Filtros SAW para antenas GPS

Los filtros SAW son una adición clave a la interfaz de radiofrecuencia de los dispositivos GPS y ayudan a garantizar que, si bien los receptores son sensibles, puedan mantener la especificidad al separar y rechazar las señales e interferencias no deseadas. Este breve artículo explica qué son los filtros SAW y su uso en dispositivos GPS.

Las Antenas GPS de Data-Alliance incluyen un filtro SAW, incluso nuestras Antenas combinadas / combo GPS que son GPS combinados con LTE y/o Conexión Wi-Fi.

¿Qué es un filtro SAW?

Los filtros de ondas acústicas superficiales (Surface Acoustic Wave - SAW) son dispositivos electrónicos especializados que son capaces de filtrar señales de radiofrecuencia. Esto significa que son permeables o capaces de bloquear señales de RF de una frecuencia específica.

Los filtros SAW suelen realizar su acción de filtrado absorbiendo la energía de radiofrecuencia y convirtiéndola en energía acústica o mecánica mediante el uso de materiales piezoeléctricos como el cuarzo, el niobato de litio (LiNbO3) o la tantalita de litio (LiTaO3). El intercambio de energía tiene lugar en un componente llamado transductor interdigital (IDT) que contiene una matriz de electrodos que convierten la electricidad, generando ondas acústicas superficiales. Estas ondas acústicas superficiales luego viajan a través del material piezoeléctrico, lo que convierte la energía nuevamente en energía eléctrica para su dispersión.

Los filtros SAW son unidades compactas y rentables que se fabrican para una amplia gama de aplicaciones. Los filtros SAW se utilizan normalmente para frecuencias de microondas de hasta un máximo de 3 GHz, y la selectividad del filtro disminuye gradualmente a frecuencias superiores a 1,5 GHz. Un filtro SAW tendrá una frecuencia central, pero su eficacia y especificidad pueden verse afectadas por condiciones ambientales como la temperatura. Los filtros sin compensación de temperatura (TC) a menudo experimentan un aumento en la frecuencia central a temperaturas más bajas y una disminución en la frecuencia central a temperaturas más altas.

Filtros SAW para dispositivos y aplicaciones GPS:

Un filtro GPS es un tipo de filtro SAW que se utiliza para filtrar las señales que interfieren con el GPS, mejorando la recepción y el rendimiento general de un receptor. Por lo general, son unidades de tecnología montadas en superficie y están diseñadas para pasar solo una frecuencia específica (por ejemplo, 1575 MHz L1).

Un filtro GPS SAW típico entregará un ancho de banda de 20 MHz alrededor de su frecuencia central, lo que significa que un filtro L1 que tiene una frecuencia central de 1575 MHz tendrá una banda de paso de 1565 a 1585 MHz. El filtro rechazará las interferencias y las señales no deseadas a 10 dB a 1525 MHz y a 1625 MHz el rechazo será de 22 Db. Dependiendo del fabricante, por ejemplo, las pérdidas de inserción y las pérdidas de retorno de un filtro GPS SMT pueden ser de alrededor de 0,9 dB y 14 -dB respectivamente.

Los receptores GNSS ya son capaces de procesar las señales recibidas para eliminar elementos no deseados y amplificar las señales basadas en satélites. Parte del proceso de adquisición de un GPS "fijo" es separar la señal GPS con un código que está presente en la transmisión satelital GPS.

Sin embargo, la presencia de interferencias de radiofrecuencia hace que el tiempo hasta la primera reparación (TTFF) se retrase. La interacción de la señal de emisión GPS con la ionosfera y la atmósfera que atraviesa en su camino hacia el receptor puede producir distorsiones y retrasos. Un filtro GPS separa estas frecuencias no deseadas y hace que la señal real sea más clara.

Los receptores GPS requieren especificidad y sensibilidad.

Los receptores GPS tienen que ser sensibles porque la señal GPS sufre una atenuación significativa  a medida que viaja a la tierra. Los amplificadores de bajo ruido (LNA) se utilizan habitualmente con los receptores GPS para aumentar la recepción de la señal.

Sin embargo, esto hace que los receptores sean vulnerables a los efectos de la interferencia electromagnética de una variedad de fuentes que pueden afectar la capacidad del dispositivo para bloquear una señal clara. Los dispositivos multimodo que tienen numerosas tecnologías inalámbricas que funcionan simultáneamente pueden experimentar interferencias y el acoplamiento de las señales celulares también puede ser perjudicial.

Un filtro SAW, colocado delante del LNA, ayuda a proteger contra los efectos de dicho ruido, ya que se filtrará y rechazará de manera eficiente. Los filtros GPS SAW hacen que un sistema GPS sea más confiable, especialmente cuando se encuentran interferencias regularmente. En zonas urbanas, o donde una antena GPS se encuentra cerca de las antenas transmisoras,  son especialmente ventajosos. Requieren una instalación competente para garantizar que solo se permita el paso de la frecuencia central.

Gestión de las pérdidas de inserción de los filtros SAW.

La debilidad de las señales GPS significa que la pérdida de inserción por la inclusión de un filtro SAW en la línea de RF del receptor puede ser significativa. La decisión de incluir un filtro SAW debe equilibrar estas pérdidas de inserción de la cadena del receptor con el rechazo de las señales fuera de banda que se pueden lograr.

El tipo de filtro SAW utilizado puede afectar a las pérdidas de inserción.

• Los filtros SAW con transductores interdigitales (IDT) tienen electrodos que se proyectan perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda acústica superficial. Se sabe que esta disposición geométrica limita el rendimiento del filtro, particularmente al limitar su ancho de banda máximo. El número de pares de electrodos de dedo en un IDT tiene una relación inversa con el ancho de banda fraccional de los filtros. Los filtros de ancho de banda más grandes tendrán pocos dedos IDT, pero esto conduce a la generación de ondas masivas y a un aumento significativo en la pérdida de inserción de filtros.
• Los filtros de transductor interdigital de dedo inclinado (Slanted Finger Interdigital Transducer SFIT) son un tipo de filtro SAW utilizado en aplicaciones GPS que tienen una pérdida de inserción más baja en comparación con el diseño IDT convencional. Tienen una mayor densidad de electrodos, debido a su orientación inclinada, lo que significa que también pueden lograr un factor de forma pequeña.

El tipo de material piezoeléctrico y su preparación también pueden afectar las pérdidas de inserción de un filtro SAW.

La posición de un filtro SAW en la línea receptora también afecta al rendimiento.

Los filtros SAW se utilizan normalmente en serie con un amplificador de bajo ruido LNA. Colocar el filtro antes de la entrada del LNA puede evitar que el LNA se sature con señales de interferencia de alta potencia y mejorar su selectividad para la frecuencia objetivo. Los filtros GPS también se pueden colocar después del LNA para suprimir la EMI y las señales no deseadas que pueden acoplarse a la línea.

Protección superior para aplicaciones GPS de misión crítica

Los filtros SAW son una mejora crítica de los receptores GPS utilizados en entornos de emergencia donde el rendimiento de los dispositivos GPS debe ser confiable y robusto. Se ha demostrado que los filtros SAW superan a los filtros cerámicos y los filtros LC, lo que los convierte en una adición rutinaria a los receptores GPS implementados en entornos desafiantes.