В конце 1980-х годов система глобального позиционирования (GPS) была успешно введена в коммерческую эксплуатацию в США. Вдохновленные этим, многие другие страны мира также разработали и запустили свои собственные версии GPS, известные под общим названием «Глобальные навигационные спутниковые системы» (ГНСС). За последние 25 лет технология GNSS постоянно развивалась и играла решающую роль во взаимосвязанном мире. В настоящее время GNSS включает Galileo из Европейского Союза, ГЛОНАСС из России, Beidou из Китая, IRNSS/NavIC из Индии и QZSS из Японии. По сравнению с традиционными приемниками GPS, которые используют только спутниковые системы GPS, системы приемников GNSS используют несколько диапазонов частот для работы в координации с несколькими группировками спутников, обеспечивая более высокую точность и надежность.
Антенна является ключевым компонентом приемника, играющим решающую роль в улавливании слабых радиосигналов, излучаемых спутниками, для определения точного местоположения, навигации и времени пользователя. Следовательно, приемникам GNSS необходимо использовать несколько диапазонов частот, которые соответствуют нижним и верхним диапазонам радиочастот (РЧ), передаваемым различными спутниковыми навигационными системами в космосе. Полосы частот и частоты, охватываемые приемниками GNSS, суммированы следующим образом:
Диапазон частот диапазонов частот L1, E1 и B1 составляет от 1559 МГц до 1610 МГц.
Диапазон частот диапазонов частот L2, E6, B3 и L6 составляет от 1217 МГц до 1300 МГц.
Диапазон частот диапазонов частот L5, E5, B2 и L3 составляет от 1164 МГц до 1217 МГц.
Поэтому в приемниках GNSS используются широкополосные или многодиапазонные антенны, которые могут обрабатывать несколько диапазонов частот, используемых различными космическими спутниковыми сетями. Использование многодиапазонных частот может повысить точность позиционирования и надежность приемных систем GNSS, уменьшить ошибки сигнала и помехи, а также позволить антеннам GNSS обеспечивать отличную производительность в обширных и суровых условиях.
Многодиапазонная вложенная патч-антенна
Из-за использования в первоначальных системах GPS-приемников больших и громоздких многослойных антенн, которые занимали ценное пространство, в последние годы возник высокий спрос на компактные и плоские решения. Чтобы эффективно и экономично удовлетворить требования современных радиочастотных модулей GNSS, компания Taoglas Limited спроектировала и разработала превосходную антенную технологию для строго ограниченных и точных приложений. Серия компании Inception HP5354. A — пассивная патч-антенна с несколькими частотными диапазонами от 1160 МГц до 1610 МГц, разработанная для повышения точности позиционирования, надежности и надежности. Он использует инновационную технологию керамических вложенных патч-антенн, встраивая две антенны в те же внешние размеры, что и одночастотная GPS-антенна (рис. 1). Таким образом, он может обеспечить оптимизированное усиление поляризации для диапазонов частот Beidou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), ГЛОНАСС (G1) и Galileo (E1/E5a) (включая IRNSS/NavIC (L5)). Это также обеспечивает совместимость с различными приложениями в любом месте.
Изображение HP5354. Антенна из серии начального уровня Tao Glass Co., Ltd.
Рис. 1. Серия Inception HP5354. A — плоская вложенная патч-антенна, используемая в приемных системах GNSS. (Источник изображения: Taoglas Limited)
ХП5354. A оптимизирована для работы в двух диапазонах и представляет собой компактную плоскую антенну размером 35 x 35 мм и высотой 4 мм. Он имеет 11-контактный керамический корпус для поверхностного монтажа, три контакта которого используются для захвата ортогональных радиосигналов в диапазонах частот L1 и L5. Два из этих трех контактов используются для приема сигналов в частотном диапазоне L1, а третий контакт используется для приема сигналов в частотном диапазоне L5. Остальные восемь контактов заземлены.
Чтобы получить оптимальное соотношение осей и сигнал с правосторонней круговой поляризацией (RHCP) на выходе, два входных сигнала в полосе частот L1 объединяются с использованием рекомендуемого гибридного соединителя HC125A (рис. 2). HC125A имеет плоский (высотой 1,5 мм) корпус для поверхностного монтажа с низкими вносимыми потерями и сбалансированной выходной амплитудой, подходящий для многодиапазонных приложений GNSS.
Принципиальная схема использования рекомендуемого гибридного ответвителя для объединения двух входных сигналов в полосе частот L1.
Рис. 2. Два входных сигнала из диапазона частот L1 объединяются в гибридном соединителе HC125A, чтобы обеспечить оптимальное соотношение осей при генерации сигнала RHCP. (Источник изображения: Taoglas Limited)
Кроме того, точечная антенна с двойным питанием была настроена и протестирована на заземляющем слое размером 70 x 70 мм и показала отличные диаграммы направленности. Кроме того, он комплексно характеризует ключевые параметры, связанные с частотой в двух диапазонах частот. Эти параметры включают обратные потери, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН), эффективность, средний коэффициент усиления, пиковый коэффициент усиления, осевое соотношение, смещение фазового центра, изменение фазового центра и групповую задержку.
Антенна с двойной точкой питания имеет плоскую форму и может широко использоваться в ситуациях, когда традиционные конструкции многоуровневых патчей слишком громоздки и высоки. Рекомендуемые приложения включают навигацию, промышленное отслеживание, автономные транспортные средства и робототехнику, а также носимые устройства, устройства отслеживания небольших активов и точное земледелие.
Построение входной цепочки радиочастотных сигналов
Хотя многодиапазонную антенну GNSS можно комбинировать с собственным интерфейсом GNSS пользователя, Taoglas значительно упрощает конструкцию сигнальной цепи, используя интерфейсный модуль GNSS TFM.100A, разработанный специально для патч-антенн с несколькими точками питания.
В состав данного модуля входит двухкаскадный малошумящий усилитель (МШУ) с коэффициентом усиления более 25 децибел (дБ) во всех диапазонах частот и коэффициентом шума (КШ) менее 3 дБ. Он использует фильтр поверхностных акустических волн (ПАВ) в сочетании с МШУ для формирования топологии ПАВ/МШУ/ПАВ/МШУ при одновременной обработке низкочастотных и высокочастотных трактов сигналов для подавления ненужных внеполосных (OOB) помех и предотвращения перегрузки малошумящих усилителей или приемников ГНСС. ПАВ-фильтр в TFM.100A был тщательно выбран и размещен для обеспечения превосходного подавления внеполосных помех при сохранении низкого коэффициента шума в 3 дБ. Это простое в интеграции устройство для поверхностного монтажа имеет размеры 20 × 18 мм и питается от одного источника питания с напряжением от 1,8 до 5,5 В постоянного тока. Широкий диапазон входного напряжения позволяет легко интегрировать внешний модуль в большинство приемников GNSS.