GPS智能天线模块在系统集成中的选择和性能考量

GPS已从一种集成产品发展成综合系统解决方案的一部分。目前原始设备制造商(OEM)可以选择用GPS芯片组、GPS模块或智能天线模块来实现系统集成。每种方案都有各自的利弊，OEM在选择之前需要根据其整个系统的要求做出评估。本文提供了智能天线方案选择思路，并讨论了片状天线和螺旋天线的性能对比以及影响智能天线模块在终端产品中嵌入应用的因素。

近年来，GPS已从一种集成产品发展成综合系统解决方案的一部分。这种转变的动因是GPS的小型化进程和对降低成本的追求。高度集成的信号混合芯片完成RF前端功能，整个系统由包括GPS硬件、强大的处理内核、嵌入式存储器的芯片以及小型电子元件构成，这些使得GPS小型化成为可能。OEM可以选择用GPS芯片组、GPS模块或智能天线模块来实现系统集成。每种方案都有各自的利弊：基于芯片组的设计能提供高度的灵活性，但同时设计需要投入大量精力，并要求设计工程师掌握丰富的RF知识；而智能天线模块是快速系统集成的正确选择，在快速系统集成应用中，基于这种充分设计的GPS子系统，集成只需要最短的开发时间、最低的开发成本以及最小的开发风险。在开始批量生产的时候，采用智能天线模块会显著简化物料采购储备工作和产品的测试流程。

目前，市场上价格适中的GPS接收机种类丰富，可满足OEM的不同需求。GPS生产商提供不同性能和不同系统集成等级的产品。即使现在的GPS接收机看起来可以用于简单直接的系统集成，然而由于市场上存在大量可供选择的产品，使得OEM厂商仍然很难做出最恰当的选择。因此，建议OEM厂商在做出选择之前先确定GPS接收机需要满足的要求，包括技术和非技术因素，如图1中所示。

系统的技术或非技术性要求

技术性要求包括特性(如节能模式和支持SBAS)、易用性(特别是易配置性)和既要定性也要定量的性能标准。定量指标指可测参数，如准确度、启动性能、跟踪灵敏度和功耗，定性指标包括由外场测试获得的可预期定位结果。有些GPS接收机在实验室里测得的技术指标可能很好，但很可能外场测试就不行。外场测试暴露出技术特性上的弱点或缺陷。不管GPS接收机技术怎样发展，都仍会存在由于某种权衡造成的性能上的折衷。对智能天线模块来说，片状天线(patch antenna)及其地面层的小型化是以牺牲灵敏度为代价的。对低功耗的追求带来了另一种性能折衷：功耗的降低可以通过缩减硬件架构得以实现，例如减少通道数和时/频搜索窗口，但同时启动性能便会打折扣。

图1：GPS系统需求分析。

工程师往往侧重于关心技术性要求而忽视非技术性要求的重要性。有限的项目周期、预算和可利用的内部研发资源都会对产品设计产生影响。工程师需要谨慎地决定系统集成等级，这一等级最好被视为衡量自己研发工作技术深度的标尺。所选的系统集成等级会影响项目复杂度、进度、成本、产品和物料采备。在评估GPS接收机时，成本因素扮演了重要角色。对产品批量小的项目来说，最初的开发成本在整个产品成本中占据了最大的一部分，必须着重考虑。对产品批量大的项目来说，开发成本对项目本身的影响可以忽略，为了优化产品成本，需要在研发过程中投入充足的时间和资源。

GPS厂商间的激烈竞争造成GPS产品的低价，工程师和采购经理很容易被价格因素吸引而选择最便宜的那种。请注意，单纯地只关心产品成本而忽视其它要求很可能会导致令人失望的结果，例如项目延期和出现产品质量缺陷。性能差、质量达不到预期要求以及让用户不满意，都是GPS嵌入式产品最不希望见到的。

在项目进行的初期阶段就必须确定系统集成等级，它会影响对OEM GPS接收机的选择。选定的系统集成等级类似于在设计复杂度和有限的周期、技巧和可用资源之间进行的一种权衡。

基于GPS芯片组设计可以提供最大的灵活性和产品优化。基于芯片组的设计需要开发工程师具备RF设计方面的丰富技巧和经验，以完成产品开发并提供全面彻底的配套产品测试系统。基于芯片组的产品设计开发周期通常超过一年，成本较高，同时技术风险不容忽视。一般会进行三次或以上的产品原型测试，产品方可定型，在开发过程中强烈建议与GPS厂商紧密合作。总之，高昂的设计费用、较大风险和复杂的物料来源(20-40个来自不同半导体公司的元件)，使得这种方式仅适用于有大规模应用潜力的产品。

GPS模块可以作为芯片组的替代选择。模块包含完整的GPS功能，允许开发工程师进行快速系统集成，而无需面对在开发过程中RF和GPS设计缺陷的麻烦。开发工程师只需要具备基本的RF知识，指定天线类型并将天线设计到模块的链路上。模块采用表面贴装焊盘，可适用于自动贴装和焊接流水线，因而对于中等和大批量生产项目来说是一种很有吸引力的选择。从备料角度来看，使用模块比采购数量众多的元件更为容易，同时，由于供应商已经对GPS模块做过全面测试，因此只需要进行相对简单的产品测试。

图2:系统集成等级。

GPS接收板本身带专用RF和I/O接头，体积虽然大于GPS模块，但却进一步简化了系统集成工作。使用过程中除了选择一款带合适连接电缆和接头的有源GPS天线外，不需要做其它与RF相关的设计工作。当易用性和划算的产品可靠性是重点考虑的因素时，插入式接收板是最佳的选择方案。

当能否迅速完成产品定型或迅速将产品投放市场成为产品成功与否的决定因素时，GPS智能天线模块是最佳的选择。智能天线模块包含完整的GPS接收机，带内置天线。智能天线模块有两种应用形式：一种是OEM智能天线模块，用于终端集成，另一种是将智能天线封装到某个组件中。

设计中选择使用智能天线模块

由于具有系统集成快速和风险低的特点，在要求实现迅速产品定型、小批量生产和对进入市场时间要求严格的应用场合，GPS智能天线模块是最适当的选择。即使智能天线模块包含了完全独立的GPS功能，在使用过程中仍有一些设计工作有待进行，包括天线类型(片状天线或螺旋天线)的选择和将智能天线模块嵌入到终端产品中去。

大多数智能天线模块不是采用陶瓷片状天线就是螺旋天线。片状天线具有方向性，在辐射元的正交面上有最大增益。换句话说，水平面上的辐射元对从天穹顶点发来的信号具有最大增益。当水平面上接收仰角范围很窄的时候，对这种高度中心式的灵敏性会造成较大影响。片状天线适合用于主要朝向上方的终端产品中，例如用在车载导航中，靠着挡风玻璃安装在排气罩上。另外，由辐射元尺寸和它下方辐射经过的接地面尺寸共同决定的天线孔径(antenna aperture)大小，也会影响信号接收灵敏性。

螺旋天线有相对较宽的方向特性：具有更宽的接收仰角，但峰值增益也相对较低。螺旋天线适合用于各个方向都要求能自由使用的终端产品中，如移动手持设备。由于靠近人体时会干扰信号接收，在这种情况下使用螺旋天线造成的影响也相对较小，因而在距离人体组织或远或近的位置、在各个方向手持终端产品时都能实现GPS接收。不过螺旋天线也存在一个缺点：天线孔径小，限制了整体的接收灵敏度。

下面列出的几点影响智能天线模块在终端产品中嵌入应用的因素：

1.在选择智能天线模块前应了解终端产品的主要定位方向和使用方式：例如，电子设备是被放置在平面上工作还是被拿在手里、与水平面呈一定倾角贴近人体头部使用。

2.天线集成的位置不能靠近噪声源，如内部处理器和发光LCD显示屏。

3.终端产品的外壳材料对天线性能有影响。外壳或屏蔽层材料的介电常数、厚度以及到天线表面的间距都会影响片状天线的谐振频率。因此，良好设计的OEM智能天线模块都按照厂商规范使用封装外壳，已经对偏移谐振频率进行了归零校准。

封装式智能天线

封装式智能天线是OEM智能天线模块的一种替代选择。在要求嵌入GPS的产品不做硬件改动的情况下，选择封装式智能天线有一定优势。封装式智能天线有两种：分立式智能天线和密耦合智能天线。分立式智能天线可以放在有较好天空视野的位置上，例如GPS鼠(GPS mice)。它们之间通过RS-232、USB或蓝牙进行通信，由主机(例如通过USB电源线)或充电电池供电。密耦合智能天线可直接插入终端产品中去，例如通过CF插槽(Compact Flash slot)。

封装式智能天线是在像便携PC和PDA这样的标准便携硬件平台上运行的系统解决方案的理想选择。

本文结论

在集成设计工作中使用经过良好设计的智能天线，可以提供与使用GPS模块和芯片组同样高的性能等级。在日本，新宿是路测环境最苛刻的城市之一。市内道路两侧高楼林立，天空视野有限，对接收机的多径抑制能力提出了严格考验。智能天线模块内含16通道ANTARIS定位技术，在如此恶劣的定位环境下仍能提供出色性能。

当要求快速实现终端产品的设计，要求降低开发成本或者内部研发资源有限的时候，智能天线模块是切实可行的选择方案。经过仔细挑选的智能天线模块可以提供与传统GPS芯片组和模块集成相比拟的性能。

作者：Georg zur Bonsen

产品经理

Email: zurbonsen@u-blox.com

Thomas Christen

亚洲客户支持部经理

u-blox公司