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作者： Bill Schweber

自 20 世紀(jì) 70 年代末在美國國防部 (DoD) 主導(dǎo)下開發(fā)，并延伸至 80 年代以來，全球定位系統(tǒng) (GPS) 的作用和應(yīng)用呈指數(shù)級增長。該系統(tǒng)最初僅用于導(dǎo)航和導(dǎo)彈制導(dǎo)，現(xiàn)在已被集成到資產(chǎn)跟蹤和監(jiān)控、汽車自動駕駛、農(nóng)業(yè)、可穿戴設(shè)備以及其創(chuàng)始人從未想象過的許多其他最終用途中。

繼美國成功部署 GPS 之后，其他國家和地區(qū)也紛紛開發(fā)并啟動了相應(yīng)的 GPS 系統(tǒng)，統(tǒng)稱為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。GNSS 包括俄羅斯的 GLONASS、歐盟的 Galileo 和中國的北斗，以及兩個區(qū)域 GNSS 系統(tǒng)：日本的 QZSS 和印度的 IRNSS/NavIC。

雖然最初的 GPS 接收器系統(tǒng)體積很大，幾乎無法放入汽車后備箱，但現(xiàn)代技術(shù)已將 GNSS 核心引擎簡化為單個集成電路 (IC)。無論 GNSS 類型如何，所有這些系統(tǒng)都需要一種經(jīng)過優(yōu)化的天線來接收來自 GNSS 衛(wèi)星陣列的超微弱射頻信號。隨著 GNSS 接收器尺寸的縮小和功率要求的降低，天線的尺寸也必須相應(yīng)縮小。

然而，這對必須處理多個 GNSS 系統(tǒng)或頻段的接收器來說是一個挑戰(zhàn)。接收器需要一個能夠處理所用不同系統(tǒng)的較低和較高射頻波段的天線（圖 1）。

圖 1：目前，由各種在用系統(tǒng)規(guī)劃的 GNSS 頻率分配和頻段既有重疊共存，也有交叉區(qū)隔。（圖片來源：Taoglas Limited）

GNSS 頻段和頻率的分配如下：

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

請注意，L 頻段是指 1,525 至 1,559 MHz 的頻率范圍，各種衛(wèi)星在該頻率范圍內(nèi)傳輸校正信號。

對于寬帶或多頻帶天線的需求可以追溯到 20^^ 世紀(jì)初期的早期無線通信，并且當(dāng)時有兩種通用方法。一種方法是使用物理“陷波器”或加載線圈，以使單個窄帶天線在兩個不同的中心頻率上產(chǎn)生諧振。另一種方法是使用針對寬帶性能設(shè)計的單一天線。

對于當(dāng)今緊湊型系統(tǒng)設(shè)計中的 GNSS 天線來說，這兩種方案都不理想。陷波器方法需要相對較大的分立電感器和電容器，而寬帶天線則會損害對性能至關(guān)重要的屬性，例如增益和效率。

更出色的天線方法

現(xiàn)在可以通過 [Taoglas Limited]的 [Inception 系列]天線實現(xiàn)更好的解決方案。例如， [HP5354.A]（圖 2）是一款多頻段、1,160 至 1,610 MHz 無源 GNSS 貼片天線，旨在提高定位精度。這種創(chuàng)新的陶瓷基復(fù)合貼片天線具有針對北斗 (B1/B2a)、GPS/QZSS (L1/L5)、GLONASS (G1) 和伽利略 (E1/E5a) 頻段經(jīng)過優(yōu)化的增益。

圖 2：HP5354.A 是一款緊湊型扁平天線，針對雙波段（L1 和 L5）GNSS 性能進行了優(yōu)化。（圖片來源：Taoglas Limited）

HP5354.A 的尺寸為 35 × 35 毫米 (mm)，高度為 4 mm，非常適合緊湊扁平的設(shè)計。11 針封裝使用其中三個針腳作為接收信號接口（兩個用于 L1 頻段，一個用于 L5 頻段），其余針腳用作接地。

經(jīng)調(diào)諧與驗證，配備 70×70 mm 接地平面的 HP5354.A 多饋源天線具有優(yōu)異的輻射特性。該天線可覆蓋新一代 L1/L5 頻段 GNSS 系統(tǒng)所需的頻段，并在這兩個頻段內(nèi)對關(guān)鍵的頻率相關(guān)參數(shù)完成了充分表征，具體包括：回波損耗、電壓駐波比(VSWR)、輻射效率、平均增益、峰值增益、軸比、相位中心偏移、相位中心漂變及群時延。

使用 Taoglas HP5354.A 天線

雖然 HP5354.A 天線可以與用戶提供的前端模塊配對，但 Taoglas 使用 [TFM.100B] GNSS 射頻模塊可簡化底層信號鏈的開發(fā)流程。該高性能模塊覆蓋 L1/L5 雙頻段，專為多饋源貼片天線系統(tǒng)而設(shè)計。

TFM.100B 具有一個兩級低噪聲放大器 (LNA)，可在所有頻段提供超過 25 分貝 (dB) 的增益，同時噪聲系數(shù)低于 3 dB。該模塊在低頻帶和高頻帶信號路徑中均采用表面聲波 (SAW)/LNA/SAW/LNA 拓撲結(jié)構(gòu)，以防止不必要的帶外 (OOB) 干擾過度驅(qū)動 GNSS LNA 或接收器。

TFM.100B 內(nèi)的 SAW 濾波器經(jīng)過精心選擇和放置，可出色的進行 OOB 抑制，同時保持較低的 3 dB 噪聲系數(shù)。這款易于集成的表面貼裝器件的尺寸為 20 × 18 mm，采用 1.8 至 5.5 VDC 單電源供電。

Taoglas 還提供配套的 [AHPD5354A]評估板（圖 3），進一步簡化了 HP5354.A 與完整系統(tǒng)的集成。該評估板采用 TFM.100B RF 前置放大器和 Taoglas HC125A，這是一款外形扁平的高性能 3 dB 混合耦合器，專為多饋源多頻段 GNSS 應(yīng)用而設(shè)計。HP5354.A、TFM.100B 和 HC125A 作為集成信號鏈協(xié)同工作。

圖 3：AHPD5354A 評估板配備了用于 L1/L5 信號的混合耦合器，以及功能齊全的射頻前置放大器和濾波器，以提供完整的射頻信號鏈。（圖片來源：Taoglas Limited）

HP5354.A 通過三個引腳提供兩個正交饋源，其中兩個引腳用于 L1 波段天線輸出，另一個引腳用于 L5 波段輸出。這些饋源通過 L1 波段的混合耦合器進行合成，以確保最佳軸比，并產(chǎn)生右旋極化 (RHCP) 信號，然后接入 TFM.100B 上的對應(yīng)輸入端。

請注意，HC125A 混合耦合器僅適用于這款天線的高 GNSS 操作頻段（1,559 至 1,610 MHz）。評估板布局圖明確說明了混合耦合器的安裝要求：緊鄰天線引腳布置，并通過并聯(lián)兩個 100 Ω 電阻實現(xiàn)正確端接。

結(jié)語

無處不在的 GNSS 通過復(fù)雜的核心 IC 和先進的算法，來進行確定接收器位置所需的計算。向這些 IC 提供原始信號是射頻信號鏈的挑戰(zhàn)，該信號鏈?zhǔn)加诮邮仗炀€。Taoglas 的 HP5354.A 天線是一款微型雙波段表面貼裝天線，可同時支持較低和較高的 GNSS 頻帶。配套 Taoglas 混合耦合器和低噪聲前置放大器使用時，設(shè)計人員可以直接解決 GNSS 接收器的射頻前端問題。