紧凑型多频带贴片天线简化了 GNSS 接收机的射频前端设计

20 世纪 80 年代末，全球定位系统 (GPS) 在美国成功投入商业运营，受此启发，世界上许多其他国家也开发并推出了各自的 GPS 版本，统称为全球卫星导航系统 (GNSS)。在过去 25 年里，GNSS 技术不断发展，在互联的世界中发挥着至关重要的作用。如今，GNSS 包括欧盟 Galileo、俄罗斯的 GLONASS、中国的北斗、印度的 IRNSS/NavIC 和日本的 QZSS。与只使用 GPS 卫星系统的传统 GPS 接收机相比，为了与多个卫星星座协同工作，GNSS 接收机系统使用多频带频率，以获得更高的精度和可靠性。

天线是接收机的关键组件，在捕捉卫星发出的微弱无线电信号以确定用户的精确位置、导航和时间方面起着至关重要的作用。因此，GNSS 接收机要使用多个频带，这些频带与空间不同卫星导航系统传输的较低和较高射频 (RF) 频带相对应。GNSS 接收机覆盖的频带和频率汇总如下：

• L1、E1、B1 频带的频率范围为 1,559 MHz 至 1,610 MHz
• L2、E6、B3、L6 频带的频率范围为 1,217 MHz 至 1,300 MHz
• L5、E5、B2、L3 频带的频率范围为 1,164 MHz 至 1,217 MHz

因此，GNSS 接收机使用了宽带或多频带天线，可以处理各种空间卫星网络使用的多种频率范围。使用多频带频率可提高 GNSS 接收机系统的定位精度和可靠性，减少信号误差和干扰，能够让 GNSS 天线在广阔和恶劣的环境中提供卓越的性能。

多频带嵌套式贴片天线

由于最初的 GPS 接收机系统采用的是大型、笨重的叠接式天线，占用了宝贵的空间，因此在过去几年中，人们对紧凑、扁平解决方案的需求一直很高。为了高效、低成本地满足现代 GNSS 射频前端模块的要求，Taoglas Limited 针对高度受限的精确应用设计并开发了一种卓越的天线技术。该公司的 Inception 系列 HP5354.A 是一款多频带、1,160 MHz 至 1,610 MHz 的无源贴片天线，旨在提高定位精度、鲁棒性和可靠性。它采用创新的陶瓷嵌套式贴片天线技术，在与单频 GPS 天线相同的外形尺寸内嵌入了两个天线（图 1）。因此，它能保证为北斗 (B1/B2a)、GPS/QZSS (L1/L5)、GLONASS (G1) 和 Galileo (E1/E5a) 频带（包括 IRNSS/NavIC (L5)）提供优化的极化增益。这也确保了在任何地点都能与各种应用兼容。

图 1：Inception 系列 HP5354.A 是用于 GNSS 接收机系统的扁平嵌套式贴片天线。（图片来源：Taoglas Limited）

HP5354.A 针对双频带性能进行了优化，是一款结构紧凑、外形扁平的天线，尺寸为 35 mm x 35 mm，高度为 4 mm。它采用 11 引脚表面贴装陶瓷封装，其中三个引脚用于捕捉 L1 和 L5 频带的正交无线电信号。这三个引脚中的两个用于接收 L1 频带的信号，第三个用于接收 L5 频带的信号。其余八个引脚接地。

为了在输出端获得最佳轴比和右旋圆极化 (RHCP) 信号，L1 频带的两个馈入信号使用推荐的混合耦合器 HC125A 进行组合（图 2）。HC125A 采用扁平（1.5 mm 高）表面贴装封装，插入损耗低，输出振幅平衡，适用于多频带 GNSS 应用。

图 2：来自 L1 频带的两个馈入信号在 HC125A 混合耦合器中进行组合，以确保最佳轴比，同时产生 RHCP 信号。（图片来源：Taoglas Limited）

此外，双馈点天线已在 70 mm x 70 mm 的地平面上进行了调谐和测试，并显示出极佳的辐射图。此外，它还在两个频带内对与频率有关的关键参数进行了全面特征化。这些参数包括回波损耗、电压驻波比 (VSWR)、效率、平均增益、峰值增益、轴向比、相位中心偏移、相位中心变化和群延迟。

双馈点天线外形扁平，可广泛应用于传统叠层式贴片设计过于笨重和高大的场合。推荐应用包括导航、工业跟踪、自动驾驶汽车和机器人技术，以及可穿戴设备、小型资产跟踪器和精准农业。

构建前端射频信号链

虽然多频带 GNSS 天线可与用户自备的 GNSS 前端相结合，但 Taoglas 通过采用专为多馈点贴片天线设计的 TFM.100B GNSS 前端模块，显著简化了信号链的设计。

该模块包括一个两级低噪声放大器 (LNA)，在所有频带的增益均超过了 25 分贝 (dB)，噪声系数 (NF) 小于 3 dB。它采用表面声波 (SAW) 滤波器，与低噪声放大器相结合，形成 SAW/LNA/SAW/LNA 拓扑，同时处理低频带和高频带信号路径，以抑制不必要的带外 (OOB) 干扰，防止 GNSS 低噪声放大器或接收机过载。TFM.100B 内的 SAW 滤波器经过精心选择和放置，可出色的进行 OOB 抑制，同时保持较低的 3 dB 噪声系数。这款易于集成的表面贴装器件的尺寸为 20 × 18 mm，采用 1.8 至 5.5 VDC 单电源供电。宽输入电压范围使得前端模块能够轻松集成到大多数 GNSS 接收机中。

为了进一步帮助用户了解完整的 GNSS 接收机前端模块的集成情况，Taoglas 工程师准备了一块评估板 AHPD5354A（图 3），作为前端信号路径的参考设计。该评估板将 TFM.100B 前置放大器、扁平高性能 HC125A 3 dB 混合耦合器以及 HP5354.A 多频带贴片天线集成在一块印刷电路板 (PCB) 上。

图 3：Taoglas 的 AHPD5354A 评估板简化了将低噪声前置放大器、3 dB 混合耦合器和多频带贴片天线集成到完整的 GNSS 接收机系统射频前端模块的过程。（图片来源：Taoglas Limited）

该评估板显示，只有在 GNSS 工作频带较高（1,559 MHz 至 1,610 MHz）时，才需要使用混合耦合器。同样，电路板的布局图表明，混合耦合器必须靠近天线引脚放置，并使用两个并联的 100 欧姆电阻进行正确端接。

此外，电路板还突现了使用 TFM.100B GNSS 前端模块的一些好处。具体包括：

• 可与任何天线或 GNSS 接收机轻松组合使用
• 集成式前置滤波器可在多个频带和其他邻近干扰中提供出色的板外抑制，从而实现低噪声系数
• 两级低噪声放大器、前置滤波器和优化阻抗匹配可为 GNSS 接收机提供足够的增益，而不会出现信噪比过载的情况
• 紧凑的封装和扁平的设计节省了宝贵的空间，无需外部元件和布线
• 在紧凑的封装中实现最高的集成度、可制造性、鲁棒性

结语

多频带贴片天线是现代 GNSS 接收机的重要组成部分，可提高在恶劣环境中的性能。通过接收跨越低频和高频的多个频率的无线电信号，双频带天线能够让 GNSS 接收机克服单频带系统的局限性。为实现这一目标，Taoglas 运用新颖的“嵌套式贴片”技术开发出了一款小尺寸双频带天线，同时支持 L1 和 L5 频带。再结合该公司采用紧凑陶瓷封装的混合耦合器，以及集成了 SAW 滤波器和阻抗匹配电路的低噪声前置放大器，最终构成了一套专为 GNSS 接收机设计的高性能射频前端信号链解决方案。