Innovative Materialien und das Antennendesign lösen das Multiband-GNSS-Dilemma

Seit seinen Anfängen in den späten 1970er und in den 1980er Jahren unter der Schirmherrschaft des US-Verteidigungsministeriums (DoD) haben sich die Aufgaben und Anwendungen des GPS (Global Positioning System) exponentiell erweitert. Ursprünglich nur für die Navigation und die Lenkung von Flugkörpern gedacht, wird es heute in die Verfolgung und Überwachung von Vermögenswerten, in autonome Fahrzeuge, in die Landwirtschaft, in Wearables und in viele andere Endanwendungen integriert, die sich seine Erfinder nie vorstellen konnten.

Nach der erfolgreichen Einführung von GPS in den USA haben auch andere Länder und Regionen ihre GPS-Äquivalente entwickelt und in Betrieb genommen, die zusammen als GNSS (Globales Navigationssatellitensystem) bezeichnet werden. GNSS umfasst GLONASS (Russland), Galileo (Europäische Union) und BeiDou (China) sowie zwei regionale GNSS-Systeme: QZSS (Japan) und IRNSS/NavIC (Indien).

Während das ursprüngliche GPS-Empfängersystem so groß war, dass es kaum in den Kofferraum eines Autos passte, hat die moderne Technologie den Betriebskern des GNSS auf einen einzigen integrierten Schaltkreis (IC) reduziert. Unabhängig vom GNSS-Typ benötigen alle diese Systeme eine Antenne, die für den Empfang der extrem schwachen HF-Signale der GNSS-Satellitengruppe optimiert ist. Da die GNSS-Empfänger immer kleiner wurden und weniger Leistung benötigen, musste auch die Antenne entsprechend kleiner werden.

Dies stellt jedoch eine Herausforderung für die Empfänger dar, die mehr als ein GNSS-System oder -Band bedienen müssen. Sie benötigen eine Antenne, die sowohl das untere als auch das obere HF-Band der verschiedenen verwendeten Systeme nutzen kann (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die definierten GNSS-Frequenzzuweisungen und -Bänder für die verschiedenen im Einsatz befindlichen Systeme zeigen sowohl Überschneidungen als auch getrennte Bereiche. (Bildquelle: Taoglas Limited)

Die GNSS-Bänder und -Frequenzen haben die folgenden Bezeichnungen:

• 1559 bis 1610 Megahertz (MHz), bezeichnet als L1, E1, B1
• 1215 bis 1300 MHz, bezeichnet als L2, E6, B3, L6
• 1164 bis 1215 MHz, bezeichnet als L5, E5, B2, L3

Das L-Band bezieht sich auf den Frequenzbereich von 1525 bis 1559 MHz, der von verschiedenen Satelliten zur Übertragung von Korrektursignalen genutzt wird.

Der Bedarf an Breitband- oder Multibandantennen reicht bis in die Anfänge der drahtlosen Kommunikation zu Beginn des 20. Jahrhunderts zurück, und es gibt zwei allgemeine Ansätze. Eine Möglichkeit besteht darin, physische „Traps“ oder Ladespulen zu verwenden, um eine einzelne Schmalbandantenne bei zwei unterschiedlichen Mittenfrequenzen in Resonanz zu bringen. Die andere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer einzigen Antenne, die von Haus aus für den Breitbandbetrieb ausgelegt ist.

Keine dieser beiden Lösungen ist für GNSS-Antennen in den heutigen kompakten Systemdesigns wünschenswert. Der Trap-Ansatz erfordert relativ große diskrete Induktivitäten und Kondensatoren, während die Breitbandantenne Kompromisse bei leistungsrelevanten Eigenschaften wie Verstärkung und Effizienz eingeht.

Ein überlegener Antennenansatz

Mit der Inception-Serie von Taoglas Limited gibt es jetzt eine bessere Lösung. Die HP5354.A (Abbildung 2) ist beispielsweise eine passive GNSS-Patchantenne für mehrere Bänder zwischen 1160 und 1610 MHz, die für eine verbesserte Positionsgenauigkeit entwickelt wurde. Diese innovative keramische Patch-in-Patch-Antenne bietet eine optimierte Verstärkung für die Bänder BeiDou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) und Galileo (E1/E5a).

Abbildung 2: Die HP5354.A ist eine kompakte, flache Antenne, die für Dualband-GNSS-Performance (L1 und L5) optimiert ist. (Bildquelle: Taoglas Limited)

Die HP5354.A misst 35 × 35 Millimeter (mm) und eignet sich aufgrund ihrer Höhe von 4 mm gut für kompakte, flache Designs. Das 11-polige Gehäuse verwendet drei seiner Pins für Empfangssignalschnittstellen (zwei für das L1-Band und einen für das L5-Band), während die übrigen Pins als Masse dienen.

Die HP5354.A mit Mehrfacheinspeisung wurde mit einer Massefläche von 70 × 70 mm abgestimmt und getestet und weist ein hervorragendes Abstrahlverhalten auf. Sie kann die für die nächste Generation von L1/L5-GNSS erforderlichen Bänder abdecken und ist für beide Bänder hinsichtlich wichtiger frequenzabhängiger Parameter vollständig charakterisiert, einschließlich Rückflussdämpfung, Stehwellenverhältnis (VSWR), Wirkungsgrad, durchschnittlicher Verstärkung, Spitzenverstärkung, Achsenverhältnis, Phasenzentrumversatz, Phasenzentrumvariationen und Gruppenlaufzeit.

Verwendung der HP5354.A von Taoglas

Obwohl die HP5354.A mit einem vom Benutzer bereitgestellten Frontend-Modul gekoppelt werden kann, vereinfacht Taoglas die Entwicklung der Low-Level-Signalkette mit dem GNSS-HF-Modul TFM.100B. Dieses Hochleistungsmodul deckt die Bänder L1 und L5 ab und wurde speziell für die Verwendung mit Multifeed-Patches entwickelt.

Das TFM.100B verfügt über einen zweistufigen rauscharmen Verstärker (LNA), der über alle Bänder hinweg eine Verstärkung von über 25 Dezibel (dB) und eine niedrige Rauschzahl von weniger als 3 dB bietet. Das Modul verfügt über eine SAW/LNA/SAW/LNA-Topologie (SAW: Surface Acoustic Wave) sowohl im Low-Band- als auch im High-Band-Signalpfad, um zu verhindern, dass unerwünschte bandexterne Interferenzen (OOB) die GNSS-LNAs oder den Empfänger übersteuern.

Die SAW-Filter im TFM.100B wurden sorgfältig ausgewählt und platziert, um eine hervorragende OOB-Unterdrückung zu gewährleisten und gleichzeitig die niedrige Rauschzahl von 3 dB beizubehalten. Diese einfach zu integrierende, oberflächenmontierbare Komponente misst 20 × 18 mm und wird mit einer einzigen Gleichstromversorgung von 1,8 bis 5,5 Volt (VDC) betrieben.

Taoglas vereinfacht die Integration des HP5354.A in ein komplettes System zusätzlich durch die Bereitstellung des Evaluierungsboards AHPD5354A (Abbildung 3). Das Board enthält den HF-Vorverstärker TFM.100B und den HC125A von Taoglas, einen 3dB-Hybridkoppler mit niedrigem Profil und hoher Leistung, der für Multifeed-Multiband-GNSS-Anwendungen entwickelt wurde. Die HP5354.A, der TFM.100B und der HC125A arbeiten als integrierte Signalkette zusammen.

Abbildung 3: Das Evaluierungsboard AHPD5354A verfügt über einen Hybridkoppler für L1/L5-Signale und einen vollwertigen HF-Vorverstärker und -Filter, der eine vollständige HF-Signalkette bereitstellt. (Bildquelle: Taoglas Limited)

Die HP5354.A bietet zwei orthogonale Einspeisungen über drei Pins, wobei zwei Pins für den L1-Band-Antennenausgang und der andere Pin für den L5-Band-Ausgang vorgesehen ist. Diese Einspeisungen werden im Hybridkoppler für das L1-Band kombiniert, um ein optimales Achsenverhältnis zu gewährleisten und ein rechtszirkular polarisiertes (RHCP) Signal zu erzeugen, das dann den entsprechenden Eingängen des TFM.100B zugeführt wird.

Beachten Sie, dass der Hybridkoppler HC125A nur für das hohe GNSS-Betriebsband dieser Antenne (1559 bis 1610 MHz) erforderlich ist. Das Layoutdiagramm der Evaluierungsplatine veranschaulicht, wie der Hybridkoppler in der Nähe der Antennenstifte positioniert und mit zwei parallel geschalteten 100-Ohm-Widerständen ordnungsgemäß abgeschlossen werden sollte.

Fazit

Das allgegenwärtige GNSS verwendet hochentwickelte Kern-ICs und moderne Algorithmen für die Berechnungen, die zur Bestimmung der Empfängerposition erforderlich sind. Die Bereitstellung der Rohsignale für diese ICs ist die Herausforderung der HF-Signalkette, die mit der Empfängerantenne beginnt. Die HP5354.A von Taoglas ist eine winzige, oberflächenmontierbare Dualband-Antenne, die gleichzeitig das untere und obere GNSS-Frequenzband unterstützt. In Verbindung mit dem Taoglas-Hybridkoppler und den rauscharmen Vorverstärkern haben Entwickler eine unkomplizierte Lösung für die Implementierung eines HF-Frontends für GNSS-Empfänger.

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