AntennenDie Rolle einer
AntennenDie Rolle einer GPS-AntenneSignalstärke und Qualität der Signale, die der GPS-Empfänger empfängt, hängen stark von der Leistungund den Eigenschaften der GPS-Antenne ab.Der Antennengewinn ist auch eine Funktionder Frequenz, und die Gewinnparametermüssen für den vorgesehenen Frequenzbereichder Antenne angegeben werden.Je nach verwendetem GNSS muss eineAntenne mit einem Frequenzbereichgewählt werden, der mit den Frequenzen desSatelliten signals übereinstimmt. Dies wirdals Bandbreite der Antenne bezeichnet. DaGPS-Satelliten sehr spezifische Frequenzenmit relativ schmalen Bandbreiten ausstrahlen,ist die Wahl einer GPS-Antennemit einer Bandbreite, die die gewünschtenFrequenzen umfasst, von entscheidenderBedeutung. Es gibt einige GPS-Antennen,die Dual-/Multiband-GNSS-Betrieb bietenund GNSS-Signale von zwei oder mehrKonstellationen effizient erfassen können.Ein Dreiband-GPS-Antennenmontagesatz im NMO-Stil mit N-Koaxialsteckern und Kabeln(Quelle: www.pasternack.com/tri-antenna-0-gain-nmo-mount-pe51ak1002-p.aspx)Angesichts der Tatsache, dass GPS-Signaletausende von Kilometern und Abschnittemit Dämpfung durch atmosphärische Gasezurücklegen und möglicherweise mit anderenHindernissen konfrontiert werden, ist esvon entscheidender Bedeutung, dass GPS-Antennen in der Lage sind, diese Signaleoptimal zu erfassen, indem Rauschen undStörungen auf ein Minimum reduziert werden.Aus diesem Grund sind einige GPS-Antennen aktive Antennen, die das GPS-Signal direkt nach dem passiven Empfangsteilverstärken.Im Folgenden finden Sie eine kurzeBeschreibung der Merkmale und Fähigkeiten,die bei der Auswahl einer GPS-Antenne für eine bestimmte Anwendungzu berücksichtigen sind.Quelle:White Paper„GPS and GNSS AntennaConfigurations“Pasternackwww.pasternack.comPasternack ist ein eingetragenesWarenzeichen von Infinite Electronics, Inc.übersetzt von FSGPS-Antennengewinn und FrequenzGPS-Antennen sind nicht annähernd isotrop,sondern können omnidirektional sein,um GPS-Signale aus mehreren Quellen zuerfassen. Daher ist der einer GPS-Antennezugeschriebene Gewinn im Allgemeineneine Beschreibung des Spitzengewinns derAntenne in der Hauptkeule des Strahlungsdiagrammsder Antenne.Der Wirkungsgrad einer Sendeantenne istdas Verhältnis zwischen der Eingangsleistungder Antenne und der gesamten abgestrahltenLeistung. Aufgrund des Leiterwiderstands,dielektrischer Verluste undanderer Hochfrequenzphänomene kann derWirkungsgrad einer Antenne praktisch keine100% erreichen.Je nach Anwendung kann es wünschenswertsein, eine GPS-Antenne mit geringeremGewinn, aber besserem Strahlungsdiagrammzu wählen oder eine Antennemit höherem Gewinn und besserer Richtwirkungzu verwenden, da die Position derHauptkeule der Antenne in Bezug auf dieZiel-GPS-Satelliten bekannt und kontrollierbarist. Bei mobilen Anwendungen kanndies eine Herausforderung darstellen, da diePlatzierung einer GPS-Antenne aufgrundvon Interferenzen und anderen Konstruktions-/Betriebserwägungeneingeschränktsein kann.Aktive versus passive GPS-AntenneEine passive GPS-Antenne besteht einfachaus leitenden Antennenstrukturen,einem Dielektrikum, einem Gehäuse undeiner Stecker schnittstelle. Diese Art vonAntennen baugruppe ist vollkommen passiv,da sie keine externe Stromquelle benötigt,um zu funktionieren. Damit eine passiveGPS-Antenne funktioniert, muss sie lediglichüber eine Übertragungsleitung miteinem GPS-Empfänger verbunden werden.Obwohl der Gewinn einer Antenne mit derGröße der Antenne zusammenhängt, gibtes Antennentopologien und Design-Techniken,mit denen der Gewinn einer Antenneerhöht werden kann, ohne dass die Antennewesentlich größer wird. Dies ermöglichtrelativ kompakte passive GPS-Antennen, dieleicht an der Außenseite eines Elektronikgehäuses,der Kabine eines Fahrzeugs oderaußerhalb eines elektromagnetisch abgeschirmtenRaums montiert werden können.GPS-Signale sind jedoch selbst bei GPS-Antennen mit hohem Gewinn in der Regelsehr schwach, und Energieverluste undRauscheinstreuungen sind häufig auf dieVerbindungen und Kabel zurückzuführen,die zur Übertragung der Signale von einerGPS-Antenne zum GPS-Empfänger verwendetwerden.Daher werden in der Regel aktive GPS-Antennen verwendet. Eine aktive GPS-Antenne profitiert von einem eingebettetenHF-Verstärker innerhalb der Antennenbaugruppe.Das bedeutet, dass eine aktiveAntenne eine externe Stromquelle benötigt,16 hf-praxis 6/2025
Antennenund sowohl die Stromquelle als auch derVerstärker können Rauschen in das Systemeinbringen. Bei Anwendungen, die den Einsatzeiner aktiven Antenne erfordern, ist esdaher wichtig, die zusätzliche Rauschzahl(NF) der Antenne, mögliches Rauschen derStromversorgung, über die Übertragungsleitungeingekoppeltes Rauschen und dieGrenzen des Rauschpegels des GPS-Empfängerszu berücksichtigen. In dieser Hinsichtkann eine aktive GPS-Antenne notwendigsein, wenn die GPS-Antenne nichtin der Nähe des GPS-Empfängers platziertwerden kann und ein langes Übertragungskabelbenötigt wird und eine zusätzlicheSignalverstärkung erforderlich ist, um diezusätzlichen Verluste durch eine längereKabelführung auszugleichen.Ein weiterer wichtiger Faktor, der berücksichtigtwerden muss, ist die Nichtlinearitäteiner aktiven GPS-Antenne. Jeder HF-Verstärkerist von Natur aus nichtlinear, auchwenn im Allgemeinen so ausgelegt, dass erinnerhalb von Schwellenwerten arbeitet, dieeine optimale Linearität gewährleisten. Zweiwichtige Kenngrößen eines HF-Verstärkers,die seine lineare Leistung beschreiben, sindder 1-dB-Kompressionspunkt (P1dB) undder Ausgangsschnittpunkt dritter Ordnung(OIP3).Damit ein HF-Verstärker wie vorgesehenfunktioniert, müssen die Anforderungenan die Stromversorgung gemäß Datenblatterfüllt werden. Aus diesem Grund sollteeine aktive GPS-Antenne neben der Minimierungdes Rauschens eine hochwertigeStromversorgung verwenden oder eine minderwertigeStromversorgung filtern, um dieStromqualität zu verbessern. Zu den wichtigstenFaktoren, die bei der Stromversorgungzu berücksichtigen sind, gehören Spannung,Stromstärke und Stromqualität. Eineaktive GPS-Antenne benötigt eine bestimmteLeistung innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs,und das Netzteil muss in derLage sein, den erforderlichen Strom zu liefern,um diese Anforderungen zu erfüllen,ohne zusätzliches Rauschen oder andereelektromagnetische Interferenzen (EMI) indas System zu leiten.Einige aktive GPS-Antennen können aucheine eingebettete HF-Filterung enthalten,die eine Unterdrückung von Störungenaußerhalb des Bandes ermöglicht. DieseAntennen verfügen in der Regel über einBandpassfilter mit einer Bandbreite, die spezielldafür ausgelegt ist, bestimmte GNSSFrequenzen durchzulassen und andere zuunterdrücken. Einige GPS-Antennen mitFilterung können zur weiteren Verbesserungder Unterdrückung von Außerbandfrequenzenauch Bandsperrfilter enthalten,die speziell dafür ausgelegt sind, bestimmteFrequenzbereiche zu unterdrücken und alleanderen Frequenzen innerhalb der Gesamtbandbreitedes Filters durchzulassen. Einezusätzliche Filterung führt jedoch zu einerzusätzlichen Einfügedämpfung und entsprechendzu einer höheren Rauschzahl.Bei aktiven GPS-Antennen muss außerdemsichergestellt werden, dass das Antennensysteminnerhalb des angegebenenBetriebstemperaturbereichs bleibt. Wenndie empfindliche HF-Hardware in eineraktiven GPS-Antenne Umgebungsfaktorenausgesetzt wird, die ihre Spezifikationenüberschreiten, kann sie Schaden nehmen,der zu einer verminderten Leistungoder zur Zerstörung der aktiven Elementein der Antennenbaugruppe führt. WeitereUmweltfaktoren, die beim Einsatz einerGPS-Antenne zu berücksichtigen sind,sind Feuchtigkeit und Stöße/Vibrationen.Passive GPS-Antennen sind möglicherweisewiderstandsfähiger gegenüber rauenUmwelt faktoren, da passive Antennen keinezusätzliche Hardware enthalten und esrelativ einfach ist, die Stecker schnittstelleabzudichten und zu schützen. Aktive GPS-Antennen haben jedoch zusätzliche Stromeingänge,Vorspannung, HF-Verstärkungund möglicherweise Filterschaltungen, diealle anfällig für Beeinträchtigungen durchraue Umweltfaktoren sind.GPS-Antennen-SteckverbinderGPS-Antennen werden mit einer Vielzahlverschiedener RF-Steckertypen geliefert.Bei diesen Steckern handelt es sich fastimmer um Koaxialstecker, die für die Verwendungmit gängigen Koaxialsteckern und-kabeltypen ausgelegt sind. Die gebräuchlichstenGPS-Antennenstecker sind wahrscheinlichN- und SMA-Stecker, obwohlbei mobilen Fahrzeuganwendungen auchNMO-Stecker und Montagevorrichtungenverwendet werden können. Angesichts desextrem schwachen Signalpegels der GPS-Satellitenübertragung ist es wichtig, einenGPS-Antennenstecker und eine Verkabelungzu wählen, die die Verluste durch die Steckerund Kabel minimiert. Es gibt verschiedeneverlustarme Stecker- und Kabeloptionen, dieden Anforderungen der jeweiligen Anwendungentsprechen.Eingebettete GPS-AntennenIm Gegensatz zu anderen Arten von GPS-Antennen, die in der Regel außerhalb einesFahrzeugs, einer Baugruppe oder einesGehäuses montiert werden, wird eine eingebetteteGPS-Antenne im Allgemeinen imGehäuse eines Geräts installiert. Bei Gerätenmit eingebetteten GPS-Antennen handelt esEine eingebettete GPS-Antenne und einMobilfunkmodul (Quelle: www.pasternack.com/multi-antenna-824-mhz-2.17-ghz-5-dbic-gainumcx-pe51212-p.)aspx)sich in der Regel um tragbare Geräte oderGeräte mit kleinem Form faktor, bei denenein GPS-Modul innerhalb des Gehäuseswünschenswert ist. Eingebettete GPS-Antennensind in der Regel aktive Antennen, siesind oft mehrbandig und können GPS-Empfängeraus mehreren verschiedenen Konstellationenunterstützen. Da GPS häufigin Geräten zu finden ist, die in entferntenoder mobilen Anwendungen eingesetztwerden, unterstützen einige eingebetteteGPS-Antennen auch mehrere Mobilfunkfrequenzenund separate Verbindungen zuMobilfunkmodulen.Da eingebettete GPS-Antennen in der Regelklein sind, ist der Gewinn dieser Modulewahrscheinlich geringer als bei größerenexternen GPS-Antennen, was oft auf einegeringere Antenneneffizienz zurückzuführenist. Diese eingebetteten GPS-Antennenmodulesind oft für einen sehr geringen Stromverbrauchund für den Anschluss an gängigeoberflächenmontierbare PCB-Koaxialsteckerwie UMCX ausgelegt.SchlussfolgerungDie GNSS-Geolokalisierungs- und Zeitgebungstechnologieist für praktisch jedeBranche und für das Leben der meistenMenschen auf der ganzen Welt von entscheidenderBedeutung. Die Fähigkeit, Objekte inEchtzeit genau zu lokalisieren und Elektroniküber große Entfernungen zu synchronisieren,ist für fast alle Anwendungsfälle imVerkehrswesen und im Bereich Militär/Verteidigungunerlässlich. Eine GPS-Antenneist ein wichtiger Bestandteil eines GPS-Systems, und die richtige Auswahl einerGPS-Antenne für die spezifischen Anforderungeneiner Anwendung kann den Unterschiedzwischen Erfolg und Misserfolg einerMission ausmachen. Mit der Inbetriebnahmezukünftiger GNSS/GPS-Systeme, die einenoch feinere Positions- und Zeitgenauigkeitversprechen, könnte die Nachfrage nachGPS-Antennen mit L5-Frequenzfähigkeitin Zukunft steigen. ◄hf-praxis 6/2025 17
