Ende der 1980er Jahre wurde das Global Positioning System (GPS) in den USA erfolgreich kommerziell in Betrieb genommen. Davon inspiriert entwickelten und brachten auch viele andere Länder der Welt ihre eigenen GPS-Versionen auf den Markt, die zusammen als Global Navigation Satellite Systems (GNSS) bekannt sind. In den letzten 25 Jahren hat sich die GNSS-Technologie kontinuierlich weiterentwickelt und spielt eine entscheidende Rolle in der vernetzten Welt. Heutzutage umfasst GNSS Galileo aus der Europäischen Union, GLONASS aus Russland, Beidou aus China, IRNSS/NavIC aus Indien und QZSS aus Japan. Im Vergleich zu herkömmlichen GPS-Empfängern, die nur GPS-Satellitensysteme nutzen, nutzen GNSS-Empfängersysteme mehrere Frequenzbänder, um mit mehreren Satellitenkonstellationen koordiniert zu arbeiten und so eine höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu erreichen.
Die Antenne ist eine Schlüsselkomponente des Empfängers und spielt eine entscheidende Rolle bei der Erfassung der schwachen Funksignale, die von Satelliten ausgesendet werden, um den genauen Standort, die Navigation und die Zeit des Benutzers zu bestimmen. Daher müssen GNSS-Empfänger mehrere Frequenzbänder nutzen, die den niedrigeren und höheren Radiofrequenzbändern (RF) entsprechen, die von verschiedenen Satellitennavigationssystemen im Weltraum übertragen werden. Die von GNSS-Empfängern abgedeckten Frequenzbänder und Frequenzen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Der Frequenzbereich der Frequenzbänder L1, E1 und B1 beträgt 1559 MHz bis 1610 MHz
Der Frequenzbereich der Frequenzbänder L2, E6, B3 und L6 beträgt 1217 MHz bis 1300 MHz
Der Frequenzbereich der Frequenzbänder L5, E5, B2 und L3 beträgt 1164 MHz bis 1217 MHz
Daher verwenden GNSS-Empfänger Breitband- oder Multibandantennen, die mehrere Frequenzbereiche verarbeiten können, die von verschiedenen Weltraumsatellitennetzwerken verwendet werden. Die Verwendung von Multibandfrequenzen kann die Positionierungsgenauigkeit und Zuverlässigkeit von GNSS-Empfängersystemen verbessern, Signalfehler und Interferenzen reduzieren und es GNSS-Antennen ermöglichen, in weiten und rauen Umgebungen eine hervorragende Leistung zu bieten.
Verschachtelte Multiband-Patchantenne
Aufgrund der Verwendung großer und sperriger Stapelantennen in den ersten GPS-Empfängersystemen, die wertvollen Platz beanspruchten, bestand in den letzten Jahren eine hohe Nachfrage nach kompakten und flachen Lösungen. Um die Anforderungen moderner GNSS-RF-Frontend-Module effizient und kostengünstig zu erfüllen, hat Taoglas Limited eine hervorragende Antennentechnologie für stark eingeschränkte und präzise Anwendungen entworfen und entwickelt. Die Inception-Serie HP5354 des Unternehmens. A ist eine passive Patch-Antenne mit mehreren Frequenzbändern von 1160 MHz bis 1610 MHz, die zur Verbesserung der Positionierungsgenauigkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit entwickelt wurde. Es nutzt die innovative Keramik-Nested-Patch-Antennentechnologie und integriert zwei Antennen in die gleichen Außenabmessungen wie die Einzelfrequenz-GPS-Antenne (Abbildung 1). Daher kann eine optimierte Polarisationsverstärkung für die Frequenzbänder Beidou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) und Galileo (E1/E5a) (einschließlich IRNSS/NavIC (L5)) gewährleistet werden. Dadurch ist auch die Kompatibilität mit verschiedenen Anwendungen an jedem Standort gewährleistet.
Bild des HP5354. Eine Antenne der Einstiegsserie von Tao Glass Co., Ltd
Abbildung 1: Inception-Serie HP5354. A ist eine flache, verschachtelte Patchantenne, die für GNSS-Empfängersysteme verwendet wird. (Bildquelle: Taoglas Limited)
HP5354. A wurde für Dualband-Leistung optimiert und ist eine kompakte und flache Antenne mit Abmessungen von 35 mm x 35 mm und einer Höhe von 4 mm. Es verfügt über ein oberflächenmontierbares Keramikgehäuse mit 11 Pins und drei Pins zur Erfassung orthogonaler Funksignale in den Frequenzbändern L1 und L5. Zwei dieser drei Pins dienen zum Empfang von Signalen im L1-Frequenzband und der dritte Pin dient zum Empfang von Signalen im L5-Frequenzband. Die restlichen acht Pins sind geerdet.
Um das optimale Achsenverhältnis und ein rechtsdrehend zirkular polarisiertes (RHCP) Signal am Ausgangsende zu erhalten, werden die beiden Eingangssignale im L1-Frequenzband mit dem empfohlenen Hybridkoppler HC125A kombiniert (Abbildung 2). HC125A verfügt über ein flaches (1,5 mm hohes) oberflächenmontierbares Gehäuse mit geringer Einfügungsdämpfung und ausgeglichener Ausgangsamplitude, geeignet für Multiband-GNSS-Anwendungen.
Schematische Darstellung der Verwendung des empfohlenen Hybridkopplers zur Kombination zweier Eingangssignale im L1-Frequenzband
Abbildung 2: Zwei Eingangssignale aus dem L1-Frequenzband werden im Hybridkoppler HC125A kombiniert, um ein optimales Achsenverhältnis bei der Erzeugung des RHCP-Signals sicherzustellen. (Bildquelle: Taoglas Limited)
Darüber hinaus wurde die doppelt gespeiste Punktantenne auf einer Grundplatte von 70 mm x 70 mm abgestimmt und getestet und zeigte hervorragende Strahlungsmuster. Darüber hinaus werden wichtige frequenzbezogene Parameter in zwei Frequenzbändern umfassend charakterisiert. Zu diesen Parametern gehören Rückflussdämpfung, Stehwellenverhältnis (VSWR), Wirkungsgrad, durchschnittliche Verstärkung, Spitzenverstärkung, Axialverhältnis, Phasenzentrumsversatz, Phasenzentrumsvariation und Gruppenverzögerung.
Die doppelt gespeiste Punktantenne hat eine flache Form und kann häufig in Situationen eingesetzt werden, in denen herkömmliche gestapelte Patch-Designs zu sperrig und zu hoch sind. Zu den empfohlenen Anwendungen gehören Navigation, industrielle Ortung, autonome Fahrzeuge und Robotik sowie tragbare Geräte, kleine Asset-Tracker und Präzisionslandwirtschaft.
Aufbau einer Front-End-HF-Signalkette
Obwohl die Multiband-GNSS-Antenne mit dem eigenen GNSS-Frontend des Benutzers kombiniert werden kann, vereinfacht Taoglas das Design der Signalkette erheblich, indem das TFM.100A GNSS-Frontend-Modul verwendet wird, das speziell für Multi-Feed-Point-Patchantennen entwickelt wurde.
Dieses Modul enthält einen zweistufigen rauscharmen Verstärker (LNA) mit einer Verstärkung von mehr als 25 Dezibel (dB) in allen Frequenzbändern und einer Rauschzahl (NF) von weniger als 3 dB. Es verwendet einen Oberflächenwellenfilter (SAW) in Kombination mit dem LNA, um eine SAW/LNA/SAW/LNA-Topologie zu bilden, während niederfrequente und hochfrequente Signalpfade verarbeitet werden, um unnötige Out-of-Band-Interferenzen (OOB) zu unterdrücken und eine Überlastung von rauscharmen GNSS-Verstärkern oder -Empfängern zu verhindern. Der SAW-Filter im TFM.100A wurde sorgfältig ausgewählt und platziert, um eine hervorragende OOB-Unterdrückung bei gleichzeitig niedrigem Rauschmaß von 3 dB zu gewährleisten. Dieses einfach zu integrierende oberflächenmontierbare Gerät misst 20 × 18 mm und wird von einer einzigen Stromversorgung mit 1,8 bis 5,5 VDC betrieben. Der große Eingangsspannungsbereich ermöglicht eine einfache Integration des Frontend-Moduls in die meisten GNSS-Empfänger.