不同GNSS天线下的性能、CNR值与精度讨论
不同GNSS天线下的性能、CNR值与精度讨论
GNSS（全球导航卫星系统）天线是接收卫星信号的关键组件，其性能直接影响定位精度。本文从天线类型、有源电路、测试方法等多个维度，详细探讨了单馈、双馈和四馈天线在性能、载噪比（CNR）和精度方面的差异。
无源天线类型
单馈天线通过单个馈电激励产生正交模式形成圆极化，仅在其谐振频率附近呈现圆极化特性。当工作频率偏离谐振频率时，轴比会变差，呈现椭圆形。
双馈天线以及四馈天线是都是通过馈电点激励等效形成各自取向的偶极子，当每个偶极子依次相差90度时，能完美呈现宽带圆极化。这极大地改善了对交叉极化（多路径）信号的抑制，并因此提供比单馈电天线高得多的精度。
上图给图了双馈圆极化天线的实现方式，通过混合电桥实现90度相移。通过仿真软件我们可以得到双馈和四馈天线回波损耗的差异：四馈点天线S11变差。
双馈点和四馈点S11参数
下表给出了不同尺寸微带天线下的仿真增益表：
我们通常用的25x25x4mm增益在3dBi左右。
通用有源电路
GNSS天线通用有源电路
天线下来之后直接放大滤波器，第二级放大器取决于接收机链路增益。滤波器的作用就是把带外信号抑制掉。下面我们从天线无源性能结合有源电路对有源天线进行一个简单的比较。
在暗室环境下，发射天线为线极化，接收天线为待测试天线，测试设备选择矢量网络分析仪，可以选择待测天线不动或者发射天线不动进行对比。这里我们选择待测天线不动，通过旋转发射天线观察单馈、双馈天线接收信号的差异。
单馈天线接收水平和垂直线极化差异（轴比和方向图对称性带来的差异）
双馈天线接收水平和垂直线极化差异（轴比和方向图对称性带来的差异）
对比可知：双馈圆极化天线带来更好的极化相应，可以带来更稳定的相位中心。
当我们的发射天线从线极化变为右旋圆极化和左旋圆极化时，可以看到单馈和双馈天线在主极化和交叉极化的接收电平差异。
左图说明在1590MHz的谐振频率下，单馈电天线具有约25dB的交叉极化信号抑制，但在中心频率1575.42MHz和1602MHz处仅有约5dB的抑制。左图说明这从侧面也反映了抗干扰及多径能力。
右图说明双馈天线在整个带宽上提供了更好的圆极化响应。在两个中心频率处的交叉极化抑制明显更好：在1575.42MHz大约25dB，在1602MHz大约20dB。从侧面也反映了抗干扰及多径能力。
测试方法简述
一般来说是在单个接收机上简单地安装要进行比较的天线，并且比较最佳的两个或三个卫星的CNR值。为了有效评估天线性能的好坏，这里我们给出两种测试方法：多接收机和单接收机。
布置条件：
- 测试天线必须清楚地看到整个天空，具有相对低的天际线
- 接收机可以存储静态数据，如需要RTK，可以保持GGA数据
- 每个天线放置在临近相同的接地平面上，高度1~2m
- 被测天线彼此相隔不要小于0.5米（以确保没有耦合）
- 对于单接收机测试法需要实现快速地切换天线。
测试结果分析
1、载噪比CNR衡量了整个接收机接收信号的能力，更好的CNR值减少了GNSS丢星、提供了更好的捕获和更好的整体精度。对于捕获GNSS信号强度在-143dBm的区域，由于信号易受破坏性干扰和树冠衰减等因素的影响，卫星CNR值容易降到捕获阈值下，因此天线越好，这种情形越少发生。
对于高精度GNSS应用，最好的选择是四馈天线，其次是双馈天线，保证在整个天线带宽上提供良好的圆极化响应，提供优秀的多路径和交叉极化信号抑制。
2、精度对比（和测试环境相关）
各种参数精度对比
水平精度对比
申明：本文结合作者的经历，同时参考了《Antennas for Global Navigation Satellite Systems》、tallysman网站等相关信息，测试结果只作为参考。