Entwicklung eines münzgroßen solarbetriebenen GPS-Empfängers

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Durchgängige Impedanz von 50 Ω zwischen Modul und Antenne

Entscheidend ist eine durchgängige Impedanz von 50 Ω zwischen Modul und Antenne, die durch ein ungünstiges Layout gestört werden kann, was erhebliche Auswirkungen auf die Leistung des Moduls haben kann. Die Konstruktion des Moduls macht eine Integration einfach, dennoch ist eine sorgsame Planung des Leiterplattenlayouts unabdingbar. Die Prinzipien einer guten Layoutplanung müssen unbedingt berücksichtigt werden, ansonsten kann es zu starken Einschränkungen der Modulleistung und damit einem höheren Stromverbrauch kommen, wenn der Chip für die geringere Leistung kompensieren muss.

Das wichtigste Ziel bei der Layoutplanung ist es, die charakteristische 50-Ω-Impedanz über die gesamte Verbindungslänge zwischen Antenne und Modul zu gewährleisten. Das Modul sollte nach Möglichkeit von anderen Komponenten auf der Platine isoliert werden. Dies gilt insbesondere für Hochfrequenzschaltungen wie Quarzoszillatoren, Schaltstromversorgungen und Hochgeschwindigkeits-Bus-Leitungen, und sofern möglich sollten HF- und digitale Schaltkreise in verschiedenen Bereichen der Leiterplatte untergebracht werden.

Leiterbahnen dürfen nicht unmittelbar unter dem Modul verlaufen

Es ist wichtig, Leiterbahnen nicht unmittelbar unter dem Modul verlaufen zu lassen, was sich bei einem so kleinen System als schwierig erweisen kann. Das Modul muss direkt auf der Leiterplatte sitzen und es dürfen keine Kupferleitungen oder Leiterbahnen in der gleichen Schicht unter dem Modul verlaufen. Auf der Unterseite des Moduls befinden sich Leiterbahnen und Durchkontaktierungen, an denen Kurzschlüsse oder Kopplungen mit Trace-Leitungen auf der Leiterplatte entstehen können.

Tipp: eine große unterbrechungsfreie Grundplatte

Idealerweise sollte eine große unterbrechungsfreie Grundplatte auf einer der unteren Schichten gegenüber des Moduls platziert werden, um eine impedanzarme Erdung und eine konsistente Streifenleitungsleistung zu gewährleisten. Eine möglichst kurze Trace-Leitung, die nicht unter dem Modul verläuft, ist sinnvoll, denn wenn die Trace-Leitung einer Antenne über Durchkontaktierungen auf mehreren Leiterplattenschichten verläuft, steigt die Induktivität. Stattdessen sollten die Masseschichten und die Massekontakte der Komponenten über mehrere Durchkontaktierungen verbunden werden.

Vergussmassen beeinflussen die HF-Leistung

In kleinen Designs wird das Modul häufig ummantelt. Es ist eine Vielzahl an Vergussmassen mit unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften erhältlich. Da sich solche Vergussmassen erheblich auf die HF-Leistung und die Möglichkeit der Umgestaltung oder Wartung des Produkts auswirken können, ist eine sorgsame Auswahl eines geeigneten Materials entscheidend.

DC/DC-Wandler für das Energiemanagement

Das Modul ist mit einer Reservebatterie ausgestattet, die den SRAM-Speicher und den Echtzeitzähler (RTC) mit Strom versorgt, wenn die HF-Einheit und der GPS-Hauptkern ausgeschaltet sind. Dies verkürzt die Aufstartzeit (TTFF) des Moduls nach dem Einschalten. Der Speicher und der Zähler verbrauchen etwa 10 μA, die problemlos von der Solarzelle geliefert werden können.

Alternativ können diese Einheiten auch über einen kleinen Lithium-Ionen-Akku mit Strom versorgt werden. Dies senkt den Energieverbrauch erheblich, verlängert die Lebensdauer des Hauptakkus und ermöglicht gleichzeitig eine schnelle Ortung nach dem Einschalten des Moduls. Ein zu berücksichtigender Aspekt beim Energy Harvesting ist, dass das Modul eine saubere, präzise geregelte Energiequelle mit einem Rauschwert von unter 20 mV erfordert, da das Rauschen der Energiequelle die Empfindlichkeit des Empfängers erheblich beeinflussen kann.

Hochintegrierte Wandler für Energy Harvesting

Geräte wie der LTCR3108 von Linear Technology (Bild 4) sind hochintegrierte DC/DC-Wandler, die für das Harvesting und Verwalten überschüssiger Energie aus Stromquellen mit extrem niedriger Eingangsspannung optimiert sind. Dies ermöglicht die Stromversorgung von münzgroßen GPS-Empfängern mittels kleiner Solarzellen, da die Step-up-Topologie sehr geringe Eingangsspannungen von lediglich 20 mV möglich macht.

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