GPS Antenna test

可能有人注意到我在High Altitude Ballooning with LoRa Fourth launch用的探空儀
GPS天線的部份兩個是不一樣的,主要是因為我當時在設計的時候找到一個非常小的GPS天線
原本抓地到訊號,但是一把其他零件裝上去卻又遲遲Lock不住,所以只好換成另外一種7mm的GPS天線.

所以為了測試天線的效能,這次做一次地面的探空儀測試,兩組裝上不同GPS天線,固定在三角架上測試GPS的性能以外,順便也做一次耗電量的測試.

探空儀還是同一個設計,只是GPS模組的部分因為MTK沒有指令可以Query 目前的GPS資料
只能把一些多餘的NEMA關掉,對Atmega328的Interrupt base的UART來說,TDMA的第一格可能會出問題,因為要處裡GPS丟出來的訊號.所以我還是回去用ublox的MAX 7Q.

最終結果如下:

下兩張圖是GPS衛星的天空軌跡,shaded的顏色是衛星經過時的訊號強度,中間的一槓代表板子的擺放,而凸出來的那根是表示板子的正面

7mm晶片型天線

迷你型晶片天線

首先來講一下7mm的那支天線,可以很明顯的看出來因為板子不是為了這支天線所設計的,焊接的時候並不能避免天線的背面的衰減,理想上應該是要一個圓形對稱
迷你型的比較正常,基本上呈現圓對稱,但是訊號弱了大概1~5db,其中在低仰角的部分根本低到0db了
再來講到細節,注意到板子背面其實還有一個小的死角,其中迷你天線的訊號比較沒那麼低
我的猜測是電池座的鐵片干擾到了天線的接收,而由於電路板上面有做迷你天線的反射面,所以對其影響不大.

電池的話則是出現一個很有趣的現象,看起來用迷你的天線比較省電
另外就是因為電池用的是一次性鋰電池,初始電壓達到1.7,不過迅速降到1.4之後平緩的下降
可惜沒有整個過程都跑完,不過總時間達到四小時三十七分鐘

其他問題最大的大概就是氣壓計的初始誤差了,可以看到兩台的溫溼度基本上一致
但是兩個的氣壓差了

大概0.6hPa左右,還滿恐怖的不過還在Datasheet的正負1hpa之內

High Altitude Ballooning with LoRa Fourth launch

這次最主要的是探空儀改版,從上圖很明顯的可以看出來面積再次的下降
壓到了2x5cm(不包含外部感應器),幾乎是兩個AAA電池的大小了

為了縮小面積,最主要的GPS模組換成MAX-7相容的L70-R,氣壓計換成BMP280
另外Atmega328也換成MLF的版本,唯獨16Mhz的Crystal與RFM98沒換
而升壓電路維持同一個晶片,但是電感換成體積更小的了

BMP280真的很小,旁邊有一個0402的電容可以比較

另外也把SHT21+GPS的天線做在同一張板子上,這樣一來就不用另外再接線了,減低重量也簡化組裝,SHT21為了減少主板的影響,所以中間的PCB寬度很窄,一不小心真的會扳斷

而ISP換成1.25mm的插座,原本用接觸點+彈簧針的方式真的是很不方便而且占面積

天線也換成5/8波長的多芯線,比之前的單芯線重量少很多
所以..這次的減重答案就是.....

各位觀眾,七公克,七公克,七公克
雖然加上電池就變十五克,但是比起之前的重量少了快60%

這次還是打算用鋁箔氣球做測試

接收機還是一樣一個全向性與指向性

一樣還是全向性接收機用的是Linkit 7688架的Server,然後指向性天線是用筆電收

所以iPhone和筆記型電腦都可以直接看到接收的狀態

然後這次的飛行最主要的問題就是我的指向性天線沒有對準,所以導致全向性天線接收機的RSSI比指向性天線好非常多,當然也有可能是我的指向性天線已經有點問題了,這可能要在查一下,不過幸好全向性天線的狀況不錯,整個過程都能接收的到訊號,所以基本上資料沒斷

結果如下:

基本上還是一到高度就開始漏氣然後往下掉,最高到四千公尺左右

電壓這次的測量方式改成用內建的Bandgap,應該比較準一點,可以看到從一剛開始的1.47v一路下降到1.34v,但是有趣的是之後的斜率有點改變,而整個曲線也不像是正常的電池放電那種

我可能之後會做一個正常的探空圖,不過多少用這個可以看看端倪
這天基本上沒啥逆溫層,上去下來的溫度也差不多,不過濕度差異頗大,可以看到1000m處
應該是有雲啦,要算一下水氣量

RSSI的話很明顯可以看到這次指向性比全向性還要好,最主要的問題是我指錯方向..
下一版接收軟體應該會把方位角與仰角顯示出來

這張是兩個資料合併的結果,所以RSSI的變化有點大,不過還是可以看出來基本上極限在-96~100附近

最後就是GPS衛星數最大有11顆,以一個晶片型天線來說很不錯了
還有最遠距離13.19km,不過基本上是因為氣球掉下去才結束的