Antennes GPS dans votre conception de PCB : Vous ne vous perdrez plus jamais

Quand j'étais enfant et que je partais à la chasse avec mon grand-père, nous emportions un navigateur GPS plutôt volumineux pour nous aider à ne pas nous perdre dans les bois. Il avait une énorme antenne qui dépassait du sommet et sa batterie ne durait jamais plus de quelques heures. Avance rapide de 20 ans, et inclure des capacités GPS dans la conception de votre PCB est devenu plus facile que jamais.

De nombreux nouveaux appareils grand public incluent des modules d'antenne PCB GPS dans leur conception. Si vous n'avez pas d'expérience en conception GPS ou RF, il existe plusieurs règles de conception qui vous aideront à intégrer avec succès des capacités GPS dans votre produit. La première étape du processus consiste à choisir un module GPS, mais comme pour tout choix, il y a plusieurs facteurs à considérer avant de sélectionner un module et de commencer la phase de conception. Une antenne patch GPS est-elle la bonne solution pour vous ? Que diriez-vous d'une antenne GNSS ou d'une antenne patch en céramique ?

Antennes GPS actives vs. passives

Les antennes PCB GPS se déclinent en deux types : actives et passives. Les antennes actives sont équipées d'un amplificateur à faible bruit (LNA) intégré dans le module, tandis qu'une antenne passive ne comprend pas d'amplificateur. Les antennes actives sont placées sur leur propre carte et se connectent à votre carte de circuit imprimé avec un câble coaxial.

Certains récepteurs sont livrés pré-emballés avec un type d'antenne ou l'autre. Ils peuvent également contenir un réseau d'adaptation passif qui adapte la sortie à un motif de rayonnement d'impédance de 50 Ohms. Une antenne active présente un avantage en termes de performance car l'amplificateur à faible bruit (LNA) maintient le niveau de bruit dans le signal de sortie, résultant en une sensibilité plus élevée.

Récepteur GPS intégré

Les antennes passives sur les PCB devraient également utiliser un LNA, mais le signal peut se dégrader lorsqu'il voyage du récepteur au LNA. Bien que le LNA soit conçu pour réduire le bruit dans le signal de sortie, tout bruit supplémentaire réduit la sensibilité globale. Si vous choisissez d'utiliser un récepteur qui nécessite un LNA externe, la trace du signal menant au LNA doit être blindée ou isolée autant que possible de l'EMI externe ou du diaphonie.

Antennes GPS dans votre conception de PCB

Utiliser une antenne GPS dans votre PCB le fait entrer dans le régime des signaux mixtes. Tout bruit introduit à l'entrée de l'antenne dû à l'EMI ou à la diaphonie peut dégrader la qualité du signal et même bloquer entièrement le signal de l'antenne. Le signal de l'antenne est également susceptible au bruit du plan de masse s'il n'est pas correctement isolé des autres composants.

Si les autres composants de votre carte ne sont pas correctement isolés ou protégés, l'antenne et le récepteur GPS peuvent dégrader le signal dans ces autres composants. Dans certains cas, le principal coupable du bruit est le récepteur lui-même, surtout lorsque le récepteur possède une antenne interne. La diaphonie entre le récepteur et les autres composants souligne la nécessité d'inclure le blindage approprié.

Un filtrage est nécessaire pour extraire le signal GPS du LNA. Actuellement, cela est réalisé en plaçant un filtre à ondes acoustiques de surface (SAW) entre le LNA et l'entrée du récepteur. Les filtres SAW permettent le filtrage des hautes fréquences au-dessus de 1 GHz, telles que celles trouvées dans les applications GPS. Il serait impossible d'extraire la fréquence GPS des autres bruits trouvés dans le signal sans utiliser un filtre SAW.

Blindage, Mise à la terre et Routage

Le signal émis par une antenne/récepteur GPS sera déjà inférieur au plancher de bruit de jusqu'à 20 dB. Des signaux de bruit mineurs, qui seraient acceptables dans d'autres applications, peuvent facilement bloquer le signal de votre récepteur GPS, et un routage, un blindage et une mise à la terre appropriés sont nécessaires pour que votre dispositif compatible GPS fonctionne correctement.

Normalement, lorsque vous divisez votre PCB principal en blocs fonctionnels, vous devriez également attribuer à chaque bloc son propre plan de masse. Vos plans de masse seraient ensuite routés vers le principal conducteur de masse dans une topologie en étoile afin d'éviter les boucles de masse. Les exigences de grande taille d'un plan de masse entourant un récepteur GPS peuvent rendre cela difficile, surtout sur les appareils mobiles.

Le blindage fait des merveilles dans les PCBs

Si vous blindiez correctement votre récepteur, son réseau d'adaptation et tout LNA externe dans une boîte de blindage, vous pouvez connecter vos plans de masse RF et numériques. Isoler le récepteur GPS et le réseau d'adaptation sur son propre plan de masse RF et connectez cela au plan de masse numérique en un seul point. Le plan de masse RF sera le meilleur endroit pour connecter les lignes d'horloge et de données.

Les traces d'antenne menant au récepteur transportent un signal analogique et devraient toujours être placées aussi loin que possible des traces et composants numériques. Si possible, routez vos traces d'antenne à l'intérieur d'un boîtier blindé. Vous pouvez également enterrer vos traces d'antenne sur une couche interne du PCB et placer des plans de masse du circuit d'adaptation de tous les côtés. L'antenne intégrée devrait être placée juste à l'extérieur du blindage. Tous les autres composants électroniques et la batterie devraient être protégés de l'antenne par un blindage.

Conception pour l'adaptation d'impédance

Si vous êtes familier avec la conception haute fréquence, vous savez que l'atténuation et l'adaptation d'impédance sont des facteurs extrêmement importants qui contribuent à la dégradation du signal. Les signaux ayant une fréquence porteuse plus élevée présentent une plus grande atténuation et un tracé plus long résulte en une sensibilité globale plus faible. Si possible, optez pour un tracé plus court entre une antenne/récepteur passif et votre LNA externe. Cela aidera à maintenir une haute sensibilité.

Lorsque vous tracez vos antennes qui véhiculent votre signal RF, il est préférable d'éviter d'utiliser des vias car ceux-ci augmentent l'impédance du tracé. Chaque via crée une discontinuité inductive et ajoute environ 10 Ohms d'impédance à votre tracé aux fréquences RF GPS. Les vias de plus grand diamètre ajouteront une impédance plus importante. Si votre récepteur était déjà adapté passivement à 50 Ohms, vous devrez compenser pour tout via apparaissant dans le tracé.

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