Обзор антенн для устройства GPS

Обзор антенн для устройств GPS

 

Антенна является одним из самых важных элементов  беспроводной инфраструктуры, и от правильного выбора и её эксплуатации зависит не только качество системы, определяемое основными параметрами  беспроводного устройства (максимально  достижимой дальностью, максимальной пропускной способностью канала связи  и т. п.), но и её надёжность. Неправильно  смонтированная антенна, например, может  обеспечивать хорошую связь в  обычных и достаточно благоприятных  условиях, но во время дождя будет  давать сбои. Несмотря на внешнюю простоту, проектирование антенны требует  не меньше сил, труда и инженерной мысли, чем создание даже самого сложного электронного устройства. В настоящей  статье приводится краткий обзор  антенн для GPS, предлагаемых различными производителями, их сравнительный  анализ и даются некоторые рекомендации по их применению в устройствах.

В первую очередь GPS-антенны  следует разделить на пассивные и активные. Кроме того, существуют антенны внешние и для монтажа на плату. Эти две классификации антенн для GPS являются основными. Производители предлагают антенны различного типа. Не следует забывать, что антенны являются одной из самых важных составных частей беспроводных систем. Каким бы замечательным ни было оборудование, но если используется неподходящая антенна, то характеристики такой системы будут весьма далеки от желаемых. Активные антенны представляют собой пассивные антенны со встроенным малошумящим усилителем. Когда же стоит применять активные антенны? Во-первых, если в GPS-приёмнике нет возможности установки внутренней антенны — например, когда выведен разъём для подключения внешней антенны, безсуловно, лучшим вариантом будет использование активной антенны, нежели пассивной. Это позволит не только увеличить чувствительность, но и повысить соотношение «сигнал — шум» и снизить влияние помех (слабый сигнал, идущий по кабелю от пассивной антенны более подвержен воздействию внешнего электромагнитного излучения, чем сигнал от активной антенны гораздо большей амплитуды). В случае отсутствия соединительного кабеля (или в случае крайне малой его длины, которой можно пренебречь), необходимость применения активной антенны диктуется конкретной ситуацией: если разрабатывается новое устройство, то во многих случаях может быть удобнее и дешевле встроить антенный усилитель непосредственно в устройство. Готовые устройства такой усилитель уже могут содержать, поэтому к выбору типа антенны необходимо подходить индивидуально.

Рассмотрим некоторые  модели антенн, предлагаемых различными производителями. Компания Laipac предлагает целый ряд антенн для беспроводных устройств, как внешних, так и внутренних. Накладная серия антенн P1 представляет собой внешнюю активную антенну для устройств GPS (рис. 1). Она имеет небольшие габариты, выполнена в защищённом от внешних воздействий корпусе и поставляется с кабелем с разъёмами MMCX, SMA и MCX. Корпус имеет магнитное основание, что в большинстве случаем существенно упрощает её монтаж на место работы. В антенну встроен высокотехнологичный современный малошумящий усилитель. Имеется большое разнообразие разъёмов (которое может быть расширено поставкой антенн с заказными разъёмами). Антенны выпускаются в двух вариантах: для систем с напряжением питания 3,0 В и для систем с напряжением питания 5,0 В. Помимо хорошего усиления МШУ содержит полосовые фильтры, вырезающие все сигналы за пределами рабочего диапазона частот GPS. Рассмотрим основные рабочие характеристики антенны. Рабочая частота составляет 1575,42±3 МГц, при этом КСВН не превышает 2,0. Ширина полосы пропускания с учётом работы полосовых фильтров составляет 10 МГц. Антенна имеет коэффициент эллиптичности 3,0 дБ, её импеданс составляет 50 Ом. Максимальный коэффициент усиления собственно антенны достигает 4,0 дБ, а рассеиваемая мощность не превышает 1,0 Вт; поляризация антенны – правая круговая. Встроенный усилитель имеет следующие характеристики: коэффициент усиления сигнала без учёта затухания в кабеле — 27 дБ при коэффициенте шума 1,5 дБ; выходной КСВН не превышает 2,0. При этом напряжение питания составляет либо 3,0±0,3 В (для трехвольтовых модификаций), либо 5,0±0,5 В (для пятивольтовых). Вес — всего 35 г (без кабеля; вес с кабелем не превышает 120 г) при габаритах 49,3×49,3×17 мм. Антенна комплектуется кабелем типа RG 174 длиной 5 м. Антенна успешно функционирует в диапазоне температур от –40 до +105 С.

Рис. 1. Внешний  вид антенны Laipac P1 (две фото объединить и поместить в одном прямоугольнике)

Навинчивающаяся антенна GLP1-RA (рис. 2) предназначена для подключения к GPS-приёмникам с внутренним напряжением питания 3,3 В. Она компактна, выполнена в защищённом корпусе и в основном предназначена для производителей электроники и системных интеграторов. Суммарное усиление антенны составляет 27 дБ. Кабель с разъемом типа SMA выходит из центральной нижней части антенны. Основные технические характеристики этой антенны во многом аналогичны рассмотренной выше Р1, за исключением коэффициента шума – здесь он составляет 1,2 дБ, а потребляемый ток не превышает 20 мА. Рабочий диапазон температур менее широк: от –40 до +85 С. Диаметр антенны составляет 60 мм, а высота — 22 мм.

Рис. 2. Внешний  вид антенны Laipac GLP1-RA

Еще одна производимая этой фирмой антенна GLP-P1P (рис. 3) уже относится к классу встраиваемых пассивных антенн без усилителя, поэтому подразумевает использование с модулями, имеющими встроенный МШУ. Ее технические характеристики аналогичны рассмотренным выше, поэтому отметим только уникальные. Ширина полосы пропускания, в отличие от антенны Р1, составляет 15 МГц. Конструкция антенны требует противовес размером 70×70 мм, при этом её вес не превышает 10 г, а габаритные размеры составляют 25×25×2 мм. Рабочий диапазон температур антенны — от –40 до +85 С, допустимая влажность — 95–100% при отсутствии конденсации. Отметим также, что этот модуль производится и в варианте со встроенным МШУ, при этом толщина увеличивается на 8 мм.

Рис. 3. Фотография антенны Laipac GLP-P1P

Модель GLP1-GC (рис. 4) более интересна, поскольку представляет собой совмещённую антенну GPS/GSM и выпускается в двух реализациях: в виде накладной антенны с магнитным основанием (рис. 5) и в виде антенны для постоянного монтирования на место работы (рис. 6). Такая комбинированная антенна очень удобна и незаменима при использовании в системах телеметрии и удалённого контроля местоположения объектов, например, в системах слежения за транспортом и логистики. В последнее время интерес рынка к этой категории приложений существенно возрос, поэтому предлагаемая антенна будет интересна большинству системных интеграторов и производителей беспроводного оборудования для телеметрии. Эргономичный корпус, защищённый от внешних воздействий, удобен при использовании на внешних объектах. Антенна имеет большой коэффициент усиления в диапазоне GPS. Усиление в диапазоне GSM составляет -1 дБи. Активная часть антенны обеспечивает усиление до 27 дБ, при этом потребляемый ток не превышает 22 мА. Антенна комплектуется кабелем длиной 5 м с разъёмом типа SMA. При этом допустимый диапазон питания антенны составляет 3,0–5,0 В. Для приложений GPS антенна имеет полосу пропускания 10 МГц при импедансе 50 Ом и КСВН не более 2,0. Встроенный МШУ обеспечивает усиление 27 дБ (без учёта потерь в кабеле) и коэффициент шума не более 1,5 дБ. Для приложений GSM антенна имеет рабочий диапазон частот 880–960 МГц и импеданс 50 Ом, диаграмма направленности – круговая. Диаметр антенны 100 мм при высоте 39 мм, при этом вес её составляет 320 г. Антенна комплектуется кабелями (RG-174 для GPS и RG-58 для GSM) с разъёмами типа SMA и TNC на конце.

Рис. 4. Внешний  вид антенны Laipac GLP1-GC

Рис. 5. Габаритные и присоединительные размеры  антенны GLP1-GC в исполнении с магнитным  основанием

Рис. 6. Габаритные и присоединительные размеры  антенны GLP1-GC в исполнении для монтажа  в отверстие

Еще одной комбинированной  антенной, предлагаемой компанией Laipac, является модель GLP1-CA (рис. 7). Технические характеристики аналогичны антенне GLP1-GC. Напряжение питания может находиться в диапазоне от 3,0 до 5,0 В, при этом максимальный потребляемый ток равен 22 мА. Антенна имеет круговую диаграмму направленности и габариты 86×60×25 мм в варианте реализации без дипольной антенны, либо 86×60×80 мм. Варианты разъёмов для GPS могут быть BNC, SMA, SMB и SMC, а для GSM – BNC, SMA и TNC.

Рис. 7. Фотография антенны Laipac GLP1-CA

Компания Wi-Sys Communications производит очень широкую номенклатуру антенн для GPS. Среди них как встраиваемые антенны, так и корпусированные и антенны специального назначения. При этом хочется отметить, что в каждой категории компания предлагает целый ряд оптимизированных по разным критериям решений. В качестве таких решений выступают высокий коэффициент усиления, малое энергопотребление, низкая цена, малые габариты и т. д. Объем статьи не позволяет рассмотреть их все, поэтому приведем лишь наиболее яркие из них. Все модели будут присутствовать в сводной таблице технических характеристик, которая будет дана в заключительной части этой статьи. Сначала рассмотрим встраиваемые антенны этого производителя, затем корпусированные и, наконец, кратко коснёмся антенн для устройств специального назначения.

Встраиваемые  антенны

Антенны с высоким  коэффициентом усиления требуются  для успешной работы систем позиционирования в сложных условиях, где уровень  сигнала крайне мал и усиления обычных антенн недостаточно для  надёжной работы устройства. К этому  классу относятся антенны серииWS3950/60 (рис. 8). Цепи малошумящего усилителя в этих антеннах разработаны на самой современной элементной базе и имеют встроенный ПАВ-фильтр, что позволяет получать надёжный и чистый сигнал даже в крайне сложных условиях. Антенна обладает круговой правой поляризацией, а встроенный малошумящий усилитель обеспечивает коэффициент усиления 28 дБ при напряжении питания 3,0 В и 28,5 дБ при питании напряжением 5,0 В, при этом коэффициент шума не превышает 0,8 дБ. Диапазон рабочих напряжений составляет 2,7-5,0 В, а потребляемый активной частью антенны ток в рабочем режиме составляет 7,5 мА (типовое значение) при напряжении питания 3,3 В. Антенна имеет габариты 28×28×9 мм. Антенна комплектуется кабелем длиной 15 см с разъёмом MMCX. Серия антенн WS3954/WS3964внешне ничем не отличается от WS3950/60, однако их параметры оптимизированы по критерию энергопотребления. Отличие состоит в потребляемом токе – всего 2 мА при напряжении питания 2,7 В (при этом МШУ обеспечивает коэффициент усиления 18 дБ). Допустимое напряжение питания для этой серии антенн находится в диапазоне от 2,5 до 3,3 В. Серии антенн WS3957/WS3967, напротив, оптимизированы по стоимости. В них использован двухкаскадный малошумящий усилитель со встроенными фильтрами на ПАВ, в результате при напряжении питания 2,8 В достигается усиление 28 дБ (при этом потребляется ток 9 мА), а при напряжении 5,0 В – 30 дБ, при этом потребляемый ток увеличивается до 15 мА. Допустимый диапазон напряжения питания составляет от 2,7 до 5,0 В. Коэффициент шума сигнала не превышает 1,5 дБ, он немного хуже, чем в серии WS3950/60, но эти антенны дешевле. Имеется также герметизированный вариантWS3967-P, по электрическим характеристикам аналогичный антеннам серий WS3957/WS3967.

Рис. 8. Фотография антенны Wi-Sys WS3950/60

Другим довольно интересным и необычным решением компании Wi-Sys являются антенны серии WS4051/WS4061 со встроенным разъёмом MCX (рис. 9). Производитель позиционирует их как решения для встраиваемых систем. Антенны имеют коэффициент шума сигнала 0,8 дБ и могут функционировать при напряжении питания от 2,7 до 5,0 В. Коэффициент усиления МШУ составляет не менее 28 дБ при напряжении 3,3 В (при этом потребляемый ток составляет 7,5 мА) и 28,5 дБ при питании 5,0 В. В этом семействе антенн также имеются серии, оптимизированные для приложений с минимальным энергопотреблением – это серии WS4055/WS4065. Их конструктивное исполнение аналогично антеннам WS4051/WS4061, отличия же заключаются только в электрических параметрах: их напряжение питания составляет 2,5-3,3 В, при этом потребляемый ток при питании 2,7 В составляет всего 2,0 мА. При напряжении питания 3,3 В обеспечивается коэффициент усиления МШУ не менее 18 дБ, коэффициент шума при этом не превышает 1 дБ.

Рис. 9. Внешний  вид антенн Wi-Sys WS4051/WS4061

Для портативных  приложений компания Wi-Sys разработала специальные сверхкомпактные антенны с продольными размерами всего 13 и 18 мм. К первым относится серия антенн WS1357 (рис. 10), которые предназначены для встраиваемых приложений и имеют хорошую защиту от электростатических разрядов. Диапазон допустимого напряжения питания составляет 2,7-5,0 В, коэффициент шума МШУ не превышает 1,5 дБ. При этом МШУ обеспечивает усиление 28 дБ при напряжении питания 3,3 В (при этом ток потребления составляет 9 мА) и 28,5 дБ при напряжении 5,0 В (при этом потребляется ток 15 мА). Антенна WS1857 имеет продольные размеры 18×18 мм, коэффициент усиления встроенного в них усилителя при напряжении питания 5,0 В достигает 30 дБ.

Рис. 10. Внешний  вид антенны Wi-Sys WS1357

Как и многие производители GPS-антенн, компания Wi-Sys следует требованиям рынка и предлагает своим потребителям комбинированные антенны. Представитель этой категории – антенна WS3940-ULD (рис. 11). Она имеет ультратонкий профиль, что позволяет с успехом её использовать в миниатюрных и портативных устройствах. Диапазон напряжения питания этой антенны составляет 2,7-5,5 В, при этом типовое значение потребляемого тока — около 8 мА. Типовой коэффициент усиления малошумящего усилителя подсистемы GPS этой антенны равен 25 дБ, при этом коэффициент шума не превышает 1,6 дБ. Антенна работает в следующих диапазонах: 824–894 МГц (сотовая телефония), 890–960 МГц (GSM), 1710–1880 МГц (Европа) и 1850–1990 МГц (Северная Америка).

Рис. 11. Внешний  вид антенны Wi-Sys WS3940-ULD

Корпусированные антенны

Предназначены для  внешнего использования или замены/монтажа  в уже готовые устройства GPS. Компания Wi-Sys производит ряд антенн этой категории: с магнитным основанием для простого монтажа на металлические поверхности; радиального типа для монтажа на штырь (на самом деле это полая трубка с внешней резьбой, внутри которой проходит коаксиальный кабель) и накладные антенны для монтажа на поверхности. В первой категории предлагается три серии антенн, оптимизированных с точки зрения минимума шумов, малого энергопотребления и небольшой цены. Антенны отличаются только ценой и техническими характеристиками, внешний же вид этих трёх серий одинаков. Серия антенн WS3910 (рис. 12) представляет специально разработанные антенны на базе керамических элементов, что позволило добиться снижения эффекта расстройки, который вызывается окружающими антенну предметами.

Рис. 12. Внешний  вид антенны Wi-Sys WS3910

Антенна обладает отличными  параметрами и очень удобна при  монтаже: она не только имеет магнитное  основание, существенно упрощающее монтаж на место эксплуатации, но и  расположенные в нижней части  отверстия, которые дают возможность  также выполнять крепление винтами. При этом вес антенны — 120 г, а  габаритные размеры — всего 45×51×12 мм. Рабочий диапазон температур довольно широк и охватывает допустимые значения в диапазоне от –40 до +80 С. Антенна  относится к классу малошумящих, поэтому суммарный коэффициент  шума получаемого от антенны сигнала  для этой модели не превышает 0,8 дБ. При этом малошумящим усилителем обеспечивается отличное усиление: 28 дБ при напряжении 3,3 В (при этом потребляемый ток не превышает 7,5 мА) и 28,5 дБ при напряжении питания 5,0 В (потребляемый ток 11,5 мА). Как и все рассмотренные ранее антенны, эта модель имеет импеданс 50 Ом. Производитель рекомендует заказывать антенну, укомплектованную коаксиальным кабелем с разъёмом типа SMA, однако по запросу возможна поставка с разъёмами SMB, SMC, MCX, BNC и TNC. Серия WS3914 (внешний вид показан на рис. 11) оптимизирована для использования в малопотребляющей технике: ток потребления при напряжении питания 2,7 В не превышает 2 мА. При этом достигаются хорошие электрические параметры, определяемые используемым МШУ: он обеспечивает коэффициент усиления 18 дБ и шум не более 1 дБ (при напряжении 3,3 В). Допустимый диапазон питающего напряжения составляет от 2,5 до 3,3 В. Антенна поставляется с теми же типами разъёмов, что и WS3910. Еще один представитель категории антенн с магнитным основанием — модель WS3917, критерий оптимизации которой — цена. Она обладает хорошими электрическими параметрами при небольшой стоимости: напряжение питания 2,7–5,0 В, при этом МШУ обеспечивает усиление 28 дБ и коэффициент шума не более 1,5 дБ. Потребляемый активной частью антенны ток значительно выше, чем у модели WS3914, но за снижение цены приходится платить большим энергопотреблением: при напряжении питания 3,3 В усилитель антенны потребляет ток 9,0 мА, а при напряжении 5,0 В — 15,0 мА, а диапазон допустимого напряжения питания значительно шире: 2,7–5,0 В. Типы разъемов аналогичны модели WS3914, антенна поставляется с коаксиальным кабелем длиной 3 м, потери в котором составляют 1,3 дБ/м, то есть полное затухание в кабеле достигает 3,9 дБ, однако большой коэффициент усиления МШУ нейтрализует эту проблему.