Nghiên cứu thiết kế chế tạo anten dải rộng cho hệ thống GNSS

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


LỜI NÓI ĐẦU
rong thời đại khoa học, kĩ thuật và công nghệ phát triển như vũ bão, hàng
loạt các công nghệ mới đang được nghiên cứu và triển khai, đem lại
những giá trị vô cùng to lớn. 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 đích khác. Cùng
với GPS của Mỹ thì Galileo đang được liên minh châu Âu triển khai và dự kiến
vài năm tới sẽ chính thức cung cấp dịch vụ còn Glonass và Compass cũng đang
cũng đang được Nga và Trung Quốc gấp rút triển khai. Do có nhiều đặc điểm kỹ
thuật giống với GPS, Galileo ; Glonass và Compass ra đời sẽ cho phép kết hợp
cùng GPS để nâng cao chất lượng dịch vụ. Tuy nhiên một yêu cầu đặt ra là làm
sao để tích hợp cả các công nghệ này vào trong một máy thu, một 0chiếc máy thu

ưu việt hơn nhiều so với các máy thu GPS thông thường. Động lực này thúc đẩy
việc phát triển một máy thu mới có khả năng thu cùng lúc các tín hiệu GNSS ở
các tần số khác nhau. Bài toán đặt ra là phải chế tạo một anten có dải tần hoạt
động rộng để thu được tất cả các tín hiệu GNSS và một máy thu GNSS phần
mềm.

T

Là một học viên chuyên ngành điện tử viễn thông, được học tập và tiếp cận
với các công nghệ mới, em thấy có nhiều hứng thú khi tìm hiểu về các hệ thống
định vị dẫn đường. Hướng nghiên cứu của em là phát triển một anten dải rộng có
thể thu được tồn bộ băng tần GNSS. Chính vì thế em đã tìm hiểu hệ thống thu
GNSS và phát triển anten thu dải rộng cho hệ thống này.
Trong luận văn, em xin tìm hiểu về đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo
anten dải rộng cho hệ thống GNSS”. Em hy vọng nội dung luận văn sẽ có ích
cho những nghiên cứu sau này về anten dải rộng, đặc biệt cho những nghiên cứu
để tích hợp hai cơng nghệ định vị GPS và Galileo.
Luận văn tập trung nghiên cứu các loại anten có thể ứng dụng được GNSS,
đặc biệt là các anten dải rộng, đã tiến hành mô phỏng và thiết kế chế tạo anten
dải rộng ứng dụng trong GNSS. Các kết quả đo kiểm của anten mới cho kết quả
tốt. Đặc biệt anten mới đã hoạt động tốt khi kết nối với hệ thống thu GNSS.
Trong quá trình làm đồ án, em đã nhận được sự giúp đỡ rất lớn từ các thầy cô
giáo PGS.TS. Nguyễn Hữu Trung và PGS.TS. Nguyễn Thúy Anh. Em xin được
gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô!
Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2013

1


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 1
Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GNSS ...................................... 8

1.1
1.1.1
1.1.1
1.2
1.3

Phân hệ không gian................................................................................. 9
Chùm sao vệ tinh ..................................................................................... 9
Vệ tinh GPS ........................................................................................... 10
Phân hệ điều khiển ................................................................................ 10
Phân hệ sử dụng .................................................................................... 11

Chương 2

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 và dữ liệu định vị ................................................... 12
Lược đồ tín hiệu GPS ............................................................................ 13
Dịch tần Doppler................................................................................... 16

Kiến trúc chung của bộ thu GNSS ........................................................ 17
Sơ đồ máy thu GNSS ............................................................................. 17

Chương 3

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 cơ bản của anten vi dải ................................................ 22
Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA)............................................. 23
Nguyên lý bức xạ của anten vi dải ........................................................ 24
Trường bức xạ của anten vi dải ............................................................ 27
Thế vectơ và một số công thức tính trường bức xạ ............................... 27
Cơng suất bức xạ ................................................................................... 29
Cơng 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 và chiều rộng hiệu dụng ...... 34
Bài toán thiết kế .................................................................................... 35
Điện dẫn ................................................................................................ 36
Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng ................................................... 38
Mơ hình hốc cộng hưởng ...................................................................... 41
Các mode trường – TM x ........................................................................ 43
Phân tích mơ hình anten vi dải trên trục tọa độ ................................... 44
2


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 4
NGHIỆM

Trường bức xạ - Mode TMx 010 .............................................................. 46
Độ định hướng ...................................................................................... 49
Băng thông của MSA............................................................................. 51
ANTEN ĐỘC LẬP TẦN SỐ .................................................................. 53
Giới thiệu............................................................................................... 53
Anten xoắn ............................................................................................. 57
Những đặc điểm chính .......................................................................... 59
Các dạng khác nhau của anten xoắn .................................................... 60
Anten 2 xoắn 2 nhánh............................................................................ 61
Những hiệu ứng tải của vật liệu cách điện ........................................... 68
Khả năng thay đổi được trường khu xa ................................................ 69
Trở kháng của các 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 bằng đường truyền vi dải ................................................... 75
Cấp nguồn bằng 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 bằng các công thức phổ thông ...................................... 77
Thiết kế anten bằng 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 5

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

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Chùm sao 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 của GPS và GLONASS ..................................................... 12
Hình 2.2 Độ rộng tần số của tín hiệu GNSS ................................................................. 13
Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu GPS. ..................................................................... 14
Hình 2.4 Cấu trúc tín hiệu L1........................................................................................ 15
Hình 2.5 Điều chế BPSK trong tín hiệu GPS. .............................................................. 15
Hình 2.6 Sơ đồ kiến trúc bộ thu GNSS ......................................................................... 17
Hình 2.7 Sai số pha như một hàm của các hệ số suy giảm ζ khác nhau. ...................... 20
Hình 3.1 Anten vi dải .................................................................................................... 22
Hình 3.2 Các dạng anten vi dải thơng dụng. ................................................................. 22
Hình 3.3 Phân bố điện tích và dịng điện trong anten vi dải hình chữ nhật. ................. 25
Hình 3.4 Hằng số điện mơi hiệu dụng .......................................................................... 33
Hình 3.5 Chiều dài vật lý và chiều dài hiệu dụng miếng patch .................................... 35
Hình 3.6 Patch chữ nhật và mạch tương đương trong 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 và dịng điện ...................................................................... 42
Hình 3.9 Các tham số kích cỡ của tấm patch ................................................................ 44
Hình 3.10 Các mode trường bức xạ anten vi dải .......................................................... 46
Hình 3.11 Ví dụ về cấu trúc tự bù của anten phẳng độc lập tần số: (a) 2 nhánh
xoắn, (b) 4 nhánh sin và (c) 4 nhánh loga chu kỳ. ........................................................ 54
Hình 3.12 Hình dạng của 2 trong tổng số 6 nhánh của anten loga chu kỳ (còn

được gọi là anten răng 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 4 nhánh liên hợp (a) và sự biến đổi hàm log của nó (b) ..... 57
Hình 3.15 Lý thuyết band đối với chế độ hoạt động số 1 và pha của dòng điện .......... 59

4


Hình 3.16 Mơ tả miền phát xạ của anten xoắn 4 nhánh hoạt động ở chế độ 1 (a)
và chế độ 2 (b) ............................................................................................................... 60
Hình 3.17 Anten xoắn ốc 4 nhánh (a) và anten xoắn ốc góc đều (b). ........................... 60
Hình 3.18 Hai anten liên hợp đường kính 5cm. Anten xoắn ốc được nối tải với bộ
giảm tải và 1 trở kháng 100�. Nhánh rộng W~0.58mm (anten quân sự) ..................... 62
Hình 3.19 Đồ thị tỉ lệ phát xạ theo hướng và trở kháng vào (a) và pattern với 36
góc cắt khác nhau ở tần số 2GHz và 8GHz (b) của anten xoắn 2 nhánh phức hợp.
Kết quả này được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm FEKO .............................. 63
Hình 3.20 Một số anten xoắn 2 nhánh: Anten xoắn ốc phức hợp (a), anten xoắn
ốc không phức hợp (b), và antgen góc đều phức hợp (c) .............................................. 64
Hình 3.21 Các anten xoắn góc đều với hệ số mũ là 1,5: 2 nhánh (a), 4 nhánh (b)
và 6 nhánh (c) ................................................................................................................ 64
Hình 3.22 Sự khác biệt về tính tương hỗ phân cực giữa anten 2 nhánh, 4 nhánh
và 6 nhánh. .................................................................................................................... 64
Hình 3.23 Ảnh hưởng cẩu việc cấp nguồn khơng tốt lên đồ thị bức xạ ở chế độ 2
của anten xoắn 4 chấn tử. .............................................................................................. 65
Hình 3.24 Pattern của chế độ hoạt động mode 1 và các mode cao hơn 3 và 5 ảnh
hưởng lên mode 1 .......................................................................................................... 66
Hình 3.25 Pattern của từ mode 1 tới mode 7 của anten xoắn 8 nhánh ......................... 66
Hình 3.26 Mối quan hệ giữa mode 3 và mode 1 của anten xoắn góc đều 2 nhánh
đường kính 6cm với các hệ số mũ khác nhau. .............................................................. 67
Hình 3.27 Độ méo của pattern ở 30� ........................................................................... 68

34T

Hình 3.28 Độ giảm tăng ích và suy hao của vịng trịn chu vi λ đối với một anten
góc đều (a). Mặt cắt phẳng đối với pattern của anten nón với hốc nón xoắn 5cm
với �� = 0.65. (b) ......................................................................................................... 69
Hình 3.29 Cơng suất trong mỗi chế độ đối với mỗi nhánh của anten xoắn 8 nhánh
đường kính 25cm........................................................................................................... 70

Hình 3.30 (a) Bộ biến đổi trở kháng đối với anten xoắn 8 nhánh và (b) khu vực
phối hợp trở kháng cho anten xoắn 4 nhánh. ................................................................ 72
Hình 3.31 Trở kháng vào lý thuyết và tỉ số độ rộng A/G tương ứng cho các chế
độ 1, 2, 3 của anten xoắn 8 nhánh bới bề dày 0.01” và hằng số điện môi là 2.1 .......... 72

5


Hình 3.32 (a) Bộ phối hợp trở kháng song song vi dải, (b) Bộ biến PHTK dùng
cáp đồng trục Dyson, (c) bộ PHTK cáp đồng trục đứng, và (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 bằng HFSS .................................................................... 81
Hình 4.3 Pattern của anten patch với tần số trung tâm 1.57542GHz ............................ 82
Hình 4.4 Hệ số phản xạ của anten patch trong dải tần từ 1.5GHz tới 1.7GHz ............. 82
Hình 4.5 Dạng chung của 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 2 nhánh ....................................................................................... 85

Hình 4.8 Pattern 3D của anten xoắn 2 nhánh đối với sóng phân cực trịn tay phải ...... 85
Hình 4.9 Patten 2D của anten xoắn 2 nhánh đối với sóng phân cực trịn tay phải
tại tần số 1.57542GHz ................................................................................................... 85
Hình 4.10 Pattern của anten xoắn đối với tần số 1.2GHz ............................................. 86
Hình 4.11 Pattern của anten xoắn đối với tần số 1.5GHz ............................................. 86
Hình 4.12 Pattern của anten xoắn đối với tần số 1.7GHz ............................................. 87
Hình 5.1 Đo đạc tham số sử dụng máy Anritsu MT8222A .......................................... 88
Hình 5.2 Đo pattern của anten sử dụng phòng đo EMC ............................................... 88
Hình 5.3 Hệ số sóng đứng VSWR ................................................................................ 89
Hình 5.4 Trở kháng anten ............................................................................................. 90
Hình 5.5 Pattern khi đo thực tế với phòng EMC. ......................................................... 90

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Hiện trạng các mạng GNSS và tần số hoạt động trên thế giới ...................... 17
Bảng 3.1 Hướng búp sóng và góc ngẩng búp sóng đỉnh cho các mode của anten 8
nhánh ............................................................................................................................. 67
Bảng 3.2 Trở kháng vào của anten xoắn phức hợp trong không gian tự do. ................ 71
Bảng 3.3 Tần số giới hạn của mode1 khi sử dụng bó cáp đồng trục để cấp nguồn
(cho những cable thương mại) ...................................................................................... 74
Bảng 4.1 Các thông số anten thiết kế ............................................................................ 78
Bảng 4.2 Cách thông số tính tốn patch anten vi dải 2.4 GHz ..................................... 80

ε r 4.6,
=
h 1.6mm .......................... 81
Bảng 4.3 Các thông số đường microstrip line với=

7


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GNSS

GNSS (Global Navigation Satellite System) được cấu thành như một chịm
sao (một nhóm hay một hệ thống) của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt
đất sử dụng để cung cấp vị trí của thiết bị thu với vùng phủ tồn cầu. Trong cùng
một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ
tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó. GNSS hoạt động trong mọi
điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày. Mỹ là nước đầu tiên
phóng lên và đưa vào sử dụng hệ vệ tinh dẫn đường này. Mỹ đặt tên cho hệ thống
này là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System), ban
đầu là để dùng riêng cho quân sự, về sau mở rộng ra sử dụng cho dân sự trên
phạm vi toàn cầu, bất kể quốc tịch và miễn phí.
GNSS là tên gọi chung cho 4 hệ thống định vị dẫn dường sử dụng vệ tinh là
GPS, GLONASS, Compass và Galileo tuy nhiên tính tới thời điểm tháng 4 năm
2013 thì chỉ có 2 hệ thống là GPS và GLONASS là đang hoạt động và cung cấp
dịch vụ, còn hệ thống Compass và Galileo thì vẫn trong giai đoạn phát triển và
hứa hẹn có thể sớm cung cấp dịch vụ vào năm 2020. Ngồi ra cịn có các hệ
thống định vị khu vực như Beidou 1, DORIS, IRNSS, và QZSS nhưng chúng còn
đang trong giai đoạn phát triển và chúng không được coi là những hệ thống
GNSS.
Các hệ thống GNSS có đặc điểm khá giống nhau, vì thế ở đây ta sẽ phân
tích 1 hệ thống GNSS cụ thể đó là GPS của Mỹ để thấy được những đặc điểm kỹ
thuật cơ bản.
GPS là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Mỹ, cung cấp các dịch vụ
định vị, dẫn đường, và các dịch vụ thời gian cho người sử dụng trên toàn thế giới

một cách liên tục, bất kể thời tiết, ngày đêm, dù họ ở bất kì nơi nào trên trái đất.
Kiến trúc của hệ thống GPS được thông qua vào năm 1973. Năm 1978, vệ
tinh đầu tiên trong hệ thống GPS đã được phóng thành cơng và tín hiệu GPS đã
được thu thử nghiệm với các máy thu đầu tiên. Mục đích ban đầu của dự án xây
dựng hệ thống GPS là để phục vụ các mục đích quân sự của Mỹ, nên Bộ Quốc
phòng Mỹ trực tiếp kiểm soát dự án. Dưới sức ép của vụ bắn nhầm máy bay dân
sự của Hàn Quốc trong vùng trời cấm bay của Nga (1978), kế hoạch phát triển hệ
thống GPS phục vụ các ứng dụng dân sự đã được chú trọng hơn. Đến năm 1995,
Bộ Quốc phòng Mỹ tuyên bố hệ thống GPS đã hồn chỉnh và chính thức đi vào
hoạt động.
Hệ thống GPS được chia ra thành ba phân hệ chính: phân hệ khơng gian,
phân hệ điều khiển, và phân hệ sử dụng. Bộ Quốc phòng Mỹ đảm nhiệm việc sản
xuất và phóng các vệ tinh, cũng như việc quản lý các trạm điều khiển vệ tinh ở
8


mặt đất. Phần người sử dụng bao gồm nhiều thành phần, có nhiệm vụ quản lý và
phát triển các ứng dụng GPS, bao gồm cả việc xây dựng các thiết bị sử dụng hệ
thống như anten và máy thu.
Đối với máy thu, hệ thống GPS cung cấp hai loại dịch vụ cơ bản, đó là: dịch
vụ định vị tiêu chuẩn (SPS) và dịch vụ định vị chính xác (PPS). Chính phủ Mỹ,
quân đồng minh và những người sử dụng đặc biệt được cấp phép sử dụng PPS.
Họ sử dụng các thiết bị bảo mật và các máy thu được trang bị đặc biệt. Độ chính
xác của PPS được dự kiến là 22 m theo chiều ngang, 27.7 m theo chiều dọc và
thời gian là 200 ns (UTC). Trong khi đó, những người sử dụng bình dân trên
khắp thế giới được sử dụng SPS miễn phí hoặc bị hạn chế sử dụng. Hầu hết các
máy thu đều có khả năng thu và sử dụng tín hiệu SPS. Độ chính xác của SPS bị
cố ý làm giảm bằng việc dùng Selective Availability bởi DOD. Độ chính xác của
SPS được dự kiến là 100 m theo chiều ngang, 156 m theo chiều dọc và thời gian
là 340 ns.

1.1

Phân hệ không gian

Phân hệ không gian sử dụng thời gian nguyên tử và phát ra tín hiệu cao tần
chứa mã giả ngẫu nhiên, và phát lại bản tin định vị từ các tín hiệu thu được (từ
phân hệ điều khiển).
Phân hệ không gian bao gồm các thành phần sau:

1.1.1 Chùm sao vệ tinh
Chùm sao vệ tinh GPS gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ,
được phân bố trên 6 quỹ đạo gần trịn, kí hiệu từ A đến F, với đường kính khoảng
20.138km và nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo. Mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh
chính được kí hiệu từ 1 đến 4 và được phân bố đều. Chu kỳ của các vệ tinh là 12
giờ. Cấu trúc quỹ đạo vệ tinh này cho phép người sử dụng hệ thống GPS trên mặt
đất có thể “nhìn thấy” tối thiểu là 4 vệ tinh và trung bình từ 6 đến 8 vệ tinh nếu
không bị cản trở bởi các cấu trúc hạ tầng dưới mặt đất.

9


Hình 1.1 Chùm sao vệ tinh.

1.1.1 Vệ tinh GPS
Các vệ tinh có cấu trúc và cơ cấu giữ cho chúng ở trên quỹ đạo, liên lạc với
phân hệ điều khiển, và phát tín hiệu tới máy thu.

Hình 1.2 Vệ tinh NAVSTAR.
Các vệ tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: Chúng có thể được nhận

biết bởi vị trí của chúng trên quỹ đạo (mỗi vệ tinh có một vị trí (1, 2, 3, …) trên 6
quỹ đạo: A, B, C, D, E, F) hay bởi số chứng nhận NASA, hoặc có thể được xác
định bởi ID quốc tế, hoặc có thể bởi mã giả ngẫu nhiên PRN hay bởi số hiệu
SVN.
Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS có một đồng hồ với độ chính xác rất cao.
Các đồng hồ đó hoạt động ở một tần số cơ bản 10.23 MHz, chúng được dùng để
phát tín hiệu xung, các tín hiệu đó được phát quảng bá từ các vệ tinh.

1.2 Phân hệ điều khiển
Các trạm điều khiển mặt đất là đầu não của toàn bộ hệ thống, bao gồm một
trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station – MCS) đặt tại căn cứ không
quân Schriever, Colorado Spring ở bang Colorado - Mỹ; năm trạm thu số liệu
được đặt quanh trái đất dọc theo đường Xích đạo, cụ thể là ở Nam Đại Tây
Dương (Ascension), Ấn Độ Dương (Diego Garcia), Nam Thái Bình Dương
10


(Kwajalein), Hawaii và Colorado Spring; và ba trạm truyền số liệu đặt tại Nam
Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương, Nam Thái Bình Dương. [3]

Hình 1.3 Phân hệ điều khiển.
MCS làm nhiệm vụ theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản lý quỹ đạo vệ
tinh và duy trì thời gian GPS. Từ đó dự đốn các thơng số quỹ đạo và đưa ra giá
trị thời gian GPS đồng bộ giữa các vệ tinh, nhằm cập nhật dữ liệu định vị của các
vệ tinh.
Năm trạm thu số liệu có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm sốt
và dự đoán quỹ đạo của chúng. Mỗi trạm được trang bị những máy thu P-code để
thu các tín hiệu của vệ tinh, sau đó truyền về trạm điều khiển chính.
Ba trạm truyền số liệu có khả năng chuyển số liệu lên vệ tinh, gồm lịch
thiên văn mới, dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ, các bản tin, và các lệnh điều khiển từ

xa.

1.3 Phân hệ sử dụng
Phân hệ sử dụng bao gồm các bộ thu GPS và cộng đồng người sử dụng. Các
máy thu GPS sẽ chuyển đổi các tín hiệu vệ tinh thành các thơng số vị trí, vận tốc,
và thời gian. Ý tưởng cơ bản của GNSS là mỗi vệ tinh sẽ phát sóng vơ tuyến
cung cấp các thơng tin về vị trí và thời gian của chúng, Máy thu thu tất cả các tín
hiệu này, giải điều chế và tính tốn khoảng cách từ máy thu tới mỗi vệ tinh (đã
biết trước vị trí) bằng cơng thức � = �. � . Để tính tốn các thơng số vị trí (X, Y,
Z) và thời gian, chúng ta cần ít nhất bốn vệ tinh. Trên thực tế thì do có nhiều hệ
thống GNSS và mỗi hệ thống GNSS lại có nhiều vệ tinh. Việc thu được nhiều vệ
tinh cũng lúc sẽ tăng được độ chính xác về vị trí, thời gian cũng như độ tin cậy
của máy thu. GNSS ngày nay được sử dụng cho các dịch vụ định vị, dẫn đường,
đồng bộ về thời gian, tần số, và các nghiên cứu khác.
Với cấu trúc và đặc điểm của hệ thống GPS như trên, ta thấy rằng GPS có
rất nhiều ưu điểm và đem lại nhiều lợi ích khi hoạt động. Các ứng dụng sử dụng
11


dịch vụ GPS ngày càng được mở rộng và phát triển rộng rãi. Trong phần tiếp
theo, chúng ta sẽ nghiên cứu về cấu trúc, đặc điểm tín hiệu GPS.

Chương 2

TÍN HIỆU VÀ SƠ ĐỒ MÁY THU GNSS

Để nghiên cứu, và chế tạo thử nghiệm được anten thu GNSS thì cần phải
biết về các đặc tính của tín hiệu và dữ liệu được phát từ vệ tinh GNSS cũng như
nhận bởi anten máy thu GNSS. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu về các tín
hiệu vơ tuyến GNSS.

2.1 Các tần số tín hiệu và dữ liệu định vị
Tất cả các dữ liệu và thơng tin cần thiết cho q trình định vị đều chứa
trong tín hiệu vơ tuyến được truyền bởi các vệ tinh. Các tín hiệu này được ấn
định trong băng tần thông tin vệ tinh là băng L cụ thể hơn các tín hiệu định vị
này năm trong băng tần dịch vụ định vị vệ tinh.
Hệ thống GLONASS được ấn định ở băng tần lân cận với các băng L1 và
L2 của GPS và cũng được chia làm 2 sóng mang tương tự như GPS.

Hình 2.1 Ấn định kênh tần của GPS và GLONASS
Hệ thống GPS sử dụng băng L1 và L2 với hai tần số mang là
L1=1575.42MHz và L2=1227.60MHz trong đó tín hiệu trên băng L1 là tín hiệu
dành cho các dịch vụ mở (tất cả mọi người) và tín hiệu L2 với độ chính xác về vị
trí cao hơn dành cho các ứng dụng yêu cầu phải được cấp quyền sử dụng như là
quân sự hay trả phí. Các tần số sóng mang này chính là các bội của tần số cơ bản
là 10.23MHz. Đây cũng là tần số chuẩn của xung đồng hồ nguyên tử Radium
trên vệ tinh.
f L1 =1.57542GHz(=2×77× 10.23)
R

f L2 =1.22760GHz(=2×60× 10.23)
R

12


Hình 2.2 Độ rộng tần số của tín hiệu GNSS

• Dữ liệu định vị: bao gồm thông tin liên quan tới các quỹ đạo vệ tinh, có tốc
độ bit là 50 bps.

• Dãy trải phổ: mỗi vệ tinh có hai dãy hoặc mã trải phổ. Đó là mã C/A
(coarse acquisition) và một loại mã chính xác được mã hóa là mã P (Y).

2.2 Lược đồ tín hiệu GPS
Sơ đồ khối của bộ tạo tín hiệu GPS được trình bày trong hình 2.1. [1]
Đọc sơ đồ từ trái qua phải. Ngồi cùng bên trái là tín hiệu đồng hồ chính
được cấp cho các khối cịn lại. Tín hiệu đồng hồ có tần số 10.23 MHz. Thực tế
tần số chính xác là 10.22999999543 MHz để hiệu chỉnh các ảnh hưởng tương đối
với tần số 10.23 MHz từ người sử dụng trên trái đất. Khi được nhân với 154 và
120, nó tạo ra các tín hiệu sóng mang L1 và L2. Ở góc bên trái dưới cùng, một bộ
hạn chế được dùng để ổn định tín hiệu đồng hồ trước khi cấp cho các bộ tạo mã
C/A và mã P (Y). Ở phía dưới là bộ tạo dữ liệu có nhiệm vụ tạo ra dữ liệu định
vị. Các bộ tạo mã và bộ tạo dữ liệu được đồng bộ qua tín hiệu X1 được cấp bởi
bộ tạo mã P (Y).
Sau khi tạo mã, các mã được kết hợp với dữ liệu định vị qua các bộ cộng
module-2. Phép XOR được dùng trên các dãy bit “0” và “1”, còn dạng phân cực
1 và -1 thì phép XOR được thay thế bằng phép nhân thông thường.

13


Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu GPS.
Các tín hiệu là mã C/A (hoặc mã P (Y)) cộng module-2 với dữ liệu được
cấp cho hai bộ điều chế tần số L1. Ở đây các tín hiệu được điều chế trên tín hiệu
sóng mang sử dụng phương thức điều chế pha nhị phân BPSK. Chú ý rằng, hai
mã được điều chế theo pha và vuông pha với mỗi mã trên L1. Tức là có một độ
dịch pha 900 giữa hai mã. Sau khi phần P (Y) bị suy giảm 3 dB, hai tín hiệu L1
này được cộng với nhau để được tín hiệu L1. Dịch vụ định vị chuẩn SPS chỉ
được xây dựa trên tín hiệu mã C/A.

Tín hiệu được phát bởi vệ tinh k có thể được mơ tả như sau: [1]
� � (� ) = �2�� �� � (� ) ⊕ � � (� )� cos(2���1 � )

+ �2���1 ��� (� ) ⊕ �� (� )� sin(2���1 � )
�(

(2.3)

�(

+ �2���2 �� � ) ⊕ � � )� sin(2���2 � )

Ở đây P C , P PL1 và P PL2 là các mức cơng suất của các tín hiệu với mã C/A
hoặc P (Y), Ck là dãy mã C/A ấn định cho số hiệu vệ tinh k, Pk là dãy mã P (Y)
ấn định cho số hiệu vệ tinh k, Dk là chuỗi dữ liệu định vị, và f L1 và f L2 là các tần
số sóng mang của L1 và L2.
Hình 2.2 mơ tả ba phần hình thành nên tín hiệu trên tần số L1. Mã C/A lặp
lại chính nó mỗi ms, và một bit định vị kéo dài 20 ms. Do đó với mỗi bit định vị,
tín hiệu bao gồm 20 mã C/A đầy đủ.
14


Hình 2.4 Cấu trúc tín hiệu L1.
f(t) là sóng mang và C(t) là chuỗi mã C/A rời rạc. Như thấy ở trên, tín hiệu này
lặp lại chính nó mỗi ms. D(t) là dòng bit dữ liệu định vị rời rạc. Một bit định vị
kéo dài 20 ms. Ba phần của tín hiệu L1 được nhân để tạo tín hiệu cuối cùng.

Hình 2.5 Điều chế BPSK trong tín hiệu GPS.
Tín hiệu L1 cuối cùng là sản phẩm của các tín hiệu C, D và sóng mang. Đồ
thị bao gồm 25 chip đầu tiên của mã Gold cho PRN 1.

Hình 2.3 mơ tả mã Gold C, dữ liệu định vị D, tín hiệu cộng module-2 giữa
C, D và sóng mang. Tín hiệu cuối cùng được tạo ra bằng điều chế BPSK, trong
đó sóng mang được dịch pha ngay tức thì 1800 ở thời điểm một thay đổi chip.
Khi chuyển tiếp bit dữ liệu định vị xảy ra (khoảng 1/3 từ cạnh bên phải), pha của
tín hiệu cuối cùng cũng bị dịch 1800.
Tóm lại, với tín hiệu GPS, chiều dài mã là 1023 chip, tốc độ chip là 1.023
MHz (chu kỳ là 1ms), tốc độ dữ liệu là 50 Hz (20 chu kỳ mã trên 1 bit dữ liệu), ~
90% cơng suất tín hiệu trong băng thông ~ 2 MHz.
15


2.3 Dịch tần Doppler
Trong GPS chúng ta phải đối mặt với dịch tần Doppler gây ra bởi chuyển
động tương đối của bộ phát (vệ tinh) với máy thu GPS. Dịch tần Doppler ảnh
hưởng tới cả dị sóng và theo dõi tín hiệu GPS. Với một máy thu GPS cố định thì
dịch tần Doppler với tần số L1 trong khoảng ± 5 kHz và với máy thu GPS đang
di chuyển ở tốc độ cao thì có thể giá trị đó là ± 10 kHz.
Dịch tần Doppler trên mã C/A là nhỏ bởi vì tốc độ chip của mã C/A thấp.
Mã C/A có một tốc độ chip là 1.023 MHz, thấp hơn 1575.42/1.023 = 1540 lần so
với tần số sóng mang L1. Do đó tần số Doppler trên mã C/A là 3.2 Hz và 6.4 Hz
tương ứng với máy thu GPS cố định và di chuyển với tốc độ cao.
Tần số Doppler trên mã C/A có thể gây ra sai lệch giữa các mã nhận được
và mã được tạo trong máy thu, các tần số Doppler cũng quan trọng cho việc theo
dõi.
Hệ thống

GPS

Quốc gia
Mỹ

phát triển

GLONASS

COMPASS

Galileo

Nga
Trung Quốc

Châu Âu.

Châu âu

Mã hóa

CDMA

FDMA/CDMA CDMA

CDMA

Độ cao
quỹ đạo

20,180 km
(12,540 mi)

19,130 km

(11,890 mi)

23,220 km
(14,430 mi)

Chu kỳ

11.97 hours 11.26
hours 12.63
(11 h 58 m) (11 h 16 m)
(12 h 38 m)

21,150 km
(13,140 mi)

hours 14.08 hours
(14 h 5 m)

Chu kỳ
bay trên 2
ngày

17/8

Số lượng
vệ tinh

31, including 5 geostationary orbit
24 operational
(GEO) satellites,

1 in preparation 30 medium Earth
2 on
orbit (MEO)
maintenance
satellites
3 reserve

At least 24

36/19

16

17/10

4 test bed
satellites in
orbit,
22
operational
satellites


1 on tests[6]

Tần số

Status

budgeted

1.164–
1.215 GHz
(E5a
and
E5b)
1.260–
1.300 GHz
(E6)
1.559–
1.592 GHz
(E2-L1-E11)

1.57542 GHz
(L1 signal)
1.2276 GHz
(L2 signal)

1.561098 GHz (B1)
Around
1.589742 GHz (B11.602 GHz (SP)
2)
Around
1.20714 GHz (B2)
1.246 GHz (SP)
1.26852 GHz (B3)

Operational

15
satellites

Operational,
operational,
In
CDMA
in
20
additional preparation
preparation
satellites planned

Bảng 2.1 Hiện trạng các mạng GNSS và tần số hoạt động trên thế giới

2.4 Kiến trúc chung của bộ thu GNSS
Máy thu GNSS là một phần quan trọng trong phân hệ sử dụng. Qua máy
thu, các tín hiệu vệ tinh sẽ được biến đổi thành dữ liệu mang các thơng tin về vị
trí, vận tốc, và thời gian. Bộ thu GNSS được sử dụng cho rất nhiều mục đích ứng
dụng như định vị, dẫn đường, phân phối thời gian, tần số, và rất nhiều nghiên
cứu.

Hình 2.6 Sơ đồ kiến trúc bộ thu GNSS

2.4.1 Sơ đồ máy thu GNSS
Các anten là thành phần đầu tiên trong đường dẫn tín hiệu. Nó biến đổi
năng lượng điện từ vốn rất yếu của tín hiệu vệ tinh thành tín hiệu điện nên nó rất
quan trọng . Các anten cần phải được thiết kế để tạo ra một điện áp từ các sóng
17


vô tuyến truyền trên băng tần L1 (1575.42MHz); L2(1257.60MHz) thậm chí ra
rộng hơn nữa. Ngồi ra, việc thiết kế cịn phải phù hợp với băng thơng của tín

hiệu mong muốn. Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng hai thơng
số anten bổ sung: hệ số sóng đứng theo điện áp (VSRW-Voltage Standing Wave
Ratio) và trở kháng. VSRW thường là 2.0:1, tương đương với sự hấp thụ năng
lượng 90% trên băng thông của tần số mong muốn. Và, một trở kháng Z=50, là
điển hình cho phần lớn các thiết kế tần số vô tuyến. Không chỉ vậy, một anten
GPS còn phải được phân cực RHCP cho phù hợp với tín hiệu thu được. Và chúng
ta sẽ sử dụng anten đẳng hướng để có thể thu được tín hiệu GPS từ mọi hướng.
Một thành phần quan trọng nữa trong phần RF là bộ lọc, bộ lọc chỉ cho
phép các tần số mon muốn đi qua và làm suy giảm các thành phần tần số khác.
Các anten bình thường có đặc tính chọn lọc tần số tương đối kém, anten dải rộng
thì đặc tính chọn lọc này lại càng kém. Do đó cần cố gắng loại bỏ
bất kì một nguồn tín hiệu cơng suất cao nằm ngồi dải thơng nào xâm nhập
vào các thành phần RF vì các tần số ở ngồi băng L ( như thơng tin di động hay
phát thanh truyền hình đều có mức cơng suất lớn có thể gây quá tải đầu vào, gây
méo cho các tầng khuếch đại tiếp theo. Vì lý do này, một bộ lọc thông dải sẽ là
thành phần đầu tiên ngay sau anten. Các thơng số mơ tả đặc tính của một bộ lọc
bao gồm tổn hao xen giữa, hoặc sự suy giảm của các thành phần tần số mong
muốn, và băng thơng của bộ lọc (thường là 3dB). Mục đích của việc thiết kế bộ
lọc là cung cấp sự chuyển đổi rõ ràng giữa các tần số mong muốn (dải thông bộ
lọc) và các tần số không mong muốn (tần số cắt) trong khi phải duy trì sự tổn hao
xen giữa ở mức tối thiểu. Phụ thuộc vào việc thực hiện thực tế của các bộ lọc
(bao gồm: phần tử cộng hưởng, sóng âm bề mặt (SAW), các phần tử gốm hoặc
các phần tử tập trung (điện trở, tụ điện, và bộ lọc), chuyển đổi này có thể được
thực hiện bằng cách tăng số lượng các khối hoặc các phần tử trong thiết kế.
Tiếp theo bộ lọc sẽ là một bộ khuếch đại nhằm làm tăng tín hiệu yếu lên
một mức thích hợp để thực hiện biến đổi ADC. Do đó, số lượng các bộ khuếch
đại phụ thuộc vào đặc tính của bộ ADC. Ngồi việc làm tăng biên độ tín hiệu các
bộ khuếch đại cịn thêm nhiễu vào tín hiệu đầu ra. Tất nhiên, mục đích của
chúng ta là có một thành phần có khả năng khuếch đại tín hiệu mà nhiễu thêm
vào ở mức tối thiểu. Các thông số cơ bản mơ tả đặc tính của một bộ khuếch đại

là:
• Độ khuếch đại. Thường có đơn vị dB, và là đại lượng khơng thay đổi.
• Dải tần quy định.

• Mơ hình nhiễu. Thường có đơn vị dB, và biểu thị số lượng nhiễu sẽ thêm
vào tín hiệu được khuếch đại.
18


Hình 2.6 mơ tả một bộ khuếch đại riêng lẻ với độ khuếch đại 50 dB, để xây
dựng được một bộ khuếch đại tương đương, chúng ta sẽ sử dụng các tầng khuếch
đại.
Sau khi khuếch đại cơng suất tín hiệu, chúng ta sẽ chuyển đổi tín hiệu sóng
mang đầu vào RF 1575.42 MHz thành tín hiệu tần số trung gian thấp hơn (IF) mà
vẫn duy trì được cấu trúc tín hiệu đã điều chế, để được dải tần số có thể sử dụng
được. Để thực hiện điều này chúng ta sử dụng kết hợp một bộ trộn với một bộ
dao động nội.
- Trong hình 2.6, bộ dao động nội là sự kết hợp của các thành phần đặc
trưng: một bộ dao động thạch anh (tạo tần số dao động ổn định) và một vịng
khóa pha (PLL) (tạo tần số dao động mong muốn). Ngoài việc tạo ra tần số dao
động mong muốn, bộ dao động nội còn được sử dụng như một đồng hồ lấy mẫu.
- Bộ trộn hoạt động thông qua các phép đồng nhất lượng giác:

cos(ω1t )cos(ω2=
t)

1
1
cos((ω1 − ω2 )t ) + cos((ω1 + ω2 )t )
2

2

(2.4)

Trong đó, ω 1 là tần số trung tâm của tín hiệu GPS băng tần L1, 1575.42
MHz, và tần số IF đầu ra mong muốn là 47.74 MHz, suy ra tần số của bộ dao
động nội ω 2 = (1575.42 − 47.74)MHz = 1527.68MHz. Sự điều biến, giống như
các mã trải phổ và dữ liệu định vị, có thể được đơn giản hóa thành một bộ nhân
biến thiên theo thời gian:

d (t )cos(ω1t )cos(=
ω2 t )

d (t )
d (t )
cos((ω1 − ω2 )t ) +
cos((ω1 + ω2 )t ) (2.5)
2
2

Trong trường hợp này, đầu ra của bộ trộn là các tần số tổng hoặc hiệu.
Nhưng chúng ta chỉ cần tần số hiệu - tần số IF, do đó, một bộ lọc là cần thiết.
Trong hình 3.2, chúng ta sử dụng một bộ lọc thơng dải, để tối giản hóa bất kì
biến cố nào xuất hiện từ các kết quả biến điệu tương hỗ của quá trình trộn.
Thành phần cuối cùng trong một tiếp đầu ngoại vi là bộ ADC. Thiết bị này
sẽ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành các mẫu số. Các thơng số chính cần lưu ý
đối với một bộ ADC là: số lượng bit, tần số lấy mẫu tối đa, băng thơng và dải tín
hiệu tương tự đầu vào.
Tóm lại, chúng ta đã nghiên cứu sơ đồ khối tổng quát của một máy thu
GNSS. Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ nghiên cứu công nghệ chế tạo anten

patch cho máy thu GNSS.

19


Hình 2.7 Sai số pha như một hàm của các hệ số suy giảm ζ khác nhau.
Thời gian thiết lập càng lớn dẫn tới sự vượt quá của pha càng nhỏ. [1]
Hệ số suy giảm quyết định bộ lọc đạt tới điểm thiết lập của nó nhanh thế
nào. Và nó cũng quyết định độ vượt quá của bộ lọc. Ở thời gian thiết lập nhỏ thì
sự vượt quá càng lớn (hình 5.4).
Việc chọn hệ số suy giảm dựa trên cả thời gian thiết lập và độ vượt quá.
Suy giảm được chọn ζ = 0.7 dẫn tới một bộ lọc hội tụ nhanh chóng và khơng tạo
một sự vượt q cao.

Chương 3

CÁC LOẠI ANTEN ỨNG DỤNG TRONG GNSS

Đầu tiên phải khẳng định anten là một thành phần quan trọng trong mỗi hệ
thống thơng tin vơ tuyến nói riêng và mang tính quyết định trong việc thiết kế
một máy thu GNSS nói riêng. Anten chuyển đổi tín hiệu điện từ thành dịng điện
để máy thu có thể xử lý. Với những tín hiệu mạnh ở tần số thấp hầu hết các loại
anten đều có thể thu được, giống như việc nếu như ta có 1 chiếc máy thu FM đặt
ở Hà Nội, chỉ cần dùng 1 chiếc đinh thơi cũng có thể thu được tín hiệu VOV1
90MHz. Tuy nhiên, trong những nghiệp vụ khác với cơng suất phát và mức tín
hiệu nhỏ chúng ra phải sử dụng một anten phù hợp mới có thể thu được tín hiệu
mong muốn với các đặc điểm như tần số trung tâm, băng thông, phân cực sóng
trở thành những tham số quan trọng trong thiết kế. Điều này càng đúng hơn đối
với máy thu GNSS.
Tín hiệu GNSS thu từ vệ tinh là rất yếu, và chúng có thể tới từ bất kỳ hướng

nào nằm phía trên đường chân trời với những tín hiệu vệ tinh khác nhau. Chúng
ta khơng thể tạo ra một anten có tăng ích lớn như trường hợp anten chảo thu
truyền hình DTH K+ hay VTC lắp trong nhà bạn. Dĩ nhiên, chúng ta vẫn có cách
để thu tín hiệu GNSS bằng cách thay tăng ích anten bằng độ lợi xử lý. Cám ơn
những hiểu biết của chúng ta về mã giả ngẫu nhiên, cảm ơn những hiểu biết của
20


chúng ta về cách sử dụng kỹ thuật trải phổ để truyền tín hiệu. Tuy nhiên, một
thiết kế anten tốt vẫn rất quan trọng đối với máy thu GNSS. Một anten GNSS tốt
là có thể thu được nhiều vệ tinh từ các hướng khác nhau, với khả năng tránh
fading đa đường, các tín hiệu thu ổn định. Chúng ta sẽ xét một số anten để xem
khả năng chế tạo một anten GNSS tốt với đầy đủ các đặc điểm kỹ thuật như đã
nói ở trên.

3.1 Anten mạch in
3.1.1 Anten vi dải
Các ý niệm bức xạ vi dải lần đầu tiên được khởi xướng bởi Deschamps vào
năm 1953. Nhưng mãi đến 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới
được chế tạo. Anten vi dải thực nghiệm lần đầu tiên được phát triển bởi Howell
và Munson và được tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong nhiều lĩnh vực khác
nhau.
Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một pach kim loại rất mỏng (bề dày t
<< λ 0 , λ 0 là bước sóng trong khơng gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một
khoảng rất nhỏ ( h << λ 0 , thường thì 0.003 λ 0 < h < 0.05 λ 0 ). Patch của anten vi
dải được thiết kế để có đồ thị bức xạ cực đại. Điều này được thực hiện bằng cách
lựa chọn đúng mode của trường bức xạ ở vùng không gian bên dưới patch. Bức
xạ end-fire cũng có thể thực hiện được bằng cách lựa chọn đúng mode hoạt động.
Đối với một patch hình chữ nhật, chiều dài L thường được sử dụng trong khoảng
λ 0 /3 < L< λ 0 /2. Patch và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện mơi nền

như hình 1.1.
z
Feed
Patch
y0

h

Khe bức xạ #1

Khe bức xạ #2

(r,Φ,θ)
Φ
(a) Anten vi dải

w

GND

L

(c) Hệ trục tọa độ

t

єr

θ

h
(b) Mặt phẳng cắt ngang

21

y

x


Hình 3.1 Anten vi dải
Có nhiều điện mơi nền có thể được sử dụng để thiết kế anten vi dải và hằng
số điện môi của chúng thường nằm trong khoảng 2.2< ε r < 12. Những lớp điện
môi được sử dụng để thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hằng số điện môi
của chúng thường thấp hơn giá trị ở cuối dải vì chúng cho hiệu suất tốt hơn, băng
thông lớn và giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong khơng gian, nhưng
kích thước các phần tử lớn hơn. Giới hạn sự bức xạ các trường tổn hao vào trong
khơng gian, nhưng kích thước các phần tử lớn hơn. Nền mỏng với hằng số điện
môi lớn hơn có thể được sử dụng để thiết kế các mạch vi sóng, bởi vì chúng u
cầu giới hạn trường chặt chẽ để giảm thiểu sự bức xạ và kết hợp khơng mong
muốn, đồng thời cũng cho kích thước các phần tử nhỏ hơn. Tuy nhiên vì sự mất
mát lớn hơn, dẫn đến hiệu suất thấp và băng thông nhỏ hơn.
3.1.1.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải
Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống
khác. Chúng cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vng
(square), hình trịn (circular), tam giác (triangular), bán cầu(semicircular), hình
quạt (sectoral), hình vành khuyên (annular ring).

Hình 3.2 Các dạng anten vi dải thông dụng.
Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole

vi dải, anten khe dùng kỹ thuật in, anten traveling-wave vi dải.
• Anten patch vi dải
22


Một anten patch vi dải bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình học
phẳng hay khơng phẳng trên một mặt của miếng đế điện môi và mặt phẳng đất
nằm trên mặt phẳng còn lại của đế. Anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau
nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt động giống
như một dipole. Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình vng
và hình trịn là hai dạng thơng dụng và sử dụng rộng rãi.
• Dipole vi dải
Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vng nhưng
chỉ khác nhau tỷ số L/W. Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bước
sóng trong khơng gian tự do. Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải
giống nhau tuy nhiên ở các đặc tính khác như: điện trở bức xạ, băng thông và bức
xạ phân cực chéo (cross-polar) thì chúng hầu như khác nhau. Anten dipole vi dải
thì thích hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng đế điện mơi
có bề dày tương đối dày do vậy chúng đạt được băng thông đáng kể. Việc lựa
chọn mơ hình cấp nguồn rất quan trọng và phải tính đến khi phân tích anten
dipole vi dải.
• Printed Slot Antenna
Printed Slot Antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất của
một đế được nối đất (ground substrate). Khe này có thể có nhiều hình dạng khác
nhau như là: hình chữ nhật, hình trịn, hình nến,.. Anten loại này bức xạ theo hai
hướng nghĩa là chúng bức xạ trên hai mặt của khe, chúng ta có thể tạo ra bức xạ
đơn hướng bằng cách sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe.
• Microstrip Traveling-Wave Antennas (MTA)
MTA được cấu thành bởi một loạt các vật dẫn xích lại với nhau hay một
đoạn đường truyền vi dải đủ dài và đủ rộng để có thể hổ trợ chế độ truyền TE.

Trong đó, đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng để
tránh hiện tượng sóng đứng trên anten. Anten MTA có thể được thiết kế để hướng
búp sóng chính trong bất kỳ phương nào từ broadside đến endfire.

3.1.1.2 Đặc tính của Microstrip Antennas (MSA)
Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống
khác. Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ
23


100Mhz đến 100Ghz. MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều
ứng dụng với nhiều ưu điểm, tuy nhiên, nó vẫn cịn một số khuyết điểm cần được
khắc phục.
 Ưu điểm:
• Có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng.
• Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt.
• Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn
giản.
• Các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể
sản xuất đồng thời với việc chế tạo anten.
• Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền.
• Linh động giữa phân cực trịn và phân cực thẳng.
• Tương thích cho các thiết bị di động cá nhân.
 Khuyết điểm:
•
MSA có băng thơng hẹp và các vấn đề về dung sai.
• Một số MSA có độ lợi thấp.
• Khả năng tích trữ cơng suất thấp.
• Hầu hết MSA đều bức xạ trong nửa khơng gian phía trên mặt
phẳng đất.

• Có bức xạ dư từ đường truyền và mối nối.

MSA có băng thông rất hẹp, thông thường chỉ khoảng 1-5%,đây là hạn chế
lớn nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng.
Với những ưu điểm vượt trội ấy mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều ứng
dụng.

 Một số ứng dụng của MSAs:
• Các anten dùng trong thơng tin vơ tuyến cần nhỏ gọn nên MSA
thường được dùng.
• Các radar đo phản xạ thường dùng các dãy MSA phát xạ.
• Hệ thống thông tin hàng không và vệ tinh dùng các dãy MSA để
định vị
• Vũ khí thơng minh dùng các MSA nhờ kích thước nhỏ gọn của
chúng.
• GSM hay GPS cũng có thể dùng MSA.

3.1.2 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải
Chúng ta biết rằng bức xạ của đường truyền vi dải, một cấu trúc tương tự
như là anten vi dải, có thể giảm đáng kể nếu đế điện mơi sử dụng có bề dày mỏng
và hệ số điện mơi tương đối thấp. Hay nói cách khác, nó giúp cho bức xạ anten vi
dải tốt hơn với hiệu suất bức xạ cao hơn. Do vậy, trong một anten vi dải, người ta
sử dụng các nền điện mơi có hệ số từ thẩm thấp. Bức xạ từ anten vi dải có thể
được xác định từ phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất hay dưới dạng
phân bố dòng điện mặt trên bề mặt của patch.
24