Thiết kế bộ khuếch đại nhiễu công suất thấp LNA cho máy thu định vị GPS GNSS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN ĐỨC MINH THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI NHIỄU CÔNG SUẤT THẤP LNA CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ GPS/GNSS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Hà Nội – Năm 2014 MỤC LỤC   LỜI CAM ĐOAN CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH GNSS 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Hệ thống định vị dẫn đường GNSS 1.1.2 Một số ứng dụng GNSS định hướng phát triển 1.2 Một số khái niệm 14 1.2.1 Hệ quy chiếu tọa độ 14 1.2.2 Hệ chuẩn thời gian 15 1.2.2.1 Thời gian thiên văn 15 1.2.2.2 Thời gian nguyên tử 15 1.2.3 Các phép đo tín hiệu vệ tinh 16 1.2.3.1 Phép đo mã (code measurements) 16 1.2.3.2 Phép đo pha sóng mang (carrier phase measurements) 17 1.2.3.3 Phép đo Doppler (Dopler measurement) 17 1.2.3.4 Sai phân phép đo kỹ thuật DGPS 18 1.3 Các hệ thống vệ tinh dẫn đường sử dụng vệ tinh GNSS 18 1.3.1 Hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR - GPS 18 1.3.2 Hệ thống định vị GLONASS 23 1.3.3 Hệ thống Galileo 26 1.4 Cấu trúc máy thu GNSS 36 1.4.1 Máy thu đổi tần (Super heterodynes Receivers) 36 1.4.2 Máy thu trung tần không ( Zero-IF Receivers) 37 1.4.3 Máy thu trung tần thấp (Low-IF Receivers) 38           1.4.4 Máy thu đa chuẩn trung tần không/ trung tần thấp (Zero-IF/Low-IF Multi-Standard Receivers) 39 1.4.5 Máy thu biến đổi kép trung tần băng rộng (Wideband IF Conversion double Receivers) 40 1.4.6 Máy thu số-trung tần (Digital-IF Receivers) 41 1.4.7 Máy thu biến đổi số trực tiếp (Direct Digitization Receivers) 41 CHƯƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ LNA 43 2.1 Giới thiệu khếch đại tạp âm thấp – Low noise Amplifier (LNA) 43 2.2 Cơ sở thiết kế 44 2.2.1 Nhiễu, tạp âm 44 2.2.2 Hệ số khuếch đại - Transducer Gain 44 2.2.3 Hệ số ổn định K, tham số tán xạ, phối hợp trở kháng điều chỉnh.45 2.3 Yêu cầu thiết kế lựa chọn linh kiện 47 2.3.1 Yêu cầu thiết kế 47 2.3.2 Transitor ATF-54143 49 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG LNA 50 3.1 Giới thiệu cơng cụ thiết kế ADS – Agilent 50 3.1.1 Giao diện thiết mô phần mềm ADS 50 3.1.2 Các cơng cụ tính tốn sử dụng 54 3.2 Các bước thiết kế mô 56 3.3 Kết mô 81 3.4 Kết luận 83 KẾT LUẬN 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86           LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, thực hướng dẫn khoa học Tiến sĩ Hà Duyên Trung Các số liệu, kết luận nghiên cứu mơ LNA trình bày luận văn trung trung thực chưa cơng bố hình thức Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên thực Nguyễn Đức Minh           CÁC TỪ VIẾT TẮT   ADC Analog-to-digital converter ADS Advanced Design System AGC Automatic gain control BPSK Bi-phase shift key C/A Coarse acquisition code CDMA Code-division multiple access DGPS Differential GPS Galileo European GNSS GIS Geographic information system GLONASS Russian global navigation satellite system GNSS Global navigation satellite system GPS Global positioning system (U.S GNSS) IF Intermediate frequency IP3 Third-order intermodulation product IRNSS Radio Navigation Satellite Service L1 The GPS and Galileo frequency fL1 = 1575.42 MHz LNA Low noise Amplifier LORAN Long-range radio aid to navigation Navstar GPS GPS NF Noise figure OIP3 Output third-order intermodulation product P-code Precision code PRN Pseudorandom noise code QPSK Quadrature phase-shift keying RF Radio frequency TACAN TACtical Air Navigation UTC Universal Time Coordinated VSWR Voltage standing wave ratio           DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát hệ thống GPS Hình 1.2 Nguyên lý định vị tọa độ GPS Hình 1.3 Quy trình định vị hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu Hình 1.4 Ứng dụng quản lý giám sát GNSS Hình 1.5 Quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS 20 Hình 1.6 Vị trí đặt trạm điều kiển giám sát hệ thống GPS 21 Hình 1.7 Các hệ vệ tinh GLONASS 24 Hình 1.8 Hệ thống Galileo 26 Hình 1.9 Đặc điểm thành phần tín hiệu băng E5 28 Hình 1.10 Đặc điểm thành phần tín hiệu băng E5 28 Hình 1.11 Tín hiệu gửi vệ tinh GPS 30 Hình 1.12 Trải phổ lượng BPSK 2.046MHz, 1W 31 Hình 1.13 Trải phổ BPSK 2046MHz BPSK 10.23MHz 31 Hình 1.14 Tín hiệu băng L2 truyền vệ tinh GPS 32 Hình 1.15 Phổ cơng suất tín hiệu băng L2 điều chế QPSK cơng suất 1W 33 Hình 1.16 Tín hiệu L5 gửi từ vệ tinh 34 Hình 1.17 Phổ cơng suất tín hiệu L5 điều chế BPSK, công suất 1W 35 Hình 1.18 Tín hiệu gửi từ vệ tinh GPS 35 Hình 1.19 Băng tần tín hiệu GPS Galileo 36 Hình 1.20 Cấu trúc thu đổi tần 37 Hình 1.21 Máy thu trung tần không 38 Hình 1.22 Cấu trúc máy thu trung tần thấp 39 Hình 1.23 Cấu trúc máy thu đa chuẩn trung tần khơng/trung tần thấp 39 Hình 1.24 Cấu trúc máy thu chuyển đổi kép trung tần băng rộng 40 Hình 1.25 Cấu trúc máy thu số-trung tần 41 Hình 1.26 Cấu trúc máy thu biến đổi số trực tiếp 42 Hình 2.1 Cấu trúc máy thu GNSS điển hình 43           Hình 2.2 Sơ đồ trở kháng vào/ra mạng cực 45 Hình 3.1 Giao diện phần mềm ADS 51 Hình 3.2 Giao diện thiết kế 52 Hình 3.3 Giao diện vẽ đồ thị phần mềm ADS 53 Hình 3.4 Giao diện cơng cụ tính tốn Linecalc 54 Hình 3.5 Bảng tham số tán xạ ATF-54143 56 Hình 3.6 Cấu trúc ATF-54513 57 Hình 3.7 DC Tracer 58 Hình 3.8 Mơ phân cực dịng điện 58 Hình 3.9 Điện áp làm việc ATF-54143 59 Hình 3.10 Nfmin Gain điện áp phân cực Vds = 4V, Ids = 40mA 59 Hình 3.11 Sơ đồ phân cực transistor ATF-54143 60 Hình 3.12 Cơng cụ Transistor Bias Utility 60 Hình 3.13 Cài đặt tham số phân cực công cụ Bias Utility 61 Hình 3.14 Sơ đồ mạch phân cực 62 Hình 3.15 Kết kiểm tra điện áp, dòng phân cực 63 Hình 3.16 Kết mạch phân cực ATF-54143 63 Hình 3.17 Sơ đồ mô hệ số tán xạ, hệ số khuếch đại, NF tần số 1GHz ~ 2GHz 64 Hình 3.18 Hệ số khuếch đại cực đại tần số f=1.575GHz 21.186dB 65 Hình 4.19 Hệ số ổn định tần số f=1.575GHz 0.518 65 Hình 3.20 Mạch phối hợp thêm cuộn cảm hồi tiếp 66 Hình 3.21a Hệ số ổn định có hồi tiếp đạt StabFact1 = 0.625 15dB, hệ sỗ NF