Utiliser des antennes GNSS miniatures hautes performances pour minimiser les compromis de conception

Un aspect essentiel de l'ingénierie consiste à trouver des compromis entre les différents composants lors de la détermination des caractéristiques « indispensables » et « souhaitables » d'un système. Ces compromis incluent notamment la vitesse par rapport à la dissipation de puissance, l'encombrement par rapport aux fonctionnalités et les capacités par rapport aux coûts.

La prise de ces décisions implique la modélisation et la simulation de scénarios hypothétiques, ainsi qu'une bonne compréhension, acquise par l'expérience, de ce qui fonctionnera et dans quelle mesure. Les choix de composants qui en résultent définissent en grande partie les capacités, les attributs et les limites du produit final.

Heureusement, le choix d'un composant n'implique pas toujours un compromis difficile. Prenons l'exemple du système global de navigation par satellite (GNSS), terme générique désignant GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou et autres constellations de satellites qui fournissent des services mondiaux de positionnement, navigation et synchronisation (PNT) dans le spectre RF de 1,1 GHz à 1,6 GHz (Figure 1). Grâce aux signaux reçus des satellites, au traitement avancé des signaux et à des algorithmes sophistiqués, le système GNSS peut être utilisé pour des applications s'étendant du suivi des actifs de faible précision à la localisation 3D de haute précision à l'échelle du centimètre.

Figure 1 : De nombreux systèmes GNSS sont utilisés, chacun disposant d'une ou plusieurs attributions dans le segment de 1,1 GHz à 1,6 GHz du spectre RF. (Source de l'image : Taoglas)

Les conceptions d'antennes GNSS varient afin de répondre à la grande diversité d'applications. Certaines sont conçues pour une ou quelques bandes GNSS dans le spectre attribué, tandis que d'autres couvrent plusieurs bandes, voire toutes. Outre la sélection des fréquences centrales et des largeurs de bande souhaitées, les concepteurs doivent définir les caractéristiques physiques et électriques. Sur le plan physique, les antennes peuvent être externes ou embarquées, et sur le plan électrique, elles peuvent être actives ou passives :

• Les antennes GNSS externes sont idéales pour les applications exigeant une précision maximale et une visibilité dégagée du ciel, garantissant une réception précise et fiable du signal satellite dans les systèmes de télématique, de topographie et de véhicules autonomes.
• Les antennes embarquées constituent un bon choix pour les applications exigeant un haut degré d'intégration dans le boîtier. Elles permettent d'obtenir un produit final GNSS hautement intégré, tel qu'un traceur d'actifs.
• Les antennes GNSS actives intègrent un amplificateur à faible bruit (LNA) interne qui est alimenté par une source externe pour amplifier le signal. L'amplification du signal augmente le rapport signal/bruit (SNR), un paramètre clé pour améliorer la récupération du signal reçu et réduire les erreurs de données et le taux d'erreur sur les bits (TEB).
• Les antennes GNSS passives n'ont pas d'amplificateur interne. Elles constituent une solution plus simple qui capte l'énergie RF incidente et la transmet directement au frontal RF (RFE), offrant ainsi une option d'antenne sans alimentation plus petite et plus économique.

L'ajout d'un amplificateur à faible bruit, même pour une antenne embarquée, peut être nécessaire pour atténuer la perte de signal causée par de grandes longueurs de câbles ou des facteurs environnementaux difficiles, tels que le réfléchissement sur les bâtiments ou l'absorption par la végétation.

Si une antenne GNSS embarquée active offre généralement de meilleures performances, elle peut également accroître la complexité, la consommation d'énergie, la taille physique et le coût de la nomenclature. Une antenne passive est plus simple, mais ses performances RF peuvent être légèrement inférieures, et elle est plus sensible au positionnement.

Heureusement, grâce à l'étendue et à la diversité des solutions d'antennes GNSS de Taoglas, les concepteurs peuvent trouver une combinaison d'antennes optimale pour leur application en fonction des paramètres prioritaires. L'examen de deux modèles représentatifs, une antenne passive embarquée et une antenne active externe, offre une perspective comparative.

Antennes passives et actives

La HP2356.A (Figure 2, en haut) de la série Inception est un bon exemple d'antenne patch GNSS passive multibande embarquée, conçue pour une précision de positionnement et un placement optimaux. Cette antenne utilise une conception d'antenne patch-in-a-patch en céramique innovante avec un gain optimisé pour les bandes Galileo, GLONASS, BeiDou et GPS L1/L2. Les nombreux paramètres de performances spécifiés pour cette antenne incluent le rendement (Figure 2, en bas à gauche) et le gain (Figure 2, en bas à droite), les graphiques montrant les fréquences de la réponse maximale et celles de la réponse délibérément réduite.

Figure 2 : Antenne patch GNSS passive multibande embarquée HP2356.A (en haut). Les paramètres de performances critiques incluent le rendement d'antenne (en bas à gauche) et le gain (en bas à droite). (Source de l'image : Taoglas)

Les deux graphiques montrent clairement la capacité de l'antenne passive à fonctionner correctement dans les bandes d'intérêt, et la réponse réduite en dehors de ces bandes.

L'antenne mesure 35 mm × 35 mm × 6 mm, et son profil extra-plat permet aux concepteurs d'intégrer un patch GNSS L1/L2 multibande dans des dispositifs où cela était auparavant impossible en raison de contraintes de hauteur. Les pistes RF entre l'antenne et le circuit frontal doivent maintenir une impédance de 50 Ω. Taoglas recommande de centrer l'antenne sur le plan de masse d'un circuit imprimé mesurant au moins 70 mm × 70 mm pour garantir des performances optimales.

Pour un dispositif actif externe, les concepteurs peuvent utiliser l'antenne GNSS multibande Colosseum X XAHP.50.A.301111 (Figure 3, en haut), qui offre de bonnes performances sur l'ensemble du spectre GNSS. Cette antenne permet une haute précision de localisation et un suivi stable de la position dans les environnements urbains.

Le rendement de l'antenne XAHP.50.A.301111 est illustré (Figure 3, en bas à gauche) et, grâce à l'intégration de l'amplificateur à faible bruit, le gain (Figure 3, en bas à droite) est considérablement amélioré par rapport à une antenne passive. Les principales spécifications RF dans la bande GNSS incluent un gain de 22 dB et 28 dB, une plage d'atténuation hors bande (OOB) de 25 dB à 50 dB et un faible facteur de bruit (NF) compris entre 2,6 dB et 4,5 dB.

Figure 3 : L'antenne GNSS multibande XAHP.50.A.301111 (en haut) inclut un amplificateur à faible bruit pour augmenter l'intensité du signal reçu et améliorer ainsi les valeurs SNR et TEB. Le rendement (en bas à gauche) et le gain (en bas à droite) sont considérablement améliorés par rapport à une antenne passive. (Source de l'image : Taoglas)

Cette antenne présente d'excellentes performances sur sa bande passante complète, et sa conception fournit un gain uniforme sur l'hémisphère de réception 3D. Cela garantit un rapport axial élevé, améliorant ainsi la réjection des trajets multiples. L'amplificateur à faible bruit intégré fonctionne de 1,8 VCC à 5 VCC et consomme moins de 20 mA. La connexion à l'antenne s'effectue via un câble coaxial RG‑174 standard de 3 mètres équipé d'un connecteur droit SMA(M).

Le boîtier ASA antivandalisme robuste à montage permanent est répertorié IP67, ne mesure que 57 mm de haut avec un diamètre d'environ 94 mm, et est conçu pour une installation aisée. Le montage sur panneau est effectué à l'aide d'un goujon fileté creux M20 × 1,5 qui permet le passage du câble coaxial. Même s'il est possible de monter le boîtier sur n'importe quelle surface, les performances peuvent être affectées lorsqu'il est monté sur une surface métallique.

Conclusion

Les concepteurs de systèmes recevant une, plusieurs ou toutes les constellations GNSS disponibles n'ont pas à faire de compromis lorsqu'ils recherchent une antenne répondant à leurs besoins spécifiques. Taoglas propose une gamme complète d'antennes passives et actives, embarquées ou externes, pour tous les segments de la bande GNSS. En choisissant l'option qui répond le mieux à leurs exigences, les concepteurs peuvent éliminer une source de difficultés et d'incertitudes et bénéficier d'une plus grande flexibilité pour définir le reste du projet.