天线的创新材料和设计解决了多波段 GNSS 难题

作者： Bill Schweber

自 20 世纪 70 年代末在美国国防部 (DoD) 主导下开发，并延伸至 80 年代以来，全球定位系统 (GPS) 的作用和应用呈指数级增长。该系统最初仅用于导航和导弹制导，现在已被集成到资产跟踪和监控、汽车自动驾驶、农业、可穿戴设备以及其创始人从未想象过的许多其他最终用途中。

继美国成功部署 GPS 之后，其他国家和地区也纷纷开发并启动了相应的 GPS 系统，统称为全球导航卫星系统（GNSS）。GNSS 包括俄罗斯的 GLONASS、欧盟的 Galileo 和中国的北斗，以及两个区域 GNSS 系统：日本的 QZSS 和印度的 IRNSS/NavIC。

虽然最初的 GPS 接收器系统体积很大，几乎无法放入汽车后备箱，但现代技术已将 GNSS 核心引擎简化为单个集成电路 (IC)。无论 GNSS 类型如何，所有这些系统都需要一种经过优化的天线来接收来自 GNSS 卫星阵列的超微弱射频信号。随着 GNSS 接收器尺寸的缩小和功率要求的降低，天线的尺寸也必须相应缩小。

然而，这对必须处理多个 GNSS 系统或频段的接收器来说是一个挑战。接收器需要一个能够处理所用不同系统的较低和较高射频波段的天线（图 1）。

图 1：目前，由各种在用系统规划的 GNSS 频率分配和频段既有重叠共存，也有交叉区隔。（图片来源：Taoglas Limited）

GNSS 频段和频率的分配如下：

• 1,559 至 1,610 兆赫 (MHz)，称为 L1、E1、B1 频段
• 1,215 至 1,300 MHz，称为 L2、E6、B3、L6 频段
• 1,164 至 1,215 MHz，称为 L5、E5、B2、L3 频段

请注意，L 频段是指 1,525 至 1,559 MHz 的频率范围，各种卫星在该频率范围内传输校正信号。

对于宽带或多频带天线的需求可以追溯到 20^^ 世纪初期的早期无线通信，并且当时有两种通用方法。一种方法是使用物理“陷波器”或加载线圈，以使单个窄带天线在两个不同的中心频率上产生谐振。另一种方法是使用针对宽带性能设计的单一天线。

对于当今紧凑型系统设计中的 GNSS 天线来说，这两种方案都不理想。陷波器方法需要相对较大的分立电感器和电容器，而宽带天线则会损害对性能至关重要的属性，例如增益和效率。

更出色的天线方法

现在可以通过 [Taoglas Limited]的 [Inception 系列]天线实现更好的解决方案。例如， [HP5354.A]（图 2）是一款多频段、1,160 至 1,610 MHz 无源 GNSS 贴片天线，旨在提高定位精度。这种创新的陶瓷基复合贴片天线具有针对北斗 (B1/B2a)、GPS/QZSS (L1/L5)、GLONASS (G1) 和伽利略 (E1/E5a) 频段经过优化的增益。

图 2：HP5354.A 是一款紧凑型扁平天线，针对双波段（L1 和 L5）GNSS 性能进行了优化。（图片来源：Taoglas Limited）

HP5354.A 的尺寸为 35 × 35 毫米 (mm)，高度为 4 mm，非常适合紧凑扁平的设计。11 针封装使用其中三个针脚作为接收信号接口（两个用于 L1 频段，一个用于 L5 频段），其余针脚用作接地。

经调谐与验证，配备 70×70 mm 接地平面的 HP5354.A 多馈源天线具有优异的辐射特性。该天线可覆盖新一代 L1/L5 频段 GNSS 系统所需的频段，并在这两个频段内对关键的频率相关参数完成了充分表征，具体包括：回波损耗、电压驻波比(VSWR)、辐射效率、平均增益、峰值增益、轴比、相位中心偏移、相位中心漂变及群时延。

使用 Taoglas HP5354.A 天线

虽然 HP5354.A 天线可以与用户提供的前端模块配对，但 Taoglas 使用 [TFM.100B] GNSS 射频模块可简化底层信号链的开发流程。该高性能模块覆盖 L1/L5 双频段，专为多馈源贴片天线系统而设计。

TFM.100B 具有一个两级低噪声放大器 (LNA)，可在所有频段提供超过 25 分贝 (dB) 的增益，同时噪声系数低于 3 dB。该模块在低频带和高频带信号路径中均采用表面声波 (SAW)/LNA/SAW/LNA 拓扑结构，以防止不必要的带外 (OOB) 干扰过度驱动 GNSS LNA 或接收器。

TFM.100B 内的 SAW 滤波器经过精心选择和放置，可出色的进行 OOB 抑制，同时保持较低的 3 dB 噪声系数。这款易于集成的表面贴装器件的尺寸为 20 × 18 mm，采用 1.8 至 5.5 VDC 单电源供电。

Taoglas 还提供配套的 [AHPD5354A]评估板（图 3），进一步简化了 HP5354.A 与完整系统的集成。该评估板采用 TFM.100B RF 前置放大器和 Taoglas HC125A，这是一款外形扁平的高性能 3 dB 混合耦合器，专为多馈源多频段 GNSS 应用而设计。HP5354.A、TFM.100B 和 HC125A 作为集成信号链协同工作。

图 3：AHPD5354A 评估板配备了用于 L1/L5 信号的混合耦合器，以及功能齐全的射频前置放大器和滤波器，以提供完整的射频信号链。（图片来源：Taoglas Limited）

HP5354.A 通过三个引脚提供两个正交馈源，其中两个引脚用于 L1 波段天线输出，另一个引脚用于 L5 波段输出。这些馈源通过 L1 波段的混合耦合器进行合成，以确保最佳轴比，并产生右旋极化 (RHCP) 信号，然后接入 TFM.100B 上的对应输入端。

请注意，HC125A 混合耦合器仅适用于这款天线的高 GNSS 操作频段（1,559 至 1,610 MHz）。评估板布局图明确说明了混合耦合器的安装要求：紧邻天线引脚布置，并通过并联两个 100 Ω 电阻实现正确端接。

结语

无处不在的 GNSS 通过复杂的核心 IC 和先进的算法，来进行确定接收器位置所需的计算。向这些 IC 提供原始信号是射频信号链的挑战，该信号链始于接收天线。Taoglas 的 HP5354.A 天线是一款微型双波段表面贴装天线，可同时支持较低和较高的 GNSS 频带。配套 Taoglas 混合耦合器和低噪声前置放大器使用时，设计人员可以直接解决 GNSS 接收器的射频前端问题。

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