FURUNO GPS/GNSS受信機 Model: GN-86/87, GV-86/87, GT

FURUNO GPS/GNSS受信機
Model: GN-86/87, GV-86/87,
GT-86/87シリーズ
デザインガイド
(Document No. No. SE13-900-000-05)
FURUNO GPS/GNSS 受信機 86/87 モジュール デザインガイド
SE13-900-000-05
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改訂歴
Version
0
1
2
3
4
5
改訂内容
初版発行
2.4節、表 3-5、図3-7、3.5.3項を修正
表3-5、3.5.3項を修正
1章、図3-1、図3-2、図3-5、図3-6、6章を修正
表紙を修正
3.5.1項を修正
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改訂年月日
2013.06.19
2013.07.31
2013.12.11
2014.10.09
2015.05.26
2015.10.30
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目次
1
概要 ·······························································································································1
2
RF部のプリント基板レイアウト ·······························································································1
2.1
2.2
2.3
2.4
3
設計時の注意点 ··········································································································3
マイクロストリップライン ·································································································4
λ/4ショートスタブによるESD保護 ·····················································································6
電源供給用インダクタ ···································································································8
アンテナインターフェイス ··································································································· 11
3.1
LNA切り替え方法 ······································································································ 11
3.1.1
FLNA端子による切り替え方法 ················································································ 11
3.1.2
ANTSELコマンドによる切り替え方法 ········································································· 11
3.2
アクティブアンテナの使用例 ························································································· 12
3.3
パッシブアンテナの使用例 ··························································································· 12
3.4
SAWフィルタを挿入する場合 ························································································· 14
3.5
アンテナ検出回路 ······································································································ 15
3.5.1
アンテナ検出回路の概要 ······················································································· 15
3.5.2
アンテナ検出回路 / アンテナ保護回路 ···································································· 16
3.5.3
アンテナ検出の閾値の計算例 ················································································· 18
3.5.4
過電流保護の計算例 ···························································································· 18
3.6
パッシブアンテナを使った場合の実験結果と補足説明 ························································ 19
3.6.1
パッチアンテナのレイアウトによる電気的特性 ····························································· 19
3.6.2
レイアウトによるノイズの影響 ················································································· 24
4
電源供給時の注意点 ······································································································· 25
5
設置位置によるモジュールの機械的ストレスと注意点 ······························································ 25
6
関連図書 ······················································································································· 26
7
連絡先 ·························································································································· 26
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1
概要
本書は FURUNO GPS/GNSS 受信機 86/87 モジュールを使用して、基板を設計する際に性能および品質
を確保するために必要な情報について記載したものです。本書の資料が対象となる機種は以下の通りです。
△3
- GN-86F
- GV-86
- GT-86
- GN-87F
- GV-87
- GT-87
- GN-8615
- GV-8615
- GN-8715
- GV-8715
2
RF 部のプリント基板レイアウト
本項ではアンテナ端子から 86/87 モジュールの RF_IN 端子までの、
レイアウトについて記載しています。
図 2-1 はアクティブアンテナ、図 2-2 はパッチアンテナ(パッシブアンテナ)のレイアウトを、下記に示す
各節に詳細を記載しています。
・2.1 節 : レイアウト
・2.2 節 : マイクロストリップライン
・2.3 節 : λ/4 ショートスタブ
・2.4 節 : アンテナ DC 電源供給用インダクタ
:アクティブアンテナ電源供給ライン
: 1.5GHz / 1.6GHz 50Ωマイクロストリップライン
: グランド
:λ/4 ショートスタブ
アンテナDC電源供給用
インダクタ (39nH)
50Ωマイクロストリプライン
86/87 モジュール
#10 GND
#11 RF_IN
#12 GND
33pF キャパシタ
(DC カット)
アンテナコネクタ
(アクティブアンテナを接続)
λ/4 ショートスタブ
(ESD保護)
図 2-1 RF部のプリント基板レイアウト(アクティブアンテナ)
1
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: 1.5GHz / 1.6GHz 50Ωマイクロストリップライン
: グランド
:λ/4 ショートスタブ
86/87 モジュール
50Ωマイクロストリプライン
#10 GND
#11 RF_IN
#12 GND
λ/4 ショートスタブ
(ESD保護)
パッチアンテナ
(パッシブアンテナ)
図 2-2 RF部のプリント基板レイアウト(パッシブアンテナ)
2
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2.1
設計時の注意点
図 2-3 に RF 部のレイアウトを示しています。
モジュールの底面は信号線やビアホールが絶縁されずに露出しています。ショートモードの故障を防ぐ
ため、モジュールの底面に接する箇所にパターンを設けないでください。
2 層基板を使用する際は、RF ラインの下層をグランドに、多層基板を使用する際は RF ラインの 2 層目
をグランドにしてください。
RF ラインの周辺はグランド面で囲い、ノイズが RF ラインに回り込まないように配慮してください。詳
細は 2.2 節の図 2-6 を参照ください。
50Ωマイクロストリプライン
アンテナDC電源供給用
インダクタ (39nH)
86/87 モジュール
#10 GND
#11 RF_IN
#12 GND
ジャンパー抵抗
λ/4 ショートスタブ
アンテナコネクタ
33pF キャパシタ
図 2-3 RF部のグランドエリア (86/87評価用キット)
3
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2.2
マイクロストリップライン
アンテナコネクタから RF_IN 端子までのプリント基板の設計は、受信性能に大きな影響を与えます。所
望の性能を得るために、下記の点を考慮して設計してください。
- RF ラインは 50Ωとなるようマイクロストリップラインを形成してください。
- RF ラインは可能な限り短く設計してください。
- RF ライン付近にはデジタル信号源/ラインを配置しないでください。
- RF ラインの周辺は図 2-6 のようにグランド面で囲ってノイズが RF ラインに回り込まないように配慮
してください。
マイクロストリップラインは基板上に 50Ωラインを形成するために、最もよく使用されます。図 2-4 の
右下の図はマイクロストリップラインの構成を示しています。上側の導体部は伝送ライン、下側の導体部
はグランドです。マイクロストリップラインの特性インピーダンス(Z0)は、プリント基板に対する次のパ
ラメータによって決まります。
- 基板の比誘電率 (Er)
- 線路とグランドの距離 (H)
- 線路の厚さ (Tmet)
- 線路の幅 (W)
マイクロストリップライン上の特性インピーダンスの計算は、無償で公開されている Microstrip
Analysis/Synthesis Calculator(*1)の使用をお勧めします。図 2-4 はこのソフトを使った一例を示します。
Notes:
(*1) Microstrip Analysis/Synthesis Calculator (Copyright (c) 1994-2003, 2010 Dan McMahill All rights
reserved.)
URL: http://mcalc.sourceforge.net/
図 2-4 Microstrip Analysis/Synthesis Calculatorを使用した算出例
4
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図 2-5 に図 2-4 で設計したマイクロストリップラインの伝送周波数特性を示します。
MSub
MSUB
MSub1
H=0.178 mm
Er=4.3
Mur=1
Cond=5.96e7
Hu=1000 mm
T=0.043 mm
TanD=0.018
Rough=0.00127 mm
MLIN
TL7
Subst="MSub1"
W=0.31 mm
L=23.5 mm
Term
Term1
Num=1
Z=50 Ohm
Term
Term2
Num=2
Z=50 Ohm
Transmission, dB
0.00
-0.25
dB(S(2,1))
-0.50
m1
m1
freq=1.589GHz
dB(S(2,1))=-0.181
-0.75
-1.00
-1.25
-1.50
-1.75
-2.00
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
freq, GHz
図 2-5 図 2-4のツールで計算したマイクロストリップラインの伝送周波数特性
マイクロストリップラインはプリント基板の表層に形成するため、高周波ノイズの影響を受けやすくな
っています。ノイズの影響を軽減させるために、図 2-6 のようにマイクロストリップラインの周辺にグラ
ンドによるガードリングを行います。このときマイクロストリップラインとグランドの距離は、ライン幅
以上にしてください。これが小さい場合、マイクロストリップラインではなくコプレナーラインとなり、
計算条件がマイクロストリップラインと異なるため、図 2-4 による計算結果に対し誤差を発生する恐れが
あります。
図 2-6 マイクロストリップラインのレイアウト例
5
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2.3
λ/4 ショートスタブによる ESD 保護
RF ライン上に λ/4 ショートスタブを接続することで、静電気耐圧の向上が期待できます。λ/4 ショート
スタブはマイクロストリップラインとともに形成され、入力インピーダンスは電気長によって決まります。
λ/4 ショートスタブを設計する際は、下記の項目を考慮してください。
- GPS/GLONASS の周波数帯に対して高インピーダンスとなり、挿入損失が極力小さくなること
- その他の信号に対しては低インピーダンスとなり、静電気がグランド側に流れること
2.2 節で示した Microstrip Analysis/Synthesis Calculator は、λ/4 ショートスタブの計算にも使用するこ
とができます。図 2-7 に Microstrip Analysis/Synthesis Calculator を使用した λ/4 の電気長の計算例を示
します。
GPS と GLONASS を同時受信する 87 シリーズモジュール(GN-87、GV-87、GT-87)を使う場合、周波数
は GPS と GLONASS の中心付近 (約 1589MHｚ) に設定します。86 シリーズモジュール(GN-86、GV-86、
GT-86)を使う場合は GPS の周波数帯 (1575.42MHz) に設定します。
図 2-7 Microstrip Analysis/Synthesis Calculatorを使用した算出例
図 2-7 で設計した λ/4 ショートスタブを接続した条件の伝送周波数特性を Agilent ADSTM software を使
って求めた結果を図 2-8 に示します。
この結果 1.589GHz での挿入損失は 0.281dB、1.234GHｚから 1.830GHz の周波数範囲での損失の変動
幅は 0.1dB 以内で、λ/4 ショートスタブを接続したときの影響は小さいと言えます。
アクティブアンテナを使用する場合、上記の損失は LNA の NF が支配的となるため、NF の合計は
λ/4 ショートスタブを接続しない場合とほぼ変わりません。したがって λ/4 ショートスタブを接続したと
きの影響はありません。
パッシブアンテナを使用する場合、図 2-8 より 0.1 から 0.3dB 程度の損失が観測されますが、この損失
を許容範囲であると判断されるなら、ESD 保護の観点より、パッシブアンテナを使用する際も、λ/4 ショ
ートスタブを接続することを推奨します。
6
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Microstrip Line
MSub
MLIN
TL2
Subst="MSub1"
W=0.31 mm
L=18 mm
MSUB
MSub1
H=0.178 mm
Er=4.3
Mur=1
Cond=5.96e7
Hu=1000 mm
T=0.043 mm
TanD=0.018
Rough=0.00127 mm
MLIN
TL3
Subst="MSub1"
W=0.31 mm
L=5.5 mm
Term
Term1
Num=1
Z=50 Ohm
MLIN
TL4
Subst="MSub1"
W=0.3 mm
L=26.85 mm
Term
Term2
Num=2
Z=50 Ohm
1/Lambda Short Stub
m2
freq= 1.830GHz
dB(S(2,1))=-0.378
m1
freq= 1.234GHz
dB(S(2,1))=-0.378
Transmission, dB
0.0
m1
m3 m2
-0.5
wo 1/Lambda
Short Stub
-1.0
m3
freq= 1.589GHz
dB(S(2,1))=-0.281
dB(S2,1)
-1.5
-2.0
-2.5
wi 1/Lambda
Short Stub
-3.0
-3.5
-4.0
-4.5
-5.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
freq, GHz
図 2-8 図 2-7で設計したλ/4ショートスタブを接続した条件の伝送周波数特性をAgilent ADSTMを使って
求めた結果
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2.4
電源供給用インダクタ
一般的にアクティブアンテナには RF ラインに DC 電圧を重畳して電源を供給しますが、RF ラインの特
性インピーダンスに影響を与えない必要があります。そのためにアンテナ電源供給ラインに下記の条件を
満たすインダクタを配置してください。
(条件)
①
②
③
④
自己共振周波数が GPS と GLONASS の周波数以上であること。
GPS と GLONASS の周波数帯に対して高インピーダンスであること
GPS と GLONASS の周波数帯に対して挿入損失が低いこと
消費電流に対して絶対最大定格が十分なマージンを持っていること
△1
下記に太陽誘電製のインダクタ HK1005 シリーズの中から上記条件を満たすインダクタを選択する例を
示します。表 2-1 は HK1005 シリーズの諸特性を、図 2-9 はメーカーより提供されている TYP 値でのイ
ンピーダンスの周波数特性を、図 2-10 は周波数 1589MHz の条件で HK1005 シリーズを接続したときの伝
送損失を示しています。
以下ではこれら資料を使用して、最適なインダクタを選定するプロセスについて説明します。
a.自己共振周波数からの選択
表 2－1 の MIN 値に加え、図 2-9 の TYP 値の自己共振周波数から、HK100556NJ-T 以上のインダクタ
はその自己共振周波数が GPS と GLONASS の周波数より低いため、条件①に合わないため除外します。
b.インピーダンスからの選択
図 2-9 の GPS と GLONASS の周波数帯（GPS/GLONASS Band）でより大きなインピーダンスを持つ
のは、HK100547NJ-T と HK100539NJ-T となり、条件②を満たすため、この 2 種類を候補とします。
c.伝送損失からの選択
図 2-10 より HK100547NJ-T と HK100539NJ-T の伝存損失が最も低いことにより、
条件③を満たすため、
この 2 つに絞り込むことができます。
d.消費電流からの選択
ここではすでに HK100547NJ-T と HK100539NJ-T に絞り込んでいるので、その最大定格電流がアクテ
ィブアンテナ消費電流の仕様を満足しているかを検証します。通常使用するアクティブアンテナの消費電
流は 30mA 程度であるため、表 2-1 の定格電流(max)は基準を十分満たしていると言えます。
以上より、条件①～④を満たすインダクタは、HK100547NJ-T と HK100539NJ-T なります。最終的にど
ちらを選択するかは、自己共振周波数(min)がより GPS と GLONASS の周波数帯に近いかによって決定し
ます。ここでは HK100547NJ-T よりも HK100539NJ-T がその周波数帯域に近いことから HK100539NJ-T
を推奨します。
Notes: HK1005 シリーズ以外のインダクタを使用する際は部品メーカーから情報を入手し、上記条件を満
たすインダクタを選択してください。
表 2-1 HK1005シリーズの仕様
型番
インダクタンス
Q
(min)
自己共振周波数
(min)
定格電流
(max)
直流抵抗
(max)
HK100515NJ-T
HK100518NJ-T
HK100522NJ-T
HK100527NJ-T
HK100533NJ-T
HK100539NJ-T
HK100547NJ-T
HK100556NJ-T
HK100568NJ-T
HK100582NJ-T
HK1005R10J-T
15nH
18nH
22nH
27nH
33nH
39nH
47nH
56nH
68nH
82nH
100nH
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
2300MHz
2100MHz
1900MHz
1600MHz
1300MHz
1200MHz
1000MHz
750MHz
750MHz
600MHz
600MHz
300mA
300mA
300mA
300mA
200mA
200mA
200mA
200mA
180mA
150mA
150mA
0.46Ω
0.55Ω
0.6Ω
0.7Ω
0.8Ω
0.9Ω
1Ω
1Ω
1.2Ω
1.3Ω
1.5Ω
8
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図 2-9 TYP条件でのHK1005シリーズのインピーダンスの周波数特性
0.14
0.12
Loss [dB]
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
HK1005R10J-T
HK100582NJ-T
HK100568NJ-T
HK100556NJ-T
HK100547NJ-T
HK100539NJ-T
HK100533NJ-T
HK100527NJ-T
HK100522NJ-T
HK100518NJ-T
HK100515NJ-T
図 2-10 HK1005シリーズを接続した条件で生じる伝送損失@1589MHz
9
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インダクタはできるだけマイクロストリップラインの近くに配置してください。図 2-11 のように、マイ
クロストリップライン上に配置することを推奨します。
No Good
Good
マイクロストリップライン
図 2-11 マイクロストリップライン上のインダクタの配置
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アンテナインターフェイス
3
3.1
LNA 切り替え方法
86/87 モジュールは High Gain と Low Gain の 2 つの LNA を持っています。表 3-1 に示すように使用す
るアンテナによって LNA を切り替えてください。アクティブアンテナでの LNA の選択の基準は、基本的
にはアンテナ回線設計により決定される総合利得で決めます。この総合利得は、妨害波の影響を考慮して
できるだけ低くしてください。どの程度低くするかについては、利得不足による NF の劣化の影響がない
と判断されるのであれば、Low Gain を推奨するので、ここでは 15dB が最適な総合利得となります。
LNA は FLNA 端子の制御、および PERDSYS,ANTSEL コマンドによって切り替えが可能です。3.1.1 に
FLNA を使った切り替え方法を、3.1.2 に PERDSYS,ANTSEL コマンドを使った切り替え方法を記載します。
アンテナ
表 3-1 アンテナに適応するLNA
LNA
Notes
パッシブアンテナ
High Gain
アクティブアンテナ
(0dB≦総合利得≦ 35 dB)
アクティブアンテナ
(15dB≦総合利得≦ 50 dB)
3.1.1
High Gain
Low Gain
総合利得とは、アンテナから RF_IN 端子ま
でのケーブル損失等も考慮された利得を指
します。
FLNA 端子による切り替え方法
FLNA 端子を表 3-2 に示す通りにしてください。
LNA
High Gain
Low Gain
3.1.2
表 3-2 FLNAによるLNA設定方法
FLNA 端子の設定
オープン
High Level
ANTSEL コマンドによる切り替え方法
表 3-3 に示す通りにコマンドを入力してください。
表 3-3 ANTSELコマンドによるLNA設定方法
LNA
コマンド
High Gain
$PERDSYS,ANTSEL,FORCE1H*7F
Low Gain
$PERDSYS,ANTSEL,FORCE1L*7B
ハード(FLNA)より LNA の切り替え
コマンドを入力しない。(*1)
を行う。
Notes:
(*1) ANTSEL コマンドによる LNA 設定は、FLNA 端子による設定よりも優先されます。FLNA 端子で LNA
を設定する場合は、ANTSEL コマンドを入力しないでください。
11
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3.2
アクティブアンテナの使用例
86/87 モジュールはアンテナへの電源供給を VCC_RF 端子から、もしくは外部から行うことができます。
VCC_RF 端子からアンテナへ電源供給する場合(図 3-1 左図)は、モジュールの VCC と同じ電圧レベルと
なります。アンテナに必要な供給電圧が VCC の電圧と異なる場合は、外部よりアンテナへの電源供給を行
ってください。(図 3-1 右図)
Active Antenna
Active Antenna
LNA
RF_IN
L DC FEED
33pF
LNA
RF_IN
L DC FEED
VCC_RF
VCC_RF
ANT_DET0
ANT_DET1
△3
VANT
ANT_DET0
ANT_DET1
VCC (Low Gainに設定)
VCC (Low Gainに設定)
FLNA
FLNA
VCC_RF 端子からアンテナ電源供給
図 3-1 アンテナ電源供給
外部から電源供給
図 3-2 はアンテナ検出回路を挿入した例です。アンテナ検出回路については 3.5 節を参照ください。
Active Antenna
△3
Antenna Biasing Circuit
LNA
RF_IN
L DC FEED
VCC_RF
Antenna
Detection
Circuit
ANT_DET0
ANT_DET1
VCC
FLNA
VANT
(Low Gainに
設定)
図 3-2 アンテナ検出回路を挿入した場合
12
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3.3
パッシブアンテナの使用例
図 3-3 にパッシブアンテナの回路の一例を記載します。パッシブアンテナ使用時は FLNA には何も接続
しないでください。FLNA はモジュール内部でプルダウンされており、LNA は High Gain に設定されてい
ます。
86/87 モジュールの仕様書に記載されている感度は、
図 3-3に示すRF_INでの値です。仕様書に記載されている感度を満たすには、アンテナとRF_INまでの距離
を0にしてください。アンテナからRF_INまでの伝送路は損失となり感度を劣化させるため、アンテナと
86/87モジュールの距離はできるだけ短くしてください。
Passive Antenna
RF_IN
VCC_RF
ANT_DET0
ANT_DET1
FLNAはOPEN
(High Gainに設定)
FLNA
図 3-3 パッシブアンテナ使用時の回路の一例 (1)
パッシブアンテナから RF_IN までの距離が長く信号の損失が受信性能に大きく影響を与える場合は、図
3-4 に示すように、LNA を実装することを推奨します。このとき LNA はパッシブアンテナのできるだけ直
近に配置してください。
LNA を実装することで、総合利得が 15dB 以上になる場合は LNA の設定は Low Gain
にしてください。
Passive Antenna
LNA
RF_IN
VCC_RF
ANT_DET0
ANT_DET1
VCC (Low Gainに設定)
FLNA
アンテナ直近に LNA を挿入
図 3-4 パッシブアンテナ使用時の回路の一例 (2)
13
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3.4
SAW フィルタを挿入する場合
86/87 モジュールは内部の LNA の後段に SAW フィルタが内蔵されているので、通常お客様側のボード
上に SAW フィルタを挿入する必要はありません。耐妨害波特性を、より向上させる必要がある場合、図 3-5
に示すようにアンテナの後段に SAW フィルタを挿入してください。このとき SAW フィルタの挿入損失に
よる性能劣化を十分考慮して、SAW フィルタを実装するかを決めてください。
Passive Antenna
Active Antenna
SAW Filter
SAW Filter
LNA
RF_IN
L DC FEED
33pF
C DC Block
VCC_RF
RF_IN
VCC_RF
ANT_DET0
ANT_DET1
ANT_DET0
ANT_DET1
VCC (Low Gainに設定)
FLNA
FLNA
アクティブアンテナ
パッシブアンテナ
図 3-5 SAWフィルタ挿入時の回路の一例
14
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FLNAはOPEN
(High Gainに設定)
△3
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アンテナ検出回路
3.5
3.5.1
アンテナ検出回路の概要
86/87 モジュールは、アンテナ検出のために 2 つのポート (ANT_DET0、 ANT_DET1)が用意されていま
す。ポートの状態は PERDSYS,GPIO センテンスとして出力され、このポートの状態によって表 3-4 に示
すようにアンテナの接続状態(アンテナ正常、アンテナオープン、アンテナショート)を確認することができ
ます。アンテナ検出回路は、図 3-6 に示す"Antenna Detection Circuit"の位置に取り付けてください。アン
テナ検出回路の詳細は 3.5.2 項を参照ください。
Active Antenna
Antenna Biasing Circuit
LNA
RF_IN
L DC FEED
VCC_RF
$PERDSYS,GPIO*67
$PERDSYS,GPIO...
Input
Output
ANT_DET0
ANT_DET1
TXD
Under Current Detect
Over Current Detect
RXD
Antenna
Detection
Circuit
VCC
(Low Gainに設定)
FLNA
VANT
図 3-6 アクティブアンテナインターフェイスの例
PERDSYS,GPIO センテンスは$PERDSYS,GPIO*67 を入力することで、その状態を確認することができ
ます。センテンスの下記の箇所を参照し、表 3-4 に示すアンテナの接続状態を確認してください。
$PERDSYS ,GPIO ,X X H H L L L L L *07
ANTDET _0
ANTDET _１
表 3-4 ANT_DET0とANT_DET1の値が示すアンテナの接続状態
ANT_DET0 ANT_DET1
アンテナ接続状態
アンテナオープン
1
1
アンテナ正常
0
1
アンテナショート
0
0
Undefined
1
0
15
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△5
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3.5.2
アンテナ検出回路 / アンテナ保護回路
次項の図 3-8 に表 3-5 の条件のアンテナ検知回路とアンテナ保護回路を示します。
アンテナ検出回路は"Antenna Detection Circuit"で囲まれた回路になります。アンテナ検出回路には電流
検出抵抗(R1)と 2 つのコンパレータ(U1A, U2A)が含まれています。2 つのコンパレータは 2 つの閾値(オー
プン検知電圧: VREF_O とショート検知電圧: VREF_S)と検出された電圧(VDET)を比較し、ANT_DET0 と
ANT_DET1 の値として出力します。
VDET が VREF_O より高い場合、ANT_DET0 と ANT_DET1 の値は両方とも 1 になります。これはアン
テナ接続状態がオープンであることを示しています。
VDET が VREF_O より低く、VREF_S よりも高い場合、ANT_DET0 の値は 0、ANT_DET1 の値は 1 と
なります。これはアンテナ接続状態が正常であることを示しています。
VDET が VREF_S よりも低い場合、ANT_DET0 と ANT_DET1 の値は両方とも 0 になります。これはア
ンテナの接続状態がショートであることを示しています。
アンテナショートによる過電流を防ぐためにアンテナ検出回路に過電流保護回路を追加することを推奨
します。過電流保護回路は図 3-8 の"Over Current Protection Circuit"で囲まれた回路になります。回路内に
は 2 つのトランジスタ(Q1、Q2)が含まれており、アンテナバイアス電流が増加すると R2 の電圧降下が増
加し、Q1 が ON します。そうすると Q2 のバイアス電圧が減少し、アンテナのバイアス電流が減少します。
この回路によりアンテナコネクタとグランドがショートしている間、電流の最大値は表 3-5 に示す電流の
制限値(IOC)を保持し続けます。
アンテナ検出回路の閾値と過電流保護回路の制限値は VANT と抵抗により決まります。表 3-5 は表 3-6
の部品を使った図 3-8 での閾値と制限値です。具体的な計算例は 3.5.3 と 3.5.4 を参照ください。
図 3-7 に表 3-5 の条件での ANT_DET0 と ANT_DET1 の値とアンテナ電流の関係を示します。
表 3-5 図 3-8の回路でのアンテナ検出条件
@TA=25°C
アンテナ供給電圧(VANT):
アンテナオープン検出閾値 (IANT_O):
アンテナショート検出閾値 (IANT_S):
電流制限値 (IOC):
△1
△2
5V [typ]
6 mA [typ]
64 mA [typ]
117 mA [typ]
Notes: 本項に記載する内容は弊社の評価用ボードによるものです。御社の回路に組み込む場合は、使用す
るアクティブアンテナの仕様に基づいて回路構成を検証ください。
△1
IOC
(117mA)
IANT_S
(64mA)
IANT_O
(6mA)
t
ANT_DET0/
ANT_DET1
11
01
11
01
00
図 3-7 アンテナ検出(ANT_DET0、ANT_DET1)と検知電流の関係
16
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Over Current Protection
Circuit
VANT
C1
0.1uF
Antenna Detection Circuit
VANT
0.25W
R5
1.2k
8
C4
R2
5.1
U1A
3
+
2
-
Q1
0.1uF
1
VREF_O
Under Current Detect
ANT_DET0
R3 3k
Rail to Rail In
R6
12k
Open Collector/Drain
U2B
R4
5
Q2
+
3k
7
VREF_S
6
4
R7
82k
Over Current Detect
VDET
R1
10
C3
C2
33pF
0.1uF
Antenna Biasing
Circuit
L1
39nH
56nH
Active
Antenna
RF_IN
図 3-8 アンテナ検出回路と過電流保護回路
Component
表 3-6 部品表
Recommended Specification
C1,C2,C4
C3
L1
Q1
0.1uF
33pF
39nH
PNP Transistor
Q2
PNP Transistor
R1
R2
R3, R4
R5
R6
R7
U1A,U2B
e.g. HK100539NJ-T (Taiyo Yuden)
e.g. 2SA2029 (Rohm)
Corrector tolerance dispassion more than 1W
e.g. MCH6101 (SANYO)
10±5%, 1/4W
5.1±5%, 1/8W
3k±5%
1.2k±5%
12k±5%
82k±5%
2ch comparator Rail to Rail Input
Open Collector /Drain Output
e.g. TLV3402 (Texas Instruments)
17
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Notes
ANT_DET1
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3.5.3
アンテナ検出の閾値の計算例
閾値電流は以下の 3 種のリファレンス電圧に置き換えて使用され、アンテナオープン、ショートの判定
を行います。以下の計算式を用いることで所望の閾値へ変更することが可能です。
オープンリファレンス電圧:
(3.1)
ショートリファレンス電圧:
(3.2)
検出された電圧:
(3.3)
Vce: Q2 コレクタ・エミッタ間電圧
IANT : アンテナ電流
アンテナオープン:
アンテナショート:
アンテナに流れる電流は下記の公式の通りです。
アンテナオープン電流:
(3.4)
△1
△2
(3.5)
△1
△2
アンテナショート電流:
△1
Notes: VANT = 5V typ. >> VCE = 0.11V typ. のため、VCE は省略しています。
3.5.4
過電流保護の計算例
アンテナ検出回路に電流保護回路を追加することを推奨します。
上記回路図に示す電流制限値 (IOC) は 117 mA であり、下記の TA=25°C での計算式に基づいています。
(3.6)
VBE: Q1 ベース・エミッタ間電圧
Notes: IOC を変更する場合は抵抗、インダクタおよびトランジスタの許容電流を確認ください。
18
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3.6
3.6.1
パッシブアンテナを使った場合の実験結果と補足説明
パッチアンテナのレイアウトによる電気的特性
パッチアンテナの電気的特性はグランドの影響を強く受けるため、アンテナ配置に合わせた特性チュー
ニングが不可欠です。
例としてサイズの異なる 3 種の基板 (図 3-9) に対して、サイズの異なる 3 種類の GPS パッチアンテナ
(図 3-10) を実装したときの、アンテナ特性(波数特性、指向特性)を比較しました。なおここでは PCB1(75
mm 角プリント基板)にて特性をチューニングしたアンテナをすべての基板に実装しています。
○ :アンテナ設置位置
プリント基板 1 (PCB1)
75mm x 75mm
プリント基板 2 (PCB2)
40mm x 140mm
プリント基板 3 (PCB3)
40mm x 140mm
図 3-9 プリント基板のサイズとパッチアンテナの設置位置
25
18
25
12
18
12
図 3-10 パッチアンテナのサイズ (単位:mm)
測定結果を表 3-7、図 3-11 に示します。
19
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表 3-7 測定結果
測定結果
測定項目
PCB1
PCB2
PCB3
25mm 18mm 12mm 25mm 18mm 12mm 25mm 18mm 12mm
1575MHz[dB]
-17.9 -23.6 -31.6 -16.1 -12.7 -20.2 -12.3
B.W.@-10dB[MHz] 29.3 18.3 11.2 24.4 16.8 11.1 27.6
Gain [dBic]
1575MHz
3.6
2.5
2.4
0.6
0.0
-1.6
0.6
Axial Ratio [dB]
1575MHz
2.1
2.8
3.1
18.1 10.7 22.4 10.6
Notes:
(*1) PCB3、12 mm 角の B.W.@-10 dB は、特性の劣化が大きいため、測定不能。
Return Loss
PCB1
PCB1
PCB2
PCB2
PCB3
PCB3
PCB1
PCB2
PCB3
PCB1
PCB2
PCB3
PCB1
PCB2
PCB3
PCB1
PCB2
PCB3
25mm x 25mm
18mm x 18mm
PCB1
PCB2
PCB3
12mm x 12mm
図 3-11 測定結果
20
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-4.3
7.9
-5.4
14.1
-2.8
- (*1)
-8.1
26.2
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図 3-12～図 3-14 のグラフは、図 3-10 で示したパッチアンテナを、図 3-9 の通り設置したときの指向
性パターンを示しています。アンテナの配置位置の影響があることがわかります。
PCB#
Y-Z Plane
Z-X Plane
0
330
300
1
270
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
0
30
330
60
300
90
240
270
120
210
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
150
300
2
270
210
150
180
0
30
330
60
300
90
240
270
120
210
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
150
300
3
270
90
210
150
180
0
30
330
60
300
90
240
270
120
210
60
120
0
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
30
240
180
330
90
120
0
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
60
240
180
330
30
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
30
60
90
240
150
120
210
180
150
180
図 3-12 指向性パターン(25 mm x 25 mm パッチアンテナ)
21
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PCB#
Y-Z Plane
Z-Plane
0
330
300
1
270
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
0
30
330
60
300
90
240
120
210
270
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
150
300
2
270
210
150
180
0
30
330
60
300
90
240
120
210
270
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
300
3
270
150
90
210
150
180
0
330
30
300
60
270
90
240
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
30
60
90
240
120
210
60
120
0
330
30
240
180
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
90
120
0
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
60
240
180
330
30
120
210
150
150
180
180
図 3-13 指向性パターン(18 mm x 18 mm パッチアンテナ)
22
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PCB#
Y-Z Plane
Z-X Plane
0
0
330
300
1
270
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
330
30
300
60
90
240
150
180
0
0
300
2
270
330
30
300
60
90
240
270
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
150
180
0
0
300
3
270
330
30
300
60
90
240
270
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
30
60
90
240
120
210
90
210
150
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
60
120
180
330
30
240
120
210
90
210
150
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
60
120
180
330
30
240
120
210
270
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
120
210
150
150
180
180
図 3-14 指向性パターン(12 mm x 12 mm パッチアンテナ)
23
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3.6.2
レイアウトによるノイズの影響
パッチアンテナはアンテナ底面およびその周辺からの信号も受信するため、底面およびその周辺のノイ
ズをできるだけ排除する必要があります。これを実現するため、アンテナの底面や周辺にはデジタル信号
ラインやスルーホールを設けないようにしてください。下図にアンテナ底面の良い例と悪い例を示します。
アンテナ給電ポイント
パッチアンテナ設置個所
Good
Bad
図 3-15 パッチアンテナ底面のレイアウト
24
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4
電源供給時の注意点
86/87 モジュールはバイパスコンデンサが含まれているので、電源供給時に電源供給(VCC)端子の近くに
バイパスコンデンサを設置する必要がありませんが、お客様の供給する電源が±50 mV 以上のリップルを
持っている場合は、リップルの影響で受信感度等の性能が劣化する恐れがあるため、バイパスコンデンサ
を設置するようにしてください。
5
設置位置によるモジュールの機械的ストレスと注意点
86/87 モジュールをネジ穴の近くなど、機械的ストレスが加わりやすい箇所に配置した場合、モジュー
ルが機械的ストレスにより破壊される可能性があります。
モジュールの設置位置は図 5-1 の"Better"に示すように機械的ストレスを受けにくい基板の中心に配置
することを推奨します。図 5-1 の"No good"で示すように"Screw point"の近くに 86/87 モジュールを配置す
る場合は、できるだけ機械的ストレスがかからないようにトルク管理を行ってください。
Screw point
ユーザー基板
ユーザー基板
86/87
モジュール
86/87
モジュール
No good
Better
図 5-1 推奨するモジュールの設置位置
25
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6
関連図書
GN-86F 機器仕様書
GN-87F 機器仕様書
GN-8615 機器仕様書
GN-8715 機器仕様書
GV-86 機器仕様書
GV-87 機器仕様書
GV-8615 機器仕様書
GV-8715 機器仕様書
GT-86 機器仕様書
GT-87 機器仕様書
7
△3
(文書番号: G13-000-10-004)
(文書番号: G13-000-10-002)
(文書番号: G14-000-10-006)
(文書番号: G14-000-10-008)
(文書番号: G13-000-10-009)
(文書番号: G13-000-10-007)
(文書番号: G14-000-10-010)
(文書番号: G14-000-10-012)
(文書番号: G13-000-10-018)
(文書番号: G13-000-10-016)
連絡先
古野電気株式会社 システム機器事業部
662-0934 兵庫県西宮市西宮浜 2-20
TEL: (0798) 33-7510
FAX: (0798) 33-7511
古野電気株式会社 システム機器事業部 東京支店
130-0026 東京都墨田区両国 3-25-5 JEI 両国ビル 7 階
TEL: (03) 5624-7473
FAX: (03) 5624-7474
26
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