Как выбрать встраиваемую GNSS-антенну

Не секрет, что работа ВЧ-оборудования в большей степени зависит от качества приема/передачи радиосигнала. Неверный выбор антенны или ее расположения на плате приводит к крайне негативным результатам работы всего прибора, и зачастую чувствительность приемника и цепь усиления/фильтрации сигнала не в состоянии нивелировать подобный просчет.

При подборе антенны всегда приходится искать компромисс среди параметров: доступное под антенну пространство на плате, характеристики и цена антенны. Все три параметра напрямую зависят от технологии производства антенны и применяемых материалов.

В общем случае антенна представляет собой комбинацию проводника и изолятора c различной относительной диэлектрической проницаемостью (К), характеризующей замедление распространения электромагнитной волны в изоляторе относительно вакуума (воздуха). Таким образом, применение материалов с более высоким К позволяет уменьшить габариты антенны, которые, как известно, напрямую зависят от длины волны сигнала. В самом бюджетном решении используется комбинация сталь/воздух (K = 1), наиболее популярны медь/керамика(K = 9–100) или стеклотекстолит (K = 4), самые компактные устройства все чаще требуют интеграции антенны непосредственно в корпус устройства по технологии Laser Direct Structuring (LDS).

На рис. 1 приведены наиболее распространенные типы антенны. Как видим, стремление к компактности требует применения более дорогих материалов или технологий.

Рис. 1. Наиболее распространенные типы антенны

Начнем наш обзор с более распространенных керамических антенн на примере продукции тайваньской компании Cirocomm Technology Corp., которая с 1996 года занимается разработкой и производством антенн и керамических фильтров. Линейка продукции охватывает все наиболее востребованные беспроводные технологии, такие как 2G/3G/4G/5G, GNSS, Wi-Fi/BT, NFC, RFID, SubHz, и другие.

Пассивные керамические GNSS-антенны по исполнению можно разделить на «чип» и «патч», по способу монтажа — на вывод­ные и SMD.

Рис. 2. Выводные патч-антенны Cirocomm

Патч-антенна представляет собой пластину на слое диэлектрика (рис. 2, 3), питание которой осуществляется штырем, смещенным от центра, или микрополосковой линией (в случае SMD).

Рис. 3. SMD патч-антенны Cirocomm

Типичный и, пожалуй, самый популярный представитель данных антенн — PA025AQ0025. Несмотря на доступность антенн в различных вариантах, именно размер 25×25 мм чаще всего представляется оптимальным решением исходя из габаритов антенны, требуемого «земляного» полигона, характеристик и цены. На графике на рис. 4 изображена зависимость усиления антенны от ее размеров при рекомендуемой площади земляного полигона. Как видим, именно антенна 25×25 мм обладает максимальным усилением при минимальной площади «земляного» полигона.

Рис. 4. Усиление и рекомендуемые размеры «земляного» полигона

Однако у антенн размером 25×25 мм есть и небольшой недостаток, когда речь идет о применении мультисистемных приемников. В общем случае они эффективны в диапазоне 20 MГц для сигнала с круговой правосторонней поляризацией (RHCP), чего, согласитесь, недостаточно при одновременной работе с группировками GPS и ГЛОНАСС, поскольку разница только между их центральными частотами составляет 27 МГц (GPS L1C/A — 1575,42 МГц, ГЛОНАСС L1OF — 1602 МГц). Решить эту проблему можно тремя способами:

• Прийти к компромиссу с антенной типа PA025AQ0025. Как правило, предпочтение отдается GPS-сигналу.
• Использовать антенну большего размера, например 35×35 мм, с полосой пропускания RHCP 40 МГц. Однако в этом случае занимаемое пространство на плате увеличится более чем в 2 раза.
• Использовать антенну с двумя питающими выводами, например PA025PQ0000 (рис. 5), с сохранением размеров «земляного» полигона.

Рис. 5. Cirocomm PA025PQ0000

В данном случае осуществляется прием двух ортогональных составляющих RHCP-сигнала, шириной по 40 МГц, так как ширина полосы пропускания для сигнала с линейной поляризацией в два раза больше. Использовать одну из линейных составляющих приемника мы не можем, поскольку в данном случае потеряем половину мощности сигнала. Поэтому оба сигнала необходимо объединить гибридным ответвителем (Hybrid Coupler) со сдвигом фаз 90°. Таким образом, на вход приемника поступит RHCP-сигнал в диапазоне 40 МГц. В качестве гибридного ответвителя можно использовать готовые, например HC1600P03, или реализовать его на LC-компонентах (рис. 6, 7).

Рис. 6. Yantel HC1600P03

Рис. 7. Схема LC гибридного ответвителя

Также все чаще производители навигационного оборудования обращаются к SMD патч-антеннам. К их основным преимуществам можно отнести более быстрый и экономичный автоматический монтаж и достаточно высокую устойчивость к вибрациям. Пожалуй, единственный недостаток — это более сложная технология производства и, как следствие, более высокая цена.

С приходом на рынок L1/L2 RTK-модулей, таких как u-blox ZED-F9P, cантиметровая точность стала более востребованной в сельско­хозяйственной технике, беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), автономном вождении и других применениях. Сигнал L5-диапазона имеет ряд преимуществ в сравнении с L2, однако количество спутников, поддерживающих его, еще недостаточно для стабильной работы навигационного оборудования. В 2021 году мы сможем лучше оценить все преимущества L5-диапазона и фокус пользователей сместится уже на L1/L5-решения. Сейчас доступны мультичастотные антенны PA050B6D008 (рис. 8) и PA025Z6D004 (рис. 9), действующие во всех трех диапазонах L1/L2/L5 и способные решить как текущие, так и перспективные задачи.

Рис. 8. Cirocomm PA050B6D008

Рис. 9. Cirocomm PA025Z6D004

В носимой электронике применение патч-антенн крайне затруднительно. И речь здесь не только о габаритах и массе антенн, но и о возможности излучать/принимать сигнал в любом направлении при непосредственной близости к человеку. Среди всенаправленных керамических антенн можно выделить PIFA (Planar Inverted F Antenna) антенну DPA1575 (рис. 10) размером 10×4×3 мм. Конечно, существуют и более миниатюрные аналоги, но ключевая особенность DPA1575 в том, что она занимает меньшую площадь на плате, поскольку не требует «земляного» полигона, а лишь небольшой области зачистки под собой (11×6 мм).

Рис. 10. Cirocomm DPA1575A

Помимо керамических антенн, в носимой электронике находят применение PCB- (Printed Circuit Board) и FPC- (Flexible Printed Circuit) антенны. Рассмотрим их на примере решений компании Antenova Ltd, основанной в 1999 году в Кембридже (UK), в продуктовой линейке которой представлены антенны для широкого спектра стандартов и технологий беспроводной связи: GSM, CDMA, 3G, 4G, LTE, GPS, GLONASS, Beidou, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, ISM, NB-IoT и 5G NR.

Самой миниатюрной в линейке навигационных PCB-антенн является SINICA-SR4G008, изготовленная из высококачественного стеклотекстолита (UL ANSI: FR4.1). Ее размеры всего 7×5,8×0,4 мм, и она демонстрирует хорошую эффективность (рис. 11) даже при установке на небольших платах, чей минимальный рекомендованный размер составляет 40×20 мм.

Рис. 11. Зависимость эффективности SINICA-SR4G008 от размера платы прибора

Более новое решение, RAPTOR-SR4G053, принимает RHCP-сигнал в L1/L2/L5-диапазонах (1164–1249/1559–1609 МГц) и позволяет обеспечить точность позиционирования до 10 см. По эффективности не уступает керамической патч-антенне размером 18×18×4 мм, но в 6 раз меньше и в 30 раз легче.

При проектировании печатной платы вблизи антенны необходимо предусмотреть согласующую цепь (рис. 12), которая поможет настроить антенну для повышения ее эффективности в небольшом пространстве, обеспечив резонанс нужных частот в соответствующих диапазонах. Подстройка осуществляется под каждый дизайн индивидуально, и зачастую в этом готов помочь сам производитель.

Рис. 12. Согласующая цепь для RAPTOR-SR4G053

В отличие от приведенных ранее типов, гибкие FPC-антенны легче всего интегрируются в небольшие приборы — ведь им не требуется «земляной» полигон либо область очистки непосредственно на печатной плате, к тому же плоскую часть антенны можно сложить и разместить даже в очень ограниченном пространстве.

На рис. 13 изображена навигационная антенна Bentoni-SRFG017 с кабелем и IPEX-разъемом для более удобного подключения при сборке прибора. Несмотря на то, что антенна не зависит от основной печатной платы, есть несколько основных правил, которыми нужно руководствоваться при ее размещении. Как видно на изображении, антенна излучает в шести основных направлениях. Для ее эффективной работы необходимо, чтобы как минимум три из них были свободны от препятствий радиосигналу. В оставшихся трех препятствия должны находиться на расстоянии не ближе допустимого производителем.

Рис. 13. Bentoni-SRFG017 и рекомендации по установке

В заключение следует отметить, что данный обзор посвящен наиболее популярным типам антенн, но далеко не всем. При проектировании устройства необходимо комплексно подходить к подбору антенны, ориентируясь не только на ВЧ-характеристики, но и на ряд других факторов. Ответив на следующие вопросы, инженер сможет сделать правильный выбор:

• Какая площадь на плате доступна под антенну и согласующую цепь?
• Какое пространство в целом отведено внутри прибора?
• Какие компоненты могут быть препятствием для приема сигнала: металлические экраны, батареи, разъемы и т. п.?
• Как будет ориентирован прибор относительно неба в ходе его эксплуатации?

Выводы

• Наиболее эффективная и простая антенна имеет размеры 25×25 мм.
• Для мультисистемных приемников рекомендуется использование 2-пиновых антенн в паре с гибридным ответвителем.
• Для получения высокой (сантиметровой) точности необходимо использовать мульти­диапазонные приемники и антенны.
• Для носимой электроники более популярны PCB- и керамические чип-антенны.
• При отсутствии места на плате могут быть применены гибкие антенны на кабеле.