作者： Bill Schweber

自 20 世紀 70 年代末在美國國防部 (DoD) 主導下開發，并延伸至 80 年代以來，全球定位系統 (GPS) 的作用和應用呈指數級增長。該系統最初僅用于導航和導彈制導，現在已被集成到資產跟蹤和監控、汽車自動駕駛、農業、可穿戴設備以及其創始人從未想象過的許多其他最終用途中。

繼美國成功部署 GPS 之后，其他國家和地區也紛紛開發并啟動了相應的 GPS 系統，統稱為全球導航衛星系統（GNSS）。GNSS 包括俄羅斯的 GLONASS、歐盟的 Galileo 和中國的北斗，以及兩個區域 GNSS 系統：日本的 QZSS 和印度的 IRNSS/NavIC。

雖然最初的 GPS 接收器系統體積很大，幾乎無法放入汽車后備箱，但現代技術已將 GNSS 核心引擎簡化為單個集成電路 (IC)。無論 GNSS 類型如何，所有這些系統都需要一種經過優化的天線來接收來自 GNSS 衛星陣列的超微弱射頻信號。隨著 GNSS 接收器尺寸的縮小和功率要求的降低，天線的尺寸也必須相應縮小。

然而，這對必須處理多個 GNSS 系統或頻段的接收器來說是一個挑戰。接收器需要一個能夠處理所用不同系統的較低和較高射頻波段的天線（圖 1）。

圖 1：目前，由各種在用系統規劃的 GNSS 頻率分配和頻段既有重疊共存，也有交叉區隔。（圖片來源：Taoglas Limited）

GNSS 頻段和頻率的分配如下：

• 1,559 至 1,610 兆赫 (MHz)，稱為 L1、E1、B1 頻段
• 1,215 至 1,300 MHz，稱為 L2、E6、B3、L6 頻段
• 1,164 至 1,215 MHz，稱為 L5、E5、B2、L3 頻段

請注意，L 頻段是指 1,525 至 1,559 MHz 的頻率范圍，各種衛星在該頻率范圍內傳輸校正信號。

對于寬帶或多頻帶天線的需求可以追溯到 20^^ 世紀初期的早期無線通信，并且當時有兩種通用方法。一種方法是使用物理“陷波器”或加載線圈，以使單個窄帶天線在兩個不同的中心頻率上產生諧振。另一種方法是使用針對寬帶性能設計的單一天線。

對于當今緊湊型系統設計中的 GNSS 天線來說，這兩種方案都不理想。陷波器方法需要相對較大的分立電感器和電容器，而寬帶天線則會損害對性能至關重要的屬性，例如增益和效率。

更出色的天線方法

現在可以通過 [Taoglas Limited]的 [Inception 系列]天線實現更好的解決方案。例如， [HP5354.A]（圖 2）是一款多頻段、1,160 至 1,610 MHz 無源 GNSS 貼片天線，旨在提高定位精度。這種創新的陶瓷基復合貼片天線具有針對北斗 (B1/B2a)、GPS/QZSS (L1/L5)、GLONASS (G1) 和伽利略 (E1/E5a) 頻段經過優化的增益。

圖 2：HP5354.A 是一款緊湊型扁平天線，針對雙波段（L1 和 L5）GNSS 性能進行了優化。（圖片來源：Taoglas Limited）

HP5354.A 的尺寸為 35 × 35 毫米 (mm)，高度為 4 mm，非常適合緊湊扁平的設計。11 針封裝使用其中三個針腳作為接收信號接口（兩個用于 L1 頻段，一個用于 L5 頻段），其余針腳用作接地。

經調諧與驗證，配備 70×70 mm 接地平面的 HP5354.A 多饋源天線具有優異的輻射特性。該天線可覆蓋新一代 L1/L5 頻段 GNSS 系統所需的頻段，并在這兩個頻段內對關鍵的頻率相關參數完成了充分表征，具體包括：回波損耗、電壓駐波比(VSWR)、輻射效率、平均增益、峰值增益、軸比、相位中心偏移、相位中心漂變及群時延。

使用 Taoglas HP5354.A 天線

雖然 HP5354.A 天線可以與用戶提供的前端模塊配對，但 Taoglas 使用 [TFM.100B] GNSS 射頻模塊可簡化底層信號鏈的開發流程。該高性能模塊覆蓋 L1/L5 雙頻段，專為多饋源貼片天線系統而設計。

TFM.100B 具有一個兩級低噪聲放大器 (LNA)，可在所有頻段提供超過 25 分貝 (dB) 的增益，同時噪聲系數低于 3 dB。該模塊在低頻帶和高頻帶信號路徑中均采用表面聲波 (SAW)/LNA/SAW/LNA 拓撲結構，以防止不必要的帶外 (OOB) 干擾過度驅動 GNSS LNA 或接收器。

TFM.100B 內的 SAW 濾波器經過精心選擇和放置，可出色的進行 OOB 抑制，同時保持較低的 3 dB 噪聲系數。這款易于集成的表面貼裝器件的尺寸為 20 × 18 mm，采用 1.8 至 5.5 VDC 單電源供電。

Taoglas 還提供配套的 [AHPD5354A]評估板（圖 3），進一步簡化了 HP5354.A 與完整系統的集成。該評估板采用 TFM.100B RF 前置放大器和 Taoglas HC125A，這是一款外形扁平的高性能 3 dB 混合耦合器，專為多饋源多頻段 GNSS 應用而設計。HP5354.A、TFM.100B 和 HC125A 作為集成信號鏈協同工作。

圖 3：AHPD5354A 評估板配備了用于 L1/L5 信號的混合耦合器，以及功能齊全的射頻前置放大器和濾波器，以提供完整的射頻信號鏈。（圖片來源：Taoglas Limited）

HP5354.A 通過三個引腳提供兩個正交饋源，其中兩個引腳用于 L1 波段天線輸出，另一個引腳用于 L5 波段輸出。這些饋源通過 L1 波段的混合耦合器進行合成，以確保最佳軸比，并產生右旋極化 (RHCP) 信號，然后接入 TFM.100B 上的對應輸入端。

請注意，HC125A 混合耦合器僅適用于這款天線的高 GNSS 操作頻段（1,559 至 1,610 MHz）。評估板布局圖明確說明了混合耦合器的安裝要求：緊鄰天線引腳布置，并通過并聯兩個 100 Ω 電阻實現正確端接。

結語

無處不在的 GNSS 通過復雜的核心 IC 和先進的算法，來進行確定接收器位置所需的計算。向這些 IC 提供原始信號是射頻信號鏈的挑戰，該信號鏈始于接收天線。Taoglas 的 HP5354.A 天線是一款微型雙波段表面貼裝天線，可同時支持較低和較高的 GNSS 頻帶。配套 Taoglas 混合耦合器和低噪聲前置放大器使用時，設計人員可以直接解決 GNSS 接收器的射頻前端問題。

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