车载导航天线的结构和安装与故障检修

         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。