采用小型化技术的无线GPS模块将面对哪些挑战

随着越来越多的设备变得移动，定位是嵌入式设计中越来越重要的一部分。将此功能添加到必须更小，更轻且电池寿命更长的设备中是一项重大挑战。与此同时，在满足项目时间表和认证机构的要求的同时，实施高性能，低功耗的有效无线设计也面临着挑战。

新一代正在应对这些挑战使用最新小型化技术的无线模块利用全球各种全球定位系统（GPS），GPS模块的占地面积在过去几年中急剧下降。

GPS有几个品种，包括美国GPS，欧洲伽利略，俄罗斯GLONASS和中国北斗系统。来自各种供应商的现代无线芯片组可以访问所有这些卫星系统，硅制造技术的进步提供了对所有这些系统的访问。

然而，这些设备仍然必须集成到设计中，有些关键部件如SAW滤波器无法集成到硅片中，因此限制了纯硅片的小型化程度。

硅器件的集成有助于降低功耗，尽管RF和数字集成存在挑战，但这意味着最先进的工艺技术并不合适。还存在静电流泄漏的问题，其增加了系统中的功率和噪声处理，这意味着需要更多功率来获得所需的性能。更高的功耗意味着产生更多的热量和更大的电池;两者都限制了可能的小型化程度。

这一点至关重要，因为物联网（IoT）等应用程序的GPS模块的使用可能依赖于追踪高价的小标签。世界各地的价值物品 - 标签越小，跟踪系统就越有效。该系统可能还需要使用微型电池运行数年，这使得功耗成为尺寸和性能的关键因素。

同样，对于可穿戴系统，客户要求终端系统不显眼，非侵入式，驱动设计尽可能小和节能。

虽然人们认为GPS设计的最佳实现是板上的定制实现，但模块制造商允许将更多技术集成到一个小型封装中，不仅可以减少整体占用空间，他们还提供预先认证的组件，以减少项目的合规时间并缩短产品上市时间。

能够将芯片级封装用于接收器和电源管理芯片，并将其他无源器件集成到针对功耗进行优化的基板中，使系统设计人员能够使用成本更低的双层打印可以轻松制造的电路板，而不是一种能够提高制造工艺公差的复杂定制设计。

这是生产这种推动小型化极限的电路板的关键问题。为了获得具有定制布局的最小设计，芯片级IC和分立元件意味着突破制造公差的极限，增加了单元问题的风险并降低了产量。降低保护容差也会对RF前端产生更大的影响，可能会增加噪声并影响整体性能。

Telit是机器对机器系统的主要供应商，因此应用了最新的小型化技术，最新的GPS模块。

Jupiter JF2尺寸为11 x 11 x 2.6 mm，采用32引脚焊盘QFN（四方扁平无引脚）封装，重量仅为1克，可集成到重量严重的系统中。 JF2的核心是SiRFstarIV集成硅接收器，它与其他关键组件相结合。

该模块的一个主要优势是它可以与Telit的蜂窝和短程无线模块无缝集成为机器对机器（M2M）和物联网（IoT）设计提供灵活的解决方案。 1.8 V电源和低功耗模式使其可用于从车队监控到电池供电健身设计的应用。

图1：Telit的Jupiter JF2模块尺寸为11 x 11 x 2.6 mm。

尽管体积小，但该模块已经过优化以提供灵敏度稳定性，特别是在-40和85°C的极端情况下，在采集时保持低至-147 dBm的性能，在跟踪卫星信号时保持-163 dBm。它还提供单卫星采集UTC时间信号以及48通道信号采集和数字信号处理。

微型GPS设计的关键要素之一是它能够以多快的速度获得修复卫星。 JF2具有多种待机模式，包括TricklePower，Push-To-Fix和Micro Power，旨在满足位置更新和功耗之间的不同要求。所有这些模式都相似，但提供不同的输出速率和可靠性，从休眠模式下的14μA到跟踪模式下的10 mA。

该模块还具有TricklePower工作循环模式和用户可选择的位置更新间隔，以降低的平均电流消耗提供高质量的GPS精度和动态运动响应。 Push-to-Fix模式提供不频繁的周期性位置更新，并且还允许来自用户的位置请求具有较短的首次定位时间（TTFF）。微功耗模式使接收器保持在热启动条件下，同时最大化在极低功耗状态下所花费的时间。

集成模块必须尽可能简单，JF2具有1.8 V单电源，具有故障安全I/O，包括RTC和TCXO输入以及主机I²C，SPI和UART支持，以及可选SPI闪存或串行EEPROM外部存储器，可安装在经济高效的双层电路板上。

来自Embedded Artists的FGPMMOPA6H使用MediaTek的MT3339 GPS芯片组，其灵敏度为-165 dBm，具有低功耗的即时首次定位（TTFF），可实现精确的GPS信号处理。

图2：嵌入式艺术家的FGPMMOPA6H模块。

3.3 V 15 x 15 mm模块针对平板电脑等手持设备，以及M2M应用和资产管理和跟踪，并使用POT（Patch On Top）架构。这将微带天线放置在陶瓷模块的顶部以获得紧凑的解决方案，但该模块还增加了额外的外部天线I/O.为了帮助获得最佳性能和最低功耗并支持最小尺寸，该模块还具有自动天线切换功能，短路保护和“天线顾问”，可帮助检测和通知不同的天线状态，包括有源天线连接，天线开路和天线短缺。

多达12个多音有源干扰消除器选项为系统设计提供了更大的灵活性，该模块最多支持210个通道 - 66个用于搜索和22个同步跟踪通道。

所有这些都有助于实现82 mW的采集功耗，跟踪功耗为66 mW。

Taiyo Yuden的3.3 V GYSFFMAXX GPS模块同样使用MediaTek GPS接收器MT3329，并集成了晶体，振荡器，SAW滤波器和低噪声放大器，使系统小型化，占地面积为10.8 x 10 mm，高2 mm高屏蔽。

图3：Taiyo Yuden的金属屏蔽GYSFFMAXX GPS模块。

一些模块也旨在使原型设计更容易。如果您已经使用Mikroelektronika的MikroBus板系统，那么可以使用GPS模块。 GPS Click附件板使用17 x 22 mm LEA-6S u-blox 6模块，采用3.3 V电源供电。电路板可以通过UART或I 2 C与微控制器连接，也可以通过USB连接使用PC应用程序获取数据。

图4：在MikroBus原型系统中使用LEA-6S GPS模块。

结论

随着对小型化的需求，GPS模块的占地面积一直在下降M2M和物联网设计的增加。从17 x 22 mm模块向下移动到10 x 10 mm，现在为5 x 5 mm，这是硅片集成度提高和电压降低的结果。

转向较小的模块需要更多地关注噪声和电源管理，但允许具有有限RF体验的系统设计人员在空间非常宝贵的情况下快速轻松地添加定位功能。现在可以集成SAW滤波器，放大器甚至贴片天线，而不会增加制造工艺的复杂性，使用这些模块来维护简单的双层电路板设计并减少合规性所需的时间。