Un'antenna patch multibanda compatta semplifica la progettazione di un front-end RF per ricevitori GNSS

Ispirati dal successo del lancio commerciale del sistema di posizionamento globale (GPS) negli Stati Uniti alla fine degli anni '80, anche molti altri Paesi del mondo hanno sviluppato e lanciato le rispettive versioni del GPS, che collettivamente sono note come sistema di navigazione satellitare globale (GNSS). Negli ultimi 25 anni, la tecnologia GNSS si è evoluta fino a svolgere un ruolo fondamentale nel mondo interconnesso. Oggi il GNSS comprende Galileo nell'Unione Europea, GLONASS in Russia, BeiDou in Cina, IRNSS/NavIC in India e QZSS in Giappone. Per lavorare con costellazioni multisatellitari, un sistema di ricezione GNSS utilizza frequenze multibanda per offrire una migliore precisione e affidabilità rispetto ai ricevitori GPS tradizionali, che utilizzano solo il sistema satellitare GPS.

Poiché l'antenna è un componente critico del ricevitore, svolge un ruolo cruciale nel captare i deboli segnali radio dai satelliti per determinare la posizione precisa dell'utente, la navigazione e l'ora. Di conseguenza, un ricevitore GNSS utilizza più bande di frequenza che corrispondono alle bande di radiofrequenza (RF) inferiori e superiori trasmesse da diversi sistemi di navigazione satellitare nello spazio. Le bande e le frequenze coperte dai ricevitori GNSS sono riassunte di seguito:

• Le bande L1, E1 e B1 coprono un campo di frequenza compreso tra 1.559 MHz e 1.610 MHz
• Le bande L2, E6, B3 e L6 coprono un campo di frequenza compreso tra 1.217 MHz e 1.300 MHz
• Le bande L5, E5, B2 e L3 coprono un campo di frequenza compreso tra 1.164 MHz e 1.217 MHz

Di conseguenza, i ricevitori GNSS utilizzano un'antenna a banda larga o multibanda in grado di gestire i diversi campi di frequenza utilizzati dalle varie reti satellitari nello spazio. L'utilizzo di molteplici bande di frequenze consente al sistema di ricezione GNSS di offrire una maggiore precisione e affidabilità di posizionamento con una minore vulnerabilità agli errori di segnale e alle interferenze, permettendo alle antenne GNSS di fornire prestazioni superiori in ambienti ampi e difficili.

Antenna patch-in-patch multibanda

Poiché i primi sistemi di ricezione GPS utilizzavano antenne impilate grandi e ingombranti che occupavano spazio prezioso, la richiesta di una soluzione compatta e a profilo ribassato è stata elevata negli ultimi anni. Per rispondere in modo efficiente ed economico ai requisiti dei moderni moduli front-end RF GNSS, Taoglas Limited ha progettato e sviluppato una tecnologia per antenne superiore per applicazioni precise e con vincoli di altezza. La serie Inception HP5354.A è un'antenna patch passiva multibanda, da 1.160 MHz a 1.610 MHz, progettata per migliorare la precisione di posizionamento, la robustezza e l'affidabilità. Utilizza una tecnologia innovativa di antenna patch-in-patch ceramica che combina due antenne nello stesso fattore di forma di un'antenna GPS a banda singola (Figura 1). Di conseguenza, garantisce un guadagno di polarizzazione ottimizzato per le bande BeiDou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) e Galileo (E1/E5a), compreso IRNSS/NavIC (L5) e la compatibilità con un'ampia gamma di applicazioni, indipendentemente dalla posizione.

Figura 1: La serie Inception HP5354.A è un'antenna patch-in-patch a profilo ribassato dual-band per sistemi di ricezione GNSS. (Immagine per gentile concessione di Taoglas Limited)

Ottimizzata per prestazioni dual-band, HP5354.A è un'antenna compatta e a profilo ribassato che misura 35 x 35 mm e ha un'altezza di 4 mm. Incassata in un contenitore ceramico a 11 pin a montaggio superficiale, utilizza tre pin per captare segnali radio ortogonali dalle bande L1 e L5. Due pin sono utilizzati per ricevere i segnali della banda L1, mentre il terzo è destinato alla banda L5. I restanti otto pin fungono da massa.

Per un rapporto assiale ottimale e un segnale con polarizzazione circolare destrorsa (RHCP) in uscita, le due linee per la banda L1 vengono combinate utilizzando un accoppiatore ibrido consigliato, modello HC125A (Figura 2). Caratterizzato da una bassa perdita di inserzione e da un'ampiezza di uscita bilanciata, HC125A è disponibile in un contenitore a profilo ribassato (1,5 mm di altezza) per il montaggio superficiale in applicazioni GNSS multibanda.

Figura 2: Le due linee della banda L1 sono combinate nell'accoppiatore ibrido HC125A per garantire un rapporto assiale ottimale e creare un segnale RHCP. (Immagine per gentile concessione di Taoglas Limited)

L'antenna a due linee è anche stata sintonizzata e testata su un piano di massa di 70 x 70 mm e ha dimostrato un'eccellente distribuzione dell'irradiazione. Inoltre, è stata completamente caratterizzata in entrambe le bande per i parametri chiave dipendenti dalla frequenza. Questi includono l'attenuazione di riflessione, il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione, l'efficienza, il guadagno medio, il guadagno di picco, il rapporto assiale, l'offset e le variazioni del centro di fase e i ritardi di gruppo.

Grazie al suo profilo ribassato, l'antenna a due linee può essere utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni in cui i tradizionali progetti patch impilati sono troppo ingombranti e alti. Alcune delle applicazioni consigliate includono la navigazione, il monitoraggio delle risorse a livello industriale, i veicoli autonomi e la robotica, nonché i dispositivi indossabili, i tracker compatti e l'agricoltura di precisione.

Realizzazione della catena di segnali RF front-end

Mentre l'antenna GNSS multibanda può essere combinata con un front-end GNSS fornito dall'utente, Taoglas ha semplificato la progettazione della catena di segnali utilizzando il modulo front-end GNSS TFM.100B, progettato per l'uso con patch multilinea.

Il modulo comprende un amplificatore a basso rumore (LNA) a due stadi che fornisce più di 25 dB di guadagno su tutte le bande, oltre a una cifra di rumore (NF) bassa, inferiore a 3 dB. È dotato di un filtro a onda acustica di superficie (SAW) combinato con l'LNA per realizzare una topologia SAW/LNA/SAW/LNA che gestisce entrambi i percorsi del segnale a banda bassa e a banda alta per impedire alle interferenze fuori banda (OOB) indesiderate di sovraccaricare gli LNA GNSS o il ricevitore. I filtri SAW all'interno del modulo TFM.100B sono stati accuratamente selezionati e posizionati per fornire un'eccellente reiezione OOB pur mantenendo una NF di soli 3 dB. Questo dispositivo a montaggio superficiale e facile da integrare misura 20 x 18 mm e funziona con una singola alimentazione da 1,8 a 5,5 V c.c. L'ampio intervallo della tensione di ingresso consente di integrare facilmente il modulo front-end nella maggior parte dei ricevitori GNSS.

Per aiutare gli utenti a comprendere l'integrazione di moduli front-end completi per ricevitori GNSS, gli ingegneri di Taoglas hanno preparato una scheda di valutazione, AHPD5354A (Figura 3), come progetto di riferimento per il percorso del segnale front-end. Questa scheda di valutazione combina su un'unica scheda a circuiti stampati (PCB) il preamplificatore TFM.100B, l'accoppiatore ibrido a profilo ribassato e alte prestazioni HC125A da 3 dB e l'antenna patch multibanda HP5354.A.

Figura 3: La scheda di valutazione AHPD5354A di Taoglas semplifica l'integrazione di un preamplificatore a basso rumore, un accoppiatore ibrido da 3 dB e un'antenna patch multibanda in un modulo front-end RF completo per sistemi di ricezione GNSS. (Immagine per gentile concessione di Taoglas Limited)

La scheda di valutazione indica che l'accoppiatore ibrido è necessario solo quando la banda di funzionamento GNSS è alta (da 1.559 MHz a 1.610 MHz). Analogamente, lo schema di layout della scheda suggerisce che l'accoppiatore ibrido deve essere posizionato vicino ai pin dell'antenna e terminato correttamente utilizzando due resistori a 100 ohm in parallelo.

Inoltre, la scheda evidenzia alcuni dei vantaggi dell'utilizzo del modulo front-end GNSS TFM.100B, che comprendono:

• Un contenitore drop-in ideale per qualsiasi antenna o ricevitore GNSS
• Pre-filtri integrati che offrono un'eccezionale reiezione OOB su più bande e altre interferenze vicine per ottenere una bassa NF
• LNA a due stadi, pre-filtri e adattamento di impedenza ottimizzato che forniscono un guadagno sufficiente al ricevitore GNSS senza sovraccarico di segnale/rumore
• L'ingombro compatto e il design a profilo ribassato consentono di risparmiare spazio prezioso e non richiedono componenti e percorsi esterni
• Il massimo livello di integrazione, producibilità e robustezza in un unico contenitore compatto

Conclusione

L'antenna patch multibanda è un componente essenziale dei moderni ricevitori GNSS per migliorare le prestazioni in ambienti difficili. Ricevendo segnali radio da più frequenze nelle bande basse e alte, un'antenna dual-band consente ai ricevitori GNSS di superare i limiti di un sistema a banda singola. Per raggiungere questo obiettivo, Taoglas ha sviluppato un'antenna a profilo ribassato dual-band utilizzando un'innovativa tecnologia patch-in-patch che supporta contemporaneamente le bande L1 e L5 in un fattore di forma compatto. In combinazione con l'accoppiatore ibrido e il preamplificatore a basso rumore con filtro SAW integrato e circuito di adattamento dell'impedenza in un contenitore ceramico compatto, il risultato è una soluzione per catena di segnali front-end RF ad alte prestazioni per ricevitori GNSS.