PCB設計におけるGPSアンテナ：もう迷うことはありません

子供の頃、祖父と一緒に狩猟旅行に行くとき、私たちは森の中で迷わないようにかなり大きなGPSナビゲーターを持って行きました。それは上部に巨大なアンテナが突き出ており、そのバッテリーは数時間以上持つことはありませんでした。20年を経て、PCB設計にGPS機能を含めることがこれまで以上に簡単になりました。

多くの新しい消費者向けデバイスには、GPS PCBアンテナモジュールが設計に含まれています。GPSやRF設計の経験がない場合でも、製品にGPS機能を成功裏に統合するためのいくつかの設計ルールがあります。プロセスの最初のステップはGPSモジュールを選択することですが、モジュールを選択して設計フェーズを開始する前に考慮すべきいくつかの要因があります。GPSパッチアンテナがあなたに適していますか？GNSSアンテナやセラミックパッチアンテナはどうでしょうか？

アクティブ対パッシブGPSアンテナ

GPS PCBアンテナには、アクティブとパッシブの2種類があります。アクティブアンテナには、モジュールに低ノイズアンプ（LNA）が組み込まれていますが、パッシブアンテナにはアンプが含まれていません。アクティブアンテナは独自のボードに乗り、同軸ケーブルでプリント基板に接続します。

一部の受信機には、どちらかのタイプのアンテナがあらかじめ同梱されています。また、出力を50オームのインピーダンス放射パターンに合わせる受動マッチングネットワークを含むこともあります。アクティブアンテナは、LNAが出力信号のノイズレベルを維持することで、より高い感度を実現するというパフォーマンスの利点があります。

統合GPS受信機

PCB上の受動アンテナもLNAを使用すべきですが、受信機からLNAへの信号が移動する際に劣化することがあります。LNAは出力信号のノイズを減らすように設計されていますが、追加のノイズは全体の感度を低下させます。外部LNAが必要な受信機を使用する場合、LNAへの信号トレースは、可能な限り外部EMIやクロストークから遮蔽または隔離されるべきです。

PCB設計におけるGPSアンテナ

PCBにGPSアンテナを使用すると、混合信号の領域に入ります。EMIやクロストークによってアンテナ入力で導入されたノイズは、信号品質を劣化させ、アンテナ信号を完全にブロックする可能性さえあります。アンテナ信号は、他のコンポーネントから適切に隔離されていない場合、グラウンドプレーンノイズの影響も受けやすいです。

他のコンポーネントが適切に隔離またはシールドされていない場合、GPSアンテナとレシーバーはこれら他のコンポーネントの信号を劣化させる可能性があります。場合によっては、最悪のノイズの原因はレシーバー自体、特にレシーバーが内蔵アンテナを持っている場合です。レシーバーと他のコンポーネント間のクロストークは、適切なシールドを含める必要性を強調します。

LNAからGPS信号を抽出するためにはフィルタリングが必要です。これは現在、LNAとレシーバー入力の間に表面弾性波（SAW）フィルターを配置することによって行われています。SAWフィルターは、GPSアプリケーションで見られるような1GHz以上の高周波数をフィルタリングすることを可能にします。SAWフィルターを使用せずに、他のノイズからGPS周波数を抽出することは不可能です。

シールド、グラウンディング、およびルーティング

GPSアンテナ/レシーバーから出力される信号は、既にノイズフロアよりも最大20dB低くなっています。他のアプリケーションでは許容されるかもしれない微細なノイズ信号が、あなたのGPSレシーバーからの信号を簡単にブロックする可能性があり、あなたのGPS対応デバイスが適切に機能するためには、適切なルーティング、シールド、およびグラウンディングが必要です。

通常、メインのPCBを機能ブロックに分割する場合、各ブロックに独自のグラウンドプレーンを設けるべきです。それから、グラウンドループを防ぐために、グラウンドプレーンをスタートポロジーでメインのグラウンドリードに戻すようにルーティングします。GPSレシーバーを囲むグラウンドプレーンの大きなサイズ要件は、特にモバイルデバイス上でこれを難しくすることがあります。

PCBでのシールドは素晴らしい効果を発揮します

レシーバー、そのマッチングネットワーク、および外部LNAをシールド缶で適切にシールドすると、RFおよびデジタルグラウンドプレーンを接続できます。GPSレシーバーとマッチングネットワークを独自のRFグラウンドプレーンに分離し、これを単一点でデジタルグラウンドプレーンに接続します。RFグラウンドプレーンは、クロックおよびデータラインを接地する最適な場所になります。

レシーバーに向かって走るアンテナトレースはアナログ信号を運び、可能な限りデジタルトレースおよびコンポーネントから遠ざけて配置するべきです。可能であれば、アンテナトレースをシールドされたエンクロージャ内にルーティングします。また、アンテナトレースを内部PCB層に埋め込み、すべての側面にマッチング回路のグラウンドプレーンを配置することもできます。埋め込みアンテナはシールドのすぐ外側に配置するべきです。その他の電子機器およびバッテリーはアンテナからシールドされるべきです。

インピーダンスマッチングのための設計

高周波設計に精通している場合、減衰とインピーダンスマッチングが信号劣化に大きく寄与する非常に重要な要因であることをご存知でしょう。キャリア周波数が高い信号は、より大きな減衰を持ち、トレースが長いほど全体の感度が低下します。可能であれば、受動アンテナ/受信機と外部LNAの間のトレースを短くすることを選択してください。これにより、感度を高く保つことができます。

RF信号を運ぶアンテナトレースを実行する場合、これらはトレースのインピーダンスを増加させるため、ビアの使用を避けることが最善です。各ビアは誘導性の不連続性を作り出し、GPS RF周波数でトレースに約10オームのインピーダンスを追加します。直径が大きいビアは、より大きなインピーダンスを追加します。受信機が既に50オームに受動的にインピーダンスマッチされていた場合、トレースに現れるビアを補償する必要があります。

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