向错料偏料Say No!手把手教你导航卫星天线选型

电子创新网2020-06-29 09:24:58

手把手教你导航卫星天线选型

现今全球导航卫星系统 (Global Navigation Satellite System, 简称GNSS) 已广泛应用于不同领域的产品——大型如交通基建设施、汽车导航,轻巧如物联网及手机应用——而支持GNSS 的射频天线(Antenna) 也向着多元化发展。


天线本身是无源(Passive) 零部件,负责接收从外太空GNSS人造卫星发射来的模拟信号(Analog Signal),如工程师需要进行数码射频通讯产品设计,微弱的模拟信号加上因热噪声(Thermal Noise ) 引起的杂信是难以进行模数转换(ADC)操作的。为了克服这个问题,在天线前端 (Front-end) 会采用一个低噪声放大器 (LNA , Low-Noise Amplifier) 及滤波器 (Filter) 的组合,对天线上的入射电压及频宽进行调节,以获得最终的数字采样。所以有的生产商将放大器和/或滤波器嵌入到天线中,成为有源 (Active) 元件,也有的加上电缆端接,以方便工程师使用 (如图1)。


图1,射频通讯系统接收端框图


现有不少生产厂商都在进行GNSS天线的研发及支持,这使得工程师在享有更多选择便利的同时,也需更花费时间选取合适的零件。下面我们来详细介绍一下,工程师应该如何利用Digi-Key的平台,快速精准地选择合适的GNSS天线。

从“频率(中心/带)”及“频率范围”开始

美国的全球定位系统 (GPS)、 俄罗斯的GLONASS 、欧洲的 Galileo 及我国于2010年开始运作的北斗系统 (BDS, 或更贴切的英文注音 “BEIDOU”)是目前较普遍及通用的全球定位系统。图2中显示了现在各系统被检测及开放于民用的信号波段。

 

图2,BEIDOU、GALILEO、GLONASS和GPS频段分布图


工程师在选择天线时, 普遍会利用电脑搜索引擎去寻找,例如“天线 1.559 GHZ”, 但寻找结果会不全面或误找了偏料,反而费工夫。Digi-Key网站上的搜索框也有相同的搜索功能,而且还有方便工程师使用的“高级搜索”功能,筛选“现货”以减少找到偏料或市场缺货料的风险。


 图3,利用Digi-Key网站高级搜索功能避免偏料


工程师也可在“RF天线”的产品项目下自行筛选所需天线的频率(中心/带)或范围(如图4)。

 

图4,通过频率(中心/带)或范围筛选天线


或直接在搜索框上输入所应用的GNSS系统关键字,例如“北斗天线”,直接跳进产品类型。利用参数项“频率范围”的搜索,加上观察不同生产商对各频谱的支持及库存量,有助于工程师获得更灵活的设计空间及可行性。

 

图5,通过关键字直接搜索所需产品类型


利用“特性”及“端接”参数筛选


如成本及产品空间允许,工程师可考虑包含低噪声放大器和/或滤波器以及附设电缆端接的天线,这时可利用Digi-Key的“特性”及“端接”的参数项进行筛选寻找。

 

图6,利用“特性”和“端接”参数进行筛选


例如工程师想寻找“包含低噪声放大器及滤波器”及“附设不同长度的SMA公头电缆端接”的“北斗天线”,经筛选后,工程师便知道Tallysman Wireless Inc. 公司的Accutenna™系列及Taoglas Limited 公司的MagmaX 系列是两款在市场上较普遍被采用的产品,这样工程师选料的范围就更聚焦了。


聚焦三要素:驻波比、回波损耗及增益


在“【工程师说】芯片天线的关键参数及天线设计”一文中曾介绍过,驻波比 、回波损耗及增益是三个重要参数。 Digi-Key的参数选项除了让工程师直接选出所需数值的物料外,也可看出该参数可配合的数值范围。例如工程师想找“无源”及高L波段 (1.5xxGHz – 1.6xxGHz) 的北斗天线,经筛选后的结果如图7所示。这样工程师便知道这三个参数在市场上现有的支持范围,从而协助其完成设计。


 图7,通过驻波比 、回波损耗及增益筛选北斗天线示例


不容忽视的评估、开发套件及板卡


天线在电路板上的线路布局、方向、电路板厚度甚至天线的类型,也会影响产品设计及日后生产工序,所以天线选取前的模拟评估测试及分析也十分重要,因此生产商对其产品模拟及评估的支持也是工程师选料考虑之一。


在Digi-Key网站搜索框上输入“评估”,点击“RF 评估和开发套件”,并在结果中搜索“GNSS”,工程师便可看到不同款对应于GNSS 天线及系统的评估、开发套件及板卡。例如Linx Technologies Inc.公司的MDEV-GNSS-GM开发套件,当中包含接收L1 1.598-1.605GHz GNSS频谱內GPS、GLONASS、GALILEO 及日本QZSS信号的GM系列接收模块 (Receiver Module),这很方便工程师对所选天线作测试及应用实习。有关接收模组的原理特性及选料, 我们在本文中没有作介绍及讨论,日后有机会再与大家分享!


总而言之,在导航卫星系统应用天线的选料方面,Digi-Key可以给予工程师全方位的支持,从概念、关键参数、生产商的选择,避免偏料,到评估板支持等等。Digi-Key的搜索功能及参数筛选工具都是工程师的好帮手,让你事半功倍!


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