Il design e i materiali innovativi dell'antenna risolvono il dilemma del GNSS multibanda

I ruoli e le applicazioni di un sistema di posizionamento globale (GPS) hanno conosciuto una crescita esponenziale dall'esordio alla fine degli anni '70 sotto l'egida del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (DoD). Questo sistema, che in origine era destinato esclusivamente alla navigazione e alla guida missilistica, ora è integrato nel tracciamento e nel monitoraggio delle risorse, nei veicoli autonomi, nei dispositivi indossabili, viene applicato in agricoltura e ha trovato molti altri usi finali inimmaginabili dai suoi creatori.

Visto il successo dell'implementazione del GPS negli Stati Uniti, altri paesi e regioni hanno sviluppato e lanciato i propri equivalenti del GPS, collettivamente denominati sistema di navigazione satellitare globale (GNSS). Il GNSS comprende GLONASS (Russia), Galileo (Unione europea) e BeiDou (Cina), oltre a due sistemi GNSS regionali: QZSS (Giappone) e IRNSS/NavIC (India).

Mentre il sistema di ricezione GPS originale entrava a malapena nel bagagliaio di un'auto, la tecnologia moderna è riuscita a inserire il motore del GNSS in un unico circuito integrato (CI). Qualunque sia il tipo di GNSS, per ricevere dalla schiera di satelliti GNSS i segnali RF di livello estremamente basso, tutti questi sistemi hanno bisogno di un'antenna ottimizzata. Con la riduzione delle dimensioni dei ricevitori GNSS e dei loro requisiti di alimentazione, anche l'antenna ha dovuto adeguarsi di conseguenza.

Ma questo presenta una sfida per i ricevitori, che devono gestire più di un sistema GNSS o più di una banda. Richiedono infatti un'antenna che sia in grado di gestire sia la banda RF inferiore che quella superiore dei vari sistemi in uso (Figura 1).

Figura 1: Le assegnazioni della frequenza GNSS e delle bande definite per i vari sistemi in uso mostrano sia sovrapposizione che separazione. (Immagine per gentile concessione di Taoglas Limited)

Le bande e le frequenze GNSS hanno le seguenti denominazioni:

• Da 1.559 a 1.610 Mhz sono denominate L1, E1, B1
• Da 1.215 a 1.300 MHz sono denominate L2, E6, B3, L6
• Da 1.164 a 1.215 MHz sono denominate L5, E5, B2, L3

Tenere presente che la banda L si riferisce all'intervallo di frequenze da 1.525 a 1.559 MHz, che viene utilizzato da vari satelliti per trasmettere segnali di correzione.

La necessità di antenne a banda larga o multibanda risale agli albori della comunicazione wireless ai primi del XX secolo e ha generato due approcci generali. Uno consiste nell'utilizzare "trappole" fisiche o bobine di carico per rendere risonante una singola antenna a banda stretta a due distinte frequenze centrali. L'altra opzione consiste nell'utilizzare una singola antenna che sia intrinsecamente progettata per prestazioni a banda larga.

Nessuna di queste soluzioni è consigliabile per le antenne GNSS negli odierni sistemi compatti. L'approccio trappola richiede induttori e condensatori discreti relativamente grandi, mentre l'antenna a banda larga scende a compromessi su attributi critici per le prestazioni, come il guadagno e l'efficienza.

Un approccio migliore all'antenna

Ora, grazie alla serie Inception di Taoglas Limited, è disponibile una soluzione migliore. Ad esempio, HP5354.A (Figura 2) è un'antenna patch GNSS passiva multibanda da 1.160 a 1.610 MHz progettata per una migliore precisione della posizione. Questa innovativa antenna ceramica patch-in-patch offre un guadagno ottimizzato per le bande BeiDou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) e Galileo (E1/E5a).

Figura 2: HP5354.A è un'antenna compatta a profilo ribassato ottimizzata per prestazioni GNSS dual-band (L1 e L5). (Immagine per gentile concessione di Taoglas Limited)

L'antenna HP5354.A misura 35 × 35 mm e la sua altezza di 4 mm la rende idonea per progetti compatti e a profilo ribassato. Il contenitore a 11 pin ne utilizza tre per le interfacce del segnale ricevuto (due per la banda L1 e uno per la banda L5), mentre i pin rimanenti fungono da massa.

HP5354.A ad alimentazione multipla è stata messa a punto e testata con un piano di massa da 70 × 70 mm e ha un'eccellente distribuzione dell'irradiazione. Può coprire le bande richieste per la prossima generazione di GNSS L1/L5 ed è completamente caratterizzata su entrambe le bande per parametri chiave che dipendono dalla frequenza, tra cui perdita di ritorno, rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione, efficienza, guadagno medio, guadagno di picco, rapporto assiale, offset del centro di fase, variazioni del centro di fase e ritardo di gruppo.

Applicazione dell'antenna HP5354.A di Taoglas

Sebbene l'antenna HP5354.A possa essere abbinata a un modulo front-end fornito dall'utente, Taoglas semplifica lo sviluppo della catena del segnale di basso livello con il modulo RF GNSS TFM.100B. Questo modulo ad alte prestazioni copre le bande L1 e L5 ed è stato progettato appositamente per l'uso con patch ad alimentazione multipla.

TFM.100B è dotato di un amplificatore a basso rumore (LNA) a due stadi che fornisce più di 25 dB di guadagno su tutte le bande, oltre a un valore basso di rumore inferiore a 3 dB. Il modulo è dotato di una topologia a onda acustica di superficie (SAW)/LNA/SAW/LNA sia nei percorsi del segnale a banda bassa che in quelli a banda alta per evitare che interferenze fuori banda (OOB) indesiderate sovraccarichino le 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 un livello di rumore di soli 3 dB. Questo dispositivo a montaggio superficiale e facile da integrare misura 20 × 18 mm e funziona con una singola alimentazione da 1,8 a 5,5 V c.c.

Taoglas semplifica ulteriormente l'integrazione dell'antenna HP5354.A in un sistema completo fornendo la scheda di valutazione AHPD5354A (Figura 3). La scheda è dotata del preamplificatore RF TFM.100B e di HC125A, sempre di Taoglas, un accoppiatore ibrido a profilo ribassato e ad alte prestazioni da 3 dB progettato per applicazioni GNSS multibanda ad alimentazione multipla. HP5354.A, TFM.100B e HC125A interagiscono come una catena di segnale integrata.

Figura 3: La scheda di valutazione AHPD5354A è dotata di un accoppiatore ibrido per segnali L1/L5 e di un preamplificatore e filtro RF completi che forniscono l'intera catena di segnali RF. (Immagine per gentile concessione di Taoglas Limited)

L'antenna HP5354.A fornisce due alimentazioni ortogonali tramite tre pin, due per l'uscita dell'antenna in banda L1 e l'altro per l'uscita in banda L5. Queste alimentazioni sono combinate nell'accoppiatore ibrido per la banda L1 per garantire un rapporto assiale ottimale e creare un segnale polarizzato circolare destrorso (RHCP) che viene poi presentato agli ingressi corrispondenti sul TFM.100B.

Tenere presente che l'accoppiatore ibrido HC125A è necessario solo per la banda alta di funzionamento del GNSS per questa antenna (da 1.559 a 1.610 MHz). Lo schema di layout della scheda di valutazione illustra come posizionare l'accoppiatore ibrido vicino ai pin dell'antenna e terminarlo correttamente utilizzando due resistori da 100 Ω in parallelo.

Conclusione

I diffusissimi GNSS si avvalgono di sofisticati CI di base e di algoritmi avanzati per i calcoli necessari a stabilire la posizione del ricevitore. Fornire a questi CI i segnali non elaborati è la sfida della catena del segnale RF, che inizia con l'antenna del ricevitore. HP5354.A di Taoglas è una minuscola antenna a doppia banda a montaggio superficiale che supporta contemporaneamente le bande di frequenza GNSS inferiore e superiore. Se utilizzata assieme all'accoppiatore ibrido di Taoglas e ai dispositivi di preamplificazione a basso rumore, offre ai progettisti una soluzione semplice per l'implementazione di un front-end RF per i ricevitori GNSS.

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