Thiết kế anten vi dải tích cực cho máy thu gps

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------

NGUYỄN TUẤN KHANH

THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI TÍCH CỰC
CHO MÁY THU GPS
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60.52.71

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---

---

NGUYỄN TUẤN KHANH

THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI TÍCH CỰC
CHO MÁY THU GPS

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 60.52.71

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2015


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

………………………………………………………….
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. VÕ QUẾ SƠN

……………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. MAI LINH

............................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG HCM
ngày 14 tháng 07 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1 TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
2 PGS. TS. HỒ VĂN KHƯƠNG
3 TS. VÕ QUẾ SƠN
4 TS. MAI LINH
5 TS. NGUYỄN MINH HOÀNG
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

TS. ĐỖ HỒNG TUẤN

TS. ĐỖ HỒNG TUẤN


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Tuấn Khanh

MSHV: 12214263

Ngày, tháng, năm sinh: 19 - 05 - 1988

Nơi sinh: Vĩnh Long

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.71

I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế anten vi dải tích cực cho máy thu GPS.
II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Thiết kế anten vi dải tích cực cho máy thu GPS tần số 1575.42 Mhz, băng thông
30 Mhz, độ lợi lớn hơn 15 dB, hệ số nhiễu nhỏ hơn 3 dB.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/01/2015
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/06/2015
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Huỳnh Phú Minh Cường
Tp. HCM, ngày ….. tháng ….. năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

TRƯỞNG KHOA

TS. ĐỖ HỒNG TUẤN


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin cảm ơn quý Thầy, Cơ Bộ mơn Viễn Thơng, và
Phịng Đào Tạo Sau Đại Học đã truyền đạt kiến thức, cũng như tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường. Tôi xin chân thành
cảm ơn TS. Huỳnh Phú Minh Cường đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến
thức và kinh nghiệm q báu cho tơi hồn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn
anh Nguyễn Tấn Phát đã nhiệt tình hỗ trợ tơi trong q trình đo đạc các thơng

số của mạch tại phịng Lab - Bộ môn Viễn Thông.
Tôi cũng xin cám ơn ban lãnh trường Cao Đẳng Nghề Cần Thơ đã quan
tâm và tạo điều kiện cho tơi được tham gia và hồn thành khóa học này.
Và đặt biệt hơn tôi xin cảm ơn các anh em cùng khóa ln hỗ trợ ủng hộ
tơi về mặt chun mơn cũng như động viên tơi hồn thành tốt luận văn luận văn
này.

Nguyễn Tuấn Khanh


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay các ứng dụng của hệ thống GNSS (Global Navigation Satellite
System) đã và đang xâm nhập vào đời sống xã hội ngày càng đa dạng và phong phú
trong cả lĩnh vực dân sự và quân sự . 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 anten rời để thu
tín hiệu GPS sau đó truyền qua đường dây dẫn về thiết bị thu riêng. Các anten này
có 2 dạng là: “Passive” và “Active” . Tùy theo ứng dụng mà mỗi loại có ưu điểm
riêng. Chẳng hạn khi chúng ta cần thu tính hiệu GPS trong mơi trường khắc nghiệt
như nhiệt độ cao, hay khí hậu lạnh, gió mạnh, hoặc ẩm ướt, đối tượng thu tín hiệu
GPS di chuyển nhanh … thì giải pháp sử dụng anten vi dải tích cực thu GPS là phù
hợp. Lúc này chúng ta chỉ cần gắn anten này lên nơi muốn thu tín hiệu GPS như
nóc nhà, trên tàu, xe hơi… sau đó truyền tín hiệu GPS về máy thu thơng qua RF
cable. Anten này có ưu điểm là nhỏ gọn, dễ lắp đặt, chịu được điều kiện khí hậu
khắc nghiệt, va đập nhẹ, thu tín hiệu GPS tốt, độ khuếch đại cao, nhiễu thấp,
khoảng cách truyền thông qua RF cable khá xa.
Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu chế tạo anten vi dải tích cực cho máy
thu GPS. Hệ thống này gồm 2 phần riêng biệt là anten vi dải thu tín hiệu GPS và
mạch LNA tại tần số 1575.42 Mhz . Các kết quả đo đạc mạch anten vi dải có
S11= -14.661 dB, độ lợi đạt 4.302dB và độ định hướng đạt 6.01 dB ; cịn các

thơng số của mạch LNA là độ lợi :14.47 dB, hệ số nhiễu 2.518 dB


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, và các
kết quả được nêu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 06 năm 2015
TÁC GIẢ

Nguyễn Tuấn Khanh


i

MỤC LỤC
TĨM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................... iv
Chương 1 ........................................................................................................... 1
TỔNG QUAN .................................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu ................................................................................................... 1
1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan .......................................................... 3
1.3 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 4
Chương 2 ........................................................................................................... 5
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................ 5
2.1 Lý thuyết đường dây truyền sóng ( transmission line) [3]........................... 5
2.1.1 Định nghĩa ....................................................................................... 5
2.1.2 Phương trình truyền sóng................................................................. 6
2.1.3 Hiện tượng sóng đứng trên đường dây ............................................. 7

2.1.4 Một số trường hợp đặc biệt .............................................................. 8
2.2 Đường truyền vi dải (Microstrip line) [3][4] .............................................. 9
2.2.1 Định nghĩa ....................................................................................... 9
2.2.2 Suy hao trên đường truyền vi dải [5][6] ......................................... 10
2.3 Lý thuyết Patch antenna [7] ..................................................................... 12
2.3.1

Giới thiệu .................................................................................... 12

2.3.2 Các mơ hình anten vi dải ............................................................... 12
2.3.3 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA) ...................................... 15
2.3.4 Kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải .............................................. 15
2.3.4.1 Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải .................................. 16
2.3.4.2 Cấp nguồn bằng probe đồng trục ........................................ 16
2.3.4.3 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled
17
2.3.4.4 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled
18
2.3.5 Các thông số quan trọng khi thiết kế anten vi dải .......................... 19


ii

2.3.5.1 Trở kháng vào .................................................................... 19
2.3.5.2 Băng thông ......................................................................... 20
2.3.5.3 Hệ số định hướng ............................................................... 21
2.3.5.4 Độ lợi ................................................................................. 21
2.3.5.5 Suy hao phản xạ, tỉ số điện thế sóng đứng.......................... 22
2.3.5.6 Đồ thị phương hướng: ........................................................ 22
2.3.5.7 Hiệu suất anten ................................................................... 23

2.3.5 Cách mở rộng băng thông .............................................................. 23
2.4 Lý thuyết LNA......................................................................................... 26
2.4.1 Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA ................................... 26
2.4.2 Vị trí của bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA ..................................... 26
2.4.3 Độ ổn định ..................................................................................... 26
2.4.4 Các giải pháp nâng cao độ ổn định của mạch ................................. 30
2.4.5 Độ lợi ............................................................................................ 32
2.4.6 Hệ số nhiễu .................................................................................... 33
2.4.7 Độ tuyến tính ................................................................................. 35
2.4.8 Dải động ........................................................................................ 37
2.4.9 Độ nhạy máy thu ........................................................................... 37
Chương 3 ......................................................................................................... 39
THIẾT KẾ, THI CÔNG PATCH ANTEN THU GPS .................................. 39
VÀ MẠCH LNA TẠI TẦN SỐ 1575.42 Mhz ................................................ 39
3.1 Thiết kế và thi công patch anten thu GPS ................................................. 39
3.1.1 Lưu đồ thiết kế .............................................................................. 39
3.1.2 Yêu cầu thiết kế ............................................................................. 40
3.1.3 Tính tốn các thơng số kích thước của anten [8] ............................ 40
3.1.4 Mô phỏng anten ............................................................................. 46
3.1.5 Thi công và đo đạt anten ................................................................ 50
3.2 Thiết kế và thi công mạch LNA ở tần số 1575.42 Mhz ............................ 51
3.2.1 Lưu đồ thiết kế .............................................................................. 51
3.2.2 Yêu cầu thiêt kế ............................................................................. 52


iii

3.2.3 Các bước thiết kế mạch LNA......................................................... 52
3.2.3.1 Lựa chọn transistor ............................................................. 52
3.2.3.2 Phân tích đặc tính của transistor ........................................ 52

3.2.3.3 Phân tích tính ổn định và tăng độ ổn định cho mạch ........... 54
3.2.3.5 Mạch cách ly ...................................................................... 59
3.2.3.6 Phương án thiết kế mạch LNA ........................................... 65
3.2.3.7 Xác định hệ số phản xạ nguồn và tải................................... 66
3.2.3.8 Mạch phối hợp trở kháng.................................................... 68
3.2.3.9 Mô phỏng mạch và thiết kế mạch ....................................... 69
3.3 Thi công mạch ......................................................................................... 80
3.4 Đo đạt và đánh giá kết quả ....................................................................... 81
Đo phân cực ........................................................................................... 81
Kiểm tra tính ổn định .............................................................................. 82
Đo độ lợi ................................................................................................ 82
Đo thông số S ......................................................................................... 83
Đo điểm nén độ lợi P1dB ....................................................................... 87
Đo IP3 (3rd order intercept point)........................................................... 88
Đo hệ số nhiễu........................................................................................ 89
CHƯƠNG 4 ..................................................................................................... 91
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 91
4.1 Kết luận ................................................................................................... 91
4.2 Hướng phát triển của đề tài ...................................................................... 91
PHẦN CÔNG THỨC MATLAP .................................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 94


iv

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mơ tả cấu trúc của hệ thống định vị tồn cầu......................................................... 1
Hình 1.2: Minh họa một vài ứng dụng của GPS. ..................................................................... 2
Hình 1.3 Sơ đồ anten vi dải tích cực cho máy thu GPS ........................................................ 4
Hình 2.1 Định nghĩa dịng điện và điện thế trong đường dây truyền sóng (a). Mạch

điện tập trung tương đương (b). ............................................................................................ 5
Hình 2.2 Đường dây truyền sóng với tải ZL. ............................................................................. 7
Hình 2.3 Microstrip line. Hình dạng vật lý (a), điện và từ trường (b). ............................ 9
Hình 2.4 Cấu trúc cơ bản của 1 path antenna ..........................................................................12
Hình 2.5 Các dạng anten vi dải thơng dụng. ...........................................................................13
Hình 2.6 Patch anten vi dải hình chữ nhật ................................................................................13
Hình 2.7 Wire diople antenna ......................................................................................................14
Hình 2.8 Sprinted slot antenna with Slot- Microtrip feed ..................................................14
Hình 2.9 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải. ....................................................................16
Hình 2.10 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục ...............................................................................17
Hình 2.11 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled ......................17
Hình 2.12 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled....................18
Hình 2.13 Mạch tương đương cho hệ thống anten. [7] .......................................................19
Hình 2.14 Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và trong khơng gian 3 chiều.........23
Hình 2.15 Vị trí của mạch LNA trong hệ thống cao tần ......................................................26
Hình 2.16 Trường hợp ổn định khơng điều kiện ....................................................................27
Hình 2.17 Vùng ổn định ngõ ra ứng với trường hợp vòng tròn |ГL-CL|=RL khơng có
chứa tâm đồ thị Smith..............................................................................................................28
Hình 2.19 Vùng ổn định ngõ ra ứng với trường hợp vịng trịn |ГS-CS|=RS khơng có
chứa tâm đồ thị Smith..............................................................................................................29
Hình 2.20 Vùng ổn định ngõ ra ứng với trường hợp vịng trịn |ГS-CS|=RS có chứa
tâm đồ thị Smith. .......................................................................................................................30
Hình 2.21 Cách xác định điện trở mắc vào ngõ vào..............................................................31
Hình 2.22 Vịng trịn ổn định ngõ vào chứa ln tâm đồ thị Smith .................................32
Hình 2.23 Mạng 2 cửa tổng quát với trở kháng nguồn và tải.............................................32


v

Hình 2.24: Mơ hình mạch khuếch đại nhiễu siêu cao tần.....................................................34

Hình 2.25 Mạch khuếch đại 2 tầng..............................................................................................35
Hình 2.26 đồ thị minh họa IP1dB ...................................................................................................36
Hình 2.27 đồ thị minh họa IIP 3 dB ...............................................................................................36
Hình 3.1 Lưu đồ thiết kế anten .....................................................................................................39
Hình 3.2 Mơ hình tương đương của miếng Patch hình chữ nhật .....................................42
và mạch tương đương trong mơ hình đường truyền ..............................................................42
Hình 3.3 – Hình dạng của miếng patch đã được thiết kế.....................................................45
Hình 3.4 - Hình dạng anten được thiết kế trên phần mềm HFSS ....................................46
Hình 3.5 - Độ định hướng (Directivity) của anten thiết kế .................................................46
Hình 3.6 - Độ lợi (Gain) của anten thiết kế ..............................................................................47
Hình 3.7 - Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern) tại tần số cộng hưởng f=1575.42 Mhz
..........................................................................................................................................................48

với phi=00 và phi =900......................................................................................................................48
Hình 3.8 Hệ số phản xạ S11 tại tần số 1575.42 đạt -22.62 dB ..........................................48
Hình 3.9 - Tỷ số sóng đứng VSWR ............................................................................................49
Hình 3.10 – Mạch anten thực tế ...................................................................................................50
Hình 3.11 Thơng số S11 đo trên máy máy phân tích phổ Rohde&Schwarz ZVB8 ....50
Hình 3.12 Lưu đồ thiết kế mạch LNA........................................................................................51
Hình 3.13 Noise Figure và độ lợi của transistor AT- 41511 tại VCE=5V ......................53
Hình 3.14 P1B của transistor AT - 41511 tại VCE = 5V sau khi đã optimize tunning 54
Hình 3.15 Kết quả mơ phỏng hệ số  của transistor.............................................................55
Hình 3.16 Kết quả mơ phỏng hệ số  Prime của transistor ....................................................55
Hình 3.17 Xác định điện trở ngõ vào. (a) điện trở song song, (b) điện trở nối tiếp ...56
Hình 3.18 Xác định điện trở ngõ ra. (a) điện trở song song, (b) điện trở nối tiếp ....56
Hình 3.19 Mạch ổn định..................................................................................................................58
Hình 3.20 Các vịng tròn ổn định sau khi lắp thêm điện trở ổn định...............................58
Hinh 3.21. Hệ số  sau khi lắp thêm điện trở ổn định ........................................................59
Hình 3.22 Hệ số  prime sau khi lắp thêm điện trở ổn định............................................59
Hình 3.23- a. Sơ đồ nguyên lý RFC radial stub; b. Sơ đồ layout RFC radial stub .....61

vi

c. EM Model RFC radial stub d. Kết quả mô phỏng S11,S12 dạng Radial Stub........61
Hình 3.24- a. Sơ đồ nguyên lý RFC radial butterfly; b. Sơ đồ layout RFC radial
butterfly; c. EM Model của RFC radial butterfly; d. Kết quả mơ phỏng S33,S34 63
Hình 3.25. a EM Model 2 mạch RFC dùng Butterfly và Radial Stub; b So sánh 2
thông số S11 và S33 của 2 mạch RFC dùng Radial Stub và Butterfly ......................64
Hình 3.26 Sơ đồ mạch LNA nối tiếp 2 tầng.............................................................................65
Hình 3.27. Mạch phối hợp trở kháng ngõ vào dạng 2L section ........................................68
Hình 3.28. Mạch phối hợp trở kháng ngõ ra dạng 3L section ...........................................69
Hình 3.29. Mạch phối hợp trở kháng ngõ dạng lý tưởng dạng độ điện ..........................69
Hình 3.31. Mạch LNA dạng schematic .....................................................................................71
Hình 3.32. Kết quả mô phỏng S11 và S21 của mạch LNA dạng schematic sau khi đã
tuning và Optimize....................................................................................................................72
Hình 3.33. Kết quả mơ phỏng S12 và S22 của mạch LNA sau khi đã tuning và
Optimize .......................................................................................................................................72
Hình 3.34. Kết quả mơ phỏng nhiễu ngõ ra của mạch LNA sau khi đã........................73
Tuning và Optimize ..........................................................................................................................73
Hình 3.35 . Kết quả mô phỏng hệ số  và  prime của mạch LNA .............................73
sau khi đã Tuning và Optimize .....................................................................................................73
Hình 3.36 Định nghĩa substrate ....................................................................................................74
Hình 3.37 Các thơng số kỹ thuật của Subtrate ........................................................................74
Hình 3.38 . Thiết lập port................................................................................................................75
Hình 3.39 . Thiết lập tần số. ...........................................................................................................75
Hình 3.40. Thiết lập option ...........................................................................................................76
Hình 3.41 Thiết lập kết quả mơ phỏng .....................................................................................77
Hình 3.42. Mạch LNA sau khi đã EM .......................................................................................78
Hình 3.43. Kết quả mô phỏng mạch LNA sau khi đã mô phỏng EM .............................79

Hình 3.44. Mạch LNA dạng Layout ...........................................................................................80
Hình 3.46 Dịng Ic = 20 mA ..........................................................................................................81
Hình 3.47 Kết quả độ lợi. Sơ đồ kết nối để đo gain của mạch (a), ..................................83
Kết quả gain đo thực tế (b), kết quả gain mô phỏng (c) .....................................................83


vii

Hình 3.48 Kết quả đo thơng số S bằng máy VNA với Pin=-30dBm...............................84
Hình 3.49 Kết quả đo thơng số S bằng máy VNA với Pin=-20dBm...............................84
Hình 3.50 So sánh bộ thơng số S giữa mô phỏng ( màu đỏ ).............................................86
và kết quả đo thực tế (màu xanh) .................................................................................................86
Hình 3.52 Kết quả Pout và PIMD tương ứng với Pin= -10 dBm. ..........................................89
Hình 3.53 Sơ đồ đohệ số nhiễu sử dụng máy Spectrum analyzer ....................................89


viii

MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT
ADS

Advanced Design System (Phần mềm mô phỏng của hãng

Agilent)
EM

Electromagnetic (Điện từ trường)

HFSS

Hight Frequency Structure Simulator

FM

Frequency Modulation (Điều chế tần số)

ID

Intermodulation Distortion (Méo xuyên biến điệu)

IM

Intermodulation (Xuyên biến điệu)

IE3D

Integrated Electromagnetic 3-Dimensional (Phần mềm
mô phỏng trường điện từ)

GPS

Global positioning system

IF

Intermediate Frequency (Trung tần)

IP3

Third-order intercept point

LNA

Low Noise Amplifier (Khuếch đại nhiễu thấp)

MIC

Microwave Integrated Circuits (Mạch tích hợp siêu cao tần)

MMIC

Monolithic Microwave Integrated Circuits (MIC đơn khối)

RMS

Root mean square (Trung bình bình phương)

TOI

Third Order Intermodulation (Xuyên biến điệu bậc 3)

VNA

Vector Network Analyzer (Máy phân tích mạng vector)

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio (Tỉ số sóng đứng điện áp)

1

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 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 Phịng 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 cịn cả trong lĩnh vực dân sự.

Hình 1.1 Mơ 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.


2

(a)

(b)

(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


3

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, địi 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.
1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan
Một số cơng 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 dùng cơng nghệ CMOS 0.18µm. 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 địi hỏi phải có dây chuyền cơng 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 mơ
đun là hợp lý nhất. Vì thế tơi 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


4

thương mại nổi bật như sản phẩm AP.10H của hãng Taoglas có các thơng 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 tơi 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
1.3 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 f=1575.42 Mhz

-

Sau đó thi cơng trên board FR4 , IOSLA 345ĐK.

-

Kiểm chứng các thông số của board trên các thiết bị đo tại phịng 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


5

Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 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 mơ 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 dịng điện và điện thế trong đường dây truyền sóng (a). Mạch điện
tập trung tương đương (b).

6

2.1.2 Phương trình truyền sóng
Phương trình truyền sóng trong mạch có thể viết dưới dạng

V(z) V0e z V0e z

(2.1)

I (z)  I0e z  I0e z

(2.2)

    j   ( R  j L)(G  jC )

Trở kháng đặc tính:

Z0 

R  j L


(2.3)
(2.4)

Bước sóng trên đường truyền:   2


Vận tốc: v p 


 . f


(2.5)
(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
(

0,

   LC ) thì

Trở kháng đặc tính:

Zo  L

C

(2.7)

Bước sóng trên đường truyền:
 

2

2


 LC

(2.8)





(2.9)

Vận tốc:
vp 

1
LC


7

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.
V ( z )  V0 e j z  V0e j z

(2.10)

I (z) 

V0  j  z V0 j  z
e

e
Z0
Z0

(2.11)

Do đó
V 0

V0  V0
ZL 

Z0
Z  0  V0  V0

(2.12)

Hệ số phản xạ được định nghĩa
V0 Z L  Z0
  
V0 ZL  Z0

(2.13)

Hệ số sóng đứng

VSW R 

1 
1 

(2.14)

Trở kháng nhìn vào tải là
Zin  Z0

Z L  jZ0tg  l
Z0  jZLtg  l

(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


8

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.
 Khi ZL = ∞ (hở mạch):

Z ( x)   jZ0 cot l
(2.15)

Nếu

l   /2:

Z ( x )   jZ 0 cot  l   jZ 0 cot

Nếu

2 
  jZ 0 cot   
 2

(hở mạch)

l   /4:

Z ( x )   jZ 0 cot  l   jZ 0 cot

2 

  jZ 0 cot  0
 4
2

(ngắn mạch)

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.
 Khi ZL = 0 (ngắn mạch):
Z (x)  jZ0 tgl

(2.16)
Nếu

l   /2:

Z ( x )   jZ 0 tg  l  jZ 0 tg

Nếu

2 
 jZ 0 tg   0
 2

(ngắn mạch)

l   /4:

Z ( x )  jZ 0 tg  l  jZ 0 tg

2 

 jZ 0 t g  
 4
2

(hở mạch)

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


9

pháp ở chương sau.
2.2 Đường truyền vi dải (Microstrip line) [3],[4]
2.2.1 Định nghĩa
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 mơi 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 khơng khí (ε = 1) và lớp
điện mơi (εr >1) của substrate, do đó người ta định nghĩa hằng số điện môi hiệu dụng
của microstrip line là εe , với
1 < εe < εr
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:
Vận tốc: vp 

c

e

(2.17)

Hằng số điện mơi hiệu dụng:
e 

 r 1  r 1
1

2
2
1  12 d / W

(2.18)


10

Với vp 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 mơi của một mơi trường đồng nhất
tương đương trong đó bao gồm khơng khí và vùng điện mơi của substrate. Cho trước
kích thước của microstrip line, trở kháng đặc tính của đường dây có thể được tính như
sau:


Z0  


60  8 d W 
ln   
e  W 4d 

với

120
 e W / d 1.393 0.667 ln W / d 1.444  

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 cơng thức tính hằng số
điện mơi hiệu dụng sẽ là
e 

r 1  r 1
1
 1
t

 r
2
2
4.6 h W / d
1  12d / W

(2.20)

Cơng thức tính trở kháng đặc tính cũng tương tự, tuy nhiên độ rộng W sẽ được thay
thế bởi độ rộng hiệu dụng We , với We=W+∆W
1.25 t 
4W 
  h 1  ln t 



W  
1.25 t 1  ln 2h 
  h 
t 

,

W 1

h 2

(2.21)

W 1
,

h 2

2.2.2 Suy hao trên đường truyền vi dải [5][6]
Theo [5] và [6] suy hao trên đường dây được tính bằng cơng thức

  c d r l
Trong đó:

 c : suy hao do lớp dẫn điện.
 d : suy hao do lớp điện môi.

(2.22)