Kompakte Multiband-Patchantenne vereinfacht das Design des HF-Frontends für GNSS-Empfänger

Angeregt durch die erfolgreiche kommerzielle Einführung des GPS (Global Positioning System) in den Vereinigten Staaten in den späten 1980er Jahren haben auch viele andere Länder weltweit ihre eigenen GPS-Versionen entwickelt und in Betrieb genommen, die zusammen als GNSS (Global Navigation Satellite System) bekannt sind. In den letzten 25 Jahren hat sich die GNSS-Technologie so entwickelt, dass sie eine entscheidende Rolle in der vernetzten Welt spielt. Heute umfasst GNSS das Galileo-System der Europäischen Union, das russische GLONASS-System, das chinesische BeiDou-System, das indische IRNSS/NavIC-System und das japanische QZSS-System. Um mit mehreren Satellitenkonstellationen arbeiten zu können, verwendet ein GNSS-Empfängersystem Multiband-Frequenzen und bietet so eine bessere Genauigkeit und Zuverlässigkeit als herkömmliche GPS-Empfänger, die nur das GPS-Satellitensystem nutzen.

Da die Antenne eine Schlüsselkomponente eines Empfängers ist, spielt sie eine entscheidende Rolle bei der Erfassung schwacher Funksignale von den Satelliten, um die genaue Position, Navigation und Zeit des Nutzers zu bestimmen. Daher verwendet ein GNSS-Empfänger mehrere Frequenzbänder, die sowohl dem unteren als auch dem oberen Hochfrequenzband entsprechen, die von verschiedenen Satellitennavigationssystemen im Weltraum übertragen werden. Die von GNSS-Empfängern abgedeckten Bänder und Frequenzen sind im Folgenden zusammengefasst:

• Die Bänder L1, E1 und B1 decken einen Frequenzbereich von 1559 MHz bis 1610 MHz ab.
• Die Bänder L2, E6, B3 und L6 decken einen Frequenzbereich von 1217 MHz bis 1300 MHz ab.
• Die Bänder L5, E5, B2 und L3 decken einen Frequenzbereich von 1164 MHz bis 1217 MHz ab.

Dementsprechend verwenden GNSS-Empfänger eine Breitband- oder Multiband-Antenne, die die verschiedenen Frequenzbereiche der verschiedenen Satellitennetze im Weltraum abdecken kann. Durch die Verwendung mehrerer Frequenzbänder bietet das GNSS-Empfängersystem eine verbesserte Positionierungsgenauigkeit und Zuverlässigkeit bei geringerer Anfälligkeit für Signalfehler und Interferenzen, so dass die GNSS-Antennen in weiten und schwierigen Umgebungen hervorragende Leistungen erbringen können. 

Mehrband-Patch-in-Patch-Antenne

Da die ersten GPS-Empfängersysteme große und sperrige, gestapelte Antennen verwendeten, die wertvollen Platz beanspruchten, war die Nachfrage nach einer kompakten, flachen Lösung in den letzten Jahren groß. Um die Anforderungen moderner GNSS-HF-Frontend-Module effizient und kostengünstig zu erfüllen, hat Taoglas Limited eine überlegene Antennentechnologie für die höhenbeschränkte, präzise Anwendung entwickelt. Die Inception-Serie HP5354.A ist eine passive Multiband-Patchantenne für 1160 MHz bis 1610 MHz, die für verbesserte Positionsgenauigkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit entwickelt wurde. Sie verwendet eine innovative keramische Patch-in-Patch-Antennentechnologie, die zwei Antennen im gleichen Formfaktor wie eine Einband-GPS-Antenne kombiniert (Abbildung 1). Dadurch wird eine optimierte Polarisationsverstärkung für die Bänder von BeiDou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) und Galileo (E1/E5a), einschließlich IRNSS/NavIC (L5), gewährleistet. Damit ist Kompatibilität mit einer breiten Palette von Anwendungen gewährleistet, egal an welchem Ort.

Abbildung 1: Die Inception-Serie HP5354.A ist eine flache Dualband-Patch-in-Patch-Antenne für GNSS-Empfängersysteme. (Bildquelle: Taoglas Limited)

Die für Dualband-Leistung optimierte HP5354.A ist eine kompakte, flache Antenne mit den Abmessungen 35 mm x 35 mm und einer Höhe von 4 mm. Sie ist in einem 11-poligen oberflächenmontierbaren Keramikgehäuse untergebracht und verwendet drei ihrer Pins für die Erfassung orthogonaler Funksignale aus den Bändern L1 und L5. Zwei der Pins werden für den Empfang von Signalen aus dem L1-Band verwendet, der dritte für das L5-Band. Die restlichen acht Pins dienen als Masse.

Um ein optimales Achsenverhältnis und ein rechtszirkular polarisiertes (RHCP) Signal am Ausgang zu erhalten, werden die beiden Einspeisungen für das L1-Band mit einem empfohlenen Hybridkoppler, dem HC125A, kombiniert (Abbildung 2). Der HC125A bietet eine geringe Einfügedämpfung und eine ausgeglichene Ausgangsamplitude und wird in einem flachen (1,5 mm Höhe) oberflächenmontierbaren Gehäuse für Multiband-GNSS-Anwendungen geliefert.

Abbildung 2: Die beiden Einspeisungen aus dem L1-Band werden im Hybridkoppler HC125A kombiniert, um ein optimales Achsenverhältnis zu gewährleisten und gleichzeitig ein RHCP-Signal zu erzeugen. (Bildquelle: Taoglas Limited)

Darüber hinaus wurde die Dual-Feed-Antenne auf einer 70 mm x 70 mm großen Grundfläche abgestimmt und getestet und hat ein hervorragendes Strahlungsdiagramm gezeigt. Darüber hinaus wurden die wichtigsten frequenzabhängigen Parameter in beiden Bändern vollständig charakterisiert. Dazu gehören Rückflussdämpfung, Stehwellenverhältnis (VSWR), Wirkungsgrad, durchschnittliche Verstärkung, Spitzenverstärkung, Achsenverhältnis, Phasenzentrumversatz, Phasenzentrumschwankungen und Gruppenlaufzeiten.  

Mit ihrem niedrigen Profil kann die Dual-Feed-Antenne in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, bei denen herkömmliche gestapelte Patch-Designs zu sperrig und hoch sind. Einige der empfohlenen Anwendungen umfassen Navigation, industrielle Bestandsverfolgung, autonome Fahrzeuge und Robotik sowie Wearables, kompakte Bestandsverfolger und Präzisionslandwirtschaft.

Aufbau der Frontend-HF-Signalkette

Während die Multiband-GNSS-Antenne mit einem benutzerseitigen GNSS-Frontend kombiniert werden kann, hat Taoglas das Design der Signalkette mit dem GNSS-Frontend-Modul TFM.100B vereinfacht, das für die Verwendung mit Multifeed-Patches konzipiert ist.

Das Modul umfasst einen zweistufigen rauscharmen Verstärker (LNA), der eine Verstärkung von mehr als 25 Dezibel (dB) über alle Bänder hinweg bietet und eine niedrige Rauschzahl (NF) von weniger als 3 dB aufweist. Es verfügt über einen SAW-Filter (Surface Acoustic Wave), der mit dem LNA kombiniert wird, um eine SAW/LNA/SAW/LNA-Topologie zu schaffen, die sowohl die Low-Band- als auch die High-Band-Signalpfade bearbeitet, um unerwünschte Out-of-Band-Interferenzen (OOB) von der Übersteuerung der GNSS-LNAs oder des Empfängers abzuhalten. 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. Dank des weiten Eingangsspannungsbereichs lässt sich das Frontend-Modul problemlos in die meisten GNSS-Empfänger integrieren.

Um den Anwendern die Integration kompletter Frontend-Module für GNSS-Empfänger näher zu bringen, haben die Taoglas-Ingenieure ein Evaluierungsboard, das AHPD5354A (Abbildung 3), als Referenzdesign für den Frontend-Signalpfad entwickelt. Diese Evaluierungsplatine kombiniert den Vorverstärker TFM.100B, den flachen, leistungsstarken 3-dB-Hybridkoppler HC125A und die Multiband-Patchantenne HP5354.A auf einer einzigen Leiterplatte (PCB).

Abbildung 3: Das AHPD5354A-Evaluierungsboard von Taoglas vereinfacht die Integration eines rauscharmen Vorverstärkers, eines 3dB-Hybridkopplers und einer Multiband-Patchantenne in ein komplettes HF-Frontend-Modul für GNSS-Empfangssysteme. (Bildquelle: Taoglas Limited)

Das Evaluierungsboard zeigt, dass der Hybridkoppler nur dann erforderlich ist, wenn das GNSS-Betriebsband in einem hohen Bereich liegt (1559 MHz bis 1610 MHz). Das Layoutdiagramm des Boards legt ebenfalls nahe, dass der Hybridkoppler in der Nähe der Antennenpins platziert und mit zwei 100-Ohm-Widerständen parallel abgeschlossen werden muss.

Darüber hinaus hebt das Board auch einige der Vorteile des GNSS-Frontend-Moduls TFM.100B hervor. Dazu gehören:

• Ein einfaches Drop-in-Paket für jede Antenne oder jeden GNSS-Empfänger
• Integrierte Vorfilter, die eine außergewöhnliche OOB-Unterdrückung über mehrere Bänder und andere benachbarte Störungen bieten, um einen niedrigen NF zu erreichen
• Zweistufige LNAs, Vorfilter und optimierte Impedanzanpassung, die dem GNSS-Empfänger eine ausreichende Verstärkung ohne Signal-Rausch-Überlastung bieten
• Ein kompakter Footprint und ein flaches Design, das wertvollen Platz spart und keine externen Komponenten und Verdrahtungen erfordert
• Das höchste Maß an Integration, Herstellbarkeit und Robustheit in einem einzigen kompakten Gehäuse

Fazit

Eine Multiband-Patchantenne ist ein wesentlicher Bestandteil moderner GNSS-Empfänger zur Verbesserung der Performance in schwierigen Umgebungen. Durch den Empfang von Funksignalen auf mehreren Frequenzen in niedrigen und hohen Bändern ermöglicht eine Dualband-Antenne GNSS-Empfängern, die Einschränkungen eines Einbandsystems zu überwinden. Um dieses Ziel zu erreichen, hat Taoglas eine flache Dualband-Antenne mit neuartiger Patch-in-Patch-Technologie entwickelt, die gleichzeitig das L1- und das L5-Band in einem kleinen Formfaktor unterstützt. In Kombination mit dem Hybridkoppler und dem rauscharmen Vorverstärker mit integriertem SAW-Filter und Impedanzanpassungsschaltung in einem kompakten Keramikgehäuse ergibt sich eine leistungsstarke HF-Frontend-Signalkettenlösung für GNSS-Empfänger.