GPS智能天線模塊在系統(tǒng)集成中的選擇和性能考量

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

近年來，GPS已從一種集成產(chǎn)品發(fā)展成綜合系統(tǒng)解決方案的一部分。這種轉(zhuǎn)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芯片完成RF前端功能，整個系統(tǒng)由包括GPS硬件、強大的處理內(nèi)核、嵌入式存儲器的芯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芯片組、GPS模塊或智能天線模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)集成。每種方案都有各自的利弊：基于芯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，并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(tǒng)集成的正確選擇，在快速系統(tǒng)集成應用中，基于這種充分設計的GPS子系統(tǒng)，集成只需要最短的開發(fā)時間、最低的開發(fā)成本以及最小的開發(fā)風險。在開始批量生產(chǎn)的時候，采用智能天線模塊會顯著簡化物料采購儲備工作和產(chǎn)品的測試流程。

圖1：GPS系統(tǒng)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(chǎn)商提供不同性能和不同系統(tǒng)集成等級的產(chǎn)品。即使現(xiàn)在的GPS接收機看起來可以用于簡單直接的系統(tǒng)集成，然而由于市場上存在大量可供選擇的產(chǎn)品，使得OEM廠商仍然很難做出最恰當?shù)倪x擇。因此，建議OEM廠商在做出選擇之前先確定GPS接收機需要滿足的要求，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(shù)，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(jié)果。有些GPS接收機在實驗室里測得的技術(shù)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(shù)特性上的弱點或缺陷。不管GPS接收機技術(shù)怎樣發(fā)展，都仍會存在由于某種權(quán)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件架構(gòu)得以實現(xiàn)，例如減少通道數(shù)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(cè)重于關(guān)心技術(shù)性要求而忽視非技術(shù)性要求的重要性。有限的項目周期、預算和可利用的內(nèi)部研發(fā)資源都會對產(chǎn)品設計產(chǎn)生影響。工程師需要謹慎地決定系統(tǒng)集成等級，這一等級最好被視為衡量自己研發(fā)工作技術(shù)深度的標尺。所選的系統(tǒng)集成等級會影響項目復雜度、進度、成本、產(chǎn)品和物料采備。在評估GPS接收機時，成本因素扮演了重要角色。對產(chǎn)品批量小的項目來說，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，必須著重考慮。對產(chǎn)品批量大的項目來說，開發(fā)成本對項目本身的影響可以忽略，為了優(yōu)化產(chǎn)品成本，需要在研發(fā)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(chǎn)品的低價，工程師和采購經(jīng)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(guān)心產(chǎn)品成本而忽視其它要求很可能會導致令人失望的結(jié)果，例如項目延期和出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。性能差、質(zhì)量達不到預期要求以及讓用戶不滿意，都是GPS嵌入式產(chǎn)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(tǒng)集成等級，它會影響對OEM GPS接收機的選擇。選定的系統(tǒng)集成等級類似于在設計復雜度和有限的周期、技巧和可用資源之間進行的一種權(quán)衡。

基于GPS芯片組設計可以提供最大的靈活性和產(chǎn)品優(yōu)化?；谛酒M的設計需要開發(fā)工程師具備RF設計方面的豐富技巧和經(jīng)驗，以完成產(chǎn)品開發(fā)并提供全面徹底的配套產(chǎn)品測試系統(tǒng)?；谛酒M的產(chǎn)品設計開發(fā)周期通常超過一年，成本較高，同時技術(shù)風險不容忽視。一般會進行三次或以上的產(chǎn)品原型測試，產(chǎn)品方可定型，在開發(fā)過程中強烈建議與GPS廠商緊密合作?？傊?，高昂的設計費用、較大風險和復雜的物料來源(20-40個來自不同半導體公司的元件)，使得這種方式僅適用于有大規(guī)模應用潛力的產(chǎn)品。

GPS模塊可以作為芯片組的替代選擇。模塊包含完整的GPS功能，允許開發(fā)工程師進行快速系統(tǒng)集成，而無需面對在開發(fā)過程中RF和GPS設計缺陷的麻煩。開發(fā)工程師只需要具備基本的RF知識，指定天線類型并將天線設計到模塊的鏈路上。模塊采用表面貼裝焊盤，可適用于自動貼裝和焊接流水線，因而對于中等和大批量生產(chǎn)項目來說是一種很有吸引力的選擇。從備料角度來看，使用模塊比采購數(shù)量眾多的元件更為容易，同時，由于供應商已經(jīng)對GPS模塊做過全面測試，因此只需要進行相對簡單的產(chǎn)品測試。

圖2:系統(tǒng)集成等級。

GPS接收板本身帶專用RF和I/O接頭，體積雖然大于GPS模塊，但卻進一步簡化了系統(tǒng)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(guān)的設計工作。當易用性和劃算的產(chǎn)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(chǎn)品定型或迅速將產(chǎn)品投放市場成為產(chǎn)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(nèi)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，用于終端集成，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

由于具有系統(tǒng)集成快速和風險低的特點，在要求實現(xiàn)迅速產(chǎn)品定型、小批量生產(chǎn)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?shù)倪x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(chǎn)品中去。

大多數(shù)智能天線模塊不是采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(fā)來的信號具有最大增益。當水平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(jīng)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。螺旋天線適合用于各個方向都要求能自由使用的終端產(chǎn)品中，如移動手持設備。由于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(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智能天線模塊在終端產(chǎn)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(chǎn)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里、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(nèi)部處理器和發(fā)光LCD顯示屏。

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，良好設計的OEM智能天線模塊都按照廠商規(guī)范使用封裝外殼，已經(jīng)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(chǎn)品不做硬件改動的情況下，選擇封裝式智能天線有一定優(yōu)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(chǎn)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這樣的標準便攜硬件平臺上運行的系統(tǒng)解決方案的理想選擇。

本文結(jié)論

在集成設計工作中使用經(jīng)過良好設計的智能天線，可以提供與使用GPS模塊和芯片組同樣高的性能等級。在日本，新宿是路測環(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，對接收機的多徑抑制能力提出了嚴格考驗。智能天線模塊內(nèi)含16通道ANTARIS定位技術(shù)，在如此惡劣的定位環(huán)境下仍能提供出色性能。

當要求快速實現(xiàn)終端產(chǎn)品的設計，要求降低開發(fā)成本或者內(nèi)部研發(fā)資源有限的時候，智能天線模塊是切實可行的選擇方案。經(jīng)過仔細挑選的智能天線模塊可以提供與傳統(tǒng)GPS芯片組和模塊集成相比擬的性能。