PCB 설계에서의 GPS 안테나: 다시 길을 잃지 않을 것입니다

어릴 적 할아버지와 함께 사냥 여행을 갔을 때, 우리는 숲속에서 길을 잃지 않도록 도와주는 상당히 큰 GPS-내비게이터를 가지고 다녔습니다. 그것은 꼭대기에 큰 안테나가 달려 있었고 배터리는 몇 시간을 넘기지 못했습니다. 20년이 훌쩍 지난 지금, PCB 설계에 GPS 기능을 포함시키는 것이 그 어느 때보다 쉬워졌습니다.

많은 새로운 소비자 기기들이 설계에 GPS PCB 안테나 모듈을 포함하고 있습니다. GPS나 RF-설계 경험이 없더라도, 제품에 GPS 기능을 성공적으로 통합하는 데 도움이 될 몇 가지 설계 규칙이 있습니다. 과정의 첫 단계는 GPS 모듈을 선택하는 것이지만, 모듈을 선택하고 설계 단계를 시작하기 전에 고려해야 할 여러 요소가 있습니다. GPS 패치 안테나가 당신에게 맞을까요? GNSS 안테나나 세라믹 패치 안테나는 어떨까요?

능동형 대 수동형 GPS 안테나

GPS PCB 안테나는 능동형과 수동형 두 가지 종류가 있습니다. 능동형 안테나는 모듈 내에 저잡음 증폭기(LNA)가 내장되어 있는 반면, 수동 안테나는 증폭기를 포함하지 않습니다. 능동형 안테나는 자체 보드 위에 위치하며 동축 케이블로 인쇄 회로 기판에 연결됩니다.

일부 수신기는 두 종류의 안테나 중 하나와 함께 사전 포장되어 제공됩니다. 또한 출력을 50 옴 임피던스 방사 패턴에 맞추는 수동 매칭 네트워크를 포함할 수 있습니다. 활성 안테나는 LNA가 출력 신호의 노이즈 수준을 유지하여 더 높은 감도를 결과로 하는 성능상의 이점이 있습니다.

통합 GPS 수신기

PCB 상의 수동 안테나도 LNA를 사용해야 하지만, 수신기에서 LNA로 신호가 이동하면서 신호가 저하될 수 있습니다. LNA는 출력 신호의 노이즈를 줄이도록 설계되었지만, 추가적인 노이즈는 전체 감도를 감소시킵니다. 외부 LNA가 필요한 수신기를 사용하기로 선택한 경우, LNA로 이어지는 신호 트레이스는 가능한 한 외부 EMI나 크로스토크로부터 차폐되거나 격리되어야 합니다.

PCB 설계에서의 GPS 안테나

PCB에 GPS 안테나를 사용하면 혼합 신호 영역으로 들어갑니다. EMI나 크로스토크로 인해 안테나 입력에서 도입된 모든 노이즈는 신호 품질을 저하시키고 심지어 안테나 신호를 완전히 차단할 수 있습니다. 안테나 신호는 다른 구성 요소로부터 적절히 격리되지 않으면 접지면 노이즈에도 민감할 수 있습니다.

보드의 다른 구성 요소들이 제대로 격리되거나 차폐되지 않은 경우, GPS 안테나와 수신기는 이러한 다른 구성 요소들에서 신호를 저하시킬 수 있습니다. 일부 경우에서, 가장 심각한 소음 원인은 내부 안테나를 가진 수신기 자체일 수 있습니다. 수신기와 다른 구성 요소들 사이의 상호 간섭은 적절한 차폐를 포함하는 것이 필요함을 강조합니다.

LNA에서 GPS 신호를 추출하기 위해서는 필터링이 필요합니다. 현재 이는 LNA와 수신기 입력 사이에 표면 음향파(SAW) 필터를 배치함으로써 이루어집니다. SAW 필터는 GPS 애플리케이션에서 발견되는 1GHz 이상의 고주파수를 필터링할 수 있게 합니다. SAW 필터를 사용하지 않고는 신호에서 다른 소음을 찾아내 GPS 주파수를 추출하는 것이 불가능할 것입니다.

차폐, 접지, 그리고 라우팅

GPS 안테나/수신기에서 출력되는 신호는 이미 최대 20 dB까지 노이즈 층 아래에 있을 것입니다. 다른 애플리케이션에서는 받아들일 수 있는 경미한 노이즈 신호들이 쉽게 귀하의 GPS 수신기에서 신호를 차단할 수 있으며, 귀하의 GPS 지원 장치가 제대로 작동하기 위해서는 적절한 라우팅, 차폐, 그리고 접지가 필요합니다.

일반적으로 메인 PCB를 기능 블록으로 나눌 때, 각 블록에 자체 접지면을 제공해야 합니다. 그러면 접지면들을 스타 토폴로지로 메인 접지선으로 되돌려 접지 루프를 방지할 수 있습니다. GPS 수신기를 둘러싼 접지면의 큰 크기 요구 사항은 특히 모바일 장치에서 이를 어렵게 만들 수 있습니다.

PCB에서 차폐는 놀라운 효과를 발휘합니다

수신기, 매칭 네트워크, 그리고 외부 LNA를 차폐 캔으로 적절히 차폐하면 RF 및 디지털 접지면을 연결할 수 있습니다. GPS 수신기와 매칭 네트워크를 자체 RF 접지면으로 분리하고 이를 단일 지점에서 디지털 접지면에 연결하세요. RF 접지면은 클록과 데이터 라인을 접지하는 가장 좋은 장소가 될 것입니다.

수신기로 향하는 안테나 트레이스는 아날로그 신호를 운반하며, 가능한 한 디지털 트레이스 및 구성 요소로부터 멀리 배치해야 합니다. 가능한 경우, 안테나 트레이스를 차폐된 인클로저 내부로 라우팅하세요. 또한 안테나 트레이스를 내부 PCB 레이어에 매립하고 모든 면에 매칭 회로 접지면을 배치할 수 있습니다. 내장 안테나는 차폐 바깥쪽에 배치해야 합니다. 다른 모든 전자 장치와 배터리는 안테나로부터 차폐되어야 합니다.

임피던스 매칭 설계

고주파 설계에 익숙하다면, 감쇠와 임피던스 매칭이 신호 열화에 매우 중요한 요소임을 알고 있을 것입니다. 더 높은 캐리어 주파수를 가진 신호는 더 큰 감쇠를 가지며, 더 긴 트레이스는 전반적인 민감도를 낮춥니다. 가능하다면, 수동 안테나/수신기와 외부 LNA 사이의 트레이스를 짧게 하는 것이 좋습니다. 이는 민감도를 높게 유지하는 데 도움이 됩니다.

RF 신호를 전달하는 안테나 트레이스를 설계할 때는 가능한 한 비아 사용을 피하는 것이 좋습니다. 이는 트레이스의 임피던스를 증가시키기 때문입니다. 각 비아는 유도성 불연속성을 생성하고 GPS RF 주파수에서 트레이스에 약 10 옴의 임피던스를 추가합니다. 지름이 큰 비아는 더 큰 임피던스를 추가합니다. 수신기가 이미 50 옴에 수동적으로 임피던스 매칭되었다면, 트레이스에 나타나는 모든 비아에 대해 보상해야 합니다.

Altium Designer^®와 같은 훌륭한 PCB 레이아웃 소프트웨어는 광범위한 레이아웃 도구를 통해 PCB 설계에 GPS 안테나와 기능을 쉽게 추가할 수 있게 해줍니다. 스마트 설계 규칙 검사, 자동 인터랙티브 라우팅 가능성, 분석 및 시뮬레이션 도구를 통해, 프로토타이핑 및 제조로의 원활한 전환을 위해 필요한 만큼 완벽한 디자인을 완성할 수 있습니다.

Altium Designer에 대해 더 알아보고, 필요한 GPS 안테나를 만드는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 알아보려면, 오늘 Altium Designer 전문가와 상담하세요.