便攜式跟蹤設(shè)備的設(shè)計(jì)者被困在一個(gè)有三種邊界的空間中：物理，成本和可用技術(shù)。所有這些都具有挑戰(zhàn)性，但沒有一個(gè)是不可克服的。

您可以通過蜂窩無線電查詢以找出主機(jī)平臺(tái)所在位置的設(shè)備已經(jīng)以車輛跟蹤器和隱蔽設(shè)備的形式存在了一段時(shí)間?，F(xiàn)在消費(fèi)者設(shè)備變得可用，可用于跟蹤兒童，工人，老人，寵物，行李和其他個(gè)人財(cái)產(chǎn)。

您可以通過蜂窩無線電查詢以找出主機(jī)平臺(tái)所在位置的設(shè)備以車輛跟蹤器和隱蔽設(shè)備的形式存在一段時(shí)間?，F(xiàn)在，消費(fèi)者設(shè)備正在變得可用，可用于跟蹤兒童，工人，老人，寵物，行李和其他個(gè)人財(cái)產(chǎn)。

列表看似無窮無盡。如果設(shè)備被篡改，主機(jī)設(shè)備被移除或者即使它超出編程區(qū)域(地理圍欄)，一些跟蹤器也能夠提供警報(bào)。如果設(shè)備由單獨(dú)的工作人員佩戴，跟蹤器也可以配備恐慌或呼叫按鈕。圖1顯示了適用于單獨(dú)的工作和執(zhí)行安全應(yīng)用程序的信用卡大小跟蹤設(shè)備

圖1：信用卡大小跟蹤器設(shè)備，GPS RF天線模塊在圖片底部可見/突出顯示。 (注意：在此視圖中無法看到GSM天線。)設(shè)備尺寸：80 mm x 50 mm x 6.9 mm(長x寬x高)。

原則上，跟蹤器是一種具有GPS接收器的簡單設(shè)備它知道它在哪里，以及蜂窩無線電終端，以便它可以在命令時(shí)發(fā)送這些信息。然而，在實(shí)踐中，在設(shè)計(jì)必要的無線電系統(tǒng)時(shí)涉及一些具有挑戰(zhàn)性的問題。在本文中，我們將研究這些問題并了解它們?nèi)绾伪豢朔?/p>

便攜式跟蹤設(shè)備有各種形狀 - 手表，信用卡格式，USB記憶棒，狗項(xiàng)圈等，但不幸的是它們主要有一種尺寸 - 小。小尺寸因素導(dǎo)致將GPS和蜂窩無線電組件縮小到可用的有限空間，防止它們相互干擾并使天線有效地發(fā)送或接收信號(hào)，從而產(chǎn)生問題。

GPS信號(hào)是圓極化的，在過去，陶瓷貼片天線主要用于接收它們。貼片天線在具有固定水平方向的設(shè)備中工作良好，因?yàn)樗鼈兙哂性谔炜障蛏峡吹南鄬?duì)窄的光束。如果它們足夠大并且安裝在適當(dāng)大的地平面上，它們是有效的。然而，在諸如跟蹤器之類的移動(dòng)設(shè)備中，方向可能會(huì)有所不同 - 因此貼片天線更不適合。

需要一種具有更全向模式的天線，因此跟蹤器的方向不太重要。不幸的是，天線方向圖越全向，天線增益越低，結(jié)果，衛(wèi)星信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度稍弱，導(dǎo)致定位精度降低。然而，這是必要的要求，并且由于跟蹤器可以從更多數(shù)量的衛(wèi)星接收信號(hào)而得到一定程度的補(bǔ)償。這反過來可以幫助恢復(fù)位置準(zhǔn)確性。 Antenova一直致力于開發(fā)多種天線和無線電天線模塊，這些模塊專門用于非常小的跟蹤設(shè)備和其他移動(dòng)GPS設(shè)備(圖2)。

圖2：GPS腕表設(shè)計(jì)的俯視圖和仰視圖，GPS射頻天線模塊在圖片右側(cè)可見/突出顯示。設(shè)備尺寸：45毫米x 38毫米x 17毫米(長x寬x高)。

GPS系統(tǒng)

GPS系統(tǒng)基于一組衛(wèi)星，目前編號(hào)約為30顆。每顆衛(wèi)星發(fā)射連續(xù)無線電信號(hào)包含導(dǎo)航消息，GPS接收器通過仔細(xì)計(jì)時(shí)這些信號(hào)來計(jì)算其位置。其中一個(gè)最重要的參數(shù)是載波/噪聲比(C/N0)，接收機(jī)為每個(gè)衛(wèi)星計(jì)算和報(bào)告。載波是來自衛(wèi)星的有用信號(hào)，噪聲是不需要的背景信號(hào)。背景熱噪聲始終存在，但可能存在來自跟蹤器本身和附近的任何其他電子設(shè)備的噪聲。具有良好的C/N0(低噪聲，良好的天空視野和大量可見的衛(wèi)星)，固定的GPS跟蹤器可以定位自己，中位誤差約為2.5米。當(dāng)噪聲水平上升時(shí)，這會(huì)迅速惡化，因此最大化C/N0非常重要。

用于遠(yuǎn)足的汽車或手持設(shè)備的導(dǎo)航系統(tǒng)是相對(duì)較大的結(jié)構(gòu)，通常不包括蜂窩無線電。在小型跟蹤設(shè)備中，GPS接收器和蜂窩無線電被擠壓到一個(gè)非常小的空間內(nèi)，產(chǎn)生以下問題：

來自GSM系統(tǒng)，主處理器甚至LCD顯示器(如果安裝)的噪聲可能會(huì)干擾GPS信號(hào)的接收。

GSM天線與GPS天線之間的耦合降低無線電系統(tǒng)的效率。

GSM傳輸可能會(huì)淹沒GPS前端LNA，造成諧波和其他問題。

來自GSM PA的寬帶噪聲可能使GPS接收器不敏感。

其他組件(如電池)的緊密接近可能會(huì)影響兩個(gè)無線電系統(tǒng)的性能。

GPS天線可用的空間可能不適合最佳信號(hào)接收。對(duì)于跟蹤設(shè)備，所使用的設(shè)備的方向是未知的，因此需要盡可能全方位的天線方向圖。天線始終有一個(gè)最適合全方位覆蓋的位置，但由于設(shè)備的ID和所有其他組件的布局，此位置可能無法使用。這在較大的平臺(tái)上不是問題。

這些問題的解決方案在于仔細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和對(duì)天線的良好理解。例如，可以通過將它們安裝在PCB的相對(duì)側(cè)上來最小化GSM，GPS無線電和天線之間的耦合。 GPS LNA之前的阻塞濾波器以及之后的第二個(gè)阻塞濾波器可以防止GSM傳輸影響GPS系統(tǒng)。圖1顯示了一個(gè)模塊，我們?cè)谄渖洗_定了主要的GPS和GSM組件。將無線電和天線組合對(duì)于GPS系統(tǒng)特別有用，其中無線電和天線的尺寸大致相同并且可以制造為單個(gè)無線電天線單元;因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐和技術(shù)訣竅。為被動(dòng)和主動(dòng)測(cè)試提供良好的測(cè)量設(shè)備也很重要。測(cè)試通常在消聲室中進(jìn)行，該消聲室用于模擬來自GPS衛(wèi)星和蜂窩基站的信號(hào)。

GSM系統(tǒng)雖然3G網(wǎng)絡(luò)可用于跟蹤器，但GSM通常是首選，因?yàn)樗娴膱?bào)道。對(duì)于跟蹤器設(shè)計(jì)者來說，DCS和PCS頻帶通常不是一個(gè)重要問題，但850和900 MHz的兩個(gè)低頻帶是一個(gè)主要問題。如果你問這樣一個(gè)問題：“天線可以無限小嗎?”答案是“不”，這是一個(gè)物理限制。這個(gè)限制，有時(shí)稱為Chu-Harrington極限，與包圍天線的最小體積有關(guān)，以波長表示。如果在長波長下工作的小型天線低于此限制，則帶寬或效率將會(huì)丟失。用于低頻GSM性能的移動(dòng)電話的理想長度約為120毫米，但是可以實(shí)現(xiàn)低至約80毫米的合理性能。不幸的是，許多跟蹤設(shè)備的最大尺寸只有40毫米，因此天線設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。每個(gè)天線必須有兩個(gè)部分 - 天線本身是一個(gè)部分，而PCB通常是另一個(gè)部分。唯一的例外是天線本身有兩半，例如偶極天線。對(duì)于典型的跟蹤器天線布置，天線必須非常小，因?yàn)樵S多其他組件必須安裝在跟蹤器盒內(nèi)。實(shí)際上，PCB是主要的輻射組件，其缺乏長度變得至關(guān)重要。關(guān)于這個(gè)問題可以做些什么?一種解決方案是將PCB接地平面延伸到盒子外部，作為任何外部功能的一部分，例如基于手表的跟蹤器上的帶子或?qū)櫸锔櫰魃系捻?xiàng)圈。即使是用于連接電線的跟蹤器末端的環(huán)路也可以對(duì)天線性能產(chǎn)生有用的影響。如果沒有可用的外部特征，則值得考慮使用具有兩個(gè)天線臂的平衡偶極子結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥ㄟ^將它們連接到相對(duì)端的盒子內(nèi)部可以使它們相距很遠(yuǎn)。這個(gè)距離可以大于單個(gè)天線和PCB之間的距離。

約束和權(quán)衡

便攜式跟蹤設(shè)備的設(shè)計(jì)者被困在具有三種類型邊界的空間中。一個(gè)邊界是限制小天線有效性的物理定律 - 除了利用良好的工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)之外，沒有太多可以做的事情。另一個(gè)邊界是成本，因?yàn)楦櫰魍ǔ１仨毷橇畠r(jià)的設(shè)備 - 降低成本的工程是一種既定且有效的藝術(shù)，但它并沒有增加設(shè)計(jì)者的選擇。第三個(gè)限制是由現(xiàn)有技術(shù)形成的。例如，如果有更好的組件，那么跟蹤器的設(shè)計(jì)和性能是否會(huì)得到改善?讓我們看看這個(gè)。

一個(gè)典型的完整GSM模塊，可用于跟蹤器，尺寸約為30 x 30 x 5 mm，電池通常具有相似的尺寸。這兩個(gè)組件占據(jù)了大部分可用空間，因?yàn)樘幚砥骱虶PS系統(tǒng)通常較小。假設(shè)整個(gè)GSM無線電可以縮小到單個(gè)芯片或更小的模塊。突然間，跟蹤器中釋放了大量空間，但最好如何使用它?正如我們所看到的那樣，將盒子縮小是沒有用的。但也許盒子可以做得更長更薄，特別是如果可以選擇合適的電池?，F(xiàn)在，跟蹤器變成了一個(gè)厚厚的條帶，可能隱藏在一個(gè)有價(jià)值的畫作的框架中或隱藏在一個(gè)豪華名牌包的襯里，只是為了給出兩個(gè)可能的例子。現(xiàn)在想象我們引入柔性印刷電路技術(shù)與彎曲的電池。我們的條形跟蹤器可以變成表帶，而不是手表的一部分，或成為狗項(xiàng)圈或腰帶的一部分。該設(shè)備的長格式意味著GSM無線電將很好地工作，并且該設(shè)備將更容易隱藏。目前，SIM卡和支架的尺寸和剛性形狀將阻止實(shí)現(xiàn)這種類型的設(shè)計(jì)，因此需要新的SIM卡格式。這些考慮表明，改進(jìn)的組件可以幫助設(shè)計(jì)師，因此這是推動(dòng)的邊界。

經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)低成本跟蹤設(shè)備越來越受歡迎，并將在保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)方面發(fā)揮越來越大的作用。在這些設(shè)備中設(shè)計(jì)無線電并不容易，但到目前為止我們學(xué)到的是：

GPS和GSM無線電和天線都必須從跟蹤器開發(fā)的開始設(shè)計(jì)，以確保它們位于最佳位置，以實(shí)現(xiàn)有效輻射和最小耦合。

無線電和天線之間需要更大的集成，以創(chuàng)建易于構(gòu)建成原型的緊湊模塊。

由于跟蹤器的尺寸小，因此必須充分了解適用于小型物理的物理定律。天線，以及它們與跟蹤器應(yīng)用的關(guān)系。

了解最新技術(shù)和設(shè)備以及壓縮更小，更集成的組件非常重要。

Antenova的GPS RADIONOVA射頻天線模塊包含天線和所有射頻和信號(hào)處理電路，并且只需在主板上添加一些處理器電源和相應(yīng)的應(yīng)用軟件。該模塊提供了一個(gè)完整的射頻子系統(tǒng)，用于為便攜式跟蹤設(shè)備增加GPS和定位功能，并已被證明是該應(yīng)用的射頻和衛(wèi)星采集性能方面最通用和最強(qiáng)大的解決方案。