Seit seiner Entwicklung unter der Führung des US-Verteidigungsministeriums (DoD) in den späten 1970er Jahren und seiner Ausweitung auf die 1980er Jahre haben die Rolle und Anwendung des Global Positioning System (GPS) exponentiell zugenommen. Ursprünglich wurde das System nur zur Navigation und Raketenlenkung verwendet, wurde aber mittlerweile in die Anlagenverfolgung und -überwachung, das autonome Fahren in Autos, die Landwirtschaft, tragbare Geräte und viele andere Endanwendungen integriert, die sich seine Gründer nie hätten vorstellen können.
Nach dem erfolgreichen Einsatz von GPS in den Vereinigten Staaten haben auch andere Länder und Regionen entsprechende GPS-Systeme entwickelt und eingeführt, die zusammen als Global Navigation Satellite Systems (GNSS) bekannt sind. GNSS umfasst Russlands GLONASS, Galileo der Europäischen Union und Chinas Beidou sowie zwei regionale GNSS-Systeme: Japans QZSS und Indiens IRNSS/NavIC.
Obwohl das ursprüngliche GPS-Empfängersystem sperrig war und kaum in den Kofferraum eines Autos passte, hat moderne Technologie die GNSS-Kernmaschine in einen einzigen integrierten Schaltkreis (IC) vereinfacht. Unabhängig von der Art des GNSS erfordern alle diese Systeme eine optimierte Antenne, um extrem schwache HF-Signale von GNSS-Satellitenarrays zu empfangen. Da die Größe der GNSS-Empfänger schrumpft und der Leistungsbedarf sinkt, muss auch die Größe der Antennen entsprechend reduziert werden.
Dies stellt jedoch eine Herausforderung für Empfänger dar, die mit mehreren GNSS-Systemen oder Frequenzbändern umgehen müssen. Der Empfänger benötigt eine Antenne, die die unteren und höheren HF-Bänder der verschiedenen verwendeten Systeme verarbeiten kann (Abbildung 1).
Abbildung 1: Derzeit weisen die von verschiedenen genutzten Systemen geplanten GNSS-Frequenzzuweisungen und Frequenzbänder sowohl eine überlappende Koexistenz als auch eine Kreuztrennung auf. (Bildquelle: Taoglas Limited)
Die Zuordnung der GNSS-Frequenzbänder und -Frequenzen ist wie folgt:
1559 bis 1610 Megahertz (MHz), bekannt als L1-, E1- und B1-Frequenzband
1215 bis 1300 MHz, bezeichnet als L2-, E6-, B3-, L6-Frequenzbänder
1164 bis 1215 MHz, bekannt als L5-, E5-, B2- und L3-Frequenzbänder
Bitte beachten Sie, dass sich das L-Band auf den Frequenzbereich von 1525 bis 1559 MHz bezieht, in dem verschiedene Satelliten Kalibrierungssignale senden.
Die Nachfrage nach Breitband- oder Multibandantennen lässt sich auf die frühe drahtlose Kommunikation im frühen 20. Jahrhundert zurückführen. Damals gab es zwei gängige Methoden. Eine Methode besteht darin, physikalische „Notch-Filter“ oder belastete Spulen zu verwenden, um eine einzelne Schmalbandantenne bei zwei verschiedenen Mittenfrequenzen in Resonanz zu bringen. Ein anderer Ansatz besteht darin, eine einzelne Antenne zu verwenden, die für Breitbandleistung ausgelegt ist.
Beide Lösungen sind für GNSS-Antennen in heutigen kompakten Systemdesigns nicht ideal. Die Kerbfiltermethode erfordert relativ große diskrete Induktivitäten und Kondensatoren, während Breitbandantennen leistungskritische Eigenschaften wie Gewinn und Effizienz beeinträchtigen können.
Bessere Antennenmethoden
Jetzt kann eine bessere Lösung durch die Antennen der Inception-Serie von Taoglas Limited erreicht werden. Zum Beispiel HP5354. A (Abbildung 2) ist eine passive GNSS-Patchantenne mit mehreren Bändern und 1160 bis 1610 MHz, die zur Verbesserung der Positionierungsgenauigkeit entwickelt wurde. Diese innovative Verbund-Patchantenne auf Keramikbasis verfügt über optimierte Gewinne für die Frequenzbänder Beidou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) und Galileo (E1/E5a).
Abbildung 2: HP5354. A ist eine kompakte Flachantenne, die für die Dualband-GNSS-Leistung (L1 und L5) optimiert ist. (Bildquelle: Taoglas Limited)
Die Größe von HP5354. A beträgt 35 × 35 Millimeter (mm) und die Höhe beträgt 4 mm, was sich sehr gut für kompakte und flache Designs eignet. Das 11-Pin-Gehäuse verwendet drei Pins als Empfangssignalschnittstelle (zwei für das L1-Frequenzband und einen für das L5-Frequenzband), und die restlichen Pins dienen der Erdung.
Nach der Abstimmung und Überprüfung ist der HP5354. Eine Multifeed-Antenne, die mit einer 70 × 70 mm großen Erdungsebene ausgestattet ist, weist hervorragende Strahlungseigenschaften auf. Diese Antenne kann die Frequenzbänder abdecken, die für das L1/L5-GNSS-System der neuen Generation erforderlich sind, und wichtige frequenzbezogene Parameter in diesen beiden Frequenzbändern vollständig charakterisieren, einschließlich Rückflussdämpfung, Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR), Strahlungseffizienz, durchschnittliche Verstärkung, Spitzenverstärkung, Achsenverhältnis, Phasenzentrumsversatz, Phasenzentrumsdrift und Gruppenverzögerung.
Verwendung von Taoglas HP5354. Eine Antenne
Obwohl der HP5354. Eine Antenne kann mit vom Benutzer bereitgestellten Front-End-Modulen gepaart werden. Der Einsatz des TFM.100A GNSS RF-Moduls durch Taoglas vereinfacht den Entwicklungsprozess der zugrunde liegenden Signalkette. Dieses Hochleistungsmodul deckt die Dualfrequenzbänder L1/L5 ab und wurde speziell für Multi-Feed-Patchantennensysteme entwickelt.
TFM.100A verfügt über einen zweistufigen rauscharmen Verstärker (LNA), der in allen Frequenzbändern eine Verstärkung von über 25 Dezibel (dB) liefern kann, während die Rauschzahl unter 3 dB liegt. Das Modul nutzt die Oberflächenakustikwellen-Topologie (SAW)/LNA/SAW/LNA-Topologie sowohl in Nieder- als auch in Hochfrequenzsignalpfaden, um unnötige Out-of-Band-Interferenzen (OOB) durch Übersteuerung von GNSS-LNAs 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.
Taoglas bietet auch ein passendes AHPD5354A-Evaluierungsboard (Abbildung 3) an, was die Integration von HP5354 weiter vereinfacht. A mit dem kompletten System. Das Evaluierungsboard verwendet den HF-Vorverstärker TFM.100A und den Taoglas HC125A, einen flachen Hochleistungs-3-dB-Hybridkoppler, der für GNSS-Anwendungen mit mehreren Feeds und mehreren Frequenzen entwickelt wurde. HP5354. A, TFM.100A und HC125A arbeiten als integrierte Signalkette zusammen.