Anten GPS trong Thiết kế PCB của Bạn: Bạn Sẽ Không Lạc Lối Nữa

Khi còn nhỏ, đi săn cùng ông nội, chúng tôi thường mang theo một chiếc GPS-navigator khá lớn để giúp chúng tôi không lạc trong rừng. Nó có một ăng-ten to đùng chĩa ra từ đỉnh và pin của nó không bao giờ kéo dài hơn vài giờ. Nhanh chóng chuyển về 20 năm sau, việc bao gồm khả năng GPS vào thiết kế PCB của bạn trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết.

Nhiều thiết bị tiêu dùng mới bao gồm các mô-đun ăng-ten PCB GPS trong thiết kế của họ. Nếu bạn không có kinh nghiệm về thiết kế GPS hoặc RF, có một số quy tắc thiết kế sẽ giúp bạn thành công trong việc tích hợp khả năng GPS vào sản phẩm của mình. Bước đầu tiên trong quá trình này là chọn một mô-đun GPS, nhưng như với bất kỳ lựa chọn nào, có một số yếu tố cần xem xét trước khi chọn một mô-đun và bắt đầu giai đoạn thiết kế. Liệu một ăng-ten vá GPS có phải là lựa chọn đúng cho bạn không? Còn ăng-ten GNSS hoặc ăng-ten vá gốm thì sao?

Ăng-ten GPS Chủ Động so với Ăng-ten GPS Bị Động

Ăng-ten PCB GPS có hai loại: chủ động và bị động. Ăng-ten chủ động đi kèm với một bộ khuếch đại tín hiệu thấp (LNA) được tích hợp sẵn trong mô-đun, trong khi ăng-ten bị động không bao gồm bộ khuếch đại. Ăng-ten chủ động được đặt trên bảng riêng của chúng và kết nối với bảng mạch in của bạn bằng cáp đồng trục.

Một số bộ thu đi kèm sẵn với một trong hai loại ăng-ten. Chúng cũng có thể chứa một mạng lưới ghép nối bị động phù hợp với mẫu bức xạ trở kháng đầu ra 50 Ohm. Ẳng-ten hoạt động có lợi thế về hiệu suất ở chỗ LNA duy trì mức nhiễu trong tín hiệu đầu ra, dẫn đến độ nhạy cao hơn.

Bộ thu GPS tích hợp

Ẳng-ten bị động trên PCB cũng nên sử dụng LNA nhưng tín hiệu có thể suy giảm khi di chuyển từ bộ thu đến LNA. Mặc dù LNA được thiết kế để giảm nhiễu trong tín hiệu đầu ra, bất kỳ nhiễu bổ sung nào cũng giảm độ nhạy tổng thể. Nếu bạn chọn sử dụng bộ thu yêu cầu LNA bên ngoài, đường truyền tín hiệu chạy đến LNA nên được che chắn hoặc cô lập khỏi EMI bên ngoài hoặc nhiễu chéo càng nhiều càng tốt.

Ẳng-ten GPS trong Thiết kế PCB của Bạn

Sử dụng ăng-ten GPS trong PCB của bạn đưa nó vào chế độ tín hiệu hỗn hợp. Bất kỳ nhiễu nào được giới thiệu tại đầu vào ăng-ten do EMI hoặc nhiễu chéo có thể làm giảm chất lượng tín hiệu và thậm chí chặn hoàn toàn tín hiệu ăng-ten. Tín hiệu ăng-ten cũng dễ bị nhiễu mặt đất nếu không được cô lập đúng cách khỏi các thành phần khác.

Nếu các linh kiện khác trên bo mạch của bạn không được cách ly hoặc che chắn đúng cách, ăng-ten và bộ thu GPS có thể làm giảm chất lượng tín hiệu của các linh kiện khác. Trong một số trường hợp, nguyên nhân gây nhiễu tồi tệ nhất chính là bộ thu, đặc biệt là khi bộ thu có ăng-ten nội bộ. Sự crosstalk giữa bộ thu và các linh kiện khác nhấn mạnh tầm quan trọng của việc bao gồm che chắn phù hợp.

Lọc tín hiệu là cần thiết để trích xuất tín hiệu GPS từ LNA. Hiện nay, việc này được thực hiện bằng cách đặt một bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW) giữa LNA và đầu vào của bộ thu. Bộ lọc SAW cho phép lọc các tần số cao trên 1 GHz, như những tần số được tìm thấy trong ứng dụng GPS. Sẽ không thể trích xuất tần số GPS từ các tín hiệu nhiễu khác mà không sử dụng bộ lọc SAW.

Che Chắn, Nối Đất và Định Tuyến

Tín hiệu được phát ra từ ăng-ten/bộ thu GPS sẽ đã thấp hơn mức nhiễu tới 20 dB. Các tín hiệu nhiễu nhỏ mà có thể được chấp nhận trong các ứng dụng khác có thể dễ dàng chặn tín hiệu từ bộ thu GPS của bạn, và việc định tuyến, che chắn, và nối đất đúng cách là cần thiết để thiết bị hỗ trợ GPS của bạn hoạt động đúng cách.

Thông thường, khi bạn chia bảng mạch in (PCB) chính của mình thành các khối chức năng, bạn cũng nên cung cấp một mặt đất riêng cho mỗi khối. Các mặt đất của bạn sau đó sẽ được định tuyến trở lại với dây dẫn mặt đất chính theo topology sao để ngăn chặn vòng lặp mặt đất. Yêu cầu về kích thước lớn của một mặt đất bao quanh một bộ thu GPS có thể làm cho điều này trở nên khó khăn, đặc biệt là trên các thiết bị di động.

Chắn sóng làm việc kỳ diệu trong PCB

Nếu bạn chắn đúng cách bộ thu của mình, mạng ghép nối và bất kỳ LNA ngoại vi nào trong một hộp chắn, bạn có thể kết nối các mặt đất RF và số của bạn. Tách biệt bộ thu GPS và mạng ghép nối vào mặt đất RF riêng của nó và kết nối điều này với mặt đất số tại một điểm duy nhất. Mặt đất RF sẽ là nơi tốt nhất để nối đất các dòng clock và dữ liệu.

Đường dẫn ăng-ten chạy đến bộ thu mang tín hiệu analog và luôn nên được đặt càng xa càng tốt so với các đường dẫn và linh kiện số. Khi có thể, hãy định tuyến các đường dẫn ăng-ten của bạn bên trong một vỏ chắn. Bạn cũng có thể chôn các đường dẫn ăng-ten của mình trên một lớp PCB nội bộ và đặt các mặt đất mạch ghép nối xung quanh tất cả các phía. Ẳng-ten tích hợp nên được đặt ngay bên ngoài vỏ chắn. Tất cả các linh kiện điện tử khác và pin nên được chắn khỏi ăng-ten.

Thiết kế cho Khớp Nối Trở Kháng

Nếu bạn quen thuộc với thiết kế tần số cao, bạn sẽ biết rằng suy giảm và khớp trở kháng là những yếu tố cực kỳ quan trọng góp phần vào sự suy giảm tín hiệu. Tín hiệu có tần số mang cao hơn sẽ có sự suy giảm lớn hơn và đường truyền dài hơn dẫn đến độ nhạy tổng thể thấp hơn. Nếu có thể, hãy chọn đường truyền ngắn hơn giữa ăng-ten/thiết bị thu phụ và LNA ngoại vi của bạn. Điều này sẽ giúp giữ độ nhạy ở mức cao.

Khi bạn chạy các đường truyền ăng-ten của mình chứa tín hiệu RF, tốt nhất là tránh sử dụng vias vì chúng làm tăng trở kháng của đường truyền. Mỗi vias tạo ra một sự không liên tục về cảm ứng và thêm khoảng 10 Ohm trở kháng cho đường truyền của bạn tại tần số RF GPS. Vias có đường kính lớn hơn sẽ thêm trở kháng lớn hơn. Nếu bộ thu của bạn đã được khớp trở kháng thụ động với 50 Ohm, bạn sẽ cần phải bù trừ cho bất kỳ vias nào xuất hiện trên đường truyền.

Một phần mềm thiết kế PCB tuyệt vời như Altium Designer^® giúp dễ dàng thêm ăng-ten GPS và khả năng vào thiết kế PCB của bạn thông qua phạm vi công cụ bố trí rộng lớn. Với kiểm tra quy tắc thiết kế thông minh, khả năng định tuyến tự động tương tác, và công cụ phân tích và mô phỏng, thiết kế của bạn có thể trở nên hoàn hảo như bạn cần cho quá trình chuyển tiếp mượt mà sang nguyên mẫu và sản xuất.

Để tìm hiểu thêm về Altium Designer và cách nó có thể giúp bạn tạo ra ăng-ten GPS bạn cần, nói chuyện với một chuyên gia Altium Designer ngày hôm nay.