老头学GPS 天线

elder60 · 发表于 2010-9-3 23:22:32

先感谢阿莫开了"GPS应用开源活动"专栏,引起了我的兴趣.老头我也想学GPS了.
  7月26日,发了第一贴:"我在哪里? 我的理解错在哪里? ",看得出来,是很幼稚的.但我这个人,脸皮厚,不怕丢脸.
我还会学下去,直到不能学了为止.我会像学生交作业那样,定期向大家汇报.以获得帮助.
  我的学习方向不是GPS应用,而是它的原理.希望在2012年北斗布局完成时,能学到一点东西.
  一个多月了,大致搞清楚GPS的信号是什么样的,但我没有看到过,心里难受.特别伤脑筋的是GPS的信号太弱了,比热噪声还要小.
所以只能从天线下手.
  大侠gzhuli 咕唧霖向我推荐"S53MV的个人主页"(见"我在哪里? 我的理解错在哪里? "一贴【11楼】),里面介绍了"四臂螺旋式天线".
  商品GPS里用的是介质天线,我想,介质天线就是图个体积小么,其他估计没什么好处(它没有能量会聚的能力).

  关于四臂螺旋式天线,我搜了一下,请看下面的:
  这是S53MV的:

(原文件名:n16 天线 GPS L1  (1575.42MHz).gif)

(原文件名:四臂螺旋式天线.jpg)
  这是一篇论文

(原文件名:谐振式四臂螺旋天线设计方法的研究1.jpg)

(原文件名:谐振式四臂螺旋天线设计方法的研究2.jpg)

(原文件名:谐振式四臂螺旋天线设计方法的研究3.jpg)

  困了,明天再发一张DIY的照片(太大了,要改一下)

vvwvvw · 发表于 2010-9-4 08:02:28

自己做的螺旋天线和买的瓷片天线有多大区别？

format · 发表于 2010-9-4 08:07:44

我是路过看图片等结果的~~~~~

帮顶~~~

elder60 · 发表于 2010-9-4 08:09:24

这是别人做的,可以参考一下.

(原文件名:GPS用四臂螺旋天线照片.jpg)

ZT

JYG注: 请注意"但是如果地面接收站附近干扰源较多，则不适用四臂螺旋式天线..."

http://www.ynwestar.com/html/Introduction/Introduction13/
GPS接收天线的作用，是将卫星来的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用的电流。天线的大小和形状十分重要，因为这些特征决定了天线能获取微弱的GPS信号的能力。根据需要，天线可设计成可以工作在单一的L1频率上，也可以工作在L1和L2两个频率上。由于GPS信号是圆极化波，所以所有的接收天线都是圆极化工作方式。尽管有多种多样的条件限制，仍然有许多不同的天线类型存在，如单极的，双极的，螺旋的，四臂螺旋的，以及微带天线。

我们在市面上看到的GPS接收器的内置天线一般有两种－－平板式天线和四臂螺旋式天线，到底两种天线各有什么优劣呢，让我们来为您一一解答。

平板式天线（Patch Antenna）

平板式天线由于其耐用性和相对地容易制作，所以成了应用最为普遍的一类天线。其形状可以是圆的也可以方的或长方的，如同一块敷铜的印刷电路板。它由一个或多个金属片构成，所以GPS天线最常用的形状是块状结，像个烧饼。由于天线可以做得很小，因此适合于航空应用和个人手持应用。

天线的另一个主要特性，是其的增益图形，即方向性。利用天线的方向性可以提高其抗干和抗多径效应能力。在精确定位中，天线的相位中心的稳定性是个很重要的指标。但是，普通的导航应用中，人们希望用全向天线，至少能接收天线地平以上五度视野内所有天空中的可见卫星信号，但是平板式天线在卫星于天线正上方时，讯号增益才是最大，这就有两个问题：
1、平板的接收范围在平板上方，平板要面向天空，这对于手持以及车载都会带来麻烦，我们可以看到可调角度的CF接收器越来越多（可折叠的SDGPS 丽台9551），就是因为平板式天线这种特性使得厂家为了接收器有更好的收讯效果才想出来的招。

2、我们知道，虽然我们正头顶上的卫星信号比较好，比较容易锁定，但其实正头顶上的卫星是最没用的，如果没有低角度的卫星，误差会相对较高，精度将会很差。所以基于这些缺点，GPS接收器上也开始使用四臂螺旋式天线。

四臂螺旋式天线（Quadrifilar Helix Antenna ）

四臂螺旋式天线由四条特定弯曲的金属线条所组成。不需要任何接地。它具备有Zapper天线的特性，也具备有垂直天线的特性。此种巧妙的结构，使天线任何方向都有3dB的增益，增加了卫星讯号接收的时间。四臂螺旋式天线拥有全面向360度的接收能力，因此在与PDA结合时，无论PDA的摆放位置如何，四臂螺旋式天线皆能接收，有别于使用平板GPS天线需要平放才能较好的接收的限制。使用此种天线，当卫星出现于地平面上10度时，即可收到卫星所传送的讯号。

但是如果地面接收站附近干扰源较多，则不适用四臂螺旋式天线，因为四臂螺旋式天线具备有水平方向的增益，会将噪声一起放大，反而干扰了卫星讯号的接收。但是科技在进步，现在所生产的四臂螺旋式天线能突破多项传统天线的限制。天线是以陶瓷制成，Near-Field极小，约仅有3~5mm，而有些传统天线的Near-Field甚至高达1m。Near-Field愈小，则使用者手持GPS装置时，人体愈不会造成干扰。现在的四臂螺旋式天线的特点还包括完整的巴伦电路(Balun)设计，此设计能隔离天线周边的噪声，因此能容许各种功能的天线并存于极小的空间中而不会互相干扰。对于整合功能日趋多元，且强调轻薄短小的手持式电子产品而言，此特性的重要性不可言喻。

大家在看过了以上文字以后，大概也知道了四臂螺旋式天线的好处了吧，不过四臂螺旋式天线的售价现在还都比较高，所以使用这种天线的GPS接收器大多是手持机中的高端产品，价格相对较高，适用于喜欢手持机的消费者和对定位时间要求比较苛刻的用户。平板式天线性能尚可，价格便宜，对于一般的消费者来说的话更适合一些。

elder60 · 发表于 2010-9-4 08:18:38

回复【1楼】vvwvvw
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你说的瓷片天线大概就是指平板介质天线吧.
虽然我是外行,但我能肯定地说:平板介质天线的增益是负的.

讲一下我对天线的感性认识:
1.天线是对电磁波能量流的拦截. 所以拦截的截面是越大越好.除非能把能量流汇聚起来.(比如磁棒)
2.拦截就是"把实功率取下来",所以最好是"谐振".要谐振就要和波长匹配.不匹配是不行的.(否则,要其他措施,典型例子是加感天线)
3.当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，波长就变短了,所以天线就可以做小.但拦截的功率也小.

天线增益的单位:

dBd 是和半波偶极子天线的比较值.
dBi 是和理想球状点源振子(虚构的)的比较值.
半波偶极子天线的增益又比理想球状点源振子高2.14dB,因为它是有方向性的.

我也不知道,上面提到四臂螺旋式天线任何方向都有3dB的增益指的是什么?

elder60 · 发表于 2010-9-4 22:30:50

关于接收机的噪声

我看到有不同的说法:
1.接收机的热噪声基底为：NT0 = K * t0 = 1.38 * 10^-23 * 290 ≈ -174dBm/Hz
假设接收机带宽为GPS C/A 码的带宽2.046MHz，则热噪声基底的功率为：
N = NT0 * B ≈ -174dBm + 63dBm = -111dBm
2.天线上噪声电压的均方值为:
V2 = 4k * T0 * B * RA
，式中k为玻耳兹曼常数=k=1.38e-23，B为带宽，RA为天线输入电阻。这种噪声称为热噪声。

第1种的公式可以另写为: 功率N = K * t0 * B
第2种的公式可以另写为: 功率N = V2/R = 4k * T0 * B

差4倍,请哪位大侠解惑.
先姑且按第1种说法,热噪声基底(另一种叫法是底噪声)的功率为-111dBm. 那么GPS接收机的信号有多大呢?

按照GPS系统设计指标，L1 频段的C/A 码信号的发射有效通量密度为P=478.63W（也就是26.8dBw）.
20000km的自由空间衰减约为182.4dB,若大气层衰减为A=2.0dB，
则GPS 系统L1 频段C/A 码信号到达地面的强度为：
F = P - F - A = 26.8 - 182.4 - 2.0 = -157.6dBw
又一种说法是:GPS 系L1频段C/A 码信号强度最小值为-160dBw，二者是一致的.我们认定是-160dBw(也就是-130dBm).

GPS接收机信号是-130dBm,其底噪声为-111dBm,相差19dB.差不多是100倍,这是指功率.电压差是10倍.
也就是说,信号电压是底噪声电压的10分之1. 所以人们常说: "GPS的信号是埋没在噪声中的".

若对dBm没有概念,那么不妨算一下,-111dBm,-130dBm对应的电压有多大:
先搞清楚0dBm对应的电压,也就是:1mw功率在50欧姆的电压 = (0.001*50)^0.5 = 0.2236V

信号的-130dBm对应的电压是：0.2236 * 10^(-130/20) =0.0707uV
底噪声-111dBm对应的电压是：0.2236 * 10^(-111/20) =0.6302uV

至此,我们大概对GPS接收机信号的大小有了一点感性认识了.

信号电压是底噪声电压的10分之1,也就是信噪比=0.1.随着信号流经放大器,滤波器,A/D等,信噪比不可避免地还要变差.
不过这是后话了.

armok · 发表于 2010-9-4 22:38:11

最右边的天线我有，与SIRF III 的GSP模块一起的。对你有用吗？如果有用，我可送一些给你。我手上约有200个。（已经送了2个给 gzhuli)

引用图片【楼主位】elder60 60岁老头
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(原文件名:四臂螺旋式天线.jpg)

elder60 · 发表于 2010-9-4 22:46:46

本来想自己做的.
老板好意,那我就恭敬不如从命了,2个足矣.

pitolan · 发表于 2010-9-4 23:00:03

【6楼】 armok 阿莫
最右边的天线我有，与SIRF III 的GSP模块一起的。
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这是好东西呀！

【楼主位】 elder60 60岁老头
还要学习一下CDMA的原理先。

capron · 发表于 2010-9-4 23:07:34

这个贴要顶。

elder60 · 发表于 2010-9-4 23:17:11

回复【8楼】pitolan
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CDMA看了一点,不解之处很多,还请大侠日后多指教.

gzhuli · 发表于 2010-9-4 23:40:25

上周把DIY的蓝牙GPS带出外测试，也发现明显的方向性问题。
模块放在背包中，于是行走时天线变成与地面垂直，在室外完全开阔看到天空的环境中，随着行进方向改变收到的卫星也在变化，频繁转向时甚至会失去定位。

armok · 发表于 2010-9-5 01:03:24

回复【7楼】elder60 60岁老头
本来想自己做的.
老板好意,那我就恭敬不如从命了,2个足矣.
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好的。周一安排。

yuhang · 发表于 2010-9-5 10:51:06

这个应该叫helix天线

armok · 发表于 2010-9-5 10:54:49

回复【11楼】gzhuli 咕唧霖
上周把diy的蓝牙gps带出外测试，也发现明显的方向性问题。
模块放在背包中，于是行走时天线变成与地面垂直，在室外完全开阔看到天空的环境中，随着行进方向改变收到的卫星也在变化，频繁转向时甚至会失去定位。
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我的汽车ACOS GPS 放置的位置基本上是与地面垂直的。不知道它的天线是如何结构？

yuhang · 发表于 2010-9-5 11:04:49

(原文件名:helix2.jpg)

(原文件名:helix.jpg)

(原文件名:helixantenna.jpg)

yuhang · 发表于 2010-9-5 11:22:37

这个是通过4NEC2仿真的螺旋天线

(原文件名:未命名.JPG)

elder60 · 发表于 2010-9-5 11:29:52

补充

电波的自由空间衰减公式为： F = (λ/(4πL))^2 = 5.71E-11 (即衰减和距离的平方成正比)

一个实例:
gps的 λ = 0.19, 距离 L = 2km(这个距离是到卫星距离力的1/10000), 此时衰减 F = 102.4dB;(小了1亿倍)

同样,若发射功率也比卫星的功率(478.63W,26.8dBw)小10000倍,即47.8mw.
此时,接收机收到的信号也比卫星接收的信号要大10000倍(功率),比底噪大大约100多倍(也是功率),足以影响AGC,可能影响接收机接收.
(有点担心,不知算错没有?) ●老头提醒: 网友们不能这么做,这是不道德,也是违法的,应该受谴责的.

搞点简单计算,目的是增加感性认识,有些定量的概念.

yyzz20022001 · 发表于 2010-9-5 12:28:49

打开盖子 (原文件名:back2.jpg)

这个是螺旋天线？

kalo · 发表于 2010-9-5 12:44:48

回复【18楼】yyzz20022001
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是的。这个是tomtom mkII 蓝牙gps。我有一个，信号超好。

yuhang · 发表于 2010-9-5 12:59:54

回复【17楼】elder60 60岁老头
补充
电波的自由空间衰减公式为： f = (λ/(4πl))^2 = 5.71e-11 (即衰减和距离的平方成正比)
一个实例:
gps的 λ = 0.19, 距离 l = 2km(这个距离是到卫星距离力的1/10000), 此时衰减 f = 102.4db;(小了1亿倍)
同样,若发射功率也比卫星的功率(478.63w,26.8dbw)小10000倍,即47.8mw.
此时,接收机收到的信号也比卫星接收的信号要大10000倍(功率),比底噪大大约100多倍(也是功率),足以影响agc,可能影响接收机接收.
(有点担心,不知算错没有?) ●老头提醒: 网友们不能这么做,这是不道德,也是违法的,应该受谴责的.
搞点简单计算,目的是增加感性认识,有些定量的概念.

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GPS卫星用的是扩频通信，信号低于噪声是正常的

空间损耗=20lg（F）+20lg（D）+32.4；

F MHz D km

GPS=35860KM
F=1575MHz

损耗计算的187db

发射功率如果是100W（50dbm）

那么接收端信号估计都小于-137dbm

基本可自然界噪声差不多

elder60 · 发表于 2010-9-5 13:01:03

上面讲到电波的自由空间衰减公式,下面再举2个极限的例子.大家不妨算算玩玩.

人类通讯的极限吗?--关于冥王星和新地平线号,当然不是的,见第2例.

例1:冥王星距离地球59亿公里，从冥王星发送的数据最多4个多小时就到达地球了
(阳光到达地球需要8分钟多点,到达冥王星需要近5个小时)
美国的新地平线号以每秒十六公里的速度要飞九年半才能到达，这么远的距离数据是靠什么传回地球的呢？
新地平线号是美国国家航空航天局的一项探测计划，主要目的是对冥王星、冥卫一等天体进行考察。
新地平线1号位于冥王星附近时的功率：228瓦特位于冥王星时数据传输率：768bps 发射时间：2006年1月19日

例2:
(NASA)于1977年发射的2艘航海家号宇宙飞船(Voyager)，是目前所有仍在运作、还可联系的宇宙飞船中，距离地球最远的。
航海家2号发射时间:1977年8月20日，航海家1号发射时间:1977年9月5日至今1万多天。
航海家1号目前已经航行超过220亿公里，距离太阳约170亿公里.航海家2号目前距离太阳约140亿公里。

感兴趣的朋友可以自己在网上搜索.
我举这2个例子,是希望引起对通讯技术的兴趣.

elder60 · 发表于 2010-9-5 13:18:17

回复【20楼】yuhang
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GPS卫星的平均高度是20200km.35860km是静止卫星的高度(比如北斗),GLONASS是19100,Galileo是23616.

GPS卫星用的是扩频通信,这个我也是懂得.

damoplus · 发表于 2010-9-5 13:26:10

这个老头不一般，围观学习！

skjweoqi · 发表于 2010-9-5 13:40:05

现在还看不懂，先顶一个！

jimo · 发表于 2010-9-6 00:00:25

这个老头不简单，人越老越谦虚

maybe_it · 发表于 2010-9-6 09:33:05

我跟。。。

caosun · 发表于 2010-9-13 00:25:28

准备仿制实验一下~不过有几个问题没有明白~

(原文件名:ourdev_580193ZQRNB9.jpg)

elder60 · 发表于 2010-9-13 08:56:02

只是起固定作用吗? 我估计是.
我想,重要的是有一个评判方法.然后是边做,边测量,边改.找到最好效果.

yuhang · 发表于 2010-9-13 09:25:56

我也想搞个打蛋器

wangguanfu · 发表于 2010-9-13 09:27:37

帮顶，NB

elder60 · 发表于 2010-9-13 09:57:12

回复【29楼】yuhang
我也想搞个打蛋器
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能否帮助仿真一下,定向的螺旋天线.看看自己能不能做.重点在增益,看看北斗同步卫星.

caosun · 发表于 2010-9-13 17:41:39

我刚刚计算了！S53MV 做那个天线图纸~他的单侧振子是235mm ，也就说他的工作频率应该不在1575.42Mhz
不知道我的理解对不对~

1/2 波长*0.96 缩短系数=9.134112 CM
1/4 波长*0.96 缩短系数=4.567056 CM

四臂螺旋式天线应该是按 1/4 波长计算，也就是说要是 1/4 波长整数倍。

elder60 · 发表于 2010-9-13 19:09:00

直径=30,高=55和50,长度l=105和100. LS如何得出235mm的数据来?
其长度l=M*λ/4, M=2,非馈电端短路;
不知半刚性同轴电缆是什么样的? 相当于有线电视用的电缆? 另外,他标的直径的数据看不清.

还有,馈电端的连接,S53MV的和论文中的也不一样.

caosun · 发表于 2010-9-13 19:30:50

回复【33楼】elder60 60岁老头
直径=30,高=55和50,长度l=105和100. ls如何得出235mm的数据来?
其长度l=m*λ/4, m=2,非馈电端短路;
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刚刚又看了一下！我计算方法上不对！我直接把他的振子相加了~
在试制中~不过要铜丝要旋转成那个样子，好像并不容易

elder60 · 发表于 2010-9-13 20:07:20

要在一个棍子上先绕好在搞平上下端,我比了一下,晒衣服的不锈钢管的直径=28,展开可能刚好.
补一下,一张照片.S53MV的个人主页里有.
但感觉和0楼的图不一样,中间不像同轴电缆.

(原文件名:qhelix.jpg)

elder60 · 发表于 2010-9-17 11:36:08

caosun 试得怎样了?很挂念.

feng_matrix · 发表于 2010-9-20 15:27:28

加个电机，能打鸡蛋用

w545029118 · 发表于 2010-9-23 11:22:33

mark

H007 · 发表于 2010-9-24 19:38:45

mark

paublo · 发表于 2010-10-14 21:35:44

mark

ssaweee · 发表于 2010-10-14 22:33:02

回复【6楼】armok 阿莫
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这个天线怎么没卖？

dutxiaoliu315 · 发表于 2010-10-20 16:34:55

如何买到这个天线？

livanfield · 发表于 2010-11-7 16:43:34

帮顶一下，最近不见老头现身了？

yuhang · 发表于 2010-11-7 17:50:01

http://www.jcoppens.com/ant/qfh/calc.en.php

yixin1851 · 发表于 2010-11-7 20:04:05

MARK

jielove2003 · 发表于 2010-11-7 20:12:23

mark

yuhang · 发表于 2010-11-8 14:32:58

按照S53MV的做了一个

抽空测试一下

(原文件名:P1020662.JPG)

rodger · 发表于 2010-11-8 15:06:16

强贴，MARK

z84297979 · 发表于 2010-12-7 23:20:55

mark

ilikeembeded · 发表于 2010-12-7 23:28:11

不错，刚注_册，支持一下！

Quavarion · 发表于 2010-12-23 21:32:42

markup

lyl1011 · 发表于 2011-1-21 11:46:35

mark up

ITOUR · 发表于 2011-1-26 17:32:36

人不怎么多了啊

sintix · 发表于 2011-1-27 02:18:22

能用么？效果怎么样啊？

yinhe · 发表于 2011-1-27 12:51:35

flyforyou85 · 发表于 2011-4-22 09:31:39

有没有测试啊！效果如何？

qxliwei · 发表于 2011-4-22 10:02:41

对于射频来说，关键是匹配到50欧，匹配度+-10欧问题不大，匹配不好，反射厉害，就不会有功率接入输入回路

wangrong · 发表于 2011-4-22 14:56:14

好贴，mark学习

danceman_uk · 发表于 2011-5-4 11:31:14

mark 好资料!

Andy_jack · 发表于 2011-5-10 17:11:52

MARK。。。DIY？

deadline2012 · 发表于 2011-7-6 03:54:17

wxlwxwxlwx · 发表于 2011-7-6 09:12:25

这个天线很不错，学习，mark

gwfree · 发表于 2011-7-6 09:30:38

……一点看不懂，不过还是顶起！

aazhou2835 · 发表于 2011-7-10 21:44:35

看的迷糊了

sudaxwf · 发表于 2011-7-11 10:28:04

神贴，学习中，暑假准备玩下GPS，还有刚学了天线，呵呵，勉强理解了

gong3721 · 发表于 2011-7-23 21:49:49

回复【37楼】feng_matrix 悟
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打鸡蛋……

NZP89 · 发表于 2011-11-11 19:49:06

准备接触射频电路。

lkl10800139 · 发表于 2012-3-29 23:38:47

标记学习。

icengineer · 发表于 2012-5-3 01:58:20

要不要这么牛逼佩服 MARK

eryueniao · 发表于 2012-5-29 15:04:57

顶一下

dory_m · 发表于 2012-6-12 13:12:44

不像天线！！！

蜗牛蜗牛 · 发表于 2012-6-13 19:41:40

顶这个真好，令人佩服，佩服

christec · 发表于 2012-6-30 04:22:09

效果试了吗? 很想知道

Ultra_Man · 发表于 2012-7-4 11:34:05

Mark

zhoufenga · 发表于 2012-8-28 19:35:22

学习一下

wukangkang · 发表于 2012-9-19 11:48:12

非常好的帖子！！！

zjg473 · 发表于 2013-2-1 11:09:28

期待那个天线的测试效果啊

John_123 · 发表于 2013-2-21 20:42:05

LZ I like your picture (since revoluction age )

312417200 · 发表于 2013-10-21 21:54:35

摆上楼主啊！感叹！！

liao1989 · 发表于 2013-11-4 15:45:32

不知道有没有关于北斗天线的

fengye7251 · 发表于 2014-3-28 16:32:32

好资料，mark

hamcq · 发表于 2014-4-6 09:42:59

制作过程有没有

小行星 · 发表于 2015-1-10 11:25:06

。。。学习了，啥东西钻下去都感觉知识太多。

agilentvee · 发表于 2015-1-10 12:01:23

以楼主的资历最起码能做我们99%的人的导师，可是还这么谦虚。
这样子让那些写上这个精通那个精通的应届毕业生怎么活啊

lyming · 发表于 2015-6-2 00:18:25

这个老头不一般

三国小兵 · 发表于 2015-6-2 10:05:48

以前在学校做过一个滤波器，学习啊，

imliyucai · 发表于 2015-6-2 10:39:32

在这个帖子里看到很多以前没见过的天线。
谢谢老头。

nevertime · 发表于 2015-6-2 11:15:06

怎么不更新了呢？

chwe1112 · 发表于 2015-6-2 11:24:47

牛人，还第一次见过这样的天线

sml009 · 发表于 2015-11-19 18:12:05

学习研究，谢谢楼主

yick · 发表于 2015-11-20 12:03:27

不错，厉害

zhenhuajiang · 发表于 2018-4-1 14:37:08

现在的GPR天线那么小，不知道里面是什么结构？

老头学GPS 天线

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