性。有限的項目周期、預算和可利用的內部研發資源都會對產品設計產生影響。工程師需要謹慎地決定系統集成等級，這一等級最好被視為衡量自己研發工作技術深度的標尺。所選的系統集成等級會影響項目複雜度、進度、成本、產品和物料採備。在評估GPS接收機時，成本因素扮演了重要角色。對產品批量小的項目來說，最初的開發成本在整個產品成本中佔據了最大的一部分，必須著重考慮。對產品批量大的項目來說，開發成本對項目本身的影響可以忽略，為了優化產品成本，需要在研發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產品的低價，工程師和採購經理很容易被價格因素吸引而選擇最便宜的那種。請注意，單純地只關心產品成本而忽視其它要求很可能會導致令人失望的結果，例如項目延期和出現產品質量缺陷。性能差、質量達不到預期要求以及讓用戶不滿意，都是GPS嵌入式產品最不希望見到的。

在項目進行的初期階段就必須確定系統集成等級，它會影響對OEM GPS接收機的選擇。選定的系統集成等級類似於在設計複雜度和有限的周期、技巧和可用資源之間進行的一種權衡。

基於GPS晶片組設計可以提供最大的靈活性和產品優化。基於晶片組的設計需要開發工程師具備RF設計方面的豐富技巧和經驗，以完成產品開發並提供全面徹底的配套產品測試系統。基於晶片組的產品設計開發周期通常超過一年，成本較高，同時技術風險不容忽視。一般會進行三次或以上的產品原型測試，產品方可定型，在開發過程中強烈建議與GPS廠商緊密合作。總之，高昂的設計費用、較大風險和複雜的物料來源(20-40個來自不同半導體公司的元件)，使得這種方式僅適用於有大規模應用潛力的產品。

GPS模塊可以作為晶片組的替代選擇。模塊包含完整的GPS功能，允許開發工程師進行快速系統集成，而無需面對在開發過程中RF和GPS設計缺陷的麻煩。開發工程師只需要具備基本的RF知識，指定天線類型並將天線設計到模塊的鏈路上。模塊採用表面貼裝焊盤，可適用於自動貼裝和焊接流水線，因而對於中等和大批量生產項目來說是一種很有吸引力的選擇。從備料角度來看，使用模塊比採購數量眾多的元件更為容易，同時，由於供應商已經對GPS模塊做過全面測試，因此只需要進行相對簡單的產品測試。      
 

圖2:系統集成等級

GPS接收板本身帶專用RF和I/O接頭，體積雖然大於GPS模塊，但卻進一步簡化了系統集成工作。使用過程中除了選擇一款帶合適連接電纜和接頭的有源GPS天線外，不需要做其它與RF相關的設計工作。當易用性和划算的產品可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。

當能否迅速完成產品定型或迅速將產品投放市場成為產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，帶內置天線。智能天線模塊有兩種應用形式：一種是OEM智能天線模塊，用於終端集成，另一種是將智能天線封裝到某個組件中。

設計中選擇使用智能天線模塊 

由於具有系統集成快速和風險低的特點，在要求實現迅速產品定型、小批量生產和對進入市場時間要求嚴格的應用場合，GPS智能天線模塊是最適當的選擇。即使智能天線模塊包含了完全獨立的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)的選擇和將智能天線模塊嵌入到終端產品中去。

大多數智能天線模塊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，水平面上的輻射元對從天穹頂點發來的信號具有最大增益。當水平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。螺旋天線適合用於各個方向都要求能自由使用的終端產品中，如移動手持設備。由於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。

下面列出的幾點影響智能天線模塊在終端產品中嵌入應用的因素：

1.在選擇智能天線模塊前應了解終端產品的主要定位方向和使用方式：例如，電子設備是被放置在平面上工作還是被拿在手裡、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，如內部處理器和發光LCD顯示屏。

3.終端產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、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，良好設計的OEM智能天線模塊都按照廠商規範使用封裝外殼，已經對偏移諧振頻率進行了歸零校準。

封裝式智能天線 

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的產品不做硬體改動的情況下，選擇封裝式智能天線有一定優勢。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或藍牙進行通信，由主機(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這樣的標準便攜硬體平臺上運行的系統解決方案的理想選擇。

本文結論 

在集成設計工作中使用經過良好設計的智能天線，可以提供與使用GPS模塊和晶片組同樣高的性能等級。在日本，新宿是路測環境最苛刻的城市之一。市內道路兩側高樓林立，天空視野有限，對接收機的多徑抑制能力提出了嚴格考驗。智能天線模塊內含16通道ANTARIS定位技術，在如此惡劣的定位環境下仍能提供出色性能。

當要求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，智能天線模塊是切實可行的選擇方案。經過仔細挑選的智能天線模塊可以提供與傳統GPS晶片組和模塊集成相比擬的性能。

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