초소형 다중 대역 패치 안테나로 GNSS 수신기의 RF 프런트 엔드 설계 간소화

1980년대 후반 미국에서 위성 항법 시스템(GPS)의 성공적인 상용화에 영감을 받아 전 세계 여러 국가에서도 각자의 GPS 버전을 개발하여 출시했으며, 이를 통칭하여 세계 위성 항법 시스템(GNSS)이라고 합니다. 지난 25년 동안 GNSS 기술은 상호 연결된 세상에서 중요한 역할을 하도록 발전해 왔습니다. 현재 GNSS에는 유럽연합의 Galileo, 러시아의 GLONASS, 중국의 BeiDou, 인도의 IRNSS/NavIC, 일본의 QZSS가 있습니다. 여러 위성군과의 호환을 위해 GNSS 수신기 시스템은 다중 대역 주파수를 사용하여 GPS 위성 시스템만 사용하는 기존 GPS 수신기보다 정확도와 안정성이 더 뛰어납니다.

안테나는 수신기의 핵심 구성 요소이므로 위성의 약한 무선 신호를 포착하여 사용자의 정확한 위치, 내비게이션 및 시간을 파악하는 데 중요한 역할을 합니다. 따라서 GNSS 수신기는 우주에서 서로 다른 위성 항법 시스템에서 전송하는 하위 및 상위 무선 주파수(RF) 대역에 모두 대응하는 여러 주파수 대역을 사용합니다. GNSS 수신기가 지원하는 대역과 주파수는 아래에 요약되어 있습니다.

• L1, E1, B1 대역은 1,559MHz ~ 1,610MHz의 주파수 범위를 지원합니다.
• L2, E6, B3, L6 대역은 1,217MHz ~ 1,300MHz의 주파수 범위를 지원합니다.
• L5, E5, B2, L3 대역은 1,164MHz ~ 1,217MHz의 주파수 범위를 지원합니다.

따라서 GNSS 수신기는 우주에서 다양한 위성 네트워크가 사용하는 여러 주파수 범위를 처리할 수 있는 광대역 또는 다중 대역 안테나를 사용합니다. 여러 대역의 주파수를 사용하면 GNSS 수신기 시스템이 신호 오류 및 간섭에 대한 취약성을 줄이면서 향상된 위치 정확도와 안정성을 제공할 수 있으므로 GNSS 안테나가 광범위하고 까다로운 환경에서 우수한 성능을 제공할 수 있습니다. 

다중 대역 패치 내 패치 안테나

초기 GPS 수신기 시스템은 공간을 많이 차지하는 부피가 큰 적층형 안테나를 사용했기 때문에 지난 몇 년 동안 콤팩트한 로우 프로파일 솔루션에 대한 수요가 높았습니다. 최신 GNSS RF 프런트 엔드 모듈의 요구 사항을 효율적이고 경제적으로 해결하기 위해 Taoglas Limited는 높이가 제한되고 정밀한 응용 제품을 위한 우수한 안테나 기술을 설계 및 개발했습니다. Taoglas Limited의 Inception 시리즈 HP5354.A는 향상된 위치 정확도, 견고성 및 신뢰성을 위해 설계된 다중 대역, 1,160MHz ~ 1,610MHz, 패시브 패치 안테나입니다. 이 제품은 단일 대역 GPS 안테나와 동일한 폼 팩터에 두 개의 안테나를 결합하는 혁신적인 세라믹 패치-인-패치 안테나 기술을 사용합니다(그림 1). 그 결과 IRNSS/NavIC(L5)를 포함한 BeiDou(B1/B2a), GPS/QZSS(L1/L5), GLONASS(G1), Galileo(E1/E5a) 대역에 최적화된 편광 이득을 보장합니다. 또한 위치에 관계없이 다양한 용응 제품과의 호환성을 보장합니다.

그림 1: Inception 시리즈 HP5354.A는 GNSS 수신기 시스템을 위한 로우 프로파일 이중 대역 패치 내 패치 안테나입니다(이미지 출처: Taoglas Limited).

이중 밴드 성능에 최적화된 HP5354.A는 크기 35mm x 35mm, 높이 4mm의 콤팩트한 로우 프로파일 안테나입니다. 11핀 표면 실장 세라믹 패키지로 둘러싸인 이 제품은 핀 중 3개를 사용하여 L1 및 L5 대역의 직교 무선 신호를 캡처합니다. 핀 중 두 개는 L1 대역의 신호를 수신하는 데 사용되며, 세 번째 핀은 L5 대역에 사용됩니다. 나머지 8개 핀은 접지 역할을 합니다.

출력에서 최적의 축비 및 우측 원형 편파(RHCP) 신호를 얻기 위해 권장 하이브리드 커플러인 HC125A를 사용하여 L1 대역의 두 피드를 결합합니다(그림 2). 낮은 삽입 손실과 균형 잡힌 출력 진폭을 제공하는 HC125A는 다중 밴드 GNSS 응용 제품을 위한 로우 프로파일(높이 1.5mm) 표면 실장 패키지로 제공됩니다.

그림 2: L1 대역의 두 피드가 HC125A 하이브리드 커플러에서 결합되어 최적의 축비를 보장하는 동시에 RHCP 신호를 생성합니다(이미지 출처: Taoglas Limited).

또한 이중 피드 안테나는 70mm x 70mm 접지면에서 조정 및 테스트를 거쳤으며 우수한 방사 패턴을 보여주었습니다. 또한 주파수 종속적인 주요 파라미터에 대해 두 대역 모두에서 완벽하게 특성화되었습니다. 여기에는 반사 손실, 전압 정재파비(VSWR), 효율, 평균 이득, 피크 이득, 축비, 위상 중심 오프셋, 위상 중심 변동 및 그룹 지연이 포함됩니다.  

이중 피드 안테나는 높이가 낮아, 적층형 패치 설계가 너무 부피가 크고 높이가 높은 다양한 응용 제품에 활용할 수 있습니다. 내비게이션, 산업 추적, 자율 주행 차량 및 로봇 공학, 웨어러블, 소형 자산 추적기, 정밀 농업 등의 응용 분야에 적합합니다.

프런트 엔드 RF 신호 체인 구축

다중 대역 GNSS 안테나는 사용자가 제공한 GNSS 프런트 엔드와 결합할 수 있지만, Taoglas는 멀티 피드 패치와 함께 사용하도록 설계된 TFM.100B GNSS 프런트 엔드 모듈을 사용하여 신호 체인 설계를 간소화했습니다.

이 모듈은 모든 대역에서 25데시벨(dB) 이상의 이득을 제공하고 3dB 미만의 저잡음 수치(NF)를 나타내는 2단계 저잡음 증폭기(LNA)로 구성되어 있습니다. 표면 탄성파(SAW) 필터가 LNA와 결합되어 저대역 및 고대역 신호 경로를 모두 처리하는 SAW/LNA/SAW/LNA 토폴로지를 구성하여 GNSS LNA 또는 수신기를 과도하게 구동하는 원치 않는 대역 외(OOB) 간섭을 제거합니다. 또한 TFM.100B의 SAW 필터는 낮은 3dB NF를 유지하면서 뛰어난 OOB 제거 성능을 제공하기 위해 신중하게 선택 및 배치되었습니다. 통합이 간편한 이 표면 실장 장치는 크기가 20mm x 18mm이며 단일 1.8V ~ 5.5V DC 전원으로 작동합니다. 입력 전압 범위가 넓어 프런트 엔드 모듈을 대부분의 GNSS 수신기에 쉽게 통합할 수 있습니다.

완전한 GNSS 수신기 프런트 엔드 모듈의 통합에 대한 사용자의 이해를 돕기 위해 Taoglas 엔지니어는 프런트 엔드 신호 경로를 위한 참조 설계로 평가 기판인 AHPD5354A(그림 3)를 준비했습니다. 이 평가 기판은 TFM.100B 프리앰프, 로우 프로파일, 고성능 HC125A 3dB 하이브리드 커플러, HP5354.A 다중 대역 패치 안테나를 단일 인쇄 회로 기판(PCB)에 결합한 제품입니다.

그림 3: Taoglas의 AHPD5354A 평가 기판은 저잡음 증폭기, 3dB 하이브리드 커플러, 다중 대역 패치 안테나를 GNSS 수신기 시스템을 위한 완전한 RF 프런트 엔드 모듈에 통합하는 작업을 간소화합니다(이미지 출처: Taoglas Limited).

이 평가 기판에는 하이브리드 커플러는 GNSS 작동 대역이 높은 경우(1,559MHz ~ 1,610MHz)에만 필요하다고 나와 있습니다. 마찬가지로 기판의 레이아웃 다이어그램은 하이브리드 커플러를 안테나 핀에 가깝게 배치하고 두 개의 100옴 저항을 병렬로 사용하여 적절하게 종단해야 함을 시사합니다.

또한 이 기판에서는 TFM.100B GNSS 프런트 엔드 모듈 사용의 몇 가지 이점을 다음과 같이 강조하고 있습니다.

• 모든 안테나 또는 GNSS 수신기와 간편한 드롭인 패키지
• 여러 대역 및 기타 인접 간섭에 걸쳐 탁월한 OOB 제거 성능을 제공하는 통합 프리필터를 통해 낮은 NF 제공
• 신호 대 잡음 과부하 없이 GNSS 수신기에 충분한 이득을 제공하는 2단계 LNA, 프리필터 및 최적화된 임피던스 매칭
• 콤팩트한 설치 공간과 로우 프로파일 설계로 소중한 공간을 절약하고 외부 구성 요소와 라우팅이 필요하지 않음
• 단일 콤팩트 패키지로 최고 수준의 통합성, 제조 가능성 및 견고성 제공

결론

다중 밴드 패치 안테나는 까다로운 환경에서 성능을 개선하기 위한 최신 GNSS 수신기의 필수 구성 요소입니다. 이중 밴드 안테나는 저대역과 고대역에 걸쳐 여러 주파수에서 무선 신호를 수신함으로써 GNSS 수신기가 단일 대역 시스템의 한계를 극복할 수 있게 해줍니다. 이를 위해 Taoglas는 소형 폼 팩터에서 L1 및 L5 대역을 동시에 지원하는 새로운 패치 내 패치 기술을 사용하여 로우 프로파일, 이중 대역 안테나를 개발했습니다. 소형 세라믹 패키지에 SAW 필터와 임피던스 정합 회로가 통합된 하이브리드 커플러 및 저잡음 프리앰프와 결합하여 GNSS 수신기를 위한 고성능 RF 프런트 엔드 신호 체인 솔루션을 개발했습니다.