緊湊型多頻段塊狀天線簡化 GNSS 接收器 RF 前端的設計

受 1980 年代末美國成功商售全球定位系統 (GPS) 的啟發，世界許多其他國家也紛紛開發各自的 GPS 版本，這些版本統稱為全球導航衛星系統 (GNSS)。在過去的二十五年，GNSS 技術持續演變，在連線世界中扮演關鍵角色。今日，GNSS 包括歐盟的 Galileo、俄羅斯的 GLONASS、中國的北斗、印度的 IRNSS/NavIC 系統、日本的 QZSS。GNSS 接收器系統使用多頻段頻率，以便與多種衛星星座協同工作。相較於僅使用 GPS 衛星系統的傳統 GPS 接收器，能夠提供更高的準確度和可靠性。

天線是接收器的關鍵組件，因此在擷取來自衛星的微弱無線電訊號中扮演重要角色，以確定使用者的精準位置、導航、時間。GNSS 接收器使用多個頻段，對應於太空中不同衛星導航系統發射的低頻和高頻 RF 頻段，其頻段覆蓋的頻率如下：

• L1、E1、B1 頻段為 1559 MHz 至 1610 MHz
• L2、E6、B3、L6 頻段為 1217 MHz 至 1300 MHz
• L5、E5、B2、L3 頻段為 1164 MHz 至 1217 MHz

GNSS 接收器採用寬頻或多頻段天線，可處理太空中各種衛星網路所使用的多頻率範圍。GNSS 接收器系統使用多個頻段，可提升定位準確度和可靠性，並且降低訊號誤差和干擾的影響，讓 GNSS 天線能夠在廣闊且嚴峻的環境中提供卓越的效能。 

多頻段塊狀內塊狀天線

原始 GPS 接收器系統採用大型且笨重的堆疊式天線，會佔用寶貴的空間，因此在過去幾年裡，人們追求緊湊、薄型的解決方案。Taoglas Limited 為高度受限的精準應用設計並開發一種卓越的天線技術，可有效率且符合成本效率地滿足現代 GNSS RF 前端模組的需求。其 Inception 系列 HP5354.A 是多頻段、1,160 MHz 至 1,610 MHz 的被動塊狀天線，專為提高定位準確度、穩健性、可靠性所設計。採用創新的陶瓷塊狀天線技術，將兩個天線組合成與單頻 GPS 天線相同的外型尺寸 (圖 1)。因此，可保證北斗 (B1/B2a)、GPS/QZSS (L1/L5)、GLONASS (G1)、Galileo (E1/E5a) 頻段 (包括IRNSS/NavIC(L5)) 的最佳化極化增益。此外，還確保與各種應用相容，且不受地域限制。

圖 1：Inception 系列 HP5354.A 是用於 GNSS 接收器系統的薄型雙頻塊狀內塊狀天線。(圖片來源：Taoglas Limited)

HP5354.A 是一款緊湊型薄型天線，具備最佳雙頻效能，尺寸為 35 mm x 35 mm，高度為 4 mm。採用 11 引腳表面黏著陶瓷封裝，使用三個引腳擷取 L1 和 L5 頻段的正交無線電訊號 (其中兩個引腳用於接收 L1 頻段的訊號，第三個引腳則用於接收 L5 頻段的訊號)，其餘八個引腳用於接地。

為了取得最佳軸比和右旋圓偏振 (RHCP) 輸出訊號，使用建議的混合耦合器 HC125A (圖 2) 將 L1 頻段的兩個饋源組合。HC125A 具有低插入損耗和平衡輸出幅度，採用薄型 (高 1.5 mm) 表面黏著封裝，適用於多頻段 GNSS 應用。

圖 2：L1 頻段的兩個饋源在 HC125A 混合耦合器中結合，以確保產生右旋圓偏振 (RHCP) 訊號時具有最佳軸比。(圖片來源：Taoglas Limited)

此外，雙饋天線在 70 mm x 70 mm 的接地平面上進行調諧和測試，並展現出優異的輻射場型，也已在兩個頻段上對其關鍵頻率相關參數進行全面表徵。這些參數包括回波損耗、電壓駐波比 (VSWR)、效率、平均增益、峰值增益、軸比、相位中心偏移、相位中心變化、群延遲。  

雙饋天線具有薄型外型，因此可廣泛運用於傳統堆疊塊狀設計過於笨重且過高的應用。建議的應用領域包括導航、工業追蹤、自主式車輛和機器人、穿戴式裝置、小型資產追蹤器、精準農業等。

建構前端 RF 訊號鏈

多頻段 GNSS 天線可以與使用者提供的 GNSS 前端結合使用，同時 Taoglas 使用專為多饋源塊狀天線設計的 TFM.100B GNSS 前端模組，亦可簡化訊號鏈的設計。

此模組包含一個雙級低雜訊放大器 (LNA)，在所有頻段上提供超過 25 dB 的增益，且雜訊係數 (NF) 低於 3 dB。採用表面聲波 (SAW) 濾波器，與 LNA 結合，形成 SAW/LNA/SAW/LNA 拓撲結構，可處理低頻段和高頻段訊號路徑，以抑制不必要的頻外 (OOB) 干擾，防止 GNSS LNA 或接收器過載。TFM.100B 中的 SAW 濾波器也經過精心挑選和放置，以提供出色的頻外抑制，同時保持 3 dB 的低雜訊係數。這款表面黏著元件容易整合，尺寸為 20 mm x 18 mm，使用單一 1.8 V 至 5.5 V 直流電源供電。具有寬廣的輸入電壓範圍，能讓前端模組輕鬆整合至大多數 GNSS 接收器中。

Taoglas 的工程師提供 AHPD5354A 評估板 (圖 3)，作為前端訊號路徑的公版設計，可進一步協助使用者瞭解完整 GNSS 接收器前端模組的整合。此評估板整合 TFM.100B 前置放大器、薄型高效能 HC125A 3 dB 混合耦合器、HP5354.A 多頻段塊狀天線於單一印刷電路板 (PCB)。

圖 3：Taoglas 的 AHPD5354A 評估板簡化低雜訊前置放大器、3 dB 混合耦合器、多頻段塊狀天線在 GNSS 接收器系統完整 RF 前端模組中的整合。(圖片來源：Taoglas Limited)

此評估板顯示，只有在 GNSS 工作頻段較高 (1,559 MHz 至 1,610 MHz) 時才需要混合耦合器。同樣地，由電路板的佈局圖中看出，混合耦合器必須放置在靠近天線引腳的位置，並使用兩個並聯的 100 Ω 電阻進行正確端接。

此外，此板件還展示了 TFM.100B GNSS 前端模組的一些優勢，包括：

• 可直接加入任何天線或 GNSS 接收器中
• 整合式預濾波器可在多個頻段和其他相鄰干擾下提供卓越的頻外抑制，達到低雜訊係數
• 採用雙級低雜訊放大器 (LNA)、預濾波器，以及最佳化阻抗匹配，為 GNSS 接收器提供足夠的增益，但不造成訊號雜訊比過高
• 具有緊湊的覆蓋區和薄型設計，無需外部組件和佈線，可節省寶貴的空間
• 在單一緊湊封裝中達到最高水準的整合度、可製造性、穩健性

結論

多頻段塊狀天線是現代 GNSS 接收器重要的組成，可提升在嚴峻環境下的效能。雙頻天線可接收低頻和高頻的多頻率無線電訊號，能讓 GNSS 接收器克服單頻系統的限制。Taoglas 開發新型的「塊狀內塊狀」技術薄型雙頻天線，實現這一目標。此天線以小型外型尺寸支援 L1 和 L5 頻段，並且結合其混合耦合器、低雜訊前置放大器、整合式 SAW 濾波器、阻抗匹配電路，採用緊湊的陶瓷封裝，最終打造出適用於 GNSS 接收器的高效能 RF 前端訊號鏈解決方案。