Antenas GPS en el diseño de tu PCB: No te volverás a perder

Yendo de cacería con mi abuelo cuando era niño, llevábamos un navegador GPS bastante grande para ayudarnos a no perdernos en el bosque. Tenía una enorme antena saliendo de la parte superior y su batería nunca duraba más de unas pocas horas. Avanzando rápido 20 años, incluir capacidades GPS en el diseño de tu PCB se ha vuelto más fácil que nunca.

Muchos dispositivos de consumo nuevos incluyen módulos de antena PCB GPS en su diseño. Si no tienes experiencia en diseño GPS o RF, hay varias reglas de diseño que te ayudarán a integrar exitosamente capacidades GPS en tu producto. El primer paso en el proceso es elegir un módulo GPS, pero como con cualquier elección, hay varios factores a considerar antes de seleccionar un módulo y comenzar la fase de diseño. ¿Es una antena parche GPS adecuada para ti? ¿Qué tal una antena GNSS o una antena parche cerámica?

Antenas GPS Activas vs. Pasivas

Las antenas PCB GPS vienen en dos sabores: activas y pasivas. Las antenas activas vienen con un amplificador de bajo ruido (LNA) incorporado en el módulo, mientras que una antena pasiva no incluye un amplificador. Las antenas activas se sitúan en su propia placa y se conectan a tu placa de circuito impreso con un cable coaxial.

Algunos receptores vienen preempaquetados con algún tipo de antena. También pueden contener una red de adaptación pasiva que hace coincidir la salida con un patrón de radiación de impedancia de 50 Ohms. Una antena activa tiene la ventaja de rendimiento de que el LNA mantiene el nivel de ruido en la señal de salida, resultando en una mayor sensibilidad.

Receptor GPS integrado

Las antenas pasivas en PCBs también deberían usar un LNA, pero la señal puede degradarse a medida que viaja desde el receptor al LNA. Aunque el LNA está diseñado para reducir el ruido en la señal de salida, cualquier ruido adicional reduce la sensibilidad general. Si eliges usar un receptor que requiere un LNA externo, el trazo de señal que corre hacia el LNA debería estar blindado o aislado de EMI externo o diafonía tanto como sea posible.

Antenas GPS en tu Diseño de PCB

Usar una antena GPS en tu PCB la introduce en el régimen de señal mixta. Cualquier ruido que se introduzca en la entrada de la antena debido a EMI o diafonía puede degradar la calidad de la señal e incluso bloquear la señal de la antena por completo. La señal de la antena también es susceptible al ruido del plano de tierra si no está adecuadamente aislada de otros componentes.

Si los otros componentes de tu placa no están adecuadamente aislados o protegidos, la antena y el receptor GPS pueden degradar la señal en estos otros componentes. En algunos casos, el peor culpable del ruido es el propio receptor, especialmente cuando el receptor tiene una antena interna. La diafonía entre el receptor y otros componentes subraya la necesidad de incluir el blindaje adecuado.

Se requiere filtrado para extraer la señal GPS del LNA. Actualmente, esto se logra colocando un filtro de onda acústica superficial (SAW) entre el LNA y la entrada del receptor. Los filtros SAW permiten el filtrado de altas frecuencias por encima de 1 GHz, como las que se encuentran en las aplicaciones GPS. Sería imposible extraer la frecuencia GPS del otro ruido encontrado en la señal sin usar un filtro SAW.

Blindaje, Conexión a Tierra y Enrutamiento

La señal que se emite desde una antena/receptor GPS ya estará por debajo del piso de ruido hasta en 20 dB. Señales de ruido menores que serían aceptables en otras aplicaciones pueden fácilmente bloquear la señal de tu receptor GPS, y se requiere un enrutamiento, blindaje y conexión a tierra adecuados para que tu dispositivo habilitado para GPS funcione correctamente.

Normalmente, cuando divides tu PCB principal en bloques funcionales, también deberías dar a cada bloque su propio plano de tierra. Luego, tus planos de tierra deberían ser encaminados de vuelta al conductor principal de tierra en una topología estrella para evitar bucles de tierra. Los grandes requisitos de tamaño de un plano de tierra alrededor de un receptor GPS pueden dificultar esto, especialmente en dispositivos móviles.

El blindaje hace maravillas en las PCBs

Si blindas adecuadamente tu receptor, su red de adaptación y cualquier LNA externo en una lata de blindaje, puedes conectar tus planos de tierra RF y digitales. Aísla el receptor GPS y la red de adaptación a su propio plano de tierra RF y conéctalo al plano de tierra digital en un único punto. El plano de tierra RF será el mejor lugar para conectar a tierra las líneas de reloj y de datos.

Las trazas de antena que van hacia el receptor llevan una señal analógica y siempre deben colocarse lo más lejos posible de las trazas y componentes digitales. Donde sea posible, encamina tus trazas de antena dentro de un recinto blindado. También puedes enterrar tus trazas de antena en una capa interna de la PCB y colocar planos de tierra del circuito de adaptación en todos los lados. La antena embebida debe colocarse justo fuera del blindaje. Todos los demás electrónicos y la batería deben estar blindados de la antena.

Diseño para la Adaptación de Impedancia

Si estás familiarizado con el diseño de alta frecuencia, sabrás que la atenuación y la adaptación de impedancia son factores extremadamente importantes que contribuyen a la degradación de la señal. Las señales con una frecuencia portadora más alta tienen mayor atenuación y un trazo más largo resulta en una sensibilidad general más baja. Si es posible, opta por un trazo más corto entre una antena/receptor pasivo y tu LNA externo. Esto ayudará a mantener alta la sensibilidad.

Cuando traces tus antenas que llevan tu señal RF, es mejor evitar el uso de vías ya que estas aumentan la impedancia del trazo. Cada vía crea una discontinuidad inductiva y añade alrededor de 10 Ohms de impedancia a tu trazo en frecuencias RF de GPS. Las vías con un diámetro mayor añadirán una impedancia mayor. Si tu receptor ya estaba pasivamente adaptado a 50 Ohms, necesitarás compensar cualquier vía que aparezca en el trazo.

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