Anteny GPS w projektowaniu PCB: Już nigdy się nie zgubisz

Chodząc na polowania z dziadkiem w dzieciństwie, nosiliśmy ze sobą dość dużego GPS-a, aby nie zgubić się w lesie. Miał wielką antenę wystającą z góry i jego bateria nigdy nie trzymała dłużej niż kilka godzin. Przeskoczmy 20 lat do przodu, a włączenie możliwości GPS do projektu PCB stało się łatwiejsze niż kiedykolwiek.

Wiele nowych urządzeń konsumenckich zawiera moduły anten GPS PCB w swoim projekcie. Jeśli nie masz doświadczenia w projektowaniu GPS lub RF, istnieje kilka zasad projektowania, które pomogą Ci z sukcesem zintegrować możliwości GPS z Twoim produktem. Pierwszym krokiem w procesie jest wybór modułu GPS, ale jak to bywa z każdym wyborem, istnieje kilka czynników do rozważenia przed wybraniem modułu i rozpoczęciem fazy projektowania. Czy antena GPS typu patch jest dla Ciebie odpowiednia? A może antena GNSS lub ceramiczna antena patch?

Aktywne vs. Pasywne Anteny GPS

Anteny PCB GPS występują w dwóch odmianach: aktywne i pasywne. Anteny aktywne są wyposażone w wbudowany wzmacniacz niskoszumowy (LNA), podczas gdy antena pasywna nie zawiera wzmacniacza. Anteny aktywne znajdują się na własnej płytce i łączą się z Twoją płytką drukowaną za pomocą kabla koncentrycznego.

Niektóre odbiorniki są dostarczane w zestawie z jednym z typów anten. Mogą również zawierać pasywną sieć dopasowującą, która dopasowuje wyjście do impedancji promieniowania 50 omów. Aktywna antena ma przewagę wydajności, ponieważ LNA utrzymuje poziom szumów na wyjściu sygnału, co skutkuje wyższą czułością.

Zintegrowany odbiornik GPS

Pasywne anteny na PCB powinny również używać LNA, ale sygnał może ulegać degradacji podczas podróży od odbiornika do LNA. Chociaż LNA jest zaprojektowany do redukcji szumów w sygnale wyjściowym, każdy dodatkowy szum zmniejsza ogólną czułość. Jeśli zdecydujesz się na użycie odbiornika wymagającego zewnętrznego LNA, ścieżka sygnału prowadząca do LNA powinna być ekranowana lub izolowana od zewnętrznego EMI lub przesłuchu jak najbardziej.

Anteny GPS w Twoim projekcie PCB

Użycie anteny GPS w twoim PCB wprowadza je do reżimu mieszanych sygnałów. Każdy szum wprowadzony na wejściu anteny z powodu EMI lub przesłuchu może degradować jakość sygnału, a nawet całkowicie zablokować sygnał anteny. Sygnał anteny jest również podatny na szumy płaszczyzny masy, jeśli nie jest odpowiednio izolowany od innych komponentów.

Jeśli inne komponenty na Twojej płytce nie są odpowiednio izolowane lub ekranowane, antena i odbiornik GPS mogą pogarszać sygnał w tych innych komponentach. W niektórych przypadkach najgorszym źródłem zakłóceń jest sam odbiornik, szczególnie gdy odbiornik ma wbudowaną antenę. Przenikanie sygnałów między odbiornikiem a innymi komponentami podkreśla potrzebę zastosowania odpowiedniego ekranowania.

Filtrowanie jest wymagane, aby wyodrębnić sygnał GPS z LNA. Obecnie jest to realizowane przez umieszczenie filtra akustycznego powierzchniowego (SAW) między LNA a wejściem odbiornika. Filtry SAW umożliwiają filtrowanie wysokich częstotliwości powyżej 1 GHz, takich jak te znajdowane w aplikacjach GPS. Bez użycia filtra SAW byłoby niemożliwe wyodrębnienie częstotliwości GPS z innych zakłóceń znajdujących się w sygnale.

Ekranowanie, Uziemienie i Trasowanie

Sygnał wyjściowy z anteny/odbioru GPS będzie już poniżej poziomu szumów o do 20 dB. Drobne sygnały zakłócające, które byłyby akceptowalne w innych aplikacjach, mogą łatwo zablokować sygnał z Twojego odbiornika GPS, a odpowiednie trasowanie, ekranowanie i uziemienie są wymagane, aby Twoje urządzenie z GPS działało poprawnie.

Zazwyczaj, gdy dzielisz swoją główną płytę PCB na bloki funkcjonalne, powinieneś również przypisać każdemu blokowi własną płaszczyznę masy. Twoje płaszczyzny masy powinny być następnie prowadzone z powrotem do głównego przewodu masy w topologii gwiazdy, aby zapobiec pętlom masy. Duże wymagania dotyczące rozmiaru płaszczyzny masy otaczającej odbiornik GPS mogą to utrudniać, szczególnie w urządzeniach mobilnych.

Ekranowanie czyni cuda w PCB

Jeśli odpowiednio zabezpieczysz swój odbiornik, jego sieć dopasowującą oraz wszelkie zewnętrzne LNA w puszcze ekranującej, możesz połączyć swoje płaszczyzny masy RF i cyfrowe. Izoluj odbiornik GPS i sieć dopasowującą do własnej płaszczyzny masy RF i połącz to z płaszczyzną masy cyfrowej w jednym punkcie. Płaszczyzna masy RF będzie najlepszym miejscem do uziemienia linii zegarowych i danych.

Ścieżki anteny prowadzące do odbiornika przenoszą sygnał analogowy i zawsze powinny być umieszczone jak najdalej od ścieżek i komponentów cyfrowych. Gdzie to możliwe, prowadź ścieżki anteny wewnątrz ekranowanego obudowania. Możesz również zakopać ścieżki anteny na wewnętrznej warstwie PCB i umieścić płaszczyzny masy obwodu dopasowującego ze wszystkich stron. Wbudowana antena powinna być umieszczona tuż poza ekranowaniem. Wszystkie inne elektroniki i bateria powinny być ekranowane od anteny.

Projektowanie pod kątem dopasowania impedancji

Jeśli znasz się na wysokoczęstotliwościowym projektowaniu, wiesz, że tłumienie i dopasowanie impedancji to niezwykle ważne czynniki, które przyczyniają się do degradacji sygnału. Sygnały o wyższej częstotliwości nośnej mają większe tłumienie, a dłuższe ślady skutkują niższą ogólną czułością. Jeśli to możliwe, wybierz krótszą ścieżkę między pasywną anteną/odbiornikiem a zewnętrznym LNA. Pomoże to utrzymać wysoką czułość.

Podczas prowadzenia ścieżek anteny, które przenoszą twój sygnał RF, najlepiej jest unikać stosowania przelotek, ponieważ zwiększają one impedancję ścieżki. Każda przelotka tworzy dyskontynuację indukcyjną i dodaje około 10 omów impedancji do twojej ścieżki na częstotliwościach RF GPS. Przelotki o większej średnicy dodadzą większą impedancję. Jeśli twój odbiornik był już pasywnie dopasowany do impedancji 50 omów, będziesz musiał skompensować wszelkie przelotki pojawiające się na ścieżce.

Świetne oprogramowanie do projektowania PCB, takie jak Altium Designer^®, ułatwia dodawanie anten GPS i funkcji do projektu PCB dzięki swojej obszernej gamie narzędzi do układania. Dzięki inteligentnej kontroli zasad projektowania, potencjałowi auto-interaktywnego trasowania oraz narzędziom analizy i symulacji, twoje projekty mogą wyjść bezbłędnie, jak potrzebujesz, aby płynnie przejść do prototypowania i produkcji.

Aby dowiedzieć się więcej o Altium Designer i jak może Ci pomóc w stworzeniu potrzebnej anteny GPS, porozmawiaj już dziś z ekspertem Altium Designer.