小型マルチバンドパッチアンテナはGNSSレシーバ向けRFフロントエンド設計を簡素化

1980年代後半に米国で全地球測位システム（GPS）が商業的に成功したことに触発され、世界の他の多くの国もそれぞれのGPSバージョンを開発・打ち上げました。これらは総称して全地球航法衛星システム（GNSS）と呼ばれています。過去25年間でGNSS技術は進化を遂げ、相互接続された世界において重要な役割を担うようになりました。今日、GNSSには欧州連合のGalileo、ロシアのGLONASS、中国のBeiDou、インドのIRNSS/NavIC、日本のQZSSがあります。複数の衛星コンステレーションに対応するため、GNSSレシーバシステムはマルチバンド周波数を使用し、GPS衛星システムのみを使用する従来のGPSレシーバよりも優れた精度と信頼性を提供します。

アンテナはレシーバの重要な構成要素であるため、衛星からの微弱な無線信号を捕捉し、ユーザーの正確な位置、ナビゲーション、時刻を決定する上で重要な役割を果たします。その結果、GNSSレシーバは、宇宙空間で異なる衛星航法システムによって送信される下位および上位無線周波数（RF）帯域の両方に対応する複数の周波数帯域を使用します。GNSSレシーバがカバーする帯域と周波数は以下の通りです。

• L1、E1、B1帯域は1,559MHz～1,610MHzの周波数範囲をカバー
• L2、E6、B3、L6帯域は1,217MHz～1,300MHzの周波数範囲をカバー
• L5、E5、B2、L3帯域は1,164MHz～1,217MHzの周波数範囲をカバー

したがって、GNSSレシーバは、宇宙空間でさまざまな衛星ネットワークが使用する複数の周波数範囲に対応可能な広帯域またはマルチバンドアンテナを利用します。複数の周波数帯域を使用することで、GNSSレシーバシステムは信号エラーや干渉に対する脆弱性を低減しつつ、測位精度と信頼性を向上させることが可能となり、GNSSアンテナは広範かつ過酷な環境下においても優れた性能を発揮します。

マルチバンドpatch-within-a-patchアンテナ

初期のGPSレシーバシステムでは、貴重な面積を占有する大きくてかさばるスタック型アンテナを採用していたため、ここ数年、コンパクトで薄型のソリューションへの需要が高まっています。現代のGNSS RFフロントエンドモジュールの要件に効率的かつコスト効率よく対応するため、Taoglas Limitedは高さ制限のある精密なアプリケーション向けに優れたアンテナ技術を設計・開発しました。同社のInceptionシリーズ HP5354.Aは、マルチバンドの1,160MHz～1,610MHzのパッシブパッチアンテナで、位置精度、堅牢性、信頼性を向上させるように設計されています。革新的なセラミックpatch-within-a-patchアンテナ技術を採用し、シングルバンドGPSアンテナと同じフォームファクタで2つのアンテナを組み合わせています（図1）。その結果、IRNSS/NavIC（L5）を含むBeiDou（B1/B2a）、GPS/QZSS（L1/L5）、GLONASS（G1）、Galileo（E1/E5a）の各帯域に対して最適化された偏波ゲインを保証します。これにより、場所に関係なく、幅広いアプリケーションとの適合性が確保されます。

図1: Inceptionシリーズ HP5354.AはGNSSレシーバシステム向けの薄型デュアルバンドpatch-within-a-patchアンテナです。（画像提供：Taoglas Limited）

デュアルバンド用に最適化されたHP5354.Aは、35mm x 35mmのサイズで高さ4mmのコンパクトな薄型アンテナです。11ピンの面実装セラミックパッケージに収められ、そのうちの3ピンをL1およびL5帯域からの直交無線信号の捕捉に使用します。ピンのうち2つはL1帯域からの信号を受信するために使用され、3つ目はL5帯域用です。残りの8ピンはグランドとして機能します。

出力で最適な軸比と右旋円偏波（RHCP）信号を得るため、L1帯域用の2つのフィードは推奨ハイブリッドカプラHC125A（図2）で結合されます。低挿入損失と平衡出力振幅を実現するHC125Aは、マルチバンドGNSSアプリケーション向けに薄型（高さ1.5mm）面実装パッケージで提供されます。

図2：L1帯域からの2つのフィードは、最適な軸比を確保しながらRHCP信号を生成するため、HC125Aハイブリッドカプラで結合されます。（画像提供：Taoglas Limited）

さらに、このデュアルフィードアンテナは、70mm x 70mmのグランドプレーンでチューニングとテストを行い、優れた放射パターンを示しています。さらに、周波数に依存する主要なパラメータについて、両帯域にわたって完全に特性評価されています。これには、リターンロス、電圧定在波比（VSWR）、効率、平均ゲイン、ピークゲイン、軸比、位相中心オフセット、位相中心変動、群遅延などが含まれます。

薄型のデュアルフィードアンテナは、従来のスタック型パッチ設計ではサイズや高さの制限を超える幅広いアプリケーションに利用できます。推奨されるアプリケーションには、ナビゲーション、産業用トラッキング、自律走行車、ロボティクス、ウェアラブル、小型資産トラッカー、精密農業などがあります。

フロントエンドRF信号チェーンの構築

マルチバンドGNSSアンテナはユーザーが提供するGNSSフロントエンドと組み合わせることができますが、Taoglasはマルチフィードパッチとの使用向けに設計されたTFM.100B GNSSフロントエンドモジュールを使用して信号チェーンの設計を簡素化しました。

このモジュールは2段の低ノイズアンプ（LNA）で構成され、このLNAは全帯域で25デシベル（dB）を超えるゲインを提供し、3dB未満の低ノイズ指数（NF）を示します。表面弾性波（SAW）フィルタとLNAを組み合わせ、SAW/LNA/SAW/LNAトポロジを構築します。このトポロジは、ローバンドとハイバンドの信号経路の両方を処理し、不要な帯域外（OOB）干渉がGNSS LNAやレシーバをオーバードライブするのを防ぎます。TFM.100B内のSAWフィルタは、3dBという低NFを維持しつつ、優れたOOB除去性能が得られるように慎重に選択、配置されています。この統合が容易な面実装型デバイスは20mm x 18mmのサイズで、1.8V～5.5Vの単一DC電源で動作します。広い入力電圧範囲により、フロントエンドモジュールはほとんどのGNSSレシーバに簡単に統合できます。

完全なGNSSレシーバフロントエンドモジュールの統合をユーザーがさらに理解できるよう、Taoglasのエンジニアはフロントエンド信号経路のリファレンス設計として評価ボードAHPD5354A（図3）を用意しました。この評価ボードは、TFM.100Bプリアンプ、薄型で高性能なHC125A 3dBハイブリッドカプラ、HP5354.Aマルチバンドパッチアンテナを1枚のプリント回路基板（PCB）に搭載しています。

図3：TaoglasのAHPD5354A評価ボードを使用することで、低ノイズプリアンプ、3dBハイブリッドカプラ、マルチバンドパッチアンテナをGNSSレシーバシステム向けの完全なRFフロントエンドモジュールに容易に統合できます。（画像提供：Taoglas Limited）

評価ボードでは、GNSSの動作帯域が高い（1,559MHz～1,610MHz）場合のみにハイブリッドカプラが必要であることが示されています。同様に、ボードのレイアウト図では、ハイブリッドカプラをアンテナピンの近くに配置し、2つの100Ω抵抗を並列に使用して適切に終端する必要があることが示されています。

さらに、このボードではTFM.100B GNSSフロントエンドモジュールを使用する利点も紹介しています。これには次のようなものが含まれます。

• あらゆるアンテナやGNSSレシーバとともに簡単にドロップイン可能なパッケージ
• 低NFを実現するため、複数の帯域と他の近隣干渉にわたって卓越したOOB除去性能を提供する統合プリフィルタ
• 2段LNA、プリフィルタ、最適化されたインピーダンスマッチングにより、ノイズで信号を過負荷にすることなく、GNSSレシーバに十分なゲインを提供
• コンパクトなフットプリントと薄型設計により、貴重な面積を節約し、外付け部品や配線が不要
• コンパクトな単一パッケージで最高レベルの統合性、製造性、堅牢性を実現

まとめ

マルチバンドパッチアンテナは、厳しい環境下での性能を向上させるために、現代のGNSSレシーバに不可欠なコンポーネントです。ローバンドとハイバンドにまたがる複数の周波数から無線信号を受信することで、デュアルバンドアンテナはGNSSレシーバがシングルバンドシステムの限界を克服することを可能にします。この目標に向け、Taoglasは、小型フォームファクタでL1およびL5帯域を同時にサポートする新しいpatch-within-a-patch技術を使用した薄型デュアルバンドアンテナを開発しました。同社のハイブリッドカプラ、低ノイズプリアンプ、統合型SAWフィルタ、インピーダンス整合回路をコンパクトなセラミックパッケージに組み合わせることで、GNSSレシーバ向けの高性能RFフロントエンド信号チェーンソリューションが実現しています。