1980 年代後半に米国で全地球測位システム (GPS) の商用運用が成功したことに触発されて、世界の他の多くの国も独自のバージョンの GPS を開発し、発売しました。これらは総称して全地球測位衛星システム (GNSS) として知られています。 GNSS テクノロジーは過去 25 年間にわたって進化し、相互接続された世界において重要な役割を果たしてきました。現在、GNSS には欧州連合の Galileo、ロシアの GLONASS、中国の Beidou、インドの IRNSS/NavIC、日本の QZSS が含まれています。 GPS 衛星システムのみを使用する従来の GPS 受信機と比較して、GNSS 受信機システムは複数の衛星群で動作するためにマルチバンド周波数を使用して、より高い精度と信頼性を実現します。
アンテナは受信機の重要なコンポーネントであり、衛星からの微弱な無線信号を捕捉してユーザーの正確な位置、ナビゲーション、時刻を決定するという重要な役割を果たします。したがって、GNSS 受信機は、宇宙のさまざまな衛星ナビゲーション システムによって送信される、より低い無線周波数 (RF) 帯域とより高い無線周波数 (RF) 帯域に対応する複数の周波数帯域を使用します。 GNSS 受信機がカバーする周波数帯域と周波数は次のように要約されます。
L1、E1、B1 バンドの周波数範囲は 1559 MHz ～ 1610 MHz
L2、E6、B3、L6 帯域の周波数範囲は 1217 MHz ～ 1300 MHz
L5、E5、B2、および L3 バンドの周波数範囲は 1164 MHz ～ 1217 MHz
したがって、GNSS 受信機はブロードバンドまたはマルチバンド アンテナを使用し、さまざまな宇宙衛星ネットワークで使用されるさまざまな周波数範囲を処理できます。マルチバンド周波数により、GNSS 受信システムの測位精度と信頼性が向上し、信号エラーと干渉が軽減され、広範囲で厳しい環境でも GNSS アンテナの優れたパフォーマンスが得られます。
マルチバンドネストパッチアンテナ
オリジナルの GPS 受信機システムでは、貴重なスペースを占める大型でかさばる積層アンテナが使用されていたため、ここ数年、コンパクトでフラットなソリューションのニーズが高まっています。最新の GNSS RF フロントエンド モジュールの要件を高効率かつ低コストで満たすために、Tailas Limited は高度に制約された精度のアプリケーション向けの優れたアンテナ技術を設計および開発しました。同社のインセプションシリーズHP5354。 A は、位置精度、堅牢性、信頼性を向上させるために設計されたマルチバンド、1160 MHz ～ 1610 MHz のパッシブ パッチ アンテナです。革新的なセラミック ネスト パッチ アンテナ技術を使用し、シングルバンド GPS アンテナと同じ全体寸法で 2 つのアンテナを埋め込みます (図 1)。したがって、Beidou (B1/2a)、GPS/QZSS (L1/L5)、GLONASS (G1)、および Galileo (E1/E5a) バンド (IRNSS/NavIC (L5) を含む) に対して最適化された偏波ゲインを提供できます。これにより、可能な限りさまざまなアプリケーションとの互換性も確保されます。
Douglas Channel エントリー シリーズ HP5354 の画像。アンテナ
図 1: インセプション シリーズ HP5354。 A は、GNSS 受信システム用のフラット ネスト パッチ アンテナです。画像出典:Taglas Limited)
HP5354。デュアル バンドのパフォーマンスに最適化されたアンテナは、サイズ 35 mm x 35 mm、高さ 4 mm のコンパクトでフラットな形状のアンテナです。 L1 および L5 帯域の直交無線信号を捕捉するための 3 つのピンを備えた 11 ピン表面実装セラミック パッケージを使用します。これら 3 つのピンのうち 2 つは L1 周波数帯域からの信号の受信に使用され、3 番目のピンは L5 周波数帯域からの信号の受信に使用されます。残りの 8 ピンは接地されています。
出力で最適な軸比と右旋円偏波（RHCP）信号を得るために、L1 帯域の 2 つのフィード信号が推奨ハイブリッド カプラー HC125A を使用して結合されます（図 2）。 HC125A は、フラット (高さ 1.5 mm) 表面実装パッケージを採用しており、挿入損失が低く、出力振幅のバランスが取れており、マルチバンド GNSS アプリケーションに適しています。
推奨ハイブリッドカプラーを使用した L1 周波数帯域の 2 つのフィード信号の結合の概略図
図 2: L1 帯域からの 2 つのフィード信号は、HC125A ハイブリッド カプラーで結合され、RHCP 信号を生成しながら最適な軸比を確保します。画像出典:Taglas Limited)
さらに、二重給電点アンテナは 70 mm x 70 mm の水平線で調整およびテストされており、優れた放射マップを示します。さらに、2 つの帯域の周波数関連の重要なパラメーターを完全に特徴付けます。これらのパラメータには、リターンロス、電圧定在波比 (VSWR)、効率、平均ゲイン、ピークゲイン、軸比、位相中心シフト、位相中心変動、および群遅延が含まれます。
二重給電点アンテナは平坦な形状をしており、従来の積層パッチ設計では重くて高すぎる場合に広く使用できます。推奨されるアプリケーションには、ナビゲーション、産業用追跡、自動運転車やロボット工学に加え、ウェアラブル デバイス、小型資産トラッカー、精密農業などが含まれます。
フロントエンド RF 信号リンクを構築する
マルチバンド GNSS アンテナはユーザー独自の GNSS フロントエンドと組み合わせることができますが、Tal はマルチ給電点パッチ アンテナ用に特別に設計された TFM.100B GNSS フロントエンド モジュールを使用することで、信号リンク設計を大幅に簡素化します。
このモジュールは、すべての周波数帯域で 25 dB 以上のゲインと 3 dB 未満の雑音指数 (NF) を備えた 2 レベルの低雑音アンプ (LNA) で構成されています。表面弾性波 (SAW) フィルターを使用して LNA と組み合わせて SAW/LNA/SWAW/LNA トポロジを形成し、低周波数帯域と高周波数帯域の信号パスを同時に処理して不要な帯域外 (OOB) 干渉を抑制し、GNSS 低ノイズ アンプまたは受信機の過負荷を防ぎます。 TFM.100B 内の慎重に選択および配置された SAW フィルターは、3 dB の低い雑音指数を維持しながら、優れた OOB 除去を実現します。この統合が容易な表面実装デバイスは、サイズが 20 x 18 mm で、1.8 ～ 5.5 VDC の単一電源を使用します。広い入力電圧範囲により、フロントエンド モジュールをほとんどの GNSS 受信機に簡単に統合できます。
ユーザーが完全な GNSS 受信機フロントエンド モジュールの統合をさらに理解できるようにするために、Taglas エンジニアはフロントエンド信号パスのリファレンス設計として評価ボード AHPD5354A (図 3) を準備しました。この評価ボードには、TFM.100B プリアンプ、フラット高性能 HC125A 3 dB ハイブリッド カプラー、および HP5354 が統合されています。単一の PCB 上のマルチバンド パッチ アンテナ。