使用小型高性能 GNSS 天线最大限度减少设计妥协

工程学的一个重要方面在于，根据您对系统“必备功能”和“锦上添花功能”的判定，进行组件取舍的艺术。这些取舍包括速度与功耗、尺寸与功能、性能与成本。

做出这些决策需要进行“假设性”建模和仿真，并凭借经验判断哪些方案可行以及可行的程度。由此确定的组件选择在很大程度上决定了最终产品的能力、属性和局限性。

幸运的是，并非每个组件的选择都需要艰难的权衡或妥协。以全球导航卫星系统 (GNSS) 为例，这是一个涵盖 GPS、GLONASS、Galileo、北斗和其他卫星星座的总称，它们在 1.1 至 1.6 千兆赫 (GHz) 的射频频谱范围内提供全球定位、导航和授时 (PNT) 服务（图 1）。通过接收来自卫星的信号，并辅以先进的信号处理和复杂算法，GNSS 可用于从低精度资产跟踪到厘米级高精度 3D 定位的各种应用。

图 1：目前使用的 GNSS 系统众多，每种系统在 1.1 至 1.6 GHz 的射频频谱段内都有一个或多个分配频段。（图片来源：Taoglas）

GNSS 天线设计多种多样，以适应广泛的应用需求。有些天线设计用于覆盖分配频谱中的一个或几个 GNSS 频段，而另一些则覆盖多个或全部频段。除了选择所需的中心频率（或多个频率）和带宽外，设计人员还需要选择物理和电气特性。物理上，天线可以是外置的或嵌入式的；电气上，它们可以是有源的或无源的：

• 外置 GNSS 天线最适合需要最高精度和开阔天空视野的应用，确保在远程信息处理、测绘和自动驾驶车辆系统中获得准确可靠的卫星信号接收。
• 嵌入式天线是需要高封装集成度的应用的理想选择。它们为实现无缝、高度集成的 GNSS 终端产品（例如资产追踪器）提供了途径。
• 有源 GNSS 天线内置了一个由外部电源供电的低噪声放大器 (LNA)，用于增强信号。增强信号可以提高信噪比 (SNR)，这是改善接收信号恢复、减少后续数据错误和降低误码率 (BER) 的关键参数。
• 无源 GNSS 天线没有内部放大器。它们是一种更简单的解决方案，能够捕获入射的射频能量并直接将其传递到射频前端 (RFE)，提供的是一种尺寸更小、成本更低、无需供电的天线选项。

即使对于嵌入式天线，也可能需要包含 LNA，以减轻由长电缆走线或具有挑战性的环境因素（例如建筑物反射或树叶吸收）引起的信号损耗。

虽然有源嵌入式 GNSS 天线通常能提高性能，但也会增加复杂性、功耗、物理尺寸和 BOM 成本。无源天线比较简单，但射频性能可能会有所降低，而且对位置更敏感。

幸运的是，得益于 Taoglas 提供的广泛而深入的 GNSS 天线解决方案，设计人员可以根据优先参数为其应用找到最佳的天线组合。下面我们来看看两款代表性型号，一款嵌入式无源天线和一款有源外置天线，从中我们可以获得对比视角。

无源和有源天线

Inception 系列中的 HP2356.A（图 2，上）是无源多频段 GNSS 嵌入式贴片天线的一个很好的例子，专为获得最佳定位精度和安装位置而设计。该天线采用创新的陶瓷嵌套式贴片天线设计，针对 GPS L1/L2、Galileo、GLONASS 和北斗频段优化了增益。为该天线提供的众多性能参数中包括效率（图 2，左下）和增益（图 2，右下），下图显示了峰值响应频率和特意降低响应的频率。

图 2：所示为 HP2356.A 多频段 GNSS 无源嵌入式贴片天线（上图）；关键性能参数包括天线效率（左下）和增益（右下）。（图片来源：Taoglas）

两张图都清楚地显示了无源天线在目标频段内的性能，以及在那些频段之外的响应降低情况。

该天线尺寸为 35 × 35 × 6 mm，其扁平的设计能够让设计人员将多频段 L1/L2 GNSS 贴片集成到以前由于高度限制而无法实现的设备中。从天线到前端电路的射频走线必须保持 50 欧姆 (Ω) 的阻抗。Taoglas 建议将天线放置在尺寸至少为 70 × 70 毫米 (mm) 的电路板地平面中心，以确保最佳的性能。

对于有源外置设备，设计人员可以使用 XAHP.50.A.301111 Colosseum X 多频段 GNSS 天线（图 3，上），因为该天线在整个 GNSS 频谱范围内表现良好。该天线支持在城市环境中实现高定位精度和稳定的位置跟踪。

XAHP-50.A.301111 的效率如图所示（图 3，左下），并且由于包含了 LNA，其增益（图 3，右下）相比无源天线有显著提高。GNSS 频段内的关键射频规格包括 22 至 28 分贝 (dB) 的增益、25 至 50 dB 的带外 (OOB) 衰减范围，以及 2.6 至 4.5 dB 的低噪声系数 (NF)。

图 3：XAHP.50.A.301111 多频段 GNSS 天线（上图）包含一个 LNA，用于增强接收信号强度，从而提高 SNR 并降低 BER；其效率（左下）和增益（右下）相比无源天线有显著提升。（图片来源：Taoglas）

该天线在其整个带宽内具有出色的性能，其设计在 3D 接收半球内提供均匀的增益。这提供了宽轴比，从而增强了其多路径抑制能力。内置 LNA 的工作电压为 1.8 至 5 伏直流 (VDC)，功耗低于 20 毫安 (mA)；通过一根配备 SMA(M) 直式连接器的标准三米 (m) RG-174 同轴电缆连接到天线。

坚固、防破坏、永久安装的 ASA 外壳防护等级为 IP67，高度仅为 57 mm，直径约为 94 mm，设计便于安装。它通过一个空心的 M20 × 1.5 螺柱安装在面板上，同轴电缆可从中穿过。虽然它可以安装在任何表面上，但安装在金属表面上时性能可能会受到影响。

结语

对于需要接收一个、多个或全部可用 GNSS 星座的系统设计人员来说，有了 Taoglas 天线就无需为满足其特定需求而做出妥协。Taoglas 为 GNSS 频段全范围提供全方位无源和有源嵌入式和外置式天线选择。通过选择一款与需求紧密匹配的天线，设计人员可以消除项目中的一个困难的、不确定性的来源，并在定义项目的其余部分时获得更大的灵活性。