Luận văn này đề cập một cách khái quát cơ sở phân tích và thiết kế mạch chia và ghép công suất siêu cao tần với nội dung như sau : Chương 1 : Giới thiệu hệ thống thông tin vệ tinh, các ứ
THÔNG TIN VỆ TINH
Tổng quan
Vệ tinh truyền thông là một thiết bị có khả năng thu phát sóng vô tuyến điện Sau khi được phóng vào vũ trụ để phục vụ truyền thông, vệ tinh sẽ nhận tín hiệu vô tuyến từ các trạm mặt đất, khuếch đại chúng và phát lại cho các trạm mặt đất khác, từ đó mở rộng phạm vi phủ sóng và cải thiện chất lượng liên lạc giữa các điểm đầu cuối.
Các vệ tinh được sử dụng để truyền thông tin được gọi là vệ tinh thông tin
Thông tin vệ tinh có các đặc điểm sau:
• Truyền thông tin trong một vùng rộng lớn
• Cước phí phù thuộc vào khoảng cách
Dựa trên chức năng của vệ tinh, ta có thể phân ra thành hai loại sau:
• Non-processing satellite: Còn được gọi là vệ tinh lặp (Repeater) hay
Chức năng chính của loại vệ tinh này là nhận tín hiệu uplink từ mặt đất, khuếch đại và đổi tần, rồi phát xuống trạm mặt đất dưới dạng tín hiệu downlink Vệ tinh này không xử lý tín hiệu hay nội dung dữ liệu; nó chỉ đảm nhận vai trò nhận, khuếch đại và chuyển tiếp tín hiệu giữa đường lên và đường xuống.
Vệ tinh xử lý (processing satellite) khác với vệ tinh Non-processing ở chỗ nó nhận tín hiệu uplink từ mặt đất, thực hiện giải điều chế và sửa lỗi tín hiệu, và thậm chí có thể thay đổi kiểu điều chế trước khi chuyển tần để phát xuống cho các trạm mặt đất.
Vệ tinh thông tin
Vệ tinh hoạt động với hai tần số vô tuyến và thường làm việc cùng nhiều trạm mặt đất để phục vụ ở nhiều vùng khác nhau Trong hệ thống vệ tinh, điều kiện anten sao cho bức xạ hướng tới vùng dịch vụ được chọn là yếu tố then chốt để bảo đảm liên lạc chất lượng Tuy nhiên, vệ tinh luôn chịu ảnh hưởng từ các tác động bên ngoài như bức xạ mặt trời và từ trường Trái Đất, vì vậy cần áp dụng các biện pháp để duy trì trạng thái ổn định cho vệ tinh.
Có 2 phương pháp điển hình đó là : Ổ n đị nh quay (Spin stablilized) : Là phương pháp ổn định trạng thái vệ tinh dùng nguyên lý con quay ở tốc độ cao duy trì một trạng thái không đổi
Vệ tinh quay quanh một trục riêng, nhưng để ổn định trạng thái và giảm tác động của nhiễu từ môi trường, nó cần sinh ra mô-men xoắn Các mô-men xoắn này được tạo ra bởi các bánh xe quay (reaction wheels), giúp hạn chế sự dao động và điều chỉnh hướng quay Hệ thống ổn định ba trục thân (three-axis body-stabilized) là phương pháp điều khiển trạng thái vệ tinh bằng cách hấp thụ các mô-men xoắn nhiễu loạn do các nguyên nhân khác nhau Phương pháp này sử dụng ba bánh xe quay đặt trên ba trục của vệ tinh để thực hiện điều chỉnh mô-men và duy trì trạng thái quay mong muốn.
Một vệ tinh thông tin bao gồm tải nhiệm vụ (payload) và thân vệ tinh
Việc tải nhiệm vụ lên vệ tinh nhằm thực hiện các chức năng của bus vệ tinh và mang theo nhiệm vụ được giao Nhiệm vụ của một vệ tinh thông tin bao gồm ăng-ten để truyền thông tin và bộ phát - thu dữ liệu Quá trình nạp nhiệm vụ đảm bảo vệ tinh hoạt động đúng mục tiêu, tối ưu liên lạc với hệ thống mặt đất và triển khai các chức năng được yêu cầu.
Hình: Cấu hình của một bộ phát đáp
Trong hệ thống vệ tinh thông tin, bộ phát đáp đóng vai trò chức năng chính: nhận tín hiệu vô tuyến từ các trạm mặt đất, khuếch đại và biến đổi tần số của chúng, rồi truyền tín hiệu trở lại mặt đất để được thu nhận và xử lý.
Bộ phát đáp của vệ tinh thông tin đóng vai trò là một bộ phát đáp tích cực trên quỹ đạo, khác với bộ phát đáp trên mặt đất ở chỗ nó phải hoạt động trong điều kiện không gian khắc nghiệt và liên tục xử lý tín hiệu ở khoảng cách xa Để đảm bảo tính tin cậy và hiệu quả liên thông, hệ thống này đòi hỏi độ tin cậy cao, thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và tiêu thụ ít công suất, vì nó phải tự cấp nguồn năng lượng và vận hành ổn định suốt thời gian bay Nhờ những đặc tính này, bộ phát đáp vệ tinh thông tin có thể duy trì liên lạc băng thông rộng, tối ưu hóa hiệu quả truyền dẫn và đảm bảo sự liên tục của mạng thông tin ở trên quỹ đạo.
Tần số trong thông tin vệ tinh
Trong hệ thống thông tin vệ tinh, băng tần SHF (3 GHz – 30 GHz) được sử dụng để truyền tín hiệu Tần số sóng mang từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là fu (uplink), trong khi tần số sóng mang từ vệ tinh xuống trạm mặt đất được gọi là fd (downlink) Khi trình bày tần số trong hệ thống thông tin vệ tinh, người ta thường thể hiện một cặp tần số fu/fd để mô tả đường liên lạc giữa mặt đất và vệ tinh.
* Các dãy tần số thuờng sử dụng tần số ở các băng tần: C, Ku, Ka
Băng C (6/4 GHz) ít bị suy hao do mưa nên mang lại tín hiệu ổn định ngay cả trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt Băng tần này trùng với tần số của hệ thống Viba dưới mặt đất, tạo điều kiện cho việc tích hợp và phối hợp tín hiệu giữa các hệ thống Băng C được sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và nhiều hệ thống vệ tinh khác, bao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa.
Băng Ku (14/11 GHz) là băng tần được dùng sau băng C cho viễn thông công cộng, và được ưu tiên cho thông tin nội địa cũng như thông tin giữa các công ty; nhờ tần số cao nên các trạm mặt đất có thể sử dụng anten có kích thước nhỏ.
Ka-band (30/20 GHz) có ưu điểm cho phép các trạm mặt đất nhỏ gọn và dễ triển khai trong thông tin vệ tinh, nhưng nhược điểm lớn của băng tần này là chi phí thiết bị tương đối cao và suy hao do mưa lớn, khiến chất lượng liên lạc bị ảnh hưởng khi thời tiết bất lợi.
30/20GHz có một ưu điểm là không gây nhiễu với các hệ thống viba
Băng tần (GHz) Tên Đặc tính và Ứng dụng
6/4 C Dùng trong thông tin quốc tế và nội địa
14/11 Ku Dùng trong thông tin quốc tế và nội địa
Bị suy hao do mưa
30/20 Ka Sử dụng trong thông tin nội địa
Bi suy hao nhiều do mưa
1.3.1 B ă ng t ầ n s ử d ụ ng trong thông tin v ệ tinh
Các nghiệp vụ thông tin vệ tinh được phân bổ băng tần dựa trên tính chất của từng dịch vụ Theo Thể lệ Vô tuyến điện (Radio Regulations) của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU), các nghiệp vụ thông tin vệ tinh được phân loại theo mục đích sử dụng, nhằm xác định các khung tần số và chế độ cấp phép phù hợp cho từng loại dịch vụ.
Nghiệp vụ cố định qua vệ tinh (Fixed Satellite Service FSS) là dịch vụ thông tin giữa các điểm cố định trên bề mặt Trái Đất thông qua một hoặc nhiều vệ tinh, cho phép truyền dữ liệu, thoại và hình ảnh giữa các vị trí cố định với độ ổn định và phạm vi phủ sóng rộng Các hệ thống vệ tinh FSS được triển khai để cung cấp liên kết thông tin ổn định cho doanh nghiệp và tổ chức ở những khu vực từ xa, giữa các văn phòng chi nhánh hoặc trung tâm dữ liệu, góp phần nâng cao hiệu quả liên lạc và trao đổi dữ liệu.
INTELSAT, INTERSPUTNIK được sử dụng cho viễn thông quốc tế Còn các hệ thống như EUTELSAT, CS của Nhật bản hay PALAPA của
Indonesia được sử dụng cho viễn thông khu vực hay nội địa
Nghiệp vụ di động qua vệ tinh (Mobile Satellite Service MSS) là dịch vụ thông tin dành cho các trạm mặt đất di động gắn trên tàu biển, ô tô, máy bay hoặc các thiết bị mang và di chuyển, kết nối với mạng viễn thông cố định MSS cho phép truyền thông tin và dữ liệu giữa các vị trí di động và mạng cố định, mở rộng phạm vi liên lạc ở vùng biển xa và trên đường bay, nơi không có hạ tầng viễn thông đất liền Hệ thống INMARSAT là một hệ thống quốc tế điển hình của MSS, cung cấp mạng viễn thông vệ tinh toàn cầu cho các hoạt động hàng hải, hàng không và các ứng dụng công nghiệp.
− Nghiệp vụ quảng bá qua vệ tinh (Broadcasting Satellite Service BSS):
Quảng bá qua vệ tinh BSS là dịch vụ thông tin dùng để phát các chương trình phát thanh và truyền hình qua vệ tinh, giúp phân phối nội dung tới khán giả một cách nhanh chóng và ổn định Hiện nay, dịch vụ này đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở khu vực Châu Á - Thái Bình Dương.
− Nghiệp vụ dẫn đường qua vệ tinh
− Nghiệp vụ thăm dò trái đất qua vệ tinh
− Nghiệp vụ khí tượng thủy văn qua vệ tinh
Hai loại nghiệp vụ FSS và BSS được phát triển rộng rãi và ứng dụng trên khắp thế giới, mang lại giải pháp truyền thông hiệu quả cho nhiều ngành Dịch vụ MSS cũng đang ngày càng phát triển để đáp ứng nhu cầu kết nối di động và dữ liệu ở quy mô toàn cầu Xu hướng hiện nay là các nước triển khai vệ tinh nội địa đa dịch vụ nhằm tối ưu hóa hạ tầng viễn thông, nâng cao khả năng liên lạc và an ninh chuỗi cung ứng thông tin.
Các băng tần trong dải từ 300 MHz đến 10 GHz ít bị ảnh hưởng bởi các điều kiện truyền sóng qua khí quyển, rất phù hợp cho triển khai hệ thống thông tin vệ tinh Vì vậy, trong những năm trước đây hệ thống vệ tinh dựa trên băng tần C đã hình thành và phát triển nhanh chóng Tuy nhiên, do quỹ đạo ngày càng chật chội và sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ và dịch vụ mới, việc sử dụng các băng tần cao hơn đã trở nên phổ biến hơn Vì thế, một số năm gần đây các nước đã tích cực triển khai hệ thống vệ tinh băng tần Ku.
Thống kê các băng tần do ITU phân bổ cho thông tin vệ tinh
Băng tần (GHz) Các ứng dụng điển hình
Băng tần Tuyến lên Tuyến xuống
Băng tần sử dụng rộng rãi nhất cho cả FSS và BSS 5,725 - 6,275
Dùng cho thông tin chính phủ, quân sự; ngày nay đã bắt đầu ứng dụng thương mại 13/11
Băng tần mở rộng Ku
(3 500 MHz) ít sử dụng, sử dụng ở một số nước như Nhật bản
Việc sử dụng hiệu quả băng tần cho thông tin vệ tinh là yếu tố then chốt để mở rộng dung lượng hệ thống và loại bỏ nhiễu Có nhiều phương pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần, trong đó nổi bật là tái sử dụng tần số giữa các kênh, tối ưu hóa phân bổ tài nguyên phổ và quản lý nhiễu Áp dụng các kỹ thuật điều chế và mã hóa hiện đại cùng với chiến lược phân chia băng tần thông minh giúp tăng lưu lượng dữ liệu, giảm can nhiễu và cải thiện hiệu suất truyền dẫn của hệ thống vệ tinh.
• Sử dụng phân ly phân cực, phổ biến là phân cực tròn (INTELSAT
Băng C – tròn trái và tròn phải) và phân cực tuyến tính (các vệ tinh vùng, nội địa Băng C và băng Ku – trái và phải)
• Sử dụng phân cách địa lý bằng các chùm tia khác nhau như chùm tia toàn cầu, bán cầu, vùng và điểm
Vệ tinh INTELSAT 705 có vùng phủ rộng và mở rộng khả năng tiếp cận các khu vực khác nhau Để sử dụng hiệu quả băng tần vệ tinh, ngoài các phương pháp tái sử dụng tần số, việc ứng dụng các phương thức điều chế và truy nhập vệ tinh cũng không kém phần quan trọng Đầu năm 2008, Việt Nam sẽ phóng vệ tinh Vinasat, vệ tinh đầu tiên của Việt Nam.
Vệ tinh này hoạt động trên băng tần C và Ku, cho thấy Việt Nam đã đạt được sự hội nhập đầy đủ và sâu rộng trong lĩnh vực thông tin và truyền thông Việc sở hữu vệ tinh thể hiện ý chí và quyết tâm của Đảng và Nhà nước trong việc đi tắt đón đầu khoa học và công nghệ, nhằm đẩy mạnh sự phát triển của đất nước dựa trên nguồn lực tri thức và công nghệ.
1.3.2 Đặ c đ i ể m c ủ a các h ệ th ố ng v ệ tinh trong các b ă ng t ầ n
Trước đây, các hệ thống vệ tinh chủ yếu sử dụng băng tần C và Ku Ngày nay, băng tần Ka đã được đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển, mở ra cơ hội tăng dung lượng truyền tải và cải thiện chất lượng liên kết vệ tinh Trong vài năm gần đây, các nước trong khu vực đã triển khai hoặc có kế hoạch triển khai vệ tinh hoạt động trên băng tần Ka để đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu nhanh và tin cậy.
Băng tần C (6/4 GHz) được sử dụng phổ biến trong các mạng FSS do đặc tính truyền sóng thuận lợi, ít bị ảnh hưởng bởi mưa và nhờ thiết bị cho băng tần này dễ chế tạo.
Các loại vệ tinh sử dụng băng tần C có dải rộng các đặc tính chính tuỳ thuộc vào mức độ bao phủ trái đất
Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần C
Toàn cầu Khu vực Nội địa
Hệ số khuếch đại của anten (dBi)
Các ứng dụng phổ biến
Thông tin vệ tinh có ưu điểm vượt trội so với hệ thống thông tin mặt đất nhờ khả năng phủ sóng và kết nối khắp mọi nơi trên toàn cầu Loạt bài về ứng dụng của thông tin vệ tinh, các băng tần và đặc điểm của hệ thống vệ tinh ở từng băng tần sẽ giúp người đọc có cái nhìn tổng quan và cơ bản về loại hình dịch vụ này.
Các ứng dụng phổ biến của thông tin vệ tinh:
So với các hệ thống thông tin mặt đất, thông tin vệ tinh có nhiều ưu điểm nổi bật và sẵn sàng ở khắp nơi, làm cho chúng đặc biệt hữu ích ở những vùng mà công nghệ khác không thể tiếp cận Thông tin vệ tinh đã phát triển nhanh chóng trong 3 thập kỷ qua và đến nay có khoảng 280 vệ tinh thương mại đang hoạt động, cung cấp một loạt dịch vụ viễn thông trên thị trường thông tin vệ tinh quốc tế Tại khu vực châu Á, có khoảng 20 nhà khai thác vệ tinh với 80 vệ tinh đang hoạt động, cung cấp các loại dịch vụ thông tin khác nhau.
Video là một trong những ứng dụng ban đầu của hệ thống thông tin vệ tinh Đến năm 1988, khi cáp quang xuyên biển được triển khai, thông tin vệ tinh được chọn để kết nối trung kế mạng điện thoại Từ đó, các nhà khai thác viễn thông dùng hệ thống thông tin vệ tinh để mở rộng hạ tầng mạng mặt đất, trước hết ở vai trò dự phòng và sau đó kết nối với mạng PSTN nhằm đáp ứng nhu cầu phục vụ viễn thông toàn cầu Tuy nhiên, nhờ tốc độ phát triển kinh tế nhanh và sự gia tăng nhu cầu sử dụng bộ phát đáp cho các cuộc gọi đường dài, cùng với các dịch vụ khác như Internet, VoIP, băng thông rộng, mạng dùng chung, video và mạng thông tin di động, hệ thống thông tin vệ tinh đã phát triển mạnh mẽ Dưới đây là một số ứng dụng của thông tin vệ tinh hiện nay.
1.4.1 Dịch vụ Internet qua vệ tinh:
Dịch vụ Internet qua vệ tinh được chia làm hai mảng chính: các dịch vụ trung kế (tương tự như trung kế trong hệ thống điện thoại) và truy nhập trực tiếp nhờ việc cài đặt VSAT hai chiều Các dịch vụ trung kế được cung cấp cho các nhà cung cấp dịch vụ Internet và các nhà khai thác mạng Internet.
- Đồng bộ, cận đồng bộ, song công
- Chia sẻ băng tần giữa các khu vực
- Truyền qua sóng mang số và băng tần Video số
- Khả năng tích hợp các dịch vụ thuê riêng/mạng hiện có bởi các thiết bị đầu cuối mặt đất IP
Dịch vụ truy nhập trực tiếp hiện nay được cung cấp chủ yếu cho các doanh nghiệp và khách hàng sử dụng Internet trực tiếp Các ứng dụng được chia làm hai nhóm: thời gian thực và thời gian không thực Nhóm ứng dụng tương tác thời gian thực bao gồm truy cập Web, hội nghị truyền hình, đào tạo từ xa, trò chơi trực tuyến, cập nhật cơ sở dữ liệu, ánh xạ Web Server và truyền các file có dung lượng lớn; nhóm ứng dụng thời gian không thực là video quảng bá một chiều Hiện nay các ứng dụng này không còn phụ thuộc vào một công nghệ duy nhất: đàm thoại không chỉ được thực hiện qua mạng điện thoại truyền thống mà còn có thể được thực hiện trực tiếp qua mạng Internet (VoIP), và phạm vi sử dụng không chỉ giới hạn ở mặt đất mà còn có thể dùng Internet khi bay trên máy bay.
Hình 1 Mô hình cung cấp dịch vụ Internet qua vệ tinh cho những khu vực nhỏ
Vệ tinh đóng vai trò ngày càng quan trọng trong lĩnh vực dịch vụ Internet và ngành này thực sự được phát triển từ giữa thập kỷ 1990 Vào năm 1996, hệ thống mạng Hughes Network Systems bắt đầu cung cấp dịch vụ truy cập Internet trực tiếp qua vệ tinh, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng cho việc mở rộng kết nối Internet đến các khu vực xa xôi và khó tiếp cận.
Internet từ máy tính cá nhân qua kết nối vệ tinh đạt tốc độ 400 kbit/s cho luồng dữ liệu giữa máy tính và vệ tinh, nhanh hơn 14 lần so với modem cổ điển 28,8 kbit/s (trước đây) và vượt xa tốc độ 56 kbit/s hiện nay; so với đường mạng tích hợp số ISDN, tốc độ 400 kbit/s được xem là nhanh gấp 3 lần.
ISDN (144 kbit/s) Vệ tinh cung cấp dịch vụ Internet này hoạt động trong băng tần
Băng Ku (14/11 GHz) có 8 bộ phát đáp 54 MHz và 16 bộ phát đáp 27 MHz, nhưng đối với các dịch vụ yêu cầu băng thông rộng như đa phương tiện, hội nghị truyền hình và truyền file lớn thì băng tần Ku chưa đáp ứng đầy đủ nhu cầu Vì thế, cần phát triển hệ thống thông tin vệ tinh dựa trên băng tần cao hơn như băng tần K (18-27 GHz) và Ka (27-40 GHz), với băng thông tương ứng lần lượt là 9 GHz và 13 GHz để tăng khả năng truyền tải dữ liệu và đảm bảo chất lượng dịch vụ.
Các dịch vụ truy nhập trực tiếp có hiệu quả kinh tế cao: được thiết kế cung cấp dịch vụ cho những địa điểm nhỏ như văn phòng, công ty nhỏ, người sử dụng đơn lẻ
Theo như dự đoán của các nhà nghiên cứu thị trường thì tới năm 2010 sẽ có khoảng
250 triệu gia đình và 38 triệu doanh nghiệp sử dụng dịch vụ băng thông rộng như các tuyến kết nối 2 Mbit/s hoặc cao hơn
Các nhà cung cấp viễn thông bên cạnh việc sử dụng hệ thống thông tin vệ tinh làm môi trường truyền dẫn, còn cung cấp các dịch vụ bao phủ toàn cầu bởi việc sử dụng các băng tần đã có như băng C, băng Ku và tiếp theo là băng Ka Thông tin vệ đất bằng việc đóng vai trò như là một mạng chuyển tiếp cung cấp dịch vụ trực tiếp tới khách hàng
Kỹ thuật nền tảng cho dịch vụ quảng bá thông tin vệ tinh dựa trên nền tảng giao thức Internet (IP), nhằm thiết lập các mạng đa phương tiện băng rộng phục vụ quảng bá và phân phối nội dung vệ tinh một cách hiệu quả.
Lưu lượng IP tăng vọt kể từ năm 1997, trở thành một trong những động lực tăng trưởng chủ lực cho các nhà khai thác vệ tinh Truy cập Internet băng rộng được thiết kế hai chiều, tương tự như truy cập DSL, kết hợp các giải pháp tích hợp và các lớp dịch vụ để phù hợp với nhu cầu về quy mô mạng Khách hàng chỉ cần mua lưu lượng họ cần, với độ tin cậy cao và phạm vi phủ sóng toàn cầu.
Việc sử dụng bộ phát đáp cho các tuyến trung kế Internet đã tăng đáng kể, trong đó vệ tinh có thể truyền tải lưu lượng lên tới 1300 Mbit/s cho mạng đường trục Internet Đối với các nhà khai thác vệ tinh, lợi nhuận chủ yếu đến từ khu vực phát thanh, truyền hình quảng bá, chiếm tới 70% từ việc cho thuê bộ phát đáp Tuy nhiên, con số này dự báo sẽ giảm khi nhu cầu cho các kết nối Internet trung kế, kết nối trực tiếp và mạng doanh nghiệp tăng cao.
Trong giai đoạn 1998-2000, dịch vụ Internet qua vệ tinh đã ghi nhận mức tăng trưởng toàn cầu ấn tượng lên tới 958%, cho thấy sự bùng nổ kết nối vệ tinh trên thị trường toàn cầu Theo dự báo, việc sử dụng các bộ phát đáp cho các tuyến ISP sẽ tăng khoảng 17% trong thời gian tới, cho thấy nhu cầu mở rộng hạ tầng vệ tinh để đáp ứng lưu lượng truy cập ngày càng tăng.
Hình 2 Tỷ lệ sử dụng băng thông vệ tinh trong khu vực châu Á năm 2000 và dự báo năm 2009
VoIP là phần thoại được truyền qua mạng Internet theo hai kiểu: điện thoại Internet, một dịch vụ "không quản lý" qua mạng công cộng, và thoại được truyền bằng giao thức Internet, một dịch vụ được quản lý sử dụng giao thức Internet với các gói thoại được quản lý để đảm bảo các mức chất lượng khác nhau VoIP được cung cấp bởi các nhà khai thác mạng theo các tuyến riêng VoIP qua vệ tinh mang lại nhiều thuận lợi: triển khai nhanh, luôn sẵn sàng và đáng tin cậy, vùng phủ toàn cầu, dễ mở rộng và có thể truy cập từ mọi địa hình như đất liền, biển, hải đảo, rừng và núi; chỉ với một hoặc vài nút mạng có thể kết nối tới các điểm truy cập mạng chính, giúp tránh tắc nghẽn so với các mạng IP khác Với những thuận lợi này, dịch vụ VoIP qua vệ tinh được kỳ vọng sẽ tăng trưởng đáng kể Năm 2001, lưu lượng thoại quốc tế VoIP tăng 47% đạt 5,2 tỷ phút, tương đương với 3% lưu lượng thoại quốc tế Tới năm 2007, số phút gọi quốc tế bằng VoIP được dự đoán lên tới 100 tỷ phút, cho thấy sự tăng trưởng đáng kể.
Công nghệ và đặc tính của aten
1.5.1 Yêu cầu hoạt động đối với anten thông tin vệ tinh: Để thu được những sóng yêu đến từ vệ tinh và để có thể phát đi các sóng có công suất đủ mạnh lên vệ tinh, an ten cần có các đặc tính sau:
1.5.1.1 Hệ số tăng ích cao và hiệu suất cao:
Mặc dù hệ số tăng ích của anten thường tăng theo diện tích, từ góc độ giá thành và tính thuận tiện khi khai thác, anten cần có hiệu suất cao (hiệu suất góc mở lớn) để đạt được hệ số tăng ích mong muốn trong khi diện tích càng nhỏ càng tốt Do đó, thiết kế anten nên cân bằng giữa diện tích và hiệu suất, tối ưu hóa chi phí và tính tiện dụng để đạt hiệu quả cao cho ứng dụng thực tế.
1.5.1.2 Hướng tính cao và búp sóng nhỏ:
Trong thông tin vệ tinh, ăng-ten được thiết kế có tính định hướng cao và búp sóng nhỏ (tia hẹp) để tập trung tín hiệu, giảm nhiễu với các hệ thống vô tuyến khác và đảm bảo liên thông ổn định giữa vệ tinh và các trạm mặt đất.
1.5.1.3 Đặc tính phân cực tốt:
Để khai thác tối đa các tần số, anten cần có khả năng phân cực tốt Điều này được đạt bằng cách ghép các sóng phân cực ngang và phân cực đứng thành phân cực vuông góc, hoặc ghép thành các sóng phân cực tròn trái và phải trong phân cực tròn, giúp tối ưu hóa khả năng truyền nhận và giảm suy hao tín hiệu trên các kênh tần số khác nhau.
Phân cực là hướng dao động của điện trường trong môi trường và quyết định cách tín hiệu vô tuyến được phát và nhận Trong thông tin vệ tinh, hai loại phân cực sóng được sử dụng phổ biến là phân cực thẳng (phân cực tuyến tính) và phân cực tròn Phân cực thẳng xác định hướng dao động của trường điện từ theo một phương cố định, thuận tiện cho ghép kênh và tối ưu hóa hiệu suất khi điều kiện truyền ổn định; còn phân cực tròn cho phép trường điện từ quay đều theo thời gian, giúp tăng độ tin cậy và giảm ảnh hưởng của lệch pha hoặc nhiễu trên các đường truyền khác nhau Việc lựa chọn phân cực phù hợp ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu và khả năng nhận vệ tinh ở các vị trí thu khác nhau.
Sóng bức xạ từ anten phát có phân cực đứng hoặc ngang Để thu được sóng phân cực thẳng, anten thu phải được căn chỉnh phù hợp với hướng phân cực của sóng, tức là phối hợp với anten phát Nhờ sự nhất quán về phân cực này, việc thiết kế và vận hành hệ thống anten cho phân cực thẳng trở nên khá đơn giản.
Sóng phân cực tròn là loại sóng điện từ mà phân cực của nó quay liên tục khi truyền Nó được hình thành bằng hai sóng phân cực thẳng lệch pha 90 độ với nhau Sự lệch pha 90 độ giữa hai thành phần cho phép tổng hợp nên một sóng có phân cực tròn; phân cực tròn có thể là phải hay trái, tùy thuộc vào sự khác pha giữa hai sóng phân cực thẳng, tức là sớm pha hay chậm pha.
Phân cực quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ với tần số bằng tần số của sóng mang (phân cực RHCP và LHCP) Đối với sóng phân cực tròn, anten ở phía thu không cần điều chỉnh để phối hợp phân cực với phía phát, giúp đơn giản hóa phần truyền Tuy nhiên, yêu cầu ở mạch phía thu trở nên phức tạp hơn để đảm bảo nhận tín hiệu đúng và ổn định trong các hệ thống RF Việc chọn loại phân cực và thiết kế mạch thu ảnh hưởng tới hiệu suất truyền dẫn và chất lượng tín hiệu trong mạng vô tuyến.
Các loại anten
1.6.1 Anten parabon, có sơ cấp đặt tại tiêu điểm: Đây là loại anten có cấu trúc đơn giản nhất và giá thành thấp nhất Nó dùng chủ yếu ở các trạm chỉ thu không phát và các trạm nhỏ đặc biệt với dung lượng thấp Tuy nhiên các đặc tính của nó như hệ số trăng ích búp phụ không được tốt
Một nhược điểm khác là cáp đấu nối từ loa thu phát đến máy phát và máy thu thường dài, khiến việc bố trí tại các trạm mặt đất thông thường gặp khó khăn Vì chiều dài cáp này, thiết bị này ít được sử dụng ở các trạm mặt đất tiêu chuẩn.
Việc bổ sung gương phản xạ phụ vào gương phản xạ chính của anten làm tăng gain và cải thiện nhẹ các đặc tính của búp phụ.
Antenn được sử dụng cho các trạm bình thường với quy mô trung bình Cải tiến quan trọng nhất ở anten cassegrain so với anten parabolic là cách sắp xếp và khoảng cách giữa máy phát và mặt phản xạ chính được tối ưu hóa, cho phép thiết kế ngắn gọn hơn mà vẫn duy trì hiệu suất và độ lợi cao Cấu trúc cassegrain bổ sung một gương phản phụ để hướng tín hiệu RF một cách hiệu quả, giúp giảm chiều dài tổng thể của hệ thống mà không làm giảm chất lượng Nhờ tối ưu hóa này, anten cassegrain phù hợp với các trạm phát sóng trung bình, đáp ứng yêu cầu về hiệu suất ổn định và kích thước vừa phải.
“cái bức xạ” có thể được rút ngắn vì vậy cho phép khai thác dể dàng
Anten lệch có bộ phận fidô và gương phản xạ phụ được đặt lệch một ít so với hướng trục của gương phản xạ để các bộ phận fidô và gương phản xạ nhỏ không chặn đường đi của sóng, do đó búp sóng phụ được cải thiện rất lớn so với anten cassegrain, dẫn đến hệ số tăng ích lớn hơn Ngoài ra anten parabon lệch với gương phản xạ còn có hai loại anten khác thuộc loại này: một là loại “Gregorian lệch” có gương phản xạ phụ dạng elip; hai là cassegrain lệch có gương phụ dạng hyperbolic Các anten này có hiệu quả đặc biệt khi cần thiết giảm can nhiễu từ các đường thông tin viba trên mặt đất hoặc các vệ tinh khác trên mặt đất ở các vị trí kề nhau trên quĩ đạo.
Hệ thống quay bám vệ tinh
Vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh có vị trí dao động theo các hướng với biên độ ±0,1°, vì vậy anten trạm mặt đất phải luôn bám theo vệ tinh để giữ liên kết Có ba hệ thống quay bám chính: hệ thống quay bám theo xung đơn, hệ thống bám từng nấc và hệ thống điều khiển theo chương trình Hệ thống quay bám theo xung đơn xác định tâm búp sóng của anten để điều khiển hướng anten bằng cách phát ra bốn bức xạ có hướng lệch so với tâm búp hoặc dùng một sóng bậc cao hơn từ ống dẫn sóng tròn để lấy tín hiệu sai lệch; hệ thống này đòi hỏi một fiđơ phức tạp và chi phí cao do sử dụng nhiều máy thu, và được áp dụng cho các anten đường kính lớn có độ rộng búp sóng ở mức một nửa công suất ≤ 0,1° hoặc nhỏ hơn, đồng thời phải bắt tín hiệu vệ tinh tại tâm búp Hệ thống bám từng nấc điều chỉnh nhẹ vị trí anten vào những thời điểm xác định sao cho tín hiệu thu được đạt cực đại; hệ thống này phù hợp cho các anten có kích thước nhỏ và trung bình mà chất lượng liên lạc không bị ảnh hưởng nhiều khi vị trí anten không được điều chỉnh chặt chẽ Hệ thống điều khiển theo chương trình điều khiển anten dựa trên dự đoán quỹ đạo vệ tinh để tối ưu hóa việc theo dõi và liên kết.
Giới thiệu về ADS
Các bước cơ bản về ADS
Để bắt đầu dự án, hãy tạo một thư mục hồ sơ dự án để lưu trữ tài liệu và mô hình thiết kế; sau đó dựng sơ đồ mạch bằng các thành phần ghép, kết nối chúng đúng theo yêu cầu thiết kế Tiến hành mô phỏng mạch nhằm xác định các tham số S-parameters của hệ thống, phân tích đáp ứng ở các tần số và điều kiện làm việc khác nhau Kết quả mô phỏng được trình bày bằng đồ thị/biểu đồ rõ ràng, giúp đánh giá hiệu suất và hỗ trợ quyết định thiết kế.
Các linh kiện sử dụng để thiết kế trong ADS
MLEF (Microstrip Line Open-End Effect)
2.1.1 Tạo mới một project và tạo sơ đồ mạch
Khi lần đầu tiên sử dụng ADS (Advanced Design System) hoặc trong quá trình làm việc sau này, bạn có thể cài đặt các tùy chọn hỗ trợ cho thiết kế của mình Các tùy chọn này gồm tín hiệu Analog/RF, xử lý tín hiệu số (DSP), hoặc kết hợp cả hai tùy theo yêu cầu thiết kế Việc bật đúng các chế độ hỗ trợ sẽ nâng cao độ chính xác của mô phỏng, tối ưu hóa hiệu suất thiết kế và rút ngắn thời gian phát triển Đây là cách tối ưu hóa quy trình làm việc với ADS để đạt hiệu quả tốt nhất cho các dự án RF và số.
Nên chọn tùy chọn là cả hai, các thiết lập mặc định cho Analog/RF
Mở chương trình ADS (Advanced Design System)
Nhấp vào nút Browse để chọn thư mục lưu project
Chọn đơn vị chiều dài là millimeters
2.1.2 Sử dụng chương trình Linecalc
Linecalc là một chương trình trong ADS được sử dụng để phân tích rất nhiều loại đường truyền khác nhau
Trong thiết kế microstrip, ta có thể nhập các tham số bề mặt như độ dày lớp và hằng số điện môi, sau đó dùng công cụ Linecalc để tính toán trở kháng đặc trưng (Z0) cho chiều rộng đường truyền Đây là chế độ phân tích (analysis mode), cho phép đánh giá và tối ưu đường dẫn tín hiệu trước khi sản xuất.
Bạn cũng có thể chỉ định chất nền và trở kháng đặc tính, và dùng Linecalc xác định chiều rộng đường dẫn cần thiết, đây là chế độ “synthesis”
Linecalc sử dụng các kỹ thuật linh hoạt và chính xác để tính toán độ dày kim loại, độ dẫn điện và các đặc tính phụ thuộc tần số Nhờ các phương pháp này, người dùng có thể đo lường và ước lượng các tham số một cách nhanh chóng và tin cậy, giúp tối ưu hóa hiệu suất và đáp ứng nhu cầu SEO với các từ khóa như Linecalc, kỹ thuật đo lường, độ dẫn điện, độ dày kim loại và tần số phụ thuộc.
Chương trình Linecalc được khởi động bằng cách : trong cửa sổ sơ đồ mạch chọn
Sử dụng Linecalc để tính toán đường truyền Microstrip Lines
1 Chọn giá trị tần số nằm trong khoảng trung tâm của khoảng cách cần quan tâm; trong ví dụ này, chọn 1,5 Ghz
2 Trong cửa sổ Component Type, nhấp vào nút Select Di chuyển xuống danh sách các loại linh kiện và tìm MLIN (viết tắt của dòng microstrip), chọn linh kiện này và nhấn nút Apply và OK
3 Xác định chất nền Giả sử đang sử dụng một sợi thủy tinh dựa trên board
FR4 có hằng số điện môi Er bằng 4,3 và độ dày H = 1,57 mm Độ dày lớp kim loại (T) là 0,043 mm và hệ số mất điện môi TanD (tan delta) là 0,022.
Bạn sẽ tìm thấy mỗi một trong các thông số trong cửa sổ tham số bề mặt
Để mô phỏng đúng, các tham số còn lại nên đặt như sau: Mur (tính thấm tương đối) bằng 1.0; Hu (chiều cao của lá chắn phía trên) bằng 3.9e34 mil hoặc một giá trị lớn khác khi không có lá chắn phía trên; Cond (độ dẫn điện kim loại) bằng 4.1e7; Rough (độ nhám kim loại) bằng 0 mil.
4 Wall1 và Wall2 (ở khu vực thành phần tham số) cho phép xác định khoảng cách đến sidewalls kim loại, nếu họ đang có hiện nay Chúng tôi không sử dụng dây chuyền có kiểu này che chắn, do đó, các giá trị này nên được nhập như số không, chỉ để Linecalc rằng họ không phải là để được xem xét trong phân tích
6 Thay đổi W (chiều rộng đường truyền) đến 3,0 mm và L (chiều dài đường truyền) đến 100 mm và nhấp vào nút Analyze
7 Trong cửa sổ Electrical Parameters, sẽ thấy giá trị kết quả của các đặc tính trở kháng (ZO) là 50,0076 Ω và chiều dài điện (E_Eff) là 325,216 độ
Chiều dài này tương ứng với chiều dài vật lý 100,0 mm, tại tần số quy định
Ví dụ ở tần số 1,5 GHz, ta sử dụng các hằng số điện môi hiệu quả cho các đường truyền Trong cửa sổ Calculated Results, K_Eff (hiệu quả điện môi liên tục) có giá trị 3,259 và A_DB (suy hao toàn phần trên đường truyền dài 100,0 mm) là 0,53 dB, cho thấy đường truyền này có mức suy hao tương đối thấp.
0,0053 dB / mm), và độ Skin depth là 0,079 mil (hoặc 2 micron)
8 Thay đổi W đến 2,0 mm và bấm vào nút analyze, các tham số được tính toán lại (tăng trở kháng đặc tính đến 62,6 Ω, vv)
9 Phương pháp “synthesis” (tổng hợp)
10 Muốn biết chiều rộng của dường truyền cần thiết để đạt được một trở kháng
40 Ω Trong cửa sổ Electrical Parameters, thay đổi ZO đến 40 Cũng có thể chỉ định một E_EFF chiều dài điện mong muốn
11 W đã tăng lên đến 4,286 (mm) Các thông số khác (chẳng hạn như độ dài vật lý L cần thiết để đạt được độ dài quy định điện, E_Eff, cũng như các thông số trong các Calculated Results cửa sổ) cũng sẽ được tự động điều chỉnh
2.2 Thiết kế mạch sử dụng đường truyền vi giải trong ADS
Mở thư mục project sẽ có một cửa sổ mạch mới Bấm vào File> Save As và đặt tên cho mạch tên như msdemo
Đầu tiên mở Palette, kéo xuống và chọn Tlines – Microstrip Thêm một định nghĩa bề mặt MSUB cho mạch Nhấp đôi vào linh kiện MSUB và nhập các giá trị: H (bề dày) = 1,57 mm, Er (hằng số điện môi) = 4,3.
Trong mô hình thiết kế, các tham số vật liệu được xác định như sau: Mur (thấm tương đối) = 1, Cond (độ dẫn điện kim loại) = 5,8e7, Hu (chiều cao phía trên lá chắn) = mm 1e33, T (dẫn độ dày) = 0,043 mm, TanD (dielectric loss tangent) = 0,022 và Rough (độ nhám bề mặt) = 0 mm Những tham số này cho phép đánh giá khả năng thấm, dẫn điện và tiêu hao năng lượng của lớp điện môi cũng như đặc tính của lá chắn, đồng thời cho biết chiều cao phía trên lá chắn, độ dày dẫn và độ nhám bề mặt Nhấp OK để xác nhận.
Để thiết kế đường truyền vi giải Microstrip Line (MLIN), thêm đường truyền và thiết lập các tham số cơ bản: subst (định nghĩa bề mặt) = Msub1, W (chiều rộng đường truyền) = 1,38 mm, L (chiều dài đường truyền) = 21,4 mm Các tham số Wall1, Wall2 và Nhiệt độ không cần thiết lập cho mục đích này Việc xác định các tham số trên tạo ra MLIN với bề mặt và kích thước vật lý cố định, phục vụ cho mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế RF.
Thêm một điện trở rời vào mạch và đặt giá trị R = 112 Ohms
Cuối cùng thêm một mạch RF ngắn (MLEF) và đặt giá trị : W = 6,49 mm, L 19,93 mm và chỉ định subst = MSub1 như trước
Chọn linh kiện Term và đặt giá trị R = 50 Ohms
Nối các linh kiện lại để hoàn chỉnh mạch
Cuôi cùng cài đặt các tham số mô phỏng S-parameter
Thiết lập tần số bắt đầu 0,1 GHz, tần số dừng 5 GHz, và mỗi lần tăng 0,1 GHz
Bấm nút mô phòng ta thu được biểu đồ
Sử dụng chương trình Linecalc
sử dụng phần mềm Agilient ADS
MẠCH GHÉP VÀ CHIA CÔNG SUÁT CAO TẦN Đặc tính cơ sở :
Các bộ ghép và chia công suất định hướng và hỗn hợp là các phần tử thụ động hoạt động ở tần số vô tuyến cực cao, được sử dụng để phân chia hoặc ghép công suất tín hiệu.
Các phần tử này có thể được coi như mạng 3 cửa hoặc 4 cửa
Bộ chia công suất thường có dạng 3 cửa hoặc 4 cửa Các loại 3 cửa phổ biến bao gồm bộ T-junction, mạch Wilkinson (mạch chia công suất Wilkinson), mạch circulator và các cấu hình tương tự, có thể chia công suất thành hai nhánh theo tỉ lệ 1:1 (chia 3 dB) hoặc chia không đều Các bộ ghép định hướng có thể được dùng để chia công suất không đồng đều, trong khi các bộ ghép hỗn hợp (ghép 90° hoặc ghép 180°) có thể chia công suất đều nhau.
Với đề tài luận văn này sinh viên xin tập trung để phân tích 2 mạch chính là
Mô hình mạng 3 cửa chia hoặc ghép công suất được trình bày ở hình trên Ma trận tán xạ [S] của mạng 3 cửa có dạng như sau :
Trong một mạng 3 cửa thụ động và không chứa phần tử định hướng từ, ma trận S sẽ có tính thuận nghịch và sẽ đối xứng (Skl = Slk) Thông thường để tránh tiêu hao công suất tín hiệu và có phối hợp trở kháng đồng thời tại cả ba cửa, ta mong muốn một mạng 3 cửa không tổn hao Tuy nhiên, điều này không thực hiện được: mạng 3 cửa sẽ không thể đồng thời có tính thuận nghịch, không có tổn hao và phối hợp trở kháng tại tất cả các cửa Có nghĩa là mạng 3 cửa sẽ hoặc không có tính thuận nghịch, hoặc có tổn hao, hoặc phải mất phối hợp trở kháng đồng thời tại các cửa Đây là một đặc tính quan trọng cần lưu ý.
Thiết kế các mạch chia ghép công suất cao tần
Mạng 3 cửa
Mô hình mạng 3 cửa chia hoặc ghép công suất được trình bày ở hình trên Ma trận tán xạ [S] của mạng 3 cửa có dạng như sau :
Trong một mạng 3 cửa thụ động và không chứa phần tử định hướng từ, tính thuận nghịch và tính đối xứng của ma trận S (Skl = Slk) là đặc trưng quan trọng Thông thường để tránh tiêu hao công suất tín hiệu, người ta mong mạng 3 cửa không tổn hao và có phối hợp trở kháng đồng thời tại cả ba cửa Tuy nhiên điều này không thực hiện được: mạng 3 cửa sẽ hoặc không có tính thuận nghịch, hoặc có tổn hao, hoặc phải mất phối hợp trở kháng đồng thời tại các cửa Đây là đặc tính mà chúng ta phải lưu ý.
Thật vậy, nếu cả 3 cửa của mạng đều được phối hợp trở kháng đồng thời, ta phải có
Skk =0, k=1,3 Thêm nữa nếu mạng là thuận nghịch, nhờ tính chất đối xứng của mạng, ta có thể viết ma trận [S ] ở hình 1 thành
Mặt khác, nếu mạng 3 của là không tổn hao, định luật bảo toàn công suất tại các cửa sẽ dẩn đến đặc tính Kroneckerr của mạng
Các phương trình (1.d), (1.e) và (1.f) cho thấy có ít nhất 2 trong số 3 thông số S12,
S13, S23 phải bằng 0 nhưng đều này lại trái ngược với các phương trình
Trong thiết kế mạng ba cửa, không thể đồng thời đạt được cả ba đặc tính: không tổn hao, và phối hợp trở kháng tại cả ba cửa Chúng ta chỉ có thể thiết kế mạng 3 cửa khi đã chấp nhận hy sinh một trong các tiêu chuẩn trên.
Nếu mạng 3 cửa là không thuận nghịch , Skl # Slk, (S12#S21, S13#S31, S23#S32), tiêu chuẩn về mạng không tổn hao có phối hợp trở kháng tại 3 cửa là khả thi
Lúc này ma trận s có dạng
Vì mạng là không tổn hao, ma trận [S] phải có tính chất Unitary (tương tự như đặc tính Kronecker cho mạng thuận nghịch):
Hệ phương trình (2) được thỏa mãn với một trong 2 điều kiện sau:
Hoặc S21 = S32 = S31 =0 và S 12 = S 23 = S 31 = 1 (3.b) Điều này cho thấy Skl 3 # Slk với K #1, mạng 3 cửa không thuận nghịch
Trong một mạng ba cửa có tính thuận nghịch và không tổn hao, tối đa chỉ có hai cửa có thể được phối hợp trở kháng; ba cửa không thể đồng thời đạt impedance matching Giả sử cửa 1 và cửa 2 được phối hợp trở kháng, điều này sẽ giới hạn các tham số của cửa thứ ba và xác định cách mà phản xạ và truyền công suất phân bổ giữa các cổng, nhờ tính đối xứng và bảo toàn công suất của mạng Do đó, khi hai cửa đã được tối ưu hóa trở kháng, cửa còn lại sẽ tuân theo các điều kiện đặc thù để duy trì mạng ở trạng thái impedance matching theo thiết kế.
(S11=S22=0), ma trận [S] của mạng 3 cửa là
Vì mạng 3 cửa là thuận nghichj và không tổn hao, ta có thể áp dụng đặc tính
Kronecker trong trường hợp này :
Biểu thức (4d) và (4.e) cho phép rút ra S 13 = S 23 , và do đó từ biểu thức (4a) ta suy ra : S13=S23=0
Trong mạng 3 cửa có tổn hao, nó vẫn duy trì tính thuận nghịch và có thể phối hợp trở kháng đồng thời ở các cửa Đây là trường hợp điển hình của mạch chia công suất bằng điện trở, hay cầu chia Wilkinson, nhằm phân bổ công suất giữa các cổng một cách cân bằng và hạn chế phản xạ Việc thiết kế cầu chia Wilkinson đòi hỏi lựa chọn các giá trị điện trở sao cho các cửa được khớp trở kháng và tổng thể mạng đạt được đặc tính truyền tải mong muốn Phần sau sẽ trình bày chi tiết về nguyên lý và cách thiết kế của cầu chia Wilkinson.
3.1.1 Thiết kế mạch ghép – chia công suất Wilkinson :
Mạch Wilkinson gồm có 3 cửa , chiều dài mỗi nhánh là λ/ 4do vậy mạch chỉ hoạt động ứng với 1 tần số f0 nhất định
Mạch được sử dụng để ghép và chia công suât :
Mạch chia công suất : tín hiệu vào cửa 1 và tín hiệu ra ở cửa 2 và cửa 3 (1 ngõ vào,
Mạch ghép công suất : 2 tín hiệu vào được đặt tại cửa 2 và cửa 3, tín hiệu ra tại cửa
Mỗi nhánh có chiều dài λ/ 4 và có trở kháng là
Mà Z0 = 50 Ohms nên mỗi nhánh có trở kháng là 70,71 Ohms
Khởi động ADS để bắt đầu thiết kế mạch
Ta đặt các giá trị của MSUB (Microstrip Substrate) như sau : Er = 2,3; H = 1 mm
Tiếp theo là chèn các các MLIN
Ta có thể dùng chương trình LineCalc của ADS để tính các giá trị W và L của các
MLIN cho phù hợp với yêu cầu của thiết kế, ở đây yêu cầu là thiết kế bộ chia công suất ở f0 = 4 GHz
Chiều dài của MLIN là nên ta có thể tính ra
Trở kháng của MLIN là
Nhập các giá trị Z0 và Eeff và tần số f0 = 4 GHz vào và bấm nút Synthesize (tổng hợp) thì ta sẽ được chiều dài và chiều rộng của MLIN
Lúc này ta thu được chiều rộng W = 1,709 mm và chiều dài L = 13,604 mm, ta nhập các giá trị vừa tính được vào các MLIN trong thiết kế
Tiếp theo là ta cho các MTEE và MCURVE vào mạch
Chúng ta sẽ điều chỉnh các giá trị chiều rộng W của MCURVE và các tham số W1, W2 theo giá trị W là 1,709 mm của MLIN, đồng thời đặt góc Angle của MCURVE bằng 180 độ; bán kính Radius có thể được thay đổi tùy thuộc vào điều kiện Radius để đáp ứng yêu cầu thiết kế.
Sau đó ta nối các linh kiện lại thành mạch như sau :
Do các linh kiện TEE 1, TEE 2, TEE 3 có các giá trị W3 lớn nên khi ta nối lại mạch thì sẽ làm chiều dài tổng cộng của 2 nhánh sẽ lớn hơn λ/ 4, do đó chiều dài của các
MLIN sẽ thay đổi : l mới = l cũ – 1/2W 3-TEE1 - W 3-TEE2 = 13.604mm – 1.5mm – 3mm = 9.104mm
Gắn các Port vào để xác định thứ tự port và chạy Layout, ta sẽ có được Layout của mạch :
Sau đó gắn các Term và mô phỏng ta thu được kết quả : Điểm m1 biểu thị:
Dựa vào kết quả mô phỏng ta thấy rằng: tín hiệu công suất tại tần số 4 Ghz Từ của
1 sau khi qua của 2 sẽ bị suy hao đi 3 db Vì là bộ chia công suất nên trên đồ thị ta thấy được độ suy hao là -3 db
Tương tự như kết quả mô phỏng dB(S(2,1)) Ta thu được kết quả dB(S(3,1)) tại cửa 3
-60 0 freq, GHz d B (S (1 ,1 )) d B (S (2 ,1 )) m3 d B (S (3 ,1 )) m3 freq dB(S(2,1))=-3.010 4.000GHz
Từ kết quả mô phỏng ta thấy được mạch Wilkinson chỉ đúng tại một tần số hoạt động f0 định trước (do chiều dài của mỗi đường truyền là tại λ/ 4 tại mỗi f0 xác định)
Tại các tần số khác, các đặc tính này, nhất là sự phối hợp trở kháng tại các cửa đều thay đổi
Mạng 4 cửa
Với một mạng 4 cửa thuận nghịch (Slk=Skl) và được phối hợp trở kháng tại các cửa
(S11=S22=S33=S44 =0) ma trận tán xạ [S] có dạng sau:
Đối với một mạng 4 cửa không tổn hao, điều kiện Kronecker (bảo toàn công suất) cho phép thiết lập một hệ gồm mười phương trình số thực độc lập tuyến tính với các hệ số Skl.
Chẳng hạn, chúng ta xét tích số của liên hợp phức hàng 1 với hàng 2 và tích số cửa liên hợp phức hàng 3 và hàng 4.:
Nhân (5.a) với S*24 và (5.b) với S*13 rồi trừ hai phương trình cho nhau ta có
Tương tự, tích số của liên hiệp hàm phức của hàng 1 với hang 3 và tích số liên hợp phức hàng 4 với hàng 2 cho :
Nhân (5e) với S12 và (5.f) với S34, rồi trừ 2 phương trình cho nhau, ta có:
Một bội nghiệm của phương trình (5.c) và (6.a) là
Hình vẽ minh họa mạng 4 cổng thỏa mãn điều kiện (7) Với bộ ghép định hướng tín hiệu vào tại cửa 1 và ra tại cửa 2 và 3, còn cửa 4 không phát ra tín hiệu Lúc này điều kiện bảo toàn công suất áp dụng cho mỗi hàng của ma trận [S] cho ta 4 phương trình.
Từ (8.a) và (8.b) ta suy ra :
Từ (8.a) và (8.c) ta suy ra
Bằng cách chọn gốc về pha phù hợp ta có giả thuyết rằng :
Trong đó α , β là các số thực θ,φ là góc lệch pha giữa các cửa, cần phải được xác định
Mặt khác tích số liên hiệp phức giữa hàng 2 và hang 3 của ma trận trong điều kiện (7) là
Kết hợp lại ta suy ra θ + φ = π ± 2Kπ
Nếu bỏ qua thành phần 2kπ, ta có thể chia thành 2 trường hợp của mạch ghép định hướng thường gặp
A.Ghép định hướng đối xứng: θ = φ = π /2
Mặt khác từ điều kiện (8), ta cũng rút ra β = 1 − α 2 (a4)
Do đó , ma trận [S] của mạch ghép định hướng đối xứng là
B Ghép định hướng phản đối xứng: θ =0, φ =π
Kết hợp với (a4) ta có thể viết ma trận [S] như sau :
Trong cả hai trường hợp ghép định hướng, so với mô hình mạch ghép ở hình, ta nhận thấy công suất đưa vào cửa 1 được ghép sang cửa 2 với hệ số ghép |S12|^2 = α^2 và được ghép sang cửa 3 với hệ số ghép |S13|^2 = β^2 = 1 − α^2, với α^2 + β^2 = 1; cửa 4 hoàn toàn cách ly với cửa 1 (S14 = 0).
Mạch ghép hổn hợp (hybrid) là trường hợp riêng của mạch ghép định hướng với điều kiện hệ số ghép là α =β = 1/ 2 (ghép 3db) Có 2 dạng mạch ghép hổn hợp
Mạch ghép lệch pha 90 độ giữa cửa 2 và cửa 3 xuất hiện khi tín hiệu được đưa vào cửa 1 với θ = φ = π/2; đây là trường hợp mạch ghép định hướng đối xứng 3 dB, có ma trận [S] phản ánh sự phân bố công suất và pha giữa các cổng Với cấu hình này, tín hiệu vào cửa 1 được phân chia đồng đều tới cửa 2 và cửa 3 và tạo ra lệch pha 90 độ giữa các nhánh, cho phép tối ưu hóa định hướng của hệ thống ở mức 3 dB Ma trận [S] của mạch ghép đối xứng 3 dB là công cụ để phân tích đáp ứng tần số và hướng của mạch, phục vụ các ứng dụng RF và vi sóng như truyền tín hiệu, lựa chọn hướng và cân bằng tín hiệu.
Mạch ghép hổn hợp 180 0 (còn gọi là mạch ghép T-magic hoặc rat- race)
Trong mạch ghép định hướng phản đối xứng 3 dB, đặc tính lệch pha giữa các cổng được xác định bởi điều kiện kích tín Khi tín hiệu được đưa vào cửa 4, lệch pha giữa cửa 2 và cửa 3 là 180 độ, cho thấy hai nhánh nhận tín hiệu ngược pha Ngược lại, khi tín hiệu được đưa vào cửa 1 với θ = 0 và φ = π, cửa 2 và cửa 3 nhận tín hiệu đồng pha và không có lệch pha giữa chúng Đây là trường hợp đặc trưng của mạch ghép định hướng phản đối xứng 3 dB có ma trận [S] như sau.
3.2.1 Thiết kệ mạch ghép hỗn hợp 90 o
Mạch ghép hỗn hợp 90 độ (quadrature hybrid) là một mạch ghép định hướng 3 dB có cửa 1 là cửa vào (input), các tín hiệu ra tại cửa 2 là cửa xuyên (through) và tại cửa 3 là cửa ghép (coupled), còn cửa 4 là cửa cô lập (isolated) Mạch này phân phối tín hiệu từ cửa vào sang hai nhánh với pha lệch 90 độ và công suất phân bố gần bằng 3 dB giữa nhánh xuyên và nhánh ghép, đồng thời giảm nhiễu và phản hồi giữa các nhánh Với đặc tính pha 90 độ và cân bằng công suất, quadrature hybrid được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống RF như hỗn hợp I/Q, điều chế và giải điều chế tín hiệu, cũng như ghép nhận tín hiệu một cách hiệu quả.
3 là cửa ghép (coupled) là luôn luôn bằng nhau vê biên độ và vuông pha với nhau
Không có tín hiệu ra tại cửa 4 là cửa cách ly (isolated)
Cấu trúc mạch ghép hỗn hợp 90 0 được sử dụng khi có yêu cầu hệ số ghép 3 db (chia đôi công suất tín hiệu vào cửa 1)
Ma trận tán xạ [S] của mạch :
Các hệ số Sij của mạng [S] thể hiện mức phối hợp trở kháng tại mỗi cửa, độ lệch pha giữa hai tín hiệu ra tại cửa 2 và cửa 3, và sự cô lập của cửa 4 so với cửa 1 Đặc điểm của mạch ghép hỗn hợp 90° là cấu trúc hoàn toàn đối xứng giữa các cửa; bất kỳ cửa nào cũng có thể được dùng làm cửa tín hiệu vào, trong khi cửa xuyên và cửa ghép luôn nằm ở một phía của mạch, và cửa cách ly luôn ở cùng phía với cửa vào.
Khởi động ADS để bắt đầu thiết kế mạch
Ta đặt các giá trị của MSUB (Microstrip Substrate) như sau : Er = 2,3; H = 1 mm
Tiếp theo là chèn các các MLIN
Ta có thể dùng chương trình LineCalc của ADS để tính các giá trị W và L của các
MLIN cho phù hợp với yêu cầu của thiết kế, ở đây yêu cầu là thiết kế bộ chia công suất ở f0 = 4 GHz
Chiều dài của MLIN là nên ta có thể tính ra
Trở kháng của các MLIN TL1 và TL2 là
Từ LineCalc ta tính ra được chiều dài L và chiều rộng W của 2 MLIN TL1 và
TL2 với : W = 4,9 mm và L = 13,15 mm
Ta cũng tính được giá trị của các MLIN TL3 và TL4 có và
Chiều rộng W = 3 mm và chiều dài L = 13,37 mm
Tiếp theo ta dùng 4 MTEE nối các MLIN lại để tạo thành một mạch
Các MTEE có giá trị như sau :
Dùng dây nối các linh kiện lại và gắn các Port vào ta được mạch :
Do các MTEE có giá trị W1, W2, W3 lớn nên khi ghép các linh kiện lại thì giá trị chiều dài của các nhánh sẽ thay đổi không còn là
Do đó các chiều dài của các MLIN sẽ được tính lại lần lượt là
MLIN 1 : L = Lcũ – 1/2W3 – Tee1 - 1/2W3 – Tee2 = 13.15 – 3 = 10.15mm
MLIN 2 : L = Lcũ – 1/2W3 – Tee4 - 1/2W3 – Tee3 = 13.15 – 3 = 10.15mm
MLIN 3 : L = Lcũ – 1/2W1 – Tee2 - 1/2W2 – Tee3 = 13.37 – 4.9 = 9.47mm
MLIN 4 : L = Lcũ – 1/2W2 – Tee1 - 1/2W1 – Tee4 = 13.37 – 4.9 = 9.47mm
Với mạch này ta có được Layout :
Chạy mô phỏng ta thu được kết quả :
Reverse Transmission, dB m1 freq= dB(S(3,1))=-3.028 4.400GHz
Do trong quá trình thiết kế, không thể tính chính xác được chiều dài mỗi nhánh là
4 λnên kết quả là hệ thống hoạt động không được chính xác như yêu cầu ta mong muốn
Theo kết quả được ghi nhận, mạch chia đôi công suất đạt mức -3 dB tại tần số f = 4,4 GHz Trong khi đó, yêu cầu thiết kế của chúng ta là đạt mức -3 dB tại tần số f0 = 4 GHz Sự khác biệt này cho thấy đáp ứng tần số của mạch hiện tại không khớp với mục tiêu thiết kế, đòi hỏi tối ưu hóa tham số và cấu hình để đồng bộ với tần số 4 GHz Các biện pháp có thể cân nhắc gồm điều chỉnh đặc tính mạng dẫn, thay đổi tham số impedence, hoặc tinh chỉnh mạch lọc để đảm bảo mạch chia đôi công suất tối ưu ở -3 dB tại f0 và duy trì độ ổn định trên dải tần liên quan.
Forward Transmission, dB m1 freq dB(S(4,1))=-2.823 4.000GHz m2 freq dB(S(3,1))=-3.2874.300GHz
-2 freq, GHz dB(S(3,1)) m2 m1 Forward Transmission, dB m2 freq dB(S(3,1))=-4.496 4.000GHz m1 freq dB(S(3,1))=-3.028 4.400GHz
Tín hiệu ra ở cửa 3 cho thấy hiện tượng chia đôi công suất (suy hao 3 dB) ở vùng tần số từ 4,3 đến 5,2 GHz, và tại tần số f0 = 4 GHz mức suy hao đạt 4,496 dB Các thông số này phản ánh đặc tính suy hao phụ thuộc tần số của hệ thống và cung cấp dữ liệu quan trọng cho phân tích hiệu năng ở các mức tần số khác nhau.
Forward Transmission, dB m1 freq dB(S(4,1))=-2.823 4.000GHz
Tín hiệu ra ở cửa số 4 tương đối thỏa mãn yêu cầu của thiết kế trong khoảng tần số
3,7 – 4,3GHz thì tín hiệu suy hao ~ 3 db