نقش آنتن‌ها در چیپست‌های GNSS

چیپست‌های سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای جهانی (GNSS) مانند GPS، GLONASS، Galileo و BeiDou برای ارائه خدمات موقعیت‌یابی، ناوبری و زمان‌سنجی (PNT) به آنتن‌هایی وابسته هستند که سیگنال‌های ضعیف ماهواره‌ای را دریافت می‌کنند. آنتن‌ها به‌عنوان رابط اصلی بین ماهواره‌ها و گیرنده‌های GNSS عمل می‌کنند و کیفیت آنها مستقیماً بر دقت و قابلیت اطمینان سیستم تأثیر می‌گذارد. این مقاله به بررسی نقش آنتن‌ها در چیپست‌های GNSS، انواع آنتن‌های مورد استفاده، ویژگی‌های کلیدی مانند امپدانس و پلاریزاسیون، کاربردها، چالش‌ها و پیشرفت‌های اخیر در این فناوری می‌پردازد.

اصول عملکرد آنتن‌ها در چیپست‌های GNSS

• آنتن‌های GNSS سیگنال‌های رادیویی در باند L (معمولاً 1.1 تا 1.6 گیگاهرتز) را از ماهواره‌های GNSS دریافت می‌کنند. این سیگنال‌ها که حاوی داده‌های موقعیت، زمان و وضعیت ماهواره هستند، بسیار ضعیف (حدود -130 dBm) بوده و نیاز به آنتن‌هایی با حساسیت بالا و نویز پایین دارند. آنتن‌ها این سیگنال‌ها را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند که توسط چیپست‌های GNSS (مانند u-blox NEO-M9 یا MediaTek MT3333) پردازش می‌شوند.

عملکرد آنتن به پارامترهای زیر بستگی دارد:

• بهره (Gain): توانایی آنتن در تقویت سیگنال‌های دریافتی، معمولاً بین 20 تا 40 دسی‌بل برای آنتن‌های اکتیو.
• الگوی تابش (Radiation Pattern): الگوی هم‌جهت (Omnidirectional) یا نیم‌کروی (Hemispherical) برای دریافت سیگنال از ماهواره‌های مختلف در آسمان.
• امپدانس (Impedance): تطبیق امپدانس (معمولاً 50 اهم) برای انتقال حداکثر توان.
• پلاریزاسیون (Polarization): معمولاً پلاریزاسیون دایره‌ای راست‌گرد (RHCP) برای کاهش اثرات چندمسیری و تطبیق با سیگنال‌های ماهواره‌ای.
• نسبت محوری (Axial Ratio): معیاری برای کیفیت پلاریزاسیون دایره‌ای، که باید نزدیک به صفر باشد.
• مرکز فاز (Phase Center): نقطه‌ای که سیگنال‌ها از آن دریافت می‌شوند، که باید پایدار باشد تا خطای موقعیت‌یابی کاهش یابد.

انواع فرم‌فاکتور آنتن‌ها:

آنتن‌های پچ (Patch Antennas)

• توضیح: آنتن‌های مسطح و کم‌حجم، معمولاً از مواد سرامیکی ساخته شده‌اند. این آنتن‌ها به دلیل اندازه کوچک و پلاریزاسیون دایره‌ای راست‌گرد (RHCP) برای GNSS بسیار مناسب‌اند.
• ویژگی‌ها:
• مناسب برای دستگاه‌های قابل حمل مانند گوشی‌های هوشمند و ساعت‌های هوشمند.
• پهنای باند محدود (معمولاً 10-20 مگاهرتز برای آنتن‌های پسیو).
• اغلب به‌صورت اکتیو با LNA برای بهبود عملکرد طراحی می‌شوند.
• مدل‌های موجود در بازار:
• TE Connectivity 2118016-1: آنتن پچ سرامیکی اکتیو با ابعاد 25x25x4 میلی‌متر، پشتیبانی از GPS L1 (1.575 گیگاهرتز) و GLONASS، مناسب برای چیپست‌های u-blox و MediaTek.
• Tallysman TW2100: آنتن پچ اکتیو با بهره 28 دسی‌بل، پشتیبانی از GPS L1 و SBAS، مناسب برای ناوبری دقیق و پهپادها.
• Abracon ACAG0301-1575: آنتن پچ پسیو با ابعاد 3.0x1.6x0.55 میلی‌متر، ایده‌آل برای دستگاه‌های IoT کوچک و ساعت‌های هوشمند.
• u-blox ANN-MB-00: آنتن پچ اکتیو چندباندی (L1/L2) با پشتیبانی از GPS، GLONASS، Galileo و BeiDou، مناسب برای ماژول‌های u-blox ZED-F9P.
• Taoglas HP5354.A Inception: آنتن پچ پسیو دوباندی (L1/L5) با ابعاد 35x35x4 میلی‌متر، طراحی "پچ در پچ" برای کاهش 50% ارتفاع نسبت به آنتن‌های پچ سنتی، مناسب برای IoT و دستگاه‌های با فضای محدود، پشتیبانی از GPS, GLONASS, Galileo و BeiDou.
• Taoglas HP2356.A Inception: آنتن پچ پسیو با ابعاد 35x35x6 میلی‌متر، پشتیبانی از GPS L1/L2, Galileo, GLONASS و BeiDou، مناسب برای کاربردهای با دقت بالا مانند ردیابی دارایی‌ها.     

آنتن‌های هلیکس (Helical Antennas)

• توضیح: آنتن‌های مارپیچی با پوشش نیم‌کروی و نسبت محوری عالی، مناسب برای کاربردهایی که نیاز به دریافت سیگنال از زوایای مختلف دارند.
• ویژگی‌ها:
• سبک و مقاوم، مناسب برای پهپادها و برنامه‌های فضایی.
• پهنای باند وسیع‌تر (تا 50 مگاهرتز) نسبت به آنتن‌های پچ.
• معمولاً به‌صورت اکتیو برای بهبود SNR طراحی می‌شوند.
• مدل‌های موجود در بازار:
• Tallysman HC872: آنتن هلیکس اکتیو دوباندی (L1/L2) با پشتیبانی از GPS، GLONASS، Galileo و BeiDou، مناسب برای پهپادها و نقشه‌برداری دقیق.
• NovAtel VEXXIS GNSS-802: آنتن هلیکس اکتیو با بهره 33 دسی‌بل، مقاوم در برابر چندمسیری، مناسب برای کاربردهای صنعتی و نظامی.
• Harxon HX-CH7603A: آنتن هلیکس اکتیو چندباندی با پشتیبانی از GPS L1/L2، GLONASS و BeiDou، مناسب برای گیرنده‌های RTK مانند Stonex S900A.
• AAC SpaceQuest ANT-GPS: آنتن هلیکس اکتیو مقاوم در برابر تشعشع، طراحی‌شده برای CubeSat‌ها و ماهواره‌های کوچک.                         

آنتن‌های چیپ (Chip Antennas)

• توضیح: آنتن‌های بسیار کوچک که برای دستگاه‌های IoT و قابل حمل طراحی شده‌اند. معمولاً پلاریزاسیون خطی دارند و برای محیط‌های با سیگنال قوی مناسب‌اند.
• ویژگی‌ها:
• ابعاد بسیار کوچک (چند میلی‌متر)، مناسب برای ادغام در PCB.
• پهنای باند محدود، که اغلب نیاز به LNA داخلی در چیپست دارد.
• هزینه پایین و مناسب برای تولید انبوه.
• مدل‌های موجود در بازار:
• Abracon ACAR0301-SG3: آنتن چیپ پسیو با ابعاد 3.2x1.6x0.6 میلی‌متر، پشتیبانی از GPS L1 و GLONASS، مناسب برای ردیاب‌ها و دستگاه‌های IoT.
• Yageo ANT160915ST-1200A1: آنتن چیپ پسیو با فرکانس 1.575 گیگاهرتز، مناسب برای ماژول‌های Quectel MC60 و دستگاه‌های کوچک.
• Johanson Technology 1575AT43A0040: آنتن چیپ پسیو با ابعاد 3.2x1.6 میلی‌متر، طراحی‌شده برای GPS L1، مناسب برای ساعت‌های هوشمند.
• Cirocomm PA252540R1: آنتن چیپ پسیو با پهنای باند مناسب برای GPS و GLONASS، ایده‌آل برای ماژول‌های GNSS با LNA داخلی.

آنتن‌های آرایه‌ای (Array Antennas)

• توضیح: مجموعه‌ای از المان‌های آنتن که به‌صورت آرایه‌ای برای افزایش بهره و کاهش تداخل طراحی شده‌اند. اغلب در کاربردهای پیشرفته مانند ضد جمینگ استفاده می‌شوند.
• ویژگی‌ها:
• بهره بالا و الگوی تابش قابل تنظیم.
• مناسب برای کاربردهای نظامی و صنعتی با نیاز به ضد جمینگ.
• معمولاً اکتیو با فناوری‌های پیچیده مانند CRPA (Controlled Reception Pattern Antennas).
• مدل‌های موجود در بازار:
• NovAtel VEXXIS GNSS-850: آنتن آرایه‌ای اکتیو با پشتیبانی از چند باند (L1/L2/L5)، مناسب برای کاربردهای ضد جمینگ و RTK.
• Tallysman TW7972: آنتن آرایه‌ای اکتیو با بهره 35 دسی‌بل، پشتیبانی از GPS، GLONASS، Galileo و BeiDou، مناسب برای نقشه‌برداری دقیق.
• Harxon HX-CUX005A: آنتن CRPA اکتیو با پشتیبانی از چند صورت فلکی، طراحی‌شده برای کاربردهای نظامی و ضد جمینگ.
• Xligo HG-GOYH7151: آنتن آرایه‌ای اکتیو با پایه مغناطیسی، پشتیبانی از GPS, GLONASS, BeiDou و RTK، مناسب برای گیرنده‌های مولتی‌فرکانس.

آنتن‌ها در چیپست‌های GNSS در طیف گسترده‌ای از کاربردها استفاده می‌شوند:

نتیجه‌گیری

• آنتن‌ها ستون فقرات چیپست‌های GNSS هستند و عملکرد آنها مستقیماً بر دقت و قابلیت اطمینان سیستم‌های ناوبری تأثیر می‌گذارد. آنتن‌های پسیو و اکتیو، با ویژگی‌هایی مانند امپدانس تطبیق‌یافته و پلاریزاسیون دایره‌ای، برای کاربردهای متنوع از IoT تا نقشه‌برداری دقیق طراحی شده‌اند. با پیشرفت فناوری‌هایی مانند چندباندی، متامواد و آنتن‌های هوشمند، آینده آنتن‌های GNSS به سمت دقت بالاتر، اندازه کوچکتر و مقاومت بیشتر در برابر تداخل پیش می‌رود. انتخاب آنتن مناسب با توجه به کاربرد، محیط و محدودیت‌های طراحی، کلید موفقیت در بهره‌برداری از پتانسیل کامل چیپست‌های GNSS است.