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4-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Applikation Design von

Applikation Design von GPS-Antennen für Automotive-Anwendungen Das Design aktiver GPS- Antennen befasst sich im Wesentlichen mit drei Komponenten: Einem Patch- Element, einem Filter und einem rauscharmen Verstärker. Jede dieser Komponenten stellt einen wichtigen Teil der Gesamtantenne dar und ist kritisch für die optimale Leistung. Bild 1: Verwendete Techniken zur Erzeugung von RHCP Antennen-Element Microstrip-Patch-Technologie wird oft zur Erstellung des Antennen-Elements für mobile GPS-Anwendungen verwendet. Die Abmessungen haben sich bis auf eine 1“-Rechteckfläche reduziert, bei Stärken von 0,16 bis 0,25“. Die Dielektrizitätskonstante des keramischen Materials beträgt ungefähr 20. Verschiedene Techniken werden verwendet, um rechtsdrehende zirkulare Polarisation (RHCP) mit einem Patch Element zu erzeugen. Dazu gehören u.a. die Verwendung eines Polarisations-Schlitzes, Offset-Speisepunkte und Polarisations-Tabs. Die Auswahl liegt in der Entscheidung der Entwickler. Axiales Verhältnis Unabhängig vom jeweiligen Lösungsweg gibt es einige gemeinsame Auslegungs- Parameter, die für die Leistung der Antenne wesentlich sind. Um eine Antenne zu entwickeln, die im Hinblick auf die RHCP eine gute Leistung liefert, ist das axiale Verhältnis (ein Maß für die Reinheit der Antennen-Polarisation) kritisch. Je höher das axiale Verhältnis, um so elliptischer wird die Polarisation und desto niedriger die Verstärkung in Bezug auf die RHCP. Dieser Parameter ist das Resultat des Designs und der Prozesskontrolle. Ein gutes VSWR allein garantiert jedoch noch nicht M/A-COM Inc. Application Note GPS01 “GPS Antenna Considerations for Automotive Applications” Bild 2: Polarisationssprung von RHCP zu LHCP 28 hf-praxis 4/2015

K N O W - H O W V E R B I N D E T Applikation EMV, WÄRME- ABLEITUNG UND ABSORPTION SETZEN SIE AUF QUALITÄT Maßgeschneiderte Produkte nach indi viduellen Vorgaben für kunden spezifische Anwendungen, hergestellt mittels modernster Technologie, stehen für uns im Vordergrund. Mehr als 25 Jahre Erfahrung, qualifizierte Beratung und applikative Unterstützung unserer Kunden sowie namhafte Kooperationspartner sind die Bausteine für unseren Erfolg. Zeichnungsteile mittels Schneidplotter Bild 3: Einfluss des Radoms auf die endgültige Resonanzfrequenz die Qualität des axialen Verhältnisses der Antenne. Die Wechselbeziehung zwischen Axial-Verhältnis und zirkularem Gewinn verdeutlicht die nachfolgende Formel, die einen Verstärkungs-Korrekturfaktor (GCF) für den Übergang von gemessener linearer Verstärkung und axialem Verhältnis zu zirkular liefert: GCF (dB) = 20 log [(1/Ö2) (1 + 10 -(AR/20) )] Wobei AR das axiale Verhältnis der Antenne in dB ist. Man kann aus dieser Formel ersehen, dass eine Antenne mit einem axialen Verhältnis von 0 dB einen GCF von +3 dB hat. Das heißt, dass der zirkulare Gewinn der Antenne 3 dB höher als ihre maximale lineare Höchstverstärkung ist. Eine Antenne mit einem axialen Verhältnis von 8 dB hat einen Korrekturfaktor GCF von -0,1 dB und ist 3,1 dB schlechter als die Antenne mit 0 dB axialem Verhältnis. M/A-COM hat eine Messprozedur entwickelt, die es ermöglicht, das axiale Verhältnis und das VSWR mit einer einzigen Messung zu verifizieren. Wir haben die Antennen anderer Hersteller daraufhin untersucht und wiederholt festgestellt, dass diese Parameter beträchtlich von den optimierten Werten abweichen. M/A-COM-GPS-Antennen weisen axiale Verhältnisse der Antennenreferenzachse von typisch 2 dB oder besser auf. Bei 2 dB beträgt die Abweichung des RHCP-Gewinns, aufgrund von Polarisationsmängeln, nur 1 dB gegenüber einer perfekten Antenne. Eine Möglichkeit zur Kontrolle des axialen Verhältnisses ist die Mehrwege-Dämpfung. Werden RHCP-Signale, die vom Satelliten kommen, z.B. an der Seite von Gebäuden reflektiert, dann erfährt das Signal einen Polarisationssprung und wird LHC-polarisiert. Wenn der Pfad des reflektierten Signals noch in der Hauptstrahlkeule der GPS- Antenne liegt, dann ist die einzige Methode für die Unterdrückung des Mehrwegesignals eine hohe Reinheit der Polarisation. Eine Antenne mit gutem axialen Verhältnis und folglich guter Polarisations-Reinheit ermöglicht einen besseren Empfang des direkten RHCP-Signal als eine Antenne mit schlechtem axialem Verhältnis. Sie sorgt auch für eine bessere Unterdrückung des reflektierten LHCP-Signals. Resonanzfrequenz In gleicher Weise wichtig ist beim Design von GPS-Antennenelementen die Einhaltung der Resonanzfrequenz. Dazu ist ein vollständiges Verständnis für die Einflüsse von Radomen auf die Antennen-Resonanzfrequenz erforderlich. Die Gehäuse, die wir für GPS-Antennen benutzen, wurden bereits bei der Spezifikation des Resonanzfrequenzverhaltens der Patch-Antenne selbst berücksichtigt. SWR und axiales Verhältnisses, die vorher behandelt wurden, werden in einem spezifischen Frequenzbereich eingestellt. Dieser Bereich liegt höher als das endgültige Arbeitsfrequenzband von 1575 MHz ± 3 MHz, um zu erreichen, dass jede Antenne nach der Endmontage optimal im korrekten Frequenzband arbeitet. Diese Charakteristiken werden an jedem Antennenelement überprüft, desgleichen die Betriebsparameter jeder fertigen Baugruppe. Hohe Straße 3 61231 Bad Nauheim T +49 (0)6032 9636-0 F +49 (0)6032 9636-49 info@electronic-service.de www.electronic-service.de Stanzteilherstellung mittels Hoch leistungsstanze Zuschnitt „cut to length“ Herstellung von O-Ringen Zuschnitt von Rollenware Stanzteilherstellung mittels Swing-Beam- Presse Zuschnitt mittels Wasserstrahltechnik ELECTRONIC SERVICE GmbH hf-praxis 4/2015 29 29

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel