GPS-Antennen in Ihrem PCB-Design: Sie werden sich nie wieder verirren

Als ich als Kind mit meinem Großvater auf Jagdausflüge ging, trugen wir einen ziemlich großen GPS-Navigator bei uns, um nicht im Wald verloren zu gehen. Er hatte eine riesige Antenne, die oben herausragte, und seine Batterie hielt nie länger als ein paar Stunden. Springen wir 20 Jahre nach vorne, und das Einbeziehen von GPS-Fähigkeiten in Ihr PCB-Design ist einfacher denn je geworden.

Viele neue Verbrauchergeräte beinhalten GPS-PCB-Antennenmodule in ihrem Design. Wenn Sie keine Erfahrung mit GPS- oder RF-Design haben, gibt es mehrere Designregeln, die Ihnen helfen werden, GPS-Fähigkeiten erfolgreich in Ihr Produkt zu integrieren. Der erste Schritt im Prozess ist die Auswahl eines GPS-Moduls, aber wie bei jeder Wahl gibt es mehrere Faktoren zu berücksichtigen, bevor man ein Modul auswählt und mit der Designphase beginnt. Ist eine GPS-Patch-Antenne das Richtige für Sie? Wie wäre es mit einer GNSS-Antenne oder einer keramischen Patch-Antenne?

Aktive vs. Passive GPS-Antennen

GPS-PCB-Antennen gibt es in zwei Varianten: aktiv und passiv. Aktive Antennen verfügen über einen integrierten Rauscharmen Verstärker (LNA), während eine passive Antenne keinen Verstärker enthält. Aktive Antennen befinden sich auf ihrer eigenen Platine und verbinden sich mit Ihrer gedruckten Schaltplatte über ein Koaxialkabel.

Einige Empfänger werden bereits mit einem der beiden Antennentypen ausgeliefert. Sie können auch ein passives Anpassungsnetzwerk enthalten, das die Ausgabe an eine 50-Ohm-Impedanz-Strahlungscharakteristik anpasst. Eine aktive Antenne hat den Vorteil, dass der LNA das Rauschniveau im Ausgangssignal beibehält, was zu einer höheren Empfindlichkeit führt.

Integrierter GPS-Empfänger

Passive Antennen auf PCBs sollten ebenfalls einen LNA verwenden, aber das Signal kann sich verschlechtern, wenn es vom Empfänger zum LNA übertragen wird. Obwohl der LNA darauf ausgelegt ist, das Rauschen im Ausgangssignal zu reduzieren, verringert jedes zusätzliche Rauschen die Gesamtempfindlichkeit. Wenn Sie sich für einen Empfänger entscheiden, der einen externen LNA benötigt, sollte die Signalleitung zum LNA so gut wie möglich vor externem EMI oder Nebensprechen abgeschirmt oder isoliert werden.

GPS-Antennen in Ihrem PCB-Design

Die Verwendung einer GPS-Antenne in Ihrem PCB bringt es in den gemischten Signal-Bereich. Jedes Rauschen, das aufgrund von EMI oder Nebensprechen am Antenneneingang eingeführt wird, kann die Signalqualität verschlechtern und sogar das Antennensignal vollständig blockieren. Das Antennensignal ist auch anfällig für Störungen durch die Massefläche, wenn es nicht ordnungsgemäß von anderen Komponenten isoliert ist.

Wenn die anderen Komponenten auf Ihrer Platine nicht ordnungsgemäß isoliert oder abgeschirmt sind, können die GPS-Antenne und der Empfänger das Signal in diesen anderen Komponenten verschlechtern. In einigen Fällen ist der schlimmste Lärmverursacher der Empfänger selbst, insbesondere wenn der Empfänger eine interne Antenne hat. Die Übersprechungen zwischen dem Empfänger und anderen Komponenten unterstreichen die Notwendigkeit, die richtige Abschirmung einzubeziehen.

Um das GPS-Signal aus dem LNA zu extrahieren, ist eine Filterung erforderlich. Dies wird derzeit durch Platzieren eines Oberflächenwellenfilters (SAW-Filter) zwischen dem LNA und dem Empfängereingang erreicht. SAW-Filter ermöglichen die Filterung von hohen Frequenzen über 1 GHz, wie sie in GPS-Anwendungen vorkommen. Ohne die Verwendung eines SAW-Filters wäre es unmöglich, die GPS-Frequenz von dem anderen im Signal gefundenen Rauschen zu extrahieren.

Abschirmung, Erdung und Routing

Das Signal, das von einer GPS-Antenne/Empfänger ausgegeben wird, liegt bereits um bis zu 20 dB unterhalb der Rauschgrenze. Geringfügige Rauschsignale, die in anderen Anwendungen akzeptabel wären, können das Signal von Ihrem GPS-Empfänger leicht blockieren, und ein ordnungsgemäßes Routing, Abschirmung und Erdung sind erforderlich, damit Ihr GPS-fähiges Gerät ordnungsgemäß funktioniert.

Normalerweise, wenn Sie Ihre Haupt-PCB in funktionale Blöcke aufteilen, sollten Sie auch jedem Block seine eigene Massefläche zuweisen. Ihre Masseflächen würden dann in einer Stern-Topologie zurück zum Hauptmassenanschluss geführt, um Masseschleifen zu verhindern. Die großen Größenanforderungen einer Massefläche, die einen GPS-Empfänger umgibt, können dies besonders bei mobilen Geräten schwierig machen.

Abschirmung wirkt Wunder bei PCBs

Wenn Sie Ihren Empfänger, dessen Abgleichnetzwerk und etwaige externe LNA in einem Abschirmgehäuse richtig abschirmen, können Sie Ihre HF- und digitale Masseflächen verbinden. Isolieren Sie den GPS-Empfänger und das Abgleichnetzwerk auf seiner eigenen HF-Massefläche und verbinden Sie diese an einem einzigen Punkt mit der digitalen Massefläche. Die HF-Massefläche wird der beste Ort sein, um die Uhr- und Datenleitungen zu erden.

Antennenspuren, die zum Empfänger führen, tragen ein analoges Signal und sollten immer so weit wie möglich von digitalen Spuren und Komponenten entfernt platziert werden. Wo möglich, verlegen Sie Ihre Antennenspuren innerhalb eines abgeschirmten Gehäuses. Sie können auch Ihre Antennenspuren auf einer internen PCB-Schicht vergraben und Abgleichschaltungs-Masseflächen an allen Seiten platzieren. Die eingebettete Antenne sollte gerade außerhalb der Abschirmung platziert werden. Alle anderen Elektronikkomponenten und der Akku sollten von der Antenne abgeschirmt werden.

Design für Impedanzanpassung

Wenn Sie mit hochfrequenz Design vertraut sind, wissen Sie, dass Dämpfung und Impedanzanpassung äußerst wichtige Faktoren sind, die zur Signaldegradation beitragen. Signale mit höherer Trägerfrequenz haben eine größere Dämpfung und längere Leiterbahnen resultieren in einer niedrigeren Gesamtempfindlichkeit. Wenn möglich, wählen Sie eine kürzere Leiterbahn zwischen einer passiven Antenne/Empfänger und Ihrem externen LNA. Dies wird helfen, die Empfindlichkeit hoch zu halten.

Wenn Sie Ihre Antennenleiterbahnen, die Ihr RF-Signal tragen, verlegen, ist es am besten, Vias zu vermeiden, da diese die Impedanz der Leiterbahn erhöhen. Jedes Via erzeugt eine induktive Diskontinuität und fügt Ihrer Leiterbahn bei GPS-RF-Frequenzen etwa 10 Ohm Impedanz hinzu. Vias mit größerem Durchmesser werden eine größere Impedanz hinzufügen. Wenn Ihr Empfänger bereits passiv auf 50 Ohm Impedanz abgestimmt war, müssen Sie für alle Vias, die in der Leiterbahn auftreten, eine Kompensation vornehmen.

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