Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh bằng tần c dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh VINASAT

Vì vậy, ở dải sóng siêu cao tần, người ta sử dụng các mạch dao động có tham số phân bố, thường được gọi là hộp cộng hưởng.. Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh Phối hợp trở kháng bằng

Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh bằng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ

tinh VINASAT Nguyễn Đức Hùng

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử; Mã số: 60 44 03

Người hướng dẫn: PGS.TS Bạch Gia Dương

Năm bảo vệ: 2012

Abstract Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thu phát thông tin vệ tinh Tìm hiểu về kỹ

thuật siêu cao tần: lý thuyết đường truyền; đồ thị smith; một số phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo module khuếch đại tạp âm thấp

băng C

Keywords Thông tin vệ tinh; Kỹ thuật truyền thông; Máy thu; Vệ tinh Vinasat; Vật

lý vô tuyến

Content

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, thông tin vô tuyến bằng vệ tinh ra đời và phát triển nhằm mục đích cải thiện các nhược điểm của mạng vô tuyến mặt đất, đạt được dung lượng cao hơn, băng tần rộng hơn, nó có ý nghĩa chính trị, kinh tế xã hội to lớn, đem lại dịch vụ mới và thuận tiện với chi phí thấp Hiện nay ở Việt Nam ngành công nghệ vũ trụ đang được đầu tư nghiên cứu, đây là hướng đi mới, mở ra nhiều lợi ích to lớn cho đất nước Trong thông tin vệ tinh các bộ thu phát đóng vai trò rất quan trọng, đây là bộ phận ảnh

hưởng chính đến chất lượng tín hiệu vệ tinh

Để chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C ta cần thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp có hệ số khuếch đại lớn hơn 10dB, tần số hoạt động từ 3.4 đến 3.7GHz

Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu

Mạch dải siêu cao tần

Chúng ta đã biết, ở dải sóng vô tuyến điện thông thường: dài, trung, ngắn; các mạch dao động cộng hưởng thường được xây dựng từ các phần tử tập trung như tụ điện C và cuộn cảm

L Mạch dao động này cho tần số cộng hưởng riêng là:

LC 2

1

f0





Nhưng ở dải siêu cao tần thì mạch dao động (LC) từ các tham số tập trung không còn làm việc được

Thứ nhất: Để nhận được dải tần số cộng hưởng f0 lớn hay bước sóng cộng hưởng nhỏ, ta phải giảm các giá trị L, C đến mức tối thiểu Nhưng việc giảm này cũng có những giới hạn nhất định do kết cấu của tụ điện và cuộn cảm Nên về nguyên tắc không đạt được tần số cộng hưởng ở các dải song cao như cm và mm

Thứ hai: ở dải song siêu cao tần, kích thước hình học của các tụ điện và cuộn cảm so sánh với bước sóng điện từ, nên tại các tần số này bản thân mạch dao động cũng đóng vai trò như phần tử bức xạ năng lượng điện từ làm tiêu hao năng lượng đáng kể trong mạch và mạch không duy trì được dao động trong dải này

Thứ ba: Trong dải siêu cao tần, khi tần số tăng thì tiêu hao do hiệu ứng bề mặt và tiêu hao trong điện môi của cuộn cảm và tụ điện tăng đáng kể, làm giảm phẩm chất rõ rệt của mạch dao động LC, làm cho nó mất tính chọn lọc của mạch cộng hưởng

Vì vậy, ở dải sóng siêu cao tần, người ta sử dụng các mạch dao động có tham số phân bố, thường được gọi là hộp cộng hưởng

Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh

Phối hợp trở kháng bằng dây nhánh là phương pháp được sử dụng khá phổ biến do đơn giản và dễ điều chỉnh Có thể mắc dây nhánh vào đường truyền theo sơ đồ song song hoặc nối tiếp với đoạn dây hở mạch hoặc ngắn mạch

YL

Y0

d A

A

A

A d

Z0

Z0

l

Y0

l

Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh

Phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh

Phương pháp phối hợp trở kháng bằng một dây nhánh có ưu điểm là đơn giản và có thể sử dụng để phối hợp cho mọi trường hợp trở kháng đặc trưng của tải có phần thực khác 0 Tuy nhiên nhược điểm của nó là sử dụng một đoạn đường truyền có độ dài biến đổi đặt giữa tải và dây nhánh Trong một số trường hợp chúng ta sử dụng phương pháp phối hợp trở kháng dùng 2 dây nhánh nằm cách nhau một đoạn cố định Tuy nhiên phương pháp này không thể sử dụng cho mọi trường hợp của trở kháng tải

Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng 2 đây nhánh được mô tả ở Hình 2a, trong đó tải có thể nằm cách dây nhánh đầu tiên một khoảng bất kì Tuy nhiên, trong thực tế chúng ta thường sử dụng sơ đồ Hình 2b, với tải đặt ngay sát dây nhánh thứ nhất Sơ đồ 3.9b thường dễ thực hiện hơn mà vẫn không làm mất tính tổng quát của bài toán Hai dây nhánh sử dụng trong sơ đồ hình 2 là 2 dây nhánh song song vì chúng có thể được thực hiện đơn giản hơn các dây nhánh nối tiếp tuy nhiên về mặt lý thuyết các dây nhánh nối tiếp hoàn toàn có thể sử dụng để phối hợp trở kháng bằng phương pháp này Các dây nhánh có thể hở mạch hoặc ngắn mạch

Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây nhánh song song

THỰC NGHIỆM

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA)

Yêu cầu: Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp có hệ số khuếch đại lớn hơn 10dB, tần số hoạt

động từ 3.4 đến 3.7GHz

Ý tưởng thiết kế: Để tính toán, cân đối giữa hệ số tạp âm và hệ số khuyếch đại thì cần có các

tham số như: , nhưng do chưa có thiết bị đo các tham số này theo tần số mong muốn, mặt khác chúng ta có thể lựa chọn sử dụng transistor có tạp âm nền thấp Linh kiện được sử dụng là PHEMT GaAs FET SPF-2086T, đây là linh kiện có hệ số khuếch đại lớn, hệ

số tạp âm thấp Để đạt được hệ số khuếch đại lớn nhất cần phải phối hợp trở kháng đầu vào

và đầu ra Trong phần này, em thực hiện phối hợp trở kháng dùng công nghệ mạch dải (dây nhánh và lamda/4)

Chip cao tần SPF-2086T

Chip cao tần SPF-2086T là chip có dải tần hoạt động rộng, hệ số khuếch đại lớn, phù hợp với việc thiết kế, chế tạo các bộ khuếch đại tạp âm thấp

Tần số GHz Hệ số khuếch đại dB

Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào tần số

Mạch khuếch đại tạp âm thấp hoạt động tốt, khuếch đại ở dải tần số từ 3.433GHz-3.6GHz hệ

số khuếch đại 10dB, dải thông 140MHz Đây là dải tần rộng, phù hợp tuyến thu thông tin vệ

tinh Vinasat băng tần C

SUMMARY OF THE FINDING OF THE THESIS

Official thesis Title: Reserarch, design, manufacture satellite C-band used in information

transmission Vinasat

Along with the strong development of science and technology, wireless communication satellite launch and development aimed at improving the disadvantages of terrestrial radio network, achieve higher capacity, broadband more, it means political, social and economic big, new service provides convenient and low cost Currently in Vietnam, aerospace technology sector are investing in research, this is a new direction, opening up many great

Sơ đồ nguyên lí toàn bộ mạch khuếch đại dùng chip SPF-2086T

benefits for the country In the satellite communication transceiver very important role, this is the component affects the quality of satellite signals

To make satellite C-band we need to design low- noise amplifier with amplificationfactor

of greater than 10dB, the operating frequency from 3.4 to 3.7 GHz

Block diagram of receiver system

Ultrahigh frequency band circuit

We know, in the range of normal radio waves: long, medium and short; theresonant oscillator circuits were built from the focusing element such as capacitorC and inductor L Oscilator circuit to separate the resonant frequency is:

LC 2

1

f0





But in the ultrahigh frequency range, the oscillator circuit (LC) from theconcentration parameter is no longer working

First: To obtain the resonant frequencies f0 resonance wavelength large or small, to reduce the value of L, C to aminimum But this reduction also has certain limitations due to the structure of capacitors and inductors Should in principle not achieve resonance frequency in the band but as high as cm and mm

Second: in the ultrahigh frequency band song, the geometric dimensions of the capacitors and inductors compared with electromagnectic wavelengths, so at this frequency oscillator circuit itself also acts as a radiation element functionelectromagnetic energy is consumed in the circuit and the circuit substantiallymaintains no fluctuations in this range

Third: In the ultrahigh frequency range, when the frequency increases, theconsumption due to skin effect and dielectric consumed in the inductors and capacitors increaded significantly, significantly reducing the quality of the LC oscillator circuit, as it takes the selectivity of the resonant circuit

So, in the microwave frequency range, we user the oscillator with distributed parameters, commonly known as cavities

Coordinate using a wire impedance branch

Coordinate branch wire impedance method is widely used by the simple and easyto adjust Can branch into line wiring diagram in parallel or in series with the open circuit or short circuit writing

YL Y0

d A

A

A

A d

Z0

Z0

l

Y0

l

Coordinate with the wire impedance branch

Coordinate use two-wire impedance branch

Impedance method using a coordinate branch wire has the advantage of simplicity and can be used to coordinate all cases characteristic impedance of the load hasreal part 0 But its drawback is to use a line segment is variable-length stringsplaced between the load and branch In some cases we use a coordinated approach using 2-wire impedance branches are separated by a fixed period.However, this method can not be used for all cases of load impedance Impedance diagram using two coordinate branches is described in Figure 2a, in which the load can be located by the first branch a wire around any However, in practice we often use the diagram Figure 2b, with load wires placed adjacent tothe first branch Chart 2b often easier to perform and still not lose the generalityof the problem Two wires branching diagram used in Figure 2 is 2 – wire parallelbranches as they

than the branch wire serial but theoreticallythe completely wired serial branch can

use to coordinate by the impedancemethod The branch wires can short circuit or open circuit

Map coordinate to use 2-wire impedance branch parallel

EXPERIMENTAL

Research, design and manufacture low-noise amplifier (LNA)

Requirements: Design a low noise amplifier with amplification factor of greater than 10dB, the operating frequency from 3.4 to 3.7GHz

Design ideas: To calculate the balance between noise factor and the gain will

require parameters such as, but not necessarily becausethese parameters were measured according to the desired frequency, on the other hand they You can choose to use transistorswith low background noise Components used are PHEMT GaAsFET SPF-2086T, this is the component amplification coefficientlarge, low-noise ratio To achieve maximum magnification factorneed to coordinate the input impedance and output In this section, Iimplement coordinated circuit impedance strip using technology(wireless subsidiary and lam

da / 4)

SPF-2086T High Frequency Chip

Chip SPF-2086T is a high-frequency chips have broad spectrum activity, a largeamplification factor, in accordance with the design and manufacture of low-noiseamplifier

Frequency GHz Gain dB

The dependence of the amplification coefficient on the frequencyconclusions

low noise amplifier works well, amplified in a frequency range of 3.6GHz-3.433GHz amplification factor of 10dB, a bandwidth of 140MHz This isbroadband, online collection of information relevant Vinasat band C

Summary of the finding of the thesis:

Official thesis Title: Reserarch, design, manufacture satellite C-band used in information transmission Vinasat

To make satellite C-band we need to design low- noise amplifier with amplificationfactor

of greater than 10dB, the operating frequency from 3.4 to 3.7 GHz

Principle diagram entire amplifier circuit chip used SPF-2086T

Ultrahigh frequency band circuit

We know, in the range of normal radio waves: long, medium and short; theresonant oscillator circuits were built from the focusing element such as capacitorC and inductor L Oscilator circuit to separate the resonant frequency is:

LC 2

1

f0





But in the ultrahigh frequency range, the oscillator circuit (LC) from theconcentration parameter is no longer working

First: To obtain the resonant frequencies f0 resonance wavelength large or small, to reduce the value of L, C to aminimum But this reduction also has certain limitations due to the structure of capacitors and inductors Should in principle not achieve resonance frequency in the band but as high as cm and mm

Second: in the ultrahigh frequency band song, the geometric dimensions of the capacitors and inductors compared with electromagnectic wavelengths, so at this frequency oscillator circuit itself also acts as a radiation element functionelectromagnetic energy is consumed in the circuit and the circuit substantiallymaintains no fluctuations in this range

Third: In the ultrahigh frequency range, when the frequency increases, theconsumption due to skin effect and dielectric consumed in the inductors and capacitors increaded significantly, significantly reducing the quality of the LC oscillator circuit, as it takes the selectivity of the resonant circuit

So, in the microwave frequency range, we user the oscillator with distributed parameters, commonly known as cavities

Coordinate using a wire impedance branch

Coordinate branch wire impedance method is widely used by the simple and easyto adjust Can branch into line wiring diagram in parallel or in series with the open circuit or

YL Y0

d A

A

A

A d

Z0

Z0

l

Y0

l

Coordinate with the wire impedance branch

Coordinate use two-wire impedance branch

Impedance method using a coordinate branch wire has the advantage of simplicity and can be

used to coordinate all cases characteristic impedance of the load hasreal part 0 But its

drawback is to use a line segment is variable-length stringsplaced between

the load and branch In some cases we use a coordinated approach using

2-wire impedance branches are separated by a fixed period.However, this method can not be

used for all cases of load impedance Impedance diagram using two coordinate branches is described in Figure 2a, in which

the load can be located by the first branch a wire around any However, in practice we

often use the diagram Figure 2b, with load wires placed adjacent tothe

first branch Chart 2b often easier to perform and still not lose the generalityof the

problem Two wires branching diagram used in Figure 2 is 2 – wire parallelbranches as they

than the branch wire serial but theoreticallythe completely wired serial branch can

use to coordinate by the impedancemethod The branch wires can short circuit or open circuit

Map coordinate to use 2-wire impedance branch parallel

EXPERIMENTAL

Research, design and manufacture low-noise amplifier (LNA)

Requirements: Design a low noise amplifier with amplification factor of greater than 10dB, the operating frequency from 3.4 to 3.7GHz

SPF-2086T High Frequency Chip

Chip SPF-2086T is a high-frequency chips have broad spectrum activity, a largeamplification factor, in accordance with the design and manufacture of low-noiseamplifier

Frequency GHz Gain dB

The dependence of the amplification coefficient on the frequencyconclusions

low noise amplifier works well, amplified in a frequency range of 3.6GHz-3.433GHz amplification factor of 10dB, a bandwidth of 140MHz This isbroadband, online collection of information relevant Vinasat band C

Principle diagram entire amplifier circuit chip used SPF-2086T