Ublox TIM-5H Hardware Integration Manual

Ublox TIM-5H Hardware Integration Manual

5 gps and galileo module
Table of Contents

Advertisement

Quick Links

  
 
 
 
 
 
TIM-5H
u-blox 5 GPS and GALILEO Module
Hardware Integration Manual
Abstract
This  document  describes  the  hardware  features  and  specifications  of  the
u-blox 5 based TIM-5H cost effective, high-performance GPS/GALILEO module.  
 
Features  include  AssistNow  Online  and  AssistNow  Offline  A-GPS  services,
KickStart accelerated acquisition, SuperSense
acquisition and tracking sensitivity, precision timing and an innovative jamming-
resistant  RF  architecture.  The  25.4 x 25.4  mm  form  factor  of  the  successful
TIM-4  series  is  maintained,  enabling  easy  migration.  The  TIM-5H  supports
passive and active antennas. 
 
 
 
your position is our focus
 
®
 Indoor GPS providing best-in-class
u-blox AG
Zürcherstrasse 68 
8800 Thalwil 
Switzerland 
www.u-blox.com 
 
Phone +41 44 722 7444 
Fax +41 44 722 7447 
info@u-blox.com 
 
 
 
 
 
 

Advertisement

Table of Contents
loading
Need help?

Need help?

Do you have a question about the TIM-5H and is the answer not in the manual?

Questions and answers

Subscribe to Our Youtube Channel

Summary of Contents for Ublox TIM-5H

  • Page 1 Features  include  AssistNow  Online  and  AssistNow  Offline  A-GPS  services, ® KickStart accelerated acquisition, SuperSense  Indoor GPS providing best-in-class acquisition and tracking sensitivity, precision timing and an innovative jamming- resistant  RF  architecture.  The  25.4 x 25.4  mm  form  factor  of  the  successful TIM-4  series  is  maintained,  enabling  easy  migration.  The  TIM-5H  supports passive and active antennas.        your position is our focus...
  • Page 2   your position is our focus   TIM-5H  Title Subtitle Hardware Integration Manual     Doc Type Manual    Doc Id GPS.G5-MS5-07015-A-1  Revision Date Name Status / Comments Index Initial Version  18/01/2008  TC    Initial Release  16/04/2008  TG  Addition of Hardware Description, Product Handling, Producgt Testing, Appendix  1  16/04/2008  TG  Paste Mask  This document and the use of any information contained therein, is subject to the acceptance of the u-blox  terms and conditions. They can be downloaded from www.u-blox.com.  u-blox makes no warranties based on ...
  • Page 3: Preface

    Hardware Integration Manual: This Manual provides hardware design instructions and information on  how to set up production and final product tests.  How to use this Manual The  TIM-5H  Hardware  Integration  Manual  provides  the  necessary  information  to  successfully  design  in  and  configure  these  u-blox  5-based  GPS/GALILEO  receiver  modules.  For  navigating  this  document  please  note  the  following:   This  manual  has  a  modular  structure.  It  is  not  necessary  to  read  it  from  the  beginning  to  the  end.  To  help  in ...
  • Page 4 Product  information,  technical  documents  and  helpful FAQ can be accessed 24h a day.  By E-mail If you have technical problems or cannot find the required information in the provided documents, contact the  nearest of the Technical Support offices by email. Use our service pool email addresses rather than any personal  email address of our staff. This makes sure that your request is processed as soon as possible. You will find the  contact details at the end of the document.  By Phone If an email contact is not the right choice to solve your problem or does not clearly answer your questions, call  the nearest Technical Support office for assistance. You will find the contact details at the end of the document.  Helpful Information when Contacting Technical Support When contacting Technical Support please have the following information ready:  • Receiver type (e.g. TIM-5H) and firmware version (e.g. V4.00)  • Receiver configuration  • Clear description of your question or the problem together with a u-center logfile   • A short description of the application  • Your complete contact details  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Preface   ...
  • Page 5: Table Of Contents

    RESET_N............................13 2.4.2 EXTINT0 ............................13 2.4.3 AADET_N ............................ 13 Design-In ............................14 2.5.1 Schematic Design-In Checklist for u-blox 5 .................. 14 TIM-5H Design............................ 14 2.6.1 TIM-5H Design ..........................15 Layout Design-In Checklist........................17 Layout ..............................17 2.8.1 Footprint ............................. 17 2.8.2 Paste Mask ..........................18 2.8.3 Placement ........................... 19 2.8.4 Antenna Connection and Grounding Plane Design..............
  • Page 6 Grounding Metal Covers ......................36 3.3.13 Use of Ultrasonic Processes......................36 Product Testing......................37 u-blox In-Series Production Test ......................37 Test Parameters for OEM Manufacturer....................37 System Sensitivity Test ........................38 4.3.1 Guidelines for Sensitivity Tests ..................... 38 4.3.2 ‘Go/No go’ tests for integrated devices..................38 Appendix ..........................39 A Migration to u-blox 5 receivers .................39 TIM-5H - Hardware Integration Manual     Contents    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 6   ...
  • Page 7   your position is our focus Migration from TIM-4H / TIM-4P to TIM-5H..................40 Typical Pin Assignment TIM modules ....................41 Antennas........................42 Selecting the right Antenna ........................ 42 Active and Passive Antennas....................... 43 Patch Antennas ..........................43 Helix Antennas ........................... 45 Helix or Patch, which selection is best? ....................45 Antenna Matching ..........................46 Antenna Placement ..........................47 Interference Issues .....................48 Sources of Noise ..........................48 Eliminating Digital Noise Sources ......................49 C.2.1...
  • Page 8: Hardware Description

    The TIM-5H comes equipped with 2 serial ports, which can handle NMEA and UBX proprietary data formats. The  FLASH  EPROM  provides  the  capacity  to  store  user-specific  configuration  settings  as  well  as  future  software  updates.   The TIM-5H module is RoHS compliant (lead-free).  The  TIM-5H GPS/GALILEO  receiver  module  is  not  designed  for  life saving  or  supporting  devices  or  for  aviation  and should not be used in products that could in any way negatively impact the security or health of the user or  third parties or that could cause damage to goods.  1.2 Module Features TIM-5H 2.7-3.6 3.0...
  • Page 9: Architecture

    Integrated LNA V_ANT TIMEPULSE Antenna SRAM ROM Code Supervision   AADET_N   UART Power Backup Management  EXTINT ARM7  CPU VCC_RF TCXO or XTAL Power Control _OUT   V_BACKUP FLASH EPROM RESET_N   Figure 1: TIM-5H Block Diagram   TIM-5H - Hardware Integration Manual     Hardware Description    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 9   ...
  • Page 10: Design-In

    This  enables  the  u-blox  5  receiver  to  recover  from  a  power  failure  with  either  a  Hotstart  or  a  Warmstart  (depending on the duration of VCC outage) and to maintain the configuration settings. If no backup battery is  connected, the receiver performs a Coldstart at power up.    If no backup battery available connect the V_BCKP pin to GND (or VCC).  As long as VCC is supplied to the u-blox 5 receiver, the backup battery is disconnected from the RTC and the  backup RAM in order to avoid unnecessary battery drain (see Figure 2). Power to RTC and BBR is supplied from  VCC in this case.  Module Voltage Supply Voltage Supervisor RTC and Battery Backup RAM (BBR) V_BCKP   Figure 2: Backup Battery and Voltage TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 10   ...
  • Page 11: Power Modes

      your position is our focus 2.1.2 Power Modes u-blox 5 technology offers power optimized architecture with built-in autonomous power saving functions. The  receiver  uses  Autonomous  Power  Management  to  minimize  the  power  consumption  at  any  given  time.  Furthermore, the software shuts down the clock supply to unused peripheral on-chip blocks.  2.1.3 V_ANT The TIM-5H module uses the pin V_ANT to supply the active antenna. Use a 10R resistor in front of V_ANT. See  chapter 2.9.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 11   ...
  • Page 12: System Functions

      your position is our focus 2.2 System Functions 2.2.1 EXTINT - External Interrupt Pin EXTINT0 is  an  external  interrupt  pin.  It  will  be  used  in  future  TIM-5H  releases  for  wake-up  functions  in  low- power modes.  2.2.2 System Monitoring The u-blox-5 GPS and GALILEO Receiver provides System Monitoring functions that allow the operation of the  embedded processor and associated peripherals to be supervised. These System Monitoring functions are being ...
  • Page 13: I/O Pins

    There  is  an  internal  pull  up  resistor  of 3k3  to  VCC  inside the  module  that  requires that the  reset  circuitry can  deliver enough current (e.g. 1mA).  RESET_N is provided with TIM-5H to provide Reset compatibility with ANTARIS 4 versions. Future TIM models  may  not  include  this  pin  and  it  is  therefore  not  recommended  to  use  it.  The  preferred  option  for  executing  a  hardware reset is to send software commands (CFG-RST). ...
  • Page 14: Design-In

    If  a  patch  antenna  is  the  preferred  antenna,  choose  a  patch  of  at  least  15x15mm.  Designs  using  smaller  antennas require Aiding  Make sure the antenna is not placed close to noisy parts of the circuitry. (e.g. micro-controller, display, etc.)  For  active  antennas  add  a  10R  resistor  in  front  of  V_ANT  input  for  short  circuit  protection  or  use  the  antenna supervisor circuitry.  Schematic Don’t drive RESET_N high!  Plan use of 2  interface (Testpoints on serial port, DDC, SPI) for firmware updates or as a service connector.  2.6 TIM-5H Design For a minimal Design with TIM-5H the following functions and pins need to be considered:  • Connect the Power supply to VCC.  • Assure an optimal ground connection to all ground pins of the TIM module especially close to RF_IN.  • Connect the antenna to RF_IN over a matching 50 Ohm micro strip and define the antenna supply (V_ANT)  for active antennas (internal or external power supply) ...
  • Page 15: Tim-5H Design

    V_BCKP Reserved RESET_N Reserved EXTINT0 RxD2 Reserved TxD2 Reserved Backup Micro TxD1 Reserved Battery Processor AADET_N RxD1 (serial) Reserved Reserved TIMEPULSE Reserved   Figure 3: Passive Antenna Design for TIM-5H Receivers TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 15   ...
  • Page 16 Leave open Reserved 9  I/0  Leave open  Reserved 24  I/0  Leave open    25  I/0  Leave open  Reserved I/0  Leave open  Reserved 26  Reserved 28  I/0  Leave open  Reserved 30  I/0  Leave open  Table 2: Pinout TIM-5H   TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 16   ...
  • Page 17: Layout Design-In Checklist

    RF  connection  must  be  minimized  as  much  as  possible.  When  defining  a  GPS  receiver  layout,  the  placement of the antenna with respect to the receiver, as well as grounding, shielding and jamming from other  digital devices are crucial issues and need to be considered very carefully.  2.8.1 Footprint 0.8 mm [32 mil] 1.0mm [39 mil] 0.8 mm [32 mil] 1.9 mm [75 mil] 2.8 mm [110 mil] 1.277 mm [50.27 mil] 1.5 mm [59 mil] 1.0mm [39 mil] 0.8 mm 25.4 ± 0.1 mm [1000 ± 4 mil] [32 mil]   Figure 4: Recommended footprint TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 17   ...
  • Page 18: Paste Mask

    Figure 5: Recommendations for copper, solder and paste masks with enlargement   The  paste  mask  outline  needs  to  be  considered  when  defining  the  minimal  distance  to  the  next  component.  The  exact  geometry,  distances,  stencil  thicknesses,  step  heights  and  solder  paste  volumes  must  be  adapted to the specific production processes (e.g. soldering etc.) of the customer.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary ...
  • Page 19: Placement

    RF & heat RF Part circuits 'emitting' Non 'emitting' circuits circuits RF Part Digital Part RF& heat 'emitting' circuits Digital & Analog circuits Digital & Analog circuits       Figure 7: Placement TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 19   ...
  • Page 20: Antenna Connection And Grounding Plane Design

      of  the  dielectric  material  of  the  PCB  and  on  the  build-up  of  the  PCB  (see  Section 2.8.5).  Figure 9  shows  two  different  builds:  A  2  Layer  PCB  and  a  4  Layer  PCB.  The  reference  ground  plane is in both designs on layer 2 (red). Therefore the effective thickness of the dielectric is different.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In ...
  • Page 21: Antenna Micro Strip

    Freeware  tools  like  AppCAD  from  Agilent  or  TXLine  from  Applied  Wave  Research,  Inc.  are  of  great  help.  They  can  be  downloaded  from  www.agilent.com  and  www.mwoffice.com.  The micro strip is the most common configuration for printed circuit boards. The basic configuration is shown in  Figure 10 and Figure 11. As a rule of thumb, for a FR-4 material the width of the conductor is roughly double  the thickness of the dielectric to achieve 50 Ohms line impedance. TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary ...
  • Page 22: Antenna And Antenna Supervisor

    Figure 11: Micro strip on a multi layer board (Agilent AppCAD Coplanar Waveguide) 2.9 Antenna and Antenna Supervisor u-blox  5  modules  receive  L1  band  signals  from  GPS  and  GALILEO  satellites  at  a  nominal  frequency  of  1575.42 MHz. The RF signal is connected to the RF_IN pin.  u-blox 5 modules can be connected to passive or active antennas.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1 ...
  • Page 23: Passive Antenna

    Never feed supply voltage into RF_IN. Always feed via V_ANT or an external inductor .   To  test  GPS/GALILEO  signal  reacquisition,  it  is  recommended  to  physically  block  the  signal  to  the  antenna, rather than disconnecting and reconnecting the receiver.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1 ...
  • Page 24: Active Antenna Bias Power

      An additional R_BIAS is not required when using a short and open active antenna supervisor circuitry as  defined in Section 2 .9.4.1, as the R_BIAS is equal to R2.  2 8 2 H 2.9.4 A ctive Antenna Supervisor 6 5 B u-blox 5 Technology provides the means to implement an active antenna supervisor with a minimal number of  parts. The antenna supervisor is highly configurable to suit various different applications.   TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 24   ...
  • Page 25 Short Circuit Disable reconnection detected Supervision attempts open circuit detected, given OCD enabled Open Short Circuit Circuit Short Circuit detected detected detected   Figure 15: State Diagram of Active Antenna Supervisor TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 25   ...
  • Page 26   your position is our focus   Active Antenna RF_IN Antenna Supply in V_ANT V_ANT VCC_RF ADDET_N AADET_N Analog GND TIM-5H   Figure 16: Schematic of open circuit detection References Value Tolerance Description Remarks ± 10%  C1  2.2 μF  Capacitor, X7R, min 10 V    ± 10% ...
  • Page 27 5 Protocol Specifications [1].  Similar to the antenna supervisor configuration, the status of the antenna supervisor will be reported in a NMEA  ($GPTXT) or UBX (INF-NOTICE) message at start-up and on every change.  Message Description ANTSTATUS=DONTKNOW  Active antenna supervisor is not configured and deactivated.  ANTSTATUS=OK  Active antenna connected and powered  ANTSTATUS=SHORT  Antenna short  ANTSTATUS=OPEN  Antenna not connected or antenna defective  Table 7: Active Antenna Supervisor Message on startup (NMEA protocol)   The open circuit supervisor circuitry has a quiescent current of approximately 2mA. This current may be  reduced with an advanced circuitry, which fulfils the same function as the u-blox suggested circuitry.      TIM-5H - Hardware Integration Manual     Design-In    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 27   ...
  • Page 28: Product Handling

    3 Product Handling                All TIM-5H modules are RoHS compliant (lead-free).   3.1 Packaging TIM-5H  modules are  delivered  as  hermetically  sealed,  reeled  tapes  in  order  to  enable  efficient  production,  production lot set-up and tear-down.    Figure 17: Reeled u-blox 5 Modules 3.1.1 Reels TIM-5H modules for GPS and GALILEO are deliverable in quantities of 250pcs on a reel. The dimensions of the  reel are shown in Figure 18. ...
  • Page 29: Tapes

    Sections 3.2.2 to 3.2.5. Read them carefully to prevent permanent damages due to moisture intake. 3.2.2 Shipment TIM-5H  modules are  delivered  on  Tape-and-Reels  in  a  hermetically  sealed  package  ("dry  bag")  to  prevent  moisture intake and protect against electrostatic discharge. For protection from physical damage, the reels are  individually packed in cartons. ...
  • Page 30: Storage

    Figure 20: Applicable MSD Label (See Section 3.1 for baking instructions) 3.2.3 Storage Shelf life in sealed bag is 12 months at <40°C and <90% relative humidity.   3.2.4 Handling A humidity indicator card and a desiccant bag to absorb humidity are enclosed in the sealed package.  The parts  are  shipped  on  tape-and-reel  in  a  hermetically  sealed  package.    If  no  moisture  has  been  absorbed,  the  three  fields in the humidity indicator card indicate blue color.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Product Handling    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 30 ...
  • Page 31: Floor Life

    For products with  moisture  sensitivity  level  4,  the floor  life  is  72  hours,  or precisely three days.    Under  factory  floor temperature and humidity conditions (<30°C, <60% relative humidity), the parts must be processed and  soldered within this specified period of time.  Once the sealed package of the reel is opened and the parts exposed to humidity, they need to be processed  within 72 hours (precisely three days) in a reflow soldering process. If this time is exceeded, or the sticker in the  sealed  package  indicates  that  the  goods  have  been  exposed  to  moisture,  the  devices  need  to  be  pre-baked  before the flow solder process. Please refer to Section 3.3 for instructions on how to pre-bake the components.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Product Handling    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 31 ...
  • Page 32: Processing

    Storage in a nitrogen cabinet or dry box is also a possible approach to prevent moisture intake.  Do not attempt to bake TIM-5H modules contained in tape and rolled up in reels. If necessary, bake the TIM-5H modules quickly at 125°C for 48 hours, remove them from the belt and place them individually onto the oven tray.
  • Page 33: Reflow Soldering

      Controlled  cooling  helps  to  achieve  bright  solder  fillets  with  a  good shape and low contact angle.  • Temperature fall rate: max 3°C / s       To  avoid  falling  off,  the  u-blox  5  GPS/GALILEO  module  should  be  placed  on  the  topside  of  the  motherboard during soldering.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Product Handling    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 33   ...
  • Page 34: Optical Inspection

    60 - 120 s Elapsed Time [s] Figure 22: Recommended soldering profile   When soldering leadfree (u-blox 5) modules in a leaded process, check the following temperatures:  PB- Technology Soaktime:   40-80sec  Time above Liquidus:     40-90 sec  Peak temperature:     225-235 °C    TIM-5H modules must not be soldered with a damp heat process.  3.3.4 Optical Inspection After soldering the TIM-5H module, consider an optical inspection step to check whether:  • The module is properly aligned and centered over the pads  • All pads are properly soldered  • No excess solder has created contacts to neighboring pads, or possibly to pad stacks and vias nearby.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Product Handling    GPS.G5-MS5-07015-A-1 ...
  • Page 35: Cleaning

    • Ultrasonic cleaning will permanently damage the module, in particular the quartz oscillators.  The best approach is to use a "no clean" soldering paste and eliminate the cleaning step after the soldering.  3.3.6 Repeated Reflow Soldering Only  a  single  reflow  soldering  process  is  encouraged  for  boards  with  a  TIM-5H  module  populated  on  it.  The  reason for this is the risk of the module falling off due to high weight in relation to the adhesive properties of  the solder.  3.3.7 Wave Soldering Base  boards  with  combined  through-hole  technology  (THT)  components  and  surface-mount  technology  (SMT) ...
  • Page 36: Conformal Coating

    EMI  covers  is  done  at  the  customer's  own  risk.  The  numerous  ground  pins  should  be  sufficient  to  provide  optimum immunity to interferences and noise.    u-blox makes no warranty for damages to the TIM-5H module caused by soldering metal cables or any  other forms of metal strips directly onto the EMI covers.  3.3.13 Use of Ultrasonic Processes Some  components  on  the  TIM-5H  module  are  sensitive  to  Ultrasonic  Waves.  Use  of  any  Ultrasonic  Processes  (cleaning, welding etc.) may cause damage to the GPS Receiver.    u-blox offers no warranty against damages to the TIM-5H module caused by any Ultrasonic Processes.  TIM-5H - Hardware Integration Manual    ...
  • Page 37: Product Testing

    Figure 23: Automatic Test Equipment for Module Tests 4.2 Test Parameters for OEM Manufacturer Because of the testing done by u-blox (with 100% coverage), it is obvious that an OEM manufacturer doesn’t  need  to  repeat  firmware  tests  or  measurements  of  the  GPS  parameters/characteristics  (e.g.  TTFF)  in  their  production test.  An OEM Manufacturer should focus on  • Overall sensitivity of the device (including antenna, if applicable)  • Communication to a host controller   TIM-5H - Hardware Integration Manual     Product Testing    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 37   ...
  • Page 38: System Sensitivity Test

      As  the  electro-magnetic field  of a  redistribution antenna  is not homogenous,  indoor  tests  are  in  most  cases  not  reliable.  These  kind  of  tests  may  be  useful  as  a  ‘go/no  go’  test  but  not  for  sensitivity  measurements.          TIM-5H - Hardware Integration Manual     Product Testing    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary ...
  • Page 39: Appendix

    Appendix A Migration to u-blox 5 receivers ® Migrating  ANTARIS 4 to a u-blox  5 GNSS  receiver  is  a  fairly  straightforward procedure.  Nevertheless there are  some points to be considered during the migration.  ®   Not all of the functionalities available with ANTARIS 4 are supported by u-blox 5. These include:  • FixNow Mode  • Low Power Modes   • RTCM   • UTM  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 39   ...
  • Page 40: Migration From Tim-4H / Tim-4P To Tim-5H

      your position is our focus A.1 Migration from TIM-4H / TIM-4P to TIM-5H The  pin-outs  of  TIM-4H/4P  and  TIM-5H  differ  slightly.  Table  8 compares  the  modules  and  highlights  the  differences to be considered.  TIM-4x TIM-5H Remarks for Migration Pin Name  Typical Assignment  Pin Name  Typical Assignment ...
  • Page 41: Typical Pin Assignment Tim Modules

      your position is our focus A.2 Typical Pin Assignment TIM modules ® ANTARIS u-blox-5 TIM-4A/S TIM-4P/H TIM-5H   Typical   Typical   Typical   Pin Name Pin Name   Pin Name  Assignment  Assignment  Assignment  2.70 – 3.30V  2.70 – 3.30V  VCC  2.70 – 3.60 V  1  GND  GND  GND  GND  2  BOOT_INT NC ...
  • Page 42: B Antennas

    In  contrast  to  helix  antennas,  patch  antennas  require  a  ground  plane  for  operation.  Helix  antennas  can  be  designed for use with or without a ground plane.  For precision applications such as surveying or timing, some very high caliber antenna systems exist. Common to  these  designs  are  large  size,  high  power  consumption  and  high  cost.  These  designs  are  highly  optimized  to  suppress multi-path signals reflected from the ground (choke ring antennas, multi-path limiting antennas, MLA).  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1 ...
  • Page 43: Active And Passive Antennas

    B.3 Patch Antennas Patch antennas are ideal for an application where the antenna sits on a flat surface, e.g. the roof of a car. Patch  antennas  can  demonstrate  a  very  high  gain,  especially  if  they  are  mounted  on  top  of  a  large  ground  plane.  Ceramic patch antennas are very popular because of their small size, typically measuring 25 x 25 mm  down to  12 x 12 mm . Very cheap construction techniques might use ordinary circuit board material like FR-4 or even air  as a dielectric, but this will result in a much larger size, typically in the order of 10 x 10 cm . Figure 27 shows a  typical example of the radiation pattern of a 16 x 16 mm  ceramic patch antenna. This measurement only shows  the upper sphere of the radiation pattern. Depending on ground plane size there will also be a prominent back  lobe present.   TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 43   ...
  • Page 44 A  good  allowance  for  ground  plane  size  is  typically  in  the  area  of  50 to 70 mm .  This  number  is  largely  independent  of  the  size  of  the  patch  itself  (when  considering  ceramic  patches).  Patch  antennas  with  small  ground planes will also have a certain back-lobe in their radiation pattern, making them susceptible to radiation  coming from the backside of the antenna, e.g. multi-path signals reflected off the ground. The larger the size of  the ground plane, the less severe this effect becomes.  Smaller sized patches will usually reach their maximum gain with a slightly smaller ground plane compared to a  larger size patch. However, the maximum gain of a small sized patch with optimum ground plane may still be  much lower than the gain of a large size patch on a less than optimal ground plane.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 44   ...
  • Page 45: Helix Antennas

    However,  one  has  to  keep  in  mind  that  comparable  antenna  gain  requires  comparable  size  of  the  antenna  aperture, which  will  lead  to  a  larger  volume  filled by a  helix  antenna  in  comparison to a  patch  antenna.  Helix  antennas with a “reasonable” size will therefore typically show a lower sensitivity compared to a “reasonably”  sized patch antenna.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1 ...
  • Page 46: Antenna Matching

    Figure 30: Dependency of center frequency on ground plane dimension for a 25 x 25 mm patch, EMTAC A LNA placed very close to the antenna can help to relieve the matching requirements. If the interconnect length  between antenna and LNA is much shorter than the wavelength (9.5 cm on FR-4), the matching losses become  less important. Under these conditions the matching of the input to the LNA becomes more important. Within a  reasonable  mismatch  range,  integrated  LNAs  can  show  a  gain  decrease  in  the  order  of  a  few  dBs  versus  an  increase of noise figure in the order of several tenths of a dB. If your application requires a very small antenna, a  LNA can help to match the hard to control impedance of the antenna to a 50 Ohms cable. This effect is indeed  beneficial if the antenna cable between the antenna and the receiver is only short. In this case, there’s no need  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 46   ...
  • Page 47: Antenna Placement

    Table 10: Optimal antenna placement                                                           Some  cars  have  a  metallic  coating  on  the  windscreens.  GPS/GALILEO  reception  may  not  be  possible  in  such  a  car  without  the  use  of  ® SuperSense  Technology. There is usually a small section, typically behind the rear view mirror, reserved for mobile phone and GPS/GALILEO  antennas.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 47 ...
  • Page 48: C Interference Issues

    1.  Strong RF transmitters close to GPS frequency, e.g. DCS at 1710 MHz or radars at 1300 MHz.  2.  Harmonics of the clock frequency emitted from digital circuitry.  The first problem can be very difficult to solve, but if GPS/GALILEO and RF transmitter are to be integrated close  to each other, there’s a good chance that there is an engineer at hand who knows the specifications of the RF  transmitter. In most cases, counter measures such as filters will be required for the transmitter to limit disruptive  emissions below the noise floor near the GPS/GALILEO frequency.   Even if the transmitter is quiet in the GPS/GALILEO band, a very strong emission close to it can cause saturation  in the front-end of the receiver. Typically, the receiver's front-end stage will reach its compression point, which  will  in  turn  increase  the  overall  noise  figure  of  the  receiver.  In  that  case,  only  special  filtering  between  the  GPS/GALILEO antenna and receiver input will help to reduce signal levels to the level of linear operation at the  front-end.   TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 48   ...
  • Page 49: Eliminating Digital Noise Sources

    Bad: Excessive Radiation Good: Radiation terminated   Figure 31: Signal and power plane extends should lie within ground plane extends Optional shield   Figure 32: Further improvement of reduction of power plane radiation TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 49 ...
  • Page 50: High Speed Signal Lines

    Furthermore,  ceramic  capacitors  come  with  different  dielectric  materials.  These  materials  show  different  temperature  behavior.  For  industrial  temperature  range  applications, at least a X5R quality should be selected. Y5V or Z5U types may lose almost all of their capacitance  at  extreme  temperatures,  resulting  in  potential  system  failure  at  low  temperatures  because  of  excessive  noise  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1 ...
  • Page 51 Tantalum  capacitors  show  good  thermal  stability,  however,  their  high  ESR  (equivalent series resistance) limits the usable frequency range to some 100 kHz.    Figure 35: Temperature dependency of COG/NPO dielectric, AVX   Figure 36: Temperature dependency of X7R dielectric, AVX   Figure 37: Temperature dependency of Y5V dielectric, AVX TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 51   ...
  • Page 52: Shielding

    Therefore,  also  DC  lines  (e.g.  the  power  supply)  should  be  filtered  with  feed  through  capacitors.  When  selecting  feed  through  capacitors,  it’s  important  to  choose  components  with  appropriate  frequency  behavior.    As  with  the  ordinary  capacitors,  small  value  types  will  show  better  attenuation  at  high  frequencies (see Figure 39). For the GPS/GALILEO frequency band the 470pF capacitor is the optimum choice of  the Murata NFM21C series.  TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1 ...
  • Page 53 Ferrite  beads  are  the  components  of  choice  if  a  high  DC  resistance  cannot  be  accepted.  Otherwise,  for  ordinary  signal  lines  one  could  insert  a  1 K  series  resistor,  which  would  then  form  a  low-pass filter together with the parasitic capacitance of the conductor trace.  See also the MuRata web page for extensive discussion on EMC countermeasures.   TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix   ...
  • Page 54: Shielding Sets Of Sub-System Assembly

    It  is  clear  that  the  situation  illustrated  in  Figure  41  can  become  complex  if  the  component  “Some  other  electronics”  contains  another  wireless  transmitter  system  with  a  second  antenna,  which  is  referenced  to  the  systems shielding ground. As already pointed out, in a setup like this it is important to keep the shield free from  supply currents with high frequency spectral content. If there are to be additional connections to the shielding  ground, these should be of a highly inductive nature.   TIM-5H - Hardware Integration Manual     Appendix    GPS.G5-MS5-07015-A-1 ...
  • Page 55: D Lists

      your position is our focus D Lists D.1 List of Figures Figure 1: TIM-5H Block Diagram ..................................9 Figure 2: Backup Battery and Voltage ................................10 Figure 3: Passive Antenna Design for TIM-5H Receivers ..........................15 Figure 4: Recommended footprint ................................17 Figure 5: Recommendations for copper, solder and paste masks with enlargement ..................18 Figure 7: Placement......................................19 Figure 8: Recommended layout ..................................20 Figure 9: PCB build-up for Micro strip line. Left: 2-layer PCB, right: 4-layer PCB ....................21 Figure 10: Micro strip on a 2-layer board (Agilent AppCAD Coplanar Waveguide) ..................22 Figure 11: Micro strip on a multi layer board (Agilent AppCAD Coplanar Waveguide) ..................22 Figure 12: Active antenna biasing................................. 23 Figure 13: Supplying Antenna bias voltage ..............................24 Figure 14: External antenna power supply with full antenna supervisor ......................25...
  • Page 56: List Of Tables

      your position is our focus Figure 40: Two shielded sub-systems, connected by a “poor” ground ......................54 Figure 41: Proper shielding of a sub-system assembly ........................... 54   D.2 List of Tables Table 1: Features of the TIM-5H ..................................8 Table 2: Pinout TIM-5H....................................16 Table 4: Short circuit protection, bill of material ............................24 Table 5: Active Antenna Supervisor, bill of material ............................26 Table 6:  Active Antenna Supervisor Message on startup (UBX binary protocol) ....................27 Table 7:  Active Antenna Supervisor Message on startup (NMEA protocol) ....................27 Table 8: Pin-out comparison TIM-4H / TIM-4P vs. TIM-5H ..........................40 Table 9: Typical Pin Assignment TIM modules ............................... 41 Table 10: Optimal antenna placement ................................47  ...
  • Page 57: E Glossary

    GNSS  Global Navigation Satellite System  LNA  Low Noise Amplifier  MSL  Height above Mean Sea Level or Orthometric Height  NMEA 0183  ASCII based standard data communication protocol used by GPS receivers.  PUBX  u-blox proprietary extension to the NMEA protocol  UBX   File extension for u-center log file or short form for the UBX protocol  UBX Protocol  A proprietary binary protocol used by the u-blox GPS technologies      Related Documents  [1]  u-blox 5 Protocol Specification, Docu. No GPS.G5-X-07036  [2]  GNSS Compendium, Doc No GPS-X-02007  [3]  TIM-5H Data Sheet, Doc No GPS.G5-MS5-07014    All these documents are available on our homepage (http://www.u-blox.com).      For regular updates to u-blox documentation and to receive product change notifications please register  on our homepage.    TIM-5H - Hardware Integration Manual         GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 57   ...
  • Page 58: Contact

    Regional Office Korea: Room 501, Gyeong Hui Building 109-18,   Samseong-Dong,  GangNam-Gu,  Seoul, Korea 135-090  Phone:  +82 2 542 0861  Fax:  +82 2 542 0862  E-mail:  info_kr@u-blox.com   Support:  support_kr@u-blox.com  Regional Office Taiwan: Room 305  3F, #181, ZouTze Street  Neihu Dis.  Taipei, Taiwan  Phone:  +886 2 2657 1090  Fax:  +886 2 2657 1097  E-mail:  info_tw@u-blox.com   Support:  support_tw@u-blox.com       TIM-5H - Hardware Integration Manual         GPS.G5-MS5-07015-A-1  u-blox proprietary  Page 58   ...

Table of Contents