La antena de parche multibanda compacta simplifica el diseño del front-end de RF para receptores GNSS

Inspirados por el éxito del lanzamiento comercial del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) en Estados Unidos a finales de la década de 1980, muchos otros países de todo el mundo también han desarrollado y lanzado sus respectivas versiones del GPS, que se conocen colectivamente como Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS). En los últimos 25 años, la tecnología GNSS ha evolucionado hasta desempeñar un papel fundamental en el mundo interconectado. En la actualidad, el GNSS incluye el Galileo de la Unión Europea, el GLONASS de Rusia, el BeiDou de China, el IRNSS/NavIC de la India y el QZSS de Japón. Para trabajar con múltiples constelaciones de satélites, un sistema receptor GNSS utiliza frecuencias multibanda para ofrecer mayor precisión y fiabilidad que los receptores GPS tradicionales, que solo utilizan el sistema de satélites GPS.

Como la antena es un componente clave del receptor, desempeña un papel crucial en la captación de las débiles señales de radio de los satélites para determinar la posición exacta del usuario, la navegación y la hora. Como resultado, un receptor GNSS utiliza múltiples bandas de frecuencia que corresponden a las bandas de radiofrecuencia (RF) inferior y superior transmitidas por diferentes sistemas de navegación por satélite en el espacio. A continuación, se resumen las bandas y frecuencias que cubren los receptores GNSS:

• Las bandas L1, E1, B1 cubren una gama de frecuencias de 1,559 MHz a 1,610 MHz
• Las bandas L2, E6, B3, L6 cubren una gama de frecuencias de 1,217 MHz a 1,300 MHz
• Las bandas L5, E5, B2, L3 cubren una gama de frecuencias de 1,164 MHz a 1,217 MHz

En consecuencia, los receptores GNSS utilizan una antena de banda ancha o multibanda que puede manejar los múltiples rangos de frecuencia utilizados por varias redes de satélites en el espacio. El uso de múltiples bandas de frecuencias permite al sistema receptor GNSS ofrecer una mayor precisión y fiabilidad de posicionamiento con una menor vulnerabilidad a los errores de señal y a las interferencias, lo que permite a las antenas GNSS ofrecer un rendimiento superior en entornos amplios y difíciles. 

Antena multibanda de parche dentro de parche

Dado que los primeros sistemas receptores GPS empleaban antenas apiladas grandes y voluminosas que ocupaban un valioso espacio, la demanda de una solución compacta y de bajo perfil ha sido alta en los últimos años. Para satisfacer de forma eficaz y rentable los requisitos de los modernos módulos front end de RF GNSS, Taoglas Limited ha diseñado y desarrollado una tecnología de antena superior para la aplicación precisa y de altura restringida. La serie Inception HP5354.A de la empresa es una antena de parche pasivo multibanda, de 1,160 MHz a 1,610 MHz, diseñada para mejorar la precisión de posición, la resistencia y la fiabilidad. Utiliza una innovadora tecnología de antena cerámica de parche dentro de parche que combina dos antenas en el mismo factor de forma de una antena GPS monobanda (Figura 1). Como resultado, garantiza una ganancia de polarización optimizada para las bandas BeiDou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) y Galileo (E1/E5a), incluido IRNSS/NavIC (L5). Esto garantiza la compatibilidad con una amplia gama de aplicaciones, independientemente de su ubicación.

Figura 1: La Inception Series HP5354.A es una antena parche en un parche de doble banda y bajo perfil para sistemas receptores GNSS. (Fuente de la imagen: Taoglas Limited)

HP5354.A está optimizada para un rendimiento de doble banda y es una antena compacta de perfil bajo que mide 35 mm x 35 mm y tiene una altura de 4 mm. Está alojada en un encapsulado cerámico de montaje superficial de 11 pines y utiliza tres de ellas para captar señales de radio ortogonales de las bandas L1 y L5. Dos de los pines se utilizan para recibir señales de la banda L1 y la tercera para la banda L5. Los ocho pines restantes sirven de masa.

Para obtener una relación axial óptima y una señal polarizada circularmente a la derecha (RHCP) a la salida, las dos alimentaciones para la banda L1 se combinan utilizando un acoplador híbrido recomendado, el HC125A (Figura 2). Con una baja pérdida de inserción y una amplitud de salida equilibrada, el HC125A se presenta en un encapsulado de montaje superficial de bajo perfil (1.5 mm de altura) para aplicaciones GNSS multibanda.

Figura 2: Las dos alimentaciones de la banda L1 se combinan en el acoplador híbrido HC125A para garantizar una relación axial óptima a la vez que se crea una señal RHCP. (Fuente de la imagen: Taoglas Limited)

Además, la antena de doble alimentación se ha sintonizado y probado en un plano de tierra de 70 mm x 70 mm y ha demostrado excelentes diagramas de radiación. Además, se ha caracterizado completamente en ambas bandas para parámetros clave dependientes de la frecuencia. Entre ellos se incluyen la pérdida de retorno, la relación de onda estacionaria de tensión (VSWR), la eficiencia, la ganancia media, la ganancia de pico, la relación axial, el desplazamiento del centro de fase, las variaciones del centro de fase y los retardos de grupo.  

Con un perfil bajo, la antena de doble alimentación puede utilizarse en una amplia gama de aplicaciones en las que los diseños tradicionales de parches apilados son demasiado voluminosos y altos. Algunas de las aplicaciones recomendadas son la navegación, el seguimiento industrial, los vehículos autónomos y la robótica, así como los dispositivos para vestir, los rastreadores de activos compactos y la agricultura de precisión.

Construcción de la cadena de señales de RF front-end

Aunque la antena GNSS multibanda puede combinarse con un front-end GNSS proporcionado por el usuario, Taoglas ha simplificado el diseño de la cadena de señal utilizando el módulo front-end GNSS TFM.100B, diseñado para su uso con parches multialimentación.

El módulo consta de un amplificador de bajo ruido (LNA) de dos etapas que ofrece más de 25 decibelios (dB) de ganancia en todas las bandas y presenta un bajo factor de ruido (NF) inferior a 3 dB. Incorpora un filtro de ondas acústicas de superficie (SAW) que se combina con el LNA para crear una topología SAW/LNA/SAW/LNA que gestiona tanto las rutas de señal de banda baja como de banda alta para rechazar las interferencias fuera de banda (OOB) no deseadas y evitar que sobrecarguen los LNA GNSS o el receptor. Los filtros SAW dentro del TFM.100B han sido cuidadosamente seleccionados y colocados para proporcionar un excelente rechazo OOB al mismo tiempo que mantienen la baja figura de ruido de 3 dB. Este dispositivo de montaje en superficie fácil de integrar mide 20 × 18 mm y funciona con una sola fuente de alimentación de CC (VCC) de 1.8 a 5.5 voltios. Un amplio rango de tensión de entrada permite integrar fácilmente el módulo front-end en la mayoría de los receptores GNSS.

Para ayudar a los usuarios a comprender mejor la integración de los módulos front-end completos de los receptores GNSS, los ingenieros de Taoglas han preparado una placa de evaluación, la AHPD5354A (figura 3), como diseño de referencia para la ruta de la señal front-end. Esta placa de evaluación combina el preamplificador TFM.100B, el acoplador híbrido HC125A de 3 dB de bajo perfil y alto rendimiento y la antena de parche multibanda HP5354.A en una única placa de circuito impreso (placa CI).

Figura 3: La placa de evaluación AHPD5354A de Taoglas simplifica la integración de un preamplificador de bajo ruido, un acoplador híbrido de 3 dB y una antena de parche multibanda en un completo módulo front-end de RF para sistemas receptores GNSS. (Fuente de la imagen: Taoglas Limited)

La placa de evaluación indica que el acoplador híbrido solo es necesario cuando la banda de operación GNSS es alta (1,559 MHz a 1,610 MHz). Asimismo, el diagrama de disposición de la placa sugiere que el acoplador híbrido debe colocarse cerca de las patillas de la antena y terminarse adecuadamente utilizando dos resistencias de 100 Ohm en paralelo.

Además, la placa también destaca algunas de las ventajas de utilizar el módulo front-end GNSS TFM.100B. Entre ellos se incluyen:

• Un paquete fácil de instalar con cualquier antena o receptor GNSS
• Prefiltros integrados que ofrecen un rechazo excepcional de OOB en varias bandas y otras interferencias vecinas para lograr una baja NF
• LNA de dos etapas, prefiltros y adaptación de impedancia optimizada que proporcionan una ganancia suficiente al receptor GNSS sin sobrecarga de la relación señal/ruido.
• Un diseño compacto y de perfil bajo que ahorra un valioso espacio y no requiere componentes externos ni enrutamiento.
• El máximo nivel de integración, fabricabilidad y resistencia en un único paquete compacto

Conclusión

Una antena de parche multibanda es un componente esencial de los receptores GNSS modernos para mejorar el rendimiento en entornos difíciles. Al recibir señales de radio de múltiples frecuencias en bandas altas y bajas, una antena de doble banda permite a los receptores GNSS superar las limitaciones de un sistema de banda única. Con este objetivo, Taoglas ha desarrollado una antena de perfil bajo y doble banda que utiliza una novedosa tecnología de parche dentro de parche y soporta simultáneamente las bandas L1 y L5 en un formato reducido. Combinada con el acoplador híbrido de la empresa y el preamplificador de bajo ruido con filtro SAW integrado y circuito de adaptación de impedancias en un encapsulado cerámico compacto, el resultado es una solución de cadena de señales front-end de RF de alto rendimiento para receptores GNSS.