GPS天线及测试介绍

GPS天线简介
• GPS天线组成 • 天线简介和基础知识 • LNA简介和基础知识 • GPS天线技术要求
GPS天线简介
• GPS天线组成
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• GPS天线组成
GPS信号 陶瓷介质 贴片天线
低噪放 （LNA）
N型输出 GPS信号
头
DC +5V
LDO
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• 天线简介和基础知识
为英文Voltage Standing Wave Ratio的简写。 表征天线输入阻抗和馈线的特性阻抗匹配 性能的参数，匹配的优劣还可以用反射系 数和回波损耗来衡量。
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表征天线性能的主要参数 2. 驻波比：三者之间的关系如下 －VSWR为驻波比，
Γ 为反射系数，回波损耗为RL（Return Loss）
10logPout
Po-1dB
1dB
Pin-1dB
10logPin
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• GPS天线技术要求
包括环境条件、外观要求、性能指标要求、接口要求、可 靠性要求等。 作为室外应用产品，对防淋雨、防盐雾、防积雪都有一定 的要求，日益复杂的电磁环境，也使得GPS天线对带外的 大信号干扰有强抑制要求。同样，还要考虑到强防雷以及 一定的防盗保护。 同时，考虑到现场施工的方便性和后续更换的统一性，对 GPS天线的安装固定装置也作了统一的要求。
1 VSWR
1
RL 20 log
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表征天线性能的主要参数
3. 极化方式：所谓天线的极化，就是指天线辐射 时形成的电场强度方向。天线的极化特性可用 空间位置上电场矢量的端点随时间变化的轨迹 来描述。
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表征天线性能的主要参数
4. 轴比：椭圆极化波是指电磁波中电场矢量端点 的运动轨迹为椭圆。而轴比的定义则为椭圆长 轴与短轴的比值。
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表征天线性能的主要参数 7. 前后比：是指最大辐射方向（前向）电平与其相反
方向（后向）电平之比，通常以分贝为单位。表明 了天线对后瓣抑制的好坏。
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• LNA简介和基础知识 低噪声放大器（low-noise amplifier，简称LNA），是
射频接收机前端的主要部分。 它有四个特点： 噪声系数尽量小，且有一定的增益； 小信号线性放大，有足够大的线性范围； 输入端有良好的匹配； 应具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干
扰。
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S参数 也称散射参数，是基于入射波与反射波之间关系的参数。
a1
[S]
b1
b1 b2


S11S12 S21S22
a1

a2

a2
b2
S11

b1 a1
a2
0
S12

b1 a2
a1 0
S21

b2 a1
a2
0
S22

b2 a2
a1 0
波动大小，用最大波动值来表示。 4. 带外抑制度：衡量LNA对工作频率范围外信号的
抑制能力。 5. 输入匹配：衡量LNA输入阻抗的匹配，可用输入
驻波比或者S11来表示。 6. 输出匹配：衡量LNA输出阻抗的匹配，可用输出
驻波比或者S22来表示。
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表征LNA性能的主要参数
7. 噪声系数：表征信号通过LNA后，LNA内部噪声造成 信噪比恶化的程度。
GPS天线测试
• 环境和可靠性测试： 环境测试包括： GPS天线高低温 、高温、低温、高温高湿
可靠性测试包括： GPS天线雷击测试、抗静电测试、防水性能测试、盐雾测试、 包装跌落测试、包装随机振动测试、连接器插拔测试、高 温存储、低温存储、高温高湿存储、加电高温老化、加电 低温老化测试 、裸机非工作条件下的冲击测试、裸机非工 作条件下的振动测试
GPS天线内部LNA测试
• 测试仪器简介 • 常规性能测试 • 噪声系数测试 • 大信号加扰测试 • 拉偏电压测试 • 环境测试
GPS天线内部LNA测试
• 测试仪器简介 矢量网络分析仪：用于测试网络S参数（包括幅 度和相位）的仪器，如HP的8753
噪声分析仪：用于测试网络噪声系数的仪器， 如HP的8790
• GPS系统的空间部分最早由21 颗卫星组成，均匀分布在6 个轨道面上，地面高度为20000余公里，轨道倾角为55度， 扁心率约为0，周期约为12小时，卫星向地面发射两个波 段的载波信号，载波信号频率分别为1575.42兆赫兹（L1波 段）和1227.6兆赫兹（L2波段），其中L1为开放的民用信 号，信号为圆形极化，信号强度为-166dBm左右，属于比 较弱的信号。卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频 率的稳定性。
y
y
y
E E E
Z
x
x
（外向）
x
AR=∞ 线极化波
AR= 1.8 右旋椭圆极化波
AR= 1 左旋圆极化波
GPS天线简介
表征天线性能的主要参数
5. 方向图：天线的方向图是度量天线各个方向 收发信号能力的一个指标，通常以图形方式 表示为功率强度与夹角的关系 。
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表征天线性能的主要参数
6. 3dB波束宽度：衡量天线的最大辐射区域的尖 锐程度的物理量。通常取天线方向图主瓣两个 半功率点之间的宽度。
GPS天线简介
表征天线性能的主要参数 1. 增益：表征天线增益的参数有dBd和dBi。dBi是相对
于点源天线的增益，点源天线在各方向的辐射是均匀 的；dBd是相对于半波对称振子天线的增益。两者之 间的对应关系如下：dBi=dBd+2.15
2.15dBi
2.15
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表征天线性能的主要参数 2. 驻波比：全称为电压驻波比，又名VSWR，
GPS天线内部LNA测试
• 拉偏电压测试 电路连接与常规测试时一样，只是将LNA的供 电电压从4V拉偏到6V，看LNA的增益和电流的 变化
• 环境测试 包括高温、低温、高低温循环
GPS天线测试
• 测试环境 • 增益和输出驻波比测试 • 方向图和前后比测试 • 轴比测试 • 环境和可靠性测试
GPS天线测试
注意：这类仪表在使用之前都必须进行校准！
GPS天线内部LNA测试
• 常规性能测试
包括增益、输入 输出驻波比、 带外抑制、带 内平坦度的测 试
GPS天线内部LNA测试
• 常规性能测试
GPS天线内部LNA测试
• 噪声系数测试
GPS天线内部LNA测试
• 噪声系数测试
GPS天线内部LNA测试
• 大信号加扰测试
定义为系统输入信噪功率比与输出信噪功率比的比
值。
F SNR in Pin Nin SNR out Pout Nout
噪声系数用分贝表示：
NF(dB) 10logF
GPS天线简介
表征LNA性能的主要参数 8. 输出1dB压缩点：度量LNA的线性。
定义为使增益比线性放大器增益下降1dB时所对应的输出 信号的功率Pout
GPS天线简介及其测试
日期：2009-11-20
主要内容
• GPS系统概述 • GPS天线简介 • GPS天线内部LNA测试 • GPS天线测试
GPS系统概述
• GPS （Global Positioning System)：全球定位系统 美国从1973 年开始筹建，于1989年开始发射正式工作卫星， 并于1994年全部建成，投入使用。
GPS天线简介
表征LNA性能的主要参数 1. 工作频段：LNA工作的频率范围。 2. 增益（Gain）：衡量LNA对信号放大的性能。
电压增益：
Av

Vout Vin
功率增益：
Gp

Pout Pin
用分贝表示： G 20 log Av 10 log Gp
GPS天线简介
表征LNA性能的主要参数 3. 带内平坦度：衡量LNA在工作频率范围内增益的
天线是电路中的电磁信号与自由空间中传播的电 磁波之间的转换器件。
GPS天线简介
表征天线性能的主要参数
1. 增益：天线增益是用来衡量天线朝一个特 定方向收发信号的能力。 天线在某一方向的增益定义为 ：在输入功 率相等的条件下，实际天线与理想的辐射 单元在空间同一点处所产生的信号的功率 密度之比。通常是以天线在最大辐射方向 的增益作为这一天线的增益。增益通常用 分贝表示。
• 测试环境：微波暗室
GPS天线Hale Waihona Puke Baidu试
• 增益和输出驻波比测试：采用对比增益测试方法
GPS天线测试
• 方向图和前后比测试：
GPS天线测试
• 轴比测试：
测试设备和方向图测试相同，只是将发射的右旋圆 极化螺旋天线换为线极化天线。
测试时将转台调整到正对线极化天线的方向后固定 不动，控制转台使得待测GPS天线绕其对称轴旋转 一周，网络分析仪记录下信号波形，其最大值与最 小值之比即为天线的圆极化轴比（在以dB表示时即 为最大值与最小值之差）。