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

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, có thể nói các hệ thống thơng tin hoạt động
tần số vơ tuyển(RF) chính là một trong những nền tảng quan trọng nhất. Bởi lẽ,
tất cả các thiết bị, phần mềm khoa học kỹ thuật hiện nay đều xuất phát điểm từ
các thành phần của các sản phẩm vô tuyến điện như máy thu, máy phát, các loại
mạch điện hay đến cả những linh kiện bán dẫn. Đồng thời, môi trường hoạt động
của mọi hệ thống viễn thơng ngày chính là tần số thơng tin vơ tuyến, nơi để các
tín hiệu trao đổi qua lại. Nhờ điều đó, mọi hoạt động trao đổi thơng tin mới có
thể diễn ra và tạo tiền đề để phát triển mọi mặt cuộc sống.
Môn học Điện tử tương tự II, là môn học nghiên cứu về các kiến trúc cơ
bản nhất trong thế giới hệ thống vơ tuyến nói chung và truyền thơng khơng dây
nói riêng. Nhận thấy sự bổ ích cùng với tầm quan trọng của môn học, dưới sự
hướng dẫn của thầy Nguyễn Nam Phong, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “
Thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho hệ thống định vị tồn cầu (GPS) “
Trong q trình thực hiện đề tài, vì thời gian hữu hạn cùng với trình độ

chuyên mơn cịn khiêm tốn, nên bài tập lớn khơng tránh được khỏi sai sót.
Nhưng chúng em đã cố gắng nghiên cứu và học hỏi để giảm thiểu tối đa sai lầm.
Vì vậy, nhóm chúng em rất mong nhận được sự đóng góp nhiệt tình của thầy để
phát triển hơn vốn kiến thức của mình.


BẢNG PHÂN CHIA CƠNG VIỆC:

STT

Thành viên

Cơng việc

1

Hỗ Sỹ Nhật Huy20187136

Nghiên cứu về hệ thống GPS, Anten GPS, Mô
phỏng mạch trên ADS, Viết báo cáo

2

Nguyễn Đức
Dũng-20187123

Nghiên cứu lý thuyết PHTK, các loại mạch
PHTK, Thiết kế mạch, Viết báo cáo

3

Đỗ Hải Long20187142

Nghiên cứu lý thuyết PHTK, các loại mạch
PHTK, Kiểm tra lại mạch mô phỏng, Viết báo
cáo

4

Nguyễn Thị Ngọc
Hà-20187125

Nghiên cứu về phần mềm ADS, các tham số SParameter, Quality Factor, Viết báo cáo

5

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 là nhóm 2 lớp ET-LUH17 bao gồm các thành viên đã được
kể tên trên.Chúng em xin được đảm bảo các dữ liệu được nêu trong đồ án
là hoàn toàn trung thực, phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế. Mọi thơng
tin trích dẫn đều tn thủ các quy định về sở hữu trí tuệ; các tài liệu tham
khảo được liệt kê rõ ràng. Chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với
những nội dung được viết trong báo cáo này.

Hà nội, ngày 28 tháng 5 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

1

PHTK

Phối hợp trở kháng

2

GPS

Global Positioning System

3

LNA

Low-Noise Amplifier

4

Q

Quality Factor

5

RLC

Resistor-Inductor-Capacitor

6

ADS

Advanced Desisn System

7

MN

Matching Network

8


DANH MỤC HÌNH VẼ

9


TĨM TẮT BÁO CÁO

Để đảm bảo tính logic, chặt chẽ, và phù hợp với nội dung đề tài, nhóm
chúng em quyết định chia đề tài ra “Thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho hệ
thống định vị toàn cầu” làm 3 nội dung chính:
Phần 1: Cơ sở lý thuyết về mạch phối hợp trở kháng (PHTK): Định nghĩa
về mạch PHTK, các tham số lý thuyết có liên quan, Các loại mạch PHTK cơ
bản, Loại mạch PHTK sử dụng để thiết kế
Phần 2: Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu (GPS): Định nghĩa về
GPS, Sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của hệ thống GPS, Dải tần hoạt động của
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 ra với mạch, Sơ đồ thiết kế mạch, Mô phỏng mạch sử dụng
phần mềm ADS, Kết quả mô phỏng

10

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Định nghĩa mạch PHTK:
-Định nghĩa:
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.

Phối hợp trở kháng là gì ? có tác dụng thế nào ?
Gọi Rn là nội trở của nguồn (hay trở kháng ra của tầng trước), Rt là tải (hay trở kháng
vào của tầng sau), E là nguồn lý tưởng.
Theo Ohm-Law, dòng điện I qua mạch là:
I = E/R = E / (Rn+Rt)
Công suất trên tải là:
Pt = I.Ut = I.I.Rt = E^2 * Rt / (Rn +

Rt)^2

Pt lớn nhất khi Rn = Rt
Như vậy, việc "làm sao đó" để trở kháng ra của tầng trước bằng trở kháng vào của tầng
sau (gọi là phối hợp trở kháng - Impedance matching) nhằm đạt cơng suất tải lớn
nhất.
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) : là một đại lượng không thứ nguyên cho biết
mức độ lý tưởng về khả năng lưu trữ năng lượng của một thiết bị

Hình 1.2 Cơng thức tính Q của mạch RLC

1.2.2 Tham số S ( Scattering Parameters)
Tham số S ( S-Parameters): Thể hiện mối quan hệ giữa công suất phát ( công suất
truyền từ nguồn (Source) đến tải ( Load) ) và công suất phản xạ trong 1 mạng n cực tại
1 dải tần cụ thể. Trong báo cáo này chúng ta chỉ xét đến mạng 2 cực ( 2 port system):
1.2.2.1 S11- Parameter:
S11 là tỷ số giữa sóng phản xạ và sóng tới tại cổng đầu vào khi phản xạ từ RL bằng
khơng.
Đại diện cho độ chính xác của khớp đầu vào
( input matching accuracy)
Thông số phổ biến nhất trong thiết kế các mạch cao tần

12


Hình 1.3 Cơng thức tính S11

1.2.2.2 S12-Parameter:
S12 là tỷ số của sóng phản xạ tại cổng đầu vào với sóng tới vào cổng đầu ra
Đặc trưng cho hệ số tương hỗ ( reverse isolation)

Hình 1.4 Cơng thức tính S12

1.2.2.3 S21-Parameter
S21 là tỷ số của sóng tới trên tải so với sóng tới của nguồn khi phản xạ từ RL bằng

0
Đại diện cho cơng suất của mạch

Hình 1.5 Cơng thức tính S21

13


1.2.2.4 S22-Parameter
S22 là tỷ số giữa sóng phản xạ và sóng tới ở tải khi
phản xạ từ Rs(nguồn) bằng 0
Đại diện cho độ chính xác của phối hợp trở
kháng đầu ra

Hình 1.6 Cơng thức tính S22

1.3 Các loại mạch PHTK:
1.3.1 Các loại mạch PHTK sử dụng RLC
Có rất nhiều phương pháp PHTK tuy nhiên trong phạm vi môn học Điện tử tương tự
2, chúng ta chỉ xét những loại mạch PHTK sử dụng các phần tử RLC.Có 3 loại mạch
PHTK RLC phổ biến nhất bao gồm:
-

L Matching Network
Pi Matching Network
T Matching Network

Tuy nhiên, để thuận tiện cho việc nghiên cứu và thiết kế nhóm quyết định thiết kế
mạch theo nguyên lý của mạch L Matching Network vì những lý do sau:
-

Cấu trúc đơn giản, chỉ bao gồm 1 tụ điện C hoặc 1 cuộn cảm L hoặc cả 2 mắc

-

nối tiếp
Thuận lợi cho việc mô phỏng
Vẫn đạt được yêu cầu đầu ra là PHTK

14


Hình 1.7 Sơ đồ topology 8 loại mạch L Matching Network

1.3.2 Loại mạch PHTK nhóm lựa chọn:
Tên : Lowpass Upward L Match
Upward: Rin> Rload
Cơng thức tính tốn lý thuyết:
Hệ số phẩm chất Q : Q = ; L1 =
C1=

15


Hình 1.8 Loại mạch Lowpass Upward L Matching Network

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN
CẦU GPS

2.1 Tổng quan về hệ thống GPS

2.1.1 Định nghĩa:
GPS là hệ thống định vị toàn cầu do Mỹ phát triển và vận hành. GPS là tên viết tắt
của cụm từ “Global Positioning System”. Nó là một hệ thống bao gồm nhiều vệ tinh
bay trên quỹ đạo phía trên trái đất ở độ cao 20.200 km. GPS hoạt động trong mọi điều
kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, liên tục suốt 24 giờ và hồn tồn miễn phí đối với
một số dịch vụ.

Hình 2.9 Minh họa ứng dụng của hệ thống định vị GPS

2.1.2 Nguyên lý vận hành:
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo
rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận
thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng.
16


Bản chất của GPS là so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian
nhận được chúng. Độ sai lệch thời gian cho biết máy thu GPS cách vệ tinh bao xa, với
nhiều quãng đường đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người
dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
Để tính ra được vị trí 2 chiều (kinh độ và vĩ độ) thì máy thu phải nhận được tín hiệu
ít nhất là 3 vệ tinh, với ít nhất 4 vệ tinh thì có thể tính được vị trí 3 chiều (kinh độ, vĩ
độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các
thơng tin khác như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành
trình,...

2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu GPS:
Về cơ bản, kiến trúc máy thu GPS là một anten GPS kết nối với 1 hệ thống RF Input.
Tùy thuộc vào loại hệ thống GPS phục vụ mục đích sử dụng khác nhau dẫn đến việc
sử dụng các loại Anten khác nhau cùng với mơ hình mạch RF khác nhau. Tuy nhiên sơ

đồ khối cơ bản của các loại máy thu GPS đều giống như hình bên dưới.

17


Hình 2.10 Sơ đồ khối chức năng của máy thu GPS

2.2 Các loại hệ thống định vị GPS:
2.2.1 Các loại hệ thống định vị GPS phổ biến:
Hiện nay hệ thống định vị tồn cầu GPS được tích hợp thêm nhiều loại hệ thống
khác để phục vụ nhiều mục đích chức năng khác nhau. Dựa theo phân loại chức năng
nhiệm vụ, ta có thể phân theo lĩnh vực như:
-

Dị tìm vị trí dành cho thiết bị di động
Dị tìm vị trí dành cho qn sự
Dị tìm vị trí dành cho hàng khơng dân dụng
Dị tìm vị trí dành cho tàu thủy
Định vị giao thơng, cảnh báo thiên tai
Dự báo thời tiết

Ngồi ra, có rất nhiều dự án hệ thống định vị do các nước khác nhau phát triển để
phục vụ mục đích khác nhau có thể kể đến như:
18


-

Dự án hệ thống định vị cho thông tin di động của Nga GLONASS
Dự án hệ thống định vị cho các thiết bị di động thông minh A-GPS

Dự án hệ thống định vị quân sự của Trung Quốc BDS
Dự án hệ thống định vị phi quân sự Châu Âu Galileo
Dự án hệ thống định vị quân sự của Nhật QZSS

2.2.2 Loại hệ thống GPS sử dụng để thiết kế:
Hiện nay các hệ thống định vị GPS lớn đều sử dụng Anten có kích thước cực lớn
như Anten Parabol hoặc Anten Ống Kính. Chính vì vậy, phương pháp PHTK dành cho
các loại anten này là sử dụng những đường truyền siêu cao tần. Điều này sẽ không phù
hợp với phạm vi kiến thức của môn học chúng ta là những mạch PHTK cơ bản sử
dụng những phần tử RLC. Chính vì vậy, loại hệ thống định vị GPS phù hợp nhất chính
là hệ thống A-GPS
A-GPS: Đây là mơ hình hệ thống GPS tích hợp trong các loại thiết bị di động cỡ nhỏ
như điện thoại, máy tính, máy định vị, những loại thiết bị khơng chiếm nhiều khơng
gian diện tích. Với mơ hình cấu
trúc như vậy mới có thể áp dụng
phương pháp PHTK sử dụng mạch
RLC
Tần

số

hoạt

động:

TSTT

1.575GHz với băng thơng 1.5631.587Ghz

Hình 2.11 Minh họa hệ thống A-GPS

19


Thông thường, sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hệ thống A-GPS thường
tối giản hơn rất nhiều so với các mơ hình hệ thống GPS khác. Cụ thể, sẽ là 1 loại
Anten chuyên dụng cho GPS di động kết nối với 1 hệ thống RF Input bao gồm 3
thành phần chính đó là máy thu GPS ( GPS Receiver) , bộ khuếch đại tạp âm thấp
(LNA), Bộ lọc thơng dải ( BPF)
Lưu ý: Một số hệ thống có thể có BPF1 hoặc chỉ có mỗi BPF2

Hình 2.12 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống A-GPS

2.2.3 Loại Anten sử dụng để thiết kế
Trên thực tế, có rất nhiều loại Anten được sử dụng cho hệ thống A-GPS dành
cho thiết bị điện thoại di động. Tuy nhiên trên thực tế, để phù hợp với kích thước
nhỏ của các thiết bị di động cá nhân và phù hợp với phương pháp PHTK sử dụng
các linh kiện RLC, nhà sản xuất thưởng sử dụng anten The Inverted F Antenna
(PIFA):

20


Hình 2.13 Thiết kế anten PIFA dành cho điện thoại cá nhân

2.2.3.1 Giới thiệu sơ lược về Anten PIFA
Anten PIFA là một loại anten được sử dụng trong truyền thông khơng dây, chủ yếu
ở tần số UHF và vi sóng. Nó bao gồm một ăng-ten đơn cực chạy song song với mặt
đất và nối đất ở một đầu. Ăng-ten được cấp nguồn từ một điểm trung gian cách đầu nối
đất một khoảng. Thiết kế này có hai ưu điểm so với một đơn cực đơn giản: ăng ten

ngắn hơn và nhỏ gọn hơn, cho phép nó được chứa trong vỏ của thiết bị di động và nó
có thể được nhà thiết kế phối hợp trở kháng với các loại mạch điện đơn giản, cho phép
nó phát ra cơng suất hiệu quả mà không cần các thành phần kết hợp không liên quan.

Hình 0.14 Hình ảnh thực tế anten PIFA

21


2.2.3.2 Thông số kỹ thuật anten PIFA
Trong báo cáo này, chúng ta sẽ chỉ tập trung vào những thông số kỹ thuật có liên
quan đến việc thiết kế mạch PHTK.
Tần số hoạt động: Upper L band, thuộc dải băng L1 - RNSS với băng thông khoảng
15MHz
Tần số trung tâm : 1.575 GHz
Trở kháng lý thuyết : 36.5

Hình 0.15 Dải tần hoạt động các loại hệ thống GPS

22


CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH PHTK CHO GPS

Sau khi tiến hành nghiên cứu kỹ càng lý thuyết về mạch PHTK ( L
Matching Network) và lý thuyết về hệ thống GPS nói chung và loại Anten
sử dụng nói riêng. Nhóm đã xác định được mục tiêu là thiết kế mạch PHTK
giữa nguồn đầu vào RF Input với trở kháng 50 Ohm và đầu ra tại tải 36.5
Ohm ( Trở kháng Anten) tại tần số 1.575 GHz
3.1 Quy trình thiết kế:

Để thuận tiện cho việc thiết kế được diễn ra hợp lý, nhóm chúng em tiến hành chia
cơng việc thành các bước như quy trình sau:
1. Đặt ra các tiêu chuẩn thiết kế đối với mạch PHTK
2.Thiết kế sơ đồ khối mạch PHTK
3. Thiết kế mạch PHTK và tính tốn thơng số cho mạch
4. Mô phỏng mạch trên phần mềm ADS
5. Đo lường các tham số của mạch như S-Parameter, điện thế trên tải ( Voltage Load)

3.2 Tiêu chuẩn thiết kế:
-Mục tiêu : thiết kế mạch PHTK giữa nguồn đầu vào RF Input với trở kháng 50

Ohm và đầu ra tại tải 36.5 Ohm ( Trở kháng Anten) tại 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 tại dải tần 1.563 Ghz – 1.587GHz
+ Mạch hoạt động tốt nhất tại tần số trung tâm 1.575 GHz
23


3.3 Thiết kế sơ đồ khối mạch PHTK:
Sau khi nghiên cứu sơ đồ khối hệ thống GPS cùng với yêu cầu mục tiêu thiết kế.
Nhóm đã đánh giá vị trí mạch PHTK là nằm giữa tầng Anten và tầng mạch GPS ( RF
Circuit)

Hình 3.16 Sơ đồ khối mạch PHTK cho GPS

3.4 Thiết kế mạch PHTK và tính tốn thơng số cho mạch:
Từ cơng thức tính tốn các thơng số mạch đã trình bày ở mục 1.3.2 Loại mạch
PHTK nhóm lựa chọn. Nhóm đã đưa ra thiết kế mạch PHTK như sau:
-

-

Loại mạch : Lowpass Upward L Match
Yêu cầu đầu vào :
Zo: 50 Ω
Fo: 1575 MHz
RL: 36.5 Ω
XL: 0 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 phỏng mạch trên phần mềm ADS:
3.5.1 Mô phỏng mạch để đo tham số S-Parameter:

Hình 3.18 Mơ phỏng mạch để đo S-Parameter

-Terminal 1( 50 Ohm): Thể hiện trở kháng nguồn (Source) của hệ thống GPS ( RF
Input)
-Terminal 1 ( 36.5 Ohm): Thể hiện trở kháng đặc tính của anten PIFA
-SNP: Là Simulator Controller dành cho mạch N Port( Là hàm do ADS thiết kế để tính
tốn tham số S-Parameter qua đó đánh giá khả năng làm việc của linh kiện điện tử khi
đặt vào mạch do người dùng thiết kế ). Ở đây mạch chúng ta nghiên cứu là 1 đầu ra 1
đầu vào => N = 2.

-File S2P: Là file lưu trữ các thông số Datasheet của linh kiện điện tử theo chuẩn
Format của Touchstone. Từ dữ liệu này S2P Controller do ADS lập trình sẽ tính tốn
vã vẽ biểu đồ S-Parameters cho người dùng đánh giá
25


- Tụ điện (C) và Cuộn cảm ( L): Mô phỏng đúng với số liệu tính tốn ở mục 3.4
Lưu ý: Ở đây nhóm em sử dụng Transistor BGA715L7 là loại Transistor chuyên được
sử dụng trong mạch LNA của GPS. Transistor đã được thiết kế để phù hợp với chuẩn
đầu ra 50 Ohm của mạch GPS

3.5.2 Mô phỏng mạch để đo điện áp trên mạch:
Về mặt cấu trúc, mạch không có gì thay đổi so với mạch để đo S-Parameter tuy
nhiên phải thay đổi 2 cổng Terminal thành AC Voltage Source để phù hợp với
Simulator Controller lúc này là AC ( để đo điện áp trên tải).

Hình 3.19 Mơ phỏng mạch để đo điện áp trên tải

V_AC + R1 ( 50 Ohm) : Thay thế cho Terminal 1 ở cấu trúc trước ( V_AC mặc định là
1 V)
R2( 36.5 Ohm): Thay thế cho Terminal 2 ở cấu trúc trước
AL: Đoạn Wire đánh dấu để đo điện áp trước khi đi qua Matching Network
26


IM: Đoạn Wire đánh dấu để đo điện áp sau khi đi qua Matching Network

3.6 Đo lường các tham số của mạch:
3.6.1 Tham số S ( S-Parameters):

Hình 3.20 Kết quả đo S11

27