低雜訊放大器助力 微型GPS模組提高定位精度
大多數智慧型手機已經可以支援導航衛星功能，導航衛星系統功能也將成為智慧型手機的一項標準功能，而愈來愈多的智慧型手機除可以支援美系全球衛星定位系統(GPS)外，還可以支援俄羅斯GLONASS和中國大陸北斗(COMPASS)系統。此外，平板電腦、數位相機和手表等可攜式裝置也逐漸支援多系統的全球導航衛星系統(GNSS)功能，足以見得導航衛星功能所帶來的市場新商機。
然而，把導航衛星功能整合至手機並非易事，因為手機訊號和導航衛星系統訊號的頻率相近，同時手機訊號強度相對較高(全球行動通訊系統(GSM)手機為30?33dBm)，而接收到的衛星訊號功率強度可低於-130dBm，常會面臨雜訊干擾(Jamming)問題，這個干擾會產生許多雜訊足以遮蔽衛星訊號，進而構成導航衛星系統接收機靈敏度的挑戰。
導航衛星模組首重抗干擾性能
為整合導航衛星功能並維持小尺寸設計，設計工程師對於整合電路和縮小元件尺寸等的需求會愈來愈高。使用可以支援導航衛星功能的模組會是其中一個可行的解決方案(圖1)。本文將就微型化導航模組設計之要點做探討與剖析。
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| 圖1 導航衛星模組方塊圖，其中，濾波器可衰減頻帶外的干擾，射頻輸入接腳的ESD Diode提供IEC ESD接觸式放電規格的保護。 |
在智慧型手機或平板電腦的應用領域中，由於存在訊號強度相對較高的手機訊號以及現在眾多無線通訊標準，如長程演進計畫(LTE)Band-13、GSM850/ 900/1800、通用行動通訊系統(UMTS)和無線區域網路(WLAN)。各種強度相對較高的無線通訊訊號會混合產生落在GNSS接收頻段上的諧波產物，例如GSM 1712.7MHz和UMTS 1850MHz混合，會產生落在GNSS接收頻段上的諧波產物、LTE Band-13二次諧波產物也會落在GNSS接收頻段上、GSM 827/897和WLAN 2402/2472MHz混合也會產生落在GNSS接收頻段上的諧波產物，再加上智慧型手機或平板電腦本身內部電路的運轉，一些高頻雜訊干擾源的來源通常來自時脈電路、切換式電源供應電路或顯示器中的驅動器電路，對於微弱GNSS訊號的接收造成很大的干擾，因此也必須注意導航衛星模組的抗干擾性能。
由於現在為避免較強的手機訊號干擾到接收到的衛星訊號進而遮蔽衛星訊號，除在模組內置放表面聲波(Surface Acoustic Wave, SAW)濾波器之外，也可以考慮置放陷波(Notch)濾波器，以增加對其他強度相對較高的無線通訊干擾訊號(787MHz/827MHz/897MHz/1712MHz/1850MHz/2402MHz/2472MHz)衰減。這些表面聲波濾波器和陷波濾波器也必須被微調，以便於兼顧微型化導航衛星模組的低雜訊指數、增益、阻抗匹配和高抗干擾性能。
內置於導航衛星模組的專門設計用來放大微弱GNSS訊號的低雜訊放大器(LNA)，用以加強GNSS訊號，改善全球衛星定位系統接收機靈敏度，但也須要考慮訊號強度相對較高的無線通訊訊號P1和P2(圖2)。
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| 圖2 非線性諧波產物 |
低雜訊放大器加強GNSS訊號
低雜訊放大器加強GNSS訊號
由於非線性的低雜訊放大器會產生很高的諧波失真，這些諧波產物會落在GNSS接收頻段上，也因此會降低全球衛星定位系統接收器的靈敏度，所以在選擇低雜訊放大器時，可以使用線性度佳的低雜訊放大器，並將二階互調(IM2)和輸入三階截止點(IIP3)的效能規格也納入電路設計的考慮重點。
LNA應用電路的線性特性參數除有輸入三階截止點和輸入1dB壓縮點(IP1dB)外，帶外二階互調和帶外輸入三階截止點(IIP3OOB)也是重要的線性特性參數。使用圖3的應用電路，LNA的IIP3可以達到-2.5dBm(圖4)，輸入1dB壓縮點可以達到-6.5dBm。這些較強的帶外手機訊號經由耦合路徑會干擾接收到的衛星訊號強度，因而遮蔽衛星訊號。例如GSM 1712.7MHz的手機訊號和UMTS 1850的手機訊號同時進入導航衛星模組前端時，也會產生出落在導航衛星系統接收頻段上的諧波產物。因此在選擇LNA時，高線性度的LNA可以減少此諧波產物，從而確保有較好的接收品質。在圖3的應用電路輸入端同時輸入+10dBm的GSM 1712.7MHz手機訊號和UMTS 1850手機訊號，在輸出端僅會產生+67.1dBm帶外輸入三階截止點。在圖3的應用電路輸入端同時輸入+12dBm的897MHz手機訊號和+12dBm的2472MHz無線區域網路WLAN訊號，在輸出端也僅會產生-111.6dBm帶外二階互調。
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| 圖3 LNA應用電路圖，其中，濾波器可衰減頻帶外干擾。 |
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| 圖4 LNA帶外輸入三階截止點 |
如圖3的應用電路，在前端搭配使用表面聲波濾波器和陷波濾波器，可以有效地抑制其他強度相對較高帶外無線通訊干擾訊號(如LTE Band-13/GSM850/900/1800和UMTS)，以減少較高的諧波產物會落在導航衛星系統接收頻段上，進而保證較好的接收品質。在圖3應用電路的輸入端輸入+15dBm的LTE Band 13訊號，LNA輸出端僅會產生-92dBm的LTE Band 13的二階諧波產物。
複雜/室內環境應用 導航靈敏度性能須提高
無論是走路或開車，使用者常常會發現從全球衛星定位系統接收器接收到的衛星訊號強度會有不同的變化，在大樓與大樓間、建築物內、濃蔭的大樹下或甚至在複雜的高架橋下會導致訊號的衰減和中斷，這時全球衛星定位系統訊號強度大約還會再衰減20或30dB。此外在某些區域會由於不明原因發生完全沒有訊號的情況使得導航功能產生中斷，進而可能造成在當下不知道該往哪裡走的情況。因此，對於較複雜的使用環境和偏室內環境的應用來說，導航衛星模組的靈敏度要愈高愈好。就如圖5所示，為確保全球衛星定位系統提供最佳的功能性，更要選用專門設計用來放大微弱的GNSS訊號的低雜訊放大器元件，當作全球衛星定位系統訊號受到建築物干擾時的其中一種解決方案，亦可改善導航衛星模組的靈敏度。因此LNA的增益和低雜訊指數對於改善接收靈敏度品質亦是非常重要。業界採用矽鍺(SiGe)技術的四頻導航衛星系統毫米波積體電路(MMIC)LNA，具備15.8dB增益和0.74dB雜訊指數。
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| 圖5 GPS訊號受到建築物干擾的解決方案 |
導航衛星模組尺寸縮小
導航衛星模組的小尺寸與低功耗也是目前市場的需求，然而隨著兼具小尺寸、低功耗、高靈敏度與高整合度的單晶片問世，這些問題已大幅獲得改善，再加上室內定位與抑制多徑干擾能力大幅提升，促使導航衛星系統功能成為智慧型手機的一項標準功能。但高整合度單晶片仍需溫度補償晶體振盪器(TCXO)、表面聲波濾波器和LNA等外掛元件，尺寸上仍然偏大且要占用更大的電路板面積。因此選擇小尺寸的TCXO、表面聲波濾波器和LNA也有助於縮小導航衛星模組的尺寸。目前業界最小尺寸的LNA封裝尺寸接近0402尺寸大小，且封裝尺寸高度僅有0.40毫米(mm)(圖6)，適合用於小尺寸的導航衛星模組內。圖3所示，在輸入端僅需要兩顆被動元件，電容器被用來當作直流電區塊(DC Block)，而電感器提供輸入匹配。在GNSS應用下，通常會在LNA前端置放SAW濾波器以便衰減頻帶外的干擾，因此此時的輸入端電容器可以不須要使用。大多數的設計會在電路板上置放電源端的濾波電路，降低電源雜訊的干擾，因此導航衛星模組內就不需要在LNA電源腳位上置放射頻(RF)旁路(Bypass)電容器，僅須在輸入端置放一顆電感器。所以減少周邊被動元件的使用數量可以減少導航衛星模組內印刷電路板(PCB)的使用面積，並可以縮小導航衛星模組的尺寸。
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| 圖6 業界LNA尺寸比較圖 |
除此之外在電池式的手持設備中，低功耗永遠是選用元件的首要考量，如何提高智慧型手機或平板電腦的使用時間也是一個關鍵問題。由於電壓和消耗電流與功耗成正比，因此低電壓供電為降低功耗的重要策略。低運作電壓、低功耗和具有開啟/關閉功能的LNA可以有助降低功耗和增加電池使用時間。
值得注意的是，支援多模GNSS的高整合度單晶片已陸續被發表；另外，也有低雜訊放大器可同時支援個別或同步接收GPS、GLONASS、COMPASS及伽利略(GALILEO)訊號，其頻率涵蓋範圍從1,550~1,615MHz，並且提供高線性度、低電流、低運作電壓、低功耗和具有開啟/關閉功能，其低雜訊指數可以提供好的靈敏度。雖然目前美國GPS為主要的導航定位技術，但在美國以外的地區，GPS的訊號如果有更多其他不同的衛星定位技術輔助，衛星能見度可以提高，亦可填補單一衛星接收不足或訊號品質不良的缺失，因此能使個人導航、資產追蹤、汽車導航等各類導航設備具備較佳效能提高定位精度外，在定位的速度也可大大提升，因此多衛星定位系統可望被大量應用。
現行全球四大導航衛星系統分別是美系GPS、俄系GLONASS、中國大陸北斗系統和歐洲伽利略系統。目前可供民用的定位系統是美國現有的GPS、俄羅斯GLONASS及中國的北斗導航衛星系統，目前三個可供民用的衛星定位系統共有六十四顆定位衛星。歐洲伽利略系統是第四個可供民用的定位系統，預計會於2014年開始運作，並在2019年完工。
本文簡單介紹導航衛星模組、市場需求及系統設計難點。隨著導航衛星模組兼具小尺寸、低雜訊指數、低功耗、線性度佳、高靈敏度、高抗干擾性能與高整合度的一體成型微型化導航衛星模組方案的設計策略，微型化的導航衛星模組必須克服前述設計挑戰，才能滿足市場需求。
