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

Đại học khtn – Đại học QGHN LỜI MỞ ĐẦU 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 điể

Đại học khtn – Đại học QGHN

LỜI MỞ ĐẦU 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 phải trải qua nhiều khâu với nhiều modul khác nhau

và cần nhiều thời gian, công sức Trong khuôn khổ luận văn này, cùng với việc tìm hiểu lí thuyết về máy thu tín hiệu vệ tinh, kĩ thuật siêu cao tần em chỉ đi sâu nghiên cứu thiết kế chế tạo module: Bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần C

Với tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat” Bằng lí thuyết và thực nghiệm, Luận

văn đã thực hiện được các nội dung sau:

Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thu phát thông tin vệ tinh Tìm hiểu về kĩ thuật siêu cao tần

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo module khuếch đại tạp âm thấp băng C Điểm mới của đề tài thể hiện ở việc mạnh dạn nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch cao tần ở tần số siêu cao, trên dải tần siêu cao đòi hỏi kích thước mạch điện rất nhỏ, dẫn đến rất khó chế tạo chính xác Bên cạnh đó do linh kiện kích thước lớn dẫn đến

có nhiều điện dung kí sinh làm mất phối hợp trở kháng của toàn mạch, vì vậy việc chế tạo tại tần số cao như vậy là vấn đề rất phức tạp Luận văn cũng tạo tiền đề để nhóm nghiên cứu đi sâu lĩnh vực siêu cao tần và thông tin vệ tinh tiến tới có thể triển khai tích hợp các mạch cao tần trên chip tương tự Đây là xu hướng mới, đảm bảo cho bộ thu nhỏ gọn, tiêu tốn ít năng lượng, rất phù hợp với việc gắn trên các vệ tinh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 Đôi nét về lịch sử thông tin vệ tinh

Vào cuối thế kỷ thứ 19 nhà khoa học người Nga Tsiolkovsky (1857 – 1935)

đã đưa ra các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nguyên liệu lỏng Ông cũng đưa

ra các ý tưởng về các loại tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có người điều khiển dùng để thăm dò vũ trụ Lý thuyết về tên lửa đẩy dùng nguyên liệu lỏng của ông đã được ông Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công vào năm 1926

Tháng 5 năm 1945 Arthur Clark tác giả của mô hình viễn tưởng thông tin toàn cầu

đã đưa ra ý tưởng sử dụng hệ thống 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh và quảng

bá trên toàn thế giới

Kỷ nguyên của thông tin vệ tinh bắt đầu từ tháng 10/1957 khi Liên Xô đã phóng thành công vệ tinh nhân tạo Sputnick-1 đầu tiên trên thế giới Những năm sau đó được đánh dấu bằng nhiều sự kiện như: năm 1958 một bức điện được phát qua vệ tinh SCORE, năm 1960 vệ tinh thông tin ECHO với việc chuyển tiếp tín hiệu thụ động, năm 1962 có TELSTAR và RELEY, năm 1963 có vệ tinh địa tĩnh đầu tiên

Năm 1965, hệ thống thông tin vệ tinh thương mại đầu tiên trên thế giới là INTELSAT1 với tên gọi EARLY BIRD ra đời Cũng năm đó, vệ tinh thông tin liên lạc đầu tiên của Liên Xô có tên gọi là MOLNYA được phóng lên quỹ đạo elip Từ

đó đến nay đánh dấu Sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo vệ tinh, tên lửa đẩy và công nghệ các trạm mặt đất, thông tin vệ tinh không những chỉ dùng cho các dịch vụ thông tin quốc tế, truyền hình mà còn dược dùng cho thông tin khí tượng, nghiên cứu vũ trụ, thăm dò trái đất, thông tin an toàn cứu nạn v.v

Sau đây là một số mốc thời gian đánh dấu sự phát triển của thông tin vệ tinh:

1945-Arthur Clark đề xuất sử dụng các vệ tinh địa tĩnh dùng cho thông tin quảng

bá

1957-Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên (Sputnik-1)

1964-Thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTCLSAT

Đại học khtn – Đại học QGHN

1965-Phóng vệ tinh INTELSAT - 1 (Early Bird) và MOLNYA

1971-Thành lập tổ chức INTERSPUTNICK gồm Liên xô, và 9 nước xã hội chủ nghĩa

1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa

1979-Thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT

1984-Nhật Bản đưa vào sử dung hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh

1987-Thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh

Thời kỳ từ 1999 đến nay ra đời những ý tưởng và hình thành những hệ thống thông tin di động và thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh Các hệ thống điển hình như: Global star, Iridium, Ico, Skybrigde, Teledesic

Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm phần không gian (Space segment)

và phần mặt đất (Ground segment)

Hình 1.1 Phần không gian và phần mặt đất của hệ thống thông tin vệ tinh

Hình 1.2a Hình ảnh vệ tinh

1.2 Ở Việt Nam

Đầu năm 2008, Việt nam đã phóng vệ tinh đầu tiên Vinasat1

Đại học khtn – Đại học QGHN

Hình 1.2b Ngày 16 tháng 5 năm 2012 vệ tinh Vinasat2 đã được phóng lên quỹ đạo

Cùng với việc phóng vệ tinh Vinasat, các tổ chức sẽ có nhu cầu thiết lập hàng loạt trạm mặt đất để triển khai hệ thống thông tin qua vệ tinh Do đó việc tìm hiểu các đặc điểm của các hệ thống vệ tinh trong các băng tần sẽ đem lại nhiều lợi ích và phù hợp với tình hình phát triển công nghệ thông tin vệ tinh của Việt nam hiện nay

Các vệ tinh này hoạt động ở band C và band Ku, việc tập chung nghiên cứu khai thác sử dụng triệt để băng tần là vấn đề hết sức quan trọng Do tín hiệu thu được ở mặt đất từ vệ tinh bị suy hao rất lớn, mặt khác do ảnh hưởng của môi trường nên tín hiệu thu được bị ảnh hưởng mạnh của nhiễu Để giải quyết vấn đề này, các

bộ phát đáp của vệ tinh phải có phẩm chất tốt, chính xác, kích thước và khối lượng nhỏ và sử dụng ít năng lượng

Sóng vô tuyến trong thông tin liên lạc vệ tinh cần phải xuyên qua tầng điện li

và khí quyển bao quanh trái đất, nên cần phải chọn tần số suy hao nhỏ nhất trong khoảng “cửa sổ vô tuyến” từ 1GHz đến 30GHz các băng tần được sử dụng nhiều hơn cả là band C và band Ku

Band C: Từ 4-8GHz thường sử dụng dải tần 5.85-7.025GHz cho tuyến phát lên, và dải tần 3.7- 4.2GHz cho tuyến phát xuống

Band Ku: Từ 12.4 -18GHz thường sử dụng dải tần 12.75-13.25GHz và 14-14.5 GHz cho tuyến phát lên, dải tần 10.7-11.7GHz cho tuyến phát xuống

Hình 1.3 Vùng phủ của vệ tinh Vinasat 1 band C

Hình 1.4 Vùng phủ của vệ tinh VINASAT1 band Ku

1.3 Đặc trưng cơ bản của thông tin liên lạc qua vệ tinh

Hệ thống liên lạc qua vệ tinh có những ưu điểm chủ yếu như sau

Đại học khtn – Đại học QGHN

 Vùng phủ sóng rộng, do quỹ đạo của vệ tinh có độ cao lớn so với trái đất, các vệ tinh có thể nhìn thấy một vùng rộng của trái đất

 Dung lượng thông tin lớn, do sử dụng băng tần công tác rộng và kĩ thuật đa truy nhập cho phép đạt dung lượng lớn trong thời gian ngắn mà ít loại hình thông tin khác có được

 Độ tin cậy và chất lượng thông tin cao, do liên lạc trực tiếp giữa vệ tinh và trạm mặt đất, xác suất hư hỏng trên tuyến liên lạc rất thấp và ảnh hưởng do nhiễu và khí quyển không đáng kể

 Tính linh hoạt cao, do hệ thống liên lạc vệ tinh được thiết lập nhanh chóng và có thể thay đổi linh hoạt tùy theo yêu cầu sử dụng

 Có khả năng ứng dụng trong thông tin di động là thông tin liên lạc toàn cầu

Do có nhiều ưu điểm nổi trội so với các loại hình thông tin khác, nên hệ thống thông tin vệ tinh có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, điện thoại, truyền hình, thông tin di động, truyền số liệu, Internet, các dịch vụ đào tạo và y tế từ xa, truyền tin cho ngư dân trên biển, dự báo thời tiết, đảm bảo an ninh quốc phòng Với sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ chế tạo, phóng vệ tinh và công nghệ chế tạo các thiết bị thông tin liên lạc, thiết bị đo lường và điều khiển từ xa, nguồn điện cho vệ tinh…đã cho phép tăng dung lượng bộ phát đáp và áp dụng nhiều kĩ thuật truyền dẫn tín hiệu mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống

Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu

Chức năng các module trong hệ thống



 Bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LNA):

đây là một modul khuyếch đại đặc biệt, sử dụng trong các hệ vô tuyến để khuyếch đại những tín hiệu rất yếu được thu từ anten

Nó thường được đặt rất gần anten thu để giảm thiểu suy hao Khi sử dụng bộ khuyếch đại này ở máy thu thì ồn nhiễu của những tầng sau sẽ được giảm bởi hệ số khuyếch đại của nó Trong khi đó, ồn nhiễu của LNA lại được cộng trực tiếp vào tín hiệu nhận được Việc sử dụng LNA là cần thiết để tăng công suất tín hiệu mong muốn, còn tạp nhiễu sẽ được xử lý ở những tầng tiếp theo



 Bộ đảo tần xuống: về bản chất bộ đảo tần lên và xuống là giống nhau, chỉ khác tín hiệu đầu vào và vị trí sử dụng Nếu như

bộ đảo tần lên được sử dụng ở khối phát thì bộ đảo tần xuống được chế tạo để dùng cho khối thu Tín hiệu cao tần UHF khi qua bộ này sẽ được chuyển về tín hiệu trung tần IF mang thông tin



 Bộ khuyếch đại trung tần khuếch đại công suất tín hiệu trung tần sau khi lấy ra khỏi bộ trộn tần số trước khi được xử lý ở các tầng tiếp theo

Đại học khtn – Đại học QGHN



 Bộ tách sóng: có nhiệm vụ tách lấy thông tin mong muốn

 bộ khuếch đại thị tần, khuếch đại âm thanh là thông tin cần truyền tải để phát ra loa



Loa: là bộ phận dùng để phát âm thanh



 Anten phát và anten thu

Để xây dựng hoàn chỉnh hệ thống thu phát thông tin vệ tinh cần chế tạo đầy

đủ các module kể trên Nhưng trong khuôn khổ luận văn này chỉ tập trung vào nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tuyến thu cao tần dải rộng vì vậy cần phải chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SIÊU CAO TẦN

2.1 Lý thuyết đường truyền:

2.1.1 Mô hình tương đương tham số tập trung của đường truyền

Hình 2.1 Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương

Nhìn chung, các đường truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song để tín hiệu điện áp truyền qua

Trước hết, chúng ta khảo sát một đường truyền gồm một cặp dây dẫn song song như hình vẽ Hai dây dẫn này được mô hình hoá bằng:

- Điện dung song song tính theo chiều dài đơn vị của dây dẫn C [ F/m]

- Điện dẫn song song tính theo đơn vị dài [S/m]

Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ tạo ra một dòng điện trong dây dẫn theo chiều ngược lại, đó là thành phần cảm ứng cũng sẽ có một điện trở hữu hạn nối tiếp trong các dây dẫn

- Điện cảm nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ H/m]

Đại học khtn – Đại học QGHN

Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian

2.1.2 Phương trình sóng và nghiệm

Ta viết phương trình Kirchoff cho mạch điện tương đương trong hình 2.1, ta có:

t

U z C zU G I

z z

z z













t

U z L zI R U













Nếu đường truyền ∆z ngắn thì:

z

U z U U

z

I z I

z z z z z

z z



















Do đó ta có:

t

U z C zU G z

I z I





















Suy ra:



























t

U C GU z

z z

(2.5)

Và































































z

I z I t z L z R z

I z I z

U z U

z z

z z z

Bỏ qua số hạng chữa (∆z)2 và chia cho ∆z ta được



























t

I L RI z

z z

(2.7)

Cặp phương trình (2.5) và (27) được gọi là cặp phương trình điện báo và hoàn toàn có tính chất khái quát, các điện áp và dòng điện trên đây ở bất kỳ vị trí hay thời điểm nào qua bốn tham số dây dẫn G, C, R và L

Thông thường thì ta chỉ quan tâm đến một tín hiệu hình sin tần số đơn dạng:

t

e U

Lấy vi phân phương trình trên ta có:

U j e U j t











Trong trường hợp này, (2.5) và (2.7) trở thành:

z

U Cj G z

I













z

U













Ta thấy phương trình (2.10) và (2.11) giống dạng của phương trình điện báo Maxwell Thay thế giá trị Iz vào phương trình (2.10) và Uz vào phương trình (2.11)

ta được

z

U U C j G L j R z

U













2

2

(2.12)

z

I I C j G L j R z

I













2

2

Phương trình (2.12) và (2.13) là các phương trình sóng một chiều cho điện

áp và dòng điện Từ đó, nghiệm của nó có dạng:

e e U e U t z

e e I e I t z

Ở đây, U1,U2, I1, và I2 là các hằng số của phép tính tích phân và được xác định bằng các điều kiện biên của dây cụ thể,  được gọi là hệ số truyền sóng phức

và được xác định như sau:

Đại học khtn – Đại học QGHN

Ta thấy hệ số truyền sóng là hàm của tần số

Theo phương trình (2.16) hệ số truyền sóng  chứa cả phần thực và phần ảo nên nó được viết dưới dạng:





Thay thế (2.17) vào nghiệm tổng quát (2.14), (2.15)

  z j t z z j t z

e e U e

e U t z

U ,  1    2   (2.18a)

  z j t z z j t z

e e I e

e I t z

I ,  1    2   (2.18b)

Trong hai nghiệm trên thì số hạng thứ nhất ( bao gồm U1 hoặc I1), thừa số

z

e có biên độ giảm khi z tăng Thành phần hàm mũ thứ hai j t z

e   có giá trị biên

độ là 1 và góc biểu thị pha của tín hiệu tăng lên theo thời gian và giảm đi theo khoảng cách Tại thời điểm t = t1 và vị trí z = L1, pha nhận một giá trị 1t1L1 Tại thời điểm sau đó t = t2> t1 có thể thấy pha với giá trị 1 xuất hiện ở một vị trí khác z = L2 Bởi vì pha 1 t1L1 t2L2, và t2> t1 nên cần phải có L2> L1

vì cả  và  đều dương, do đó điểm của pha dịch chuyển theo hướng z dương Số hạng thứ nhất này biểu thị một sóng truyền về phía trước, hay sóng tiến hoặc sóng thuận có biên độ giảm theo hàm mũ tương ứng với khoảng cách truyền Số hạng thứ hai (liên quan đến U2 và I2 ) biểu thị sóng truyền theo hướng z âm hay sóng lùi hoặc sóng ngược có biên độ giảm khi z âm ( khi thời gian tăng lên) Như vậy nghiệm toàn bộ của phương trình sóng là tổng của hai sóng lan truyền theo hai hướng ngược nhau

b z

f e U e U

z

b z

f e I e I

z

Các chỉ số f và b là tương ứng với sóng sóng tới và sóng phản xạ

Vì tham số  của phương trình (2.18) biểu thị sự suy giảm biên độ của các sóng, nó thường được gọi là hệ số suy giảm có đơn vị tính là dB/m hoặc np/m (neper)

Nếu biểu thị sự suy giảm công suất W1 và W2, ta có:

W1/W2

log 10



N ; (tính theo đơn vị dB)

W1/W2

log 5 , 0



N ; (tính theo đơn vị neper)

Sóng sẽ suy giảm N khi biên độ của nó thay đổi exp(-N) giữa hai điểm của một dây dẫn từ hai tý số trên đây ta có thể rút ra 1 neper = 8,868 dB Biên độ của sóng giảm đi 1/e (  37%) sau mỗi khoảng cách 1/

Số hạng  mô tả sự biến thiên về pha của các sóng lan truyền và được gọi là hằng số pha Các đơn vị của  là radian/m hoặc độ/m Độ dài của một bước sóng () khi pha có độ lệch là 2, do đó:



 2 hoặc





Trong trường hợp dây dẫn lý tưởng và không có tổn hao (R=G= 0) thì  = 0

và   LC

Theo (2.16) và áp dụng các phương trình điện báo (2.10) và (2.11) ta có dòng truyền sóng:

e U e U L j R z







So sánh (2.22b) và (2.24) ta định nghĩa được Z0 bởi sóng tới và sóng phản xạ:













0 0 0

0 0

I

U I U