Thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp băng Ku ứng dụng cho hệ thống thu vệ tinh Vinasat

Bài viết Thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp băng Ku ứng dụng cho hệ thống thu vệ tinh Vinasat trình bày giải pháp thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại tạp âm thấp làm việc ở băng tần KU với các tham số yêu cầu: Hệ số khếch đại của mạch > 15 dB, dải tần làm việc 10.95 - 11.7 GHz, với hệ số tạp âm < 2dB. Mạch LNA được ứng dụng cho hệ thống thu vệ tinh Vinasat I và II.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP BĂNG Ku ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THU VỆ TINH VINASAT Ngô Thị Lành1, Trần Văn Hội2 Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải Trường Đại học Thủy lợi, email: hoitv@tlu.edu.vn 1 GIỚI THIỆU CHUNG Hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat I II phóng lên quỹ đạo địa tĩnh vị trí 1320 131,80 Đông Với khoảng cách truyền dẫn lớn khoảng 36.000 km, tín hiệu thu đầu vào anten thu yếu khoảng vài VnV Mạch khuếch đại thơng thường giúp khuếch đại cơng suất tín hiệu, đồng thời khuếch đại tạp âm Vì vậy, để thu tín hiệu yếu tầng máy thu tầng khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier), mạch khuếch đại tín hiệu với mức tạp âm nhỏ Hiện có nhiều cơng trình nghiên cứu thiết kế mạch với mục tiêu giảm tạp âm, tăng băng thông khuếch đại, nâng cao hệ số khếch đại [1] - [3] Để thực thiết kế mạch LNA với mục tiêu cần phải thỏa hiệp đặc tính hệ số khuếch đại, hệ số tạp âm, dải tần làm việc, độ ổn định mạch Hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat I II phát băng tần Ku với tần số phát xuống từ dải 10.95 đến 11.2 Ghz từ 11.45 đến 11.7 GHz Do báo trình bày giải pháp thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại tạp âm thấp làm việc băng tần KU với tham số yêu cầu: Hệ số khếch đại mạch > 15 dB, dải tần làm việc 10.95 - 11.7 GHz, với hệ số tạp âm < 2dB Mạch LNA ứng dụng cho hệ thống thu vệ tinh Vinasat I II phương pháp thực nghiệm khoa học để thiết kế tiến hành chế tạo, đo đạc thử nghiệm THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH LNA 3.1 Thiết kế mạch LNA Mạch khuếch đại đơn tầng sử dụng transistor thể hình 1, mạch phối hợp trở kháng đầu vào thực phối hợp trở kháng nguồn ZS với trở kháng vào Transistor; mạch phối hợp trở kháng thực phối hợp trở kháng transistor với trở kháng tải ZL Hình Sơ đồ mạch khuếch đại đơn tầng Hệ số khuếch đại mạch tính theo cơng thức sau: GT = GS.G0.GL (1) Trong đó: GS, GL - hệ số khuếch đại mạch phối hợp trở kháng đầu vào đầu ra; G0 - hệ số khuếch đại của transistor GS   S  S11 S G0  S21 GL  K Nhóm tác giả sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu phân tích, tổng hợp lý thuyết 263 (2) 2  L (3)  S 22  L 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2  S11  S22   S21 S12   S11S22  S12S21 (4) 2 (5) (6) Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 Bộ khuếch đại phải ổn định phạm vi dải tần thiết kế Một phương pháp sử dụng để xác định độ ổn định PA kiểm tra tham số K  Để đảm bảo tham số mạch khuếch đại báo đề xuất thực thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp tầng nối tiếp đó: Tầng thiết kế tần số 11.2GHz đạt mức tạp âm nhỏ Tầng thứ hai thiết kế tần số 11.6GHz để mở rộng dải thông nâng cao hệ số khuếch đại, mạch Linh kiện lựa chọn thiết kế transistor siêu cao tần NE76084, transistor sử dụng công nghệ pHEMT GaAs MESFET với tần số hoạt động 0,1 - 20 GHz, hệ số tạp âm nhỏ 1,6 dB hệ số khuếch đại dB tần số 12GHz Có nhiều phương pháp phối hợp trở kháng khác nhau, phương pháp có ưu điểm nhược điểm Một phương pháp phối hợp trở kháng cho dải tần rộng dùng đoạn dây phần tư bước sóng (/4) Mạch thiết kế hồn chỉnh thể hình Từ hình cho thấy hệ số K > dải tần khuếch đại, điều chứng tỏ hệ số khuếch đại ổn định không điều kiện phạm vi dải tần hoạt động 3.2 Kết đo đạc thực nghiệm Sau mơ tồn hệ thống đạt tham số theo yêu cầu thiết kế, nhóm tác giả tiến hành chế tạo hoàn thiện Kết thể hình Hình Mạch chế tạo hồn thiện Kết đo máy phân tích mạng Vector network analyzer 37369D với tham số mạch thể hình 5-9: Hình Mạch khuếch đại LNA tầng Sử dụng phần mềm ADS (Advanced Design System) file tham số tán xạ ne76084.s2p để mô hệ số ổn định K Kết mô thể hình Hình Hệ số khuếch đại mạch S21 Hình Hệ số ổn định K Hình Hệ số khuếch đại ngược (S12) 264 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 Kết hình cho thấy hệ số khuếch đại mạch S21 lớn 17.1 dB dải khuếch đại 10.9 - 11.7 GHz kết tương đồng với kết mô Hệ số khuếch đại ngược thể hình Từ hình vẽ cho thấy S12 có giá trị nhỏ –25 dB dải tần cơng tác có giá trị lớn so với kết mô –10 dB Hình Hệ số tạp âm mạch KẾT LUẬN Hình Hệ số phản xạ đầu vào S11 Từ hình cho thấy hệ số phản xạ đầu vào đo có giá trị nhỏ –10 dB dải tần công tác đạt giá trị nhỏ –23 dB tần số 11,4 GHz Bài báo trình bày trình nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng, chế tạo đo đạc thử nghiệm mạch LNA làm việc băng KU Bài báo đề xuất phương án thiết kế mạch để giảm tạp âm, mở rộng dải thông, nâng cao hệ số khuếch đại mạch Mạch LNA thiết kế, chế tạo thành cơng với đặc tính: hệ số khuếch đại > 17.1 dB dải tần 10.95 - 11.7 GHz, hệ số tạp âm 2dB Mạch ứng dụng hệ thống thu vệ tinh băng KU TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Hệ số phản xạ đầu S22 Hệ số phản xạ đầu hình cho thấy kết đo có giá trị tương đối tốt nhỏ –10dB, đạt giá trị nhỏ –20 dB tần số 11 GHz Hình thể hệ số tạp âm mạch khuếch đại Kết cho thấy hệ số tạp âm nhỏ 2.008 dB đạt giá trị nhỏ 1.645 dB tần số 11.1 GHz [1] Islam T, Lahbib Zenkouar, Mohammed Lahsaini, 2015, “Design of a Low Noise Amplifier Using the Quarter Wave Transformers Matching Technique in the Frequency Band [9-13] GHz”, International Journal on Communications Antenna and Propagation, Vol 5, No 4, pp 248-255 [2] Mohammed Lahsaini, Lahbib Zenkouar, Seddik Bri, 2018, “Modeling of a Microwave Amplifier Operating around 11 GHz for Radar Applications”, Vol 8, No 5, pp 3496-3503 [3] Toulali Islam, Lahbib Zenkouar, 2018, “Design of 10 to 12 GHz Low Noise Amplifier for Ultrawideband (UWB) System”, International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), Vol 8, No 5, pp 2773-2779 265 ... LNA thiết kế, chế tạo thành cơng với đặc tính: hệ số khuếch đại > 17.1 dB dải tần 10.95 - 11.7 GHz, hệ số tạp âm 2dB Mạch ứng dụng hệ thống thu vệ tinh băng KU TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Hệ số phản... cứu, thiết kế, mô phỏng, chế tạo đo đạc thử nghiệm mạch LNA làm việc băng KU Bài báo đề xuất phương án thiết kế mạch để giảm tạp âm, mở rộng dải thông, nâng cao hệ số khuếch đại mạch Mạch LNA thiết. .. mạch khuếch đại tạp âm thấp tầng nối tiếp đó: Tầng thiết kế tần số 11.2GHz đạt mức tạp âm nhỏ Tầng thứ hai thiết kế tần số 11.6GHz để mở rộng dải thông nâng cao hệ số khuếch đại, mạch Linh kiện