אנטנת Patch‏ רבת-פסי-תדר וקומפקטית מפשטת את תכנון קצה-קדמי RF עבור מקלטי GNSS

בהשראת ההשקה המסחרית המוצלחת של מערכת מיקום עולמית (GPS) בארצות הברית בסוף שנות ה-80, מדינות רבות אחרות ברחבי העולם פיתחו והשיקו גם הן גרסאות GPS משלהן, המכונות יחד מערכת ניווט לווינים עולמית (GNSS). ב-25 השנים האחרונות, טכנולוגיית GNSS התפתחה ושיחקה תפקיד קריטי בעולם המחובר. כיום, GNSS כולל את Galileo‏ של האיחוד האירופי, GLONASS של רוסיה, BeiDou של סין, IRNSS/NavIC של הודו ו-QZSS של יפן. כדי לעבוד עם מספר קבוצות לוויינים, מערכת מקלט GNSS משתמשת בתדרים רבי-פסים כדי להציע דיוק ואמינות טובים יותר מאשר מקלטי GPS מסורתיים, המשתמשים רק במערכת הלוויינים GPS.

מכיוון שאנטנה היא מרכיב מפתח במקלט, היא ממלאת תפקיד מכריע בקליטת אותות רדיו חלשים מהלוויינים כדי לקבוע את המיקום, הניווט והזמן המדויקים של המשתמש. כתוצאה מכך, מקלט GNSS משתמש במספר פסי-תדר התואמים הן לפסי-תדר הרדיו (RF) התחתונים והן לפסי-תדר הרדיו העליונים המשודרים על ידי מערכות ניווט לוויינים שונות בחלל. להלן סיכום התדרים והתחומים המכוסים על ידי מקלטי GNSS:

• פסי התדר L1, E1 ו-B1 מכסים תחום תדרים של 1,559 מגה-הרץ עד 1,610 מגה-הרץ
• פסי התדר L2, E6, B3, L6 מכסים תחום תדרים של 1,217 מגה-הרץ עד 1,300 מגה-הרץ
• פסי התדר L5, E5, B2 ו-L3 מכסים תחום תדרים של 1,164 מגה-הרץ עד 1,217 מגה-הרץ

בהתאם לכך, מקלטי GNSS משתמשים באנטנה רחבת-פס או רבת-פסים היכולה לטפל במספר תחומי תדר המשמשים רשתות לוויינים שונות בחלל. שימוש במספר פסי תדר מאפשר למערכת מקלט ה-GNSS להציע דיוק ואמינות משופרים במיקום עם פגיעות מופחתת לשגיאות אותות והפרעות, מה שמאפשר לאנטנות GNSS להעניק ביצועים מעולים בסביבות רחבות וקשות. 

אנטנת Patch-within-a-Patch‏ רבת-פסי-תדר

מכיוון שמערכות קליטת ה-GPS הראשוניות השתמשו באנטנות גדולות ומגושמות שתפסו שטח יקר ערך, הביקוש לפתרון קומפקטי בפרופיל נמוך היה גבוה בשנים האחרונות. כדי להתמודד ביעילות ובעלות סבירה עם הדרישות של מודולי קצה-קדמי מודרניים של GNSS RF, חברת Taoglas Limited תכננה ופיתחה טכנולוגיית אנטנה מעולה עבור יישום מדויק ומוגבל-גובה. סדרת HP5354.A‏ Inception‏ של החברה היא אנטנת Patch‏ פסיבית רבת-פסי-תדר, 1,160 מגה-הרץ עד 1,610 מגה-הרץ, שנועדה לשיפור דיוק המיקום, החוסן והאמינות. היא משתמשת בטכנולוגיית אנטנה קרמית חדשנית של Patch-within-a-Patch‏, המשלבת שתי אנטנות באותו גורם צורה של אנטנת GPS בעלת פס-תדר יחיד (איור 1). כתוצאה מכך, היא מבטיחה הגבר קיטוב אופטימלי עבור פסי-תדר BeiDou‏ (B1/B2a)‏, GPS/QZSS‏ (L1/L5‏), GLONASS‏ (G1‏) ו-Galileo‏ (E1/E5a‏), כולל IRNSS/NavIC‏ (L5‏). זה גם מבטיח תאימות עם מגוון רחב של יישומים, ללא קשר למיקום.

איור 1: סדרת Inception HP5354.A היא אנטנת Patch-within-a-Patch‏ עם פרופיל נמוך ושני פסי-תדר, עבור מערכות קליטה של GNSS. (מקור התמונה: Taoglas Limited)

אנטנת HP5354.A, הממוטבת עבור ביצועי שני פסי-תדר, היא אנטנה קומפקטית בפרופיל נמוך בגודל 35 מ"מ x‏ 35 מ"מ וגובה של 4 מ"מ. נתון בתוך במארז קרמי בעל 11 פינים להרכבה משטחית, הוא משתמש בשלושה מהפינים שלו לקליטת אותות רדיו אורתוגונליים מפסי-תדר L1 ו-L5. שניים מהפינים משמשים לקליטת אותות מפס L1, כאשר השלישי עבור פס L5. שמונת הפינים הנותרים משמשים כהארקה.

כדי להשיג יחס צירי אופטימלי ואות מקוטב מעגלי ימני (RHCP) ביציאה, שתי הזנות האותות עבור פס L1 משולבות באמצעות מצמד היברידי מומלץ, ה-HC125A‏ (איור 2). ה-HC125A, המציע הפסדי תחיבה נמוכים נמוך ואמפליטודת יציאה מאוזנת, מגיע במארז הרכבה משטחית בפרופיל נמוך (גובה 1.5 מ"מ) עבור יישומי GNSS רבי-פסי-תדר.

איור 2: שתי הזנות מפס L1 מאוחדות במצמד ההיברידי HC125A כדי להבטיח יחס צירי אופטימלי תוך יצירת אות RHCP. (מקור התמונה: Taoglas Limited)

בנוסף, האנטנה בעלת ההזנה הכפולה כווננה ונבדקה על מישור הארקה בגודל 70 מ"מ x‏ 70 מ"מ והציגה תבניות קרינה מצוינות. יתר על כן, הוא אופיין במלואו על-פני שני הפסים עבור פרמטרים תלויי-תדר עיקריים. אלה כוללים הפסדי החזרה, יחס גלים עומדים מתח (VSWR), נצילות, הגבר ממוצע, הגבר שיא, יחס צירי, אופסט מרכז פאזה, שינויי מרכז פאזה ושיהויי קבוצה.  

עם הפרופיל הנמוך שלה ניתן להשתמש באנטנה בעלת שתי-הזנות במגוון רחב של יישומים שבהם תכנים מסורתיים של Patch‏ בגיבוב הם מגושמים וגבוהים מדי. חלק מהיישומים המומלצים כוללים ניווט, מעקב תעשייתי, רכבים אוטונומיים ורובוטיקה, כמו גם התקנים לבישים, עוקבי נכסים קומפקטיים וחקלאות מדייקת.

בניית שרשרת אותות RF קצה-קדמי

בעוד שניתן לשלב אנטנת GNSS רבת-פסי-תדר עם קצה-קדמי GNSS המסופק על ידי המשתמש, Taoglas פישטה את תכנון שרשרת האותות באמצעות מודול קצה-קדמי GNSS‏ TFM.100B‏, המיועד לשימוש עם Patches‏ רבי-הזנות.

המודול כולל מגבר עם שתי דרגות ורעש נמוך (LNA) המציע הגבר של יותר מ-25 דציבלים (dB) בכל התדרים ומציג ספרת רעש (NF) נמוכה של פחות מ-dB‏ 3‏. הוא כולל מסנן גל אקוסטי משטחי (SAW) המשולב עם ה-LNA ליצירת טופולוגיית SAW/LNA/SAW/LNA המטפלת הן בנתיבי האות בפסי תדר-נמוך והן בנתיבי האות בפסי תדר-גבוה כדי לדחות הפרעות לא-רצויות מחוץ לפסי-התדר (OOB) כתוצאה מדחיפת-יתר של ה-LNA או המקלט של ה-GNSS‏. מסנני SAW בתוך ה-TFM.100B נבחרו והוצבו בקפידה כדי לספק דחיית OOB מעולה תוך שמירה על NF נמוך של dB‏ 3‏. התקן הרכבה משטחית זה הוא קל לשילוב במידות של 20 מ"מ x‏ 18 מ"מ ופועל מהספקת DC‏ יחידה של 1.8 וולט עד 5.5 וולט. תחום מתחי כניסה רחב מאפשר לשלב בקלות את מודול הקצה-הקדמי ברוב מקלטי GNSS.

כדי לסייע עוד יותר למשתמשים להבין את האינטגרציה של מודולי קצה-קדמי שלמים של מקלט GNSS, מהנדסי Taoglas הכינו לוח הערכה, AHPD5354A‏ (איור 3), כתכן ייחוס עבור נתיב אות קצה-קדמי. לוח הערכה זה משלב את הקדם-מגבר TFM.100B, את המצמד ההיברידי dB‏ 3‏ HC125A בפרופיל נמוך עם ביצועים עיליים, ואת אנטנת Patch‏ רבת-פסי-תדר HP5354.A‏ על לוח מעגלים מודפסים (PCB‏) יחיד.

איור 3: לוח ההערכה AHPD5354A של Taoglas מפשט את השילוב של קדם-מגבר עם רעש נמוך, מצמד היברידי 3dB ואנטנת Patch‏ רבת-פסי-תדר לתוך מודול קצה-קדמי RF שלם עבור מערכות קליטה GNSS. (מקור התמונה: Taoglas Limited)

לוח ההערכה מציין כי המצמד ההיברידי נדרש רק כאשר פס-תדר הפעולה של GNSS הוא גבוה (1,559 מגה-הרץ עד 1,610 מגה-הרץ). בדומה, תרשים הפריסה של הלוח מציע כי יש למקם את המצמד ההיברידי קרוב לפיני האנטנה ולחבר אותו כראוי באמצעות שני נגדים של 100 אוהם במקביל.

בנוסף, הלוח מדגיש גם כמה מהיתרונות של שימוש במודול קצה-קדמי TFM.100B GNSS. אלה כוללים:

• מארז Drop-In‏ קל להרכבה עם כל אנטנה או מקלט GNSS
• קדם-מסננים משולבים המעניקים דחיית OOB יוצאת-דופן על פני מספר פסי-תדר והפרעות שכנות אחרות כדי להשיג NF נמוך
• LNAs‏ עם שתי-דרגות, קדם-מסננים ותיאום אימפדנס אופטימלי המעניקים הגבר מספיק למקלט GNSS ללא עומס-יתר אות-לרעש
• מבנה קומפקטי ותכן בפרופיל נמוך החוסכים שטח יקר ואינם דורשים רכיבים חיצוניים וניתוב
• הרמה הגבוהה ביותר של אינטגרציה, יכולת ייצור וחוסן במארז קומפקטי יחיד

סיכום

אנטנת Patch‏ רבת-פסי-תדר היא מרכיב חיוני במקלטי GNSS מודרניים עבור שיפור ביצועים בסביבות מאתגרות. על ידי קליטת אותות רדיו של מספר תדרים על פני פסי-תדר נמוכים וגבוהים, אנטנה עם שני פסי-תדר מאפשרת למקלטי GNSS להתגבר על המגבלות של מערכת עם פס-תדר יחיד. עבור מטרה זו, Taoglas פיתחה אנטנה בפרופיל נמוך עם שני פסי-תדר, המשתמשת בטכנולוגיית Patch-within-a-Patch‏ חדשנית, התומכת בו-זמנית בפסים L1 ו-L5 עם גורם-צורה קטן. בשילוב עם המצמד ההיברידי של החברה וקדם-מגבר בעל רעש נמוך עם מסנן SAW משולב ומעגל תיאום אימפדנסים במארז קרמי קומפקטי, התוצאה היא פתרון שרשרת אותות קצה-קדמי RF‏ עם ביצועים עיליים עבור מקלטי GNSS.