Une conception d'antenne et des matériaux innovants permettent de résoudre le dilemme GNSS multibande

Depuis ses débuts à la fin des années 1970 et au début des années 1980 sous l'égide du département de la Défense (DoD) des États-Unis, les rôles et les applications du système de positionnement mondial (GPS) se sont développés de manière exponentielle. Initialement destiné uniquement à la navigation et au guidage des missiles, il est désormais intégré dans le suivi et la surveillance des actifs, les véhicules autonomes, l'agriculture, les dispositifs corporels et de nombreuses autres applications finales que ses créateurs n'avaient jamais imaginées.

Suite au déploiement réussi du GPS aux États-Unis, d'autres pays et régions ont développé et lancé leurs propres systèmes GPS, regroupés sous le nom de système global de navigation par satellite (GNSS). Le système GNSS inclut GLONASS (Russie), Galileo (Union européenne) et BeiDou (Chine), ainsi que deux systèmes GNSS régionaux : QZSS (Japon) et IRNSS/NavIC (Inde).

Alors que le système de réception GPS d'origine était volumineux et tenait à peine dans le coffre d'une voiture, la technologie moderne a permis de réduire le cœur du GNSS à un seul circuit intégré. Quel que soit le type de GNSS, tous ces systèmes ont besoin d'une antenne optimisée pour recevoir les signaux RF de très faible niveau émis par le réseau de satellites GNSS. À mesure que les récepteurs GNSS ont diminué en taille et réduit leur consommation d'énergie, la taille de l'antenne a dû être réduite en conséquence.

Cela représente toutefois un défi pour les récepteurs, qui doivent prendre en charge plusieurs systèmes ou bandes GNSS. Ils ont besoin d'une antenne capable de traiter à la fois les bandes RF inférieures et supérieures des différents systèmes utilisés (Figure 1).

Figure 1 : Les attributions de fréquences et les bandes GNSS définies pour les différents systèmes utilisés montrent à la fois des chevauchements et des séparations. (Source de l'image : Taoglas Limited)

Les bandes et fréquences GNSS ont les désignations suivantes :

• 1559 à 1610 MHz, désignées par L1, E1, B1
• 1215 à 1300 MHz, désignées par L2, E6, B3, L6
• 1164 à 1215 MHz, désignées par L5, E5, B2, L3

Notez que la bande L désigne la gamme de fréquences comprise entre 1525 et 1559 MHz, qui est utilisée par divers satellites pour transmettre des signaux de correction.

Le besoin d'antennes à large bande ou multibandes remonte aux prémices de la communication sans fil au début du 20^e siècle, et il existe deux approches générales. La première consiste à utiliser des « pièges » physiques ou des bobines de charge pour faire résonner une seule antenne à bande étroite à deux fréquences centrales distinctes. L'autre option consiste à utiliser une seule antenne conçue intrinsèquement pour des performances à large bande.

Aucune de ces solutions n'est souhaitable pour les antennes GNSS dans les conceptions de systèmes compacts actuels. L'approche par pièges nécessite des inductances et des condensateurs discrets relativement importants, tandis que l'antenne à large bande compromet des caractéristiques essentielles aux performances, telles que le gain et l'efficacité.

Une meilleure approche en matière d'antennes

Une meilleure solution est désormais disponible grâce à la série Inception de Taoglas Limited. Par exemple, le modèle HP5354.A (Figure 2) est une antenne patch GNSS passive multibande de 1160 à 1610 MHz conçue pour améliorer la précision de la position. Cette antenne à conception « patch-within-a-patch » céramique innovante offre un gain optimisé pour les bandes BeiDou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) et Galileo (E1/E5a).

Figure 2 : Le modèle HP5354.A est une antenne compacte et extra-plate optimisée pour les performances GNSS double bande (L1 et L5). (Source de l'image : Taoglas Limited)

L'antenne HP5354.A mesure 35 mm x 35 mm et sa hauteur de 4 mm en fait une solution parfaitement adaptée aux conceptions compactes et extra-plates. Le boîtier à 11 broches utilise trois de ses broches pour les interfaces de signaux reçus (deux pour la bande L1 et une pour la bande L5), tandis que les broches restantes servent de masse.

L'antenne HP5354.A à alimentations multiples a été accordée et testée avec un plan de masse de 70 mm × 70 mm et présente d'excellents diagrammes de rayonnement. Elle peut couvrir les bandes requises pour la prochaine génération de GNSS L1/L5 et elle est entièrement caractérisée sur les deux bandes pour les paramètres clés qui dépendant de la fréquence, notamment les pertes par réflexion, le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS), le rendement, le gain moyen, le gain de crête, le rapport axial, le décalage du centre de phase, les variations du centre de phase et le temps de propagation de groupe.

Application de l'antenne HP5354.A de Taoglas

Bien que l'antenne HP5354.A puisse être associée à un module frontal fourni par l'utilisateur, Taoglas simplifie le développement de la chaîne de signaux de bas niveau grâce au module RF GNSS TFM.100B. Ce module hautes performances couvre les bandes L1 et L5 et est spécialement conçu pour être utilisé avec des antennes patch à alimentations multiples.

Le module TFM.100B est équipé d'un amplificateur à faible bruit (LNA) à deux étages qui offre un gain de plus de 25 dB sur toutes les bandes, ainsi qu'un faible facteur de bruit inférieur à 3 dB. Le module présente une topologie à onde acoustique de surface (SAW)/LNA/SAW/LNA dans les trajets de signaux de la bande basse et de la bande haute afin d'éviter que des interférences hors bande (OOB) indésirables ne saturent les amplificateurs à faible bruit GNSS ou le récepteur.

Les filtres SAW du module TFM.100B ont été soigneusement sélectionnés et placés de manière à offrir une excellente réjection OOB tout en conservant le faible facteur de bruit de 3 dB. Ce dispositif à montage en surface facile à intégrer mesure 20 mm × 18 mm et fonctionne à partir d'une seule alimentation de 1,8 VCC à 5,5 VCC.

Taoglas simplifie davantage l'intégration de l'antenne HP5354.A dans un système complet en fournissant la carte d'évaluation AHPD5354A (Figure 3). La carte comprend le préamplificateur RF TFM.100B et le coupleur hybride HC125A extra-plat hautes performances de 3 dB de Taoglas, conçu pour les applications GNSS multibandes à alimentations multiples. L'antenne HP5354.A, le module TFM.100B et le coupleur HC125A fonctionnent ensemble comme une chaîne de signaux intégrée.

Figure 3 : La carte d'évaluation AHPD5354A comprend un coupleur hybride pour les signaux L1/L5 ainsi qu'un filtre et un préamplificateur RF aux fonctionnalités complètes, offrant ainsi une chaîne de signaux RF complète. (Source de l'image : Taoglas Limited)

L'antenne HP5354.A fournit deux alimentations orthogonales via trois broches, deux broches pour la sortie d'antenne de la bande L1 et l'autre broche pour la sortie de la bande L5. Ces alimentations sont combinées dans le coupleur hybride pour la bande L1 afin de garantir un rapport axial optimal et de créer un signal à polarisation circulaire droite (RHCP), qui est ensuite présenté aux entrées correspondantes sur le module TFM.100B.

Notez que le coupleur hybride HC125A n'est requis que pour la bande GNSS haute de cette antenne (1559 à 1610 MHz). Le schéma de disposition de la carte d'évaluation illustre comment le coupleur hybride doit être positionné à proximité des broches de l'antenne et correctement terminé à l'aide de deux résistances de 100 Ω en parallèle.

Conclusion

Les systèmes GNSS omniprésents utilisent des circuits intégrés centraux sophistiqués et des algorithmes avancés pour les calculs nécessaires à la détermination de la position du récepteur. Fournir des signaux bruts à ces circuits intégrés constitue le défi de la chaîne de signaux RF, qui commence par l'antenne du récepteur. L'antenne HP5354.A de Taoglas est une petite antenne double bande à montage en surface qui prend en charge simultanément les bandes de fréquences GNSS inférieure et supérieure. Utilisée conjointement avec des préamplificateurs à faible bruit et des coupleurs hybrides de Taoglas, elle offre aux concepteurs une solution simple pour implémenter un front-end RF pour les récepteurs GNSS.

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