降低全球定位設計門檻　GNSS晶片天線模組受關注

2014-03-31

Kim Kaisti

為提供更具吸引力的特性，現在已有越來越多的終端產品中整合了全球定位功能。除了一般所熟悉的導航系統外，包括車輛和資產追蹤系統、個人定位器、安全系統、自動販賣機、健康醫療監測和運動休閒裝置等各種應用，也都須採用全球導航衛星系統(GNSS)接收器。

每個GNSS接收器都需要天線，才能接收到距離20,000公里遠以外的微弱衛星訊號。由於許多廠商沒有射頻(RF)/天線調諧的專業技術，因此將衛星接收器晶片和天線整合在單一模組上的功能最佳化GNSS天線模組便成為一項良好的解決方案。對於想要「立即」擁有全球定位功能的裝置來說，這些模組可說是加速上市時程、簡化物流與具成本效益的絕佳方案。

天線模組滿足超薄設計要求

GNSS天線模組的尺寸也遠比採用外部天線設計的GNSS模組來得小，這使得內建整合式晶片天線的GNSS天線模組成為超薄型設計的理想選擇，而且可省去許多設計上的麻煩。

GNSS天線模組的典型理想應用之一是快速成長的個人與寵物追蹤裝置。這些裝置要求極精巧的外形，而且還要能在任何方位下提供最佳的天線效能。

另一項重要特性是，衛星接收器晶片須具備優異的抗干擾效能，因為個人追蹤裝置通常包含一個行動通訊數據機，而且可能會與行動電話一起放在使用者的口袋中。GNSS天線模組內建預先調諧好的天線，不論在任何方位條件下，都能提供最佳的接收品質。此外，它內建的整合式表面聲波(SAW)濾波器也能針對行動通訊噪音提供良好的抗干擾性，這些都是重要的設計考量。

根據使用區域的不同，定位模組必須能夠支援多種的衛星導航系統，包括全球衛星定位系統(GPS)、俄羅斯的GLONASS、中國大陸的北斗以及日本的QZSS，才能使裝置適用於各個不同的區域。此外，若要同時支援兩種衛星系統(例如GPS/GLONASS、GPS/北斗、GLONASS/北斗)，則須要提升定位速度與可靠性，因為利用最少數量的四顆直視衛星來計算位置的機會可能會顯著增加。

GNSS天線模組實際應用

圖1　內建GNSS晶片天線模組的個人定位器

圖1所示為內建整合式晶片天線的GNSS天線模組的應用範例。由於模組內的整合式晶片天線，使得這款個人追蹤器外形非常輕薄，並能透過網路介面追蹤和顯示使用者的位置。

此裝置整合了u-blox的晶片天線模組(Chip Antenna Module)CAM-M8Q，尺寸僅為9.6毫米(mm)×14.0毫米×1.95毫米，並具備多重GNSS功能。此晶片天線能處理從北斗(1,560MHz)和GPS(1,575MHz)到GLONASS (1,606MHz)的所有L1頻率。這款表面黏著模組的高度也非常薄，可滿足客戶各種的超薄產品設計需求。

在設計晶片天線模組時必須特別小心，因為印刷電路板(PCB)本身就是整體天線的一部分(一半的偶極)。基於這個原因，相關設計須透過擁有多年設計經驗的應用工程師，才能涵蓋系統整合支援，達到最佳效能。

CAM-M8Q的另一個特性是，如果客戶決定採用外部天線，該模組的內部晶片天線亦可做為備用天線之用。當主要的外部天線有發生故障或損壞的風險時，這個特性便能發揮良好的作用。舉例來說，汽車追蹤系統的外部天線就有可能會發生毀損。

對於僅支援GPS功能的應用來說，PAM-7Q則是廣受歡迎的方案，因為它具備優異的安裝靈活性。它能透過排針(Pin-header)預先設計或焊接到客製化的印刷電路板上。PAM-7Q的貼片(Patch)天線尺寸為18毫米×18毫米，可提供小型貼片天線元件無法達到的右旋極性(Right-Hand Circularly Polarized, RHCP)極化效能。簡易的設計與介面功能可使安裝成本降至最低。此模組非常適用於需要小巧、快速與低成本GPS定位功能的工業與消費性應用。

這兩款模組都經過特別的設計與調整，在任何方位下，都能提供最佳的天線效能。同時，由於內建整合式的SAW濾波器，因此還具備優異的靈敏度與抗干擾特性。