在高精度定位、无人驾驶、形变监测乃至民用导航中，天线都是 GNSS 系统精度与可靠性的第一道关卡。若选型或设计失当，再优秀的接收机算法也难以弥补信号失真带来的误差。下面从需求分析到实测验证，对 GNSS 天线设计的关键环节逐一展开，供硬件工程师与系统集成商参考。

一、明确应用场景与性能指标

使用环境

静态基站：追求相位稳定性，尺寸与重量不是首要限制。

机载/车载：体积、抗振性能、功耗与兼容性更重要。

手持终端：需兼顾尺寸、功耗与人体遮挡带来的多径。

目标频段

双频常规导航：L1 + B1C 足以满足亚米级需求。

三频高精度测绘：建议覆盖 L1/L2/L5(或 L1/B2a/E5b)。

全系统厘米级 RTK：进一步加入 GLO G1/G2、Galileo E1/E5/E6、QZSS 等。

核心指标

增益：≥ 3 dBic(天顶方向)是移动端最低起点，基站型可达 5–7 dBic。

半功率波束宽度：≥ 120° 可保证低仰角跟踪能力。

交叉极化隔离：≤ –20 dB，减小多径误差。

相位中心稳定度：水平 ≤ ±2 mm、垂直 ≤ ±3 mm 对厘米级 RTK 尤为关键。

二、天线结构类型与取舍

三、关键器件与材料选择

介质板(Patch 类型)

εr 3.0–10.0 范围内选择，介质常数越高，天线尺寸越小，但带宽收窄。

低损耗(tan δ ≤ 0.002)是高 Q 值与低噪声的保障。

馈电探针 / 微带线

双馈点或四馈点可改善圆极化和带宽;同轴探针易于调节谐振。

共面波导(CPW)走线可降低辐射损耗，便于 SMT 与射频屏蔽。

低噪声放大器(LNA)

噪声系数(NF)≤ 1 dB，增益 28–35 dB;过高增益会引入互调失真。

加入 SAW/TC-SAW 或 BAW 滤波器滤除蜂窝干扰，带外抑制 ≥ 45 dB。

地板与反射面

直径或对角线 ≥ λmax 的 ½，可以显著提升天顶增益。

车载天线应使用磁吸或螺栓固定的金属底盘;手持终端可用石墨烯复合 EMI Film 取代整块金属。

四、仿真与优化流程

初始建模

利用 HFSS、CST、FEKO 等 3D 仿真工具，先做单频模型，确保谐振点与目标频率对齐。

多目标参数扫掠

对介质厚度、馈点位置、短路柱位置做 DOE (Design of Experiments);优化 VSWR < 2、轴比 < 2 dB。

全系统耦合

将天线与 PCB、金属框架、连接器一并建模;检查杂散耦合与带外辐射。

温漂与湿度仿真

对相位中心漂移、谐振偏移做 –40 °C / +85 °C 温度点仿真，必要时预留调谐贴片。

五、实测验证与标定

暗室测试

使用暗室 + 转台测得全向增益与轴比。需要覆盖 0–360° 方位、–10°–90° 仰角。

相位中心标定

三坐标系统下，与参考天线对比，确定 X、Y、Z 方向偏差。

多径场景 A/B 对比

在水面、楼宇周边布置反射面，比较不同结构的伪距与载波相位噪声 (MP1/MP2)。

整机场景化路测

车载/UAV 装机试跑，记录连续 RTK 流失次数、重捕获时延，验证抗遮挡能力。

六、整机集成与系统级考虑

射频走线

50 Ω 阻抗控制，拐角使用弯折或过孔维持连续性，避免同信号线过长并行。

共地设计

模拟地与数字地在天线底部单点汇聚;避免数字噪声串入 RF 前端。

屏蔽罩设计

天线下方加金属罩时须避开天线“视场”：罩边至少低于天线面 30 mm，倾角 ≥ 60°。

七、环境与可靠性

八、成本、量产与认证

器件选型冗余

芯片级 LNA 与 SAW 滤波器尽量选择同品牌 Pin to Pin 型号，可缓解供应紧缺。

生产测试夹具

设计专用探针台，实现自动化 VSWR 及增益抽检;上线前完成 OQC 100% 验证。

认证要求

CE、FCC、RoHS、REACH 为出口基础;车规需满足 AEC-Q200。

一枚优秀的 GNSS 天线，需要在尺寸、带宽、增益、相位中心稳定度与成本之间精准平衡。设计之初多花时间在需求定义、仿真迭代与材料选型上，可大幅降低后期改版与返工风险。希望以上要点能为你在 GNSS 天线开发与集成过程中提供清晰的路线图，让产品从纸面到量产都少走弯路，最终在实际场景中交付稳定可靠的厘米级定位体验。