GNSS-Miniaturantennen mit hoher Leistung zur Minimierung von Designkompromissen

Ein wesentlicher Aspekt der Technik besteht darin, bei der Festlegung der „unverzichtbaren“ und „wünschenswerten“ Merkmale eines Systems Kompromisse zwischen den einzelnen Komponenten zu finden. Zu diesen Abwägungen gehören Geschwindigkeit gegen Verlustleistung, Platzbedarf gegen Funktionalität und Fähigkeiten gegen Kosten.

Um diese Entscheidungen zu treffen, sind „Was-wäre-wenn“-Modellierungen und -Simulationen erforderlich, zusammen mit einem aus Erfahrung gewonnenen Gespür dafür, was in welchem Umfang funktionieren wird. Die daraus resultierende Auswahl der Komponenten bestimmt weitgehend die Fähigkeiten, Eigenschaften und Grenzen des Endprodukts.

Glücklicherweise ist nicht jede Komponentenwahl mit einem schwierigen Kompromiss verbunden. Nehmen wir das Globale Navigationssatellitensystem (GNSS), ein Sammelbegriff für GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou und andere Satellitenkonstellationen, die globale Positionierungs-, Navigations- und Zeitgebungsdienste (PNT) über das HF-Spektrum von 1,1 bis 1,6 Gigahertz (GHz) anbieten (Abbildung 1). Durch die Verwendung von Satellitensignalen, die durch moderne Signalverarbeitung und hochentwickelte Algorithmen unterstützt werden, kann GNSS für Anwendungen eingesetzt werden, die von der Verfolgung von Objekten mit geringer Genauigkeit bis zur hochpräzisen 3D-Ortung im Zentimeterbereich reichen.

Abbildung 1: Es sind viele GNSS-Systeme im Einsatz, jedes mit einer oder mehreren Zuweisungen im Segment von 1,1 GHz bis 1,6 GHz des HF-Spektrums. (Bildquelle: Taoglas)

GNSS-Antennendesigns variieren, um die große Bandbreite an Anwendungen abzudecken. Einige sind für ein oder einige wenige GNSS-Bänder des zugewiesenen Spektrums ausgelegt, während andere viele oder alle Bänder abdecken. Neben der Auswahl der gewünschten Mittenfrequenz (oder -frequenzen) und Bandbreiten müssen die Entwickler auch die physikalischen und elektrischen Eigenschaften auswählen. Physikalisch können Antennen extern oder eingebettet sein; elektrisch können sie aktiv oder passiv sein:

• Externe GNSS-Antennen sind ideal für Anwendungen, die höchste Präzision und freie Sicht zum Himmel erfordern. Sie gewährleisten einen genauen und zuverlässigen Empfang von Satellitensignalen in Telematik-, Vermessungs- und autonomen Fahrzeugsystemen.
• Eingebettete Antennen sind eine gute Wahl für Anwendungen, die ein hohes Maß an Verpackungsintegration erfordern. Sie bieten einen Weg zu einem nahtlosen, hoch integrierten GNSS-Endprodukt, wie z. B. einem Asset-Tracker.
• Aktive GNSS-Antennen enthalten einen internen rauscharmen Verstärker (LNA), der von einer externen Quelle gespeist wird, um das Signal zu verstärken. Durch die Verstärkung des Signals erhöht sich das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), ein Schlüsselparameter für eine verbesserte Rückgewinnung des empfangenen Signals und eine Reduzierung der nachfolgenden Datenfehler und der Bitfehlerrate (BER).
• Passive GNSS-Antennen haben keinen internen Verstärker. Sie sind eine einfachere Lösung, die die einfallende HF-Energie auffängt und direkt an das HF-Frontend (RFE) weiterleitet und so eine kleinere, kostengünstigere und stromlose Antennenoption bietet.

Die Einbeziehung eines LNA, auch für eine eingebettete Antenne, kann notwendig sein, um Signalverluste zu verringern, die durch lange Kabelwege oder schwierige Umgebungsfaktoren, wie Reflexionen von Gebäuden oder Absorption durch Laub, verursacht werden.

Während eine aktive eingebettete GNSS-Antenne im Allgemeinen eine bessere Leistung bietet, kann sie auch die Komplexität, den Stromverbrauch, die Größe und die Stücklistenkosten erhöhen. Eine passive Antenne ist einfacher, kann aber eine etwas geringere HF-Leistung haben und ist empfindlicher gegenüber der Platzierung.

Glücklicherweise können Entwickler dank der Breite und Tiefe der GNSS-Antennenlösungen von Taoglas eine optimale Antennenkombination für ihre Anwendung auf der Grundlage der vorrangigen Parameter finden. Ein Blick auf zwei repräsentative Modelle, ein eingebettetes passives und ein aktives externes, bietet eine vergleichende Perspektive.

Passive und aktive Antennen

Die HP2356.A (Abbildung 2, oben) aus der Inception-Serie ist ein gutes Beispiel für eine passive, eingebettete Multiband-GNSS-Patchantenne, die für optimale Positionsgenauigkeit und Platzierung entwickelt wurde. Sie verwendet ein Keramik-Patch in einem Patchantennendesign mit optimierter Verstärkung für die Bänder GPS L1/L5, Galileo, GLONASS und BeiDou. Zu den zahlreichen Leistungsparametern, die für diese Antenne angegeben werden, gehören der Wirkungsgrad (Abbildung 2, unten links) und die Verstärkung (Abbildung 2, unten rechts); die Diagramme zeigen die Frequenzen der Spitzenantwort sowie jene der bewusst reduzierten Antwort.

Abbildung 2: Die Abbildung zeigt die passive eingebettete Multiband-GNSS-Patchantenne HP2356.A (oben); zu den kritischen Leistungsparametern gehören der Antennenwirkungsgrad (unten links) und die Verstärkung (unten rechts). (Bildquelle: Taoglas)

Beide Diagramme zeigen deutlich die Leistungsfähigkeit der passiven Antenne in den interessierenden Bändern und die reduzierte Reaktion außerhalb dieser Bänder.

Die Antenne misst 35 mm × 35 mm × 6 mm, und ihr flaches Design ermöglicht es Entwicklern, ein L1/L2-Multiband-GNSS-Patch in Geräte zu integrieren, bei denen dies zuvor aufgrund von Höhenbeschränkungen nicht möglich gewesen wäre. Die HF-Leitungen von der Antenne zum Frontend-Schaltkreis müssen eine Impedanz von 50 Ohm (Ω) haben. Taoglas empfiehlt, die Antenne auf einer mindestens 70 mm × 70 mm großen Massefläche der Leiterplatte zu zentrieren, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.

Als aktive externe Komponente können Entwickler die Multiband-GNSS-Antenne Colosseum X XAHP.50.A.301111 (Abbildung 3, oben) verwenden, die über das gesamte GNSS-Spektrum hinweg gute Leistungen erbringt. Diese Antenne ermöglicht eine hohe Ortungsgenauigkeit und stabile Positionsbestimmung in städtischen Umgebungen.

Der Wirkungsgrad der XAHP-50.A.301111 ist dargestellt (Abbildung 3, unten links), und aufgrund der Einbeziehung des LNA ist die Verstärkung (Abbildung 3, unten rechts) im Vergleich zu einer passiven Antenne drastisch verbessert. Zu den wichtigsten HF-Spezifikationen für das GNSS-Band gehören eine Verstärkung von 22 und 28 Dezibel (dB), ein bandexterner Dämpfungsbereich (OOB) von 25 bis 50 dB und eine niedrige Rauschzahl (NF) zwischen 2,6 und 4,5 dB.

Abbildung 3: Die Multiband-GNSS-Antenne XAHP.50.A.301111 (oben) enthält einen LNA zur Verstärkung der empfangenen Signalstärke und damit zur Verbesserung von SNR und BER; der Wirkungsgrad (unten links) und die Verstärkung (unten rechts) sind im Vergleich zu einer passiven Antenne drastisch verbessert. (Bildquelle: Taoglas)

Diese Antenne hat eine hervorragende Leistung über die gesamte Bandbreite und bietet eine gleichmäßige Verstärkung über die gesamte 3D-Empfangshemisphäre. Dies sorgt für ein breites Achsenverhältnis, was wiederum die Mehrwegunterdrückung verbessert. Der eingebaute LNA arbeitet mit 1,8 bis 5 Volt Gleichspannung (VDC) und verbraucht weniger als 20 Milliampere (mA); der Anschluss an die Antenne erfolgt über ein drei Meter langes Standard-Koaxialkabel RG-174 mit einem geraden SMA(M)-Stecker.

Das robuste, gegen Vandalismus geschützte, fest montierte ASA-Gehäuse entspricht der Schutzklasse IP67, ist nur 57 mm hoch, hat einen Durchmesser von ca. 94 mm und ist für eine einfache Installation ausgelegt. Es wird über einen hohlen M20×1,5-Gewindebolzen, durch den das Koaxialkabel hindurchgeführt wird, an der Platte befestigt. Es kann zwar auf jeder Oberfläche montiert werden, aber die Leistung kann bei der Montage auf Metall beeinträchtigt werden.

Fazit

Entwickler von Systemen, die eine, mehrere oder alle verfügbaren GNSS-Konstellationen empfangen, müssen keine Kompromisse bei der Suche nach einer geeigneten Antenne für ihre speziellen Anforderungen eingehen. Taoglas bietet ein umfassendes Angebot an passiven und aktiven integrierten und externen Antennen für alle Segmente des GNSS-Bandes. Durch die Wahl einer Lösung, die den Anforderungen am ehesten entspricht, können Entwickler eine Quelle von Projektschwierigkeiten und -unsicherheiten beseitigen und haben mehr Flexibilität bei der Festlegung des weiteren Projektverlaufs.