GNSS天线入门

最近在研究GNSS天线。

以前做电机控制、BMS、蓝牙这些东西比较多，对GNSS的了解基本停留在会用模块的阶段。无非就是接个天线、配置串口，然后等着输出经纬度。真正出了定位性能问题，大多数时候也是直接找模块厂商或者天线厂商协助分析，并没有系统研究过天线本身。

前段时间看了一些GNSS天线资料，又查了不少射频方面的内容，发现自己以前对GNSS天线的理解其实挺浅的。以前总觉得定位性能主要取决于模块，后来才发现很多定位问题最后绕来绕去，根源还是天线。甚至同样一颗定位芯片，换个天线、换个布局、换个安装位置，搜星数量和定位速度都会发生明显变化。

既然最近正好在学习这一块，我索性把查到的资料和自己的理解整理一下。从GNSS天线的分类、极化方式、有源无源结构，到影响定位性能的各种参数和实际工程中的布局问题，尽量用工程师能看懂的方式梳理一遍。如果文中有理解不到位的地方，也欢迎做GNSS或者射频的朋友一起交流。

首先，理解GNSS天线，远比理解GNSS模块本身更重要。

很多人习惯把这类天线称为GPS天线，但严格来说这个名称已经有些过时了。GPS只是美国建设的全球卫星导航系统，而现代定位模块通常同时支持GPS、北斗、Galileo、GLONASS以及QZSS等多个星座，因此行业内更准确的名称应该是GNSS天线。如今绝大多数定位设备都已经采用多星座联合定位方案，能够同时跟踪三十颗甚至四十颗以上卫星，这也是为什么现在定位速度和精度相比十几年前有了明显提升。

理解GNSS天线之前，需要先理解一个事实：卫星信号非常弱。

卫星距离地面大约两万公里，当信号到达接收机天线时，功率通常只有-130dBm左右。这个数值对于很多人来说没有概念，可以简单理解为比WiFi、蓝牙甚至很多电子设备产生的杂散信号都要弱得多。

因此GNSS接收机每天都在做同一件事情，就是努力从大量噪声中寻找极其微弱的卫星信号。在这种背景下，天线性能、射频前端设计以及整机布局的重要性就被无限放大了。

从极化方式来看，GNSS天线主要分为线极化和圆极化两类。

所谓极化，本质上描述的是电磁波传播过程中电场方向的变化方式。如果电场始终沿着一个固定方向振动，那么这种波称为线极化波；如果电场方向在传播过程中不断旋转，形成螺旋状前进，则称为圆极化波。

GNSS卫星发射的信号采用的是右旋圆极化（RHCP，Right Hand Circular Polarization）。这意味着卫星信号在空间传播时，其电场方向会按照右手螺旋的方式不断旋转。因此理论上最理想的接收方式，就是采用同样的右旋圆极化天线进行接收。这样能够获得最大的极化匹配效率，使接收到的信号能量达到最高。

圆极化相比线极化还有一个非常重要的优势，那就是对多径干扰具有天然抑制能力。在城市环境中，卫星信号经常会被建筑物、玻璃幕墙、地面甚至车辆表面反射。反射后的信号极化方向往往会发生变化，原本的右旋圆极化信号有可能转变为左旋圆极化信号。

而GNSS天线对左旋圆极化信号的响应能力很弱，因此很多反射信号会被自动衰减掉，从而降低多径误差对定位精度的影响。这也是为什么几乎所有高性能GNSS设备，包括测绘设备、RTK基站以及车载导航设备，都采用右旋圆极化设计。

衡量圆极化性能时，有一个非常重要的参数叫做轴比（Axial Ratio）。

啥是轴比呢？就是圆不圆了，变成椭圆了。

很多工程师看天线规格书时习惯只关注增益，而忽略轴比。实际上对于GNSS应用来说，轴比的重要性并不亚于增益。轴比反映的是圆极化的纯度，理想圆极化的轴比为0dB，实际工程中通常能够做到1dB至3dB已经属于比较优秀的水平。轴比越小，说明天线接收来自天空不同方向卫星信号时的一致性越好，低仰角卫星的接收能力也会更强。

从供电方式来看，GNSS天线又可以分为无源天线和有源天线。

无源天线结构最简单，通常只有陶瓷Patch天线本体，不包含任何放大电路。它的优点是成本低、功耗为零、可靠性高，但由于没有增益补偿能力，因此对模块灵敏度以及布局设计要求较高。

有源天线则在无源天线基础上增加了射频前端电路，通常包括SAW滤波器和LNA低噪声放大器。SAW滤波器负责滤除GNSS频段之外的干扰信号，而LNA负责对极其微弱的卫星信号进行低噪声放大。由于LNA需要供电，因此接收机通常会通过射频馈线向天线提供3V、3.3V或者5V偏置电压。

有些工程师认为LNA增益越高越好，这种理解其实并不准确。GNSS接收系统最重要的指标之一是系统噪声系数（Noise Figure），而不是单纯的增益。过高的增益虽然能够提高信号幅度，但同时也会放大噪声，并且有可能导致后级接收机进入饱和状态。因此LNA设计通常需要结合模块灵敏度、线缆损耗以及系统动态范围进行综合考虑。对于普通车载产品来说，常见LNA增益大约在20dB至28dB之间。

从结构组成来看，一套完整的GNSS有源天线通常由陶瓷Patch天线、SAW滤波器、LNA、射频馈线以及连接器组成。其中Patch天线是真正负责接收卫星信号的核心部件。大家平时看到的白色方形陶瓷，其实就是Patch天线。

目前市场上最常见的尺寸包括25×25mm、18×18mm、15×15mm、12×12mm甚至更小尺寸。很多资料简单地说尺寸越大性能越好，但实际情况并没有那么简单。尺寸增大带来的不仅仅是增益提升，更重要的是带宽增加、方向图改善以及圆极化性能提升。特别是在低仰角方向，大尺寸天线通常能够保持更好的接收能力。

尺寸本身并不是决定性能的唯一因素。

Patch天线属于微带天线的一种，它实际上需要下方地平面的参与才能正常工作。地平面相当于天线的一部分，负责形成镜像电流和完整的辐射结构。因此在很多情况下，同样一块25×25陶瓷天线，放在不同PCB上，最终性能可能差异巨大。

对于GNSS设计而言，地平面甚至比陶瓷本身更重要。业内经常会提到一个经验值，大约70mm×70mm以上的连续地平面能够较好发挥25×25 Patch天线的性能。当然实际产品往往受尺寸限制无法达到这一要求，但原则始终不变：地平面越完整、越连续，天线性能越容易得到保证。

除了地平面之外，影响GNSS天线性能的另一个重要因素是周边电磁环境。由于GNSS信号本身极其微弱，因此任何高频噪声都有可能成为干扰源。常见的干扰源包括MCU晶振、DDR时钟、LCD排线、DC/DC开关电源、蓝牙发射器、WiFi模块以及4G通信模块等。

实际项目中经常会遇到一种情况：实验室搜星正常，量产后性能下降。最后排查发现并不是天线本身的问题，而是结构调整后让天线靠近了电感或者高速时钟区域。这类问题往往比天线选型本身更难解决，因为它涉及整个系统的EMC设计。

此外，金属遮挡也是GNSS设计中的常见问题。金属外壳、电池包、散热器、结构支架以及汽车隔热膜中的金属镀层，都会对卫星信号产生衰减或者反射作用。因此GNSS天线通常会被放置在设备最顶部，并尽量保证其上方拥有开阔视野。对于车载设备来说，很多高性能方案至今仍然采用外置磁吸天线，其核心原因并不是增益更高，而是能够获得更理想的安装环境。

最后再说几个工程师最关心的参数。

除了前面提到的轴比之外，GNSS天线规格书中最常见的参数还包括增益、驻波比、回波损耗以及噪声系数。增益反映天线接收信号的能力；驻波比（VSWR）反映阻抗匹配情况，通常要求小于2；回波损耗（Return Loss）反映信号反射程度，数值越大越好；噪声系数主要用于评价LNA性能，越低越有利于接收弱信号。

不过在实际产品开发过程中，我越来越觉得这些参数都只是参考。真正决定定位性能的，往往还是天线与整机的配合程度。同样一款天线，在测试板上可能表现优秀，放进整机以后却完全变了样。因此GNSS开发最终拼的不是单个器件参数，而是整个系统的综合设计能力。

很多工程师愿意花几十元升级定位模块，却不愿意给天线多留两平方厘米空间；愿意研究双频定位算法，却忽略了天线旁边那颗正在高速开关的电感。最后定位性能不好，又开始怀疑模块性能不够。实际上对于大多数产品来说，天线决定了你能否收到那个来自两万公里之外的微弱信号，而模块只是负责把这个信号计算成坐标而已。

所以说，GNSS设计的本质其实是三分靠模块，七分靠天线。