April 2013

SAW-Filter für Navigationssysteme

Immer exakt positioniert

Mit elektronischen Bauelementen von EPCOS und TDK hat STMicroelectronics mehrere Referenzdesigns für das Navigations-Chipset Teseo II entwickelt. Diese Designs eignen sich sowohl für die Automobil- als auch die Konsum-Elektronik.

Teseo II ist eine Single-Chip-IC-Serie (STA8088), die für Multi-Satelliten-Navigationssysteme entwickelt wurde. Neben GPS- und Galileo-Signalen können diese ICs auch Daten von GLONASS (Global Navigation Satellite Systems) verarbeiten. Die Referenzdesigns decken dabei die verschiedensten Kombinationen von GPS, Galileo und GLONASS ab, die im Standard L1/E1 im Frequenzbereich von 1569 MHz bis 1607 MHz arbeiten. Da GLONASS über eine vergleichsweise hohe Zahl von Satelliten verfügt, wird damit die Navigation besonders unter schwierigen Bedingungen deutlich verbessert – etwa in Straßenschluchten von Großstädten.


GLONASS nutzt nicht dasselbe Frequenzband wie GPS und Galileo, sondern ein Seitenfrequenzband. Bei der Entwicklung des Designs mit dem STA8088GA wird trotzdem das gesamte relevante RF-Spektrum bis zur ersten Zwischenstufe verarbeitet. Dazu befindet sich im Eingangskreis hinter einem externen LNA (Low Noise Amplifier) ein EPCOS SAW-Filter (B39162B3913U410). Er dient dazu, in einem ersten Schritt Signale von GSM, Wi-Fi, UMTS, BT und andere zu unterdrücken. Anschließend wird das GLONASS-Signal von den GPS- und Galileo-Signalen getrennt und mit der Zwischenfrequenz moduliert. So können alle Signale mit wenigen Bauelementen und damit geringen Kosten verarbeitet werden. Der integrierte LNA bedient beide Pfade und wird separat aus dem Chip herausgeführt. Dadurch ist es möglich, verschiedene SAW-Filter-Designs und -Layouts zu verwenden. Wenn das Signal den zweiten EPCOS SAW-Filter (B39162B3913U410) passiert hat, wird es dem RF-Verstärker und -Mischer für die Zwischenfrequenz zugeführt. Abbildung 1 zeigt ein Referenzdesign für Automobil-Anwendungen.

Abbildung 1: Referenzdesign eines Navigationssystems mit Teseo II Chipsatz

Neben zwei EPCOS SAW-Filtern kommen 19 MLCCs und 3 Induktivitäten von TDK zum Einsatz.

Die verwendeten SAW-Filter haben ein robustes Keramik-Gehäuse mit Abmessungen von 3 × 3 × 1,1 mm³ und sind nach dem Standard der Automobil-Industrie AEC-Q200 qualifiziert. Dies bedeutet unter anderem einen weiten Einsatztemperaturbereich von −45 °C bis 125 °C. Die Bandbreite der Filter beträgt 56 MHz. Das Anpassnetzwerk ist für 50 Ω ausgelegt. Auch die MLCCs und Induktivitäten von TDK entsprechen AEC-Q200. Das so realisierte Referenzdesign eignet sich für Navigationsgeräte in Fahrzeugen und kann neben konventionellen Navigationsaufgaben auch Telematikaufgaben übernehmen. Wegen der hohen Präzision eignet es sich auch für sicherheitsrelevante Anwendungen wie eCall, bCall oder Fahrerassistenz-Systeme.

Mit einem weiteren Chip aus der Teseo II-Serie, dem STA8088FG, hat STMicroelectronics ein Navigationssystem für Anwendungen in der Konsum- und Industrie-Elektronik entwickelt. Bei diesem Referenzdesign wird nur ein einziges EPCOS SAW-Filter benötigt, der zwischen dem aus dem IC herausgeführten LNA und dem RF-Verstärker geschaltet ist. Hier kommt der EPCOS Typ B39163B4310P810 zum Einsatz. Dieses Filter wird in der EPCOS CSSP®-Technologie (Chip-sized SAW Package) gefertigt. Dank dieser Gehäusetechnologie ist ein sehr hoher Miniaturisierungsgrad möglich. Entsprechend liegen die Abmessungen dieses Filters bei nur noch 1,4 × 1,0 × 0,4 mm³. Neben seiner Kleinheit zeichnet sich das Bauelement durch hervorragende elektrische Eigenschaften aus. So liegt zum Beispiel die Einfügedämpfung bei nur 1 dB. Auch dieser Filter ist mit seinem hermetisch dichten Gehäuse nach AEC-Q200 qualifiziert. Die Bandbreite des Filters beträgt 34,37 MHz; das Bauelement kann in einem Temperaturbereich von −40 °C bis +85 °C betrieben werden.

STMicroelectronics hat beide Referenzdesigns weltweit ausgiebigen Tests unterzogen, um die Vorteile von Multi-Satelliten-Navigationssystemen nachzuweisen.

Abbildung 2 zeigt eine Testfahrt durch Straßenschluchten in Tokio. Dabei wurde eindeutig nachgewiesen, dass durch die gleichzeitige Nutzung des GPS- und GLONASS-Signals eine deutlich bessere Positionsangabe erzielt wird. Bei einer Testfahrt in Dallas wurde das neue STMicroelectronics Design mit einem Wettbewerbsprodukt verglichen, das sich ausschließlich auf GPS-Signale stützt. Auch hier zeigen sich eindeutig die Vorteile der Multi-Satelliten-Nutzung.

Abbildung 2: Bessere Positionsangaben durch gleichzeitige Nutzung von GPS und GLONASS

Positionsangaben mit Teseo II, GPS und GLONASS (rote Kurven) sind wesentlich exakter im Vergleich zu Angaben, die nur mit Teseo II und GPS ermittelt werden.

Tabelle: Kenndaten der EPCOS SAW-Filter

Typ

B3913

B4310

Abmessungen [mm]3 × 3 × 1,11,4 × 1,1 × 0,4
Mittenfrequenz [MHz]15881588,655
Bandbreite [MHz]5634,37
Temperaturbereich [°C]-45 bis +125-40 bis +85
AEC-Q200 qualifiziertjaja


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