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(shè)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(lái)實(shí)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(gè)系統(tǒng)的要求做出評(píng)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(duì)比以及影響智能天線模塊在終端產(chǎn)品中嵌入應(yīng)用的因素。

近年來(lái)，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(dòng)因是GPS的小型化進(jìn)程和對(duì)降低成本的追求。高度集成的信號(hào)混合芯片完成RF前端功能，整個(gè)系統(tǒng)由包括GPS硬件、強(qiáng)大的處理內(nèi)核、嵌入式存儲(chǔ)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(lái)實(shí)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(shè)計(jì)能提供高度的靈活性，但同時(shí)設(shè)計(jì)需要投入大量精力，并要求設(shè)計(jì)工程師掌握豐富的RF知識(shí)；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(yīng)用中，基于這種充分設(shè)計(jì)的GPS子系統(tǒng)，集成只需要最短的開(kāi)發(fā)時(shí)間、最低的開(kāi)發(fā)成本以及最小的開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。在開(kāi)始批量生產(chǎn)的時(shí)候，采用智能天線模塊會(huì)顯著簡(jiǎn)化物料采購(gòu)儲(chǔ)備工作和產(chǎn)品的測(cè)試流程。

圖1：GPS系統(tǒng)需求分析。

目前，市場(chǎng)上價(jià)格適中的GPS接收機(jī)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(jí)的產(chǎn)品。即使現(xiàn)在的GPS接收機(jī)看起來(lái)可以用于簡(jiǎn)單直接的系統(tǒng)集成，然而由于市場(chǎng)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(dāng)?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(jī)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(biāo)準(zhǔn)。定量指標(biāo)指可測(cè)參數(shù)，如準(zhǔn)確度、啟動(dòng)性能、跟蹤靈敏度和功耗，定性指標(biāo)包括由外場(chǎng)測(cè)試獲得的可預(yù)期定位結(jié)果。有些GPS接收機(jī)在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)得的技術(shù)指標(biāo)可能很好，但很可能外場(chǎng)測(cè)試就不行。外場(chǎng)測(cè)試暴露出技術(shù)特性上的弱點(diǎn)或缺陷。不管GPS接收機(jī)技術(shù)怎樣發(fā)展，都仍會(huì)存在由于某種權(quán)衡造成的性能上的折衷。對(duì)智能天線模塊來(lái)說(shuō)，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(jià)的。對(duì)低功耗的追求帶來(lái)了另一種性能折衷：功耗的降低可以通過(guò)縮減硬件架構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)，例如減少通道數(shù)和時(shí)/頻搜索窗口，但同時(shí)啟動(dòng)性能便會(huì)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(xiàng)目周期、預(yù)算和可利用的內(nèi)部研發(fā)資源都會(huì)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。工程師需要謹(jǐn)慎地決定系統(tǒng)集成等級(jí)，這一等級(jí)最好被視為衡量自己研發(fā)工作技術(shù)深度的標(biāo)尺。所選的系統(tǒng)集成等級(jí)會(huì)影響項(xiàng)目復(fù)雜度、進(jìn)度、成本、產(chǎn)品和物料采備。在評(píng)估GPS接收機(jī)時(shí)，成本因素扮演了重要角色。對(duì)產(chǎn)品批量小的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，最初的開(kāi)發(fā)成本在整個(gè)產(chǎn)品成本中占據(jù)了最大的一部分，必須著重考慮。對(duì)產(chǎn)品批量大的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)成本對(duì)項(xiàng)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(guò)程中投入充足的時(shí)間和資源。

GPS廠商間的激烈競(jìng)爭(zhēng)造成GPS產(chǎn)品的低價(jià)，工程師和采購(gòu)經(jīng)理很容易被價(jià)格因素吸引而選擇最便宜的那種。請(qǐng)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(huì)導(dǎo)致令人失望的結(jié)果，例如項(xiàng)目延期和出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。性能差、質(zhì)量達(dá)不到預(yù)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(jiàn)到的。

在項(xiàng)目進(jìn)行的初期階段就必須確定系統(tǒng)集成等級(jí)，它會(huì)影響對(duì)OEM GPS接收機(jī)的選擇。選定的系統(tǒng)集成等級(jí)類似于在設(shè)計(jì)復(fù)雜度和有限的周期、技巧和可用資源之間進(jìn)行的一種權(quán)衡。

基于GPS芯片組設(shè)計(jì)可以提供最大的靈活性和產(chǎn)品優(yōu)化?；谛酒M的設(shè)計(jì)需要開(kāi)發(fā)工程師具備RF設(shè)計(jì)方面的豐富技巧和經(jīng)驗(yàn)，以完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)并提供全面徹底的配套產(chǎn)品測(cè)試系統(tǒng)。基于芯片組的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期通常超過(guò)一年，成本較高，同時(shí)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。一般會(huì)進(jìn)行三次或以上的產(chǎn)品原型測(cè)試，產(chǎn)品方可定型，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中強(qiáng)烈建議與GPS廠商緊密合作?？傊?，高昂的設(shè)計(jì)費(fèi)用、較大風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜的物料來(lái)源(20-40個(gè)來(lái)自不同半導(dǎo)體公司的元件)，使得這種方式僅適用于有大規(guī)模應(yīng)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(kāi)發(fā)工程師進(jìn)行快速系統(tǒng)集成，而無(wú)需面對(duì)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中RF和GPS設(shè)計(jì)缺陷的麻煩。開(kāi)發(fā)工程師只需要具備基本的RF知識(shí)，指定天線類型并將天線設(shè)計(jì)到模塊的鏈路上。模塊采用表面貼裝焊盤，可適用于自動(dòng)貼裝和焊接流水線，因而對(duì)于中等和大批量生產(chǎn)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)是一種很有吸引力的選擇。從備料角度來(lái)看，使用模塊比采購(gòu)數(shù)量眾多的元件更為容易，同時(shí)，由于供應(yīng)商已經(jīng)對(duì)GPS模塊做過(guò)全面測(cè)試，因此只需要進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品測(cè)試。

圖2:系統(tǒng)集成等級(jí)。

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(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)集成工作。使用過(guò)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(shè)計(jì)工作。當(dāng)易用性和劃算的產(chǎn)品可靠性是重點(diǎn)考慮的因素時(shí)，插入式接收板是最佳的選擇方案。

當(dāng)能否迅速完成產(chǎn)品定型或迅速將產(chǎn)品投放市場(chǎng)成為產(chǎn)品成功與否的決定因素時(shí)，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(jī)，帶內(nèi)置天線。智能天線模塊有兩種應(yīng)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(gè)組件中。

設(shè)計(jì)中選擇使用智能天線模塊

由于具有系統(tǒng)集成快速和風(fēng)險(xiǎn)低的特點(diǎn)，在要求實(shí)現(xiàn)迅速產(chǎn)品定型、小批量生產(chǎn)和對(duì)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合，GPS智能天線模塊是最適當(dāng)?shù)倪x擇。即使智能天線模塊包含了完全獨(dú)立的GPS功能，在使用過(guò)程中仍有一些設(shè)計(jì)工作有待進(jìn)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(shuō)，水平面上的輻射元對(duì)從天穹頂點(diǎn)發(fā)來(lái)的信號(hào)具有最大增益。當(dāng)水平面上接收仰角范圍很窄的時(shí)候，對(duì)這種高度中心式的靈敏性會(huì)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(dǎo)航中，靠著擋風(fēng)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(guò)的接地面尺寸共同決定的天線孔徑(antenna aperture)大小，也會(huì)影響信號(hào)接收靈敏性。

螺旋天線有相對(duì)較寬的方向特性：具有更寬的接收仰角，但峰值增益也相對(duì)較低。螺旋天線適合用于各個(gè)方向都要求能自由使用的終端產(chǎn)品中，如移動(dòng)手持設(shè)備。由于靠近人體時(shí)會(huì)干擾信號(hào)接收，在這種情況下使用螺旋天線造成的影響也相對(duì)較小，因而在距離人體組織或遠(yuǎn)或近的位置、在各個(gè)方向手持終端產(chǎn)品時(shí)都能實(shí)現(xiàn)GPS接收。不過(guò)螺旋天線也存在一個(gè)缺點(diǎn)：天線孔徑小，限制了整體的接收靈敏度。

下面列出的幾點(diǎn)影響智能天線模塊在終端產(chǎn)品中嵌入應(yīng)用的因素：

1.在選擇智能天線模塊前應(yīng)了解終端產(chǎn)品的主要定位方向和使用方式：例如，電子設(shè)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(duì)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(huì)影響片狀天線的諧振頻率。因此，良好設(shè)計(jì)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(duì)偏移諧振頻率進(jìn)行了歸零校準(zhǔn)。

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(dòng)的情況下，選擇封裝式智能天線有一定優(yōu)勢(shì)。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(guò)RS-232、USB或藍(lán)牙進(jìn)行通信，由主機(jī)(例如通過(guò)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)便攜硬件平臺(tái)上運(yùn)行的系統(tǒng)解決方案的理想選擇。

本文結(jié)論

在集成設(shè)計(jì)工作中使用經(jīng)過(guò)良好設(shè)計(jì)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(jí)。在日本，新宿是路測(cè)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(duì)接收機(jī)的多徑抑制能力提出了嚴(yán)格考驗(yàn)。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(dāng)要求快速實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，要求降低開(kāi)發(fā)成本或者內(nèi)部研發(fā)資源有限的時(shí)候，智能天線模塊是切實(shí)可行的選擇方案。經(jīng)過(guò)仔細(xì)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。