Các bộ thu tín hiệu GPS có thể được tích hợp sẵn trong các máy cầm tay như điện thoại, các máy thu GPS thông dụng như GPS 76CSx Garmin, Garmin GPS eTrex….hay được chế tạo ra như các ante
Giới thiệu
GPS (Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo.Tại một thời điểm, tại một vị trí bất kỳ trên trái đất nếu ta xác định được khoảng cách của vị trí đó đến 4 vệ tinh ( tối thiểu ) thì có thể xác định được tọa độ của vị trí đó GPS do Bộ Quốc Phòng Mỹ phát minh ra nhằm mục đích ban đầu là phục vụ cho lĩnh vực quân sự nhưng sau đó được sử dụng miễn phí cho tất cả các tổ chức trên thế giới Ngày nay, hệ thống GPS đã trở nên phổ biến và có nhiều ứng dụng rất hữu ích không chỉ được sử dụng trong quân đội mà còn cả trong lĩnh vực dân sự
Hình 1.1 Mô tả cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu Hệ thống GPS được ứng dụng rất nhiều trong đời sống như định vị, dẫn đường, tìm người, tìm thiết bị, hay Geotagging… Sau đây Hình 1.2 minh họa một số ứng dụng thực tế của hệ thống GPS
(c) Hình 1.2: Minh họa một vài ứng dụng của GPS
Hình 1.1(a) là ứng dụng GPS dùng xác định vị trí, (b) ứng dụng GPS để tìm đường đi, (c) ứng dụng hệ thống GPS dùng để tracking vị trí các taxi
Cấu tạo của hệ thống GPS bao gồm 3 phần phần vũ trụ ( các vệ tinh), phần điều khiển ( các trạm điều khiển) và cuối cùng là phần sử dụng Trong đó 2 phần vũ trụ và điều khiển gần như là cố định Hiện nay chúng ta tập trung nghiên cứu cải tiến chủ yếu là ở phần sử dụng đặc biệt là thiết bị thu Việc chế tạo ra các máy thu GPS rất phức tạp, đòi hỏi người chế tạo phải có kiến thức thật chuyên sâu và nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực xử lý số tín hiệu và thiết kế mạch siêu cao tần
Việt Nam hiện nay là một nước đang phát triển, nhu cầu sử dụng các máy thu GPS trong tương lai là rất lớn Tuy nhiên việc nghiên cứu thiết kế các máy thu ở Việt Nam vẫn chưa được quan tâm đầu tư.
Các công trình nghiên cứu liên quan
Một số công trình nghiên cứu hiện nay có liên quan đến anten tích cực cho máy thu GPS như: “ Anten tích cực dạng chip có tích hợp mạch Low Noise Amplifier” [1] tác giả đã nghiên cứu về anten tích cực có tích hợp LNA thu tín hiệu GPS sau đó đóng gói thành dạng chip Kết quả đạt được là kích thước chip 10 mm(L) x 8 mm(W) x 0.8 mm (H), độ lợi 23.7 dB, NF =1.99 dB Hay đề tài “ Bộ khuếch đại tạp âm thấp thu tín hiệu GPS ở băng tần L1 với dòng cấp nhỏ” [2], tác giả thiết kế một bộ LNA thu tín hiệu GPS dựng cụng nghệ CMOS 0.18àm Kết quả đạt được gain :18.75 dB, NF= 3.7 dB tại 1.8V và dòng cấp là 1.07 mA Nhìn chung các đề tài nghiên cứu này đa phần các đề tài này đều nghiên cứu ở mức độ đóng gói thành dạng các IC Điều này là tuyệt vời
Thế nhưng nếu chúng ta muốn sản xuất các sản phẩm này ở tại Việt Nam ngay thời điểm này là rất khó Nó đòi hỏi phải có dây chuyền công nghệ hiện đại và đội ngũ kỹ thuật cao Do đó trước mắt chúng ta chỉ nên tiếp cận công nghệ này ở mức độ phù hợp hơn đó là sản xuất ra các anten vi dải tích cực cho máy thu GPS thành dạng các mô đun là hợp lý nhất Vì thế tôi đã chọn đề tài của mình là “ Thiết kế anten vi dải tích cực cho máy thu GPS”
Việc chế tạo thành công mạch LNA và anten vi dải thu tín hiệu GPS cũng sẽ tạo tiền đề tốt cho các nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi mạch siêu cao tần tại Việt Nam trong tương lai
Hiện nay các anten vi dải tích cực cho máy thu GPS có khá là nhiều sản phẩm thương mại nổi bật như sản phẩm AP.10H của hãng Taoglas có các thông số kích thước : 10mmx10mmx4mm, độ lợi 25 dB, NF=1.8 dB, hay MEA 1516 của hãng MAXTENA có gain = 32 dB và NF = 2.4 dB… Các sản phẩm này cũng chính là cơ sở cho tôi có thể tham khảo và đánh giá kết quả luận văn của mình
Sau đây là sơ đồ của anten vi dải tích cực cho máy thu GPS
Hình 1.3 Sơ đồ anten vi dải tích cực cho máy thu GPS
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết liên quan patch anten và LNA
- Sử dụng phần mềm HFSS, ADS để mô phỏng, thiết kế Microchip Patch antenna thu GPS, mạch LNA dùng transistor ở dải tần số 1565MHz– 1595 MHz, tần số trung tâm f75.42 Mhz
- Sau đó thi công trên board FR4 , IOSLA 345ĐK
- Kiểm chứng các thông số của board trên các thiết bị đo tại phòng thí nghiệm Khoa Điện tử trường đại học bách khoa TP Hồ Chí Minh
Kết cấu luận văn được trình bày trong 04 chương: Chương 1 – Tổng quan; Chương 2 – Cơ sở lý thuyết; Chương 3 – Thiết kế, thi công patch anten thu GPS và mạch LNA tại tần số 1575.42 Mhz; Chương 4 – Kết luận và hướng phát triễn
Lý thuyết đường dây truyền sóng ( transmission line) [3]
2.1.1 Định nghĩa Đường dây truyền sóng là đường truyền mà kích thước của nó có thể so sánh được với bước sóng tín hiệu Khác với lý thuyết mạch, kích thước vật lý của mạch điện bé hơn rất nhiều so với bước sóng Do đó một đường dây truyền sóng là một mạng phân bố, khi đó điện thế và dòng điện sẽ khác nhau về độ lớn và pha trong suốt chiều dài của đường dây truyền sóng Trong hình 3.1.a, đường dây truyền sóng có hai dây dẫn Giả sử ta lấy một đoạn ∆z rất nhỏ để có thể mô hình hóa thành một mạch tập trung, hình 2.1b, trong đó R, L, G, và C là các phần tử được lượng hóa trên mỗi đơn vị chiều dài với :
R= Trở kháng nối tiếp trên mỗi đơn vị chiều dài, đơn vị là Ω/m
L= Cảm kháng nối tiếp trên mỗi đơn vị chiều dài, đơn vị là H/m
G= Điện dẫn trên mỗi đơn vị chiều dài, đơn vị là S/m C= Dung kháng trên mỗi đơn vị chiều dài, đơn vị là F/m
Hình 2.1 Định nghĩa dòng điện và điện thế trong đường dây truyền sóng (a) Mạch điện tập trung tương đương (b)
Phương trình truyền sóng trong mạch có thể viết dưới dạng
Bước sóng trên đường truyền: 2
(2.6) Với e z đại diện cho hướng truyền +z, e z đại diện cho hướng truyền –z, là hằng số truyền Đối với đường truyền không tổn hao, R = G = 0 thì j j LC
(2.7) Bước sóng trên đường truyền:
2.1.3 Hiện tượng sóng đứng trên đường dây
Giả sử trên đường dây truyền sóng có lắp một tải ZL với ZL ≠Z0 Dạng sóng trên đường dây được thể hiện là tổng của sóng tới và sóng phản xạ như sau:
Hình 2.2 Đường dây truyền sóng với tải ZL
(2.12) Hệ số phản xạ được định nghĩa
(2.14) Trở kháng nhìn vào tải là
(2.15) Với Z0 là trở kháng đặc tính của đường dây, ZL là trở kháng tải, l là khoảng cách từ điểm khảo sát đến tải Về mặt vật lý, Zin là tượng trưng cho trở kháng tương đương nhìn vào đường dây tại điểm d đứng từ phía nguồn nhìn về tải Trong luận văn, trở kháng đặc tính được chọn là 50 Ω
2.1.4 Một số trường hợp đặc biệt
Khi ZL=Z0 thì Zin=Z0 với mọi khoảng cách l, đây là trường hợp tải phối hợp với đường dây Khi đó, hệ số phản xạ trên suốt chiều dài đường dây đều bằng 0
Trong trường hợp này ta thường sử dụng đoạn dây lamda/4 hở mạch (open stub) để tạo đường triệt tín hiệu cao tần xuống mass
Z x jZ tg l jZ tg 2 jZ tg
Z x jZ tg l jZ tg jZ g
Trong trường hợp này ta thường sử dụng đoạn dây lamda/4 để tạo đường cấp điện thế DC phân cực cho mạch cao tần (về DC thì ngắn mạch, cao tần hở mạch) Trong chương 3, luận văn sẽ trình bày các giải pháp thiết kế đường dây phân cực sử dụng đường dây lamda/4 kết hợp với 1 Radial Stub hay Butterfly stub… các giải pháp này đều có các ưu nhược điểm riêng của nó Điều này sẽ được phân tích và lựa chọn giải
(hở mạch) pháp ở chương sau.
Đường truyền vi dải (Microstrip line) [3][4]
Microtrip line là dạng đường truyền phổ biến nhất của đường truyền thẳng Hình dạng của một Microstrip line được thể hiện trong hình 2.4 bên dưới Một dây dẫn có chiều rộng W, được in trên một lớp chất nền điện môi có độ dày d và hằng số điện môi tương đối εr, bên dưới là lớp mặt phẳng đất cũng có độ dày t và có cùng chất dẫn điện như dây dẫn ( ví dụ: đồng, bạc…)
Hình 2.3 Microstrip line Hình dạng vật lý (a), điện và từ trường (b)
Như vậy, lớp điện môi thực tế của Microstrip line bao gồm không khí (ε = 1) và lớp điện môi (εr >1) của substrate, do đó người ta định nghĩa hằng số điện môi hiệu dụng của microstrip line là εe , với
Hằng số điện môi hiệu dụng εe phụ thuộc vào tần số làm việc, εr, độ dày t và độ rộng W Các công thức vận tốc, hằng số điện môi tương đối, trở kháng đặc tính của microstrip line:
(2.17) Hằng số điện môi hiệu dụng:
Với v p là vận tốc truyền, c vận tốc ánh sáng, d độ dày của lớp điện môi, εr hằng số điện môi tương đối, εe là hằng số điện môi hiệu dụng của microstrip line Hằng số điện môi hiệu dụng có thể được hiểu như là hằng số điện môi của một môi trường đồng nhất tương đương trong đó bao gồm không khí và vùng điện môi của substrate Cho trước kích thước của microstrip line, trở kháng đặc tính của đường dây có thể được tính như sau: với W / d 1 (2.19)
Trong công thức trên ta giả sử độ dày t của lớp dẫn điện không đáng kể Tuy nhiên, khi độ dày t là khá lớn và ta cần xem xét ảnh hưởng của nó, khi đó công thức tính hằng số điện môi hiệu dụng sẽ là
Công thức tính trở kháng đặc tính cũng tương tự, tuy nhiên độ rộng W sẽ được thay thế bởi độ rộng hiệu dụng W e , với W e=W+∆W
2.2.2 Suy hao trên đường truyền vi dải [5][6]
Theo [5] và [6] suy hao trên đường dây được tính bằng công thức c d r l
c : suy hao do lớp dẫn điện
d : suy hao do lớp điện môi
r : suy hao do bức xạ
l : suy hao do rò rĩ trên đường truyền
Suy hao do lớp dẫn điện: 8.686
Với Zc và W là trở kháng đặc tính và độ rộng của đường dây, RS là trở kháng bề mặt trên 1 đơn vị diện tích vuông hay còn gọi là trở kháng của hiệu ứng da Hiệu ứng da (skin effect) là hiện tượng mà dòng điện xoay chiều phân bổ trên bề mặt dây dẫn nhiều hơn phần bên trong lõi Trở kháng của hiệu ứng da được tính bằng công thức:
(2.24) Trong đó, là hằng số điện dẫn lớp kim loại của microstrip line, là độ sâu da (skin depth) – là độ sâu mà mật độ dòng điện bằng (1/e = 36.8%) so với mật độ dòng điện trên bề mặt dây dẫn
(2.26) với 2 f là tần số góc, 0 là độ từ thẩm trong môi trường tự do Ta thấy rằng,
c tỉ lệ thuận với tần số hoạt động, do đó, tần số càng cao thì suy hao do lớp dẫn điện càng cao
Suy hao do lớp điện môi: 1 tand
(dB/m) (2.27) Với t a n d là hằng số suy hao của chất điện môi
Suy hao do bức xạ và rò rĩ tùy thuộc vào cấu trúc vật lý của modul siêu cao tần thiết kế
Ví dụ: Khi ta chọn substrate FR4, với các thông số sau: hằng số điện môi tương đối r
= 4.5, tand = 0.008, Cooper thicknesss d = 1.6 mm, hằng số điện dẫn 5.8 10x 7 (S/m), Cooper Roughness = 70 um.
Lý thuyết Patch antenna [7]
Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một pach kim loại rất mỏng (bề dày t
