Antenne GPS nel tuo design PCB: Non ti perderai più

Quando andavo a caccia con mio nonno da bambino, portavamo con noi un navigatore GPS piuttosto grande per evitare di perderci nei boschi. Aveva un'antenna enorme che spuntava dalla parte superiore e la sua batteria non durava più di qualche ora. Fai un salto in avanti di 20 anni e includere le capacità GPS nel tuo design PCB è diventato più facile che mai.

Molti nuovi dispositivi di consumo includono moduli antenna GPS PCB nel loro design. Se non hai esperienza con GPS o progettazione RF, ci sono diverse regole di design che ti aiuteranno ad integrare con successo le capacità GPS nel tuo prodotto. Il primo passo del processo è la scelta di un modulo GPS, ma come per ogni scelta, ci sono diversi fattori da considerare prima di selezionare un modulo e iniziare la fase di design. Un'antenna patch GPS è giusta per te? Che dire di un'antenna GNSS o di un'antenna patch ceramica?

Antenne GPS Attive vs. Passive

Le antenne PCB GPS si dividono in due categorie: attive e passive. Le antenne attive sono dotate di un amplificatore a basso rumore (LNA) integrato nel modulo, mentre un'antenna passiva non include un amplificatore. Le antenne attive si trovano su una propria scheda e si collegano al tuo circuito stampato con un cavo coassiale.

Alcuni ricevitori sono forniti preconfezionati con uno dei due tipi di antenna. Possono anche contenere una rete di adattamento passiva che adatta l'uscita a un modello di radiazione con impedenza di 50 Ohm. Un'antenna attiva ha il vantaggio in termini di prestazioni in quanto l'LNA mantiene il livello di rumore nel segnale di uscita risultando in una maggiore sensibilità.

Ricevitore GPS integrato

Le antenne passive sui PCB dovrebbero utilizzare anche un LNA, ma il segnale può degradarsi mentre viaggia dal ricevitore all'LNA. Sebbene l'LNA sia progettato per ridurre il rumore nel segnale di uscita, qualsiasi rumore aggiuntivo riduce la sensibilità complessiva. Se si sceglie di utilizzare un ricevitore che richiede un LNA esterno, la traccia del segnale che corre verso l'LNA dovrebbe essere schermata o isolata il più possibile da EMI esterni o diafonia.

Antenne GPS nel tuo design PCB

Utilizzare un'antenna GPS nel tuo PCB lo porta nel regime di segnale misto. Qualsiasi rumore introdotto all'ingresso dell'antenna a causa di EMI o diafonia può degradare la qualità del segnale e persino bloccare completamente il segnale dell'antenna. Il segnale dell'antenna è anche suscettibile al rumore del piano di massa se non isolato correttamente dagli altri componenti.

Se gli altri componenti sulla tua scheda non sono adeguatamente isolati o schermati, l'antenna e il ricevitore GPS possono degradare il segnale in questi altri componenti. In alcuni casi, il principale colpevole del rumore è lo stesso ricevitore, specialmente quando il ricevitore ha un'antenna interna. Il diafonia tra il ricevitore e altri componenti sottolinea la necessità di includere la giusta schermatura.

È necessario filtrare per estrarre il segnale GPS dall'LNA. Attualmente, ciò viene fatto posizionando un filtro a onda acustica superficiale (SAW) tra l'LNA e l'ingresso del ricevitore. I filtri SAW consentono il filtraggio di alte frequenze sopra 1 GHz, come quelle trovate nelle applicazioni GPS. Sarebbe impossibile estrarre la frequenza GPS dagli altri rumori trovati nel segnale senza utilizzare un filtro SAW.

Schermatura, Messa a Terra e Routing

Il segnale che viene emesso da un'antenna/ricevitore GPS sarà già sotto il piano di rumore di fino a 20 dB. Segnali di rumore minori, che sarebbero accettabili in altre applicazioni, possono facilmente bloccare il segnale dal tuo ricevitore GPS, e un adeguato routing, schermatura e messa a terra sono necessari affinché il tuo dispositivo abilitato GPS funzioni correttamente.

Normalmente, quando si suddivide il proprio PCB principale in blocchi funzionali, si dovrebbe anche assegnare a ciascun blocco il proprio piano di massa. I piani di massa dovrebbero poi essere collegati al principale conduttore di massa in una topologia a stella per evitare loop di massa. I requisiti di grande dimensione di un piano di massa che circonda un ricevitore GPS possono rendere ciò difficile, specialmente sui dispositivi mobili.

La schermatura fa miracoli nei PCB

Se si scherma adeguatamente il proprio ricevitore, la sua rete di adattamento e qualsiasi LNA esterno in una scatola di schermatura, si possono collegare i piani di massa RF e digitale. Isolare il ricevitore GPS e la rete di adattamento al proprio piano di massa RF e collegare questo al piano di massa digitale in un unico punto. Il piano di massa RF sarà il posto migliore per collegare a massa le linee di orologio e di dati.

Le tracce dell'antenna che vanno al ricevitore trasportano un segnale analogico e dovrebbero sempre essere posizionate il più lontano possibile da tracce e componenti digitali. Dove possibile, instradare le tracce dell'antenna all'interno di un involucro schermato. Si possono anche seppellire le tracce dell'antenna in uno strato interno del PCB e posizionare piani di massa del circuito di adattamento su tutti i lati. L'antenna incorporata dovrebbe essere posizionata appena fuori dalla schermatura. Tutti gli altri componenti elettronici e la batteria dovrebbero essere schermati dall'antenna.

Progettare per l'Adattamento di Impedenza

Se sei familiare con il design ad alta frequenza, saprai che l'attenuazione e l'adattamento dell'impedenza sono fattori estremamente importanti che contribuiscono al degrado del segnale. I segnali con frequenza portante più alta hanno una maggiore attenuazione e tracce più lunghe risultano in una sensibilità complessiva inferiore. Se possibile, opta per una traccia più corta tra un'antenna/ricevitore passivo e il tuo LNA esterno. Questo aiuterà a mantenere alta la sensibilità.

Quando tracci le tue antenne che trasportano il tuo segnale RF, è meglio evitare di usare le vie poiché queste aumentano l'impedenza della traccia. Ogni via crea una discontinuità induttiva e aggiunge circa 10 Ohm di impedenza alla tua traccia alle frequenze RF del GPS. Vie con diametro maggiore aggiungeranno un'impedenza maggiore. Se il tuo ricevitore era già passivamente adattato a 50 Ohm, dovrai compensare per qualsiasi via che appaia nella traccia.

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