Inspiriert durch den erfolgreichen kommerziellen Betrieb des Global Positioning System (GPS) in den späten 1980er Jahren in den Vereinigten Staaten haben auch viele andere Länder der Welt ihre eigenen Versionen von GPS entwickelt und auf den Markt gebracht, die zusammen als Global Navigation Satellite System (GNSS) bekannt sind. Die GNSS-Technologie hat sich in den letzten 25 Jahren weiterentwickelt und spielt in der vernetzten Welt eine entscheidende Rolle. Heute umfasst GNSS Galileo der Europäischen Union, GLONASS Russlands, Beidou Chinas, IRNSS/NavIC Indiens und QZSS Japans. Im Vergleich zum herkömmlichen GPS-Empfänger, der nur das GPS-Satellitensystem verwendet, verwendet das GNSS-Empfängersystem eine Mehrbandfrequenz, um mit mehreren Satellitenkonstellationen arbeiten zu können, um eine höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu erzielen.
Die Antenne ist eine Schlüsselkomponente des Empfängers und spielt eine entscheidende Rolle bei der Erfassung des schwachen Funksignals des Satelliten, um den genauen Standort, die Navigation und die Zeit des Benutzers zu bestimmen. Daher verwendet der GNSS-Empfänger mehrere Frequenzbänder, die den niedrigeren und höheren Radiofrequenzbändern (RF) entsprechen, die von verschiedenen Satellitennavigationssystemen im Weltraum übertragen werden. Die vom GNSS-Empfänger abgedeckten Frequenzbänder und Frequenzen sind wie folgt zusammengefasst:
Der Frequenzbereich der Bänder L1, E1 und B1 beträgt 1559 MHz bis 1610 MHz
Die Bänder L2, E6, B3 und L6 haben einen Frequenzbereich von 1217 MHz bis 1300 MHz
Der Frequenzbereich der Bänder L5, E5, B2 und L3 beträgt 1164 MHz bis 1217 MHz
Daher verwendet der GNSS-Empfänger Breitband- oder Mehrbandantennen und kann eine Vielzahl von Frequenzbereichen verarbeiten, die von verschiedenen Weltraumsatellitennetzwerken verwendet werden. Die Mehrbandfrequenz kann die Positionierungsgenauigkeit und Zuverlässigkeit des GNSS-Empfängersystems verbessern, Signalfehler und Interferenzen reduzieren und eine hervorragende Leistung der GNSS-Antenne in weiten und rauen Umgebungen bieten.
Verschachtelte Multiband-Patchantenne
Der Bedarf an kompakten, flachen Lösungen war in den letzten Jahren groß, da das ursprüngliche GPS-Empfängersystem große, sperrige, gestapelte Antennen verwendete, die wertvollen Platz beanspruchten. Um die Anforderungen moderner GNSS-RF-Frontend-Module mit hoher Effizienz und niedrigen Kosten zu erfüllen, hat Tailas Limited eine herausragende Antennentechnologie für Anwendungen mit hoher Präzision entworfen und entwickelt. Die Inception-Serie HP5354 des Unternehmens. A ist eine passive Multiband-Patchantenne mit 1160 MHz bis 1610 MHz, die zur Verbesserung der Ortungsgenauigkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit entwickelt wurde. Es nutzt eine innovative Keramik-Nested-Patch-Antennentechnologie und integriert zwei Antennen in den gleichen Gesamtabmessungen wie die Single-Band-GPS-Antenne (Abbildung 1). Daher kann es eine optimierte Polarisationsverstärkung für die Bänder Beidou (B1/2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) und Galileo (E1/E5a) (einschließlich IRNSS/NavIC (L5)) bieten. Dadurch ist auch die Kompatibilität mit einer Vielzahl von Anwendungen möglichst gewährleistet.
Bild der Douglas Channel-Einstiegsserie HP5354. Eine Antenne
Abbildung 1: Die Inception-Serie HP5354. A ist eine flache, verschachtelte Patchantenne für das GNSS-Empfängersystem. Bildquelle:Taglas Limited)
HP5354. Eine für Dualband-Leistung optimierte Antenne ist eine kompakte, flach geformte Antenne mit einer Größe von 35 mm x 35 mm und einer Höhe von 4 mm. Es verwendet ein 11-poliges oberflächenmontierbares Keramikgehäuse mit drei Pins zur Erfassung orthogonaler Funksignale in den Bändern L1 und L5. Zwei dieser drei Pins werden für den Empfang von Signalen aus dem L1-Frequenzband verwendet und der dritte Pin wird für den Empfang von Signalen aus dem L5-Frequenzband verwendet. Die restlichen acht Pins sind geerdet.
Um ein optimales Axialverhältnis und rechtszirkulare Polarisationssignale (RHCP) am Ausgang zu erhalten, werden die beiden Speisesignale des L1-Bandes mit dem empfohlenen Hybridkoppler HC125A kombiniert (Abb. 2). HC125A verfügt über ein flaches (1,5 mm hohes) oberflächenmontierbares Gehäuse mit geringer Einfügungsdämpfung und ausgewogener Ausgangsamplitude, geeignet für Multiband-GNSS-Anwendungen.
Schematische Darstellung der Kombination zweier Speisesignale des L1-Frequenzbandes mit empfohlenem Hybridkoppler
Abbildung 2: Die beiden Speisesignale aus dem L1-Band werden im Hybridkoppler HC125A kombiniert, um ein optimales Axialverhältnis bei der Erzeugung von RHCP-Signalen sicherzustellen. Bildquelle:Taglas Limited)
Darüber hinaus wurde die Doppelspeisepunktantenne auf einen Horizont von 70 mm x 70 mm abgestimmt und getestet und zeigt eine hervorragende radiometrische Karte. Darüber hinaus werden frequenzbezogene Schlüsselparameter in zwei Bändern vollständig charakterisiert. Zu diesen Parametern gehören Rückflussdämpfung, Stehwellenverhältnis (VSWR), Wirkungsgrad, durchschnittliche Verstärkung, Spitzenverstärkung, Axialverhältnis, Phasenzentrumsverschiebung, Phasenzentrumsvariation und Gruppenverzögerung.
Die Doppelspeisepunktantenne hat eine flache Form, die häufig in Situationen eingesetzt werden kann, in denen das herkömmliche laminierte Patch-Design zu schwer und zu hoch ist. Zu den empfohlenen Anwendungen gehören Navigation, industrielle Ortung, autonome Fahrzeuge und Robotik sowie tragbare Geräte, kleine Asset-Tracker und Präzisionslandwirtschaft.
Erstellen Sie eine Front-End-HF-Signalverbindung
Obwohl die Multiband-GNSS-Antenne mit dem eigenen GNSS-Frontend des Benutzers kombiniert werden kann, vereinfacht Tal das Signalverbindungsdesign durch die Verwendung des TFM.100B GNSS-Frontend-Moduls, das speziell für die Multi-Feed-Point-Patch-Antenne entwickelt wurde, erheblich.
Dieses Modul besteht aus einem zweistufigen rauscharmen Verstärker (LNA) mit einer Verstärkung von mehr als 25 dB in allen Frequenzbändern und einer Rauschzahl (NF) von weniger als 3 dB. Es verwendet einen Oberflächenwellenfilter (SAW), der mit dem LNA kombiniert wird, um eine SAW/LNA/SWAW/LNA-Topologie zu bilden, und verarbeitet gleichzeitig Signalpfade im Nieder- und Hochfrequenzband, um unnötige Out-of-Band-Interferenzen (OOB) zu unterdrücken und eine Überlastung des rauscharmen GNSS-Verstärkers oder -Empfängers zu verhindern. Die sorgfältig ausgewählten und platzierten SAW-Filter im TFM.100B sorgen für eine hervorragende OOB-Unterdrückung und behalten gleichzeitig eine niedrige Rauschzahl von 3 dB bei. Dieses einfach zu integrierende, oberflächenmontierbare Gerät ist 20 x 18 mm groß und verwendet eine einzige Stromversorgung von 1,8 bis 5,5 VDC. Durch den großen Eingangsspannungsbereich lässt sich das Frontend-Modul problemlos in die meisten GNSS-Empfänger integrieren.
Um dem Benutzer das Verständnis der Integration des kompletten GNSS-Empfänger-Front-End-Moduls weiter zu erleichtern, hat der Taglas-Ingenieur ein Evaluierungsboard AHPD5354A (Abbildung 3) als Referenzdesign des Front-End-Signalpfads vorbereitet. Dieses Evaluierungsboard integriert den Vorverstärker TFM.100B, den flachen Hochleistungs-Hybridkoppler HC125A mit 3 dB und HP5354. Eine Multiband-Patchantenne auf einer einzigen Leiterplatte.