안테나의 혁신적인 소재와 설계로 다중 대역 GNSS 딜레마 해결

1970년대 후반부터 1980년대까지 미국 국방부의 후원으로 시작된 GPS(위성 위치 확인 시스템)는 그 역할과 활용 범위가 기하급수적으로 확대되었습니다. 원래는 내비게이션과 미사일 유도용으로만 사용되었지만 이제는 자산 추적 및 모니터링, 자율 주행 차량, 농업, 웨어러블 그리고 개발자가 상상하지 못했던 다양한 최종 용도로 통합되고 있습니다.

미국에서 GPS가 성공적으로 배치된 후 다른 국가와 지역에서도 이에 상응하는 GPS를 개발하여 출시했는데, 이를 통칭하여 글로벌 내비게이션 위성 시스템(GNSS)이라고 합니다. GNSS에는 GLONASS(러시아), Galileo(유럽 연합), BeiDou(중국)와 두 개의 지역 GNSS 시스템(QZSS(일본) 및 IRNSS/NavIC(인도))이 있습니다.

원래의 GPS 수신기 시스템은 크기가 커서 자동차 트렁크에 겨우 들어갈 정도였지만, 현대 기술은 GNSS 핵심 엔진을 단일 집적 회로(IC)로 축소했습니다. GNSS 유형에 관계없이 이러한 모든 시스템에는 GNSS 위성 어레이의 극히 낮은 수준의 RF 신호를 수신하도록 최적화된 안테나가 필요합니다. GNSS 수신기의 크기가 작아지고 전력 요구량이 감소함에 따라 안테나 크기도 그에 따라 축소되어야 했습니다.

그러나 이는 여러 GNSS 시스템 또는 대역을 처리해야 하는 수신기에는 문제가 됩니다. 사용 중인 여러 시스템의 하위 및 상위 RF 대역을 모두 처리할 수 있는 안테나가 필요하기 때문입니다(그림 1).

그림 1: 사용 중인 다양한 시스템에 대해 정의된 GNSS 주파수 할당 및 대역은 겹치는 부분과 분리된 부분을 모두 보여줍니다. (이미지 출처: Taoglas Limited)

GNSS 대역과 주파수에는 다음과 같은 명칭이 사용됩니다.

• 1,559MHz ~ 1,610MHz(L1, E1, B1)
• 1,215MHz ~ 1,300MHz(L2, E6, B3, L6)
• 1,164MHz ~ 1,215MHz(L5, E5, B2, L3)

L-대역은 다양한 위성이 보정 신호를 전송하는 데 사용하는 1,525MHz ~ 1,559MHz의 주파수 범위를 말합니다.

광대역 또는 다중 대역 안테나의 필요성은 20세기 초 무선 통신 초기로 거슬러 올라가며, 두 가지 일반적인 접근 방식이 있습니다. 하나는 물리적 '트랩' 또는 로딩 코일을 사용하여 하나의 협대역 안테나가 두 개의 서로 다른 중심 주파수에서 공진하도록 하는 것입니다. 두 번째 옵션은 본질적으로 광대역 성능을 위해 설계된 단일 안테나를 사용하는 것입니다.

이 두 가지 솔루션 모두 오늘날의 소형 시스템 설계에서 GNSS 안테나에 바람직하지 않습니다. 트랩 방식은 상대적으로 큰 개별 인덕터와 커패시터가 필요하지만 광대역 안테나는 이득 및 효율성과 같은 성능에 중요한 속성이 저하됩니다.

우수한 안테나 접근 방식

이제 Taoglas Limited의 Inception 계열로 더 나은 솔루션을 찾을 수 있습니다. 예를 들어 HP5354.A(그림 2)는 위치 정확도 향상을 위해 설계된 다중 대역 1,160MHz ~ 1,610MHz 패시브 GNSS 패치 안테나입니다. 이 혁신적인 세라믹 패치 내 패치 안테나는 BeiDou(B1/B2a), GPS/QZSS(L1/L5), GLONASS(G1), Galileo(E1/E5a) 대역에 최적화된 이득을 제공합니다.

그림 2: HP5354.A는 이중 대역(L1 및 L5) GNSS 성능에 최적화된 컴팩트한 로우 프로파일 안테나입니다. (이미지 출처: Taoglas Limited)

HP5354.A는 크기가 35mm × 35mm, 높이가 4mm로 콤팩트한 로우 프로파일 설계에 이상적입니다. 이 11핀 패키지는 11개 핀 중 3개를 수신 신호 인터페이스에 사용하고(L1 대역용 2개, L5 대역용 1개), 나머지 핀은 접지로 사용됩니다.

멀티 피드 HP5354.A는 70mm × 70mm 접지면으로 조정 및 테스트되었으며 우수한 방사 패턴을 가지고 있습니다. 차세대 L1/L5 GNSS에 필요한 대역을 커버할 수 있으며 반사 손실, 전압 정재파비(VSWR), 효율, 평균 이득, 피크 이득, 축비, 위상 중심 오프셋, 위상 중심 변동, 그룹 지연 등 주요 주파수 의존 파라미터에 대해 두 대역에서 완벽하게 특성화되어 있습니다.

Taoglas HP5354.A 적용하기

HP5354.A는 사용자가 제공하는 프론트엔드 모듈과 페어링할 수 있지만, Taoglas는 TFM.100B GNSS RF 모듈을 사용하여 저수준 신호 체인 개발을 간소화합니다. 이 고성능 모듈은 L1 및 L5 대역을 지원하며 멀티 피드 패치와 함께 사용하도록 특별히 설계되었습니다.

TFM.100B의 장점으로는 모든 대역에서 25데시벨(dB) 이상의 게인을 제공하는 2단계 저잡음 증폭기(LNA)와 3dB 미만의 저잡음 수치를 들 수 있습니다. 이 모듈은 저대역 및 고대역 신호 경로 모두에서 표면탄성파(SAW)/LNA/SAW/LNA 토폴로지를 사용하여 원치 않는 대역 외 간섭(OOB)이 GNSS LNA 또는 수신기를 과도하게 구동하는 것을 방지합니다.

TFM.100B의 SAW 필터는 탁월한 OOB 제거 성능을 제공하는 동시에 낮은 3dB 노이즈 수치를 유지하기 위해 신중하게 선택 및 배치되었습니다. 통합이 간편한 이 표면 실장 장치는 크기가 20mm × 18mm이며 단일 1.8VDC ~ 5.5VDC 전원으로 작동합니다.

Taoglas는 AHPD5354A 평가 기판을 제공하여 HP5354.A를 전체 시스템으로 통합하는 작업을 더욱 간편하게 수행할 수 있습니다(그림 3). 이 기판에는 TFM.100B RF 프리앰프와 멀티 피드 다중 대역 GNSS 애플리케이션을 위해 설계된 로우 프로파일, 고성능, 3dB 하이브리드 커플러인 Taoglas HC125A가 탑재되어 있습니다. HP5354.A, TFM.100B, HC125A가 통합 신호 체인으로 함께 작동합니다.

그림 3: AHPD5354A 평가 기판은 L1/L5 신호용 하이브리드 커플러와 모든 기능을 갖춘 RF 프리앰프 및 필터를 갖추고 있어 완전한 RF 신호 체인을 제공합니다. (이미지 출처: Taoglas Limited)

HP5354.A는 3개의 핀을 통해 2개의 직교 피드를 제공하며, 2개의 핀은 L1 대역 안테나 출력용, 나머지 1개 핀은 L5 대역 출력용입니다. 이러한 피드는 L1 대역용 하이브리드 커플러에서 결합되어 최적의 축비를 보장하고 우측 원형 편파(RHCP) 신호를 생성한 다음 TFM.100B의 해당 입력에 제공됩니다.

HC125A 하이브리드 커플러는 이 안테나의 높은 GNSS 작동 대역(1,559 ~ 1,610MHz)에만 필요합니다. 평가 기판 레이아웃 다이어그램은 하이브리드 커플러를 안테나 핀 근처에 배치하고 두 개의 100Ω 저항을 병렬로 사용하여 올바르게 종단하는 방법을 보여줍니다.

결론

널리 사용되는 GNSS는 수신기 위치를 결정하는 데 필요한 계산을 위해 정교한 코어 IC와 고급 알고리즘을 사용합니다. 이러한 IC에 원시 신호를 제공하는 것은 수신기 안테나에서 시작되는 RF 신호 체인의 과제입니다. Taoglas HP5354.A는 소형 이중 대역 표면 실장 안테나로, 하부 및 상부 GNSS 주파수 대역을 동시에 지원합니다. Taoglas 하이브리드 커플러 및 저잡음 프리앰프 디바이스와 함께 사용하면 설계자는 GNSS 수신기용 RF 프론트엔드를 구현할 수 있는 간단한 솔루션을 얻을 수 있습니다.

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