车载导航系统在日常使用中的故障率比较高,通常表现为搜星慢、搜不到卫星信号、导航状态下有杂音等。导航故障中,有很大一部分是因导航天线的安装不符合要求而引起的,也有少数的是因导航天线损坏或者导航接收主机损坏引起的。
0、前言
车载导航系统由导航天线、导航接收主机两部分组成。导航天线的主要功能是将GPS或北斗卫星信号非常微弱的电磁波转化为电流,并对这种电流进行前置放大。导航接收主机的功能是对经过放大的信号进行变频.解扩、解调等处理,解译出导航卫星发送的导航电文,实时地计算出天线所在位置即车辆位置的三维位置,甚至三维速度和时间,从而实现定位和导航。
车载导航系统在日常使用中的故障率还是比较高的,通常表现为搜星慢、搜不到卫星信号(卫星颗数显示为零)、导航状态下有杂音,等等。导航故障中,有很大一部分是 因导航天线的安装不符合要求而引起的,也有少数是因导航天线损坏或者导航接收主机(包括硬件和软件)损坏引起的。
1、车载导航天线的结构
1.1车载导航天线的外部结构
车载导航接收机一般使用的外置导航天线,多为有源天线,其外观如图1所示,它主要由接收端、反馈线和连接端组成。接收端是-个方的密封体,是导航天线的核心部分。
接收端的上方为弧形面,这面是工作面(或称接收面);底部为平面,贴有参数标签,如图2所示。安装时工作面必须面向天空才能接收卫星信号。
常见的车载导航天线主要有两种: 一种是GPS天线,另一种是北斗+GPS双模二合一天线,图3的左图是GPS天线的参数标签,右图是北斗+GPS天线的参数标签。参数标签上通常标有Frequency(频率)、Center Frequency( 中心频率)、Gain(增益)、DC Voltage(直流电压)。左图标的频率是1575MHz,是GPS的频率,说明它是单频的天线,即GPS天线。右图标的频率是1575MHz/1561MHz,是GPS的频率和北斗的频率,说明它是双频的天线。双频天线一般还标明中心频率 ,通常是1568MHz。左图没有标增益,而右图标有增益,有源天线的增益通常为28dB或38dB。两个天线都标有工作电压3V~5V,说明这两个天线都是有源天线,也就是这个天线内部有放大电路的,放大电路是需要供电的。
馈线是传输信号的线缆。连接端是天线另一头的金色小金属,专业名称叫“射频连接器”,主要用来同导航机进行连接的。
1.2接收端的内部结构
下面我们拆解一个导航天线的接收端,来看看它的内部结构。首先将接收端底部的贴纸撕下,就看到纸上有一块圆柱形的磁铁,如图4所示。若要把接收端固定在铁上面,直接将接收端的底面吸附在铁上面就可以了。若要固定在非金属面上,可用双面胶来粘。
接收端为了防水,外壳密封性很好,底板采用了胶粘方法,取下底板比较困难,可先用小改刀将底板与外壳四周撬松,然后才能取下底板。取下底板后,就可以看到里面有一块电路板,并用屏蔽罩罩起来,如图5所示。
取出电路板,就看到正面的陶瓷天线了,如图6所示。陶瓷天线也叫无源天线、介质天线、PATCH,它是导航天线的核心。陶瓷天线的基板是一块陶瓷片,由陶瓷粉末烧结而成,陶瓷粉末的好坏和烧结工艺直接影响它的性能。市面上的陶瓷片尺寸主要有25mm X25mm、18mmx18mm、15mmX15mm、12mmX12mm等,陶瓷片的面积越大,共振的频率越高。在陶瓷片的一面镀了一层含银的材料,称为银层,银层可以影响天线的共振频率,GPS天线理想的频点是1574.42MHz,在制作中可以调整银面形状来调频点。中间有一个金属圆点,是陶瓷天线的馈点,馈点的底部有一根导电针,导电针穿过电路板,焊在电路板上,这样陶瓷天线通过馈点收集共振信号并发送至后端。由于天线阻抗匹配的原因,馈点一般不是在陶瓷天线的正中央,而是在xY方向上做微小调整。这样的阻抗匹配方法简单而且没有增加成本。仅在单轴方向上移动称为单偏天线,在两轴均做移动称为双偏天线。陶瓷天线的增益比较小,因此后面需要设置低噪声的放大器对信号进行放大。
焊下电路板上安装的屏蔽罩后,就可以看到里面有一部分电路,电路很简单,主要是一级或两级前置放大器,如图7所示。它是一个低噪声的放大器,也就是INA,所以说这个有源天线它是需要供电的。
通过上述介绍,可以看出,这种导航天线主要由天线单元(陶瓷天线)和前置放大器两部分组成的。
2、车载导航天线的主要参数和选购
2.1车载导航天线的主要参数
车载导航天线大多采用有源天线,其主要参数有:工作频率、阻抗、增益、噪声系数、工作电压与电流。新的导航天线,在接收端的底部贴有参数标签,上面通常标有天线的工作频率、工作电压、有源增益等参数。
2.1.1极化方式
卫星发射的信号采用右旋圆极化方式,车载导航天线的极化方式都会用右旋圆极化。
2.1.2天线的工作频率
工作频率决定了天线可以接收什么样的信号。天线就是一个频率选择器件,接收某些频率的信号,滤掉其他不需要的频率信号,理论上任何一个天线都只能工作在有限的频段内。为了适应导航定位技术的发展,天线的工作频率已由之前的支持单系统向支持多系统发展,单一频率向多个频率兼容发展,从GPS天线发展到北斗+GPS天线。GPS天线是一种单 频的天线,其工作的中心频率是1575.42MHz (在天线产品标签上也有标为1575MHz的),这种天线仅支持GPS单系统。北斗+GPS天线是一种双频天线有两个中心频率, 一个是1575MHz, 支持GPS系统,另一个是1561MHz,支持北斗系统。
2.1.3天线阻抗
天线的阻抗是衡量天线将信号传送到后端的能力,天线下来直接接射频前端电路,如果天线的阻抗和电路的输入阻抗匹配,理论。上完全匹配时能量百分之百流向后端,如果存在失配,会造成能量的损失。天线阻抗一般为502。
2.1.4天线增益
天线增益是导航天线很重要的一个指标,若天线增益太低,,就不能稳定捕获跟踪卫星。常见的有源天线的增益为28dB或38dB。
2.1.5噪声系数
天线有源电路的噪声会累加到整个接收机系统噪声中,噪声增加,会降低系统的信噪比,进而影响接收灵敏度。有源天线的噪声系数要求等于或小于1.5dB。
2.1.6工作电压与电流
有源天线内部除陶瓷体外,还有一级或两级放大电路,放大电路是需要供电的。有源天线一般采用3V~5V直流供电,通过天线射频线馈入。其工作电流一般为几十毫安。车载导航天线还有其他一些重要指标,如驻波、带外抑制、载噪比等,这些指标专业性很强,在这里不一一介绍了。
2.2车载导航天线的选购
目前,市面上出售的车载导航天线规格参数有部分是相同的,如极化方式为右旋圆极化、天线阻抗为50Ω,工作电压为3V~5V ,但也有些参数不同,如频率,增益、噪声系数等。选购时通常应注意以下几点。
2.2.1选择GPS天线还是北斗+GPS二合一天线的问题
在选择天线时首先要确定自己的导航机支持哪些系统导航,由导航机采用的核心芯片(称为导航芯片)决定的。若导航机既支持GPS系统,又支持北斗系统,则选择北斗+GPS双模二合一天线;若导航机只支持GPS系统,选择GPS天线就可以了,当然也可以用北斗+GPS二合一天线,不过,它此时只作为GPS天线来用。
2.2.2导航天线增益的问题
增益太小,信号太弱,后端无法提取有用信号,增益太高容易引起后端器件信号饱和产生自激,匹配才是关键。因此,在选购导航天线时,天线增益的选择必须配合后端INA (低噪声放大器)增益,而不是只选增益大的。销售的车地导航天线增益通常为28dB、38dB。
2.2.3噪声系数的问题
有源天线的噪声系数要求等于或小于1.5dB。
2.2.4馈线长度合适
馈线长度应根据安装位置来确定,车载天线的一般最长长度为5m。
2.2.5导航天线连接端要与导航机的接口匹配
车载导航天线连接端常用的可分为:SMA、MCX、MMCX、FAKRA- C等,如图8所示。SMA、MCX、MMCX均有直头、弯头两种。
3、车载导航天线的安装
3.1安装要求和注意事项
(1)导航天线对空间卫星要有可靠的通视角度,这样才能保证导航接收机能够精确跟踪和接收到更多的卫星信号,有利于其精确计算和目标定位。也就是说,天线接收端的工作面应尽量朝向天空,以获得对空视野的开阔,一般要求其接收表面竖直向上的视角大于900为妥。
(2)卫星信号可以穿透非金属物,但金属物体对卫星信号有屏蔽作用。因此,要求导航天线的工作面不被车辆金属物(包括金属隔热贴膜)遮挡而使卫星信号被屏蔽。使用时,天线接收端的上方也不要放置金属物。
(3)导航天线的馈线引入到主机,注意不要受外力挤压,以免压断或拉断。导航天线的馈线引入到主机时需注意馈线布线合理,顺直少折,尽量离开车内电源及其他布线。布线的时候尽量离发动机远点,不然可能导致线受热损坏,发动机也会对导航仪工作有干扰,会影响信号接收效果。部分行车记录仪对导航仪有干扰,天线应尽量远离行车记录仪。多余的馈线应该尽量在接收端一头盘卷好(千万不可把长出的馈线剪断手工重接,那样严重影响卫星信号的传输),不要在靠近主机总线一头盘卷,因为GPS或GPS+DVD主机后总线出口产生的干扰有可能影响卫星信号的传输。线一定要用胶带扎紧,以免行驶中因振动可能产生异响。(4)安装天线时接收端不要跌落,否则内部的陶瓷片容易被摔坏。
3.2安装位置
导航天线接收端的安装位置直接影响到接收到的卫星信号强弱,因此选择正确的安装位置是十分重要的。通常有以下部位较为适合导航天线接收端的安装。
(1)安装在仪表台内,如中控上部盖板下面,如图9所示。
这种安装方法很简单,揭开中控上部的盖板,GPS天线接收面应该朝天空方向( 就是黑色塑料壳朝上),贴参数标签的那一面应该朝下 ,用双面胶粘在距离前挡风玻璃较近的那个构件上,能盖上盖板就行了。
这种安装方式,优点是隐蔽美观,缺点是天线被仪表台材质与放置物体遮挡,接收信号可能会差一点。前挡风玻璃的贴膜一定不要选择有 金属颗粒的膜。有些膜加有金属颗粒,主要是提高膜的抗紫外线的能力,这样的膜是会影响导航天线接收卫星信号的。
(2)安装在前挡风玻璃和仪表台交界处右角(或左角),如图10所示。走线从中控朝右穿,拆掉副驾侧最右边的塑料板,拉出来,把馈线卡在A柱和副驾平台的缝隙里,用双面胶把接收端粘贴固定在仪表台右角。这样安装,优点是接收信号很好,缺点是不够美观。
(3)安装在中央控制台的空调出风口位置上部,用双面胶粘在面板下,如图11所示。
(4)安装在右A柱(或左A柱)内,如图12所示。
取下右A柱的内饰板,将天线的接收端吸阡在右A柱铁板上。大多需要经过多次调整吸附的位置,并测试,才能找到信号最好的位置(一般是A柱里的中段或中下段位置,信号是最好的)。装回A柱的盖板后再测试。
接收端安装在A柱内,优点是隐蔽美观,缺点是接收面没有正朝向天空,A柱是金属的有屏蔽作用,接收信号的效果明显不如安装在中控.上部盖板上。注意一点,有些车型在A柱上安装有安全气囊,对于这些车型,A柱不宜安装导航天线,导航天线的走线可能会有安全隐患。
导航天线的接收端除以上几种安装位置外,还有其他一些安装位置,如安装在手套箱内、安装在座椅下,都是很常见的,部分安装在顶棚上面或者安装在车内后视镜座里,也有一些安装在导航主机的后边,等等。
4、车载导航天线的故障检修方法
车载导航天线的故障通常表现为搜星慢、搜星少或收不到信号(显示卫星颗数为0),如图13所示。正常情况下搜星一般为7~10颗,有时会更多一些。
搜星慢或收不到信号除导航天线因素引起外,还可能由其他一些因素而引起,如搜星所处的环境不良贴膜( 指金属膜)屏蔽接收信号.导航机(包括硬件和软件)有问题等。检修本故障时,可按以下步骤和方法进行。
4.1检查是否为搜星环境不良
汽车行驶在桥底、隧道、车库、高大的建筑物旁等一些屏蔽性环境里以及浓密的树下,都会影响导航机接收卫星信号。可以把车开到空旷的地方如果搜星恢复正常,那说明是搜星所处的环境因素导致的“假故障”。另外,天气情况也会影响卫星信号的接收,导航机在潮湿、云层很厚的情况接收到的卫星信号会变弱,可以在天气好时搜星试验,便可排除这种可能性。如果不是因搜星环境、天气的原因导致搜星慢或收不到信号,则进入下一步检查。
4.2检查是否为汽车贴膜(贴金属膜)而引起的
如果汽车没有贴膜时导航正常,而在贴膜后导航出现故障,那就要考虑贴的膜可能是金属膜,对接收信号起了屏蔽作用。汽车贴金属膜,一般前挡风玻璃不贴。有些车,虽然前挡风玻璃贴了金属膜,但前挡风玻璃正上方安装车内后视镜的位置(那里一块黑色的区域)是不能贴金属膜的,所有车都一样。如果全贴金属膜,可以把膜刮开一个洞。
4.3检查导航天线安装位置是否不当
检查时,可以把天线接收端拿出车外吸附到车顶,如图14所示,若可以正常搜星,那说明原来天线的接收器位置放置不好,如工作面没有面向天空,或有金属物遮挡,重新安放天线。如果仍然不能正常搜星,那有可能是导航天线接触不良或者导航天线本身坏了,或者是导航主机有问题,需进一步检查。
4.4检查导航天线
导航天线接触不良一般发生在导航天线连接端与导航主机GPS接口的连接处。需要将导航主机从仪表台上面拆下来后,检查导航天线与主机的连接,天线的连接端与主机GPS接口一定要拧紧,如图15所示。
若导航天线与主机的连接没有问题,则可能是导航天线不良。导航天线的体积小,信号电压弱,用普通仪表无法测量,最好的方法就是换个新的导航天线试验,或把导航天线插到别的能用的导航仪上试验。
若更换导航天线后还是不能排除搜星慢、搜星少或收不到信号故障,那就要对导航主机(包括硬件和软件)进行检查了。
5、故障检修实例
例1:一台车载导航,之前导航一直很好,最近突然搜星很慢,有时需要半个多小时,搜到星数也不多,为3颗~4颗,还有丢星现象。分析与检修:鉴于之前-直都好好的,初步分析为GPS天线脱落了。因为不想拆卸中控,所以首先把导航内的地图更新到最新版本后,还是搜不到星或很慢。
该车GPS天线接收端安装在中控台面的下面,首先用长十字螺丝刀把点烟器旁的储物盒里面的固定螺钉拆下,再用撬板将面板拆下。取下面板,一眼就看到GPS天线接收端掉进里面了,而且接受面朝下,难怪搜星好慢。接收端原用带有双面胶的魔术贴固定,估计出厂时粘贴面没有压实,时间长了后脱落。把天线接收端拿出来随便放在仪表台上,几秒种后8颗星,稍等会到了10颗,说明GPS天线本身没有问题,是接收端脱落造成故障。
现在准备把天线接收端安装在右侧A柱里面。打开副驾室门,把门框密封条拉下来,再把A柱饰板拆下来,A柱上面的那个卡扣不太好拆,可以先把A柱上的卡扣取下来(注意有个限位),将接收端固定在右侧A柱里面,粘牢(可考虑用扎带固定,以防日久掉落)。实验,搜星速度及数量很好。装回A柱饰板后再试,一切恢复正常。
例2:一台车载导航,导航天线藏在仪表盘里面,前挡风玻璃贴有金属膜,接收信号不好。分析与检修:该车的导航天线藏在仪表盘里面,即在中控屏后面一点,接收信号本来就一般,加上前挡风玻璃贴了金属膜,接收信号就更不行了。
把导航天线接收端拿出来,安装在前挡风班璃正上方安装车内后视镜的位置(因为那里一块黑色的区域是不能贴金属膜的,所有车都一样),如图16所示。先用双面胶粘,再粘接收端,注意接收面必须朝外。然后,通过A柱内饰板里面走线,走回仪表盘。安装好后试验,接收信号增强,导航精准度也提高了。
例3:一台车载导航机,启动导航后显示无卫星信号(0颗星)。分析与检修:该车采用北斗+GPS导航机,导航天线采用北斗+GPS天线,其接收端安在右侧A柱里面,把接收端拿出来放在中控上面(前挡风玻璃没有贴膜),还是无信号。检查GPS接口连接无问题,怀疑导航天线有问题。用新的北斗+GPS天线更换后试验,信号接收情况还很好,如图17所示,确认导航天线有故障。
首先测量馈线(同轴线)无断路、短路现象。拆开天线接收端检查,其电路主要由陶瓷平板天线、2块LNA低噪声放大器芯片AT2659S和少量的外接元件组成,实物图参见图4~图7,实绘其电路如图18所示。
给同轴线外加3V直流电压,测得Q1、Q2的⑥脚均为0V,而贴片电容C8两端有3V电压。检查供电电路,发现R1(0Ω)虚焊。补焊后,加电测量,两块AT2659S的引脚电压均正常。AT2659S引脚功能和电压:①脚:RFIN,射频输入,0.84V;②、③脚:GND,接地,0V;④脚:RFOUT,射频输出,0.53V;G脚:SHDN#,工作(高电平)休眠(低电平 ),3V;⑥脚:VDD,电源,3V。重新装好接收端,将导航天线连接到导航机,试机,故障排除。
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