基于无线电天线模块的便携式追踪设备的天线设计

便携式跟踪设备的设计者被困在一个有三种边界的空间中：物理，成本和可用技术。所有这些都具有挑战性，但没有一个是不可克服的。

您可以通过蜂窝无线电查询以找出主机平台所在位置的设备已经以车辆跟踪器和隐蔽设备的形式存在了一段时间。现在消费者设备变得可用，可用于跟踪儿童，工人，老人，宠物，行李和其他个人财产。

您可以通过蜂窝无线电查询以找出主机平台所在位置的设备以车辆跟踪器和隐蔽设备的形式存在一段时间。现在，消费者设备正在变得可用，可用于跟踪儿童，工人，老人，宠物，行李和其他个人财产。

列表看似无穷无尽。如果设备被篡改，主机设备被移除或者即使它超出编程区域（地理围栏），一些跟踪器也能够提供警报。如果设备由单独的工作人员佩戴，跟踪器也可以配备恐慌或呼叫按钮。图1显示了适用于单独的工作和执行安全应用程序的信用卡大小跟踪设备

图1：信用卡大小跟踪器设备，GPS RF天线模块在图片底部可见/突出显示。 （注意：在此视图中无法看到GSM天线。）设备尺寸：80 mm x 50 mm x 6.9 mm（长x宽x高）。

原则上，跟踪器是一种具有GPS接收器的简单设备它知道它在哪里，以及蜂窝无线电终端，以便它可以在命令时发送这些信息。然而，在实践中，在设计必要的无线电系统时涉及一些具有挑战性的问题。在本文中，我们将研究这些问题并了解它们如何被克服。

便携式跟踪设备有各种形状 - 手表，信用卡格式，USB记忆棒，狗项圈等，但不幸的是它们主要有一种尺寸 - 小。小尺寸因素导致将GPS和蜂窝无线电组件缩小到可用的有限空间，防止它们相互干扰并使天线有效地发送或接收信号，从而产生问题。

GPS信号是圆极化的，在过去，陶瓷贴片天线主要用于接收它们。贴片天线在具有固定水平方向的设备中工作良好，因为它们具有在天空向上看的相对窄的光束。如果它们足够大并且安装在适当大的地平面上，它们是有效的。然而，在诸如跟踪器之类的移动设备中，方向可能会有所不同 - 因此贴片天线更不适合。

需要一种具有更全向模式的天线，因此跟踪器的方向不太重要。不幸的是，天线方向图越全向，天线增益越低，结果，卫星信号的接收信号强度稍弱，导致定位精度降低。然而，这是必要的要求，并且由于跟踪器可以从更多数量的卫星接收信号而得到一定程度的补偿。这反过来可以帮助恢复位置准确性。 Antenova一直致力于开发多种天线和无线电天线模块，这些模块专门用于非常小的跟踪设备和其他移动GPS设备（图2）。

图2：GPS腕表设计的俯视图和仰视图，GPS射频天线模块在图片右侧可见/突出显示。设备尺寸：45毫米x 38毫米x 17毫米（长x宽x高）。

GPS系统

GPS系统基于一组卫星，目前编号约为30颗。每颗卫星发射连续无线电信号包含导航消息，GPS接收器通过仔细计时这些信号来计算其位置。其中一个最重要的参数是载波/噪声比（C/N0），接收机为每个卫星计算和报告。载波是来自卫星的有用信号，噪声是不需要的背景信号。背景热噪声始终存在，但可能存在来自跟踪器本身和附近的任何其他电子设备的噪声。具有良好的C/N0（低噪声，良好的天空视野和大量可见的卫星），固定的GPS跟踪器可以定位自己，中位误差约为2.5米。当噪声水平上升时，这会迅速恶化，因此最大化C/N0非常重要。

用于远足的汽车或手持设备的导航系统是相对较大的结构，通常不包括蜂窝无线电。在小型跟踪设备中，GPS接收器和蜂窝无线电被挤压到一个非常小的空间内，产生以下问题：

来自GSM系统，主处理器甚至LCD显示器（如果安装）的噪声可能会干扰GPS信号的接收。

GSM天线与GPS天线之间的耦合降低无线电系统的效率。

GSM传输可能会淹没GPS前端LNA，造成谐波和其他问题。

来自GSM PA的宽带噪声可能使GPS接收器不敏感。

其他组件（如电池）的紧密接近可能会影响两个无线电系统的性能。

GPS天线可用的空间可能不适合最佳信号接收。对于跟踪设备，所使用的设备的方向是未知的，因此需要尽可能全方位的天线方向图。天线始终有一个最适合全方位覆盖的位置，但由于设备的ID和所有其他组件的布局，此位置可能无法使用。这在较大的平台上不是问题。

这些问题的解决方案在于仔细的系统设计和对天线的良好理解。例如，可以通过将它们安装在PCB的相对侧上来最小化GSM，GPS无线电和天线之间的耦合。 GPS LNA之前的阻塞滤波器以及之后的第二个阻塞滤波器可以防止GSM传输影响GPS系统。图1显示了一个模块，我们在其上确定了主要的GPS和GSM组件。将无线电和天线组合对于GPS系统特别有用，其中无线电和天线的尺寸大致相同并且可以制造为单个无线电天线单元;因此，优化设计是一个良好的设计实践和技术诀窍。为被动和主动测试提供良好的测量设备也很重要。测试通常在消声室中进行，该消声室用于模拟来自GPS卫星和蜂窝基站的信号。

GSM系统虽然3G网络可用于跟踪器，但GSM通常是首选，因为它更全面的报道。对于跟踪器设计者来说，DCS和PCS频带通常不是一个重要问题，但850和900 MHz的两个低频带是一个主要问题。如果你问这样一个问题：“天线可以无限小吗？”答案是“不”，这是一个物理限制。这个限制，有时称为Chu-Harrington极限，与包围天线的最小体积有关，以波长表示。如果在长波长下工作的小型天线低于此限制，则带宽或效率将会丢失。用于低频GSM性能的移动电话的理想长度约为120毫米，但是可以实现低至约80毫米的合理性能。不幸的是，许多跟踪设备的最大尺寸只有40毫米，因此天线设计是一项重大挑战。每个天线必须有两个部分 - 天线本身是一个部分，而PCB通常是另一个部分。唯一的例外是天线本身有两半，例如偶极天线。对于典型的跟踪器天线布置，天线必须非常小，因为许多其他组件必须安装在跟踪器盒内。实际上，PCB是主要的辐射组件，其缺乏长度变得至关重要。关于这个问题可以做些什么？一种解决方案是将PCB接地平面延伸到盒子外部，作为任何外部功能的一部分，例如基于手表的跟踪器上的带子或宠物跟踪器上的项圈。即使是用于连接电线的跟踪器末端的环路也可以对天线性能产生有用的影响。如果没有可用的外部特征，则值得考虑使用具有两个天线臂的平衡偶极子结构，因为通过将它们连接到相对端的盒子内部可以使它们相距很远。这个距离可以大于单个天线和PCB之间的距离。

约束和权衡

便携式跟踪设备的设计者被困在具有三种类型边界的空间中。一个边界是限制小天线有效性的物理定律 - 除了利用良好的工程实践和经验之外，没有太多可以做的事情。另一个边界是成本，因为跟踪器通常必须是廉价的设备 - 降低成本的工程是一种既定且有效的艺术，但它并没有增加设计者的选择。第三个限制是由现有技术形成的。例如，如果有更好的组件，那么跟踪器的设计和性能是否会得到改善？让我们看看这个。

一个典型的完整GSM模块，可用于跟踪器，尺寸约为30 x 30 x 5 mm，电池通常具有相似的尺寸。这两个组件占据了大部分可用空间，因为处理器和GPS系统通常较小。假设整个GSM无线电可以缩小到单个芯片或更小的模块。突然间，跟踪器中释放了大量空间，但最好如何使用它？正如我们所看到的那样，将盒子缩小是没有用的。但也许盒子可以做得更长更薄，特别是如果可以选择合适的电池。现在，跟踪器变成了一个厚厚的条带，可能隐藏在一个有价值的画作的框架中或隐藏在一个豪华名牌包的衬里，只是为了给出两个可能的例子。现在想象我们引入柔性印刷电路技术与弯曲的电池。我们的条形跟踪器可以变成表带，而不是手表的一部分，或成为狗项圈或腰带的一部分。该设备的长格式意味着GSM无线电将很好地工作，并且该设备将更容易隐藏。目前，SIM卡和支架的尺寸和刚性形状将阻止实现这种类型的设计，因此需要新的SIM卡格式。这些考虑表明，改进的组件可以帮助设计师，因此这是推动的边界。

经验教训低成本跟踪设备越来越受欢迎，并将在保护人员和财产方面发挥越来越大的作用。在这些设备中设计无线电并不容易，但到目前为止我们学到的是：

GPS和GSM无线电和天线都必须从跟踪器开发的开始设计，以确保它们位于最佳位置，以实现有效辐射和最小耦合。

无线电和天线之间需要更大的集成，以创建易于构建成原型的紧凑模块。

由于跟踪器的尺寸小，因此必须充分了解适用于小型物理的物理定律。天线，以及它们与跟踪器应用的关系。

了解最新技术和设备以及压缩更小，更集成的组件非常重要。

Antenova的GPS RADIONOVA射频天线模块包含天线和所有射频和信号处理电路，并且只需在主板上添加一些处理器电源和相应的应用软件。该模块提供了一个完整的射频子系统，用于为便携式跟踪设备增加GPS和定位功能，并已被证明是该应用的射频和卫星采集性能方面最通用和最强大的解决方案。