TE新型GNSS天线:这才是公路『追星族』该有的样子!

贸泽电子设计圈 2020-05-13

根据欧洲全球导航卫星系统(GNSS)管理局(GSA)2019年底发布的最新研究报告,预计未来十年全球正在使用的GNSS设备的安装基数将从2019年的64亿套,增加到2029年的96亿套;就全球年度GNSS接收机出货量而言,将从2019年的18亿台增长到2029年的28亿台。可以说,与其他很多起伏不定的电子行业市场相比,GNSS市场将保持一个长期稳定增长的态势。



不断发展的公路应用


根据GSA的分析,这一增长趋势与10个细分领域息息相关,而其中公路应用是最为重要、也是与人们生活密切相关的一个。 对此大家都有直观的感受: 目前安装GNSS装置的车辆越来越多,GPS等卫星导航功能已经融入大家的日常,这让“路痴”也可以自信满满地纵横八方。


而且特别值得一提的是,伴随着智能手机、智能城市和物联网(IoT)的发展,GNSS的作用也正从单纯的定位和导航,发展出更多的应用场景,被赋予了更多的内涵,形成了GNSS应用的新模式。归纳起来,这些新模式包含四个方面:


1

安全相关应用

在人们迈向自动驾驶这个终极目标的过程中,GNSS将为ADAS等智能驾驶系统,以及V2X等智能交通系统提供数据支持,成为确保行车安全的一个不可或缺的因素之一,而且可以通过导航系统对车辆进行实时追踪以及管理车辆,节约能源和运输投入资金。

2

支付相关应用

基于GNSS的公路收费系统是人们正在探索的另一个重要场景,系统将基于车载GNSS设备提供的位置和时间信息进行收费核算,由此会让传统“过路费”收取方式为之一变,也可以衍生出其他许多应用,比如按行驶里程进行车险计费、使用次数进行车险计费等。

3

监管相关应用

此类应用典型的场景包括eCall(车载紧急呼叫系统)、数字转速表、贵重物品或危险材料运输跟踪、虚拟电子围栏等。这无疑会为商业运输提供更高效的管理手段。

4

智能移动应用

GNSS与更广泛的智能移动应用相融合,将衍生出更多的可能性,比如:智能路径规划、无人驾驶的精准导航、推送加油站/充电桩信息,以及为Uber、滴滴等共享汽车新业态提供运营支撑等。


以上这些新的应用模式,让GNSS市场在规模增长的同时,也充满了新意。这样的变化,对于GNSS接收机这一最接近用户的设备来说,也同样会产生影响,在传统的信号覆盖、可用性和精准度等性能指标基础上,延展出抗干扰性、身份认证鉴权等新要求。



新一代公路"追星族"


GNSS接收机的基本工作过程是:通过GNSS天线接收来自卫星的无线信号,经由馈线将信号传递到接收机射频通道的射频输入端,射频通道对信号进行放大、滤波、下变频等操作,产生适合模拟转换的中频信号,再经过ADC将其转换为数字信号并传输到基带处理芯片,由基带芯片“解读”出卫星播发的原始定位信息,将这些信息输出至应用处理器,就可基于原始定位信息根据三角测量法计算出天线的位置。


从GNSS接收机的原理来看,以上这一系列操作的起点,也是最关键的一环,就是GNSS的天线。想要得到精确的定位,GNSS天线至少需要“看”到四颗卫星,并接收到它们播发的信号。在GNSS接收机处于不断移动的公路应用中时,GNSS天线必须持续、可靠地保持这种“追星”的状态。而且,上文提到的不断发展中的GNSS公路应用的新模式,也会对GNSS天线设计提出更多的挑战。


在今天以及可以预见的未来,GNSS天线面临的设计挑战包括:

  • GNSS天线想要获得足够的精度,就需要有优秀的电气特性,以及支持多频谱工作,确保持续接收并输出高质量的信号。

  • 由于公路应用的移动性,需要GNSS天线具有全天候的可用性,可以适应不同环境、不同位置。这就要求天线在结构和材料上做针对性的设计。

  • 小型化、易安装也应该是一个需要考虑的选项,这样无论是在车辆前装部署,还是后装升级改造中,都可以更方便地集成GNSS功能。

  • 最后,基于GNSS的更多扩展功能、增值应用的发展,也催生了GNSS与其他无线通信共存和融合的要求,这一变化也需要在GNSS的设计中考虑进去。



TE GNSS天线全解析


作为新一代公路“追星族”的GNSS天线究竟应该什么样?TE Connectivity(TE)公司推出的Hirschmann Mobility CGN 1890 LP LC P蜂窝/GNSS天线,给出了一个很好的示范。


图1:TE Hirschmann Mobility CGN 1890 LP LC P蜂窝/GNSS天线(图源:TE)


从外观来看,TE的这款GNSS天线采用的是一个扁平圆形的设计,“身材”控制得不错,特别是其高度仅为20mm(0.79"),放在哪里也不会显得“突兀”。该天线采用粘贴垫的方式进行安装,在玻璃、塑料和金属表面上一“贴”即可,可以根据用户需要方便地固定在驾驶舱内部或外部相应的位置,确保无障碍地“追星”。可以处理导航系统、车队管理、交通管理和车辆定位应用中的卫星信号。


图2:CGN 1890 LP LC P蜂窝/GNSS天线应用安装示意图(图源:TE)


如果进入到天线内部,我们会发现其设计上更多的匠心。


首先,从名称上我们就可以得知这是一款双模天线,可以同时支持蜂窝(2G/3G)和GNSS(GPS/GLONASS)通信,让通过一个天线就实现eCall或其他智能服务成为可能,让定位无线连接更加可靠,在射频应用越来越复杂的车载环境中,也有效节省了面积。从频谱覆盖上看,Hirschmann Mobility CGN 1890 LP LC P支持GPS和GLONASS两种GNSS系统,以及欧洲和北美的蜂窝移动通信频率,具体的频率范围如下:




GNSS频率范围:

  • GLONASS:1602.0至1614.94MHz

  • GPS:1.57542GHz± 1.023MHz(L1频段)

蜂窝频率范围:

  • GSM 850:824至894MHz

  • GSM 900:880至960MHz

  • GSM 1800:1710至1880MHz

  • GSM 1900:1950至1990MHz

  • UMTS:1920至2170MHz




其次,从电气性能上来看,TE这款GNSS天线采用了有源天线的设计,通过在内部集成LNA低噪声放大器以改善整个接收系统的噪声性能。在增益方面,GNSS天线为1dBic,蜂窝天线为0dBi;天线的最大驻波比VSWR为2,这些优秀的性能表现都确保了天线可以提供高质量的信号。


图3:CGN 1890 LP LC P蜂窝/GNSS天线的驻波比性能(图源:TE)


再有,从结构上,该天线采用了右旋圆极化(RHCP)、全向天线的设计,以满足在不同应用场景下可靠的信号接收,而较少受到环境和方位的影响。在移动应用中,虽然芯片型天线体积更小、成本更低,但是由于其采用线极化信号(而卫星发射的是圆极化信号),所以对天线位置的依赖性强,因此其多用于消费级的产品中,而Hirschmann Mobility CGN 1890 LP LC P这种圆极化设计在环境复杂多变的公路应用中显然是更优选择。


最后,值得一提的是,一个天线射频系统的优劣,除了天线本身之外还会受到外围组件和材料的影响,TE还为这款蜂窝/GNSS天线配备了电缆和射频连接器,形成了一套完整的产品组合供用户选择,真正做到针对不同应用市场的“即插即用”。


图4:CGN 1890 LP LC P蜂窝/GNSS天线系列产品一览(图源:TE)


总之,这款集合了TE技术积淀和行业经验的蜂窝/GNSS天线,为GNSS公路应用中导航系统、车队管理、交通管理和车辆定位等方面卫星信号的处理奠定了一个牢靠的基础,它不仅能够应对你今天的痛点,也能够满足你未来的设计所需。


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泓鑫威科技有限公司 2020-05-13 12:11
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