DE69910637T2

DE69910637T2 - Integriertes GPS-Empfänger

Info

Publication number: DE69910637T2
Application number: DE69910637T
Authority: DE
Inventors: Finnbarr Mcgrath; William P. Griffin; David F. Jordan; John Lachapelle; David Martin
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: MACOM Technology Solutions Holdings Inc
Priority date: 1998-02-23
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2019-02-24
Also published as: EP0938190A2; EP0938190A3; US6272349B1; JPH11311666A; DE69910637D1; EP0938190B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Antennen und insbesondere Antennen, die ein höheres Integrationsniveau haben als bisher bekannt.
Eine Antenne, die zum Empfang von Hochfrequenz (HF)-Signalen geeignet ist, die von Satelliten des Global Positioning System (GPS) gesendet werden, ist bekannt. Es ist wünschenswert, die Positionierfähigkeiten des GPS in ein Automobil einzubauen. Die bekannte Antenne, zum Beispiel das Teil ANPC 128B-N-7-2 von M/A-COM empfängt 1,51-GHz-Hochfrequenzsignale und schickt das empfangene Signal auf ein Kabel zu einem Koaxialverbindungsanschluß. Eine Leiterplatte (PCB) im Automobil empfängt das HF-Signal, um es weiter hinunter auf eine Zwischenfrequenz (ZF) zu verarbeiten. Die ZF wird danach zu einer anderen PCB geschickt, bestückt mit digitaler Schaltungstechnik, die GPS-Intelligenz zum Auswerten des Signals zu einer Positionierinformation hat. Ungünstigerweise injiziert die Übertragung des HF-Signals durch das Kabel Rauschen und erzeugt einen Verlust, was das Signal von dem Verarbeiten verschlechtern kann. Eine Verschlechterung des HF-Signals hat eine unmittelbare Auswirkung durch Verringern der Empfindlichkeit und Verringern der Wirksamkeit des Gesamtsystems. Außerdem erfordert die bekannte GPS-Lösung eine verhältnismäßig große Packung und ist auf Grund der Zahl von Funktionsmodulen, aus denen das Gesamtsystem besteht, auf der Systemebene aufwendig zu gestalten und zu unterhalten. Das Problem wird in einem Automobil verschärft, weil der Standardformfaktor, die wünschenswerte physische Größe des Automobils und der wünschenswerte Fahrgastraum den für Funktionsbauteile verfügbaren Raum „an Bord" begrenzen. Sobald ein System in einem Automobil installiert wird, ist der Zugang zu den Bauteilen des Systems ebenfalls begrenzt, weil es ästhetisch wünschenswert ist, die Funktionssysteme des Automobils zu verbergen. Das Problem wird weiter durch die Schwierigkeit verschärft, Koaxialkabel und -verbinder in einem Fahrzeug zu installieren. Koaxialkabel ist für die Automobilindustrie kein Standard und verschlechtert nicht nur die GPS-Leistung, sondern verursacht außerdem ein Koppeln von unerwünschten Signalen auf andere elektronische Bauteile, wie beispielsweise das Radio. Ein Großteil der Verdrahtung in Fahrzeugen wird jetzt als ein Datenbus ausgeführt.
EP-A-0 725 457 beschreibt eine Flachantenne der integralen Art, die ein Antennenelement und ein integriert geformtes Mehrschichtsubstrat zum Tragen des Antennenelements umfaßt. Das Substrat schließt eine Erdungsebenenschicht, auf der das Antennenelement montiert wird, eine erste, unter der Erdungsschicht angeordnete, Isolierschicht, eine zweite, unter der ersten Isolierschicht angeordnete, Isolierschicht und eine zwischen den Isolierschichten angeordnete leitende Schicht ein. Die erste Isolierschicht trägt eine Frequenzumwandlungsschaltung zum Umwandeln von HF-Signalen in ZF-Signale, und die leitende Schicht verbindet das Antennenelement mit der Frequenzumwandlungsschaltung. Die Ausgabe von der Frequenzumwandlungsschaltung wird vom Substrat über einen Ausgabeverbinder übertragen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein kleineres, wirksameres und weniger aufwendiges GPS-Empfängersystem bereitzustellen, speziell gepackt, um unmittelbar an standardmäßige Fahrzeugverdrahtungskabelbäume und -datenbusse angeschlossen zu werden.
Die Erfindung besteht in einem GPS-Empfänger, wie in Anspruch 1 hiervon dargelegt.
Es ist ein Merkmal des GPS-Empfängers nach den Lehren der vorliegenden Erfindung, daß eine Empfangsantenne und ein digitaler Datenverbinder (der die Bus-, die Leistungs- und die Erdschnittstelle implementiert) auf einer einzigen PCB integriert werden, wobei alle dazwischenliegende analoge und digitale Schalttechnik ebenfalls auf der PCB montiert wird.
Es ist ein weiteres Merkmal der Lehren der vorliegenden Erfindung, daß der GPS-Empfänger eine unmittelbare Verbindung des GPS-Empfängers mit einem Datenbus gewährleistet, einschließlich der gesamten GPS-Signalintelligenz und der Elektronik zum Übertragen von Signalen zum und vom Fahrzeugbus.
Vorteile des GPS-Empfängers nach den Lehren der vorliegenden Erfindung sind, daß die Systemempfindlichkeit gegenüber GPS-Systemen des bekannten technischen Stands verbessert wird, das System kleiner, weniger aufwendig herzustellen und zuverlässiger sein kann als GPS-Systeme nach dem bekannten technischen Stand, die Komplexität des Gesamtsystems geringer ist als bei GPS-Systemen nach dem bekannten technischen Stand, der Empfänger weniger anfällig sein wird für elektromagnetische Störungen und weniger Störungen in anderen elektronischen Bauteilen verursachen wird und die Einfachheit der Installation durch ein Verfahren der unmittelbaren oder „Ein-Berührungs"-Installation an einem Fahrzeugbus beträchtlich verbessert wird.
Es ist noch ein weiterer Vorteil eines GPS-Empfängers nach der vorliegenden Erfindung, daß die gesamte GPS-Installation in einem Fahrzeug weniger auffällig die Formgebung und die Fahrzeuggestaltung beeinträchtigen und ermöglichen wird, daß die GPS-Antenne verborgen wird. Das bedeutet, daß es unwahrscheinlicher ist, daß sie gewaltsam entfernt wird, falls das Fahrzeug gestohlen wird.
Es ist ein weiterer Vorteil eines GPS-Empfängers nach der vorliegenden Erfindung, daß ein GPS-Empfänger mit den physikalischen Mitteln zum Verbinden mit einem Fahrzeugbus zusätzliche Netzwerkmerkmale bereitstellen kann, die vom gegenwärtigen technischen Stand noch nicht vorgesehen werden, einschließlich der Ausgabe von GPS-Daten unmittelbar an den standardmäßigen Fahrzeugverdrahtungskabelbaum, des Lesens von Datennachrichten vom Fahrzeug, um eine diagnostische Selbstprüfung durchzuführen, und der Ausgabe von Daten auf Anforderung.
Es werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine Draufsicht einer ersten Seite eines GPS-Empfängersystems nach den Lehren der vorliegenden Erfindung ist,
2 eine Draufsicht einer zweiten Seite eines GPS-Empfängersystems nach den Lehren der vorliegenden Erfindung ist,
3 eine Seitenansicht eines GPS-Empfängersystems nach den Lehren der vorliegenden Erfindung ist.
Unter besonderer Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen wird ein integriertes GPS-Empfängersystem 1 nach den Lehren der vorliegenden Erfindung gezeigt. Was hierin gezeigt und beschrieben wird, beschreibt insbesondere ein für eine Anwendung an Bord eines Automobils optimiertes GPS-Empfängersystem. Die Lehren der Erfindung können jedoch auf andere Anwendungen mit ähnlichen funktionellen Anforderungen, wie beispielsweise eingebettete Funktelefone und Datenterminals, Abstandssensoren oder jedes andere drahtlose Kommunikationsgerät, angewendet werden. Das integrierte Empfängersystem 1 umfaßt ein Mehrschicht-PCB-Substrat 2 mit einer unmittelbar auf einer ersten Seite 4 der PCB 2 montierten Steckantenne 3. Die Steckantenne 3 wird optimiert, um ein 1,51-GHz-HF-Signal von GPS-Satelliten zu empfangen. Als Mehrschicht-PCB wird eine PCB bezeichnet, die eine Zahl von abwechselnden Schichten von dielektrischen und leitenden gedruckten Leiterzügen hat, miteinander verbunden durch leitende Durchgänge in einem bestimmten Muster, das für eine gegebene elektrische Schaltung geeignet ist. Oberflächenmontierbare Bauteile, ein zweipoliger Filter 6, eine Diode 6 und ein Kondensator 8, werden ebenfalls auf die erste Seite 4 der PCB oberflächenmontiert. Ein Ausgang der Antenne (nicht gezeigt) wird durch Verbindungsdurchgänge und Leiterzüge (nicht gezeigt) auf einer Zwischenschicht der PCB mit dem Filter 6, der Diode 7 und dem Kondensator 8 verbunden, um das HF-Filtersystem zu vervollständigen. Ein gefiltertes HF-Signal wird aus dem HF-Filtersystem ausgegeben. Die gesamte erste Seite 4 der PCB, bis auf einen Abschnitt, der die auf dieselbe montierten Bauteile umgibt, wird metallisiert, um eine abschirmende Erdebene zu bilden, um die Leistung des Empfängersystems zu verbessern.
Unter besonderer Bezugnahme auf 2 der Zeichnungen wird eine zweite Seite 5 des PCB-Substrats 2 gezeigt, auf der ein HF-Verarbeitungssystem 9 und ein digitales Verarbeitungssystem 10 angeordnet werden. Das HF-Verarbeitungssystem umfaßt einen Chip 11 mit einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) für HF, der im offengelegten Ausführungsbeispiel ein integrierter Schaltkreis NAVSTAR ROC3 ist. Der HF-ASIC-Chip 11 wird unter Anwendung der „Chip-on-Board"-Herstellungstechnologie unmittelbar auf die Platte montiert. Die „Chip-on-Board"-Herstellungstechnologie ist auf dem Gebiet bekannt und umfaßt das Montieren von IC unmittelbar auf ein PCB-Substrat, das Drahtbonden von IC-Kontakten an auf die PCB 2 gedruckte Leiterzüge und das Unhüllen des IC und der Drahtbonds mit einem schützenden Polymer. Die „Chip-on-Board"-Herstellungstechnologie erübrigt vorteilhafterweise die Notwendigkeit, jeden IC gesondert zu packen, was dazu beiträgt, die physische Größe und die Kosten der resultierenden Schaltung zu verringern. Den HF-ASIC unterstützende Schalttechnik 12 wird ebenfalls auf die zweite Seite 5 der PCB 2 montiert, passenderweise unter Anwendung entweder der „Chip-on-Board"- oder der Oberflächenmontage-Technologie. In der PCB 2 vorhandene Verbindungsleiterzüge und -durchgänge verbinden den HF-ASIC 11 mit der Hilfsschalttechnik 12. Vorteilhafterweise beseitigt die „Chip-on-Board"-Technologie die Anwendung des Packens für den HF-ASIC und verkürzt die Länge der Verbindungsleiterzüge beträchtlich, durch die sich die analogen Signale bewegen. Die verkürzte Länge verringert die Menge an ohmschen und Blindwiderständen und verringert daher ebenfalls Signalverschlechterung und -verlust, die bei Lösungen nach dem bekannten technischen Stand vorhanden sind. Der HF-ASIC 11 und die Hilfsschalttechnik 12 üben Funktionen aus, welche die Frequenzerzeugung des Überlagerungsoszillators (LO – local oscillator) und die Abwärtsumwandlung des HF-Signals zu einer Zwischenfrequenz (ZF) einschließen. Das HF-Verarbeitungssystem 9 gibt ein ZF-Signal aus, das auf das empfangene HF-Signal schließen läßt. Ein ZF-Ausgangsverbindungsleiterzug 13 verbindet das verarbeitete HF-Signal zu einem digitalen Verarbeitungssystem. Das digitale Verarbeitungssystem umfaßt einen digitalen ASIC 10, der bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein digitaler ASIC NAVSTAR XR7 ist, besonders optimiert, um ein ZF- Signal von einem empfangenen GPS-HF-Signal zu empfangen und zu verarbeiten und diese verarbeiteten Daten an den Bus zu schreiben oder Daten vom Bus zu empfangen, und digitale Hilfsschalttechnik, die einen Programmspeicher 14 und einen Datenspeicher 15 umfaßt. Der digitale ASIC 10 wird durch eine Vielzahl von parallelen Verbindungsleiterzügen 16 mit dem Programm- und dem Datenspeicher 14, 15 verbunden. Der digitale ASIC 10 tastet das empfangene ZF-Signal ab und digitalisiert es, korreliert die Daten, erfaßt den Satellitencode, berechnet Position, Geschwindigkeit und Zeit in Abhängigkeit vom empfangenen HF-Signal und formatiert die Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitdaten für das Lesen vom Bus. Der digitale ASIC liest und interpretiert ebenfalls Busdaten und kann eine diagnostische Selbstprüfung des gesamten GPS-Systems durchführen. Eine Ausgabe des digitalen ASIC 10 umfaßt digitale Daten, die Position und Geschwindigkeit. des Fahrzeugs darstellen, in dem die Steckantenne angeordnet wird. Ähnlich der ersten Seite 4 der PCB wird die gesamte zweite Seite 5 der PCB, bis auf einen Abschnitt, der die Bauteile des HF-Verarbeitungssystems 12 umgibt und der die Bauteile des digitalen Verarbeitungssystems und die Verbindungsleiterzüge umgibt, metallisiert, um eine abschirmende Erdebene zu bilden, um die Leistung des Empfängersystems zu verbessern.
Die PCB 2 hat einen auf derselben montierten Verbinder 17 mit acht (8) Positionen. Der Verbinder 17 bringt dem gesamten Empfängersystem 1 Leistung und Bezugspotential und verschickt die verarbeiteten GPS-Informationen extern zur PCB 2. Jede digitale Leitung wird mit Chip-Kondensatoren 18, angeordnet zwischen jedem einer Vielzahl von Signalterminals 19 und dem Bezugspotential, kapazitiv gefiltert. Die digitalen Daten vom digitalen ASIC 10 werden zu einem Hauptprozessorbereich (nicht gezeigt), typischerweise einer großen, in einem Automobil montierten, PCB, übermittelt, der alle Intelligenzfunktionen für das Automobil zusammenfaßt. Die GPS-Informationen sind eines von vielen Stücken an Informationen, die durch den Haupt-Bordrechner des Automobils empfangen und verarbeitet werden. Der Verbinder 17 wird, wie in den Zeichnungen gezeigt, ausgewählt, um mit einem vorhandenen Kabelaufbau im Automobil zusammenzupassen. Als Alternative dazu ist ein kleinerer Verbinder mit acht (8) Positionen gleichermaßen geeignet, vorausgesetzt, der Kabelaufbau des Automobils ist dafür ausgestattet, mit dem ausgewählten Verbinder zusammenzupassen. Vorteilhafterweise kann jede Verschlechterung des digitalen Signals über das Kabel im Kabelaufbau durch Signalverarbeitung ohne Abstrich an der Empfindlichkeit des gesamten GPS-Empfängersystems wiederhergestellt werden.
Wie es Fachleuten mit üblichen Kenntnissen auf dem Gebiet offensichtlich sein wird, kann die vorliegende Erfindung für einen in anderen Fahrzeugen oder in einem Handgerät montierten GPS-Empfänger optimiert werden.

Claims

GPS (Global Positioning System)-Empfänger, der ein Leiterplattensubstrat (2), auf dem eine GPS-Antenne (3) und wenigstens ein integrierter Schaltkreis (10, 11, 12) angeordnet werden, elektrische Leiter, welche die Antenne und den wenigstens einen integrierten Schaltkreis miteinander verbinden, wobei der wenigstens eine integrierte Schaltkreis elektrisch mit der Antenne verbunden wird, um HF-Signale von der Antenne in Zwischenfrequenz (ZF)-Signale umzuwandeln, und einen elektrischen Verbinder (17), der auf dem Leiterplattensubstrat angeordnet wird und einen elektrischen Zugang zu dem wenigstens einen integrierten Schaltkreis gewährleistet, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine integrierte Schaltkreis ebenfalls dafür geeignet ist, die ZF-Signale zu verarbeiten, um GPS-Signale zu erzeugen, welche die Position und Geschwindigkeit des Empfängers darstellen, und der Verbinder ein Steckverbinder (17) ist, der an den wenigstens einen integrierten Schaltkreis (10) gekoppelt wird, um so GPS-Signale von demselben zu empfangen, und der den Empfänger in das elektronische System eines Fahrzeugs einsteckt.
GPS-Empfänger nach Anspruch 1, bei dem der wenigstens eine integrierte Schaltkreis einen ersten integrierten Schaltkreis (11), elektrisch mit der Antenne (3) verbunden, um HF-Signale von der Antenne in ZF-Signale umzuwandeln, und einen zweiten integrierten Schaltkreis (10) einschließt, dafür geeignet, die ZF-Signale zu verarbeiten, um die GPS-Signale zu erzeugen.
GPS-Empfänger nach Anspruch 2, bei dem der zweite integrierte Schaltkreis (10) Schaltungstechnik umfaßt, um auf dem Empfänger als Reaktion auf die Daten vom Datenbus des elektronischen Systems des Fahrzeugs einen diagnostischen Prüfvorgang einzuleiten.
GPS-Empfänger nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der wenigstens eine integrierte Schaltkreis durch den elektrischen Verbinder (17) Daten zum und vom Datenbus im elektronischen System des Fahrzeugs sendet und empfängt.
GPS-Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein auf dem Leiterplattensubstrat (2) angeordnetes Speichermodul (15) umfaßt, um Daten zu speichern, die mit durch den wenigstens einen integrierten Schaltkreis verarbeiteten Signalen verwendet werden.
GPS-Empfänger nach Anspruch 5, bei dem der wenigstens eine integrierte Schaltkreis und der Speicher (15) auf einer Seite (5) des Leiterplattensubstrats (2) angeordnet werden und die Antenne (3) auf einer anderen Seite (4) des Leiterplattensubstrats angeordnet wird.
GPS-Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem dem Empfänger vom elektronischen System des Fahrzeugs Energie zugeführt wird.