Lấy cảm hứng từ hoạt động thương mại thành công của Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) tại Hoa Kỳ vào cuối những năm 1980, nhiều quốc gia khác trên thế giới cũng đã phát triển và tung ra các phiên bản GPS của riêng mình, gọi chung là Hệ thống Vệ tinh Định vị Toàn cầu (GNSS). Công nghệ GNSS đã phát triển trong 25 năm qua và đóng một vai trò quan trọng trong thế giới kết nối. Ngày nay, GNSS bao gồm Galileo của Liên minh Châu Âu, GLONASS của Nga, Beidou của Trung Quốc, IRNSS/NavIC của Ấn Độ và QZSS của Nhật Bản. So với máy thu GPS truyền thống chỉ sử dụng hệ thống vệ tinh GPS, để hoạt động với nhiều chòm sao vệ tinh, hệ thống thu GNSS sử dụng tần số đa băng tần để đạt được độ chính xác và độ tin cậy cao hơn.
Ăng-ten là thành phần chính của máy thu và đóng vai trò quan trọng trong việc thu tín hiệu vô tuyến yếu từ vệ tinh để xác định chính xác vị trí, điều hướng và thời gian của người dùng. Do đó, máy thu GNSS sử dụng nhiều dải tần tương ứng với các dải tần số vô tuyến (RF) thấp hơn và cao hơn được truyền bởi các hệ thống định vị vệ tinh khác nhau trong không gian. Các dải tần và tần số được bao phủ bởi máy thu GNSS được tóm tắt như sau:
Dải tần của dải tần L1, E1 và B1 là 1559 MHz đến 1610 MHz
Các băng tần L2, E6, B3, L6 có dải tần từ 1217 MHz đến 1300 MHz
Dải tần của các dải L5, E5, B2 và L3 là 1164 MHz đến 1217 MHz
Do đó, máy thu GNSS sử dụng ăng-ten băng thông rộng hoặc đa băng tần và có thể xử lý nhiều dải tần khác nhau được sử dụng bởi các mạng vệ tinh không gian khác nhau. Tần số đa băng tần có thể cải thiện độ chính xác và độ tin cậy định vị của hệ thống máy thu GNSS, giảm lỗi và nhiễu tín hiệu, đồng thời mang lại hiệu suất tuyệt vời cho ăng-ten GNSS trong môi trường rộng và khắc nghiệt.
Ăng-ten vá lồng nhau nhiều băng tần
Nhu cầu về các giải pháp phẳng, nhỏ gọn đã tăng cao trong vài năm qua, do hệ thống thu GPS ban đầu sử dụng các ăng-ten lớn, cồng kềnh, xếp chồng lên nhau, chiếm không gian quý giá. Để đáp ứng các yêu cầu của mô-đun mặt trước GNSS RF hiện đại với hiệu suất cao và chi phí thấp, Tailas Limited đã thiết kế và phát triển công nghệ ăng-ten vượt trội cho các ứng dụng có độ chính xác hạn chế cao. Dòng Inception HP5354 của hãng. A là ăng-ten vá thụ động đa băng tần, từ 1160 MHz đến 1610 MHz được thiết kế để cải thiện độ chính xác, độ bền và độ tin cậy của vị trí. Nó sử dụng công nghệ ăng-ten vá lồng nhau bằng gốm cải tiến và nhúng hai ăng-ten có cùng kích thước tổng thể như ăng-ten GPS một băng tần (Hình 1). Do đó, nó có thể mang lại mức tăng phân cực tối ưu cho các băng tần Beidou (B1/2a), GPS/QZSS (L1/L5), GLONASS (G1) và Galileo (E1/E5a) (bao gồm IRNSS/NavIC (L5)). Điều này cũng đảm bảo khả năng tương thích với nhiều ứng dụng bất cứ khi nào có thể.
Hình ảnh dòng sản phẩm Douglas Channel HP5354. Một ăng-ten
Hình 1: Dòng Inception HP5354. A là ăng-ten vá lồng nhau phẳng cho hệ thống thu GNSS. Nguồn ảnh:Taglas Limited)
HP5354. Tối ưu hóa cho hiệu suất băng tần kép là ăng-ten nhỏ gọn, hình phẳng với kích thước 35 mm x 35 mm và chiều cao 4 mm. Nó sử dụng gói gốm gắn trên bề mặt 11 chân với ba chân để thu tín hiệu vô tuyến trực giao ở dải L1 và L5. Hai trong số ba chân này dùng để nhận tín hiệu từ dải tần L1 và chân thứ ba dùng để nhận tín hiệu từ dải tần L5. Tám chân còn lại được nối đất.
Để đạt được tỷ lệ trục tối ưu và tín hiệu phân cực tròn bên phải (RHCP) ở đầu ra, hai tín hiệu cấp dữ liệu của băng tần L1 được kết hợp bằng cách sử dụng bộ ghép lai HC125A được khuyến nghị (Hình 2). HC125A sử dụng gói gắn bề mặt phẳng (cao 1,5 mm), có tổn thất chèn thấp và biên độ đầu ra cân bằng, phù hợp cho ứng dụng GNSS đa băng tần.
Sơ đồ kết hợp hai tín hiệu cấp băng tần L1 với bộ ghép lai được khuyến nghị
Hình 2: Hai tín hiệu cấp từ băng tần L1 được kết hợp trong bộ ghép lai HC125A để đảm bảo tỷ lệ trục tối ưu trong khi tạo tín hiệu RHCP. Nguồn ảnh:Taglas Limited)
Ngoài ra, ăng-ten điểm cấp dữ liệu kép đã được điều chỉnh và thử nghiệm trên đường chân trời 70 mm x 70 mm và hiển thị bản đồ đo bức xạ tuyệt vời. Ngoài ra, nó mô tả đầy đủ các tham số chính liên quan đến tần số ở hai băng tần. Các tham số này bao gồm suy hao phản hồi, tỷ lệ sóng đứng điện áp (VSWR), hiệu suất, mức tăng trung bình, mức tăng cực đại, tỷ lệ trục, dịch chuyển tâm pha, biến thiên tâm pha và độ trễ nhóm.
Ăng-ten điểm cấp dữ liệu kép có hình dạng phẳng, có thể được sử dụng rộng rãi trong các trường hợp thiết kế miếng vá nhiều lớp truyền thống quá nặng và cao. Các ứng dụng được đề xuất bao gồm điều hướng, theo dõi công nghiệp, xe tự hành và robot, cũng như các thiết bị đeo được, thiết bị theo dõi tài sản nhỏ và nông nghiệp chính xác.
Xây dựng liên kết tín hiệu RF mặt trước
Mặc dù ăng-ten GNSS đa băng tần có thể được kết hợp với giao diện người dùng GNSS của riêng người dùng, Tal đơn giản hóa đáng kể thiết kế liên kết tín hiệu bằng cách sử dụng mô-đun giao diện người dùng TFM.100B GNSS được thiết kế đặc biệt cho ăng-ten vá nhiều điểm cấp dữ liệu.
Mô-đun này bao gồm bộ khuếch đại tiếng ồn thấp (LNA) hai cấp với mức tăng hơn 25 dB ở tất cả các dải tần và hệ số nhiễu (NF) nhỏ hơn 3 dB. Nó sử dụng bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW) để kết hợp với LNA để tạo thành cấu trúc liên kết SAW/LNA/SWAW/LNA, đồng thời xử lý các đường dẫn tín hiệu dải tần thấp và cao để triệt tiêu nhiễu ngoài băng tần (OOB) không cần thiết và ngăn chặn tình trạng quá tải của bộ khuếch đại hoặc bộ thu nhiễu thấp GNSS. Các bộ lọc SAW được lựa chọn và bố trí cẩn thận trong TFM.100B mang đến khả năng loại bỏ OOB tuyệt vời trong khi vẫn duy trì chỉ số nhiễu ở mức thấp 3 dB. Thiết bị gắn trên bề mặt, dễ tích hợp này có kích thước 20 x 18 mm và sử dụng nguồn điện duy nhất từ 1,8 đến 5,5 VDC. Dải điện áp đầu vào rộng cho phép mô-đun mặt trước dễ dàng tích hợp vào hầu hết các máy thu GNSS.
Để giúp người dùng hiểu rõ hơn về việc tích hợp mô-đun mặt trước của máy thu GNSS hoàn chỉnh, kỹ sư của Taglas đã chuẩn bị một bảng đánh giá AHPD5354A (Hình 3) làm thiết kế tham chiếu của đường dẫn tín hiệu mặt trước. Bảng đánh giá này tích hợp bộ tiền khuếch đại TFM.100B, bộ ghép lai HC125A 3 dB phẳng hiệu suất cao và HP5354. Một ăng-ten vá đa băng tần trên một PCB duy nhất.