Alla fine degli anni ’80, il Global Positioning System (GPS) fu messo in funzione con successo negli Stati Uniti. Ispirandosi a questo, anche molti altri paesi nel mondo hanno sviluppato e lanciato le proprie versioni del GPS, note collettivamente come Global Navigation Satellite Systems (GNSS). Negli ultimi 25 anni, la tecnologia GNSS si è sviluppata continuamente e ha svolto un ruolo cruciale nel mondo interconnesso. Oggi il GNSS comprende Galileo dell’Unione Europea, GLONASS della Russia, Beidou della Cina, IRNSS/NavIC dell’India e QZSS del Giappone. Rispetto ai ricevitori GPS tradizionali che utilizzano solo sistemi satellitari GPS, i sistemi ricevitori GNSS utilizzano più bande di frequenza per funzionare in coordinamento con più costellazioni satellitari, ottenendo maggiore precisione e affidabilità.
L'antenna è un componente chiave del ricevitore e svolge un ruolo cruciale nel catturare i deboli segnali radio emessi dai satelliti per determinare la posizione precisa, la navigazione e l'ora dell'utente. Pertanto, i ricevitori GNSS devono utilizzare più bande di frequenza, che corrispondono alle bande di radiofrequenza (RF) inferiori e superiori trasmesse da diversi sistemi di navigazione satellitare nello spazio. Le bande di frequenza e le frequenze coperte dai ricevitori GNSS sono riassunte come segue:
La gamma di frequenza delle bande di frequenza L1, E1 e B1 va da 1559 MHz a 1610 MHz
La gamma di frequenza delle bande di frequenza L2, E6, B3 e L6 è compresa tra 1217 MHz e 1300 MHz
La gamma di frequenza delle bande di frequenza L5, E5, B2 e L3 va da 1164 MHz a 1217 MHz
Pertanto, i ricevitori GNSS utilizzano antenne a banda larga o multibanda in grado di gestire più gamme di frequenza utilizzate da varie reti satellitari spaziali. L'uso di frequenze multibanda può migliorare la precisione di posizionamento e l'affidabilità dei sistemi ricevitori GNSS, ridurre gli errori di segnale e le interferenze e consentire alle antenne GNSS di fornire prestazioni eccellenti in ambienti ampi e difficili.
Antenna patch nidificata multibanda
A causa dell'utilizzo di antenne impilate grandi e ingombranti nei primi sistemi di ricezione GPS, che occupavano spazio prezioso, negli ultimi anni c'è stata una forte richiesta di soluzioni compatte e piatte. Per soddisfare in modo efficiente ed economico i requisiti dei moderni moduli front-end RF GNSS, Taoglas Limited ha progettato e sviluppato un'eccellente tecnologia di antenna per applicazioni altamente limitate e precise. La serie Inception dell'azienda HP5354. A è un'antenna patch passiva con bande di frequenza multiple che vanno da 1160 MHz a 1610 MHz, progettata per migliorare la precisione di posizionamento, la robustezza e l'affidabilità. Adotta l'innovativa tecnologia di antenne patch annidate in ceramica, incorporando due antenne nelle stesse dimensioni esterne dell'antenna GPS a frequenza singola (Figura 1). Pertanto, può garantire un guadagno di polarizzazione ottimizzato per le bande di frequenza Beidou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) e Galileo (E1/E5a) (incluso IRNSS/NavIC (L5)). Ciò garantisce anche la compatibilità con varie applicazioni in qualsiasi luogo.
Immagine dell'HP5354. Un'antenna della serie entry-level di Tao Glass Co., Ltd
Figura 1: Serie Inception HP5354. A è un'antenna patch annidata piatta utilizzata per i sistemi di ricezione GNSS. (Fonte immagine: Taoglas Limited)
HP5354. A è stata ottimizzata per prestazioni dual band ed è un'antenna compatta e piatta con dimensioni di 35 mm x 35 mm e un'altezza di 4 mm. È dotato di un package ceramico a montaggio superficiale a 11 pin, con tre pin utilizzati per acquisire segnali radio ortogonali nelle bande di frequenza L1 e L5. Due di questi tre pin vengono utilizzati per ricevere segnali nella banda di frequenza L1 e il terzo pin viene utilizzato per ricevere segnali nella banda di frequenza L5. I restanti otto pin sono collegati a terra.
Per ottenere il rapporto assiale ottimale e il segnale polarizzato circolarmente destrorso (RHCP) all'estremità di uscita, i due segnali di ingresso nella banda di frequenza L1 vengono combinati utilizzando l'accoppiatore ibrido consigliato HC125A (Figura 2). HC125A adotta un contenitore piatto a montaggio superficiale (1,5 mm di altezza), con bassa perdita di inserzione e ampiezza di uscita bilanciata, adatto per applicazioni GNSS multibanda.
Diagramma schematico dell'utilizzo dell'accoppiatore ibrido consigliato per combinare due segnali di ingresso nella banda di frequenza L1
Figura 2: Due segnali di ingresso dalla banda di frequenza L1 sono combinati nell'accoppiatore ibrido HC125A per garantire un rapporto assiale ottimale durante la generazione del segnale RHCP. (Fonte immagine: Taoglas Limited)
Inoltre, l'antenna a doppia alimentazione è stata sintonizzata e testata su un piano di massa di 70 mm x 70 mm e ha mostrato eccellenti schemi di radiazione. Inoltre, caratterizza in modo completo i parametri chiave relativi alla frequenza in due bande di frequenza. Questi parametri includono la perdita di ritorno, il rapporto delle onde stazionarie di tensione (VSWR), l'efficienza, il guadagno medio, il guadagno di picco, il rapporto assiale, l'offset del centro di fase, la variazione del centro di fase e il ritardo di gruppo.
L'antenna a doppio punto di alimentazione ha una forma piatta e può essere ampiamente utilizzata in situazioni in cui i tradizionali design di patch impilati sono troppo ingombranti e alti. Le applicazioni consigliate includono navigazione, tracciamento industriale, veicoli autonomi e robotica, nonché dispositivi indossabili, tracciatori di piccole risorse e agricoltura di precisione.
Costruire una catena di segnali RF front-end
Sebbene l'antenna GNSS multibanda possa essere combinata con il front-end GNSS dell'utente, Taoglas semplifica notevolmente la progettazione della catena del segnale utilizzando il modulo front-end GNSS TFM.100A progettato specificamente per antenne patch multi punto di alimentazione.
Questo modulo include un amplificatore a basso rumore (LNA) a due stadi con un guadagno superiore a 25 decibel (dB) in tutte le bande di frequenza e una figura di rumore (NF) inferiore a 3 dB. Utilizza un filtro per onde acustiche superficiali (SAW) combinato con l'LNA per formare una topologia SAW/LNA/SAW/LNA, mentre elabora percorsi di segnale a bassa e alta frequenza per sopprimere interferenze fuori banda non necessarie (OOB) e prevenire il sovraccarico di amplificatori o ricevitori GNSS a basso rumore. Il filtro SAW in TFM.100A è stato accuratamente selezionato e posizionato per eseguire un'eccellente soppressione OOB mantenendo una bassa figura di rumore di 3 dB. Questo dispositivo a montaggio superficiale, facile da integrare, misura 20 × 18 mm ed è alimentato da un unico alimentatore compreso tra 1,8 e 5,5 V CC. L'ampio intervallo di tensioni di ingresso consente al modulo front-end di essere facilmente integrato nella maggior parte dei ricevitori GNSS.