Antena retransmisora para GPS

Question

Necesito probar y mantener un lote de dispositivos que contienen módulos GPS. Puedo trabajar en el resto del dispositivo, pero cuando se trata de probar la parte del GPS no tengo señal en mi escritorio, por más que intente acercarme a la ventana. Sólo necesito comprobar que los receptores reciben una señal adecuada, adquieren la posición y obtienen una relación S/N que puedo comparar con otras unidades que funcionan.

Podría colocar una antena en el techo (de hecho tengo una), pero los aparatos no tienen entrada de antena (y de todas formas no admiten antenas activas). Como voy a hacer esta tarea durante bastante tiempo, he pensado que lo que necesito es una antena GPS reradiante. Sin embargo, aquí en Argentina son prácticamente desconocidas. Ninguna tienda especializada las tiene, así que tendré que construir la mía propia. Peor aún, en Argentina es bastante difícil conseguir la mayoría de los componentes electrónicos especializados (piense en una lista de no más de 200 transistores más comunes), y la importación desde el exterior es prácticamente imposible. Incluso las resistencias pasantes de 1/8W son difíciles de encontrar. (sólo hay disponibles de 1/4W 5%).

Entonces, ¿qué puedo hacer? Tengo un par de antenas GPS activas y pasivas de PCB comerciales. He intentado alimentar la antena activa con 5V a través de un inductor, y conectar la salida a la pasiva a través de un pequeño condensador (1nF). Se supone que la antena activa tiene una ganancia de 28 dB, y tengo (por especificaciones) como mucho 2 dB de pérdidas en los cables y conexiones. Pensaba que iba a funcionar pero no veo ninguna mejora en la señal recibida en absoluto. La antena activa está en el tejado, completamente oculta de la habitación en la que estoy, así que no creo que las antenas puedan interferir entre sí. La fuente de alimentación es un 7805 alimentado desde una batería de 12V (por lo que sé que no hay ruidos extraños a través de la barra de alimentación).

La antena activa no es el problema. Puedo hacerlo funcionar conectándolo a un receptor que sí admite antenas activas externas y adquiere la posición sin problemas.

¿Quizás debería instalar una segunda etapa de LNA, cerca de la antena radiante? ¿Cuál debería ser su ganancia? Apenas tengo equipo de medición. Ciertamente no tengo nada útil para medir una señal de 1,5 GHz, así que estoy trabajando a ciegas. Un circuito de muestra con muy pocos componentes sería especialmente útil.

Se agradecería cualquier ayuda.

EDIT: Añadido el esquema

EDIT2: Añadido foto cutre de mi tabla

Answer 1

Lo que necesitas es un repetidor de GPS, y ya tienes la mayor parte del camino recorrido para hacer uno que funcione.

Diseño general del repetidor

será algo así:

• Antena de parche al aire libre, para recibir buenas señales GPS fuertes
• Amplificador (en la antena de parche)
• Cable para bajar la señal a tu banco de trabajo
• Bias T para inyectar DC para el amplificador
• Antena de parche para irradiar señales hasta su experimento.

El diablo está en los detalles, y yo podría ayudar con algún detalle. Empezando por un circuito de ejemplo y refinándolo.

En primer lugar, calcule las pérdidas del trayecto

Compara los dos escenarios:
1) Su dispositivo, al aire libre: Satélite --> Dispositivo
2) Su repetidor casero: Satélite --> Parche --> LNA --> Cable --> Parche --> Pérdida de espacio libre --> Dispositivo
La diferencia es, por supuesto, la pérdida de trayectoria de la antena, del amplificador y del espacio libre, marcada en negrita. El primer paso es sumar el impacto que tiene en la intensidad de la señal vista en el receptor.

La ganancia de la antena, para un parche cerámico pasivo de buena calidad y bastante grande (25 mm), es de unos 3 dBi a vista de pájaro. Los parches más compactos de 10 mm, y las antenas cerámicas F no son excelentes para esta aplicación.
La antena exterior tiene un LNA y un filtro incorporados, sólo hay que alimentar el cable.

Pérdida de trayectoria es la longitud de onda^2 / (2*pi*r)^2.
A 1575 MHz, es lo siguiente:

 0.1 m : 16.4 dB
0.25 m : 24.3 dB
 0.5 m : 30.4 dB
 1.0 m : 36.4 dB

La pérdida de cable será de aproximadamente 5 dB para una longitud de 5 m de RG174 el cable habitual en estas antenas. Puedes hacerlo mejor con un cable más grueso...

La antena de parche interior puede ser del mismo tipo, pero el LNA y el filtro SAW no son necesarios. Desolda con cuidado y haz un puente con algún cable grueso o un poco de cinta de cobre.

Suponiendo que se mantiene el parche re-radiante a unos 25 cm del dispositivo bajo prueba, la suma de las pérdidas y ganancias anteriores es entonces

• Gpatch +3 dBi
• Glna +27 dB
• Gcable -5 dB
• Gpath -24,3 dB
• Gpatch +3 dBi

El total es de unos +4 dB

Esto significa que si todas las suposiciones anteriores son correctas, el nivel de señal visto por su dispositivo bajo prueba será ligeramente más fuerte que lo que vería en el exterior.

Cualquier desviación (o error) hará que el nivel de la señal descienda rápidamente por debajo de lo que el receptor puede soportar. Esto puede deberse a un cable más largo, a una antena de menor ganancia, a un desajuste o a una pérdida en el bias-T, o a un mayor alcance del parche de transmisión al receptor.

Posibles mejoras

Si tienes una pérdida inevitable en el circuito, o necesitas una distancia mucho mayor desde el parche de transmisión al DUT, entonces necesitarás un segundo LNA, quizás gorroneado de la segunda antena de parche, alimentado con una segunda T de polarización.

Cualquier fuga de RF en las líneas de alimentación, o la radiación, podría acoplarse de nuevo a la entrada del LNA (donde está la primera T de polarización), causando retroalimentación, oscilación, y el fracaso completo.

Su circuito Bias T

Una T sesgada tiene este aspecto: pero DEBE tener un condensador a tierra desde el inductor. (Actualizaré con un circuito mejor más tarde).

Has hecho un buen intento de circuito de polarización, pero me temo que el inductor y sobre todo el condensador están demasiado lejos. Por lo general, utilizaríamos un inductor y un condensador de chip, de 2 mm de longitud, que no interrumpan demasiado la línea de transmisión. Tampoco estoy seguro de que la impedancia de la línea esté lo suficientemente cerca de los 50 ohmios, puede que te cueste unos cuantos dB.

¿Qué hacer? Utilizar una resistencia.

El LNA en una antena GPS típica que veo dice Power Supply : 1.8-5.0 VDC at 10mA . Así que si lo alimentas a través de una resistencia de chip 0805 de 220 ohmios, la caída de tensión será sólo de unos 2,2 V. Sólo asegúrate de tener unos pocos voltios más que el mínimo requerido, y el LNA estará bien. La resistencia absorberá parte de la señal del GPS, pero no lo suficiente como para cambiar nada aquí. Todavía necesitas un condensador de bypass, C2 en tu circuito, pero hazlo de cerámica de 10n y mantenlo tan cerca de la resistencia como sea posible. Todo debería caber entre las patas de los conectores SMA.
Pruebe los voltajes de CC del circuito cuando esté alimentado y con una antena GPS, y ajuste el voltaje de la fuente en consecuencia.

Suelde los dos conectores SMA espalda con espalda o utilice un tramo corto de PCB. Intenta que la impedancia sea cercana a los 50 ohmios, es decir, una pista de microstrip de 3 mm sobre una placa de cobre FR4 de 1,6 mm, con tierra por debajo.

Tenga en cuenta que este circuito también alimenta ambos antenas al mismo tiempo. Esto no debería ser un problema, siempre y cuando la antena interior no esté conectada a tierra de forma continua. Comprueba esto primero, si es un cortocircuito, necesitas añadir un condensador en serie con ella en alguna parte.

Una vez construido este circuito de polarización, puedes probarlo con un receptor GPS normal que tenga un conector SMA. Basta con comparar la intensidad de la señal de los satélites GPS en los dos casos:

• con la antena GPS conectada directamente a la recepción
• con la antena GPS conectada al receptor a través de su circuito de polarización

Por supuesto, no añades ninguna potencia al circuito de polarización, deja que el GPS alimente la antena.

Reflexiones finales

Experimenta un poco: pon el parche de transmisión en contacto con tu circuito y aléjalo lentamente.

No esperes que este circuito te proporcione señales GPS de buena calidad para caracterizar la propia antena GPS del dispositivo; para eso probablemente necesites estar al aire libre. El entorno es diferente, todas las señales vienen de arriba, y hay una habitación cálida y no un cielo frío que contribuye al ruido de una manera diferente al receptor. Se trata más bien de una prueba de aprobación del GPS, y de los circuitos que dependen de él.

Answer 2

Es su bui l Si es así, consiga un edificio metálico. i n la señal nativa de gps en tal vez imposible.

Si su edificio no tiene marco metálico, y la ventana no tiene marco metálico. puede intentar esto y es bastante barato y podría funcionar.

consigue de 3 a 5 trozos de cartón grande y cúbrelos con papel de aluminio, y colócalos fuera de la ventana y en diferentes ángulos para que reflejen las señales aéreas en tu ventana. tienen que estar poco espaciados y apuntando a diferentes ángulos del cielo. si quieres que sean más efectivos, intenta hacerlos en forma parabólica.

Answer 3

Hay repetidores GPS activos y pasivos disponibles en muchas fuentes. El principal inconveniente, como dijo user3453518, es que medirá las coordenadas de la antena del techo.

Un repetidor GPS activo te dará entre 12 y 28dB de ganancia, y si utilizas una antena fija, obtendrás un rendimiento mucho mayor que con una pequeña antena de parche.

Answer 4

Yo reduciría al máximo la distancia entre los dos conectores de lanzamiento de SMA a la placa. Usted quiere conseguir la distancia entre los dos para ser mucho menos de 1/10 de una longitud de onda por debajo de la cual los efectos de campo cercano dominante; a 1,5 GHz esto es aproximadamente 2 cm. A juzgar por tu pulgar en la imagen, supongo que la distancia interna entre los dos lanzadores SMA es de aproximadamente 2cm.

Yo llegaría a cortar las clavijas del lanzamiento de SMA para que haya un trozo suficiente para conectar el inductor RFC y el condensador de bloqueo. Además, me desharía del condensador de bloqueo si la antena interior ya está en circuito abierto en CC. Si es posible, también aconsejaría mover el RFC más cerca de la traza de la señal, aunque debería parecer un circuito abierto a 1,5 GHz los efectos de la línea de transmisión podrían modificar la impedancia efectiva; por ejemplo, un circuito abierto visto a través de una línea de transmisión de un cuarto de longitud de onda parecerá un cortocircuito.

Yo consideraría la posibilidad de añadir un RFC al retorno de tierra en su suministro de 5V, es posible que debido a la falta de un buen plano de tierra esto esté influyendo en el circuito. La adición de una caja de blindaje metálica conectada a tierra alrededor de todo el artilugio también ayudará a limitar la posibilidad de que una fuente externa se acople negativamente a la línea de transmisión.

Answer 5

Esto no funcionará como usted espera.

Podría funcionar desde el punto de vista eléctrico. Pero el hecho de que las señales del satélite viajen por un cable y sean reirradiadas introducirá errores en la señal de lectura del GPS. No puedo entender todos los posibles problemas por pura deducción, pero, probablemente hará una medida fija desde la posición de la antena activa, no desde la posición del dispositivo gps. Como la antena activa está alimentada, superará la señal de los sats en un determinado radio. Es decir, acabas haciendo que una determinada zona dé un resultado fijo. O algo así.

Como la hora de llegada es crucial para el posicionamiento GPS, necesitas que la antena esté en el mismo lugar que el receptor, muévete con él. Si se utiliza una antena externa en un coche, esto no interferirá con el resultado, porque se espera medir la posición del coche, no del dispositivo. Pero en un edificio, ¿cuál es el porpósito?

Puedes ir al tejado, leer la posición, escribirla en un papel y pegarla en una pared, no cambiará, el edificio no va a ninguna parte, no se moverá. Con una antena en el tejado no se consigue nada.