Nghiên cứu thiết kế chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng s dùng cho trạm thu mặt đất, thu tín hiệu vệ tinh tầm thấp

Và khi tín hiệuthu vào anten thường có tín hiệu rất nhỏ do khoảng cách giữa vệ tinh và trạmthu mặt đất cách xa chúng ta cần dùng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA để nâng tỉ lệ tín hiệu/tạp

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG HỒNG LÝ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO TUYẾN THU SIÊU CAO TẦN BĂNG S DÙNG CHO TRẠM THU MẶT ĐẤT, THU TÍN HIỆU VỆ TINH NHỎ TẦM THẤP.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI-2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG HỒNG LÝ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO TUYẾN THU SIÊU CAO TẦN BĂNG S DÙNG CHO TRẠM THU MẶT ĐẤT, THU TÍN HIỆU VỆ

TINH NHỎ TẦM THẤP.

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử ,Truyền Thông

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử

Mã số:60520203

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn khoa học : GS.TS Bạch Gia Dương

HÀ NỘI-2018

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của

cá nhân tôi dựa trên cơ sơ nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn củaGS.TS Bạch Gia Dương

Các số liệu của luận văn là chân thực dựa trên những mô hình , kết quả đãđạt được trên thế giới và học hỏi rèn luyện của bản thân chưa từng được công

bố dứơi bất kỳ hình thức nào trước khi trình bày bảo vệ trước “ Hội đồng đánhgiá luận văn thạc sĩ”

Hà Nội, Ngày tháng năm 2018

Người cam đoan

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn thầy GS.TS Bạch GiaDương, người đã dành nhiều thời gian tâm huyết chỉ bảo hướng dẫn giúp đỡ tôitrong quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô, anh chị ở trung tâm nghiên cứuđiện tử viên thông đã giúp đã tạo điều kiện về thời gian và kỹ thuật giúp tôi hoànthành khóa luận này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Điện tử -viễn thông, trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình dạy bảo tôitrong suốt quá trình học tập

Cuối cùng tôi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnhđộng viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làmkhóa luận

Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả kiến thức năng lựccủa mình nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận đượcnhững đóng góp của quí thầy cô và các bạn để bài viết hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 3

1.1 Thông tin vệ tinh 3

1.2 Sơ đồ tuyến thu siêu cao tần 5

1.3 Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA( Low Noise Amplifier) 6

1.3.1 Hệ số tạp âm 7

1.3.2 Hệ số khuếch đại 8

1.3.3 Tính ổn định hệ thống và độ tuyến tính 10

1.4 Bộ trộn tần 12

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 13

2.1 Giới thiệu chung 13

2.2 Các tham số cơ bản 14

2.2.1 Đường truyền sóng 14

2.2.2 Hệ số phản xạ 16

2.2.3 Hệ số sóng đứng điện áp(VSWR) 17

2.3.4 Công suất trung bình truyền theo đường dây truyền sóng 19

2.3 Giản đồ Smith 20

2.4 Kỹ thuật phối hợp trở kháng 26

2.4.1 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung 27

2.4.2 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm 29

2.4.3 Phối hợp trở kháng dùng 1/4 bước sóng 32

CHƯƠNG 3 :NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO TUYẾN THU BĂNG S 34

3.1 Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp 34

3.1.1 Công cụ mô phỏng và tính toán 34

3.1.2 Transistor cao tần SPF-3043 34

3.1.3 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng 36

3.1.4 Thiết kế layout 46

3.2 Xây dựng bộ trộn tần 47

3.3 Thực nghiệm và kết quả 51

3.3.1 Kết quả chế tạo mạch LNA 51

3.3.2 Kết quả bộ trộn tần số 53

3.3.3 Kết quả tuyến thu siêu cao tần 55

KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

ADS Advaned Design Systems

VCO Voltage Controlled Oscillator

IIP3 Input Order Intercept Point

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Băng tần sóng cao tần theo IEEE 13

Bảng 2: Bảng mô tả chức năng chân transistor SPF-3043 35

Bảng 3: Bảng tham số S-parameter của transistor SPF-3043 35

Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống vệ tinh 4

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống thu 5

Hình 1.3: Mô hình mạng 2 cửa 8

Hình 1.4: Mạng tạp âm 2 cửa với nguồn và trở kháng tải 9

Hình 1.5: Điểm nén 1-dB và điểm chặn bậc 3[6] 11

Hình 2.1: Đương truyền sóng(a) và mạch tương đương (b) 15

Hình 2.2: Sóng truyền trên đường truyền[5] 16

Hình 2.3: Sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao tổn 18

Hình 2.4: Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyền 18

Hình 2.5: Các vòng tròn đẳng r trong mặt phẳng phức Γ 21

Hình 2.6: Các vòng tròn đẳng x trong mặt phẳng phức Γ 22

Hình 2.7: Các vòng tròn đẳng |Γ| và đẳng S trong mặt phẳng phức ΓΓ|Γ| và đẳng S trong mặt phẳng phức Γ và đẳng S trong mặt phẳng phức Γ 23

Hình 2.8: Giản đồ smith 25

Hình 2.9: Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao giưã trở kháng tải bất kì và đường truyền dẫn sóng 27

Hình 2.10: Mạch phối hợp trở kháng hình L 28

Hình 2.11: Phối hợp trở kháng dùng dây chêm đơn 30

Hình 2.12: Biểu diễn giản đồ Smith phối hợp trở kháng dây chêm song song 31

Hình 2.13: Biểu diễn giản đồ Smith phối hợp trở kháng dây chêm nối tiếp 32

Hình 2.14: Phối hợp trở kháng dùng đoạn ¼ bước sóng 33

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của tuyến thu đổi tần 34

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc chân transistor SPF-3043 35

Hình 3.3: Hệ số khuếch đại của transistor SPF-3043 35

Hình 3.4:Giản đồ smith của transistor SPF-3043 36

Hình 3.5: Sơ đồ của mạch phối hợp trở kháng 37

Hình 3.6: Nạp giá trị và xác định vị trí của trên giản đồ Smith 38

Hình 3.7: Mô tả mạch phối hợp trở kháng dây chêm song song ta thấy vòng tròn cắt g=1 tại hai điểm đó là hai nghiệm của bài toán 38

Hình 3.8: Kết quả của bài toán phối hợp trở kháng 39

Hình 3.9:Tính toán tham số mạch dải của dây chêm phối hợp trở kháng lối vào 40 Hình 3.10:Tính toán tham số mạch dải từ dây chêm đến tải 40

Hình 3.11: Phối hợp trở kháng lối vào của mạch LNA 40

Hình 3.12: Kết quả mô phỏng tham số S(1,1) và S(2,1) theo tần số 41

Hình 3.13: Vị trí của trên giản đồ Smith 42

Hình 3.14: Hình mô tả hai nghiệm của bài toán 42

Hình 3.15: Kết quả của bài toán phối hợp trở kháng với lối ra 42

Hình 3.16: Tính toán tham số mạch dải của dây chêm 43

Hình 3.17: Tính toán tham số mạch dải từ dây chêm đến tải 43

Hình 3.18: Mạch phối hợp trở kháng lối ra LNA 44

Hình 3.19: Kết quả mô phỏng tham số S(2,2) và Tham số S(2,1) theo tần số 44

Hình 3.20: Mạch phối hợp trở kháng LNA 45

Hình 3.21: Kết quả mô phỏng của mạch phối hợp trở kháng 45

Hình 3.22: Layout mạch khuếch đại tạp âm thấp SPF-3043 46

Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý LT-5527 48

Hình 3.24: Kết nối cuả LT-5527 49

Hình 3.25: Sơ đồ tuyến thu đổi tần băng S sử dụng LT-5527 50

Hình 3.26: Mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA SPF- 3043 51

Hình 3.27: Kết nối mạch với hệ thống máy phân tích phổ 52

Hình 3.28: Kết quả đo bộ khuếch đại công suất trên máy phân tích phổ 52

Hình 3.29: Bộ trộn tần tích hợp với bộ dao động tại chỗ theo kiểu VCO 53

Hình 3.30: Kết nối hệ thống đo phổ tần số 53

Hình 3.31: Kết quả của bộ trộn tần số 54

Hình 3.32: Tuyến thu đổi tần băng S 55

Hình 3.33: Kết nối hệ thống đo kết quả 55

Hình 3.34: Kết quả máy đo phân tích phổ 56

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển của khoa học và xã hội hiện nay nhu cầu đòi hỏi về cáctrang thiết bị, các hệ thống kỹ thuật công nghệ cao có ứng dụng vào trong đờisống của con người ngày càng lớn Trong số những nhu cầu đòi hỏi đó có mộtnhu cầu quan trọng là truyền thông tin và trong các hệ thống truyền tin như vậy

có một hệ thông tin vệ tinh-mặt đất đang phát triển ngày càng mạnh mẽ chiếmmột vị quan trọng trong mạng lưới viễn thông của mỗi quốc gia trên toàn thếgiới

Thông tin vệ tinh đã được ứng dụng vào nước ta bắt đầu từ những năm

80 mở ra một sự phát triển mới của viễn thông Việt Nam Với sự phát triển củathông tin vệ tinh tầm thấp băng UHF, S ở tần số cao hơn băng thông được mởrộng làm tăng tốc độ truyền dẫn, vậy nên hiện nay thông tin vệ tinh tầm thấp ởnước ta phát triển mạnh mẽ do có nhiều ưu điểm nổi bật là dễ dàng quan sát mặtđất, giám sát hiện trường, khí quyển, kết hợp với các dịch vụ đa phươngtiện….vùng phủ sóng rất rộng, triển khai lắp đặt nhanh và khả năng cung cấpdịch vụ đa dạng cho người sử dụng Và với việc phát triển của các vệ tinh tầmthấp yêu cầu đặt ra cho chúng ta là việc thu được các thông tin từ các vệ tinhtầm thấp chính vì vậy cần phát triển trạm thu mặt đất với số lượng lớn

Hiện nay các trung tâm vệ tinh ở Việt Nam và Nhật đã và đang tiến hànhphóng các trùm vệ tinh nhỏ tầm thấp ở băng S cho phép tín hiệu truyền qua khíquyển với độ suy hao nhỏ và kích thước anten tương đối nhỏ Để mở rộng cáctính năng giao tiếp vệ tinh tầm thấp và trạm thu mặt đất là việc hết sức quantrọng và cần thiết trong luận văn này tôi tiến hành nghiên cứu và thiết kế tuyếnthu băng S tạo tiền đề để phát triển lên ở các băng có tần số cao hơn

Khoảng cách các trạm thu phát với vệ tinh cũng như việc thu nhận thôngtin một cách chính xác chúng ta cần phải thiết kế một bộ thu tín hiệu từ vệ tinhsao cho thông tin không bị nhiễu dẫn đến các thông tin sai lệch Và khi tín hiệuthu vào anten thường có tín hiệu rất nhỏ do khoảng cách giữa vệ tinh và trạmthu mặt đất cách xa chúng ta cần dùng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA để nâng

tỉ lệ tín hiệu/tạp âm can nhiễu để bộ lọc có thể dễ dàng lọc ra được tần số mongmuốn sau đó chuyển tín hiệu từ cao tần xuống trung tần để có thể tích hợp với

hệ thống thông tin trên mặt đất

Để có thể thiết kế trạm thu mặt đất phải trải qua rất nhiều côngđoạn.Trong luận văn này, cùng với việc tìm hiểu về thông tin vệ tinh tầm thấp,các lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần tôi tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạotuyến thu đổi tần băng S

Với tên đề tài là:” Nghiên cứu thiết kế chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng

S dùng cho trạm thu mặt đất, thu tín hiệu vệ tinh nhỏ tầm thấp.”

Trong luận văn này tìm hiểu:

 Tìm hiểu về tuyến thu siêu cao tần

thuật làm tăng tỉ số tín /tạp âm hạn chế tạp âm để thu được bước sóng cần thiết

 Nghiên cứu về bộ khuếch đại tạp âm thấp, bộ trộn tần , bộ dao động trong máy thu mặt đất cho vệ tinh.

 Tính toán, mô phỏng các thông số của bộ khuếch đại tạp âm thấp hoạt động

ở băng S dùng phần mềm ADS 2009.

 Tìm hiểu xây dựng nguyên lý bộ trộn tần và bộ dao động tại chỗ.

 Tích hợp bộ dao động tại chỗ kiểu VCO với bộ trộn tần chuyển đổi tần số

từ cao tần xuống trung tần.

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Thông tin vệ tinh

-Lịch sử về hệ thống thông tin vệ tinh[3]

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 cũngđưa ra các ý tưởng về các loại tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có ngườiđiều khiển dùng để thăm dò vũ trụ

Năm 1926 ông Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửađẩy dùng nguyên liệu lỏng

Tháng 5 năm 1945 Arthur Clark tác giả của mô hình viễn tưởng thông tintoàn cầu đã đưa ra ý tưởng sử dụng hệ thống 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phátthanh và quảng bá trên toàn thế giới

Kỷ nguyên của thông tin vệ tinh bắt đầu từ tháng 10/1957 khi Liên Xô đãphóng 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 mộtbức điện được phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ bay ở quỹ đạo thấp

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 làINTELSAT1 với tên gọi EARLY BIRD ra đời Cũng năm đó, vệ tinh thông tinliên lạc đầu tiên của Liên Xô có tên gọi là MOLNYA được phóng lên quỹ đạoelip

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

Từ năm 1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh chothông tin nội địa

Năm 1979-Thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinhINMARSAT Năm 1984-Nhật Bản đưa vào sử dung hệ thống truyền hình trựctiếp qua vệ tinh Năm 1987-Thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thôngtin di động qua vệ tinh

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

Ở Việt Nam: năm 1980 chúng ta có trạm mặt đất hoa sen 1 ở Hà Nam do Liên Xô xây dựng

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 đatruy nhập cho phép đạt dung lượng lớn trong thời gian ngắn mà ít loại hìnhthông tin khác có được

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

Tính linh hoạt cao, do hệ thống liên lạc vệ tinh được thiết lập nhanh chóng

và c óthể 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 hệthống thông tin vệ tinh có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, điện thoại, truyềnhình, 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

…

Nguyên lý hoạt động của hệ thống vệ tinh:

Hình 1.1:Sơ đồ hoạt động của hệ thống vệ tinhHoạt động của hệ thống thông tin được khái quát như sau:

Tại đầu phát trạm mặt đất: tín hiệu băng tần cơ bản như: tín hiệu thoại,video, fax…được điều chế lên thành trung tần sau đó là cao tần nhờ bộ đổi tầnrồi được khuếch đại công suất HPA( High power Amplifier) khuếch đaị lên mứccông suất cao và đưa ra anten phát lên vệ tinh.

Tại vệ tinh: tín hiệu cao tần từ trạm mặt đất phát truyền dẫn qua không gian

tự do tới anten thu của vệ tinh vào bộ khuếch đại sau đó đổi tần khuếch đại côngsuất rồi phát xuống trạm thu mặt đất qua anten phát

Tại trạm thu mặt đất: sóng phát từ vệ tinh truyền dẫn qua không gian tự dotới anten thu rồi được khuếch đại qua tạp âm thấp LNA tần số từ siêu cao tầnbiến đổi về trung tần sau đó giải điều chế chúng ta thu được tín hiệu mongmuốn…

1.2 Sơ đồ tuyến thu siêu cao tần.

Hệ thống thu phát vệ tinh là một hệ thống phức tạp được kết hợp từ nhiềukhối nhỏ (được xây dựng từ nhiều linh kiện khác nhau) và dựa vào sự sắp xếpkhác nhau của các khối ta sẽ có những mục đích khác nhau Sự đa dạng của cáckhối trong tuyến thu còn phụ thuộc vào mục đích của từng tuyến thu vệ tinh,nhưng về cơ bản tuyến thu gồm những khối chính sau:

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống thu

Antenna : anten thu tín hiệu từ vệ tinh.

LNA: bộ khuếch đại tạp âm thấp được sử dụng trong các tuyến thu nhằm thu

tín hiệu nhỏ từ anten do đó LNA thường được đặt gần anten để giảm thiểu suyhao.Khi sử dụng bộ khuếch đại này thì tạp âm LNA sẽ được cộng vào tín hiệuthu được làm tăng tỷ số tín hiêụ/ tạp âm và tăng công suất của tín hiêụ mongmuốn còn việc xử lý tạp âm thì ta có thể xử dụng các bộ lọc để thu tín hiệumong muốn

Bộ trộn mixer: có nhiệm vụ trộn tần số ở lối vào và ở bộ dao động tại chỗ

đồng thời biến đổi tín hiệu từ cao tần xuống trung tần

Bộ dao động: bộ dao động là bộ phận không thể thiếu trong kỹ thuật siêu

cao tần Bản chất của bộ dao động là một thiết bị hoạt động và truyền tần số vào

bộ phận viễn thông Bộ dao động điều chỉnh được thường sử dụng tụ biến dung

để điều chỉnh tần số dao động Khối dao động điều chỉnh điện áp (VCO) là khốidao động mà yếu tố biến đổi cơ bản là Diode biến dung VCO được điều chỉnhtrên băng tần của nó bởi điện áp một chiều DC Mạch vòng bám pha sẽ được sửdụng để điều khiển tần số của VCO

Khối khuếch đại trung tần IF: là bộ khuếch đại công suất tín hiệu trung tần

sau khi lấy ra từ bộ trộn tần số trước đó( biến đổi tín hiệu lối vào có biên độ nhỏthành một tín hiệu có biên độ lớn ở lối ra mà dạng tín hiệu không đổi) Tín hiệuthu được sẽ được xử lý ở các bộ sau đó

Giải điều chế: Ở khối này chúng ta cần tách sóng và thu thông tin mong

muốn

Để xây dựng hệ thống tuyến thu vệ tinh hoàn chỉnh cần thiết kế chế tạo tất cảcác module Tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn này chỉ tập chung vào nghiêncứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA đồng thời tìm hiểu xâydựng nguyên lý của bộ trộn tần tích hợp với bộ dao động tại chỗ theo kiểu VCO

1.3 Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA( Low Noise Amplifier)

Biên độ các tín hiệu được phát từ máy phát đến đầu thu thường là rất nhỏ Chính vì vậy chúng ta cần có một bộ khuếch đại để nâng tín hiệu mà anten nhậnđược lên Việc khuếch đại thông thường có thể khuếch đại tín hiệu nhưng đồngthời cũng khuếch đại tạp âm Vì vậy chúng ta cần chế tạo một bộ khuếch đại tạp

âm thấp LNA để có thể nâng cao tín hiệu thu và đồng thời hạn chế được tạp âm

Trong máy thu cao tần , bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA có nhiệm vụ khuếchđại tín hiệu thu từ anten giúp giảm nhiễu cho các tầng kế tiếp (điển hình là bộtrộn) Bên cạnh các yêu cầu về hệ số khuếch đại cũng như hệ số tạp âm thì một

bộ khuếch đại tạp âm thấp phải được bảo vệ bởi tác động của tín hiệu biên độlớn mà không gây méo tín hiệu được phối hợp trở kháng vào ra 50 với tín hiệulối vào Việc phối hợp trở kháng với tải 50 lối vào của bộ lọc đặt trước LNA làcực kì quan trọng chính vì đặc tuyến của bộ lọc (cả bộ lọc thụ động và tích cực)này sẽ quyết định chất lượng tín hiệu lối vào bộ khuếch đại tạp âm thấp[1]

Phương pháp thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA cho hệ số tạp âm nhỏnhất bằng cách chọn lựa các giá trị trở kháng nguồn tùy thuộc vào tính chất củatừng loại linh kiện siêu cao tần Tuy nhiên khi thiết kế hệ số tạp âm nhỏ nhất thìlại không đảm bảo hệ số khuếch đại của mạch Vì vậy khi thiết kế bộ khuếch đại

tạp âm thấp cần cân đối các tham số như hệ số khuếch đại, hệ số tạp âm, phối

hợp trở kháng, hệ số sóng đứng…

1.3.1 Hệ số tạp âm

Hệ số tạp âm là đại lượng rất quan trọng trong việc xác định tạp âm của

hệ thống nói chung và máy thu nói riêng, thường được kí hiệu là F [1]

Hệ số tạp âm được định nghĩa bởi :

F = Tổng công suất tạp âm lối ra/tạp âm lối ra gây bởi nguồn tạp âm (1.1)

Hệ số tạp âm dùng để đo sự suy giảm phẩm chất trong tỉ số tín hiệu của hệ

và tỉ lệ thuận với độ suy giảm phẩm chất này Nếu một hệ thống bản thân nó

không gây nhiễu, thì tổng công suất tạp âm lối ra phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn

tạp âm lối vào và do đó hệ số tạp âm là bằng 1

Ồn nổ (ồn Shottky) đặc trưng bởi nguồn song song mật độ phổ trung bình

là 2q ( là giá trị dòng phân cực qua vùng chuyển tiếp) Dòng ồn nổ từ hai vùng

chuyển tiếp có thể xem như không ảnh hưởng đến hầu hết kết quả thực nghiệm,

vì vậy ta có thể bỏ qua tác dụng của nó trong các bước tính toán; điều này cho

phép ta cộng trực tiếp vào công suất tạp âm

Ồn nhiệt: là loại tạp âm được sinh ra từ sự chuyển động của các điện tử

trong các vật dẫn điện, chất bán dẫn gây ra bởi các hiệu ứng nhiệt Trong các

linh kiện điện tử , các tín hiệu ngẫu nhiên được tạo ra trong các cấu kiện điện tử

có công suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ của cấu kiện này

Trong đó: P: công suất tạp âm (w)

k: hằng số boltzmann (J/K) T: nhiệt độ vật dẫn (K)

: băng thông (Hz)

Để tính toán trực tiếp được phương trình (1.1) chúng ta cần thực hiện hai

bước : đầu tiên đo tổng công suất tạp âm ở lối ra sau đó bước thứ hai là chia kết

quả nhận được cho công suất tạp âm lối ra gây ra bởi nguồn tạp âm Một phương

pháp khác tương tự và đơn giản hơn là đo dòng trung bình bình phương của

nguồn nhiễu gây ra

Ta có thể biểu diễn hệ số tạp âm qua Fmin và nguồn dẫn nạp :

Trong đó : Fmin : hệ số tạp âm nhỏ nhất của transistor

Rn : điện trở tạp âm tương đương

Gs : phần thực của nguồn dẫn nạp

Bs : Nguồn dẫn nạp

Để cực tiểu hóa tạp âm thì giá trị nguồn điện nạp cần bằng nghịch đảo của

tương quan điện nạp

Hệ số tạp âm hệ thống ( nhiều tầng) - ta có công thức Friiss :

hệ số phản xạ điện áp tại cửa vaò 1

tỉ số điện áp tại lối vào 1 khi đặt sóng vào tại cửa 2

hệ số khuếch đại (Gain) của mạng 2 cửa

hệ số phản xạ điện áp tại lối cửa 2

Định nghĩa của các loại Gain (độ lợi ) như sau:

+) Operating Power Gain: là tỷ số giữa công suất trung bình trên tải với công suất trung bình được cấp bởi mạch

Hình 1.4: Mạng tạp âm 2 cửa với nguồn và trở kháng tải

Ta có , là các hệ số phản xạ tại nguồn và tại các trở kháng tải .

, là các hệ số phản xạ tại đầu vào và đầu ra tương ứng và được xácđịnh bởi các công thức sau:

=

=

= = +

Trong đó:

: là đặc tính tham số trở kháng của mạng tạp âm 2 cửa

: là trở kháng nhìn từ cửa 1 của mạng tạp âm

, là các tham số S của mạng tạp âm 2 cửa

Từ đó ta viết lại các khuếch đại của công suất :

(1.12)(1.13)(1.14)

1.3.3 Tính ổn định hệ thống và độ tuyến tính

Hệ thống ổn định là mạch luôn khuếch đại với mọi tín hiệu đƣa vào màkhông trở thành mạch dao động Mạch cao tần đƣợc đặc trƣng bởi 1 hệ số ổnđịnh K, đƣợc định nghĩa bằng công thức:

Hình 1.5: Điểm nén 1-dB và điểm chặn bậc 3[6]

Khi đưa tín hiệu nhỏ vào mạch được khuếch đaị tuyến tính với tín hiệu vào

tăng dần thì tín hiệu ra của mạch được khuếch đại cũng tăng dần, đến một mức

độ giới hạn bão hòa Điểm nén 1-dB được định nghĩa là điểm mà Gain của tín

hiệu giảm 1dB so với Gain lý tưởng(gain của tín hiệu nhỏ) Bằng cách đó thu

được tín hiệu không bị méo Điểm nén 1-dB giúp cân bằng giữa Gain và độ

tuyến tính của mạch

Người ta dùng thông số điểm chặn bậc 3( Third Order Intercept

Point)-hay còn gọi là IIP3( Input Order Intercept Point) Điểm chặn bậc 3 là điểm mà ở

đó biên độ phổ bậc 3 trùng với biên độ phổ bậc 1

Theo định nghĩa giá trị của điểm nén 1-dB và điểm chặn bậc 3 được biểu

Với : : là các hệ số trong phép khai triển taylor tín hiêụ ra

OIP3: Output Order Intercept Point

IIP3: Input Order Intercept Point

dBc : độ lớn công suất nền nhiễu

(1.20)Điểm 1-dB và điểm IIP3 càng lớn hệ thống sẽ càng tuyến tính.

Đầu ra của bộ trộn tần cho ra một tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha hoặc hiệutần số của hai tín hiệu vào Giả sử tín hiệu ngoại sai và tín hiệu hữu ích đƣavào phần tử phi tuyến thì dòng điện tổng hợp đƣợc khai triển theo chuỗiTaylor nhƣ sau:

Tín hiệu ra gồm có thành phần 1 chiều , thành phần cơ bản: (

,2 ,2 ngoài ra còn có các thành phần bậc cao

(1.23)Khi m,n=1 => : bộ trộn tần đơn giản

m,n>1=> bộ trộn tần tổ hợp

Khối trộn Mixer đƣợc sử dụng để truyền tín hiệu trong một dải phổ này tớimột dải phổ khác Trong tuyến thu vệ tinh, Mixer đƣợc sử dụng để truyền trựctiếp tần số của tín hiệu cao tần từ bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (tích hợp với

bộ tạo dao động tại chỗ) thành tín hiệu trung tần IF hoặc ngƣợc lại chuyển đổitín hiệu từ trung tần lên cao tần để phát lên vệ tinh Khối thực hiện điều đó đƣợcgọi là bộ chuyển đổi tần số

Băng tần là một miền của phổ tần số truyền thông ở đó các kênh thườngđược sử dụng hoặc được thiết lập với cùng mục đích Dưới đây là bảng tổnghợp các băng tần số cơ bản.

Bảng 1:Băng tần sóng cao tần theo IEEE

Băng X 8 tới 12 GHz Sử dụng trong Thế chiến II cho hệ thống điều

khiển hỏa lực, X có nghĩa là chữ thập:2.5-3.75cm

Băng 40 tới 300 GHz Dùng cho hoạt động kiểm thử thông tin dùng giữa

Băng tần S là một phần của băng tần viba thuộc phổ điện từ Nó được địnhnghĩa theo một tiêu chuẩn của IEEE cho sóng vô tuyến với tần số trong dải 2 tới

4 GHz, tần số 3 GHz là ranh giới giữa UHF và SHF Băng S được dùng choradar thời tiết, radar tàu biển, vệ tinh thông tin, đặc biệt là NASA dùng cho liênlạc giữa tàu con thoi và trạm không gian quốc tế Radar băng ngắn 10 cm có dảitần 1,55 tới 5,2 GHz.Ở một số nước, băng S được dùng cho truyền hình vệ tinhgia đình (không giống như dịch vụ tương tự ở hầu hết các quốc gia dùng băngKu) Tần số cấp phát cho dịch vụ này là 2,5 tới 2,7 GHz

2.2 Các tham số cơ bản

2.2.1 Đường truyền sóng

Đường truyền sóng là đường truyền dẫn sóng điện từ Một đường truyềnsóng thường được mô tả như một hệ gồm hai dây dẫn song song (khi truyềndẫn sóng TEM cần ít nhất 2 vật dẫn ) với một phần tử rất ngắn như trình bàytrên Hình 2.1 (a) Ta có một mạch tương đương biểu diễn bởi 4 phần tử tậptrung được mô tả trên Hình 2.1 (b)

Hình 2.1: Đương truyền sóng(a) và mạch tương đương (b)Trong đó:

G: Điện dẫn song song trên một đơn vị dài (S/m );

C: Điện dung song song trên một đơn vị dài (F/m);

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

R: Điện trở nối tiếp ( );

L: Điện cảm nối tiếp (H)

Áp dụng định luật Kirchhoff ta có phương trình đường truyền:

Vậy phương trình truyền sóng của đường truyền là phương trình vi phân tuyến tính Nghiệm chung của phương trình sóng:

V(z)=

I(z)=

Các hàm V(z) và I(z) mô tả dòng và thế tại mọi vị trí z trên đường truyền

Sóng (z) hay (z) truyền theo phương +z

Sóng (z) hay (z) truyền theo phương -z

Hình 2.2: Sóng truyền trên đường truyền[5]

Dựa vào các biểu thức trên ta có thể thấy rằng điện áp và dòng điện trênđường truyền được xác định bởi sự “xếp chồng” của hai sóng là sóng tới vàsóng phản xạ Do vậy biên độ |V| và |I| tai mỗi vị trí z sẽ có giá trị khác nhau Cónhững điểm, biên độ |V| hoặc |I| luôn đạt cực đại , ngược lại có giá trị luôn đạtcực tiểu , nghĩa là biên độ điện áp ( dòng điện) có dạng dao động theo z Sóngnày gọi là sóng đứng

Như vậy hiện tượng sóng đứng sẽ xảy ra khi hệ số phản xạ khác 0 .

Khi Γ=0 trên đường truyền chỉ có một sóng là sóng tới có dạng sóng chạy

Như vậy sóng chạy sẽ xảy ra khi:

Γ=0 hay = ta nói đường truyền được phối hợp trở kháng

2.2.3 Hệ số sóng đứng điện áp(VSWR)

Có những điểm, biên độ |V| hoặc |I| luôn đạt cực đại hoặc cực tiểu ,

nghĩa là biên độ điện áp ( dòng điện) có dạng dao động theo z

Ta xét sóng điện áp trên một đường truyền:

(2.11)Biên độ điện áp:

(2.12)Viết lại công thức trên theo (2.12), lấy l=-z ta có:

Khoảng cách giữa hai điểm cực đại và cực tiểu kề nhau là :

Ta có hình ảnh sóng đứng điện áp trên đường dây truyền sóng không tổn hao :

Hình 2.3: Sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao tổn

có mắc tải đầu cuối

Hình 2.4: Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyền không

hao tổn có mắc tải đầu cuối

Các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực tiểu được gọi là điểm “nút” ,còn các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực đại gọi là điểm“bụng” Cácđiểm nút và điểm bụng của sóng đứng dòng điện cũng định nghĩa tương tự Rõràng điểm nút của sóng đứng điện áp sẽ tương ứng với điểm bụng của sóngđứng dòng điện và ngược lại

Tại các điểm bụng của sóng đứng ta có:

(1+|Γ|)(1-|Γ|)Còn tại điểm nút ta có:

(1-|Γ|)(1+|Γ|)

Tỷ số biên độ của điện áp tại điểm bụng và điểm nút được gọi là hệ số sóngđứng (HSSĐ) viết tắt là VSWR

Khi Γ=0 ta có hệ số sóng đứng =1, nghĩa là biên độ của sóng điện áp(hoặc dòng điện) có gía trị như nhau trên suốt chiều dài của đường truyền Sóngtrên đường truyền được gọi là sóng chạy

Từ công thức trên ta cũng rút ra được quan hệ giữa hệ số sóng đứng S và

hệ số phản xạ Γ:

|Γ|=

2.3.4 Công suất trung bình truyền theo đường dây truyền sóng

Ta khảo sát công suất trung bình theo đường truyền, qua điểm có tọa độ z,

ta có công thức:

(2.26)

Ta thấy:

Là công suất trung bình của sóng tới

Là công suất trung bình sóng phản xạ

Như vậy, công suất trung bình=hiệu công suất trung bình sóng tới – công suấttrung bình sóng phản xạ

Ta có một số nhận xét sau :

Khi Γ=0 phối hợp trở kháng : tàn bộ công suất được truyền cho tải

Khi Γ=1 công suất của sóng tới và sóng phản xạ có giá trị bằng nhau do đó côngsuất truyền cho tải bằng 0

Khi Γ 0 không phải toàn bộ công suất được truyền cho tải mà còn có một bộphận bị phản xạ lại gây tổn hao công suất Ta gọi đó là tổn hao do phản xạ( tỷ sốgiữa công suất phản xạ và công xuất đến)

2.3 Giản đồ Smith

Trong kỹ thuật siêu cao tần các bài toán phân tích thiết kế các mạch điện

ở tần số siêu cao thường dẫn tới việc giải các hệ phương trình rất phức tạp Để đơn giản hóa các bài toán chúng ta có thể giải thông qua các đồ thị giản đồ

Và giản đồ được biết đến ,sử dụng rộng rãi và là công cụ đồ họa hữudụng dành cho các kỹ sư điện tử đặc biệt là điện tử siêu cao tần là Giản đồ smithđược phillip smith phát minh tại phòng thí nghiệm Bell Telephone vào năm

1939 Giản đồ có thể sử dụng đề biểu diễn nhiều tham số của đường dây truyềndẫn cũng như mạch cao tần ( trở kháng, dẫn nạp,hệ số phản xạ)

Giản đồ này được biểu diễn hình học của biểu thức:

=Viết chuẩn hóa dưới dạng ( chia cho Ro):

=Với Γ=|Γ| biểu thức chuẩn hóa có dạng

=

Hệ số phản xạ Γ bất kì có thể biểu diễn lên hệ tọa độ dưới dạng một bánkính vector |Γ| và góc pha Ứng với mỗi điểm trên mặt phẳng của hệ số phản xạ

có một giá trị của hệ số phản xạ và một giá trị trở kháng z xác định

Trong đó: là điện trở của tải, là trở kháng của tải

là phần thực của hệ số phản xạ Γ

là phần ảo của hệ số phản xạ ΓTrên mặt phẳng hệ số phản xạ (giới hạn trong vòng bán kính bằng một và

|Γ| 1) có thể vẽ được 2 họ đường cong, một họ gồm những đường đẳng r=const

và một họ gồm những đường đẳng điện kháng x=const

=Biến đổi ta nhận được :

Các đường đẳng r là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trục hoành của

giản đồ và luôn đi qua điểm có r=1 Giá trị r của mỗi vòng tròn đẳng r được

ghi dọc theo trục hoành, từ 0 (điểm bên trái ứng với giá trị r = 0, điểm bên

phải ứng với giá trị r = )

Ta có những nhận xét sau :

Khi r=0 đường tròn r=0 có tâm tại (0,0) bán kính đơn vị 1 Đây là đường

tròn có tâm taị gốc tọa độ của mặt phẳng phức Γ bán kính là 1 Tất cả các giá trị

của hệ số phản xạ trên đường tròn này đều tương ứng với trở kháng đường dây

thuần kháng với thành phần điện trở bị triệt tiêu Ta có thể kiểm chứng được

rằng trong điều kiện trở kháng đường dây là thuần kháng hoặc bằng 0 (hay ) thì|

Γ|=1

(1/2,0) bán kính 0.5 Đường tròn này có tâm nằm trên trục Ta nói rằng mọi

Các đường đẳng x là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trục vuông góc với

trục hoành tại r=1 Có hai nhóm đường tròn đẳng x:

+)Nhóm các đường đẳng x với x > 0 (cảm kháng) là các đường nằm ở phía trên của trục hoành Giá trị x tăng dần từ 0 đến  và được ghi trên mỗi đường.

+)Nhóm các đường đẳng x với x < 0 (dung kháng) là các đường nằm ở phía dưới của trục hoành Giá trị x giảm dần từ 0 đến -  và được ghi trên mỗi đường.

Ta có nhận xét sau:

Khi x=0, vòng tròn đẳng x biến thành một đường thẳng và nằm trên trụchoành của của mặt phẳng phức Γ và với trở kháng đường dây là thuần trở thì hệ

số phản xạ Γ là số thực