GPSチップアンテナの実験III

さらに前回の続きです。

今回はチップアンテナをGPSモジュールにつなぎ、きちんと受信できるかどうかを確かめてみました。
また、これまで使っていた市販のパッチアンテナとの比較も行いました。

実験は下の写真のようにベランダにアンテナを設置して行いました。
南北に建物があるためGPS衛星の電波を捉えるにはあまりよい環境ではなく、運用時より厳しい条件になっています。

設置したパッチアンテナ/チップアンテナ

右側の銅が露出しているものがチップアンテナ、左側の四角いものはパッチアンテナです。
GPSモジュールu-blox LEA-6Tが出力するデータをUSB経由でパソコンに送り、u-blox社提供のGPS評価ソフトウエアu-centerでモニタしました。

下にパッチアンテナ/チップアンテナを接続したときのu-centerのスクリーンショットを示します。

パッチアンテナの結果

チップアンテナの結果

スクリーンショットの右端3列のグラフに受信したデータがまとめて表示されています。

左上、左下、中央上のグラフは捕捉している衛星についての情報で、パッチアンテナ（チップアンテナ）の場合、GPS衛星10(9)基とMSAS衛星1基の合計11(10)基が見えていることがわかります。

チップアンテナでは、C/N比が一番悪いもののパッチアンテナは捉えていたPRN番号31の衛星が見えていません。

ここから各衛星のC/N比(dB)を抜き出したものが下の表です。

PRN番号	3	6	7	13	16	19	21	23	31	129	137	平均
パッチ	35.0	34.0	34.0	35.0	41.0	44.0	35.0	34.0	31.0	41.0	46.0	37.3
チップ	34.0	33.0	39.0	36.0	29.0	42.0	29.0	35.0	-	31.0	38.0	34.6

どちらのアンテナのC/N比がよいかはアンテナの指向性の違いのせいかまちまちです。
全体的な傾向としてはパッチアンテナのC/N比が高くなっており、平均では3dB程度の差が出ています。

スクリーンショットの中央に見えているwindowにはハードウエアの状態を表示しています。
特に注目すべきパラメータを下の表にまとめました。

	Noise	AGC	Jamming
パッチ	125	62.3%	4.7%
チップ	112	89.2%	9.8%

分解写真を参考にすると、今回使ったパッチアンテナにはLNA->BPF->LNAという構成でフロントエンドが入っていることがわかります。
このフロントエンドのノイズのため、パッチアンテナのNoiseのパラメータはLNAなしのチップアンテナより大きくなっていると考えられます。
また、パッチアンテナの場合、LNAのゲインの分だけGPSモジュール内部LNAのゲインも下がっています。
GPSモジュールのデータシートによれば、JammingはGPS周波数付近の妨害になる電波の強度を示すようなのですが、パッチアンテナの場合は帯域の狭いBPFが入っているためか値が小さくなっています。

スクリーンショットの右上には、測位した座標等の情報が表示されています。
ここには、測位の精度を示すパラメータも並んでいます。
それを抜き出したものを以下の表にまとめました。

	3D精度	2D精度	PDOP	HDOP
パッチ	2.28m	1.62m	1.4	0.8
チップ	4.49m	3.12m	1.7	1.0

チップアンテナのほうがどのパラメータも悪い値を示していますが、おそらく捉えたGPS衛星の数が1つ少ないせいなのではないかと思います。

以上の結果から、

• 今回使ったチップアンテナと基板の組み合わせでも十分GPS信号を受信できる
• その性能はパッチアンテナと同程度か少し劣る程度

ということが言えます。

しかし、StrawberryLinuxの商品説明のページにある、「この小さいアンテナでこれより面積が大きいセラミックアンテナよりも多くの衛星を受信できます」というほど高い性能は確認できませんでした。

チップアンテナには、

• GPSモジュールと同一基板上に搭載可能で、アンテナ搭載スペースを削減できる
• パッチアンテナのLNAに必要な電源（消費電流15mA程度）が不要になり、バッテリ駆動時間が延びる
• 軽量である

という利点があるので、次に設計する基板には搭載を検討しようと思っています。