Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống viba băng x

Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Lâm Hoàng Trung Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X TÓM TẮT Bộ khuếch đại công suất siêu cao tần đóng một vai trò quan

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

LÂM HOÀNG TRUNG

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG VIBA BĂNG X

FOR X-BAND MICROWAVE SYSTEMS

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông

Mã Ngành: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.Hồ Chí Minh tháng 06 năm 2017

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

5 TS NGUYỄN THANH HẢI

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau

khi luận văn đã được sửa chữa

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa Đ iện - Điện tử

Trang 3

GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Lâm Hoàng Trung

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: LÂM HOÀNG TRUNG Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 17 – 11 – 1983 Nơi sinh: Kiên Giang Ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông MSHV: 7141000

I TÊN ĐỀ TÀI: “ NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG VIBA BĂNG X ”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: (Yêu cầu nội dung và số liệu ban đầu):

Thiết kế được module khuyếch đại công suất băng X hoạt động tốt ở tần số 8050 MHz, công suất ngõ ra P1dB ≥ 20dBm, Gain ≥ 10 dB Lắp đặt và phát thử nghiệm trên hệ thống viba ABE CARAVAGGIO(BG) ITALY

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 15/08/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 16/06/2017

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

Tp.HCM, ngày 16 tháng 06 năm 2017

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

-& -

Đầu tiên, cho phép tôi được gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn

khoa học TS Huỳnh Phú Minh Cường Thầy là người luôn theo sát tôi trong

quá trình làm luận văn, Thầy đã tận tình chỉ bảo, đưa ra những vấn đề cốt lõi giúp tôi củng cố lại kiến thức và có định hướng đúng đắn để hoàn thành luận văn này Sự quan tâm từ Thầy luôn là nguồn động lực tạo cho tôi cố gắng và nỗ lực vượt qua thời gian nghiên cứu ban đầu đầy khó khăn của mình Với lòng kính mến, tôi sẽ luôn nhớ và trân trọng những hướng dẫn và gợi ý rất chuyên môn và đặc là biệt sự thân thiện của Thầy là niềm thúc đẩy tinh thần trên con đường nghiên cứu khoa học sau này của tôi nhằm góp phần phục vụ cơ quan cũng như xã hội sau này

Tiếp đến, tôi xin được gởi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô đã và đang

giảng dạy tại trường Đại Học Bách Khoa-TpHCM đặc biệt là các thầy cô Bộ

môn Viễn thông đã giúp tôi có được những kiến thức cơ bản để thực hiện luận

văn này Kính chúc Thầy Cô dồi dào sức khoẻ, thành đạt, và ngày càng thành công hơn trong sự nghiệp trồng người của mình

Cuối cùng, tôi cũng xin cảm ơn anh em đi trước trong lĩnh vực siêu cao

tần cùng với gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã luôn quan tâm, động viên và giúp

đỡ tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 6 năm 2017

LÂM HOÀNG TRUNG

Trang 5

TÓM TẮT

Bộ khuếch đại công suất siêu cao tần đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết

kế, phát triển và hiệu suất tổng thể của hệ thống truyền dẫn Viba băng X Hoạt động trong dãy tần số cao từ 8GHz đến 12GHz Mục đích chính của bộ khuếch đại công suất siêu cao tần là làm cho tín hiệu vô tuyến có đủ công suất để truyền thông tin qua không khí từ máy phát đến máy thu trong hệ thống truyền dẫn ViBa và yêu cầu của bộ khuếch đại là phải nâng cao công suất đầu ra, hiệu suất và băng thông Trong luận văn này, mạch khuyếch đại công suất hoạt động ở tần số 8.5 Ghz được thiết kế

và thi công với GaAs transistor và mô phỏng bằng phần mềm Agilent Advanced Design System

Các yêu cầu cho thiết kế là:

at 8.5 Ghz is designed and realized using a GaAs transistor and schematic by Agilent Advanced Design System software

The specifications for the design are:

✓ Bandwidth: 1 GHz (8-9 GHz)

✓ Maximum output power (P1dB): ≥ 20 dBm

✓ Gain ≥ 10 dB

✓ Input Return Loss (S11): ≤ -7 dB

✓ Output Return Loss (S22): ≤ -7 dB

✓ K > 1

Keywords: Microwave Power Amplifier, X-band, Advanced Design System

Trang 6

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Lâm Hoàng Trung

Trang 7

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.2 Tính cấp thiết đề tài 3 1.3 Đối tượng nghiên cứu 4 1.4 Hướng giải quyết đề tài 5 1.5 Các công trình liên quan 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.3 Phương trình cân bằng công suất trong tính toán đường truyền

2.2 Lý thuyết đường dây truyền sóng [6] 13 2.2.1 - Các thông số tuyến tính của đường truyền 13 2.2.2 - Hệ số truyền sóng 14 2.2.3 - Trở kháng đặc tính 14

Trang 8

2.5 Hệ số khuyếch đại và hiệu suất của mạch 19 2.6 Tính ổn định hệ thống 22 2.7 Phối hợp trở kháng cao tần[7], chapter 5 23 2.8 Transistor siêu cao tần 24 2.9 Mạch khuếch đại công suất siêu cao tần 25

CHƯƠNG 3 :THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ LẮP RÁP PHÁT THỬ NGHIỆM

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHO HỆ THÔNG VIBA BĂNG X

3.1 Lưu đồ thiết kế mạch khuếch đại công suất 31

CHƯƠNG 4:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

4.2 Hướng phát triển của đề tài 64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Trang 9

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Hình 1.1: Hệ thống Viba tiếp sóng: trạm Trung tâm (a), Trạm Phú Quốc (b),

Trạm Kiên Lương (hòn Phụ Tử) (c), Trạm Hòn Tre (d) _ 2Hình 1.2: Sơ đồ khối ViBa ABE PM7 - 8050GHz _ 4Hình 1.3: Mạch PA băng X, tác giả Robert Robinsson 6Hình 1.4: Mạch PA băng X, tác giả ALİ İLKER IŞIK 6Hình 1.5: Mạch PA wideband, tác giả Muhammed Hakan Yilmaz 7

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1: Tuyến ViBa đơn giản nhất bao gồm 2 trạm đầu cuối 10Hình 2.2: Thông số máy phát thu của hệ thống Viba ABE _ 12

Hình 2.3: (a)Định nghĩa dòng và thế trong đường dây truyền sóng, (b)mạch điện tập

trung tương đương _ 13Hình 2.4: Microstrip line (a) Hình dạng vật lý, (b) điện và từ trường _ 15Hình 2.5: Hiện tượng Spectral regrowth 18Hình 2.6: Điểm nén P1dB và IP3 _ 19 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạng 2 cửa _ 20 Hình 2.8: Giải pháp nâng cao độ ổn định mạch _ 22 Hình 2.9: Mạch phối hợp trở kháng ngõ vào và ra trong mạch khuếch đại cao tần _ 23Hình 2.10: Phân loại Transistor siêu cao tần _ 24Hình 2.11: Mạch khuếch đại lớp A 25Hình 2.12: Mạch khuếch đại lớp B 27Hình 2.13: (a) Mạch khuếch đại lớp C và (b) dạng sóng của nó _ 27

Trang 10

Hình 2.14: (a) Mạch khuếch đại lớp E và (b) dạng sóng của nó _ 28Hình 2.15: (a) Mạch khuếch đại lớp F và (b) dạng sóng của nó 29

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ LẮP RÁP PHÁT THỬ NGHIỆM MẠCH

KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG VIBA BĂNG X

Hình 3.1: Giao diện phần mềm ADS 2011 30 Hình 3.2: Lưu đồ thiết kế mạch khuếch đại công suất _ 301 Hình 3.3: Thông số của transistor FSX027WF _ 32Hình 3.4: Thông số SP của transistor FSX027WF 33Hình 3.5: Thông số phân cực transistor FSX027WF 33Hình 3.6: Thông số PCB Isola640-280 _ 34Hình 3.7: Tụ cao tần SMD và Model thực tế 35Hình 3.8: Điện trở cao tần SMD và Model thực tế 35Hình 3.9: Lổ xuyên lớp (a) mô phỏng EM, (b) trở kháng tại tần số 8.1 Ghz 35

Hình 3.10: Hệ K, μ và μ prime của transistor FSX027WF 36

Hình 3.11: (a) Vòng tròn ổn định ngõ vào, (b) Vòng tròn ổn định ngõ ra 37Hình 3.12: Mạch ổn định _ 37Hình 3.13: Phần mềm LineCalc _ 38Hình 3.14: RFC butterfly stub kết hợp dây λ/4 (a) 50Ω và (b) 90 Ω 38Hình 3.15: Trở kháng ngõ vào RFC dây λ/4 (a) 90 Ω, (b) 50 Ω 39Hình 3.16: RFC λ/4 90 Ω, (a) mô phỏng EM, (b) thông số S11. _ 40Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý mạch PHTK _ 41Hình 3.18: (a) SP_NF_GainMatchK trong ADS, (b) kết quả tính toán 42Hình 3.19: Phối hợp trở kháng ngõ vào dạng: (a) Shunt Stub, (b) Multisection

Transmission Lines 43

Trang 11

Hình 3.20: Phối hợp trở kháng ngõ ra dạng: (a) Shunt Stub, (b) Multisection

Transmission Lines 44Hình 3.21: Mạch phối hợp trở kháng dùng đường dây truyền sóng lý tưởng (a) mạch

nguyên lý, (b) thông số tán xạ 45Hình 3.22: Các connector trong schematic 46Hình 3.23: Mạch khuếch đại công suất dạng schematic 47Hình 3.24: Kết quả mô phỏng Schematic S11, S21, S22, S12. 47Hình 3.25: Mạch PA: (a) layout, (b) EM 48Hình 3.26: Kết quả mô phỏng EM (a) S11, S21, S22, S12., (b) K, μ, μprime 49

Hình 3.27: PCB layout chuẩn Gerber mạch khuếch đại công suất 50Hình 3.28: Mạch thực tế thi công trên PCB ISOLA640 50Hình 3.29: Phân cực nguồn cho Transistor và đo thực tế _ 51Hình 3.30: Đo độ lợi PA: (a) setup, (b) đo thực tế 52Hình 3.31: Băng thông 3 dB (1.9 Ghz) _ 53Hình 3.32: Đo thông số S với máy VNA (a) đo thực tế, (b) kết quả 54Hình 3.33: So sánh kết quả mô phỏng và đo thực tế K, S11, S21, S22, S12 _ 56Hình 3.34: Đo công suất ngõ ra P1dB (a) Setup, (b) kết quả _ 57Hình 3.35: Đồ thị điểm nén công suất 1dB ngõ ra (P1dB) _ 58Hình 3.36: (a) lắp PA vào transmitter ViBa, (b) chỉnh nguồn phân cực PA 59Hình 3.37: (a) Lắp tải (angten), (b) cấp nguồn và tín hiệu cho PA _ 60Hình 3.38: Định vị tọa độ và chỉnh góc ngẩng _ 60Hình 3.39: TT phát sóng Hòn Me cách máy phát ViBa 25km _ 61Hình 3.40: Tín hiệu thu tại trung tâm Phát Sóng Hòn Me (a) tín hiệu thu từ vệ tinh,

(b) tín hiệu thu từ máy phát ViBa _ 61

Trang 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu đề tài

Ngày nay, khoa học kỹ thuật trên Thế Giới có nhiều tiến bộ, nhiều thành tựu đáng

kể nhất là lĩnh vực khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin, phát thanh truyền hình… đã và đang phát triển rất mạnh Các thiết bị điện tử ngày càng tinh gọn, siêu nhỏ nhưng tính năng và hiệu quả làm việc của chúng thì rất cao và bền Một trong các hệ thống đó là truyền dẫn sóng vô tuyến Viba được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: Phát Thanh Truyền Hình, truyền tin, an ninh, viễn thông,… Các hệ thống

vô tuyến viba tiếp sức mặt đất (terrestrial radio-relay) có dung lượng thấp đến cao,

có khả năng truyền dẫn tín hiệu thay thế các tuyến cáp đồng trục, quang trong các mạng nội hạt mà địa hình phức tạp với thời gian triển khai tương đối thấp, tính cơ động cao trong điều kiện địa hình hiểm trở rừng núi biển đảo với cự ly truyền dẫn lên đến 60 km

Kiên Giang là tỉnh cuối cùng Tây Nam nước ta có địa hình phức tạp: đồi núi, biển đảo, biên giới,… nên việc truyền tải thông tin địa phương trên sóng phát thanh truyền hình đến người dân gặp rất nhiều khó khăn Vì thế Đài Phát Thanh và Truyền Hình Kiên Giang đã xây dựng trạm phát sóng trung tâm (10kW) trên đỉnh núi Hòn Me (Hòn Đất - Kiên Giang) cùng với các trạm tiếp sóng (500W) ở huyện đảo, biên giới: Hòn Tre, Phú Quốc, Kiên Lương, Hà Tiên nhằm đáp ứng truyền tải thông tin chính trị, xã hội, kinh tế, địa phương,… kịp thời và liên tục đến người dân huyện đảo, biên giới và ngư dân đang đánh bắt trên vùng biển Kiên Giang

Trang 13

2

Hình 1.1: Hệ thống Viba tiếp sóng: trạm Trung tâm (a), Trạm Phú Quốc (b),

Trạm Kiên Lương (hòn Phụ Tử) (c), Trạm Hòn Tre (d)

Tuy nhiên do địa lý hiểm trở nên đến nay việc đưa tín hiệu truyền hình đến các trạm tiếp sóng vẫn chưa có đường cáp quang truyền dẫn mà phải sử dụng thiết bị truyền dẫn Viba Các hệ thống truyền dẫn viba phụ thuộc rất nhiều vào công suất phát nhằm đáp ứng yêu cầu khoảng cách truyền dẫn thông tin đến các trạm tiếp sóng truyền hình Chính vì lý do này nên tôi chọn đề tài nghiên cứu thiết kế mạch công suất cho hệ thống Viba, làm chủ công nghệ thiết kế nhằm đưa tín hiệu truyền hình vươn xa hơn ra các đảo nhỏ và vùng biên giới hiểm trở đến nay vẫn chưa được phủ sóng Phát Thanh Truyền Hình phục vụ nhu cầu thông tin cho người dân

Trang 14

Chính vì những khó khăn trên nên đề tài hướng đến việc nghiên cứu và thiết kế mạch công suất X-band thay thế cho hệ thống Viba truyền dẫn Nhằm làm chủ công nghệ sản xuất các module công suất cao tần góp phần rất quan trọng trong việc sửa chữa bảo trì các hệ thống truyền dẫn Viba của tỉnh nhà, đảm bảo truyền dẫn thông tin liên tục trong lĩnh vực Phát Thanh Truyền Hình và hệ thống Viễn Thông Và đây cũng là tính cấp thiết của đề tài nhằm giảm sự phụ thuộc vào các chuyên gia nước ngoài cũng như nhập các module công suất, chủ động thiết kế dự phòng để thay thế kịp thời module công suất khi sự cố xảy ra góp phần tiết kiệm chi phí và thời gian cho cơ quan đơn vị

Sơ đồ cơ bản của hệ thống viba ABE CARAVAGGIO(BG)ITALY PM7 8050MHz (hình1.2) mà Đài Phát Thanh truyền hình Kiên Giang đang sử dụng và vị trí mạch công suất (PA) của hệ thống

Trang 15

4

Hình 1.2: Sơ đồ khối ViBa ABE PM7 - 8050GHz

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Ở Việt Nam hiện nay còn sử dụng rất nhiều hệ thống truyền dẫn Viba để truyền thông tin Tất cả các kỹ thuật trong một hệ thống đều là các mảng kỹ thuật riêng biệt được kết hợp với nhau để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh chất lượng cao nhưng phức tạp Đóng vai trò không thể thiếu của hệ thống là bộ thu phát sóng Tín hiệu phát đi phải là các tín hiệu vô tuyến, với khả năng di động cao, tín hiệu phát phải đủ mạnh giảm thiểu tác động môi trường, và truyền được xa Chính điều này dẫn đến việc phát triển bộ khuếch đại cộng suất với yêu cầu ngày càng nhỏ gọn, hệ

số khuếch đại cao, công suất ngõ ra đủ lớn là rất cần thiết Trong giới hạn thời gian của một luận văn thạc sĩ, đề tài sẽ không đi sâu nghiên cứu chế tạo toàn bộ hệ thống mà sẽ chọn đi sâu nghiên cứu chế tạo bộ khuếch đại công suất siêu cao tần X- band với tần số trung tâm 8.5Ghz và yêu cầu đảm bảo về công suất phát nhằm đạt

Trang 16

được khoảng cách truyền dẫn mong muốn 30km Để thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống phát Viba truyền dẫn tín hiệu, ta cần nắm vững các kiến thức sau:

Hệ thống Viba số truyền dẫn tín hiệu, suy hao trong điều kiện tự do

Kỹ thuật siêu cao tần: độ lợi, suy hao, linh kiện cao tần, mạch siêu cao tần,…

Sử dụng phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS, đường dây truyền sóng Appcad, phối hợp trở kháng Smithchart, EM Momentum

Gia công mạch thực tế, dùng thiết bị đo đạt so sánh yêu cầu đặt ra

1.4 Hướng giải quyết đề tài

Luận văn sẽ chọn phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu với các thí nghiệm và kết quả đo đạc trên mạch được chế tạo thực tế Các kết quả thực nghiệm sẽ được so sánh với kết quả tính toán lý thuyết và mô phỏng Cuối cùng, kết nối tín hiệu RF của bộ điều chế của máy phát Viba với ngõ vào của bộ khuếch đại công suất để phát thử nghiệm với các khoảng cách yêu cầu đặt ra và đánh giá hiệu quả của toàn bộ đề tài

Trong khuôn khổ luận văn này sẽ tập trung vào một số vấn đề trọng tâm của đề tài đặt ra Nghiên cứu về hệ thống máy phát Viba tìm hiểu phương pháp tính toán suy hao trên đường truyền để chế tạo bộ khuếch đại công suất X-band có công suất phát phù hợp nhằm đạt được khoảng cách truyền mong muốn Cuối cùng đưa ra các giải pháp để thiết kế chế tạo một hệ thống thực tế để thử nghiệm và so sánh với các kết quả mô phỏng và tính toán

1.5 Các công trình liên quan

Mạch khuếch đại công suất là một thành phần không thể thiếu đối với các hệ thống máy phát Viba với yêu cầu công suất đủ lớn để truyền dẫn tín hiệu đi xa Trong thực tế, đã có nhiều đề tài nghiên cứu, thiết kế mạch khuếch đại công suất băng X Trong đề tài nghiên cứu [1], tác giả Robert Robinsson đã giới thiệu mạch khuếch đại công suất dạng Balance Power Amplifier, công suất 50 W ở tần số 9 GHz

Trang 17

6

Hình 1.3: Mạch PA băng X, tác giả Robert Robinsson

Trong đề tài [2] mạch khuếch đại công suất X - band dùng GAN transistor, 20W tần

số 10Ghz của tác giả ALİ İLKER IŞIK

Hình 1.4: Mạch PA băng X, tác giả ALİ İLKER IŞIK Hay đề tài [3] mạch khuếch đại công suất wideband 10W của tác giả Muhammed Hakan Yilmaz

Trang 18

Hình 1.5: Mạch PA wideband, tác giả Muhammed Hakan Yilmaz

Và đề tài [4] “3 W X-Band Monolitic Variable Gain Amplifier”, của tác giả R.B Culbertson và Zimmerman sử dụng trong chế tạo MMIC

Những nghiên cứu trên đƣợc đăng khá nhiều trên các tạp chí IEEE hay các hội nghị quốc tế về siêu cao tần Còn ở Việt Nam, việc nghiên cứu thiết kế các mạch khuếch đại công suất siêu cao tần còn khá khiêm tốn, chủ yếu tập trung vào việc mô phỏng

Do đó, tôi đã chọn đề tài thiết kế mạch khuếch đại công suất băng X dùng cho hệ thống Viba truyền dẫn tín hiệu Trong luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu việc thiết kế mạch khuếch đại công suất ở băng tần X (8 đến 12 Ghz) với tần số trung tâm 8.5 GHz để truyền dẫn thông tin giữa 2 trạm với khoảng cách yêu cầu 30km Mạch công suất này ngoài việc phục vụ cho máy phát Viba còn phục vụ cho các ứng dụng khác nhƣ: rada, y học,…

Trang 19

ta, nói ViBa là nói tới hệ thống vô tuyến tiếp sức mặt đất

Tổng quan về phân chia các băng tần Băng tần Ký hiệu Đặc tính lan truyền Phạm vi ứng dụng 3-30KHz

(Chục km)

Tần số rất thấp (VLF)

- Sóng mặt đất

- Lan truyền cự ly xa

- Mức tạp nhiễu khí quyển lớn

ứng dụng nhiều cho thông tin dưới nước (solar)

30-300KHz

(Km)

Tần số thấp (LF) - Tương tự như VLF

nhưng bị hấp thụ vào ban ngày

Vô tuyến hàng hải

300-3000KHz

(Trăm mét)

Tần số trung bình (MF)

- Sóng mặt đất và sóng trời ban đêm

- Suy hao thấp ban đêm cao vào ban ngày

- Tạp khí quyển

Vô tuyến và định vị hàng hải, các tần số cho cứu hộ và vô tuyến quảng bá AM

3-30MHz

(Chục mét)

Tần số cao (HF)

Phản xạ tầng điện ly thay đổi theo thời gian trong ngày, mùa và tần số

Vô tuyến nghiệp dư; phát sóng quốc tế; thông tin quân sự, hàng không đường

Trang 20

dài

30-300MHz

(mét)

Tần số rất cao (VHF)

Lan truyền theo tầm nhìn thẳng (LoS)

Truyền hình VHF, phát thanh FM, thông tin đạo hàng

AM, thông tin ViBa 0,3-3GHz

(dm)

Tần số cực cao (ultrahigh

frequency-UHF)

Lan truyền theo tầm nhìn thẳng

Truyền hình UHF, radar, thông tin viba

3-30GHz

(cm)

Tần số siêu cao (superhigh

frequency-SHF)

Lan truyền Los, suy hao nhanh theo lượng mưa, suy hao khí quyền do ôxi và hơi nước, hấp thụ hơi nước cao ở 22GHz

Thông tin vệ tinh, thông tin ViBa

30-300GHz

(mm)

Tần số siêu siêu cao (Extremely High Frequency EHF)

LoS, hấp thụ hơi nước tại 183GHz và hấp thụ

ô xi tại 60 và 119GHz

Rada, vệ tinh thử nghiệm

103-107GHz Hồng ngoại, ánh

sáng nhìn thấy và tia cực tím

LoS Thông tin quang

Thông tin siêu cao tần làm việc ở dải sóng cực ngắn dùng để truyền tín hiệu có dải tần rộng Về lý thuyết, dải sóng dùng cho các hệ thống ViBa là từ 60MHz cho tới 60/80GHz Trong thực tế, đối với các hệ thống ViBa ở dạng thương phẩm thường làm việc trên dải sóng từ 60MHz đến 20 GHz, các hệ thống công tác với dải tần số cao hơn (6080 GHz) hiện vẫn đang còn trong giai đoạn thử nghiệm Do có dải tần làm việc rất rộng và cao so với thông tin cao tần vì vậy được sử dụng làm phương tiện truyền dẫn chính trong viễn thông công cộng siêu ngắn

Trang 21

10

siªu cao

C f

Hình 2.1: Tuyến ViBa đơn giản nhất bao gồm 2 trạm đầu cuối

2.1.2 Phân Loại ViBa

Phụ thuộc vào tốc độ bít của tín hiệu cần truyền, các thiết bị vô tuyến phải được thiết kế, cấu tạo phù hợp để có khả năng truyền dẫn các tín hiệu đó Có thể phân loại như sau:

- ViBa số băng hẹp (tốc độ thấp): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ 2Mbit/s, 4 Mbit/s và 8 Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 30 kênh, 60 kênh và 120 kênh Tần số sóng vô tuyến (0,4 - 1,5) GHz

- ViBa số băng trung bình (tốc độ trung bình): được dùng để truyền các tín hiệu

có tốc độ từ (8-34) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 120 đến 480 kênh Tần số sóng vô tuyến (2 - 6) GHz

- ViBa số băng rộng (tốc độ cao): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ từ (34-140) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 480 đến 1920 kênh Tần

số sóng vô tuyến 4, 6, 8, 12GHz

Trang 22

2.1.3 Phương trình cân bằng công suất trong tính toán đường truyền ViBa[5]:

Pr = Pt + G - L dB [dB] (2.1)

Pt: Công suất máy phát (dBm)

G: Độ lợi anten(dB)

dB

L : Suy hao trong không gian tự do

Pr: Mức đầu vào của máy thu(dBm)

Ví dụ: Để tính công suất máy Phát Pt truyền được khoảng cách 30km với Anten

Parabol 1.2m có độ lợi G = 33dB và độ nhạy máy thu máy thu trung bình -55dBm

a Độ lợi của anten (cho bởi nhà chế tạo với f=8GHz)

20 4 ,

L dB   

Trang 23

12

Hình 2.2: Thông số máy phát thu của hệ thống Viba ABE

Trang 24

2.2 Lý thuyết đường dây truyền sóng

2.2.1 Các thông số tuyến tính của đường truyền

Một đường truyền sóng được đặc trưng bởi các thông số sơ cấp tuyến tính [6]

Điện cảm tuyến tính L [H/m], đặc trưng cho điện cảm tương đương của phần dây

dẫn kim loại, tính trên một đơn vị chiều dài đường truyền

Điện dung tuyến tính C [F/m], đặc trưng cho điện dung của lớp điện môi phân cách

hai dây dẫn kim loại, tính trên một đơn vị chiều dài đường truyền,

Điện trở tuyến tính R [Ohm/m], đặc trưng cho điện trở thuần của dây dẫn kim loại, tính trên một đơn vị chiều dài đường truyền Điện trở tuyến tính R liên quan đến tổn

hao kim loại (do dây dẫn không dẫn điện lý tưởng),

Điện dẫn tuyến tính G [S/m], đặc trưng cho điện dẫn thuần của lớp điện môi phân cách, tính trên một đơn vị chiều dài đường truyền Điện dẫn tuyến tính G liên quan

đến tổn hao điện môi (do điện môi cách điện không lý tưởng)

Vì vậy một đường dây truyền sóng là một mạng phân bố, có nghĩa là điện thế và dòng điện sẽ khác nhau về độ lớn và pha trong suốt chiều dài của đường dây truyền sóng Trong hình 2.3 (a), đường dây truyền sóng có hai dây dẫn

Hình 2.3: Định nghĩa dòng và thế trong đường dây truyền sóng (a) Mạch điện tập

trung tương đương (b)

Trang 25

Đối với đường truyền không tổn hao (R=0, G=0)

( ) √ (2.9)

là một hằng số thực, được gọi là điện trở đặc tính của đường dây Thực tế thường

gặp các đường truyền sóng có =50 Ohm, hoặc =75Ohm

2.2.4 Hệ số phản xạ

Hệ số phản xạ điện áp tại một điểm x bất kỳ là tỉ số giữa sóng điện áp phản xạ và

sóng điện áp tới tại điểm x đó

Công thức thường áp dụng:

( )

( )2.2.5 Hệ số sóng đứng (VSWR – Voltage Standing Wave Ratio)

| ( ) | | ( ) |

| | | | (2.11)

Trang 26

2.3 Đường truyền vi dải

2.3.1 Định nghĩa

Đường truyền vi dải (Microstrip Line)[7] là dạng đường truyền phổ biến nhất của đường truyền thẳng Hình dạng của một đường truyền vi dải được thể hiện trong hình 2.4 Một dây dẫn có chiều rộng W, được in trên một lớp chất nền điện môi có

độ dày d và hằng số điện môi tương đối εr, bên dưới là lớp mặt phẳng đất cũng có

độ dày t và có cùng chất dẫn điện như dây dẫn (ví dụ: đồng, bạc…)

Hình 2.4: Microstrip line (a) Hình dạng vật lý, (b) điện và từ trường

Cho trước kích thước của microstrip line và độ dày t của lớp dẫn điện không đáng

kể trở kháng đặc tính của đường dây có thể được tính như sau:

Theo [7] suy hao trên đường dây được tính bằng công thức

( )

trong đó,

: suy hao do lớp dẫn điện Với Z0 và W là trở kháng đặc tính và độ rộng của đường dây, RS là trở kháng bề mặt trên 1 đơn vị diện tích vuông hay còn gọi là trở kháng của hiệu ứng da (skin effect) là hiện tượng mà dòng điện xoay chiều phân bổ trên bề mặt dây dẫn nhiều hơn phần bên trong lõi

Trang 27

là hằng số điện dẫn lớp kim loại (đồng, bạc, vàng ) của microstrip line, là độ

sâu da (skin depth) là độ sâu mà mật độ dòng điện bằng (1/e = 36.8%) so với mật độ

dòng điện trên bề mặt dây dẫn

: suy hao do lớp điện môi

(tand là hằng số suy hao của chất điện môi và ε e hằng số điện môi hiệu dụng)

: suy hao do bức xạ Tùy thuộc vào cấu trúc vật lý của module thiết kế

: suy hao do rò rỉ trên đường truyền Tùy thuộc cấu trúc mạch cao tần thiết kế

2.4 Các thông số của mạch siêu cao tần

2.4.1 Hệ số Nhiễu

Nhiễu nhiệt

Hay còn được gọi theo các tên khác Johnson Noise, Nyquist Noise

Đơn vị của nhiễu nhiệt thường dùng trong hệ thống RF là công suất nhiễu được

Trang 28

Hệ số nhiễu hệ thống (đa tầng) – công thức Friiss:

(2.18)

với: F n và G n lần lượt là Hệ số nhiễu và Độ lợi tại tầng thứ n

Từ công thức trên, ta thấy được Độ lợi khuếch đại và nhiễu tại tầng thứ nhất là vô cùng quan trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống

2.4.2 Méo Phi Tuyến (Nonlinear Effect)

Các linh kiện điện tử hoạt động tuyến tính trong một khoảng tần số, nhiệt độ,… nếu vượt giới hạn chúng sẽ không tuyến tính (méo phi tuyến) Điều này có thể tác động tiêu cực đến mạch điện như làm méo tín hiệu, nén độ lợi, ….Các dạng phi tuyến trong mạch khuếch đại:

Phát sinh Hài (Harmonic generation)

Với 1 hệ phống phi tuyến với điện thế ngõ vào là vi và điện thế ngõ ra là vo

Thì các thành phần khác ngoài thành phần cơ bản theo chuỗi Taylor là:

( )

Với a0 là thành phần DC, a1vi là thành phần cơ bản (fundamental), a1 là hệ số tuyến tính, các thành phần, là hài bậc 2, 3… Hệ số a2 (gọi là second-order),

a3 (thirth-order) là hệ số hài bậc 2 và bậc 3

Cross Modulation: là hiện tượng tín hiệu bị một tín hiệu biến điệu không mong muốn

cộng vào Ta có thể mô hình hóa như sau:

Trang 29

18

V(t) = ACosω1t + (1+m(t))Cosω2t (2.20) Với thành phần thứ nhất ACosω1t là tín hiệu mong muốn, thành phần thứ hai (1+m(t))Cosω2t là tín hiệu biến điệu AM không mong muốn

AM-PM conversion: là hiện tượng mà khi thay đổi biên độ tín hiệu ngõ vào trong

mạch phi tuyến sẽ gây ra sự dịch pha ở ngõ ra Dạng méo này rất nghiêm trọng, đặc biệt là đối với tín hiệu biến điệu pha hoặc tần số

AM-AM conversion: là hiện tượng mà khi thay đổi biên độ tín hiệu ngõ vào trong

mạch phi tuyến sẽ gây ra sự tăng hoặc giảm không tuyến tính ở ngõ ra (Gain compression)

Spectral regrowth: là hiện tượng mà hệ thống khuếch đại cả các thành phần ngoài

băng thông gây ảnh hưởng đến băng sóng lân cận Khi công suất càng tăng thì hiện

tượng này càng dễ xảy ra

Hình 2.5: Hiện tượng Spectral regrowth

2.4.3 Độ lợi bị bảo hòa (gain reduce)

Mạch khuếch đại lý tưởng là mạch tuyến tính hoàn toàn Có nghĩa là với mọi tín hiệu vào sẽ đều được mạch khuếch đại Khi tín hiệu vào là nhỏ, tín hiệu ra được khuếch đại tuyến tính Tín hiệu vào tăng dần, tín hiệu ra khuếch đại tăng theo, đến một mức giới hạn bảo hoà của một trong các linh kiện của mạch Điểm nén 1-dB được định nghĩa là điểm mà độ lợi của tín hiệu giảm 1 dB so với độ lợi của tín hiệu

Trang 30

nhỏ (độ lợi lý tưởng) Bằng cách giảm bớt độ lợi để tín hiệu không méo dạng Điểm nén 1-dB giúp cân bằng giữa độ lợi khuếch đại và tính tuyến tính của mạch Trong thực tế, đối với amplifier, điểm nén 1-dB thường được gán là công suất ra (P1dBm)

Để đánh giá mức tuyến tính của mạch, người ta dùng thông số điểm chặn bậc 3 (Third Order Intercept Point) – hay còn gọi là IIP3 (Input 3rd Order Intercept Point) Điểm chặn bậc 3 là điểm mà ở đó biên độ phổ bậc 3 trùng với biên độ phổ bậc 1

Hình 2.6: Điểm nén P1dB và IP3 2.5 Hệ số khuyếch đại và hiệu suất của mạch

Trước tiên, ta định nghĩa các thông số S-parameter của mạng 2 cửa S-parameter là các thông số của ma trận tán xạ [S]

: hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 1

Trang 31

: hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 2

Từ định nghĩa này, ta suy ra:

11

S : hệ số phản xạ công suất tại cửa vào 1

22

S : hệ số phản xạ công suất tại cửa vào 2

Xét đoạn mạch cao tần có thông số ma trận tán xạ [S] như sau [8]:

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạng 2 cửa

Độ lợi công suất:

Trang 33

22

2.6 Tính ổn định hệ thống

Hệ thống ổn định là mạch luôn khuếch đại với mọi tín hiệu đưa vào mà không trở

thành một mạch dao động Mạch cao tần được đặc trưng bởi 1 hệ số ổn định K,

được định nghĩa bởi công thức:

| | | | |∆|

| || | ( )

∆

Hệ thống sẽ ổn định không điều kiện khi: K > 1 và  < 1

Điều này tương đương một hệ số khác, được định nghĩa:

| ∆ | | || | ( )

hệ thống cũng sẽ vào trạng thái ổn định không điều kiện

Phương pháp nâng cao độ ổn định mạch [3]

Đối với những mạch không ổn định K<1 ta dùng biện pháp nâng cao độ ổn định như:

sử dụng mạch lọc thượng thông R-C, mạch cộng hưởng R-L-C hoặc phương pháp R và đường dây truyền sóng (hình 2.7) nhằm giảm độ lợi ở vùng tần số thấp Điều này sẽ làm giảm | |, | | giúp mạch ổn định Việc lựa chọn giá trị R, L và C tùy thuộc vào khoảng tần số thấp mà | |, | | >1 Ở hình 2.7 b, mạch cộng hưởng xem như hở mạch ở vùng tần số hoạt động và làm giảm độ lợi cả vùng tần số thấp

và cao Ở hình 2.7 c, đường dây truyền sóng hở mạch ở tần số hoạt động và làm suy giảm độ lợi qua R ở tần số thấp

Hình 2.8: Giải pháp nâng cao độ ổn định mạch Sử dụng RC (a), RLC (b) hoặc R và

đường dây truyền sóng (c)

Trang 34

Khi sử dụng các giải pháp tăng độ ổn định, ta đều phải cân nhắc với các thông số khác của mạch, chẳng hạn gain bị giảm Do đó, ta cần mô phỏng và lựa chọn giải pháp phù hợp với từng mạch cụ thể Ngoài ra, ta cũng có thể kết hợp nhiều giải pháp để mạch ổn định không điều kiện Trong đề tài này, ta kết hợp giải pháp mạch lọc RC kết hợp với giải pháp dùng điện trở R và đường dây truyền sóng (hình 2.7a, c) để nâng cao độ

ổn định mạch

2.7 Phối hợp trở kháng cao tần

Hình 2.9: Mạch phối hợp trở kháng ngõ vào và ra trong mạch khuếch đại cao tần

Phối hợp trở kháng là trạng thái mà trở kháng tải bằng với trở kháng đặc tính của đường dây (ZL=Z0)[7]chapter Khi có phối hợp trở kháng thì toàn bộ công suất từ nguồn sẽ được truyền hoàn toàn đến tải Có rất nhiều cách để thực hiện mạch phối hợp trở kháng như: dùng đường dây truyền sóng; dùng phần tử tập trung R, L, C; hay phối hợp đường dây truyền sóng với các phần tử R, L, C Trong thực tế, để chọn dạng mạch phối hợp trở kháng, ta cần xét các tiêu chí sau:

✓ Độ phức tạp: khi so sánh các giải pháp thiết kế, thiết kế càng đơn giản mà đáp ứng các tiêu chí đề ra sẽ được đánh giá cao hơn

✓ Tần số và băng thông: tất cả các dạng mạch phối hợp trở kháng đều có thể

matching lý tưởng ở 1 tần số Tuy nhiên, trong thực tế ta cần băng thông rộng hơn do đó việc chọn phương pháp phối hợp trở kháng là cần thiết sao cho phù hợp với yêu cầu thiết kế Trong đề tài chọn phương pháp Step line thay đổi độ rộng và chiều dài dây dẫn sóng để phối hợp trở kháng ở tần số trung tâm 8,5 Ghz

Trang 35

24

✓ Thực hiện cân chỉnh dễ dàng: cân chỉnh là quá trình cần thiết trong thực hiện

mạch cao tần Đối với tần số càng cao bước sóng càng bé do đó việc sử dụng microstrip line cho mạch phối hợp trở kháng là phù hợp Ngoài ra, khi cần thay đổi các giá trị phối hợp ta chỉ cần thay đổi độ dài điện của đường dây truyền sóng điều này thực hiện dễ dàng với microstrip line

✓ Tính linh hoạt trong việc thay đổi thiết kế: trong quá trình thiết kế cho một số ứng dụng, mạch phối hợp trở kháng có thể thay đổi với nhiều tải khác nhau

✓ Khả năng chặn hài tần số cao: đây là yếu tố quan trọng trong việc hạn chế ảnh hưởng của mạch đến các băng sóng khác

2.8 Transistor siêu cao tần

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại transistor siêu cao tần (hình 2.9) Tùy vào yêu cầu thiết kế ta có thể chọn transistor cho phù hợp

Hình 2.10: Phân loại Transistor siêu cao tần Phần lớn linh kiện siêu cao tần trong trong thương mại hiện nay sử dụng linh kiện dạng Si (silicon) hoặc GaAs (Gallium Arsenide) Trong khi đó, ở lĩnh vực nghiên cứu người ta cũng thường dùng linh kiện dạng SiC (silicon carbide) và GaN (gallium nitride) Trong luận văn này, lựa chọn transistor GaAs FET ở chế độ khuyếch đại lớp A[2], dựa trên các transistor của các hãng đang có bán trên thị trường nước ngoài như Triquint, NEC, Mitsubishi Fujitsu… Tuy nhiên, việc tìm

Trang 36

kiếm các transistor này vô cùng khó khăn do điều kiện địa lý và các lý do về chính trị Đây cũng là trở ngại cho việc thiết kế các mạch siêu cao tần nói chung ở Việt Nam hiện nay

2.9 Mạch khuếch đại công suất siêu cao tần

Có nhiều dạng mạch Power Amplifier (PA) ví dụ như Balance Power Amplifier, Multistage Power Amplifier,… Balance Power Amplifier rất thích hợp để thiết kế các mạch công suất lớn (vài chục đến hàng trăm watt) và thường được sử dụng trong các máy phát thanh, phát hình Ưu điểm của Balance Power Amplifier là có thể hoạt động bình thường nếu 1 trong 2 nhánh gặp sự cố Tuy nhiên, Balance Power Amplifier có nhược điểm là tạo ra kích thước của mạch lớn và đáp ứng tần

số bị suy giảm khi qua bộ ghép Đối với PA có công suất từ vài watt đến vài chục watt ta thường sử dụng dạng mạch Multistage Power Amplifier Phân loại mạch khuếch đại:

2.9.1 Mạch khuếch đại lớp A

Khuếch đại lớp A được định nghĩa là mạch với transistor(s) duy trì “on” và hoạt động tuyến tính trong toàn dải ngõ vào và ngõ ra Hiệu suất của PA lớp A là 50%

Hình 2.11 Mạch khuếch đại lớp A Cuộn dây chặn cao tần RFC là lý tưởng không có điện trở nối tiếp, và trở kháng RFC ở tần số hoạt động là vô cùng chỉ cho phép một hằng số (DC) đầu vào hiện tại, , Có

Trang 37

26

giá trị được xác định bởi các mạch phân cực.𝐶 là tụ điện DC-blocking (ngắn mạch

Tin hiệu dòng ngõ ra là:

( ) ( ) Tin hiệu điện áp ngõ ra là:

( )

Công suất đầu ra (tiêu tán trên tải R)

Công suất ngõ ra lớn nhât khi

Trang 38

Hình 2.12 Mạch khuếch đại lớp B

2.9.3 Mạch khuếch đại lớp AB

Ngõ ra transistor đóng ít hơn một nửa của chu kỳ Từ cái nhìn khác, một PA lớp

AB ít tuyến tính hơn lớp A và tuyến tính hơn lớp B Điều này thường được hoàn

thành bởi việc giảm độ dao động điện thế ngõ vào và vì thế lùi điểm nén 1-dB

2.9.4 Mạch khuếch đại lớp C

Lớp A và lớp B chỉ ra rằng góc dẫn nhỏ hơn đạt được hiệu suất cao hơn Với lớp C,

góc này giảm xa (và mạch trở nên ít tuyến tính hơn) Mô hình mạch lớp A có thể

được sửa đổi để hoạt động ở lớp C

Hình 2.13: (a) Mạch khuếch đại lớp C và (b) dạng sóng của nó

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	3,21 MB