GNSS 天线设计指南

天线类型选择

贴片天线（Patch Antenna）

最常用的 GNSS 天线类型，右旋圆极化（RHCP）。

规格参数：
  尺寸：25×25mm（标准）/ 18×18mm（小型）
  增益：3-5 dBic（有源）/ 0-2 dBic（无源）
  轴比：< 3dB（圆极化质量）
  阻抗：50Ω
  
有源贴片天线内部结构：
  贴片辐射体 → 馈电网络 → LNA（低噪声放大器）→ 输出
  LNA 增益：约 20-30dB
  LNA 噪声系数：< 1.5dB

FPC 天线（柔性印刷电路天线）

适合空间受限的设备，可弯折安装。

优点：
  - 超薄（0.1-0.3mm）
  - 可弯折，适应各种安装位置
  - 成本低

缺点：
  - 增益低于贴片天线
  - 性能受安装位置影响大
  - 需要足够的地平面

螺旋天线（Helix Antenna）

适合需要全向覆盖的应用（如追踪器）。

优点：
  - 全向覆盖（各方向均可接收）
  - 体积小

缺点：
  - 增益低
  - 成本较高

天线性能参数详解

增益（Gain）

天线增益 = 方向性增益 × 效率

dBi：相对于各向同性天线的增益
dBic：相对于各向同性圆极化天线的增益

GNSS 天线增益参考：
  无源贴片（25×25mm）：约 3-5 dBic（天顶方向）
  有源贴片（含LNA）：约 25-30 dBic
  FPC 天线：约 0-2 dBic

轴比（Axial Ratio）

GNSS 信号是右旋圆极化（RHCP），天线轴比越小，极化匹配越好：

轴比 = 0dB：完美圆极化
轴比 < 3dB：良好圆极化
轴比 > 6dB：接近线极化（性能下降）

轴比对信号损失的影响：
  轴比 0dB → 损失 0dB
  轴比 3dB → 损失约 1.5dB
  轴比 6dB → 损失约 3dB

噪声系数（Noise Figure）

有源天线的 LNA 噪声系数直接影响接收灵敏度：

系统噪声系数（Friis 公式）：
  NF_total = NF_LNA + (NF_cable - 1) / G_LNA

示例：
  LNA 增益：25dB，噪声系数：1.5dB
  馈线损耗：3dB（噪声系数 = 3dB）
  
  NF_total = 1.5 + (3 - 1) / 316 ≈ 1.5dB
  
  结论：LNA 在前，馈线损耗对系统噪声影响很小
  → 有源天线应尽量靠近天线，减少馈线损耗影响

PCB 天线设计

地平面（Ground Plane）设计

地平面大小对天线性能影响显著：

贴片天线地平面要求：
  最小尺寸：70×70mm（性能开始下降）
  推荐尺寸：100×100mm 以上
  
  地平面越大，天线增益越高，仰角特性越好
  
FPC 天线地平面要求：
  FPC 天线通常需要在其下方有足够的地平面
  参考天线厂商的推荐地平面尺寸

净空区（Clearance）

天线净空区要求：
  ┌─────────────────────────────┐
  │         净空区（无铜）        │
  │   ┌─────────────────────┐   │
  │   │                     │   │
  │   │    GNSS 天线         │   │
  │   │                     │   │
  │   └─────────────────────┘   │
  │         净空区（无铜）        │
  └─────────────────────────────┘
  
  净空区宽度：≥ 5mm（四周）
  净空区内：无铜箔、无走线、无过孔
  净空区下方：可以有地平面（贴片天线需要）

馈线走线

射频馈线要求：
  阻抗：50Ω（微带线或共面波导）
  
  微带线阻抗计算（FR4，εr=4.4，h=1.6mm）：
    W/h = 1.9 → Z₀ ≈ 50Ω
    线宽 W ≈ 3.0mm（1.6mm 板厚）
  
  走线要求：
    - 尽量短（< 5cm）
    - 避免直角转弯（用45°或圆弧）
    - 两侧加地线屏蔽
    - 避免跨越分割地平面

天线测试方法

基本测试

1. 阻抗测试（VNA）：
   - 测量 S11（回波损耗）
   - 目标：S11 < -10dB（1575MHz）
   - 即 VSWR < 2:1

2. 增益测试（暗室）：
   - 在微波暗室中测量天线方向图
   - 记录天顶方向增益

3. 实际定位测试：
   - 开阔天空，记录 TTFF 和精度
   - 城市环境，记录可见卫星数和精度

快速验证方法

现场快速验证：
1. 连接 GNSS 模组和天线
2. 放置在开阔天空下
3. 等待 60 秒
4. 查看 NMEA 数据：
   - $GPGSV：可见卫星数（应 ≥ 6颗）
   - $GNGGA：定位质量（应 = 1 或 2）
   - $GNGSA：PDOP（应 < 3.0）

如果 60 秒内无法定位：
  → 检查天线连接
  → 检查供电
  → 换到更开阔的位置测试

常见天线问题

问题1：天线增益不足

症状：可见卫星数少，TTFF 长，精度差
原因：
  - 天线质量差
  - 安装位置不当（遮挡）
  - 地平面不足
  - 馈线损耗过大

解决：
  - 更换高增益天线
  - 改善安装位置
  - 增大地平面
  - 缩短馈线

问题2：干扰问题

症状：定位不稳定，精度时好时差
干扰源：
  - USB 3.0（谐波在 1.5GHz 附近）
  - 开关电源（宽带噪声）
  - Wi-Fi 2.4GHz（谐波）
  - 蜂窝模组发射（互调干扰）

解决：
  - GNSS 天线远离干扰源（≥ 10cm）
  - 在 GNSS 天线馈线上加 SAW 滤波器
  - 加强屏蔽（金属屏蔽罩）
  - 蜂窝模组发射时暂停 GNSS 采样