GPS Patchアンテナのメリットと使用ポイント

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設計ワイヤレス Taoglas

本記事についてはTaoglasのGPS パッチアンテナのアプリケーションノート：APN-12-8-002.Bの要点を記載した記事となります。詳細については下記のURLのアプリケーションノートを参照下さい。

GPS パッチアンテナのアプリケーションノート

製品基本情報

GNSS(Global Navigation Satellite System)は日本語で全球測位衛星システムのことを指します。

一般的にアメリカのGPS/ロシアのGLONASS/中国のBeidou/ヨーロッパのGalileoが挙げられ、日本の「みちびき」はQZSS(quasi-zenith Satellite System)としてアジアオセアニアを中心とした、GPSの補完/補強システムとして位置づけられています。

今回の記事ではGNSSの中でも馴染みが深いGPSのパッチアンテナについて記載していきます。

パッチアンテナの基本

TaoglasのGPSのパッチアンテナは小型でコンパクトなアプリケーションに活用可能です。なぜなら、衛星ナビゲーションシステム(GNSS)にとって重要な天頂方向に高利得を維持することができるからです。
また、円偏波になっておりGPS衛星かのら円偏波信号を効率的に受け取ることができます。

配置

理論的なGPSアンテナの最適な位置はPCBの中心かつGPS受信機の最上部です。

これには電気と物理両方の観点で理由があります。電気的な意味合いとしてはGPS受信機への入力とアンテナ給電点がGPS受信機の真上にあるため伝送ラインが不要となります。物理的な意味合いとしてはアンテナが中央に配置されている場合、PCB端の近くに配置することにより放射プロットが歪むことがありません。

GNDプレーンの影響

GNDプレーンが大きいほど一般的にアンテナゲインが大きくなります。
また、アンテナの中心周波数はGNDプレーンのサイズによって変化します。
(下図はその一例となります)

帯域幅

GPSアンテナの有効帯域幅は通常-10dB未満のリターンロスの周波数帯域で測定されます。セラミックパッチのGPSアンテナの帯域幅はサイズによって変化します。

したがってアンテナが小さいほどデバイスで周波数シフトが発生する可能性が高くなります。この状態でアンテナを使用するのは最適ではないため、アンテナの帯域幅を再調整してGPSであれば1.5754GHzで有効帯域幅を確保するように調整する必要があります。

以下がその特性の参考値です。

GAIN

アンテナのゲインは指向性と表面積によって決まります。GPSアンテナは天頂に向かって高くなり、そして水平方向に対して徐々に下がります。GNDプレーンとピークゲインの関係が以下になります。
(GNDプレーンが大きくなることによってピークゲインも増えているのが分かるかと思います)

GPSパッチアンテナの利点

・精度が重要なアプリケーションに最適
・実装工数を低減
・経済的(ローコスト)
・小型
・環境に合わせた最適値に調整可能

実装

GPSパッチアンテナは2つ実装方法があります。
　

■ピン実装タイプの製品

一般的な方法で基板の上に両面テープで取付けます。ピンは基板の裏側に通し、給電点と半田付けされます。

■SMDタイプの製品

表面実装出来るユニークなアンテナもあります。テープ&リールで提供され、通常のリフローでパッドに直接半田付けすることができます。リフローのピーク温度は最高261℃/41秒です。振動にも非常に強いです。

環境

全てのアンテナはコンポーネントやハウジング等に近接すると電気的に影響を受けます。中心周波数がずれ、かつ放射パターンも歪んできます。そのためセンター周波数とインピーダンスのチューニングが発生します。

最大の効率を得るためにはボードやハウジングから全方向に最大4～10mmのクリアランスが必要です。

チューニング

GPSパッチアンテナは、アンテナが配置される環境からの周波数シフトを考慮し取り付けられるグランドプレーンに合わせて調整する必要があります。

これは、シュミレーションツールを使用するよりも実際に評価する方が早くて正確です。

■インピーダンスマッチング

アンテナはスミスチャートで50Ωに近づくように調整されます。占有帯域幅でのリターンロス(S11)は業界標準は10dB未満です。ただし、最も重要なのは使用環境での放射特性/ゲイン/占有帯域を確認することです。

■放射パターンとゲインテスト

アンテナのX-Y面とY-Z面の放射特性はデバイスで取得されます。それらが交差する場所で0度/180度でデータを取得して、4つの基準点を持つ水平線を引くことにより、水平放射パターンを生成できます。これにより放射の3Dパターンが取得できます。
(実際の3Dパターンについては各データシートに記載しており、本記事では割愛しています)

これらの放射パターン特性から他のアンテナとの性能比較や、実運用での低高度衛星の信号をアンテナが受信する能力などいくつかの重要な情報を知ることができます。以下のパターンは35mmのGNDプレーンに25mm*25mm*2mmのパッチアンテナを使用した時に取得したものです。
https://cdn3.taoglas.com/datasheets/SGGP.25.2.A.02.pdf