Materiales y diseños innovadores de antenas que resuelven el dilema del GNSS multibanda

Desde sus inicios a finales de la década de 1970 y en la década de 1980 bajo los auspicios del Departamento de Defensa (DoD) de los Estados Unidos (EE. UU.), las funciones y aplicaciones del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) se han expandido exponencialmente. Originalmente destinado únicamente a la navegación y la guía de misiles, ahora está integrado en el seguimiento y monitoreo de activos, vehículos autónomos, agricultura, dispositivos portátiles y muchos otros usos finales que sus creadores nunca imaginaron.

Tras el exitoso despliegue del GPS en los EE. UU., otros países y regiones desarrollaron y lanzaron sus equivalentes de GPS, denominados colectivamente Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS). El GNSS incluye GLONASS (Rusia), Galileo (Unión Europea) y BeiDou (China), así como dos sistemas GNSS regionales: QZSS (Japón) e IRNSS/NavIC (India).

Si bien el sistema receptor GPS original era de gran tamaño y apenas cabía en el maletero de un automóvil, la tecnología moderna ha reducido el motor central del GNSS a un solo circuito integrado (CI). Independientemente del tipo de GNSS, todos estos sistemas necesitan una antena optimizada para recibir las señales de RF de nivel extremadamente bajo del conjunto de satélites GNSS. A medida que los receptores del GNSS han ido disminuyendo de tamaño y en sus necesidades de energía, el tamaño de la antena ha tenido que reducirse en consecuencia.

Sin embargo, esto presenta un desafío para los receptores, que deben manejar más de un sistema o banda GNSS. Requieren una antena que pueda manejar las bandas de RF inferior y superior de los diferentes sistemas en uso (Figura 1).

Figura 1 : Las asignaciones de frecuencias y bandas del GNSS definidas para los diversos sistemas en uso muestran tanto superposición como separación. (Fuente de la imagen: Taoglas Limited)

Las bandas y frecuencias del GNSS tienen las siguientes designaciones:

• De 1.559 a 1.610 megahercios (MHz), denominadas L1, E1, B1
• De 1.215 a 1.300 MHz, denominadas L2, E6, B3, L6
• De 1.164 a 1.215 MHz, denominadas L5, E5, B2, L3

Se debe tener en cuenta que la banda L se refiere al rango de frecuencia de 1.525 a 1.559 MHz, que es utilizado por numerosos satélites para transmitir señales de corrección.

La necesidad de antenas de banda ancha o multibanda se remonta a los inicios de la comunicación inalámbrica a principios del siglo XX, y hay dos enfoques generales. Uno es usar "trampas" físicas o bobinas de carga para hacer que una sola antena de banda estrecha resuene en dos frecuencias centrales distintas. La otra opción es utilizar una sola antena que esté inherentemente diseñada para el rendimiento de banda ancha.

Ninguna de estas soluciones es deseable para las antenas GNSS en los diseños de sistemas compactos actuales. El enfoque de trampa requiere inductores y condensadores discretos relativamente grandes, mientras que la antena de banda ancha compromete atributos críticos para el rendimiento, como la ganancia y la eficiencia.

Un enfoque de antena superior

Una mejor solución ahora está disponible a través de la serie Inception de Taoglas Limited. Por ejemplo, la HP5354.A (Figura 2) es una antena de parche GNSS pasiva multibanda de 1.160 a 1.610 MHz diseñada para mejorar la precisión de la posición. Esta innovadora antena cerámica de parche dentro de un parche cuenta con ganancia optimizada para las bandas BeiDou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) y Galileo (E1/E5a).

Figura 2: HP5354.A es una antena compacta y de bajo perfil optimizada para el rendimiento GNSS de doble banda (L1 y L5). (Fuente de la imagen: Taoglas Limited)

La antena HP5354.A mide 35 × 35 milímetros (mm), y su altura de 4 mm la convierte en una buena opción para diseños compactos y de perfil bajo. El paquete de 11 pines utiliza tres de sus pines para las interfaces de señal recibida (dos para la banda L1 y uno para la banda L5), mientras que los pines restantes sirven como tierra.

La antena HP5354.A de alimentación múltiple ha sido ajustada y probada con un plano de tierra de 70 × 70 mm y tiene excelentes patrones de radiación. Puede cubrir las bandas requeridas para la próxima generación de GNSS L1/L5 y está completamente caracterizada en ambas bandas para parámetros clave dependientes de la frecuencia, incluida la pérdida de retorno, la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR), la eficiencia, la ganancia promedio, la ganancia máxima, la relación axial, el desplazamiento del centro de fase, las variaciones del centro de fase y el retraso de grupo.

Aplicación de la antena HP5354.A de Taoglas

Aunque la antena HP5354.A se puede emparejar con un módulo front-end proporcionado por el usuario, Taoglas simplifica el desarrollo de la cadena de señal de bajo nivel con el módulo GNSS RF TFM.100B. Este módulo de alto rendimiento cubre las bandas L1 y L5 y está diseñado específicamente para su uso con parches de alimentación múltiple.

El TFM.100B cuenta con un amplificador de bajo ruido (LNA) de dos etapas que proporciona más de 25 decibelios (dB) de ganancia en todas las bandas, junto con una figura de bajo ruido de menos de 3 dB. El módulo cuenta con una topología de onda acústica de superficie (SAW)/LNA/SAW/LNA tanto en las rutas de señal de banda baja como de banda alta para evitar que las interferencias no deseadas fuera de banda (OOB) 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.

Taoglas simplifica aún más la integración de la antena HP5354.A en un sistema completo al proporcionar la placa de evaluación AHPD5354A (Figura 3). La placa cuenta con el preamplificador de RF TFM.100B y el HC125A de Taoglas, un acoplador híbrido de 3 dB de bajo perfil y alto rendimiento diseñado para aplicaciones GNSS multibanda de alimentación múltiple. Los dispositivos HP5354.A, TFM.100B y HC125A funcionan juntos como una cadena de señal integrada.

Figura 3 : La placa de evaluación AHPD5354A cuenta con un acoplador híbrido para señales L1/L5 y un preamplificador y filtro de RF con todas las funciones, lo que proporciona una cadena de señales de RF completa. (Fuente de la imagen: Taoglas Limited)

La antena HP5354.A proporciona dos alimentaciones ortogonales a través de tres pines, con dos pines para la salida de antena de banda L1 y el otro pin para la salida de banda L5. Estas alimentaciones se combinan en el acoplador híbrido para la banda L1 para garantizar una relación axial óptima y crear una señal de polarización circular a la derecha (RHCP), que luego se presenta a las entradas correspondientes en el TFM.100B.

Se debe tener en cuenta que el acoplador híbrido HC125A solo es necesario para la banda de operación GNSS alta para esta antena (1.559 a 1.610 MHz). El diagrama de diseño de la placa de evaluación ilustra cómo se debe colocar el acoplador híbrido cerca de los pines de la antena y terminarlo correctamente utilizando dos resistencias de 100 ohmios (Ω) en paralelo.

Conclusión

Los GNSS ubicuos utilizan circuitos integrados de núcleo sofisticados y algoritmos avanzados para los cálculos necesarios para determinar la posición del receptor. Proporcionar las señales sin procesar a estos circuitos integrados es el desafío de la cadena de señales de RF, que comienza con la antena receptora. La antena HP5354.A de Taoglas es una diminuta antena de doble banda de montaje en superficie que admite simultáneamente las bandas de frecuencia GNSS inferior y superior. Cuando se utiliza junto con el acoplador híbrido de Taoglas y los dispositivos de preamplificador de bajo ruido, los diseñadores tienen una solución sencilla para implementar un front-end de RF para receptores GNSS.

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