GPS-антенны в вашем дизайне печатных плат: вы больше не потеряетесь

Когда я был ребенком и ходил на охоту с дедушкой, мы всегда брали с собой довольно большой GPS-навигатор, чтобы не заблудиться в лесу. У него была огромная антенна, торчащая из верхней части, и его батарея держалась не более нескольких часов. Прошло 20 лет, и включение возможностей GPS в вашу конструкцию печатной платы стало проще, чем когда-либо.

Многие новые потребительские устройства включают в свой дизайн модули антенн GPS на печатной плате. Если у вас нет опыта работы с GPS или RF-дизайном, существует несколько правил проектирования, которые помогут вам успешно интегрировать возможности GPS в ваш продукт. Первым шагом в этом процессе является выбор модуля GPS, но, как и при любом выборе, перед выбором модуля и началом фазы проектирования необходимо учитывать несколько факторов. Подходит ли вам антенна GPS-патч? Как насчет антенны GNSS или керамической патч-антенны?

Активные против пассивных GPS-антенн

Антенны GPS на печатной плате бывают двух типов: активные и пассивные. Активные антенны оснащены встроенным усилителем низкого уровня шума (LNA), в то время как пассивная антенна не включает усилитель. Активные антенны устанавливаются на своей собственной плате и соединяются с вашей печатной платой с помощью коаксиального кабеля.

Некоторые приемники поставляются в комплекте с одним из типов антенн. Они также могут содержать пассивную согласующую сеть, которая согласует выходное сопротивление с 50 Ом импедансом излучения. Активная антенна имеет преимущество в производительности, поскольку УНЧ поддерживает уровень шума в выходном сигнале, что приводит к более высокой чувствительности.

Интегрированный GPS-приемник

Пассивные антенны на печатных платах также должны использовать УНЧ, но сигнал может ухудшаться по мере его передачи от приемника к УНЧ. Хотя УНЧ предназначен для уменьшения шума в выходном сигнале, любой дополнительный шум снижает общую чувствительность. Если вы решите использовать приемник, требующий внешнего УНЧ, трасса сигнала, ведущая к УНЧ, должна быть защищена или изолирована от внешних ЭМИ или перекрестных помех насколько это возможно.

GPS-антенны в вашем дизайне печатной платы

Использование GPS-антенны в вашей печатной плате переводит ее в режим смешанных сигналов. Любой шум, возникающий на входе антенны из-за ЭМИ или перекрестных помех, может ухудшить качество сигнала и даже полностью заблокировать сигнал антенны. Сигнал антенны также подвержен шумам земляной плоскости, если он не изолирован от других компонентов должным образом.

Если другие компоненты на вашей плате не изолированы или экранированы должным образом, антенна и приемник GPS могут ухудшать сигнал в этих других компонентах. В некоторых случаях худшим источником помех является сам приемник, особенно когда приемник имеет встроенную антенну. Взаимные помехи между приемником и другими компонентами подчеркивают необходимость включения надлежащего экранирования.

Для выделения сигнала GPS из LNA требуется фильтрация. В настоящее время это достигается путем размещения фильтра на поверхностных акустических волнах (SAW) между LNA и входом приемника. Фильтры SAW позволяют фильтровать высокие частоты выше 1 ГГц, такие как те, что встречаются в приложениях GPS. Без использования фильтра SAW было бы невозможно выделить частоту GPS из других помех, обнаруженных в сигнале.

Экранирование, Заземление и Маршрутизация

Сигнал, выходящий из антенны/приемника GPS, уже будет ниже уровня шума на 20 дБ. Минорные шумовые сигналы, которые были бы приемлемы в других приложениях, могут легко блокировать сигнал от вашего приемника GPS, и для корректной работы вашего устройства с поддержкой GPS требуются правильная маршрутизация, экранирование и заземление.

Обычно, когда вы разделяете вашу основную печатную плату на функциональные блоки, вы также должны предоставить каждому блоку собственную земляную плоскость. Затем ваши земляные плоскости должны быть проложены обратно к основному земляному выводу в топологии звезды, чтобы предотвратить петли заземления. Большие требования к размеру земляной плоскости, окружающей приемник GPS, могут затруднить это, особенно в мобильных устройствах.

Экранирование творит чудеса в печатных платах

Если вы правильно экранируете ваш приемник, его согласующую сеть и любой внешний LNA в экранирующей камере, вы можете соединить ваши RF и цифровые земляные плоскости. Изолируйте GPS-приемник и согласующую сеть к собственной RF земляной плоскости и соедините это с цифровой земляной плоскостью в одной точке. RF земляная плоскость будет лучшим местом для заземления линий часов и данных.

Трассы антенны, идущие к приемнику, переносят аналоговый сигнал и всегда должны быть размещены как можно дальше от цифровых трасс и компонентов. Где возможно, прокладывайте ваши трассы антенны внутри экранированного корпуса. Вы также можете закопать ваши трассы антенны на внутреннем слое печатной платы и разместить земляные плоскости согласующей цепи со всех сторон. Встроенная антенна должна быть размещена сразу за экранированием. Все остальные электронные компоненты и батарея должны быть экранированы от антенны.

Проектирование с учетом согласования импеданса

Если вы знакомы с высокочастотным проектированием, то вы знаете, что ослабление сигнала и согласование импеданса являются крайне важными факторами, влияющими на деградацию сигнала. Сигналы с более высокой несущей частотой имеют большее ослабление, а более длинные трассы приводят к снижению общей чувствительности. Если возможно, выбирайте более короткий путь между пассивной антенной/приемником и вашим внешним УНЧ. Это поможет сохранить высокую чувствительность.

При прокладке трасс антенны, по которым передается ваш РЧ сигнал, лучше всего избегать использования переходных отверстий (виас), поскольку они увеличивают импеданс трассы. Каждое переходное отверстие создает индуктивное разрыв и добавляет около 10 Ом импеданса к вашей трассе на частотах РЧ GPS. Виасы с большим диаметром добавляют больший импеданс. Если ваш приемник изначально был пассивно согласован по импедансу с 50 Ом, вам нужно будет компенсировать любые виасы, появляющиеся на трассе.

Отличное программное обеспечение для разработки печатных плат, такое как Altium Designer^®, упрощает добавление GPS-антенн и возможностей в вашу конструкцию печатной платы благодаря своему обширному набору инструментов для размещения. С помощью умной проверки правил проектирования, потенциала авто-интерактивной трассировки и инструментов анализа и моделирования ваши проекты могут получиться безупречными, как это необходимо для плавного перехода к прототипированию и производству.

Чтобы узнать больше о Altium Designer и о том, как он может помочь вам создать необходимую GPS-антенну, обратитесь к эксперту Altium Designer сегодня.