Anténní systém je velmi důležitou součástí zařízení pro bezdrátovou komunikaci. Skutečností je, že při srovnání s nesmírně rychlým pokrokem v oblasti elektronických obvodů (procesorů, chipsetů apod.) vypadá anténní technika (více-méně předurčena fyzikálními zákony) poměrně konzervativně a proto se stále zvětšuje její technologické a vzhledové zpoždění za elektronickou výbavou. Není divu, že antény pak mohou na nezasvěcené působit vedle moderních systémů poněkud primitivním dojmem, což může v důsledku vést i k nemístnému podcenění jejich významu nebo naopak nezaslouženému vychloubání.

Anténa slouží k příjmu GPS signálu a její typ (resp. provedení) ovlivňuje kvalitu přijímaného signálu a také částečně předurčuje ideální polohu přijímače pro příjem signálu.  Mezi nejčastěji používané typy antén patří: PATCH (pásková) anténa a HELIX (šroubovicová) anténa. Jiné typy se v GPS technice příliš nepoužívají, protože jejich fyzikální parametry (např. délka dipólu), jsou mimo oblast běžné velikosti komerčního přijímače.

 

HELIX nebo PATCH?

aneb

který typ antény je lepší?

 

U obou typů antén se dají dosáhnout téměř shodné parametry citlivosti, jen je potřeba brát v úvahu typ antény a umístění přijímače tomu přizpůsobit. Jinými slovy - velmi záleží na tom, v čem a jak přístroj držíte.

PATCH (pásková nebo též proužková) anténa

Díky svým miniaturním rozměrům je obvykle použita u menších, ručních GPS přijímačů a většiny externích antén. Ideální poloha PATCH antény je ve vodorovné poloze, rovnoběžně se zemí. Anténa velice dobře přijímá signály, které na anténu dopadají svisle, naopak nepřijímá signály, které se šíří po horizontu.

Jedná se o antény vytvořené v planární struktuře, které jsou tvořeny vhodně vyleptaným motivem na vrchní straně substrátu. Spodní strana substrátu je celá pokovena. Principiálně jde v podstatě o planární rezonátory, které jsou vhodně upraveny tak, aby co nejvíce vyzařovaly. Antény mohou nabývat různých tvarů (obdélník, kruh, trojúhelník, …). Tyto antény se vyznačují přítomností vodivých a dielektrických ztrát a také poměrně úzkou šířkou pásma (1 – 5 %). Směrovost prvku se pohybuje mezi 5 – 9 dBi, pro vyšší substráty s menší permitivitou se dá dosáhnout i vyšších hodnot. Účinnost je obvykle v rozmezí mezi 40% a 100 %.

Jak již bylo řečeno, patchové antény jsou poměrně úzkopásmové. Avšak existují způsoby jak jejich pracovní pásmo rozšířit. Jednak je možné zvýšit výšku substrátu (např. vzduchovým dielektrikem a poté napájení pomocí L antény) a nebo vyleptáním motivů prodlužujících dráhy rezonančních siločar. Patch je možné i zmenšit např. tím, že ho v polovině délky zkratujeme (tam kde je při normálním provozu nulové napětí). Funkce patche zůstane zachovaná a velikost se zmenší na polovinu.

 

Garmin "Béďa Trávníček" LegendEtrex-PATCH anténa

 

Zárověň tento typ antény používají téměř všechny externí (přídavné) antény s konektorem MCX.(MMCX)

Externí patch anténa

 

HELIX (šroubovicová) anténa

 

Helix - šroubovice - princip

Prostorově výhodnější, ale nepatrně méně efektivní anténa, tvořená vinutím drátu. Tato anténa je velmi efektivní vzhledem k její malé velikosti a má vysokou jakost Q, ale je náchylná k odladění vlivem umístění v blízkosti předmětů s velkou vodivou plochou. Pro dosažení nejlepších výsledků je vhodné ji navrhnout a naladit podle skutečné situace. Může se změnit její délka, průměr nebo počet závitů. Šroubovicové antény dostupné na trhu mají vinutí chráněné plastovým výliskem nebo trubičkou

Důležité je, že hustotou závitů (úhlem stoupání) lze ovlivňovat směr vyzařování - pro úhel stoupání cca 14 stupňů anténa vyzařuje ve směru osy šroubovice, zatímco pro malé úhly stoupání vyzařuje do stran, podobně jako dipól. Orientace GPS přístroje (natočení jeho antény) by tedy měla být určena stoupáním závitů antény - jestli při příjmu GPS signálu směrovat k obloze nebo rovnoběžně se zemí.

Snadno se realizuje, má kruhovou polarizaci, dobrou směrovost. Průměr antény je úměrný vlnové délce.

Používá se hlavně pro mikrovlnná pojítka.(GHz pásmo - mobily, ruční radiostanice, satelitmí komunikace, Bluetooth) a všude tam, kde se dají využít její výhody - v počítačích do ruky, nesených na lidském těle či jinak obklopených velmi dielektrickými materiály, jež by rozladily konvenční antény.

Při vhodné konstrukci má poměrně širokou charakteristiku (typicky >120°) a je proto vhodná pro činnosti, u kterých se předpokládá náhodná, často se měnící orientace vůči obloze - případ pohybu člověka s GPS přijímačem.

Garmin 60CSx - šroubovicová HELIX anténa

 

A jak vypadá HELIX (šroubovicová) anténa uvnitř přijímače Garmin GPSMAP 60CSx?

Na rozdíl od dražších typů, které jsou chráněny v průmyslové praxi plastovým radomem (kloboučkem), na Garminu byla použita pouze ochrana gumovým překrytím.

Když vidíte tuto konstrukci, tak je jasné, že se velmi nedoporučuje pád na zem směrem k anténě ...:-((

Je také vidět, že šroubovice má poměrně velké stoupání závitů, měla by mít tedy hlavní směr příjmu v ose šroubovice - přístroj natočený k obloze.

 

Anténa HELIX přístroje Garmin GPSMAP 60CSx

 

A jak se vyrábí tyto antény na opravdu profesionální bázi?

 

Podívejme se na špičkové výrobky například firmy Sarantel.

Postup výroby je jasný z obrázků - šroubovice je velmi přesně vyleptána (vybroušena) na válci, poté překryta umělohmotnou ochranou. (Obvykle polykarbonátem ABS). Nakonec je připojen radom (klobouček pro mechanickou a klimatickou ochranu) a držák (holder) celé antény.

Balun (na prvním obrázku) je širokopásmový impedanční transformátorek, kterým přizpůsobujeme impedanci antény k impedanci výstupu, případně přizpůsobujeme symetricky napájenou anténu nesymetrickému výstupu. (BALanced-UNbalanced),

helix1

Spirála nemusí být pouze jednoduchá, ale lze ji vinout jako vícenásobnou - např.quadrifilar (čtyřnásobně vinutou). Ve vývoji jsou již osmispirálové - dosahuje se tak lepší směrové charakteristiky.

helix2helix3

 

U všech typů spotřebičů, zpracovávajících velmi slabý signál, zůstává neustávý problém s jeho zpracováním. U mobilů je třeba důsledně oddělit přijímací a vysílací část, u GPS přístroů jde pouze o přijímače, ale uvnitř mají aktivní zdroj rušení - mikroprocesory a čipsety. Z hlediska kvality příjmu záleží i na natočení antény směrem ke zdroji vysílání (satelitům), popř. typu držáku GPS přístroje. Zvláště v tomto případě může lidská ruka ve funkci držáku GPS způsobovat velké problémy, neboť zpracování signálu může významně záviset na tom, jak volné je bezprostřední okolí antény. Velcí výrobci se snaží tento vliv omezit novým typem antén.

Britská společnost Sarantel vyvinula revoluční anténu do mobilních přístrojů, založenou na své patentované technologii PowerHelix™. Jsou-li v blízkosti antény jiné vodiče nebo ruka či hlava uživatele, není tím její činnost na rozdíl od běžných antén nijak ovlivněna.

Anténa při používání vytváří pole s velmi nízkou energií. To znamená, že kritické vyzařování nepřesahuje vzdálenost větší než několik milimetrů.

Antény PowerHelix™ společnosti Sarantel jsou výsledkem dvacetiletého výzkumu a vývoje a jsou předmětem více než 100 patentů na celém světě. Tyto vyvážené antény poskytují výhodu malých rozměrů, výjimečné šířky paprsku a jedinečně nízkého vyzařování do okolí. Pokud jsou například využity v přenosných přijímačích GPS, zachytí větší počet družic, nevyžadují rozměrné GP antény a předvídatelná odezva systému se získává bez ohledu na blízkost vodičů, jiných antén nebo tkáně lidského těla

HELIX_Sarantel_FSA03

FSA03 - FALCOM Smart anténa

Kompletní dodávaný blok může mít podobu například FSA03 - "chytré" antény, obsahující výkonný jednočipový mikropočítač (čipset) UBX-G5010 (označovaný často jako u-blox ), s integrovaným místním oscilátorem, posporou A-GPS a v budoucnu i Galilea. Na čipu obsahuje 384 kB ROM paměti, využitelné pro naprogramování budoucích aplikací. Má bateriové zálohování, rozsah teplot: -40 +85 °C, anténu Sarantel quadrifilar (čtyřnásobně vinutá spirálová anténa - QHA)

Má 50 kanálů, zpracovává ferkenci L1 (1575.42 MHz) , maximální update 4 Hz, skvělé časy pro Time to first position (TTFF) - cold start: 29 sec, warm start: 29 sec, hot start: < 1 sec. To je dosaženo díky velmi rychlé 32b výpočetní jednotce s více než 1 miliónem aktivních korelátorů, schopných masivního paralelního hledání napříč časofrekvenčními přenosy. Delší časy startu pak umožňují lepší zaměření na hranici citlivosti -160 dBm.

Technologie SuperSense umožňuje nejlepší zaměření, sledování a navigaci v obtížných signálových podmínkách - například v městech, mezi vysokými budovami, v kaňonech. apod.

(c) srpen 2009 TOULKY team - Brno Medlánky