Hệ thống định vị toàn cầu GNSS Global Navigation Satellite System từ khi ra đời đã hỗ trợ con người trong việc xác định vị trí, hướng đi, xây dựng các loại bản đồ và phục vụ nhiều mục đí
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ SƠN TÙNG VŨ SƠN TÙNG KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO ANTEN DẢI RỘNG CHO HỆ THỐNG GNSS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật truyền thơng KHỐ 2011 Hà Nội – Năm 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131859171000000 T LỜI NÓI ĐẦU rong thời đại khoa học, kĩ thuật công nghệ phát triển vũ bão, hàng loạt công nghệ nghiên cứu triển khai, đem lại giá trị vô to lớn Hệ thống định vị toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) từ đời hỗ trợ người việc xác định vị trí, hướng đi, xây dựng loại đồ phục vụ nhiều mục đích khác Cùng với GPS Mỹ Galileo liên minh châu Âu triển khai dự kiến vài năm tới thức cung cấp dịch vụ Glonass Compass đang Nga Trung Quốc gấp rút triển khai Do có nhiều đặc điểm kỹ thuật giống với GPS, Galileo ; Glonass Compass đời cho phép kết hợp GPS để nâng cao chất lượng dịch vụ Tuy nhiên yêu cầu đặt để tích hợp cơng nghệ vào máy thu, 0chiếc máy thu ưu việt nhiều so với máy thu GPS thông thường Động lực thúc đẩy việc phát triển máy thu có khả thu lúc tín hiệu GNSS tần số khác Bài toán đặt phải chế tạo anten có dải tần hoạt động rộng để thu tất tín hiệu GNSS máy thu GNSS phần mềm Là học viên chuyên ngành điện tử viễn thông, học tập tiếp cận với công nghệ mới, em thấy có nhiều hứng thú tìm hiểu hệ thống định vị dẫn đường Hướng nghiên cứu em phát triển anten dải rộng thu tồn băng tần GNSS Chính em tìm hiểu hệ thống thu GNSS phát triển anten thu dải rộng cho hệ thống Trong luận văn, em xin tìm hiểu đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo anten dải rộng cho hệ thống GNSS” Em hy vọng nội dung luận văn có ích cho nghiên cứu sau anten dải rộng, đặc biệt cho nghiên cứu để tích hợp hai cơng nghệ định vị GPS Galileo Luận văn tập trung nghiên cứu loại anten ứng dụng GNSS, đặc biệt anten dải rộng, tiến hành mô thiết kế chế tạo anten dải rộng ứng dụng GNSS Các kết đo kiểm anten cho kết tốt Đặc biệt anten hoạt động tốt kết nối với hệ thống thu GNSS Trong trình làm đồ án, em nhận giúp đỡ lớn từ thầy cô giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Trung PGS.TS Nguyễn Thúy Anh Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy cô! Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2013 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GNSS 1.1 1.1.1 1.1.1 1.2 1.3 Phân hệ không gian Chùm vệ tinh Vệ tinh GPS 10 Phân hệ điều khiển 10 Phân hệ sử dụng 11 Chương TÍN HIỆU VÀ SƠ ĐỒ MÁY THU GNSS 12 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 Các tần số tín hiệu liệu định vị 12 Lược đồ tín hiệu GPS 13 Dịch tần Doppler 16 Kiến trúc chung thu GNSS 17 Sơ đồ máy thu GNSS 17 Chương CÁC LOẠI ANTEN CÓ THỂ ỨNG DỤNG TRONG GNSS 20 3.1 3.1.1 3.1.1.1 3.1.1.2 3.1.2 3.1.3 3.1.3.1 3.1.3.2 3.1.3.3 3.1.3.4 3.1.3.5 3.1.3.6 3.1.3.7 3.1.3.8 3.1.3.9 3.1.3.10 3.1.3.11 3.1.3.12 3.1.4 3.1.4.1 3.1.4.2 Anten mạch in 21 Anten vi dải 21 Các hình dạng anten vi dải 22 Đặc tính Microstrip Antennas (MSA) 23 Nguyên lý xạ anten vi dải 24 Trường xạ anten vi dải 27 Thế vectơ số cơng thức tính trường xạ 27 Công suất xạ 29 Công suất tiêu tán 30 Năng lượng tích lũy 30 Trở kháng vào 30 Sự phân cực sóng 31 Tiếp điện cho anten vi dải 32 Hiệu ứng viền (Fringing Effects) 32 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng chiều rộng hiệu dụng 34 Bài toán thiết kế 35 Điện dẫn 36 Trở kháng vào tần số cộng hưởng 38 Mơ hình hốc cộng hưởng 41 Các mode trường – TM x 43 Phân tích mơ hình anten vi dải trục tọa độ 44 3.1.4.3 3.1.4.4 3.1.5 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.2.1 3.2.2.2 3.2.2.3 3.2.2.4 3.2.2.5 3.2.2.6 3.3 3.3.1 3.3.1.1 3.3.1.2 3.3.1.3 3.3.1.4 Chương NGHIỆM Trường xạ - Mode TMx 010 46 Độ định hướng 49 Băng thông MSA 51 ANTEN ĐỘC LẬP TẦN SỐ 53 Giới thiệu 53 Anten xoắn 57 Những đặc điểm 59 Các dạng khác anten xoắn 60 Anten xoắn nhánh 61 Những hiệu ứng tải vật liệu cách điện 68 Khả thay đổi trường khu xa 69 Trở kháng mode 71 CẤP NGUỒN VÀ PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO ANTEN 74 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải (feed method) 74 Cấp nguồn đường truyền vi dải 75 Cấp nguồn probe đồng trục 75 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled 76 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled 77 THIẾT KẾ SƠ BỘ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO THỬ 77 4.1 4.1.1 4.2 4.2.1 4.2.1.1 THIẾT KẾ - TÍNH TỐN ĐỐI ANTEN 77 Thiết kế anten công thức phổ thông 77 Thiết kế anten phương pháp số - phần mềm FEKO 81 Thiết kế anten vi dải băng tần kép 83 Anten khe vi dải băng tần kép dạng chữ L 83 Chương THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 87 5.1 5.2 5.3 5.4 CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM 87 ĐO ĐẠC THAM SỐ 87 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 91 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 92 KẾT LUẬN 93 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Chùm vệ tinh 10 Hình 1.2 Vệ tinh NAVSTAR 10 Hình 1.3 Phân hệ điều khiển 11 Hình 2.1 Ấn định kênh tần GPS GLONASS 12 Hình 2.2 Độ rộng tần số tín hiệu GNSS 13 Hình 2.3 Sơ đồ khối tạo tín hiệu GPS 14 Hình 2.4 Cấu trúc tín hiệu L1 15 Hình 2.5 Điều chế BPSK tín hiệu GPS 15 Hình 2.6 Sơ đồ kiến trúc thu GNSS 17 Hình 2.7 Sai số pha hàm hệ số suy giảm ζ khác 20 Hình 3.1 Anten vi dải 22 Hình 3.2 Các dạng anten vi dải thông dụng 22 Hình 3.3 Phân bố điện tích dịng điện anten vi dải hình chữ nhật 25 Hình 3.4 Hằng số điện môi hiệu dụng 33 Hình 3.5 Chiều dài vật lý chiều dài hiệu dụng miếng patch 35 Hình 3.6 Patch chữ nhật mạch tương đương mơ hình đường truyền 37 Hình 3.7 Thay đổi vị trí điểm feed để có trở kháng vào phù hợp 41 Hình 3.8 Phân bố điện tích dịng điện 42 Hình 3.9 Các tham số kích cỡ patch 44 Hình 3.10 Các mode trường xạ anten vi dải 46 Hình 3.11 Ví dụ cấu trúc tự bù anten phẳng độc lập tần số: (a) nhánh xoắn, (b) nhánh sin (c) nhánh loga chu kỳ 54 Hình 3.12 Hình dạng tổng số nhánh anten loga chu kỳ (còn gọi anten cưa) 55 Hình 3.13 Minh họa tỉ lệ qua việc xoay anten không phụ thuộc tần số 56 Hình 3.14 Anten dạng sin nhánh liên hợp (a) biến đổi hàm log (b) 57 Hình 3.15 Lý thuyết band chế độ hoạt động số pha dòng điện 59 Hình 3.16 Mơ tả miền phát xạ anten xoắn nhánh hoạt động chế độ (a) chế độ (b) 60 Hình 3.17 Anten xoắn ốc nhánh (a) anten xoắn ốc góc (b) 60 Hình 3.18 Hai anten liên hợp đường kính 5cm Anten xoắn ốc nối tải với giảm tải trở kháng 100 Nhánh rộng W~0.58mm (anten quân sự) 62 Hình 3.19 Đồ thị tỉ lệ phát xạ theo hướng trở kháng vào (a) pattern với 36 góc cắt khác tần số 2GHz 8GHz (b) anten xoắn nhánh phức hợp Kết thực cách sử dụng phần mềm FEKO 63 Hình 3.20 Một số anten xoắn nhánh: Anten xoắn ốc phức hợp (a), anten xoắn ốc không phức hợp (b), antgen góc phức hợp (c) 64 Hình 3.21 Các anten xoắn góc với hệ số mũ 1,5: nhánh (a), nhánh (b) nhánh (c) 64 Hình 3.22 Sự khác biệt tính tương hỗ phân cực anten nhánh, nhánh nhánh 64 Hình 3.23 Ảnh hưởng cẩu việc cấp nguồn không tốt lên đồ thị xạ chế độ anten xoắn chấn tử 65 Hình 3.24 Pattern chế độ hoạt động mode mode cao ảnh hưởng lên mode 66 Hình 3.25 Pattern từ mode tới mode anten xoắn nhánh 66 Hình 3.26 Mối quan hệ mode mode anten xoắn góc nhánh đường kính 6cm với hệ số mũ khác 67 Hình 3.27 Độ méo pattern 30 68 34T Hình 3.28 Độ giảm tăng ích suy hao vòng tròn chu vi λ anten góc (a) Mặt cắt phẳng pattern anten nón với hốc nón xoắn 5cm với = 0.65 (b) 69 Hình 3.29 Cơng suất chế độ nhánh anten xoắn nhánh đường kính 25cm 70 Hình 3.30 (a) Bộ biến đổi trở kháng anten xoắn nhánh (b) khu vực phối hợp trở kháng cho anten xoắn nhánh 72 Hình 3.31 Trở kháng vào lý thuyết tỉ số độ rộng A/G tương ứng cho chế độ 1, 2, anten xoắn nhánh bới bề dày 0.01” số điện mơi 2.1 72 Hình 3.32 (a) Bộ phối hợp trở kháng song song vi dải, (b) Bộ biến PHTK dùng cáp đồng trục Dyson, (c) PHTK cáp đồng trục đứng, (d) Bộ PHTK dùng bó cáp đồng trục 73 Hình 3.33 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải 75 Hình 3.34 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 76 Hình 3.35 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled 76 Hình 3.36 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled 77 Hình 4.1 Bộ biến đổi trở kháng 80 Hình 4.2 Thiết kế anten patch HFSS 81 Hình 4.3 Pattern anten patch với tần số trung tâm 1.57542GHz 82 Hình 4.4 Hệ số phản xạ anten patch dải tần từ 1.5GHz tới 1.7GHz 82 Hình 4.5 Dạng chung anten khe vi dải băng tần khép hình chữ L 83 Hình 4.6 Anten khe băng tần kép dạng chữ U 84 Hình 4.7 Anten xoắn nhánh 85 Hình 4.8 Pattern 3D anten xoắn nhánh sóng phân cực trịn tay phải 85 Hình 4.9 Patten 2D anten xoắn nhánh sóng phân cực trịn tay phải tần số 1.57542GHz 85 Hình 4.10 Pattern anten xoắn tần số 1.2GHz 86 Hình 4.11 Pattern anten xoắn tần số 1.5GHz 86 Hình 4.12 Pattern anten xoắn tần số 1.7GHz 87 Hình 5.1 Đo đạc tham số sử dụng máy Anritsu MT8222A 88 Hình 5.2 Đo pattern anten sử dụng phịng đo EMC 88 Hình 5.3 Hệ số sóng đứng VSWR 89 Hình 5.4 Trở kháng anten 90 Hình 5.5 Pattern đo thực tế với phòng EMC 90 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Hiện trạng mạng GNSS tần số hoạt động giới 17 Bảng 3.1 Hướng búp sóng góc ngẩng búp sóng đỉnh cho mode anten nhánh 67 Bảng 3.2 Trở kháng vào anten xoắn phức hợp không gian tự 71 Bảng 3.3 Tần số giới hạn mode1 sử dụng bó cáp đồng trục để cấp nguồn (cho cable thương mại) 74 Bảng 4.1 Các thông số anten thiết kế 78 Bảng 4.2 Cách thơng số tính toán patch anten vi dải 2.4 GHz 80 Bảng 4.3 Các thông số đường microstrip line với ε r = 4.6, h = 1.6mm 81 Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GNSS GNSS (Global Navigation Satellite System) cấu thành chịm (một nhóm hay hệ thống) quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị mặt đất sử dụng để cung cấp vị trí thiết bị thu với vùng phủ tồn cầu Trong thời điểm, vị trí mặt đất xác định khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) tính tọa độ vị trí GNSS hoạt động điều kiện thời tiết, nơi trái đất 24 ngày Mỹ nước phóng lên đưa vào sử dụng hệ vệ tinh dẫn đường Mỹ đặt tên cho hệ thống hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System), ban đầu để dùng riêng cho quân sự, sau mở rộng sử dụng cho dân phạm vi toàn cầu, quốc tịch miễn phí GNSS tên gọi chung cho hệ thống định vị dẫn dường sử dụng vệ tinh GPS, GLONASS, Compass Galileo nhiên tính tới thời điểm tháng năm 2013 có hệ thống GPS GLONASS hoạt động cung cấp dịch vụ, hệ thống Compass Galileo giai đoạn phát triển hứa hẹn sớm cung cấp dịch vụ vào năm 2020 Ngồi cịn có hệ thống định vị khu vực Beidou 1, DORIS, IRNSS, QZSS chúng cịn giai đoạn phát triển chúng khơng coi hệ thống GNSS Các hệ thống GNSS có đặc điểm giống nhau, ta phân tích hệ thống GNSS cụ thể GPS Mỹ để thấy đặc điểm kỹ thuật GPS hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Mỹ, cung cấp dịch vụ định vị, dẫn đường, dịch vụ thời gian cho người sử dụng toàn giới cách liên tục, thời tiết, ngày đêm, dù họ nơi trái đất Kiến trúc hệ thống GPS thông qua vào năm 1973 Năm 1978, vệ tinh hệ thống GPS phóng thành cơng tín hiệu GPS thu thử nghiệm với máy thu Mục đích ban đầu dự án xây dựng hệ thống GPS để phục vụ mục đích quân Mỹ, nên Bộ Quốc phịng Mỹ trực tiếp kiểm sốt dự án Dưới sức ép vụ bắn nhầm máy bay dân Hàn Quốc vùng trời cấm bay Nga (1978), kế hoạch phát triển hệ thống GPS phục vụ ứng dụng dân trọng Đến năm 1995, Bộ Quốc phòng Mỹ tuyên bố hệ thống GPS hồn chỉnh thức vào hoạt động Hệ thống GPS chia thành ba phân hệ chính: phân hệ khơng gian, phân hệ điều khiển, phân hệ sử dụng Bộ Quốc phòng Mỹ đảm nhiệm việc sản xuất phóng vệ tinh, việc quản lý trạm điều khiển vệ tinh mặt đất Phần người sử dụng bao gồm nhiều thành phần, có nhiệm vụ quản lý phát triển ứng dụng GPS, bao gồm việc xây dựng thiết bị sử dụng hệ thống anten máy thu Đối với máy thu, hệ thống GPS cung cấp hai loại dịch vụ bản, là: dịch vụ định vị tiêu chuẩn (SPS) dịch vụ định vị xác (PPS) Chính phủ Mỹ, quân đồng minh người sử dụng đặc biệt cấp phép sử dụng PPS Họ sử dụng thiết bị bảo mật máy thu trang bị đặc biệt Độ xác PPS dự kiến 22 m theo chiều ngang, 27.7 m theo chiều dọc thời gian 200 ns (UTC) Trong đó, người sử dụng bình dân khắp giới sử dụng SPS miễn phí bị hạn chế sử dụng Hầu hết máy thu có khả thu sử dụng tín hiệu SPS Độ xác SPS bị cố ý làm giảm việc dùng Selective Availability DOD Độ xác SPS dự kiến 100 m theo chiều ngang, 156 m theo chiều dọc thời gian 340 ns 1.1 Phân hệ không gian Phân hệ không gian sử dụng thời gian nguyên tử phát tín hiệu cao tần chứa mã giả ngẫu nhiên, phát lại tin định vị từ tín hiệu thu (từ phân hệ điều khiển) Phân hệ không gian bao gồm thành phần sau: 1.1.1 Chùm vệ tinh Chùm vệ tinh GPS gồm 24 vệ tinh chủ đạo vài vệ tinh dự trữ, phân bố quỹ đạo gần trịn, kí hiệu từ A đến F, với đường kính khoảng 20.138km nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo Mỗi quỹ đạo có vệ tinh kí hiệu từ đến phân bố Chu kỳ vệ tinh 12 Cấu trúc quỹ đạo vệ tinh cho phép người sử dụng hệ thống GPS mặt đất “nhìn thấy” tối thiểu vệ tinh trung bình từ đến vệ tinh không bị cản trở cấu trúc hạ tầng mặt đất