Thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho hệ thống định vị toàn cầu ( GPS) sử dụng phần mềm ADS

Thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho hệ thống định vị toàn cầu ( GPS) sử dụng phần mềm ADS. Trong các mạch điện của hệ thống thông tin vô tuyến, để xử lý vấn đề chênh lệch trở kháng giữa các bộ phận. Chúng ta có 2 phương pháp, 1 là thay đổi trở kháng của 1 linh kiện, 2 là xây dựng 1 loại mạch trung gian để biến đổi trở kháng sao cho công suất truyền từ nguồn đến tải đạt tối đa. Các loại mạch này được gọi là “Matching Network” dịch sang Tiếng Việt là mạch phối hợp trở kháng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU ( GPS) SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS GVHD: TS Nguyễn Nam Phong LỜI NĨI ĐẦU Trong thời đại cơng nghiệp 4.0, nói hệ thống thơng tin hoạt động tần số vơ tuyển(RF) tảng quan trọng Bởi lẽ, tất thiết bị, phần mềm khoa học kỹ thuật xuất phát điểm từ thành phần sản phẩm vô tuyến điện máy thu, máy phát, loại mạch điện hay đến linh kiện bán dẫn Đồng thời, môi trường hoạt động hệ thống viễn thơng ngày tần số thơng tin vơ tuyến, nơi để tín hiệu trao đổi qua lại Nhờ điều đó, hoạt động trao đổi thơng tin diễn tạo tiền đề để phát triển mặt sống Môn học Điện tử tương tự II, môn học nghiên cứu kiến trúc giới hệ thống vơ tuyến nói chung truyền thơng khơng dây nói riêng Nhận thấy bổ ích với tầm quan trọng môn học, hướng dẫn thầy Nguyễn Nam Phong, nhóm chúng em thực đề tài “ Thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho hệ thống định vị toàn cầu (GPS) “ Trong trình thực đề tài, thời gian hữu hạn với trình độ chun mơn cịn khiêm tốn, nên tập lớn khơng tránh khỏi sai sót Nhưng chúng em cố gắng nghiên cứu học hỏi để giảm thiểu tối đa sai lầm Vì vậy, nhóm chúng em mong nhận đóng góp nhiệt tình thầy để phát triển vốn kiến thức BẢNG PHÂN CHIA CƠNG VIỆC: STT Thành viên Công việc Hỗ Sỹ Nhật Huy20187136 Nghiên cứu hệ thống GPS, Anten GPS, Mô mạch ADS, Viết báo cáo Nguyễn Đức Dũng-20187123 Nghiên cứu lý thuyết PHTK, loại mạch PHTK, Thiết kế mạch, Viết báo cáo Đỗ Hải Long20187142 Nghiên cứu lý thuyết PHTK, loại mạch PHTK, Kiểm tra lại mạch mô phỏng, Viết báo cáo Nguyễn Thị Ngọc Hà-20187125 Nghiên cứu phần mềm ADS, tham số SParameter, Quality Factor, Viết báo cáo Đào Lê Hải20187126 Tính tốn thơng số lý thuyết, Tổng hợp nội dung,Vẽ sơ đồ khối, Viết báo cáo LỜI CAM ĐOAN Chúng em nhóm lớp ET-LUH17 bao gồm thành viên kể tên trên.Chúng em xin đảm bảo liệu nêu đồ án hoàn toàn trung thực, phản ánh kết đo đạc thực tế Mọi thơng tin trích dẫn tn thủ quy định sở hữu trí tuệ; tài liệu tham khảo liệt kê rõ ràng Chúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm với nội dung viết báo cáo Hà nội, ngày 28 tháng năm 2021 Người cam đoan Hồ Sỹ Nhật Huy Đỗ Hải Long Nguyễn Đức Dũng Nguyễn Thị Ngọc Hà Đào Lê Hải MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT CHỮ VIẾT TẮT Ý NGHĨA PHTK Phối hợp trở kháng GPS Global Positioning System LNA Low-Noise Amplifier Q Quality Factor RLC Resistor-Inductor-Capacitor ADS Advanced Desisn System MN Matching Network DANH MỤC HÌNH VẼ TĨM TẮT BÁO CÁO Để đảm bảo tính logic, chặt chẽ, phù hợp với nội dung đề tài, nhóm chúng em định chia đề tài “Thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho hệ thống định vị toàn cầu” làm nội dung chính: Phần 1: Cơ sở lý thuyết mạch phối hợp trở kháng (PHTK): Định nghĩa mạch PHTK, tham số lý thuyết có liên quan, Các loại mạch PHTK bản, Loại mạch PHTK sử dụng để thiết kế Phần 2: Tổng quan hệ thống định vị toàn cầu (GPS): Định nghĩa GPS, Sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý hệ thống GPS, Dải tần hoạt động GPS, Các loại Anten ứng dụng cho GPS, Loại Anten sử dụng để thiết kể Phần 3: Thiết kế mạch PHTK cho GPS: Mơ tả quy trình thiết kế mạch PHTK, u cầu đầu với mạch, Sơ đồ thiết kế mạch, Mô mạch sử dụng phần mềm ADS, Kết mô 10 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Định nghĩa mạch PHTK: -Định nghĩa: Trong mạch điện hệ thống thông tin vô tuyến, để xử lý vấn đề chênh lệch trở kháng phận Chúng ta có phương pháp, thay đổi trở kháng linh kiện, xây dựng loại mạch trung gian để biến đổi trở kháng cho công suất truyền từ nguồn đến tải đạt tối đa Các loại mạch gọi “Matching Network” dịch sang Tiếng Việt mạch phối hợp trở kháng Phối hợp trở kháng ? có tác dụng ? Gọi Rn nội trở nguồn (hay trở kháng tầng trước), Rt tải (hay trở kháng vào tầng sau), E nguồn lý tưởng Theo Ohm-Law, dòng điện I qua mạch là: I = E/R = E / (Rn+Rt) Công suất tải là: Pt = I.Ut = I.I.Rt = E^2 * Rt / (Rn + Rt)^2 Pt lớn Rn = Rt Như vậy, việc "làm đó" để trở kháng tầng trước trở kháng vào tầng sau (gọi phối hợp trở kháng - Impedance matching) nhằm đạt cơng suất tải lớn Hình 1.1 Sơ đồ khối mạch PHTK 11 1.2 Các tham số lý thuyết mạch PHTK 1.2.1 Hệ số phẩm chất, Q(Quality Factor) Hệ số phẩm chất Q ( Quality Factor) : đại lượng không thứ nguyên cho biết mức độ lý tưởng khả lưu trữ lượng thiết bị Hình 1.2 Cơng thức tính Q mạch RLC 1.2.2 Tham số S ( Scattering Parameters) Tham số S ( S-Parameters): Thể mối quan hệ công suất phát ( công suất truyền từ nguồn (Source) đến tải ( Load) ) công suất phản xạ mạng n cực dải tần cụ thể Trong báo cáo xét đến mạng cực ( port system): 1.2.2.1 S11- Parameter: S11 tỷ số sóng phản xạ sóng tới cổng đầu vào phản xạ từ RL khơng Đại diện cho độ xác khớp đầu vào ( input matching accuracy) Thông số phổ biến thiết kế mạch cao tần 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH PHTK CHO GPS Sau tiến hành nghiên cứu kỹ lý thuyết mạch PHTK ( L Matching Network) lý thuyết hệ thống GPS nói chung loại Anten sử dụng nói riêng Nhóm xác định mục tiêu thiết kế mạch PHTK nguồn đầu vào RF Input với trở kháng 50 Ohm đầu tải 36.5 Ohm ( Trở kháng Anten) tần số 1.575 GHz 3.1 Quy trình thiết kế: Để thuận tiện cho việc thiết kế diễn hợp lý, nhóm chúng em tiến hành chia công việc thành bước quy trình sau: Đặt tiêu chuẩn thiết kế mạch PHTK 2.Thiết kế sơ đồ khối mạch PHTK Thiết kế mạch PHTK tính tốn thơng số cho mạch Mô mạch phần mềm ADS Đo lường tham số mạch S-Parameter, điện tải ( Voltage Load) 3.2 Tiêu chuẩn thiết kế: -Mục tiêu : thiết kế mạch PHTK nguồn đầu vào RF Input với trở kháng 50 Ohm đầu tải 36.5 Ohm ( Trở kháng Anten) tần số 1.575 GHz -Yêu cầu chức năng: + Mạch PHTK biến đổi trở kháng 50 Ohm thành 36.5 Ohm + Mạch hoạt động tốt dải tần 1.563 Ghz – 1.587GHz + Mạch hoạt động tốt tần số trung tâm 1.575 GHz 23 3.3 Thiết kế sơ đồ khối mạch PHTK: Sau nghiên cứu sơ đồ khối hệ thống GPS với yêu cầu mục tiêu thiết kế Nhóm đánh giá vị trí mạch PHTK nằm tầng Anten tầng mạch GPS ( RF Circuit) Hình 3.16 Sơ đồ khối mạch PHTK cho GPS 3.4 Thiết kế mạch PHTK tính tốn thơng số cho mạch: Từ cơng thức tính tốn thơng số mạch trình bày mục 1.3.2 Loại mạch PHTK nhóm lựa chọn Nhóm đưa thiết kế mạch PHTK sau: - - Loại mạch : Lowpass Upward L Match Yêu cầu đầu vào : Zo: 50 Ω Fo: 1575 MHz RL: 36.5 Ω XL: Ω Thiết kế đầu ra: L1: 2.243 nH C1: 1.229 pF Z1: 36.50 + j0.00 Ω Hình 3.17 Sơ đồ lý thuyết mạch PHTK 24 3.5 Mô mạch phần mềm ADS: 3.5.1 Mô mạch để đo tham số S-Parameter: Hình 3.18 Mơ mạch để đo S-Parameter -Terminal 1( 50 Ohm): Thể trở kháng nguồn (Source) hệ thống GPS ( RF Input) -Terminal ( 36.5 Ohm): Thể trở kháng đặc tính anten PIFA -SNP: Là Simulator Controller dành cho mạch N Port( Là hàm ADS thiết kế để tính tốn tham số S-Parameter qua đánh giá khả làm việc linh kiện điện tử đặt vào mạch người dùng thiết kế ) Ở mạch nghiên cứu đầu đầu vào => N = -File S2P: Là file lưu trữ thông số Datasheet linh kiện điện tử theo chuẩn Format Touchstone Từ liệu S2P Controller ADS lập trình tính tốn vã vẽ biểu đồ S-Parameters cho người dùng đánh giá 25 - Tụ điện (C) Cuộn cảm ( L): Mô với số liệu tính tốn mục 3.4 Lưu ý: Ở nhóm em sử dụng Transistor BGA715L7 loại Transistor chuyên sử dụng mạch LNA GPS Transistor thiết kế để phù hợp với chuẩn đầu 50 Ohm mạch GPS 3.5.2 Mô mạch để đo điện áp mạch: Về mặt cấu trúc, mạch khơng có thay đổi so với mạch để đo S-Parameter nhiên phải thay đổi cổng Terminal thành AC Voltage Source để phù hợp với Simulator Controller lúc AC ( để đo điện áp tải) Hình 3.19 Mơ mạch để đo điện áp tải V_AC + R1 ( 50 Ohm) : Thay cho Terminal cấu trúc trước ( V_AC mặc định V) R2( 36.5 Ohm): Thay cho Terminal cấu trúc trước AL: Đoạn Wire đánh dấu để đo điện áp trước qua Matching Network 26 IM: Đoạn Wire đánh dấu để đo điện áp sau qua Matching Network 3.6 Đo lường tham số mạch: 3.6.1 Tham số S ( S-Parameters): Hình 3.20 Kết đo S11 27 Hình 3.21 Kết đo S12 28 Hình 3.22 Kết đo S21 Hình 3.23 Kết đo S22 Nhận xét kết đo S-Parameter: Port1: Nguồn, RF Input Port2: Tải, Anten GPS PIFA 10log(Smn): Khi đề cập công suất (Power) truyền tín hiệu 20log(Smn): Khi đề cập điện -S11: Đỉnh cộng hưởng -42dB tần 1.575GHz.Ngoài tồn dải tần đạt -20dB +Ta có 10log(0.00006) = -42.2dB =>Năng lượng điện vào Port 1(Nguồn) tần số 1.575GHz bị suy hao khoảng 0.0006% 29 + Ta có 20log(0.0077) = -42.2dB => V1-/V1+ = 0.0077 => Độ xác PHTK Port ( Nguồn) 100%-0.0077x100% = 99.23% -S12: Trong dải tần hoạt động từ 1.563-1.587GHz, S12 đạt khoảng -0.055dB +Ta có 10log(0.9885) = 0.055dB => Năng lượng điện truyền từ Port2(Tải) => Port 1( Nguồn) bị suy hao (1-0.9885)x100% = 1.15% Như khả thu tín hiệu GPS tốt + Ta có 20log(0.994) = 0.055dB => V1-/V2+ = 0.994 => Hệ số tổn hao ngược 0.994 -S21: Trong dải tần hoạt động từ 1.563-1.587GHz, S21 đạt khoảng -0.055dB + Ta có 10log(0.9885) = 0.05 => Năng lượng điện truyền từ Port ( Nguồn) đến Port ( Tải) bị suy hao khoảng 1.15% + Ta có 20log(0.994) = 0.055dB => V2-/V1+ = 0.994 Vậy công suất mạch tốt -S22: Mặc dù đỉnh cộng hưởng tốt tần số 1.63GHz nhiên tần số trung tâm 1.575GHz đạt -40dB + Ta có 10log(0.0001) = -40dB => Năng lượng vào Port bị suy hao 0.01% + Ta có 20log(0.0099) = -40dB => Độ xác PHTK Port (10.0099)x100% = 99.01% Vì hệ thống GPS cho thiết bị di động dân dụng Vậy nên khơng cần tính xác cao hệ thống GPS tân tiến cho tàu thủy hay máy bay,v.v Nên ta thấy hệ số S12 S21 gần tiệm cận không cần khuếch đại tín hiệu lên 3.6.2 Đo điện áp mạch: -IM: Điện áp qua Matching Network Nhận xét: 30 Từ hình 3.8 ta thấy điện áp qua Matching Network tần số 1.575GHz đạt 0.365V Hình 3.24 Kết đo điện áp đoạn IM -AL: Điện áp mạch trước qua Matching Network Nhận xét: Từ hình 3.9 ta thấy điện áp mạch trước qua MN đạt 0.5V 1.575GHz 31 Hình 3.25 Kết đo điện áp đoạn AL Kết luận: Từ kết đo điện áp ta thấy , Như mạch phối hợp trở kháng thành công để trở kháng nguồn (Source) khớp với trở kháng tải (Load) KẾT LUẬN -Thông qua tập lớn “ Thiết kế mạch PHTK cho hệ thống định vị tồn cầu GPS”, nhóm chúng em có hội hiểu rõ học thêm nhiều kiến thức phần Impedance Matching Network ( Mạch PHTK) tham số lý có liên quan Q ( Hệ số phẩm chất) tham số S để đánh giá trao đổi lượng mạng cổng ( Port Network) 32 - Ngồi nhóm chúng em có hội tìm hiểu chuẩn thiết kế hệ thống thơng tin vơ tuyến ( Radio Frequency) hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Nắm tần số hoạt động Sơ đồ khối chức nguyên lý vận hành GPS thiết bị di động - Cuối cùng, nhóm hiểu q trình từ tính tốn lý thuyết mô mạch PHTK sử dụng linh kiện RLC ( Ở mạch PHTK L Matching Network) Kết mô cho thấy tương khớp với sở lý thuyết nhóm tổng hơp 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Behzad Razavi ,”RF Microelectronics”.2011[Prentice Hall Communications Engineering and Emerging Technologies] [2] Infineon Technology,”GPS front-end components for mobile and wireless application” , www.infineon.com/GPS [3] All About Circuit, “Understanding Matching Network”, Chap – Selected Topics in “ Practical Guide to Radio Frequency Analysis and Design”, https://www.allaboutcircuits.com/textbook/radio-frequency-analysisdesign/selected-topics/understanding-matching-networks/ [4] Wikipedia,” F_antenna Inverted F Antenna”, https://en.wikipedia.org/wiki/Inverted- [5] B.Ramao Rao, W Kunysz, K.McDonald,” GPS/GNSS Antenna”, Third Edition, New York: McGraw-Hill, 1991 [6] Datasheet, INFINEON Technologies,BFP720, “Datasheet, INFINEON Technologies ,BFP720,” http://www.infineon.com/, 2013 [7] J Crols and M S J Steyaert, “Low-IF Topologies for High-Performance Analog Front Ends of Fully Integrated Receivers,” IEEE Tran Circuits and Sys., II, vol 45, pp 269–282, March 1998 34 ĐÁNH GIÁ QUYỂN BÁO CÁO (Dùng cho giảng viên hướng dẫn) Tên giảng viên đánh giá: Họ tên sinh viên: .MSSV: Tên đồ án: Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thực nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt 5 Có khả phân tích đánh giá kết (15) Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu phương pháp thực dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt 5 mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai Kỹ viết đồ án (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến; lề thống nhất, có dấu cách sau dấu chấm, dấu phảy v.v.), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) 10a Có báo khoa học đăng chấp nhận đăng/Đạt giải SVNCKH giải cấp Viện trở lên/Có giải thưởng khoa học (quốc tế nước) từ giải trở lên/Có đăng ký phát minh, sáng chế 10b Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị SVNCKH không đạt giải từ giải trở lên/Đạt giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chuyên ngành (VD: TI contest) 10c Khơng có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng /50 Điểm tổng quy đổi thang 10 Nhận xét khác (về thái độ tinh thần làm việc sinh viên) Ngày: … / … / 20… Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) ... phù hợp với nội dung đề tài, nhóm chúng em định chia đề tài ? ?Thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho hệ thống định vị toàn cầu? ?? làm nội dung chính: Phần 1: Cơ sở lý thuyết mạch phối hợp trở kháng (PHTK):... Từ kết đo điện áp ta thấy , Như mạch phối hợp trở kháng thành công để trở kháng nguồn (Source) khớp với trở kháng tải (Load) KẾT LUẬN -Thông qua tập lớn “ Thiết kế mạch PHTK cho hệ thống định vị. .. - Dự án hệ thống định vị cho thông tin di động Nga GLONASS Dự án hệ thống định vị cho thiết bị di động thông minh A-GPS Dự án hệ thống định vị quân Trung Quốc BDS Dự án hệ thống định vị phi quân