1980 年代後半、全地球測位システム (GPS) が米国で商用運用に成功しました。これに触発されて、世界の他の多くの国も、総称して全地球航法衛星システム (GNSS) として知られる独自のバージョンの GPS を開発し、発売しました。過去 25 年間、GNSS テクノロジーは継続的に開発され、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、および日本の 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周波数帯域を使用して複数の衛星群と連携し、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、衛星から発せられる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低周波 (RF) 帯域と高周波 (RF) 帯域に対応する複数の周波数帯域を使用する必要があります。 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、および B1 周波数帯域の周波数範囲は 1559 MHz ～ 1610 MHz です。
L2、E6、B3、および L6 周波数帯域の周波数範囲は 1217 MHz ～ 1300 MHz です。
L5、E5、B2、および L3 周波数帯域の周波数範囲は 1164 MHz ～ 1217 MHz です。
したがって、GNSS 受信機は、さまざまな宇宙衛星ネットワークで使用される複数の周波数範囲を処理できるブロードバンド アンテナまたはマルチバンド アンテナを使用します。マルチバンド周波数を使用すると、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、GNSS アンテナが広範囲で過酷な環境で優れたパフォーマンスを提供できるようになります。
マルチバンドのネストされたパッチ アンテナ
初期の GPS 受信機システムでは大きくてかさばる積層アンテナが使用されており、貴重なスペースを占めていたため、近年はコンパクトでフラットなソリューションに対する需要が高まっています。最新の GNSS RF フロントエンド モジュールの要件を効率的かつコスト効率よく満たすために、Taoglas Limited は、高度に制限された精密な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、1160 MHz ～ 1610 MHz の範囲の複数の周波数帯域を持つパッシブ パッチ アンテナで、測位精度、堅牢性、信頼性を向上させるように設計されています。革新的なセラミック ネスト パッチ アンテナ技術を採用し、単一周波数 GPS アンテナと同じ外形寸法内に 2 つのアンテナを埋め込みます (図 1)。したがって、Beidou (B1/B2a)、GPS/QZSS (L1/L5)、GLONASS (G1)、および Galileo (E1/E5a) 周波数帯域 (IRNSS/NavIC (L5) を含む) に対して最適化された偏波ゲインを確保できます。これにより、あらゆる場所の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。
HP5354の画像。タオグラス株式会社のエントリーシリーズのアンテナ
図 1: インセプション シリーズ HP5354。 A は、GNSS 受信機システムに使用されるフラット ネスト パッチ アンテナです。 (画像出典: Taoglas Limited)
HP5354。 A はデュアル バンド パフォーマンス用に最適化されており、寸法 35 mm x 35 mm、高さ 4 mm のコンパクトでフラットなアンテナです。 11 ピン表面実装セラミック パッケージが特徴で、L1 および L5 周波数帯域の直交無線信号をキャプチャするために 3 つのピンが使用されます。これら 3 つのピンのうち 2 つは L1 周波数帯域の信号の受信に使用され、3 番目のピンは L5 周波数帯域の信号の受信に使用されます。残りの 8 ピンは接地されます。
出力端で最適な軸比と右旋円偏波 (RHCP) 信号を得るために、L1 周波数帯域の 2 つの入力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 カプラーを使用して L1 周波数帯域の 2 つの入力信号を結合する概略図
図 2: L1 周波数帯域からの 2 つの入力信号が HC125A ハイブリッド カプラーで結合され、RHCP 信号の生成中に最適な軸比が確保されます。 (画像出典: Taoglas Limited)
さらに、二重給電ポイント アンテナは 70 mm x 70 mm のグランド プレーン上で調整およびテストされており、優れた放射パターンを示しています。さらに、2 つの周波数帯域の周波数に関連する主要なパラメーターを包括的に特徴付けます。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、位相中心オフセット、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、従来のスタック型パッチ設計ではかさばり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、自動運転車および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 信号チェーンの構築
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、Taoglas はマルチ給電点パッチ アンテナ専用に設計された TFM.100A GNSS フロントエンド モジュールを使用することで、信号チェーンの設計を大幅に簡素化します。
このモジュールには、すべての周波数帯域で 25 デシベル (dB) を超えるゲインと 3 dB 未満の雑音指数 (NF) を備えた 2 段の低ノイズ アンプ (LNA) が含まれています。 LNA と組み合わせた表面弾性波 (SAW) フィルターを使用して、SAW/LNA/SAW/LNA トポロジを形成しながら、低周波および高周波の信号パスを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.100A の SAW フィルターは、3 dB という低い雑音指数を維持しながら、優れた OOB 抑制を実行するように慎重に選択および配置されています。この簡単に統合できる表面実装デバイスの寸法は 20 × 18 mm で、1.8 ～ 5.5 VDC の範囲の単一電源で動作します。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。