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天線的創新材料和設計能克服多頻段 GNSS 的困境

作者： Bill Schweber 2025-06-05

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評估／開發工具

導航

全球定位系統 (GPS) 自 1970 年代末期至 1980 年代間，在美國國防部 (DoD) 的支持下，其作用和應用皆大幅成長。最初僅用於導航和飛彈導引，現在則整合到資產追蹤和監測、自動駕駛車、農業、穿戴式裝置，還有其創始人從未設想過的其他眾多最終用途。

在美國成功部署 GPS 後，其他國家和區域也開發並推出等同 GPS 的系統，統稱為全球導航衛星系統 (GNSS)。GNSS 包括 GLONASS (俄羅斯)、Galileo (歐盟) 和 BeiDou (中國)，以及兩個區域型的 GNSS 系統：QZSS (日本) 和 IRNSS/NavIC (印度)。

雖然最初的 GPS 接收器系統很龐大，幾乎放不進後車廂，但現代技術已將 GNSS 核心引擎縮小到單一積體電路 (IC)。無論 GNSS 類型如何，這些系統全都需要經過最佳化的天線，以接收來自 GNSS 衛星陣列的極低位準 RF 訊號。隨著 GNSS 接收器的尺寸縮小且功率要求降低，天線的尺寸也要跟著縮小。

但這會對接收器帶來挑戰，因為就必須處理不只一個 GNSS 系統或頻段。在此情況下，需要的天線必須針對使用中的不同系統，處理其較低和較高的 RF 頻段 (圖 1)。

圖 1：針對使用中的各個系統，其指定的 GNSS 頻率分配和頻段皆呈現出重疊和分離。(圖片來源：Taoglas Limited)

GNSS 頻段與頻率具有以下名稱：

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

請注意，L 頻段是指 1,525 至 1,559 MHz 的頻率範圍，且各衛星都會使用此頻段來傳輸校正訊號。

寬頻或多頻段天線的需求，可追溯至 20世紀初的無線通訊早期階段，且有兩種通用的作法可達成。一種是使用實體「陷波器」或負載線圈，讓單一窄頻天線在兩個不同的中心頻率下共振。另一個作法是採用專為達到寬頻效能而設計的單一天線。

對當今的緊湊型系統設計來說，這兩種解決方案都並非 GNSS 天線的首選。陷波器作法需要相對較大的離散電感和電容，而寬頻天線則會犧牲對效能至關重要的屬性，例如增益和效率。

優異的天線作法

現在已經有個更好的解決方案，就是 Taoglas Limited 的 Inception 系列。以 HP5354.A (圖 2) 為例，就是一款多頻段、1,160 至 1,610 MHz 的被動式 GNSS 塊狀天線，專為增強定位準確度而設計。這款創新的陶瓷塊狀內塊狀天線，具有針對 BeiDou (B1/B2a)、GPS/QZSS (L1/L5)、GLONASS (G1) 和 Galileo (E1/E5a) 頻段的最佳化增益。

圖 2：HP5354.A 是一款緊湊的薄型天線，經過最佳化，可發揮雙頻段 (L1 和 L5) GNSS 效能。(圖片來源：Taoglas Limited)

HP5354.A 的尺寸為 35 × 35 mm，高度為 4 mm，因此非常適合緊湊的薄型設計。採用 11 引腳的封裝，其中 3 個引腳用於接收訊號介面 (2 個用於 L1 頻段，1 個用於 L5 頻段)，而其餘引腳則當作接地。

多重饋入型 HP5354.A 已使用 70 × 70 mm 接地面進行調諧和測試，具有優異的輻射模式。可以涵蓋新一代 L1/L5 GNSS 所需的頻段，並可在兩個頻段上，針對關鍵頻率的相關參數發揮完整特色，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、相位中心變化和群體延遲。

Taoglas HP5354.A 的應用

雖然 HP5354.A 能搭配使用者提供的前端模組使用，但 Taoglas 可利用 TFM.100B GNSS RF 模組簡化低位準訊號鏈的開發。此高效能模組可涵蓋 L1 和 L5 頻段，專為搭配多重饋入塊狀天線使用而設計。

TFM.100B 具有雙級低雜訊放大器 (LNA)，可在所有頻段提供超過 25 dB 的增益，並達到小於 3 dB 的低雜訊指數。此模組在低頻段和高頻段的訊號路徑中均採用表面聲波 (SAW)/LNA/SAW/LNA 拓撲結構，以免不必要的頻外 (OOB) 干擾過度驅動 GNSS LNA 或接收器。

TFM.100B 中的 SAW 濾波器經過精心挑選和放置，可提供優異的 OOB 拒斥效果，同時維持 3 dB 的低雜訊指數。這款容易整合的表面黏著裝置尺寸為 20 × 18 mm，能以 1.8 至 5.5 VDC 單電源操作。

Taoglas 提供 AHPD5354A 評估板 (圖 3)，可進一步簡化 HP5354.A 整合到完整系統的作業。此板件具有 TFM.100B RF 前置放大器，以及 Taoglas HC125A。這款薄型、高效能的 3 dB 混合式耦合器，專為多重饋入多頻段 GNSS 應用而設計。HP5354.A、TFM.100B 和 HC125A 能以整合式訊號鏈的方式一同運作。

圖 3：AHPD5354A 評估板具有 L1/L5 訊號用的混合式耦合器，以及全功能的 RF 前置放大器和濾波器，可提供完整的 RF 訊號鏈。(圖片來源：Taoglas Limited)

HP5354.A 透過三個引腳提供兩條正交饋線，其中兩個引腳用於 L1 頻段天線輸出，另一個引腳則用於 L5 頻段輸出。這些饋線會結合到 L1 頻段用的混合式耦合器中，以確保最佳的軸比並產生右旋圓極化 (RHCP) 訊號，接著再呈現給 TFM.100B 上的對應輸入端。

請注意，HC125A 混合式耦合器僅需用於此天線的 GNSS 高工作頻段 (1,559 至 1,610 MHz)。評估板的佈局圖可指出如何將混合式耦合器放置在天線引腳附近，以及如何使用兩個並聯的 100 Ω 電阻正確端接。

結論

無處不在的 GNSS 利用複雜的核心 IC 和進階演算法來進行必要的運算，以判定接收器的位置。要向這些 IC 提供原始訊號是 RF 訊號鏈必經的挑戰，接收器天線就是起點。Taoglas 的 HP5354.A 是一款微型的雙頻表面黏著式天線，可同時支援較低和較高的 GNSS 頻段。若搭配 Taoglas 混合式耦合器和低雜訊前置放大器裝置一同使用，設計人員就享有直覺的解決方案，可實作 GNSS 接收器的 RF 前端。