Simplifier la conception d'un frontal RF pour récepteurs GNSS avec une antenne patch multibande compacte

Inspirés par le lancement commercial réussi du système de positionnement mondial (GPS) aux États-Unis à la fin des années 1980, de nombreux autres pays à travers le monde ont également développé et lancé leurs versions respectives du GPS, regroupées sous l'appellation de système global de navigation par satellite (GNSS). Au cours des 25 dernières années, la technologie GNSS a évolué pour jouer un rôle essentiel dans le monde interconnecté. Aujourd'hui, le GNSS inclut les systèmes Galileo de l'Union européenne, GLONASS de la Russie, BeiDou de la Chine, IRNSS/NavIC de l'Inde et QZSS du Japon. Pour fonctionner avec plusieurs constellations de satellites, un système de récepteur GNSS utilise des fréquences multibandes afin d'offrir une meilleure précision et une plus grande fiabilité que les récepteurs GPS traditionnels, qui n'utilisent que le système de satellites GPS.

L'antenne étant un élément clé du récepteur, elle joue un rôle crucial dans la capture des faibles signaux radio émis par les satellites afin de déterminer avec précision la position, la navigation et l'heure de l'utilisateur. Par conséquent, un récepteur GNSS utilise plusieurs bandes de fréquences qui correspondent aux bandes radiofréquences (RF) inférieures et supérieures transmises par différents systèmes de navigation par satellite dans l'espace. Les bandes et fréquences couvertes par les récepteurs GNSS sont résumées ci-dessous :

• Les bandes L1, E1, B1 couvrent une gamme de fréquences de 1559 MHz à 1610 MHz
• Les bandes L2, E6, B3, L6 couvrent une gamme de fréquences de 1217 MHz à 1300 MHz
• Les bandes L5, E5, B2, L3 couvrent une gamme de fréquences de 1164 MHz à 1217 MHz

En conséquence, les récepteurs GNSS utilisent une antenne large bande ou multibande capable de gérer les multiples gammes de fréquences utilisées par les différents réseaux de satellites dans l'espace. L'utilisation de plusieurs bandes de fréquences permet au système de réception GNSS d'offrir une précision et une fiabilité de positionnement améliorées avec une vulnérabilité réduite aux erreurs de signaux et aux interférences, permettant aux antennes GNSS de fournir des performances supérieures dans des environnements étendus et difficiles. 

Antenne patch-in-a-patch multibande

Les premiers systèmes de réception GPS utilisaient des antennes empilées volumineuses et encombrantes qui occupaient un espace précieux. C'est pourquoi, ces dernières années, la demande pour une solution compacte et extra-plate a été forte. Pour répondre de manière efficace et rentable aux exigences des modules frontaux RF GNSS modernes, Taoglas Limited a conçu et développé une technologie d'antenne supérieure pour les applications de précision à hauteur limitée. L'antenne patch passive de 1160 MHz à 1610 MHz multibande série Inception HP5354.A de l'entreprise est conçue pour une précision de position, une robustesse et une fiabilité accrues. Elle utilise une technologie innovante d'antenne patch-in-a-patch en céramique qui combine deux antennes dans le même facteur de forme qu'une antenne GPS à une bande (Figure 1). Elle garantit ainsi un gain de polarisation optimisé pour les bandes BeiDou (B1/B2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) et Galileo (E1/E5a), y compris IRNSS/NavIC (L5). Elle garantit également la compatibilité avec un large éventail d'applications, indépendamment de la localisation.

Figure 1 : L'antenne série Inception HP5354.A est une antenne patch-in-a-patch double bande extra-plate pour systèmes de réception GNSS. (Source de l'image : Taoglas Limited)

Optimisée pour les performances double bande, l'antenne HP5354.A compacte et extra-plate mesure 35 mm x 35 mm avec une hauteur de 4 mm. Logée dans un boîtier en céramique à 11 broches à montage en surface, elle utilise trois de ses broches pour capturer les signaux radio orthogonaux des bandes L1 et L5. Deux des broches sont utilisées pour recevoir les signaux de la bande L1, la troisième pour la bande L5. Les huit broches restantes servent de masse.

Pour obtenir un taux d'ellipticité optimal et un signal à polarisation circulaire droite (RHCP) en sortie, les deux alimentations pour la bande L1 sont combinées à l'aide d'un coupleur hybride recommandé, le HC125A (Figure 2). Offrant une faible perte d'insertion et une amplitude de sortie équilibrée, le coupleur HC125A est fourni dans un boîtier à montage en surface extra-plat (1,5 mm de hauteur) pour les applications GNSS multibandes.

Figure 2 : Les deux alimentations de la bande L1 sont combinées dans le coupleur hybride HC125A pour garantir un taux d'ellipticité optimal tout en créant un signal RHCP. (Source de l'image : Taoglas Limited)

En outre, l'antenne à double alimentation a été accordée et testée sur un plan de masse de 70 mm x 70 mm et a démontré d'excellents diagrammes de rayonnement. Elle a également été entièrement caractérisée sur les deux bandes pour les paramètres clés dépendant de la fréquence, notamment les pertes par réflexion, le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS), le rendement, le gain moyen, le gain de crête, le taux d'ellipticité, le décalage du centre de phase, les variations du centre de phase et le temps de propagation de groupe.

Grâce à son profil extra-plat, l'antenne à double alimentation peut être utilisée dans une large gamme d'applications où les conceptions patch empilées traditionnelles sont trop volumineuses et trop hautes. Les applications recommandées incluent la navigation, le suivi industriel, les véhicules autonomes et la robotique, ainsi que les dispositifs corporels, les dispositifs de suivi des actifs compacts et l'agriculture de précision.

Construction de la chaîne de signaux RF du frontal

Même si l'antenne GNSS multibande peut être combinée à un frontal GNSS fourni par l'utilisateur, Taoglas a simplifié la conception de la chaîne de signaux avec le module frontal GNSS TFM.100B, conçu pour être utilisé avec des patchs multi-alimentations.

Le module comprend un amplificateur à faible bruit (LNA) à deux étages qui offre plus de 25 dB de gain sur toutes les bandes et présente un faible facteur de bruit (NF) inférieur à 3 dB. Il est équipé d'un filtre à ondes acoustiques de surface (SAW) qui est combiné avec le LNA pour créer une topologie SAW/LNA/SAW/LNA qui gère à la fois les trajets de signaux de la bande basse et de la bande haute afin d'éviter que des interférences hors bande (OOB) indésirables ne saturent le récepteur ou les amplificateurs à faible bruit GNSS. Les filtres SAW du module TFM.100B ont également été soigneusement sélectionnés et placés de manière à offrir une excellente réjection OOB tout en conservant le faible facteur de bruit de 3 dB. Ce dispositif à montage en surface facile à intégrer mesure 20 mm × 18 mm et fonctionne à partir d'une seule alimentation CC de 1,8 V à 5,5 V. Grâce à sa vaste plage de tensions d'entrée, le module frontal peut facilement être intégré dans la plupart des récepteurs GNSS.

Pour aider les utilisateurs à mieux comprendre l'intégration des modules frontaux complets de récepteur GNSS, les ingénieurs de Taoglas ont développé une carte d'évaluation, l'AHPD5354A (Figure 3), comme conception de référence pour le trajet de signal du frontal. Cette carte d'évaluation combine le préamplificateur TFM.100B, le coupleur hybride 3 dB extra-plat hautes performances HC125A et l'antenne patch multibande HP5354.A sur un seul circuit imprimé.

Figure 3 : La carte d'évaluation AHPD5354A de Taoglas simplifie l'intégration d'un préamplificateur à faible bruit, d'un coupleur hybride 3 dB et d'une antenne patch multibande dans un module frontal RF complet pour systèmes de réception GNSS. (Source de l'image : Taoglas Limited)

La carte d'évaluation indique que le coupleur hybride n'est requis que lorsque la bande de fonctionnement GNSS se situe dans une gamme haute (1559 MHz à 1610 MHz). De même, le schéma de disposition de la carte suggère que le coupleur hybride doit être placé à proximité des broches de l'antenne et correctement terminé à l'aide de deux résistances de 100 Ω en parallèle.

En outre, la carte met également en avant certains des avantages de l'utilisation du module frontal GNSS TFM.100B, notamment :

• Intégration aisée avec tout type d'antenne ou de récepteur GNSS
• Pré-filtres intégrés offrant une réjection exceptionnelle des interférences hors bande sur plusieurs bandes et d'autres interférences voisines pour atteindre un faible facteur de bruit
• LNA à deux étages, pré-filtres et adaptation d'impédance optimisée fournissant un gain suffisant au récepteur GNSS sans surcharge signal/bruit
• Empreinte compacte et conception extra-plate permettant des gains d'espace précieux et n'exigeant ni routage ni composants externes
• Le plus haut niveau d'intégration, de fabricabilité et de robustesse dans un seul boîtier compact

Conclusion

Une antenne patch multibande est un composant essentiel dans les récepteurs GNSS modernes pour améliorer les performances dans les environnements difficiles. En recevant des signaux radio sur plusieurs fréquences dans les bandes basses et hautes, une antenne double bande permet aux récepteurs GNSS de surmonter les limites d'un système à une seule bande. Pour atteindre cet objectif, Taoglas a développé une antenne double bande extra-plate utilisant la nouvelle technologie patch-in-a-patch qui prend simultanément en charge les bandes L1 et L5 dans un facteur de forme compact. Associée au coupleur hybride et au préamplificateur à faible bruit de l'entreprise, avec filtre SAW et circuit d'adaptation d'impédance intégrés dans un boîtier en céramique compact, elle offre une solution de chaîne de signaux de frontal RF hautes performances pour les récepteurs GNSS.