Utilice antenas GNSS en miniatura y de alto rendimiento para minimizar compromisos de diseño

Un aspecto importante de la ingeniería se centra en el arte de hacer sacrificios de componentes respecto a la determinación de los sistemas "imprescindibles" y "buenos de tener". Estos compromisos incluyen velocidad frente a disipación de energía, huella frente a funcionalidad y capacidades frente a costo.

Tomar estas decisiones implica modelado y simulaciones de "qué pasaría si" junto con una experiencia adquirida sobre qué funcionará y hasta qué punto. Las elecciones de componentes resultantes definen en gran medida las capacidades, atributos y limitaciones del producto final.

Afortunadamente, no todas las elecciones de componentes requieren un compromiso o compromiso difícil. Consideremos el Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS), un término genérico para GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou y otras constelaciones de satélites que proporcionan servicios de posicionamiento, navegación y temporización global (PNT) a lo largo del espectro RF de 1.1 a 1.6 gigahercios (GHz) (Figura 1). Al usar señales recibidas de satélites apoyados por procesamiento avanzado de señales y algoritmos sofisticados, GNSS puede emplearse en aplicaciones que van desde el seguimiento de activos de baja precisión hasta la localización 3D de alta precisión a centímetros.

Figura 1: Existen muchos sistemas GNSS en uso, cada uno con una o más asignaciones en el segmento de 1.1 a 1.6 GHz del espectro RF. (Fuente de la imagen: Taoglas)

Los diseños de antenas GNSS varían para adaptarse a la amplia gama de aplicaciones. Algunos están diseñados para una o unas pocas bandas GNSS a lo largo del espectro asignado, mientras que otros cubren muchas o todas. Además de seleccionar la frecuencia central (o frecuencias) y los anchos de banda deseados, los diseñadores deben elegir las características físicas y eléctricas. Físicamente, las antenas pueden ser externas o empotradas; eléctricamente pueden ser activos o pasivos:

• Las antenas GNSS externas son más adecuadas para aplicaciones que requieren la máxima precisión y visibilidad del cielo despejado, asegurando una recepción precisa y fiable de señales satelitales en sistemas telemáticos, topografía y vehículos autónomos.
• Las antenas integradas son una buena opción para aplicaciones que requieren un alto grado de integración de empaquetado. Ofrecen un camino hacia un producto final GNSS integrado y sin fisuras, como un rastreador de activos.
• Las antenas GNSS activas incorporan un amplificador interno de bajo ruido (LNA) alimentado por una fuente externa para amplificar la señal. Aumentar la señal aumenta la relación señal-ruido (SNR), un parámetro clave para lograr una mejor recuperación de señal recibida y reducir los errores de datos posteriores y la tasa de error de bits (BER).
• Las antenas GNSS pasivas no tienen amplificador interno. Son una solución más sencilla que captura la energía RF incidente y la transmite directamente al front-end de RF (RFE), ofreciendo una opción de antena sin alimentación más pequeña, menos costosa.

La inclusión de un LNA, incluso para una antena integrada, puede ser necesaria para mitigar la pérdida de señal causada por largos tramos de cable o factores ambientales desafiantes, como reflejos de los edificios o absorción por follaje.

Aunque una antena GNSS activa integrada generalmente ofrece un mejor rendimiento, también puede aumentar la complejidad, el consumo de energía, el tamaño físico y el coste de la lista de materiales (BOM). Una antena pasiva es más sencilla, pero puede tener un rendimiento RF algo reducido y es más sensible a la colocación.

Afortunadamente, gracias a la amplitud y profundidad de las soluciones de antenas GNSS de Taoglas, los diseñadores pueden encontrar una combinación óptima para su aplicación en función de los parámetros de prioridad. Un análisis de dos modelos representativos, uno pasivo embebido y otro externo activo, ofrece una perspectiva comparativa.

Antenas pasivas y activas

HP2356.A (Figura 2, arriba) de la serie Inception es un buen ejemplo de antena pasiva GNSS embebida multibanda diseñada para una precisión y colocación óptimas de la posición. Esta antena utiliza un innovador diseño de antena cerámica de parche dentro de un parche con ganancia optimizada para las bandas GPS L1/L2, Galileo, GLONASS y BeiDou. Entre los muchos parámetros de rendimiento proporcionados para esta antena se encuentran la eficiencia (Figura 2, abajo a la izquierda) y la ganancia (Figura 2, abajo a la derecha), con los gráficos mostrando las frecuencias de respuesta pico y las de respuesta deliberadamente reducida.

Figura 2: Se muestra el HP2356. Una antena de parche pasiva embebida GNSS multibanda (arriba); entre los parámetros críticos de rendimiento se encuentran la eficiencia de la antena (abajo a la izquierda) y la ganancia (abajo a la derecha). (Fuente de la imagen: Taoglas)

Ambos gráficos muestran claramente la capacidad de la antena pasiva para funcionar en las bandas de interés y la respuesta reducida fuera de esas bandas.

La antena mide 35 × 35 × 6 mm, y su diseño de perfil bajo permite a los diseñadores integrar un parche GNSS L1/L2 multibanda en dispositivos donde antes no habría sido posible debido a limitaciones de altura. Las trazas de RF desde la antena hasta el circuito frontal deben mantener una impedancia de 50 ohmios (Ω). Taoglas recomienda centrar la antena en un plano de tierra de la placa de circuito que mide al menos 70 × 70 milímetros (mm) para asegurar un rendimiento óptimo.

Para un dispositivo externo activo, los diseñadores pueden utilizar la antena GNSS multibanda XAHP.50.A.301111 Colosseum X (Figura 3, arriba), que funciona bien en todo el espectro GNSS. Esta antena permite una alta precisión de localización y un seguimiento estable de posición en entornos urbanos.

La eficiencia del XAHP-50.A.301111 se muestra (Figura 3, abajo a la izquierda) y, debido a la inclusión del LNA, la ganancia (Figura 3, abajo a la derecha) mejora drásticamente en comparación con una antena pasiva. Las especificaciones clave de RF en la banda GNSS incluyen una ganancia de 22 y 28 decibelios (dB), un rango de atenuación fuera de banda (OOB) de 25 a 50 dB y una figura de ruido (NF) baja entre 2.6 y 4.5 dB.

Figura 3: La antena GNSS multibanda XAHP.50.A.301111 (arriba) incluye un LNA para aumentar la intensidad de la señal recibida y así mejorar la SNR y el BER; la eficiencia (abajo a la izquierda) y la ganancia (abajo a la derecha) se han mejorado drásticamente en comparación con una antena pasiva. (Fuente de la imagen: Taoglas)

Esta antena ofrece un rendimiento excelente en todo su ancho de banda y su diseño proporciona una ganancia uniforme en todo el hemisferio de recepción 3D. Esto proporciona una relación axial amplia, que a su vez potencia su rechazo por múltiples trayectorias. El LNA incorporado opera de 1.8 a 5 voltios CC (VCC) y consume menos de 20 miliamperios (mA); la conexión a la antena es mediante un cable coaxial estándar RG-174 de tres metros (m) equipado con un conector recto SMA(M).

La sólida carcasa ASA de montaje permanente y resistente al vandalismo tiene clasificación IP67, solo 57 mm de altura, un diámetro de aproximadamente 94 mm y está diseñada para facilitar su instalación. Se monta al panel mediante un montante roscado M20 × 1.5 que permite que el cable coaxial pase. Aunque puede montarse en cualquier superficie, el rendimiento puede verse afectado cuando se monta sobre metal.

Conclusión

Los diseñadores de sistemas que reciben una, varias o todas las constelaciones GNSS disponibles no tienen que comprometerse a la hora de encontrar una antena adecuada para sus necesidades específicas. Taoglas ofrece una gama completa de antenas empotradas y externas pasivas y activas para todos los segmentos de la banda GNSS. Al elegir uno que se ajuste estrechamente a los requisitos, los diseñadores pueden eliminar una fuente de dificultad e incertidumbre en el proyecto y tener mayor flexibilidad para definir el resto del proyecto.