GPS天线及测试介绍

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（GlobalPositioningSystem)：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。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GPS天线简介•GPS天线组成N型输出头LDOGPS信号陶瓷介质贴片天线低噪放（LNA）GPS信号DC+5VGPS天线简介•天线简介和基础知识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。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+2.152.152.15dBiGPS天线简介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，为英文VoltageStandingWaveRatio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。GPS天线简介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（ReturnLoss）log2011RLVSWRGPS天线简介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。GPS天线简介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。yyyxxxEEEAR=∞线极化波AR=1.8右旋椭圆极化波AR=1左旋圆极化波Z（外向）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。GPS天线简介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。GPS天线简介•LNA简介和基础知识低噪声放大器（low-noiseamplifier，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。GPS天线简介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。[S]a1b1a2b2212221121121aaSSSSbb000012222212211211221111aabSaabSaabSaabSGPS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：功率增益：用分贝表示：inoutvVVAinoutpPPGpvGAGlog10log20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。GPS天线简介表征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。定义为系统输入信噪功率比与输出信噪功率比的比值。噪声系数用分贝表示：outoutininoutinNPNPSNRSNRFFdBNFlog10)(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Pout10logPout10logPin1dBPo-1dBPin-1dBGPS天线简介•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。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•测试环境：微波暗室GPS天线测试•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）。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