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Applikation Bild 4: Antennen-Zenit-Gewinn als Funktion der Ground-plane-Abmessungen Das Verständnis für den Einfluss von dielektrischen Ladungen auf Radomen ist sehr wichtig, um Hardware mit identischen Eigenschaften produzieren zu können. Ohne Beachtung dieser Einflüsse weisen manche Antennen Verschiebungen der Resonanzfrequenz von 1535 bis 1595 MHz auf. Die Resonanzfrequenz einer Patch-Antenne ist je nach der Größe ihrer Groundplane unterschiedlich. Der Designer muss den Einfluss der Groundplane-Größe auf die Antenne so lange minimieren, bis er die kleinstmöglichen Abmessungen erreicht hat, von denen aus weitere Änderungen nur noch vernachlässigbaren Einfluss auf das Antennenverhalten haben. Bild 5: HF-Abschirmung für aktive GPS-Antennen 30 M/A-COM hat die Resonanzfrequenz und die Bandbreite des Patch-Designs so eingestellt, dass diese Forderung erfüllt wird. Änderungen der Abmessungen der Groundplane von 0 bis zu 7,5“ cm Durchmesser haben einen bekannten und ausgewogenen Effekt auf die Leistung unserer Patch- Designs. Diese Änderungen gehen in einen konstanten Wert über, wenn ein Durchmesser von ungefähr 6“ erreicht ist. Weitere Vergrößerungen der Ground-Plane über diesen Wert hinaus haben einen vernachlässigbaren Effekt auf das Antennenverhalten. Ohne diese Designüberwachung kann es jedoch zu signifikanten Änderungen im Strahlungsdiagramm kommen, Bandbreite Die Bandbreite ist ein Schlüsselparameter der Antenne. Es ist wichtig, eine möglichst große Bandbreite in Hinblick auf das VSWR und die CP-Reinheit zu erreichen, um die Produktionserträge zu erhöhen und die Kosten zu senken. Gleichzeitig muss die Bandbreite aber auch relativ schmal sein, um die Außer-Band-Unterdrückung erhöhen, da ja nur ein Antennenelement zur Verfügung steht. Dies hilft bei der Verarbeitung der Nutzsignale, die am LNA ankommen und verringert die Anforderungen an das Bandpassfilter. Das von M/A-COM verwendetet Konzept der Patch-Antenne optimiert die CP- Bandbreite über den VSWR-Bereich. Der Frequenzbereich über den die Antenne ein akzeptierbares CP-Verhalten aufweist bietet ist nur ein wenig kleiner als die VSWR- Bandweite, so dass die Unterdrückungseigenschaften außerhalb der Bandbreite erhalten bleiben. Die Wahl eines dünnen Dielektrikums (0,160 Inch) hilft bei einem Antennendesign, welches die CP-Bandbreiten-Performance erweitert. SWR-Verhältnis Wenn auch die VSWR-Messung des Patchelements selbst allein nicht genügt, so kann sie doch auch nicht ignoriert werden. Schlechtes VSWR resultiert in geringerer Verstärkung aufgrund des durch die Fehlanpassung versursachten Signalverlusts. Die von MA/COM entwickelten Antennenelemente haben ein In-Band-VSWR von 1.5:1 oder besser. Daraus ergibt sich ein Fehlanpassungsverlust von nur 0,28 dB, gemäß folgender Beziehung: Fehlanpassungsverlust (dB) = 10 log [1 - {(VSWR-1)/(VSWR +1)}2] LNA Bei den LNAs, die in M/A-COMs aktiven Antennen verwendet werden, handelt es sich um Hochleistungs-GaAs-MMICs in einem preiswerten 8-lead-SOIC-Plastikgehäuse zur Oberflächenmontage. Diese LNAs enthalten drei monolithische Verstärkerstufen mit eigener Bias-Erzeugung, sowie ein einfaches Anpassungs-Netzwerk für minimales Rauschen. Der LNA kann überall dort ideal eingesetzt werden, wo niedriges Rauschen, hohe Verstärkung, hohe Dynamikwerte und geringer Leistungsverbrauch gefordert werden. Der LNA wird unter Verwendung eines 0,5-Mikron-GaAs-Prozesses hergestellt, der volle Passivierung für erhöhte Leistung aufweist. Die LNAs sind an das PC-Board für das Betriebsband von 1575 MHz angepasst. Die gleichbleibende Mittelfrequenz des Antennenelements, gekoppelt mit einem LNA, der auch für 1575 MHz optimiert ist, ergibt eine sehr effiziente, optimierte Einheit. Filter Das in einer aktiven GPS-Antenne verwendete Bandpassfilter ist eine wichtige Kom- hf-praxis 4/2015
Applikation/GPS ponente des Systems. Die Unterdrückung von Außerbandsignalen kann ein kritischer Faktor sein, wenn die GPS-Anlage auch in Anwesenheit interferierender Signale, wie z.B. Zellularfunk, einwandfrei funktionieren soll. M/A-COM verwendet eine zweistufige Filterung in seinen aktiven GPS-Produkten vor. Beide Filter sind keramische Bandpässe, eins ein Zweipol das andere ein Dreipol. In jedem Fall werden die einzelnen Filter auf ihre Mittelfrequenz, die Einfügungsdämpfung und die Außerbandunterdrückung bei ±50 MHz (oder anderen Frequenzen) überprüft, bevor man sie in die Baugruppe integriert. Die Positionierung dieser drei Elemente ist für die Gesamtrauschzahl der Baugruppe wichtig. Durch das Anbringen des LNAs direkt hinter dem Antennenelement und vor dem Filter (in einem Empfänger) ist die Rauschzahl der Antenneneinheit im wesentlichen gleich der des LNA. Wichtig ist auf jeden Fall die Unterdrückung unerwünschter Eingangssignale durch das Patchelement, um das Niveau der Außerbandsignale am LNA-Eingang zu verringern. Auslegung der Platine Ein schlechtes Platinenlayout kann zerstören was andererseits ein gutes Design hätte sein koönnen. Die Platine muss so ausgelegt werden, dass keine unerwünschte HF-Kopplung zwischen Leitungen auftritt, welche die Leistung verschlechtern könnte. DC-Biasleitungen müssen an allen wichtigen Schaltungspunkten angemessene HF- Drosseln haben. An HF-Leitungen müssen ausreichend große Kondensatoren zur DC-Trennung vorgesehen werden, damit jeder LNA richtig vorgespannt wird. Die gedruckte Schaltung muss den erforderlichen angepassten Eingang und Ausgang zum LNA zur Verfügung stellen. Zur Verbesserung der ohnehin schon vorhanden HF-Entkopplung aller Ausgangsleitungen und DC-Anschlüsse enthält jede aktive Antenne eine HF-Abschirmung, welche die Bestückungsseite der gedruckten Schaltung abdeckt und damit HF-Einkopplung und Rück-Abstrahlung vom Patch-Element in die Antenne verhindert. Vor dem Zusammenbau werden das Patch-Element, die LNAs und die Filter auf die geforderten Spezfikationen getestet. Der endgültige Abgleich umfasst die SWR-Messung, den gewobbelten Gain und die Außenband-Unterdrückung. ■ M/A-COM Inc. www.macom.com Kompakte passive GPS/Glonass-Antenne Der Markt fordert für nahezu jedes hochwertige mobile Gerät die Möglichkeit zur Standortbestimmung via GPS oder Glonass. Mit der GNS4004 von EAD steht eine interne passive GPS/Glonass- Antenne für mobile Geräte zur Verfügung. Ausgeführt als Patchantenne, punktet sie mit kleinen Abmessungen (26,5 x 26,5 x 9,1 mm), 4 dBi Antennengewinn, einem SWR von 2, RHCP-Zirkularpolarisation, 50 Ohm Ausgangsimpedanz und einem Betriebstemperaturbereich von -30 bis +80 °C. Die Antenne ist mit einem 100 mm langen Mikrokoaxialkabel mit IPEX/U.FL- Steckverbinder bereits anschlussfertig konfektioniert. ■ Hy-Line GmbH www.hy-line.de/ead/ hf-praxis 4/2015 31
