Luận văn: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo anten dải rộng cho hệ thống GNSS

Tài liệu nghiên cứu thiết kế, chế tạo anten dải rộng cho GNSS. Tìm hiểu quy trình từ lý thuyết, mô phỏng đến sản phẩm anten thu tín hiệu GPS, Galileo.

• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Trưng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Truyền Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Chế Tạo Anten Dải Rộng Cho Hệ Thống GNSS
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống GNSS và tầm quan trọng của Anten

Hệ thống định vị toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) đã trở thành công nghệ không thể thiếu trong thời đại hiện đại. Với sự phát triển của GPS, Galileo, GLONASS và BeiDou, nhu cầu về anten GNSS chất lượng cao ngày càng tăng. Anten dải rộng là giải pháp quan trọng để tích hợp nhiều hệ thống định vị khác nhau vào một thiết bị duy nhất. Những ứng dụng của GNSS bao trùm từ xác định vị trí, xây dựng bản đồ, đến khảo sát địa hình. Tuy nhiên, để tận dụng tối đa các công nghệ này, thiết kế anten phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt. Việc phát triển anten dải rộng cho GNSS không chỉ cải thiện chất lượng dịch vụ mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn mới.

1.1. Khái niệm và cấu trúc Hệ thống GNSS

GNSS bao gồm ba phân hệ chính: không gian, điều khiển và sử dụng. Phân hệ không gian gồm chùm sao vệ tinh có sẵn quỹ đạo cố định. Phân hệ điều khiển quản lý hoạt động của vệ tinh và đảm bảo chính xác dữ liệu. Phân hệ sử dụng bao gồm các thiết bị máy thu GNSS và anten để nhận tín hiệu. Mỗi vệ tinh phát tín hiệu trên các tần số khác nhau, yêu cầu anten GNSS phải có khả năng thu đa tần số.

1.2. Vai trò quan trọng của Anten dải rộng

Anten dải rộng cho phép máy thu GNSS tiếp nhận tín hiệu từ nhiều hệ thống định vị cùng lúc. Thay vì sử dụng nhiều anten riêng biệt, anten dải rộng giảm kích thước thiết bị và chi phí sản xuất. Điều này đặc biệt quan trọng trong thiết kế anten hiện đại, nơi yêu cầu về nhỏ gọn, hiệu suất cao là tiêu chuẩn. Khả năng hoạt động trên băng tần rộng giúp cải thiện độ chính xác định vị và khắc phục hiện tượng nhiễu tín hiệu.

II. Các loại Anten ứng dụng trong GNSS

Trong lĩnh vực thiết kế anten GNSS, có nhiều loại anten được sử dụng tùy theo yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Anten mạch in là loại anten vi đai (Microstrip Antenna) phổ biến nhất nhờ tính chất nhỏ gọn và dễ tích hợp. Anten dải rộng sử dụng công nghệ Microstrip để mở rộng băng tần hoạt động. Mỗi loại anten có những đặc điểm riêng về trở kháng vào, tần số cộng hưởng và hiệu suất bức xạ. Việc lựa chọn loại anten phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về dải tần, kích thước thiết bị và độ chính xác cần thiết. Hiểu rõ về cấu trúc anten giúp tối ưu hóa hiệu suất thu tín hiệu GNSS.

2.1. Anten Microstrip và đặc điểm kỹ thuật

Anten vi đai (Microstrip Antenna) gồm một lớp dẫn điện phủ trên nền điện môi. Anten Microstrip có nhiều hình dang cơ bản như hình chữ nhật, hình tròn hay các hình phức tạp. Tần số cộng hưởng của anten vi đai phụ thuộc vào chiều dài hiệu dụng của miếng dẫn điện. Trở kháng vào và hiệu suất bức xạ là những tham số quan trọng cần tính toán khi thiết kế anten. Anten Microstrip cho phép tích hợp dễ dàng với mạch điện tử nhờ cấu trúc phẳng.

2.2. Nguyên lý bức xạ và trường điện từ

Nguyên lý bức xạ của anten GNSS dựa trên sự biến đổi trường điện từ giữa dẫn điện và nền điện môi. Trường bức xạ được xác định bởi vecto tiềm năng và các công thức tính toán phức tạp. Công suất bức xạ và công suất tiêu tản ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất anten. Hiệu ứng viền (Fringing Effects) gây ra sự thay đổi tần số cộng hưởng so với lý thuyết. Việc hiểu rõ các đặc tính trường điện từ giúp cải thiện thiết kế anten dải rộng cho GNSS.

III. Quy trình Thiết kế và Chế tạo Anten dải rộng

Thiết kế anten GNSS là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Bước đầu tiên là xác định yêu cầu kỹ thuật như dải tần, trở kháng vào, và hướng bức xạ. Tiếp theo là mô phỏng anten sử dụng các phần mềm chuyên dụng để tối ưu hóa cấu trúc anten. Chế tạo anten được thực hiện trên các mạch in chất lượng cao với độ chính xác cao. Cuối cùng, kiểm định anten bằng các thiết bị đo lường để xác nhận hiệu suất và đặc tính tần số của anten dải rộng. Quá trình này đảm bảo anten GNSS hoạt động tối ưu khi tích hợp với máy thu.

3.1. Mô phỏng và tối ưu hóa cấu trúc Anten

Mô phỏng anten sử dụng các công cụ phần mềm như HFSS hoặc CST để phân tích trường điện từ. Tối ưu hóa liên quan đến điều chỉnh kích thước, vật liệu nền và phương pháp tiếp điện để đạt dải tần rộng. Phân tích mô hình trên đường truyền vi sóng giúp dự đoán hiệu suất thực tế. Các mod trường TM và TE được nghiên cứu để hiểu tần số cộng hưởng và đặc tính bức xạ. Kết quả mô phỏng hướng dẫn các quyết định thiết kế để anten đạt yêu cầu.

3.2. Chế tạo và kiểm định thực nghiệm Anten

Chế tạo anten sử dụng mạch in với độ chính xác cao để đảm bảo tần số cộng hưởng chính xác. Tiếp điện cho anten được thực hiện bằng các phương pháp như cấp nguồn vi sóng hoặc kích thích từ phía sau. Kiểm định anten bao gồm đo lường trở kháng vào, hệ số phản xạ và biểu đồ bức xạ. Anten dải rộng phải hoạt động ổn định trên toàn dải tần GNSS. Kết quả kiểm định xác nhận anten sẵn sàng cho ứng dụng thực tế.

IV. Ứng dụng thực tiễn và Triển vọng Anten dải rộng GNSS

Anten dải rộng GNSS mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống và công nghiệp. Máy thu GNSS trang bị anten dải rộng có thể tích hợp GPS, Galileo, GLONASS và BeiDou cùng lúc, nâng cao độ chính xác và khả năng phục hồi. Ứng dụng trong xây dựng bản đồ, khảo sát địa hình, định vị xe cộ và hàng không dân dụng đều được hưởng lợi. Thiết kế anten dải rộng hiện đại tập trung vào giảm kích thước, tăng hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Xu hướng tương lai là phát triển anten thông minh có khả năng tự động điều chỉnh đặc tính tần số. Nghiên cứu về anten GNSS tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển công nghệ định vị.

4.1. Ứng dụng trong các hệ thống định vị và dẫn đường

Anten dải rộng GNSS được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống định vị dân sự và quân sự. Máy thu GNSS đa hệ thống cho phép người dùng sử dụng GPS, Galileo, GLONASS cùng một lúc, cải thiện độ chính xác định vị lên đến 1-5 mét. Ứng dụng trong dẫn đường cho ô tô, máy bay drone và tàu thủy phụ thuộc vào chất lượng anten GNSS. Khảo sát địa hình và xây dựng bản đồ yêu cầu anten với hiệu suất cao và ổn định.

4.2. Triển vọng và hướng nghiên cứu tương lai

Tương lai của anten dải rộng GNSS hướng tới thiết kế anten thông minh có khả năng tự điều chỉnh. Anten phòng chống nhiễu được phát triển để cải thiện chống lại các tín hiệu gây nhiễu. Integraton với các công nghệ mới như 5G và IoT mở ra những ứng dụng mới. Việc tối ưu hóa chi phí chế tạo và giảm kích thước thiết bị là mục tiêu quan trọng. Nghiên cứu về vật liệu nền mới và công nghệ tiếp điện sẽ tiếp tục cải thiện hiệu suất anten GNSS.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TONG QUAN VE CAC HE THONG GNSS. 1l Phân hệ không gian. 111 Chùm sao vệ tỉnh. Lid V6 tinh GPS.

12 Phân hệ diễu khiễn. 43 Phan hệ sử dụng. Chương 2 TÍN HIỆU VẢ SƠ BÓ MÁY THU GNSS. 21 Các tấn số tin hiệu và dữ liệu định vị.

22 Luge dé tin hidu GPS.3 Dịch tần Doppler. 24 Kian trúc chung của bộ thu GNSS. 341 So dé may thu GNSS. Chương3 CAC LOAI ANTEN CO THE UNG DUNG TRONG GNSS.

41 Anten mach in. BL Anten vi dai 3111 Các hình dang co ban cita anten vi dai 3112 Đặc tinh cia Microstrip Antennas (MSA) 312 Nguyên lý bức xạ của anlen vi đãi 313 Trường bức xạ của anien vi dẫ¡ 313 Thả veclơ và một số công thức tính trường bức xạ.2 Công suất bức xạ.33 Công suất tiêu tái 3184 Năng lượng (ích 313.5 Tré khang vào 3.6 Sur phan owe s On| 318.7 Tiếp điện cho anten vi dé 3138 Hiệu ứng viền (Fringing Fjjeebs) 3139 Chiều dài hiệu dụng, tân số cộng hướng va chi ông hiệu dụng .10 Bài toán thiết kế 313. 31312 Trở kháng vào tại tẫn số cộng hướng. 31⁄4 A2 hình hắc cộng hưởng.

3141 Các mod trường— TM.142 Phân tích mô hình anlen vị dải trén true tou dé. Phản người sử dụng bao gồm nhiều thành phản, có nhiệm vụ quản lý và phát triển các ứng dung GPS, bao gồm cả việc xây dựng các thiết bị sử dụng hệ thông như anten vả máy thu. Đổi với máy thu, hệ thông GPS cung cấp hai loại dịch vụ cơ bản, đó lả: dịch. vụ định vị tiêu chuẩn (SPS) vả dịch vụ định vị chính xác (PPS).

Chính phủ Mỹ, quân đồng minh và những người sử dụng đặc biệt được cấp phép str dung 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 lả 22 m theo chiều ngang, 27.7 m theo chiều doc va thời gian là 200 ns (UTC). Trong khi đỏ, những người sử dụng binh dân trên khắp thế giới được sử dụng SP8 miễn phí hoặc bị hạn chế sử dụng.

Hầu hết các máy thu đều có khả năng thu vả sử dụng tín hiệu SPS. Độ chính xác của SPS bi cổ ý làm giảm bằng việc dùng Selective Availability bởi DOD. Độ chỉnh xác của SPS duoc dự kiến là 100 m theo chiều ngang, 156 m theo chiều đọc vả thời gian là 340 ns. 11 Phân hệ không gian Phan hệ không gian sử dụng thời gian nguyên tử và phát ra tín hiệu cao tần chứa mã giả ngẫu nhiên, và phát lại ban tin định vị từ các tín hiệu thu được (từ phân hệ điều khiển), Phan hé không gian bao gồm các thảnh phần sau: 1.1 Chùm sao vệ tỉnh Chum sao vé tinh GPS gồm 24 vệ tỉnh chủ đạo và một vải vệ tình dự trữ, được phân bỏ trên 6 quỹ đạo gần tròn, kí hiệu từ A đền F, với đường kính khoảng, 20.138km và nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo.

Mỗi quỹ đạo cỏ 4 vệ tính chính được kí hiệu từ 1 đến 4 và được phân bỏ đều. Chu kỳ của các vệ tính lả 12 giờ. Câu trúc quỹ đạo vệ tỉnh nảy cho phép người sử dụng hệ thong GPS trên mặt đất có thể “nhìn thay” téi thiểu lả 4 về tỉnh vả trung bình từ 6 đến 8 vệ tỉnh nều không bị cản trở bởi các câu trúc hạ tảng dưới mặt đất Tình 3.16 Mô lä miễn phat xa cia anton xoắn 4 nhánh hoại động ở ché 46 1 (a) và chế độ 2 (b).17 Anten xoắn ốc 4 nhánh (a) và anten xoắn Ốc góc đều (bì.18 Tai anten liên hợp đường kính Sem. Anten xoắn ốc được nếi tải với bộ giảm tôi và 1 trỗ kháng 1009.

Nhánh rộng W~0.19 Đô thị ứ lệ phải xạ theo hướng và trở kháng vào (a) và palem với 36 góc cắt khác nhau ở tần sẻ 2GHz và 8GHz (b) của anten xoắn 2 nhảnh phức hợp. Kết quả này được thực hiện bang cach sit dung phan mém FEKO Tình 3.30 Một số anten xoắn 2 nhanky Anton xoan de phize hop (a), anten xoan éc khéng phức hop (b), va antgen góc đều phức hợp ().2] Các anten xoắn góc đều với hệ số mũ là 1,5: 2 nhành (a), 4 nhành (b) và 6 nhánh (c) 64 Tình 3.22 Sự khác biệt về tính tương hỗ phân cực giữa suten 2 nhánh, 4 nhánh vả 6 nhánh.23 Ảnh hưỡng câu việc cấp nguồn khỏng tốt lên đỏ thị bức xạ ở chế độ 2 của mien xoắn 4 chấn tử 65 Tỉnh 3.24 Pa(tem của chế độ hoạt déng mode 1 va các modc cao hơn 3 và Š ảnh hướng lên mode l. LẠ me roi .25 Pattern của từ mođe 1 tới mođe 7 của anten xoắn 8 nhánh 66 linh 3.26 Mỗi quan hệ giữa mode 3 va mode 1 của arten xoắn géc déu 2 nhánh. đường kính 6cm với các hệ sở mũ khác nhau.28 Độ giảm tổng ích và suy hao của vòng tiêu chủ vì Á đổi với môi.

srcn zo déu (a). Mặt cắt phẳng đổi với pattern của anten nón với hốc nón xoắn Sem véi ve = 0.29 Céng suat trong mỗi chế độ đối với mỗi nhánh của anten xoắn 8 nhánh. dường kinh 25cm. THẾ HH HH He re Hình 3.30 (2) Bộ biến đổi trở kháng đổi với anten xoắn § nhánh và (b) khu vực phối hợp trở kháng cho anten xoắn 4 nhánh Hình 3.31 Trở kháng vào lý thuyết và tỉ số độ rồng A/G tương ứng cho các chế độ 1, 2, 3 của anten xoắn 8 nhánh bởi bề dày 0.01” và hằng số diện mỗi là 2.

aDB wa DANII MUC BANG BIEU Bang 2.1 Hign trang các mạng GNSS vả tân số hoạt động trên thể giới.1 Hướng búp sóng vả góc ngắng búp sóng dinh cho các mode của anten 8 nhánh Bang 3.2 Trở kháng vào cửa anler xoắn phức hợp trơng không gian tự do.3 Tân số giới hạn của model khi sử dụng bó cáp đồng trục để cấp nguồn (cho những, cable thương, mại). cà hnrnerereeirrree Bang 4.1 Các thông số anten thiết kế Bang 4.2 Cách thông sẻ tính toán patch anten vi dai 2.3 Các thông số đường mierostrip line với ø, — 4. Phản người sử dụng bao gồm nhiều thành phản, có nhiệm vụ quản lý và phát triển các ứng dung GPS, bao gồm cả việc xây dựng các thiết bị sử dụng hệ thông như anten vả máy thu. Đổi với máy thu, hệ thông GPS cung cấp hai loại dịch vụ cơ bản, đó lả: dịch.

vụ định vị tiêu chuẩn (SPS) vả dịch vụ định vị chính xác (PPS). Chính phủ Mỹ, quân đồng minh và những người sử dụng đặc biệt được cấp phép str dung 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 lả 22 m theo chiều ngang, 27.7 m theo chiều doc va thời gian là 200 ns (UTC).

Trong khi đỏ, những người sử dụng binh dân trên khắp thế giới được sử dụng SP8 miễn phí hoặc bị hạn chế sử dụng. Hầu hết các máy thu đều có khả năng thu vả sử dụng tín hiệu SPS. Độ chính xác của SPS bi cổ ý làm giảm bằng việc dùng Selective Availability bởi DOD. Độ chỉnh xác của SPS duoc dự kiến là 100 m theo chiều ngang, 156 m theo chiều đọc vả thời gian là 340 ns.

11 Phân hệ không gian Phan hệ không gian sử dụng thời gian nguyên tử và phát ra tín hiệu cao tần chứa mã giả ngẫu nhiên, và phát lại ban tin định vị từ các tín hiệu thu được (từ phân hệ điều khiển), Phan hé không gian bao gồm các thảnh phần sau: 1.1 Chùm sao vệ tỉnh Chum sao vé tinh GPS gồm 24 vệ tỉnh chủ đạo và một vải vệ tình dự trữ, được phân bỏ trên 6 quỹ đạo gần tròn, kí hiệu từ A đền F, với đường kính khoảng, 20.138km và nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo. Mỗi quỹ đạo cỏ 4 vệ tính chính được kí hiệu từ 1 đến 4 và được phân bỏ đều. Chu kỳ của các vệ tính lả 12 giờ. Câu trúc quỹ đạo vệ tỉnh nảy cho phép người sử dụng hệ thong GPS trên mặt đất có thể “nhìn thay” téi thiểu lả 4 về tỉnh vả trung bình từ 6 đến 8 vệ tỉnh nều không bị cản trở bởi các câu trúc hạ tảng dưới mặt đất Hinh 3.32 (a) BG phéi hop tr khang song song vi dai, (b) Bd bién PHTK ding cap đẳng true Dyson, (c) bd PLI'TK cap dng trục đúng, vả (d) Bd PIITK ding bỏ cap dong lruc Hinh 3.33 Cap nguén ding đường truyền vị đãi Tình 3.34 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục Hình 3.35 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe - Aporture couplod.36 Cap nguồn đừng phương pháp ghép gan — Proximity Coupled.1 Bé bidn déi trét Whang o.oo ces es ssessseccceseesssseseseeeeeae Hinh 4.2 Thiét ké anten patch bang HFSS.3 Pattern ctia anten patch với tấn só trung tâm 1.4 Tig sé phan xa cita anten patch trong dai tin tir L.5 Dạng chung của anten khe vi đải băng tần khép hình chữ L.6 Anten khe băng tần kép dang chitU THình 4.7 Anten xoắn 2 nhánh.8 Pattern 3D của anten xoắn 2 nhánh đổi với sóng phân cực tròn tay phải Hinh 4.9 Patten 2D ota anten xoản 2 nhánh đối với sông phân cực tròn tay phải tại tần số 1.10 Pattern của anten xoắn đối với tản số 1.11 Pattern của anten xoắn đối với tản số l.12 Pattern của anten xoắn đối với tản số 1.1 Do đạc tham số sử dựng may Anritsa MT8222A 88 Tĩinh 5.2 Do pattern của anten sử dụng phòng đo EMC.

sec BB Hình 5.3 Hệ số sóng dimg VSWR 89 Tình 5.4 Trỏ kháng anlen 90 Hiuh 5.5 Paltern khi đe thực tệ với phòng EMC. 90 Chuong1 TONG QUAN VE CAC IIE TIIONG GNSS GNSS (Global Navigation Satellite System) được cầu thành như một chòm. sao (một nhóm hay một hệ thống) của quỹ đạo vệ tính kết hợp với thiết bị ở mặt đất sử dụng dễ cung cấp vị trí của thiết bị thu với vung phủ toản cầu. Trong, củng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nêu xác định được khoảng cách đên ba về tĩnh (tối thiểu) thì sẽ tính được toa dô của vi ti dé.

GNSS heat déng trong moi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày. Mỹ là nước đấu tiền phông lên và đưa vào sử dụng hệ vệ tình dẫn đường nảy. Mỹ đặt lên cho hộ thẳng: nay là hệ thống vệ tinh dinh vi toan cdu GPS (Global Positioning System), ban đầu là để dùng riêng cho quân sự, về sau mở rộng ra sử dụng cho đân sự trên phạm vi toàn câu, bắt kế quốc tịch và miễn phi.