采用GNSS天线模块设计卫星定位系统

为了提供更具吸引力的特性，现在已有越来越多的终端产品整合了全球定位功能。除了人们所熟悉的导航系统，车辆和资产跟踪系统、个人定位器、安全系统、自动贩卖机、健康医疗监测和运动休闲设备等应用也都需要采用“全球导航卫星系统”（GNSS）接收器。

每个GNSS接收器都需要天线才能接收到2万公里以外的微弱卫星信号。由于许多客户不具备RF/天线调谐的专业技术，因此将卫星接收器芯片和天线整合在一个模块上的性能优化的“GNSS天线模块”便成为一种较好的解决方案。对于想要“立即”拥有全球定位功能的设备来说，这些模块具有快速上市和物流简化的优点，从而提供了一种具成本效益的绝佳方案。

GNSS天线模块的尺寸也远比采用外部天线设计的GNSS模块要小。这使得内置芯片天线的GNSS天线模块成为超薄型设计的理想选择，而且可省去许多设计上的麻烦。

GNSS天线模块的一种典型而理想的应用是个人与宠物跟踪设备，这是一个快速成长的市场。这类设备外形极小，却要在任何方位下提供最佳的天线性能。

卫星接收器芯片的另一项重要特性是需具备优异的抗干扰性能，因为个人跟踪设备通常会包含一个蜂窝调制解调器，而且可能会与移动电话放在同一个口袋中。两个重要的设计标准是：包含预调谐天线的GNSS天线模块，应能全方位提供最佳的接收质量;整合SAW滤波器需提供良好的抗蜂窝噪音的能力。

根据使用区域的不同，定位模块需要支持不同的卫星导航系统，包括GPS、GLONASS（俄罗斯）、北斗（中国）和QZSS（日本）。此外，同时支持两种卫星系统 （例如GPS/GLONASS、GPS/北斗、GLONASS/北斗）提升了定位速度与可靠性，因为使用至少四颗卫星来计算一个位置的机会增加了。

图1所示为内置芯片天线的GNSS天线模块的一个应用实例。由于芯片天线集成在模块内部，这款个人定位器的外形非常轻薄，它能通过网页界面跟踪和显示用户的位置。

该设备整合了u-blox的芯片天线模块CAM-M8Q（Chip Antenna Module，芯片天线模块），尺寸仅为9.6 x 14.0 x 1.95 mm，并支持多个GNSS。该芯片天线能处理从北斗（1560 MHz）和GPS（1575 MHz）到GLONASS （1606 MHz）的所有L1频率。这款表面贴装模块也非常薄，可满足客户的超薄产品设计需求。

在设计芯片天线模块时要特别小心，因为PCB本身就是天线整体的一部分（半个偶极）。因此，要获得最佳性能，供应商的设计支持，包括支持系统集成，并拥有具备多年芯片天线模块设计经验的应用工程师，便十分重要。

CAM-M8Q的另一个特性是，如果客户决定采用外部天线，该模块的内部芯片天线则可作为备用之选。当主选的外部天线可能出现故障或遭受损坏时，这一特性便能发挥良好的作用。举例来说，车辆跟踪系统的外部天线就很有可能被损坏 。

对于仅支持GPS功能的应用来说，PAM-7Q （图 3）的尺寸广受欢迎，因为它具备较好的安装灵活性。它可以直接安装在现有的设计中，或者通过引脚头（pin-header）焊接到定制的PCB上。PAM-7Q 的贴片（patch）天线尺寸为18 x 18 mm，可提供更小的贴片天线组件无法达到的RHCP极化性能。

设计简单且对接容易可使安装成本降至最低。该模块非常适合需要小巧、快速与低成本GPS定位功能的工业与消费应用。

这两款模块都经过特别的设计与调整，在任何方位下，都能提供最佳的天线性能。同时，由于整合了SAW滤波器，它们还具备优异的灵敏度与抗干扰特性。

图4所显示的是GNSS天线在三个不同平面上的增益测量结果。请注意，在垂直平面上的性能接近相同。这显示出，不论设备的方位如何，都能在面对天空的方向提供一致的天线增益。

这些测量是将模块安装在80 x 40 mm的接地面上进行的，此接地面实际上也是天线的一部份。图中深蓝色的长方形为建议的天线模块安装位置。

图5和图6电路原理图说明了利用CAM-M8Q GNSS天线模块进行设计的简易性。图5中的第一个原理图显示了采用内部GNSS天线的一个独立方案：只需几个外部无源器件用于常规电源供应过滤及保护。图中还包括了用来开启和关闭电源的可选的电源开关。

所有定位信息都通过引脚25和26上的2线NMEA接口传送给主机处理器;无需主机进行处理，该模块就能提供最终的定位信息。

图6所示为使用外部GNSS天线的设计。当外部天线损坏或连接中断时，该模块能自动切换到内部GNSS芯片天线，并继续执行定位功能。这一特性在车辆应用中非常有用，因为当车辆发生事故时，外部天线很可能会损毁。