Antenas GPS no Seu Projeto de PCB: Você Não Vai Se Perder Novamente

Quando eu era criança e ia caçar com meu avô, levávamos um GPS-navegador bastante grande para nos ajudar a não nos perdermos na floresta. Ele tinha uma antena enorme saindo do topo e sua bateria nunca durava mais do que algumas horas. Avançando 20 anos, incluir capacidades de GPS no seu design de PCB tornou-se mais fácil do que nunca.

Muitos novos dispositivos de consumo incluem módulos de antena PCB GPS em seu design. Se você não tem experiência com GPS ou design de RF, existem várias regras de design que ajudarão você a integrar com sucesso capacidades de GPS ao seu produto. O primeiro passo no processo é escolher um módulo de GPS, mas, como em qualquer escolha, há vários fatores a considerar antes de selecionar um módulo e iniciar a fase de design. Uma antena patch de GPS é adequada para você? Que tal uma antena GNSS ou uma antena patch cerâmica?

Antenas GPS Ativas vs. Passivas

As antenas PCB de GPS vêm em dois tipos: ativas e passivas. Antenas ativas vêm com um amplificador de baixo ruído (LNA) embutido no módulo, enquanto uma antena passiva não inclui um amplificador. Antenas ativas ficam em sua própria placa e se conectam à sua placa de circuito impresso com um cabo coaxial.

Alguns receptores vêm pré-embalados com um tipo de antena. Eles também podem conter uma rede de correspondência passiva que ajusta a saída para uma impedância de padrão de radiação de 50 Ohms. Uma antena ativa tem uma vantagem de desempenho pelo fato de que o LNA mantém o nível de ruído no sinal de saída, resultando em maior sensibilidade.

Receptor GPS integrado

Antenas passivas em PCBs também devem usar um LNA, mas o sinal pode se degradar à medida que viaja do receptor para o LNA. Embora o LNA seja projetado para reduzir o ruído no sinal de saída, qualquer ruído adicional reduz a sensibilidade geral. Se você optar por usar um receptor que requer um LNA externo, o traçado do sinal que vai para o LNA deve ser blindado ou isolado de EMI externo ou diafonia tanto quanto possível.

Antenas GPS no Seu Design de PCB

Usar uma antena GPS no seu PCB o coloca no regime de sinal misto. Qualquer ruído introduzido na entrada da antena devido a EMI ou diafonia pode degradar a qualidade do sinal e até mesmo bloquear o sinal da antena completamente. O sinal da antena também é suscetível a ruídos do plano de terra se não for devidamente isolado de outros componentes.

Se os outros componentes na sua placa não estiverem devidamente isolados ou blindados, a antena e o receptor GPS podem degradar o sinal nesses outros componentes. Em alguns casos, o maior causador de ruído pode ser o próprio receptor, especialmente quando o receptor possui uma antena interna. A diafonia entre o receptor e outros componentes sublinha a necessidade de incluir a blindagem apropriada.

É necessário filtrar para extrair o sinal GPS do LNA. Atualmente, isso é feito colocando um filtro de onda acústica superficial (SAW) entre o LNA e a entrada do receptor. Filtros SAW permitem a filtragem de altas frequências acima de 1 GHz, como as encontradas em aplicações GPS. Seria impossível extrair a frequência GPS do outro ruído encontrado no sinal sem usar um filtro SAW.

Blindagem, Aterramento e Roteamento

O sinal que é emitido por uma antena/receptor GPS já estará abaixo do piso de ruído em até 20 dB. Sinais de ruído menores, que seriam aceitáveis em outras aplicações, podem facilmente bloquear o sinal do seu receptor GPS, e um roteamento, blindagem e aterramento adequados são necessários para que seu dispositivo habilitado para GPS funcione corretamente.

Normalmente, quando você divide sua PCB principal em blocos funcionais, você também deve dar a cada bloco seu próprio plano de terra. Seus planos de terra seriam então roteados de volta ao condutor de terra principal em uma topologia estrela para evitar loops de terra. Os grandes requisitos de tamanho de um plano de terra ao redor de um receptor GPS podem tornar isso difícil, especialmente em dispositivos móveis.

O blindagem faz maravilhas em PCBs

Se você blindar adequadamente seu receptor, sua rede de casamento e qualquer LNA externo em uma lata de blindagem, você pode conectar seus planos de terra RF e digital. Isole o receptor GPS e a rede de casamento em seu próprio plano de terra RF e conecte isso ao plano de terra digital em um único ponto. O plano de terra RF será o melhor lugar para aterrar as linhas de relógio e dados.

Trilhas de antena que vão para o receptor carregam um sinal analógico e devem sempre ser colocadas o mais longe possível de trilhas e componentes digitais. Onde possível, roteie suas trilhas de antena dentro de uma blindagem. Você também pode enterrar suas trilhas de antena em uma camada interna da PCB e colocar planos de terra do circuito de casamento em todos os lados. A antena embutida deve ser colocada logo fora da blindagem. Todos os outros eletrônicos e a bateria devem ser blindados da antena.

Projeto para Correspondência de Impedância

Se você está familiarizado com design de alta frequência, saberá que a atenuação e a correspondência de impedância são fatores extremamente importantes que contribuem para a degradação do sinal. Sinais com frequência portadora mais alta têm maior atenuação e traços mais longos resultam em uma sensibilidade geral mais baixa. Se possível, opte por um traço mais curto entre uma antena/receptor passivo e seu LNA externo. Isso ajudará a manter a sensibilidade alta.

Ao executar os traços de sua antena que carregam seu sinal RF, é melhor evitar o uso de vias, pois estas aumentam a impedância do traço. Cada via cria uma descontinuidade indutiva e adiciona cerca de 10 Ohms de impedância ao seu traço em frequências RF de GPS. Vias com diâmetro maior adicionarão maior impedância. Se o seu receptor já estava passivamente ajustado para 50 Ohms, você precisará compensar quaisquer vias que apareçam no traço.

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