Thiết kế, mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng cho bộ thu tín hiệu vệ tinh

Bài viết đề xuất thực hiện thiết kế và mô phỏng một mạch khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở bằng tần X với mục đích sử dụng cho bộ thu tín hiệu thông tin từ vệ tinh. Mạch được thiết kế với phương pháp phối hợp trở kháng dải rộng thay đổi thang trở kháng đặc trưng. Mạch hoạt động ở tần số 11 GHz với hệ số khuếch đại lớn đạt trên 12,8 dB và hệ số tạp âm NF nhỏ hơn 0,9 dB. Mời các bạn cùng tham khảo!

Thiết kế, mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp

sử dụng cho bộ thu tín hiệu vệ tinh

Đoàn Hữu Chức và Trần Hữu Trung

Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng Email: chucdh@hpu.edu.vn, trungth@hpu.edu.vn

Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất thực hiện thiết

kế và mô phỏng một mạch khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở

bằng tần X với mục đích sử dụng cho bộ thu tín hiệu thông tin từ

vệ tinh Mạch được thiết kế với phương pháp phối hợp trở kháng

dải rộng thay đổi thang trở kháng đặc trưng Mạch hoạt động ở

tần số 11 GHz với hệ số khuếch đại lớn đạt trên 12,8 dB và hệ số

tạp âm NF nhỏ hơn 0,9 dB

Keywords- Bộ thu tín hiệu siêu cao tần, mạch khuếch đại tạp

âm thấp, phối hợp trở kháng dải rộng

I GIỚITHIỆU Ngày nay, hệ thống truyền thông sử dụng sóng siêu cao tần

đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của việc truyền

thông tin Trong hệ thống siêu cao tần, bộ khuếch đại là thành

phần cơ bản và phổ biến Các transistor trong bộ khuếch đại có

thể hoạt động trong khoảng tần số rất rộng lên tới 100 GHz ở

những ứng dụng yêu cầu kích thước nhỏ gọn, hệ số tạp âm NF

thấp, dải thông rộng và tiêu hao năng lượng thấp Kỹ thuật thiết

kế mạch khuếch đại sử dụng BJT và FET dựa trên các khái

niệm được nghiên cứu về đường truyền sóng siêu cao tần,

mạng hai cổng và giản đồ Smith Trong lĩnh vực siêu cao tần,

lý thuyết mạch thông thường không thể sử dụng trực tiếp để

giải quyết các vấn đề của mạng siêu cao tần Trong trường hợp

đó, lý thuyết mạch thông thường được gần đúng hoặc sử dụng

lý thuyết trường điện từ được mô tả bằng các phương trình

Maxwell Điều đó có nghĩa cách thức thiết kế ở mạch siêu cao

tần khác biệt so với khi thiết kế mạch ở tần số thấp Điều này

được gọi là kỹ thuật phối hợp trở kháng [4] Khi thiết kế mạch

khuếch đại dùng transistor chúng ta phải dựa trên tham số S

Khối xử lý tín hiệu đầu tiên của bộ thu trong hệ thống truyền

thông sau anten là bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low noise

amplifier (LNA)) Mạch LNA sẽ khuếch đại tín hiệu thu được

với hệ số khuếch đại hợp lý và có tạp nhiễu nhỏ nhất có thể Sơ

đồ khối bộ thu của hệ thống truyền thông siêu cao tần đưa ra ở

hình 1[3]

Hình 1 Sơ đồ khối bộ thu tín hiệu siêu cao tần

Theo đó, tín hiệu siêu tần thu được từ antenna qua mạch

khuếch đại tạp âm thấp để đạt được tín hiệu đủ lớn với nhiễu

nhỏ nhất, tín hiệu này sau đó được đưa tới mạch lọc thông dải

để lấy các thành phần tín hiệu có dải thông chọn trước Sau đó

tín hiệu được giải điều chế trở về tín hiệu băng tần cơ sở

Hệ thống thông tin siêu cao tần được ứng dụng trong các vệ tinh thông tin Việt Nam đã có hai vệ thông tin VINASAT I và

II đặt trên quỹ đạo địa tĩnh Ngoài ra, một số dự án phóng vệ tinh quỹ đạo tầm thấp LEO cũng đang được triển khai Các vệ tinh quỹ đạo thấp có các dải tần phát xuống trong băng tần X

Do đó, việc nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng trạm thu tín hiệu

vệ tinh hoạt động ở băng tần trên là rất có ý nghĩa khoa học Trong bài báo này, tác giả trình bày việc thiết kế, mô phỏng một mạch khuếch đại LNA hoạt động ở tần số 11GHz, sử dụng transistor ATF36077 với hệ số khuếch đại lớn và nhiễu nhỏ

II THIẾTKẾ Mạch khuếch đại Transistor đơn tầng với mạch phối hợp trở kháng đầu vào và ra được biểu diễn như ở hình 2[1,2,6]

Hình 2 Sơ đồ khối mạch khuếch đại tạp âm thấp Mạch khuếch đại LNA hoạt động ở tần số 11GHz, sử dụng transistor ATF36077 được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm ADS Quá trình thiết kế các mạch phối hợp trở kháng, hệ

số khuếch đại cũng như hệ số tạp âm NF, được thực hiện dựa trên các tham số S của ATF36077 Các tham số S cần tra cứu của transistor được đưa ra ở hình 3 Với mục đích thiết kế mạch LNA sử dụng cho bộ thu tín hiệu vệ tinh hoạt động ở băng tần X, tác giả chọn tần số mạch hoạt động có giá trị là 11 GHz

Hình 3 Tra cứu tham số S

Bảng 1 đưa ra các thông số yêu cầu của mạch LNA hoạt động

ở tần số 11 GHz dùng để thiết kế trong trường hợp này

Bảng 1 Các thông số thiết kế mạch LNA

II.1.MẠCHPHỐIHỢPTRỞKHÁNGLỐIVÀO

Trên cơ sở giá trị S11 tại tần số 11 GHz, xác định được trở

kháng lối vào của transistor Ta có:

S11 = 0.66/-159

ZIN = 10.6-j*8.9 ()

Với mục đích thiết kế mạch LNA có dải thông rộng phục vụ

thu tín hiệu vệ tinh, ở đây nhóm tác giả sử dụng phương pháp

phối hợp trở kháng thay đổi thang trở kháng đặc trưng mở rộng

dải thông Đây là một trong những phương pháp thiết kế mạch

giúp mở rộng được dải thông hoạt động của mạch khuếch đại

và hơn nữa rất thuận lợi khi thực hiện bằng các đoạn dây chêm

mạch dải, đặc biệt là ở tần số lớn Nhược điểm của phương

pháp là trở tráng thiết kế phải là trở kháng thực Điều này dễ

dàng thực hiện được nhờ việc di chuyển trở kháng bất kỳ về

giá trị thực nhờ các đoạn dây chêm nếu chúng ta thực hiện

mạch theo phương pháp mạch dải Vì vậy, trước hết ta cần di

chuyển vị trí trở kháng lối vào của ATF36077 tới vị trí có giá

trị thực (phần phức bằng không) Điều này được thực hiện nhờ

chèn thêm một đoạn dây chêm mạch dải nối tiếp Chọn trở

kháng đặc trưng bằng 25 , sử dụng giản đồ Smith khi đó đạt

được giá trị trở kháng để thực hiện phối hợp theo phương pháp

thay đổi thang trở kháng đặc trưng mở rộng dải thông ZL =

9,206 () Việc chọn trở kháng như vậy nhằm tránh sự thay

đổi đột ngột về trở kháng đặc trưng giúp việc phối hợp trở

kháng được thực hiện tốt hơn Số bậc thay đổi N trong thiết kế

này được lựa chọn bằng 2 để giảm thiểu tính toán và sai sót khi

thiết kế Theo[5] ta có các biểu thức tính toán sau:

= / / = 9.206 / 50/ = 32.75 (Ω)

32.75 50 = 14.05 (Ω) Trong đó, ZL là giá trị được xác định ở trên, Z0 =50 

Sử dụng công cụ LineCal xác định được kích thước của mạch

phối hợp trở kháng khi sử dụng loại phíp đồng FR4 có hằng số

điện môi =4,34; độ dày H=1,6mm và độ dày lớp dẫn điện

T=0,035mm Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối vào

được đưa ra ở hình 4 dưới đây

Hình 4 Sơ đồ mạch phối hợp trở kháng lối vào

II.2.MẠCHPHỐIHỢPTRỞKHÁNGLỐIRA Tương tự như với trường hợp thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào, tra cứu S22 của ATF36077 tại tần số 11 GHz, xác định được trở kháng lối ra của transistor Ta có:

S22 = 0,40/-129

Zout = 25,2 –j*18,7 Giống như với mạch lối vào, ở mạch lối ra cũng sử dụng phương pháp phối hợp trở kháng thay đổi thang trở kháng đặc trưng mở rộng dải thông để thiết kế mạch Di chuyển trở kháng lối ra tới vị trí có giá trị thực trên giản đồ Smith, ta đạt được giá trị trở kháng ZL = 12,075 để thực hiện thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối ra Tương tự mạch lối vào, ở lối ra ta cũng chọn N=2 để thực hiện tính toán thiết kế Ta có:

= / / = 12.05/ 50 / = 35.05 (Ω)

35.05 50 = 17.22 (Ω) Kết quả chúng ta có sơ đồ mạch nguyên lý phối hợp trở kháng lối ra như hình 5 dưới đây

Hình 5 Sơ đồ mạch phối hợp trở kháng lối ra

Từ các thiết kế trên, cuối cùng chúng ta đạt được sơ đồ mạch

bộ khuếch đại LNA như hình 6 minh họa Sử dụng file S2P chứa thông tin về các tham số S của ATF36077 giúp việc mô phỏng dễ dàng hơn như trình bày tiếp theo dưới đây

4 Hệ số khuếch đại > 15 dB

Hình 6 Sơ đồ thiết kế mạch LNA

với mạch phối hợp trở kháng lối vào và lối ra

III KẾTQỦAMÔPHỎNG

Sau khi thiết kế, mạch LNA được mô phỏng trên phần mềm

ADS và được hiệu chỉnh để đạt các kết quả tốt hơn Kết quả

mô phỏng các tham số S được đưa ra ở hình 7 Các tham số

được mô phỏng bao gồm các hệ số truyền đạt, các hệ số phản

xạ lối vào và lối ra

Hình 7 Kết quả mô phỏng các tham số S

Theo đó hệ số khuếch đại đạt được rất lớn hơn 12,8 dB trong

một dải thông rộng từ 10 GHz đến 12 GHz Các hệ số phản xạ

lối vào và lối ra cũng đạt dưới -10 dB tại tần số trung tâm, như

vậy các mạch được phối hợp trở kháng khá tốt Hệ số

S12<-17,3 dB tại tần số 11 GHz, có nghĩa là mạch khuếch đại LNA

được thiết kế có tính chất đơn hướng cao Điều này hoàn toàn

phù hợp bởi đây là một mạch khuếch đại siêu cao tần Tín hiệu

vào được khuếch đại với hệ số khuếch đại lớn mà mạch lối ra

không gây ra sự phản xạ tín hiệu cao tần đáng kể nào

Với một mạch khuếch đại chúng ta thường quan tâm nhiều tới

hệ số khuếch đại hay độ lợi của mạch Trong thiết kế này cũng

thực hiện mô phỏng hệ số khuếch đại lớn nhất mạch có thể đạt

được trong dải tần hoạt động từ 10-12 GHz Kết quả mô phỏng

của hệ số khuếch đại lớn nhất được đưa ra ở hình 8 dưới đây

Theo đó, mạch có hệ số khuếch lớn nhất trong dải thông từ

10-12 GHz lớn hơn 16 dB Đây là giá trị rất lớn đối với một mạch

khuếch đại đơn tầng sử dụng transistor

Hệ số sóng đứng của mạch đưa ra trên hình 9 Theo đó hệ số

sóng đứng gần đạt lý tưởng tưởng bằng 1 ở tần số hoạt động 11

GHz Hệ số cũng nhỏ hơn 2 dB trong dải thông rất rộng từ 10 –

12 GHz Điều này chứng tỏ, mạch gần như không có sự phản

xạ sóng siêu cao tần trên đường truyền sóng là các đoạn mạch

dải dùng để phối hợp trở kháng Như vậy cùng với các thông

số đạt được trong dải thông này, mạch LNA có thể hoạt động trong một dải tần lớn Do đó có thể sử dụng linh hoạt trong việc thu thông tin từ vệ tinh trong băng tần này

Hình 8 Hệ số khuếch đại lớn nhất

Hình 9 Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng

Một thông số quan trọng nữa là hệ số tạp âm NF Đối với mạch LNA yêu cầu nhiễu hình càng nhỏ càng tốt Theo yêu cầu thiết

kế NFmin < 2 dB Kết quả mô phỏng NFmin của mạch LNA được đưa ra ở hình 10 Theo đó nó đạt giá trị nhỏ hơn 0,9 dB Như vậy mạch khuếch đại sẽ đảm bảo yêu cầu khuếch đại tạp

âm nhỏ nhất có thể Đáng chú ý là mạch có NFmin nhỏ hơn 2

dB trong một dải thông rất lớn từ 8-14 GHz Điều này chứng tỏ mạch được thiết kế tốt với mục đích chính là khuếch đại tín hiệu có ích và giảm thiểu được khuếch đại tạp nhiễu

Một lần nữa, để kiểm tra việc thiết kế mạch có thỏa mãn điều kiện ổn định của một mạch khuếch đại hay không, chúng ta thực hiện mô phỏng hệ số ổn định của mạch LNA này Kết quả

mô phỏng trên hình 11 chỉ ra rằng mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA được thiết kế đảm bảo tính ổn với hệ số K<1 trong dải tần 10 -12 GHz Như vậy mạch LNA đạt ổn định vô điều kiện

Hình 10 Kết quả mô phỏng nhiễu hình

Hình 11 Hệ số ổn định K của mạch LNA thiết kế

IV KẾTLUẬN Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất, thiết kế và mô phỏng một

mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA hoạt động trong dải tần

tuyến phát xuống của vệ tinh VINASAT II Kết quả đạt được

một mạch có hệ số khuếch đại lớn hơn 12,8 dB ở tần số trung

tâm 11 GHz Đây là giá trị lớn đối với một mạch khuếch đại đơn tần Hơn thế nữa, mạch cũng đạt được hệ số tạp âm NF nhỏ dưới 0,9 dB ở tần số thiết kế và hệ số sóng đứng gần lý tưởng bằng 1 dB Như vậy, mạch có thể ứng dụng để làm tầng đầu tiên của bộ thu tín hiệu siêu cao tần trong hệ thống thông tin vệ tinh

TÀILIỆUTHAMKHẢO [1] Abhimanyu Athikayan,et al, “Design Of Low Noise Amplifier At 4 Ghz”, 2011 International Conference on Information and Electronics Engineering IPCSIT vol.6 (2011) © (2011) IACSIT Press, Singapore [2] Abu Bakar Ibrahim, Ahmad Zamzuri Mohamad Ali, “Design of Microwave LNA Based on Ladder Matching Networks for WiMAX Applications”, International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE) Vol 6, No 4, pp 1717~1724, August 2016 [3] Cherechi Ndukwe,et al, “Design and Fabrication of a 1.5GHz Microwave Low Noise Amplifier with Suitable Low-noise and High Gain Characteristics”, EJERS, European Journal of Engineering Research and Science Vol 2, No 8, August 2017

[4] David M Pozar (2012), Microwave Engineering, Fourth Edition, John Wiley & Sons, Inc

[5] Robert E Collin(2000), Foundations for Microwaves Engineering, IEEE

Press, John Willey & Son, INC, 2nd Edition

[6] T V Hoi, et al., “Design and Fabrication of High Gain Low Noise Amplifier at 4Ghz,” International Journal of Engineering and Innovation Technology (IJEIT), vol/issue: 4(7), 2015