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

Với sự phát triển của thông tin vệ tinh tầm thấp băng UHF, S ở tần số cao hơn băng thông được mở rộng làm tăng tốc độ truyền dẫn, vậy nên hiện nay thông tin vệ tinh tầm thấp ở nước ta ph

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

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

LỜI CAM ĐOAN

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 của GS.TS Bạch Gia Dương

Các số liệu của luận văn là chân thực dựa trên những mô hình , kết quả đã đạt 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 đánh giá 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 Gia Dương, người đã dành nhiều thời gian tâm huyết chỉ bảo hướng dẫn giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô, anh chị ở trung tâm nghiên cứu điện tử viên thông đã giúp đã tạo điều kiện về thời gian và kỹ thuật giúp tôi hoàn thành 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 tôi trong suốt quá trình học tập

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

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

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

MỤC LỤC

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

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

OIP3 Output Order Intercept Point

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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

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 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 các trang thiết bị, các hệ thống kỹ thuật công nghệ cao có ứng dụng vào trong đời sống của con người ngày càng lớn Trong số những nhu cầu đòi hỏi đó có một nhu 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 chiếm một vị quan trọng trong mạng lưới viễn thông của mỗi quốc gia trên toàn thế giới

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 của thông tin vệ tinh tầm thấp băng UHF, S ở tần số cao hơn băng thông được mở rộng làm tăng tốc độ truyền dẫn, vậy nên hiện nay thông tin vệ tinh tầm thấp ở nước ta phát triển mạnh mẽ do có nhiều ưu điểm nổi bật là dễ dàng quan sát mặt đất, giám sát hiện trường, khí quyển, kết hợp với các dịch vụ đa phương tiện….vùng phủ sóng rất rộng, triển khai lắp đặt nhanh và khả năng cung cấp dịch vụ đa dạng cho người sử dụng Và với việc phát triển của các vệ tinh tầm thấp yêu cầu đặt ra cho chúng ta là việc thu được các thông tin từ các vệ tinh tầm 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 hành phóng các trùm vệ tinh nhỏ tầm thấp ở băng S cho phép tín hiệu truyền qua khí quyển với độ suy hao nhỏ và kích thước anten tương đối nhỏ Để mở rộng các tính năng giao tiếp vệ tinh tầm thấp và trạm thu mặt đất là việc hết sức quan trọng và cần thiết trong luận văn này tôi tiến hành nghiên cứu và thiết kế tuyến thu 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 thông tin một cách chính xác chúng ta cần phải thiết kế một bộ thu tín hiệu từ vệ tinh sao cho thông tin không bị nhiễu dẫn đến các thông tin sai lệch Và khi tín hiệu thu vào anten thường có tín hiệu rất nhỏ do khoảng cách giữa vệ tinh và trạm thu 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 mong muốn 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 công đoạn.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 tạo tuyến 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 hệ thống thông tin vệ tinh

 Tìm hiểu về tuyến thu siêu cao tần

 Tìm hiểu kiến thức về phối hợp trở kháng, các phương pháp kỹ 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

 Về thiết kế:

 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 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

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

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 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 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

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

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

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

Thời kỳ từ năm 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

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

Năm 1984: Việt Nam xây dựng trạm Hoa Sen 2 ở thành phố Hồ Chí Minh Năm 2008: Việt Nam phóng vệ tinh vinasat -1

Năm 2012, Việt Nam phóng vệ tinh Vinasat -2

Vài năm gần đây chúng ta chứng kiến một cuộc cách mạng trong việc nghiên cứu chế tạo và triển khai các vệ tinh.Các vệ tinh nhỏ dần trở nên phổ biến hơn

do chi phí chế tạo và phóng rẻ hơn thời gian chế tạo nhanh chóng

Các đặc trưng cơ bản [3]

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

c ó 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 …

Nguyên lý hoạt động của hệ thống vệ tinh:

Hình 1.1:Sơ đồ hoạt động của hệ thống vệ tinh Hoạt 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 tần rồi được khuếch đại công suất HPA( High power Amplifier) khuếch đaị lên mức công 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 công suất 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 do tới anten thu rồi được khuếch đại qua tạp âm thấp LNA tần số từ siêu cao tần biến đổi về trung tần sau đó giải điều chế chúng ta thu được tín hiệu mong muốn…

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 nhiều khối nhỏ (được xây dựng từ nhiều linh kiện khác nhau) và dựa vào sự sắp xếp khác nhau của các khối ta sẽ có những mục đích khác nhau Sự đa dạng của các khối 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 suy hao.Khi sử dụng bộ khuếch đại này thì tạp âm LNA sẽ được cộng vào tín hiệu thu được làm tăng tỷ số tín hiêụ/ tạp âm và tăng công suất của tín hiêụ mong muốn còn việc xử lý tạp âm thì ta có thể xử dụng các bộ lọc để thu tín hiệu mong 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 khối dao động mà yếu tố biến đổi cơ bản là Diode biến dung VCO được điều chỉnh trên băng tần của nó bởi điện áp một chiều DC Mạch vòng bám pha sẽ được sử dụng 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 nhỏ thành một tín hiệu có biên độ lớn ở lối ra mà dạng tín hiệu không đổi) Tín hiệu thu 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 cả các module Tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn này chỉ tập chung vào nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA đồng thời tìm hiểu xây dựng 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 nhận được lên Việc khuếch đại thông thường có thể khuếch đại tín hiệu nhưng đồng thời 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 khuếch đại tín hiệu thu từ anten giúp giảm nhiễu cho các tầng kế tiếp (điển hình là bộ trộn) 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 độ lớn mà không gây méo tín hiệu được phối hợp trở kháng vào ra 50 với tín hiệu lối vào Việc phối hợp trở kháng với tải 50 lối vào của bộ lọc đặt trước LNA

là cực 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 nhỏ nhất bằng cách chọn lựa các giá trị trở kháng nguồn tùy thuộc vào tính chất của từng loại linh kiện siêu cao tần Tuy nhiên khi thiết kế hệ số tạp âm nhỏ nhất thì lại 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

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 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

Tiếp theo ta xét mạng tạp âm 2 cửa có thông số tán xạ [S]:

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 xác định 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 :

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 diễn như sau:

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

: công suất tín hiệu tại ngõ ra

Hệ thống nhiều tầng:

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

Trong đó:

Giả sử :

Suy ra:

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

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 2.1 Giới thiệu chung

Sóng siêu cao tần là các sóng vô tuyến có bước sóng rất nhỏ được trải dài

Băng tần là một miền của phổ tần số truyền thông ở đó các kênh thường được sử dụng hoặc được thiết lập với cùng mục đích Dưới đây là bảng tổng hợp 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

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 truyền sóng thường được mô tả như một hệ gồm hai dây dẫn song song (khi truyền dẫn sóng TEM cần ít nhất 2 vật dẫn ) với một phần tử rất ngắn như trình bày trên Hình 2.1 (a) Ta có một mạch tương đương biểu diễn bởi 4 phần tử tập trung 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 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

R: Điện trở nối tiếp ( );

L: Điện cảm nối tiếp (H)

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

=(-R+j L)I(z) (2.1)

=(-G+j C)V(z) (2.2) Lấy đạo hàm các phương trình ta được:

= V(z) (2.3)

= I(z) (2.4) với =(R+j L)(G+j C) với là một số phức

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

V(z)= (2.5)

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]

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:

với đường truyền không tổn hao do đó

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” Các điểm nút và điểm bụng của sóng đứng dòng điện cũng định nghĩa tương tự Rõ ràng điểm nút của sóng đứng điện áp sẽ tương ứng với điểm bụng của sóng đứng dòng điện và ngược lại

Tại các điểm bụng của sóng đứng ta có:

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:

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 suất trung 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 công suất truyền cho tải bằng 0

Khi Γ 0 không phải toàn bộ công suất được truyền cho tải mà còn có một bộ phận bị phản xạ lại gây tổn hao công suất Ta gọi đó là tổn hao do phản xạ( tỷ số giữa 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 hữu dụng dành cho các kỹ sư điện tử đặc biệt là điện tử siêu cao tần là Giản đồ smith được 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 truyền dẫn cũng như mạch cao tần ( trở kháng, dẫn nạp,hệ số phản xạ)

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

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

Ta có và Γ= thay vào biểu thức ban đầu:

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

Khi r=1 ta có đường tròn đẳng r=1 đi qua gốc tọa độ của Γ có tâm là (1/2,0) bán kính 0.5 Đường tròn này có tâm nằm trên trục Ta nói rằng mọi



L

Vòng tròn   1

điểm hệ số phản xạ Γ nằm trên vòng tròn đều tương ứng với trở kháng của đường dây có phần thực R đúng bằng trở kháng chuẩn hóa

Khi r  đường tròn có tâm tại (1,0) bán kính 0 đường tròn này biến thành một điểm trong mặt phẳng phức Γnằm tại tọa độ (1,0)

Khi r tăng , bán kính của đường tròn đẳng r nhỏ dần tâm đường tròn di chuyển về phía Γ=1

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

- Vòng tròn đẳng x :

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 trục hoành của của mặt phẳng phức Γ và với trở kháng đường dây là thuần trở thì

hệ số phản xạ Γ là số thực

Khi x vòng tròn đẳng x biến thành một điểm nằm tại điểm (1,0) trong mặt phẳng phức Γ, nghĩa là tại điểm =1

Mặt khác do hệ số phản xạ trên đường truyền |Γ| 1 nên ta ta chỉ vẽ các vòng tròn đẳng x nằm trong vòng tròn có đơn vị |Γ|=1

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

-Các vòng tròn đẳng |Γ| :

Trong mặt phẳng người ta cũng có thể vẽ họ đường tròn đẳng |Γ| là những vòng tròn đồng tâm, có tâm điểm đặt tại gốc tọa độ ( và có bán kính là |Γ| nhận các giá trị từ 0 đến 1 Vòng tròn |Γ|=0 trùng với điểm gốc tọa độ, còn vòng tròn |Γ|=1 trùng với vòng tròn đẳng =0 (vòng tròn ngoài cùng)(Hình 2.7)

Các giá trị của góc biểu diễn vectơ Γ trong mặt phẳng phức được khắc trên chu vi của đồ thị Smith Góc để tính là trục thực chiều dương của là chiều ngược với chiều chuyển động của kim đồng hồ , còn chiều âm là chiều chuyển động của kim đồng hồ (hình 2.7)

-Các vòng tròn đẳng S :

Các vòng tròn đẳng S( hệ số sóng đứng) hay đẳng ( hệ số sóng chạy) cũng là những đường tròn đồng tâm giống như các đường đẳng |Γ| nhưng giá trị của S

và được xác định theo |Γ| ta có công thức :

(2.35)

Để thuận tiện cho việc đọc các giá trị của S hay (1/S) trên trục hoành người ta không khắc độ theo giá trị S Điểm gốc tọa độ( ứng với |Γ|=0) sẽ tương ứng với S=1(đường tròn đẳng S=1) Khi |Γ| lấy các giá trị từ 0 đến 1 thì S sẽ nhận giá trị từ 1 đến Trong khoảng từ 0 đến 1 của trục thực , người ta khắc

độ theo S với các giá trị S từ 1 đến Như vậy vòng tròn ngoài cùng (|Γ|=1 sẽ ứng với vòng tròn S=

Vì các đường tròn đẳng S có tâm là gốc tọa độ nên việc xác định 1/S chỉ

là phép lấy đối xứng qua tâm Như vậy nửa bên trái của trục thực sẽ được khắc độ theo1/ S Vòng tròn ngoài cùng sẽ là vòng tròn =0 còn điểm góc tọa

độ sẽ là vòng tròn =1 Ngoài ra , để thuận tiện cho việc tính toán người ta còn

bổ xung một thang giá trị khắc theo trên chu vi của đồ thị Bởi vì phân bố sóng đứng trên đường dây lặp lại theo chu kì nên việc khắc độ theo chu vi vòng tròn cũng được thực hiện từ =0 đến =0,5

Cuối cùng , đồ thị đầy đủ được thiết lập với tât cả các ghi chú tạo thành giản đồ Smith chuẩn