Sinds de ontwikkeling ervan onder leiding van het Amerikaanse ministerie van Defensie (DoD) eind jaren zeventig en uitgebreid tot de jaren tachtig zijn de rol en de toepassing van het Global Positioning System (GPS) exponentieel gegroeid. Het systeem werd aanvankelijk alleen gebruikt voor navigatie en raketgeleiding, maar is nu geïntegreerd in het volgen en monitoren van activa, autonoom rijden in auto's, landbouw, draagbare apparaten en vele andere eindtoepassingen die de oprichters zich nooit hadden kunnen voorstellen.
Na de succesvolle inzet van GPS in de Verenigde Staten hebben andere landen en regio's ook overeenkomstige GPS-systemen ontwikkeld en gelanceerd, gezamenlijk bekend als Global Navigation Satellite Systems (GNSS). GNSS omvat het Russische GLONASS, Galileo van de Europese Unie en het Chinese Beidou, evenals twee regionale GNSS-systemen: het Japanse QZSS en het Indiase IRNSS/NavIC.
Hoewel het oorspronkelijke GPS-ontvangersysteem omvangrijk was en vrijwel onmogelijk in de kofferbak van een auto paste, heeft de moderne technologie de GNSS-kernmotor vereenvoudigd tot één enkel geïntegreerd circuit (IC). Ongeacht het type GNSS vereisen al deze systemen een geoptimaliseerde antenne om ultrazwakke RF-signalen van GNSS-satellietarrays te ontvangen. Naarmate de omvang van GNSS-ontvangers kleiner wordt en de stroomvereisten afnemen, moet ook de omvang van antennes dienovereenkomstig worden verkleind.
Dit is echter een uitdaging voor ontvangers die meerdere GNSS-systemen of frequentiebanden moeten verwerken. De ontvanger heeft een antenne nodig die de lagere en hogere RF-banden van verschillende gebruikte systemen kan verwerken (Afbeelding 1).
Figuur 1: Momenteel kennen de GNSS-frequentietoewijzing en frequentiebanden die door verschillende in gebruik zijnde systemen zijn gepland, zowel overlappende coëxistentie als kruisscheiding. (Afbeeldingsbron: Taoglas Limited)
De toewijzing van GNSS-frequentiebanden en -frequenties is als volgt:
1559 tot 1610 megahertz (MHz), bekend als de L1-, E1-, B1-frequentieband
1215 tot 1300 MHz, ook wel L2-, E6-, B3-, L6-frequentiebanden genoemd
1164 tot 1215 MHz, bekend als L5, E5, B2, L3 frequentiebanden
Houd er rekening mee dat de L-band betrekking heeft op het frequentiebereik van 1525 tot 1559 MHz, waarbinnen verschillende satellieten kalibratiesignalen uitzenden.
De vraag naar breedband- of multibandantennes is terug te voeren op de vroege draadloze communicatie in het begin van de 20e eeuw, en er waren toen twee gangbare methoden. Eén methode is het gebruik van fysieke "notch-filters" of geladen spoelen om ervoor te zorgen dat een enkele smalbandantenne op twee verschillende middenfrequenties resoneert. Een andere benadering is het gebruik van een enkele antenne die is ontworpen voor breedbandprestaties.
Beide oplossingen zijn niet ideaal voor GNSS-antennes in de hedendaagse compacte systeemontwerpen. De notch-filtermethode vereist relatief grote discrete inductoren en condensatoren, terwijl breedbandantennes prestatiekritische eigenschappen zoals versterking en efficiëntie in gevaar kunnen brengen.
Betere antennemethoden
Nu kan een betere oplossing worden bereikt via de antennes uit de Inception-serie van Taoglas Limited. Bijvoorbeeld HP5354. A (Afbeelding 2) is een multiband, 1160 tot 1610 MHz passieve GNSS-patchantenne, ontworpen om de positioneringsnauwkeurigheid te verbeteren. Deze innovatieve op keramiek gebaseerde patchantenne van composiet heeft geoptimaliseerde versterkingen voor de frequentiebanden Beidou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) en Galileo (E1/E5a).
Figuur 2: HP5354. A is een compacte platte antenne die is geoptimaliseerd voor dual-band (L1 en L5) GNSS-prestaties. (Afbeeldingsbron: Taoglas Limited)
De grootte van HP5354. A is 35×35 millimeter (mm) en de hoogte is 4 mm, wat zeer geschikt is voor compacte en platte ontwerpen. Het 11-pins pakket gebruikt drie pinnen als ontvangstsignaalinterface (twee voor de L1-frequentieband en één voor de L5-frequentieband), en de overige pinnen worden gebruikt voor aarding.
Na tuning en verificatie bleek de HP5354. Een multifeed-antenne uitgerust met een aardingsvlak van 70 × 70 mm heeft uitstekende stralingseigenschappen. Deze antenne kan de frequentiebanden bestrijken die nodig zijn voor het nieuwe generatie L1/L5 GNSS-systeem en kan de belangrijkste frequentiegerelateerde parameters in deze twee frequentiebanden volledig karakteriseren, inclusief retourverlies, staande golfverhouding (VSWR), stralingsefficiëntie, gemiddelde versterking, piekversterking, asverhouding, fasecentrum-offset, fasecentrum-drift en groepsvertraging.
Gebruik Taoglas HP5354. Een antenne
Hoewel de HP5354. Een antenne kan worden gekoppeld aan door de gebruiker geleverde front-endmodules. Taoglas' gebruik van de TFM.100A GNSS RF-module vereenvoudigt het ontwikkelingsproces van de onderliggende signaalketen. Deze hoogwaardige module bestrijkt de dubbele L1/L5-frequentiebanden en is speciaal ontworpen voor patchantennesystemen met meerdere feeds.
TFM.100A heeft een tweetraps geluidsarme versterker (LNA) die een versterking van meer dan 25 decibel (dB) kan leveren in alle frequentiebanden, terwijl het ruisgetal lager is dan 3 dB. De module maakt gebruik van oppervlakte-akoestische golven (SAW)/LNA/SAW/LNA-topologie in zowel laag- als hoogfrequente signaalpaden om onnodige out-of-band (OOB) interferentie door oversturing van GNSS LNA's of ontvangers te voorkomen.
Het SAW-filter in de TFM.100A is zorgvuldig geselecteerd en geplaatst om uitstekende OOB-onderdrukking uit te voeren met behoud van een laag ruisgetal van 3 dB. Dit eenvoudig te integreren apparaat voor opbouwmontage meet 20 x 18 mm en wordt gevoed door een enkele voeding van 1,8 tot 5,5 VDC.
Taoglas levert ook een bijpassend AHPD5354A-evaluatiebord (Afbeelding 3), wat de integratie van HP5354 verder vereenvoudigt. A met het complete systeem. Het evaluatiebord maakt gebruik van de TFM.100A RF-voorversterker en Taoglas HC125A, een platte, krachtige 3 dB hybride koppeling ontworpen voor multi-feed multi-frequentie GNSS-toepassingen. HP5354. A, TFM.100A en HC125A werken samen als een geïntegreerde signaalketen.