Phân tích và thiết kế bộ thu tín hiệu điều khiển băng s cho vệ tinh cấu trúc cubesat

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Phân tích thiết kế thu tín hiệu điều khiển băng S cho vệ tinh cấu trúc CubeSat Nguyễn Việt Dũng Dung.NV211096M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Viễn Thông Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Khắc Kiểm Chữ ký GVHD Trường: Điện – Điện tử HÀ NỘI - 2023 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Việt Dũng Đề tài luận văn: Phân tích thiết kế thu tín hiệu điều khiển băng S cho vệ tinh cấu trúc CubeSat Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Số hiệu học viên: 20211096M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày ………………… với nội dung sau: - Cải thiện chất lượng hình vẽ, - Chỉnh sửa lỗi tả Ngày …… tháng …… năm …… Giáo viên hướng dẫn Chủ tịch hội đồng Tác giả luận văn ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Họ tên học viên: Nguyễn Việt Dũng Số hiệu học viên: 20211096M Khóa: 2021A Trường: Điện – Điện tử Ngành: Kỹ thuật Viễn thông Tên đề tài: Phân tích thiết kế thu tín hiệu điều khiển băng S cho vệ tinh cấu trúc CubeSat Họ tên cán hướng dẫn: TS Nguyễn Khắc Kiểm Ngày giao đề tài luận văn: ……………………………………………………… Ngày hoàn thành luận văn: ……………………………………………………… Hà Nội, ngày …… tháng …… năm …… Cán hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ, tên) Học viên hoàn thành nộp luận văn ngày …… tháng …… năm …… Người duyệt Học viên (Ký, ghi rõ họ, tên) (Ký, ghi rõ họ, tên) LỜI CAM ĐOAN Tôi Nguyễn Việt Dũng, số hiệu học viên 20211096M, khóa 2021A, người hướng dẫn TS Nguyễn Khắc Kiểm Tôi xin cam đoan nội dung luận văn thạc sĩ cơng trình nghiên cứu khoa học tơi tập thể nghiên cứu, không chép nguyên từ công trình nghiên cứu hay luận văn người khác Tất tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm với nội dung viết luận văn Hà Nội, ngày …… tháng …… năm …… Học viên thực Nguyễn Việt Dũng LỜI CẢM ƠN Trước hết xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Khắc Kiểm, người thầy hướng dẫn trực tiếp mặt khoa học đồng thời hỗ trợ tơi nhiều mặt để tơi hồn thành đề tài luận văn Qua đây, tơi xin cảm ơn Trường Điện – Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập, nghiên cứu Tôi xin cảm ơn thành viên CRD Lab, phòng 902, thư viện Tạ Quang Bửu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội có góp ý giúp đỡ tơi nhiệt tình thời gian học tập nghiên cứu thực luận văn tốt nghiệp Luận văn phần kết đề tài Nghị định thư Việt Nam – Hàn Quốc mã số NĐT/KR/23/11 theo Quyết định phê duyệt nhiệm vụ khoa học công nghệ theo Nghị định thư số 2598/QĐ-BKHCN ngày 22/12/2022 Cuối cùng, dành lời yêu thương đến thành viên gia đình bạn bè bên Sự động viên, giúp đỡ họ động lực mạnh mẽ giúp vượt qua khó khăn để hồn thành luận văn TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Cùng với phát triển ngành vi điện tử, truyền thông công suất thấp, pin mặt trời hiệu suất cao, pin dự trữ dung lượng lớn, vi điện tử (MEMS), nhớ dung lượng lớn, mô tơ thu nhỏ hiệu suất cao cấu chấp hành với vật liệu tiên tiến, kính quang học tích hợp, cảm biến thu nhỏ, hệ thống điều khiển thu nhỏ, ứng dụng vệ tinh Nano/Micro cấu trúc CubeSat tăng lên đáng kể, tạo nên đa dạng cho việc phát triển ứng dụng ngành công nghiệp vệ tinh Với công nghệ tại, vệ tinh Nano/Micro cấu trúc CubeSat giải toán mang ý nghĩa thực tiễn (quan sát trái đất/viễn thám) thay nặng tính đào tạo thử nghiệm công nghệ, nghiên cứu khoa học trước Thời gian gần đây, vệ tinh cấu trúc CubeSat quan tâm nhiều thiết kế chế tạo lớp vệ tinh Nano/Micro Gần toàn vệ tinh NanoSat phóng năm gần tuân theo tiêu chuẩn vệ tinh CubeSat Vệ tinh cấu trúc CubeSat xem giải pháp kỹ thuật tiên tiến, cho phép nhiều nhóm nghiên cứu tham gia phát triển dựa mạnh riêng, với chi phí hợp lý tốc độ triển khai nhanh Vệ tinh nhỏ thường tích hợp hay nhiều phụ tải thực nhiệm vụ đo đạc, chụp ảnh, hệ thống “bus” bao gồm phân hệ chức hỗ trợ để vận hành vệ tinh như: phân hệ điều khiển quản lý hoạt động vệ tinh, phân hệ cao tần, phân hệ xác định điều chỉnh quỹ đạo điều khiển tư thế, phân hệ nguồn, phân hệ điều khiển nhiệt Trong phân hệ nêu trên, phân hệ cao tần (bao gồm hệ thống anten thu phát tín hiệu) đóng vai trị then chốt q trình hoạt động vệ tinh; phận nhận lệnh từ trạm mặt đất lên vệ tinh gửi hồi đáp từ vệ tinh xuống trạm mặt đất ( TT&C), đồng thời đảm nhận nhiệm vụ truyền liệu từ thiết bị tải (camera quang học, cảm biến từ xa, ) xuống trạm mặt đất đảm bảo liên lạc vệ tinh với Module TT&C hệ thống kênh liên lạc dùng để giám sát, điều khiển chức trạng thái vệ tinh từ trạm mặt đất Mặc dù hệ thống có tiêu chuẩn kỹ thuật chất lượng tốt, lại phiên thương mại có giá thành cao Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển công nghệ để thiết kế chế tạo thu phát tín hiệu cho module TT&C vệ tinh cấu trúc CubeSat thách thức lớn chuyên gia, nhà nghiên cứu Việt Nam Mục tiêu đặt luận văn hướng đến phân tích thiết kế thu tín hiệu điều khiển băng S cho vệ tinh cấu trúc CubeSat Luận văn bao gồm chương; chương giới thiệu tổng quan vệ tinh nhỏ chuẩn CubeSat, hệ thống thu phát tín hiệu cho kênh điều khiển băng S, tham số đánh giá kỹ thuật cải thiện hiệu băng thu tín hiệu băng S; chương trình bày thiết kế, mơ phỏng, layout mạch thu tín hiệu điều khiển băng S Mạch thu phù hợp với tiêu chuẩn bo mạch PCB vệ tinh CubeSat, tối thiểu hóa nhiễu EMI có chi phi chế tạo hợp lý MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Vệ tinh CubeSat 1.1.1 Phân hệ cấu trúc 1.1.2 Phân hệ lượng 1.1.3 Phân hệ phụ tải 1.1.4 Phân hệ điều khiển trung tâm 1.1.5 Phân hệ cao tần 1.1.6 Phân hệ điều chỉnh độ cao quỹ đạo 1.2 Hệ thống thu phát tín hiệu cho kênh điều khiển băng S 1.2.1 Bộ lọc thông dải (BPF) 1.2.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) 1.2.3 Bộ chuyển đổi tần số: hạ tần nâng tần 1.2.4 Bộ khuếch đại công suất (PA 1.3 Các tham số đánh giá thu tín hiệu băng S 10 1.3.1 Độ nhạy máy thu 10 1.3.2 Nhiễu máy thu 11 1.3.2.1 Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR 11 1.3.2.2 Nhiễu nhiệt 12 1.3.2.3 Nhiễu pha máy thu 13 1.3.2.4 Băng thông nhiễu 14 1.3.2.5 Hệ số nhiễu NF 15 1.3.2.6 Tín hiệu giả hệ thống 16 1.3.3 Băng thông 16 1.3.4 Điều chế chéo 17 1.3.5 Méo xuyên điều chế 17 1.3.6 Điểm nén dB 18 1.3.7 Điểm chặn bậc 2, bậc 20 1.4 Kỹ thuật nâng cao hiệu thu tín hiệu băng S 22 1.4.1 Nâng cao độ nhạy máy thu 22 1.4.1.1 Sử dụng kết hợp nhiều tuyến thu 23 i 1.4.1.2 Tăng hệ số khuếch đại máy thu 24 1.4.1.3 Sử dụng thuật toán hiệu phần xử lý tín hiệu 25 1.4.2 Nâng cao dải động 26 1.4.2.1 Bố trí thêm suy hao kết hợp với tăng số tầng khuếch đại 26 1.4.2.2 Phân tích khả nhận tín hiệu mạnh 27 1.4.2.3 Phân tích khả nhận tín hiệu yếu 28 1.4.3 Nâng cao hệ số tạp âm NF 29 1.4.3.1 Lựa chọn IC khuếch đại nhiễu thấp LNA 30 1.4.3.2 Thiết kế nhiều tầng khuếch đại nhiễu thấp LNA tuyến đầu 30 1.4.3.3 Thiết kế lọc thơng dải có băng thơng tối ưu 30 Kết luận chương 31 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ THU TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN BĂNG S CHO VỆ TINH CẤU TRÚC CUBESAT 32 2.1 Mơ hình thiết kế 32 2.2 Sơ đồ nguyên lý 34 2.3 Bộ lọc khối khuếch đại tạp âm thấp LNA 35 2.3.1 Bộ giới hạn công suất 35 2.3.2 Bộ lọc khối khuếch đại tạp âm thấp LNA 37 2.4 Thiết kế khối hạ tần khối khuếch đại trung tần IF 41 2.4.1 Khối hạ tần 41 2.4.2 Khối khuếch đại trung tần IF 43 2.5 Chế tạo mạch thu băng S 45 Kết luận chương 47 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự số AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân CMOS Complementary Semiconductor Bán dẫn kim loại oxit bù CW Continuous Wave Sóng liên tục DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số tương tự DC Direct Current Dòng chiều DR Dynamic Range Dải động EW Electronic Warfare Tác chiến điện tử GEO Geostationary Orbit Quỹ đạo địa tĩnh IF Intermediate Frequency Trung tần IIP2 The Second Order Input Intercept Điểm chặn vào bậc Point IIP3 The Third Order Input Intercept Điểm chặn vào bậc Point LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo tầm thấp LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LO Local Oscillator Bộ dao động nội MDS Minimum Detectable Signal Tín hiệu nhỏ dị tìm MEO Medium Earth Orbit Quỹ đạo tầm trung MOS Minimum Operational Sensitivity Độ nhạy hoạt động tối thiểu NF Noise Figure Hệ số tạp âm P1dB dB Power Compression Point Điểm nén công suất dB PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất P-POD Poly Picosatellite Orbital Deployer Bộ triển khai quỹ đạo cho vệ tinh Pico RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu TT&C Telemetry, Tracking and Command Đo bám điều khiển U Unit Metal-Oxide Đơn vị iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Thống kê số lượng vệ tinh phóng qua năm [2] Hình 1.2: Xu hướng phát triển vệ tinh Nano/Micro phân loại theo ứng dụng [3] Hình 1.3: Mơ hình đề xuất phân hệ cho vệ tinh Micro [4] Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý thu phát băng S Hình 1.5: Đáp ứng tần số lọc thơng dải BPF Hình 1.6: Mơ hình tạo dao động hình sin sử dụng khuếch đại có tần số phụ thuộc vào đường hồi tiếp Hình 1.7: Cơng suất nhiễn máy thu nhiệt độ phòng 11 Hình 1.8: Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR theo hàm xác suất phát Pd xác suất báo hiệu sai Pn [17] 12 Hình 1.9: Phổ nhiễu pha máy thu [18] 14 Hình 1.10: Bộ khuếch đại nhiều tầng nối tiếp 15 Hình 1.11: Điểm nén cơng suất dB đầu vào đầu Đường nét đứt ngoại suy đường tuyến tính [18] 19 Hình 1.12: Tín hiệu méo máy thu so với ngoại suy điểm chặn công suất đầu vào (lý thuyết) 20 Hình 1.13: Điểm chặn bậc ba chức tần số âm thử liên quan đến tần số điều chỉnh máy thu 21 Hình 1.14: Điểm chặn bậc ba chức tần số âm thử liên quan đến tần số điều chỉnh máy thu 21 Hình 1.15: Mơ hình ảnh hưởng tiền khuếch đại lên hệ số khuếch đại tổng độ nhạy máy thu 23 Hình 1.16: Mơ hình thiết kế thu RKE (Remote Keyless Entry) [19] 24 Hình 1.17: Sơ đồ khối mạch thu: (a) Sơ đồ (b) Sơ đồ 26 Hình 1.18: Bộ khuếch đại nhiều tầng (n) nối tiếp 29 Hình 1.19: Sơ đồ thiết kế mạch tầng khuếch đại tạp âm thấp LNA lọc thơng dải để tối thiểu NF tồn tuyến thu 30 Hình 2.1: Mơ hình thiết kế thu băng S phần mềm Keysight SystemVue.32 Hình 2.2: Kết tính tốn mơ thu băng S: (a) Hệ số nhiễu NF (Noise Figure) (b) Công suất tín hiệu trung tần 33 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý thiết kế thu băng S: (a) Nguồn cấp V, (b) Bộ giới hạn công suất Limiter tầng khuếch đại tạp âm thấp LNA thứ nhất, (c) Tầng khuếch đại LNA thứ hai, (d) Chuyển tần xuống 70 MHz, (e) Tầng lọc thông thấp IF, (f) Khuếch đại trung tần 34 iv Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý giới hạn công suất Hệ số suy hao từ đầu vào đến đầu ra, S21 phải tối ưu cho không vượt dB, - Chịu công suất CW vào cỡ 30 dBm (1 W), - Cho tín hiệu có biên độ chất lượng ổn định, Cơng suất xung đầu không vượt 15 dBm để bảo vệ mạch khuếch đại LNA, đồng thời phải có thiết kế chống tĩnh điện ESD để bảo vệ toàn tuyến thu Dựa yêu cầu kỹ thuật kể trên, sử dụng giới hạn cơng suất RLM23-1WL+ [20] có đặc điểm kỹ thuật tổng kết bảng 2.3 đáp ứng tất tiêu chí Bảng 2.3: Tổng kết đặc điểm kỹ thuật giới hạn công suất RLM-23-1WL+ Giá trị Giá trị TT Tham số kỹ thuật Đơn vị nhỏ lớn Dải tần hoạt động 100 2500 MHz Hệ số tổn hao 0.1 1.3 dB Cơng suất tín hiệu CW vào - 30 dBm Dải hoạt động tuyến tính - dBm Cơng suất tín hiệu - dBm Thời gian khơi phục tín hiệu - ns Thời gian đáp ứng tín hiệu - ns Hình 2.5 minh họa sơ đồ nguyên lý thiết kế cho giới hạn công suất bo mạch thu Công suất đầu giới hạn công suất phụ thuộc vào cơng suất tín hiệu vào theo đường đặc tuyến Pin-Pout hình 2.6 Khi Pin > dBm, cơng suất Pout khơng cịn tuyến tính mà giảm theo đường đặc tuyến với giới hạn lớn dBm dải tần 1300-2500 MHz (Hình 2.6) Nguyên lý hoạt động giới hạn công suất: giới hạn mức công suất đầu vào để bảo vệ hệ thống thu Hình 2.6 mức giới hạn công suất đầu vào hệ thống đạt ngưỡng 30 dBm 36 Hình 2.6: Đặc tuyến Pin - Pout giới hạn công suất RLM-23-1WL+ LNA1 LNA2 BPF RF vào RF GRF2074WDS GRF2074WDS SXBP-2150+ Hình 2.7: Sơ đồ thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp lọc thông dải 2.3.2 Bộ lọc khối khuếch đại tạp âm thấp LNA Trên hình 2.7 sơ đồ thiết kế khuếch đại tạp âm thấp lọc thơng dải, gồm có linh kiện: - IC LNA GRF2074WDS [21], - lọc thông dải BPF SXBP-2150+ [22] Toàn khối khuếch đại tạp âm thấp lọc thơng dải có đường tín hiệu vào đường tín hiệu Giao diện kết nối khối giao tiếp cao tần qua đường mạch CPWG Bảng 2.4: Các tham số quan trọng IC LNA GRF2074WDS [21] TT Tham số kỹ thuật Giá trị Đơn vị Vbias V IDD 80 mA Dải tần hoạt động 1.0-6.0 GHz NF 0.35 dB Hệ số khuếch đại 20.5 dB Công suất vào cực đại 23 dBm P1dB 17.5 dBm Bảng 2.4 liệt kê số tham số đặc tính quan trọng IC LNA GRF2074WDS IC GRF2074WDS có hệ số NF nhỏ, khuếch cao, công suất vào cực đại cỡ ~23 dBm P1dB cỡ ~17.5 dBm nên ghép nối tiếp nhiều tầng mà đảm bảo IC hoạt động ổn định 37 Bảng 2.5: Linh kiện mạch khuếch đại tạp âm thấp lọc thông dải [22] TT Ký hiệu Thành phần Giá trị Đơn vị M1 Điện trở/Jumper Ω M3 Điện trở 2.74 kΩ M4 Tụ 20 pF M8 Cảm 1.8 nH M9 Tụ 0.1 μF M11 Tụ 2.7 pF M12 Tụ 0.2 pF Hình 2.8: Sơ đồ thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp lọc thơng dải Hình 2.8 minh họa mơ hình thiết kế tối ưu cho IC LNA mạch thu Nhiệm vụ linh kiện mơ hình thiết kế IC là: - Phối hợp trở kháng vào, trở kháng IC với đường truyền 50 Ω, - Phân áp cho cực Gate Drain IC, - Ngăn tín hiệu RF chạy vào nguồn thơng qua khối RF Choke Hình 2.9 kết đo tham số tán xạ S-parameters IC GRF2074WDS từ nhà sản xuất Kết cho thấy IC GRF2074WDS hoạt động tốt dải tần số từ 1.5 đến 2.5 GHz Các tham số tán xạ khác S11, S12, S22 đảm bảo yêu cầu kỹ thuật tín hiệu nhỏ -10 dB đồng thời hệ số khuếch đại S21 đảm bảo lớn 20 dB dải tần từ 1.5 đến 2.5 GHz Ngồi ra, hình 2.10 cho kết tính tốn hệ số nhiễu NF tham khảo từ phía nhà sản xuất Hình 2.10 IC GRF2074WDS thiết kế mạch cho đáp ứng NF thấp cỡ ~0.5 dB điều kiện nhiệt độ 25°C Khi hoạt động môi trường nhiệt độ cao ~105°C, NF cỡ 0.7 dB Bảng 2.6 thể tính tốn tham số kỹ thuật khuếch đại tạp âm thấp lọc thơng dải thiết kế 38 Hình 2.9: Kết đo tham số tán xạ S-parameters IC GRF2074WDS Hình 2.10: Hệ số nhiễu Noise Figure (NF) IC GRF2074WDS Sơ đồ nguyên lý tối ưu cho khuếch đại tạp âm thấp lọc thông dải minh họa hình 2.11 Nguyên lý hoạt động khuếch đại tạp âm thấp lọc thông dải sau: Tín hiệu RF sau lọc cơng suất giới hạn công suất phần trước khuếch đại tầng khuếch đại IC LNA GRF2074WDS, Tín hiệu sau khuếch đại đưa qua lọc thơng dải SXBP-2150+ để lọc lấy tín hiệu có ích nằm dải 2050-2250 MHz 39 Bảng 2.6: Tổng kết tham số kỹ thuật mạch khuếch đại tạp âm thấp lọc thông dải thiết kế TT Tham số Giá trị Đơn vị V 160 mA 2050-2250 MHz Điện áp cấp nguồn chiều Dòng tiêu thụ cực đại Dải tần hoạt động NF (tại nhiệt độ 25°C) 0.5 dB Hệ số khuếch đại cực đại 38 dB Công suất vào cực đại 30 dBm Công suất cực đại 17.5 dBm Hệ số phản xạ đầu vào < -10 dB Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tạp âm thấp lọc thông dải 40 SXBP-2150+ SYM-30DHW+ RF vào 2051 MHz LPF ADL5602 IF 70 MHz IF 70 MHz Mạch nhân tần Bộ tạo dao động Ngoại sai LO Hình 2.12: Sơ đồ thiết kế khối hạ tần mạch thu băng S 2.4 Thiết kế khối hạ tần khối khuếch đại trung tần IF 2.4.1 Khối hạ tần Khối hạ tần Down Converter gồm có đầu vào (1 kênh RF kênh ngoại sai LO) với giao diện kết nối đường truyền cao tần đường mạch CPWG minh họa hình 2.12 Kiến trúc hạ tần gồm có: - IC trộn tần SYM-30DLHW+ [23], - lọc thông dải tần số RF SXBP-2150+ (2050-2250 MHz), - tạo dao động FT5HNBPK10.0-T1 [24], - lọc thông thấp thông dải để lọc tần số 70 MHz, - khuếch đại ADL5602ARKZ-R7 [25] Bộ tạo dao động FT5HNBPK10.0-T1 có nhiệm vụ tạo tín hiệu có tần số nằm dải tần số từ 10-30 MHz sau đưa đến mạch nhân tần để tạo tín hiệu ngoại sai 1981 2121 MHz đến trộn tần SYM-30DHW+ làm nhiệm vụ đổi tần Bảng 2.7 liệt kê số tham số quan trọng cần ý thiết kế IC FT5HNBPK10.0-T1 mạch tạo dao động thu Bộ khuếch đại ADL5602ARKZ-R7 có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu lên cơng suất đủ lớn để tiếp tục xử lý tầng Trước hết, cần đảm bảo công suất LO trì đầu vào LO IC trộn tần ~17 dBm, cơng suất tín hiệu RF vào phải khơng vượt q 13 dBm (dự phịng an tồn dB) Do IC trộn tần có hệ số phản xạ đầu vào đảm bảo < -10 dB nên dễ dàng kết nối cao tần bo mạch Bảng 2.7 trình bày kết tính tốn cho mạch hạ tần (đã tính đến suy hao lọc) Sơ đồ nguyên lý thiết kế mạch hạ tần trình bày chi tiết hình 2.13 Nguyên lý hoạt động mạch hạ tần: tín hiệu RF sau khuếch đại lọc tầng trước đưa qua khối hạ tần để chuyển đổi xuống trung tần IF 70 MHz Bộ lọc trung tần sau IC trộn tần để tránh nhiễu hài bậc cao lên tín hiệu sau hạ tần 41 (a) (b) (c) (d) Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý thiết kế khối hạ tần mạch thu băng S 42 Bảng 2.7: Các tham số kỹ thuật mạch hạ tần Tham số Giá trị Đơn vị TT Tần số RF vào Công suất RF vào cực đại Tần số LO vào Công suất LO vào Tần số IF Công suất IF cực đại 2051 MHz 13 dBm 2100 17 70 MHz dBm MHz dBm Ghi Đã bao gồm lọc Tính cho tần số 2051 MHz Tổn hao công suất đổi tần dB Hệ số phản xạ đầu vào < -10 dB dB 2.4.2 Khối khuếch đại trung tần IF Sơ đồ khối khuếch đại trung tần IF thể hình 2.14 Tồn khối khuếch đại cơng suất trung tần có đường tín hiệu vào đường tín hiệu Giao diện kết nối khối giao tiếp cao tần qua đường mạch CPWG ADL5602ARKZ-R7 IF vào IF Hình 2.14: Sơ đồ thiết kế khối khuếch đại trung tần mạch thu băng S Bộ lọc thông dải BPF-C45+ dùng để lọc nhiễu dải trung tần phát sinh hệ thống thu Mạch khuếch đại công suất trung tần thiết kế cần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật: - Có hệ số khuếch đại đủ lớn, - Tối thiểu hóa dịng tiêu thụ, - Công suất cực đại không vượt 10 dBm Bảng 2.8 liệt kê số tham số đặc tính quan trọng IC ADL5602ARKZ-R7 Từ Bảng 2.8, thấy IC ADL5602ARKZ-R7 đáp ứng gần hết tiêu chí thiết kế mạch khuếch đại trung tần Chỉ có điều kiện cơng suất cực đại ≤ 10 dBm cần phải xem xét Tuy nhiên, việc hiệu chỉnh cơng suất khuếch đại thực dễ dàng với việc bổ sung thêm mạch suy hao dB kết hợp với lọc đầu (có suy hao ~1 dB) Hình 2.15 thể mơ hình thiết kế tối ưu cho IC ADL5602ARKZ-R7 mạch thu Nhiệm vụ linh kiện mơ hình thiết kế IC là: Phối hợp trở kháng vào, trở kháng IC với đường truyền 50 Ω, Phân áp cho cực Gate Drain IC, 43 Bảng 2.8: Các tham số tham số đặc tính quan trọng IC ADL560ARKZ-R7 [25] TT Tham số kỹ thuật Giá trị Đơn vị Ghi Vbias Imax 89 50Dải tần hoạt động 4000 NF 2.9 Hệ số khuếch đại cực đại 20.2 Công suất vào cực đại 16 P1dB ≤ 20.2 V mA Nguồn chiều MHz dB dB dBm dBm Hình 2.15: Mơ hình thiết kế cho IC ADL5602ARKZ-R7 [25] Hình 2.16: Kết tối ưu tham số đặc tính S-parameters cho IC khuếch đại trung tần ADL5602ARKZ-R7 Ngăn tín hiệu RF chạy vào nguồn thông qua khối RF Choke Trên hình 2.16 kết tính tốn tham số đặc tính S-parameters phần mềm ADS cho IC ADL5602ARKZ-R7 Hình 2.16 cho thấy IC hoạt động tốt tần số làm việc 70 MHz khuếch đại trung tần Các tham số tán xạ S11, S12, S22 đảm bảo yêu cầu kỹ thuật tín hiệu nhỏ < -10 dB Hệ số khuếch đại 44 Bảng 2.9: Các tham số kỹ thuật mạch khuếch đại công suất trung tần thiết kế TT Tham số kỹ thuật Giá trị Đơn vị Ghi Nguồn chiều Vbias V Imax 89 mA Tần số hoạt động 70 MHz NF 2.9 dB Hệ số khuếch đại 15 dB Công suất IF vào cực đại 16 dBm Công suất cực đại 18 dBm S21 IC đạt tiêu 17 dB Bảng 2.9 tổng kết tính tốn tham số kỹ thuật mạch khuếch đại trung tần thiết kế Nguyên lý hoạt động khuếch đại cơng suất trung tần minh họa hình 2.14 sau: Tín hiệu IF sau lọc nhiễu hài hạ tần phần trước khuếch đại IC ADL5602ARKZ-R7 Tín hiệu sau đưa qua lọc thông dải BPF-C45+ để lọc nhiễu hài sau đưa đến phần xử lý tín hiệu 2.5 Chế tạo mạch thu băng S Thiết kế layout mạch thu băng S thể hình 2.17 Các đường mạch vào thiết bị phối hợp trở kháng với đường truyền 50 Ω để đáp ứng tiêu kỹ thuật hệ số phản xạ cửa vào cửa đạt -15 dB Bo mạch PCB Toàn mạch thu đặt lớp Top PCB tách biệt hoàn toàn với mạch cấp nguồn cho IC Các yêu cầu cần thiết việc chế tạo mạch thu băng S sau:           Chuẩn gia công bo mạch: IPC-D-356, Mạch PCB lớp sử dụng vật liệu Roger4350B 30 mil, Kích thước mạch: 96 × 96 mm, Độ dày mạch: 1.524 mm, Độ dày lớp đồng: 1.0 oz, Yêu cầu điều khiển trở kháng: không, Màu lớp Solder Mask: xanh dương, Màu chữ: trắng, Xử lý bề mặt: mạ vàng, Kiểu mũi khoan: khí, 45 Mạch thu băn Hình 2.17: Sơ đồ layout thiết kế cho mạch thu phát băng S bo mạch chuẩn CubeSat  Kích thước mũi khoan nhỏ nhất: 12 mil,  Loại via: qua lỗ (Through Hole) Yêu cầu thiết kế đường mạch:  Sử dụng kỹ thuật biến đổi từ từ cho thay đổi kích thước kiến trúc đường mạch đoạn rẽ nhánh nên bẻ cong 45° để tối thiểu hóa ảnh hưởng nhiễu trường điện từ EMI bo mạch,  Đường truyền chuẩn 50 Ω bo mạch đường truyền CPWG (Coplanar WaveGuide with Ground) có độ rộng đường mạch 1.38 mm, khoảng cách đất 0.5 mm Yêu cầu thiết kế lỗ via:  Nên tạo nhiều lỗ via quanh đường cao tần để đảm bảo chất lượng tín hiệu đường truyền,  Nên tạo nhiều lỗ via gần đất GND IC nhằm nâng cao hiệu suất tản nhiệt IC,  Các lỗ via nên sử dụng cho đường truyền cao tần Via0M3, khoảng cách lỗ via ~1.25 mm, 46  Các lỗ via nên sử dụng Via0M8 cho đường mạch cấp nguồn dòng lớn Via0M3 cho đường mạch cấp nguồn dòng nhỏ Khoảng cách lỗ via GND quanh đường mạch cấp nguồn ~2.5 mm Kết luận chương Chương luận văn trình bày chi tiết thiết kế thu tín hiệu điều khiển băng S cho vệ tinh cấu trúc CubeSat: mơ hình thiết kế, lựa chọn linh kiện, mô phỏng, tối ưu hệ thống Bộ thu băng S cấp nguồn DC 5V, tần số điều khiển 2051 MHz, trung tần điều khiển 70 MHz, độ nhạy thu ≤ -80 dBm, NF 1.7 dB, hệ số khuếch đại toàn tuyến ≥ 20 dB Mạch thu băng S layout bo mạch chuẩn CubeSat sẵn sàng cho việc chế tạo đo đạc thử nghiệm 47 KẾT LUẬN Trên đây, luận văn trình bày tổng quan vệ tinh nhỏ chuẩn CubeSat, khảo sát hệ thống thu phát tín hiệu cho kênh điều khiển băng S, thành phần mạch thu băng S: lọc thông dải, khuếch đại tap âm thấp, tạo dao động, trộn, khuếch đại tín hiệu, … với tham số đánh giá kỹ thuật cải thiện hiệu băng thu tín hiệu băng S Từ sở lý thuyết từ chương 1, chương trình bày thiết kế, mơ phỏng, layout mạch thu tín hiệu điều khiển băng S Mạch thu phù hợp với tiêu chuẩn bo mạch PCB vệ tinh CubeSat, tối thiểu hóa nhiễu EMI có chi phi chế tạo hợp lý Bộ thu băng S cấp nguồn DC 5V, tần số điều khiển 2051 MHz, trung tần điều khiển 70 MHz, độ nhạy thu ≤ -80 dBm, NF 1.7 dB, hệ số khuếch đại toàn tuyến ≥ 20 dB, hệ số phản xạ đầu vào nhỏ 15 dB Mạch thu băng S layout bo mạch chuẩn CubeSat sẵn sàng cho việc chế tạo đo đạc thử nghiệm Tuy nhiên, luận văn chưa có đủ điều kiện để chế tạo mạch thu băng S để tiến hành đo đạc thử nghiệm hạn chế thời gian chi phí Trong tương lai đề tài phát triển sâu theo hướng hoàn thiện, chế tạo thực nghiệm đo đạc hiệu chỉnh mạch Sau phát triển mạch thu mạch phát băng S bo mạch chuẩn CubeSat, tích hợp lên mơ hình vệ tinh CubeSat để thử nghiệm chức thu phát module TT&C 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M N Sweeting, "Modern Small Satellites-Changing the Economics of Space," in Proceedings of the IEEE, vol 106, no 3, pp 343-361, March 2018, DOI: 10.1109/JPROC.2018.2806218 [2] Nanosat Database [Online] Avaiable: https://www.nanosats.eu/ [3] Erik Kulu (2023) NewSpace Constellations [Online] Avaiable: https://www.newspace.im/ [4] T Hiramatsu, S Shirasaka, and S Nakasuka, “MicroDragon: a Vietnamese ocen-observation microsatellite based on Hodoyoshi architecture,” The 7th nano-satellite symposium and 4th UNISEC-Global Meeting, Kamchia, Bulgaria, 2016 [5] M C Comparini, L Simone, and ESA/ESOC, “TT&C Equipment Technologies: Trends and Future Outlook,” in Proc Tracking, Telemetry Command Syst Space Applicat (TTC 2004), Sep 7–9, 2004 [6] M K Simon and J Hamkins, Autonomous software-defined radio receivers for deep space applications, ser JPL Deep-Space Communications and Navigation, Oct 2006 [Online] http://descanso.jpl.nasa.gov/ [7] M Arena and F Belperio, L Calderone, M C Comparini, C Leone, L Simone, and ESA/ESOC, “GaAs, Advanced RF CMOS and Silicon Components for Miniaturized Space Digital Receiver,” in Proc Tracking, Telemetry Command Syst Space Applicat (TTC 2004), Sep 7–9, 2004 [8] I Tosetto, R Araujo, C Goncalves and J A Rodrigues, “Space Qualified S-Band Transmitter for GPS Data Modulation for The Brazilian Technological Satellite,” Proceeding of the SBMO/IEEE MTT-S International, pp 513-517, Nov 2003 [9] O Ceylan, Y Kurt, F A Tune, H B Yagci, A R Aslan, “Low Cost S Band Communication System Design for Nano Satellites,” Proc 5th Int Conf Recent Advances in Space Technologies, pp 767-770, Jul 2011 S K Jain, J Raval, D K Singh, S Singh, “S-Band Receiver Front-End [10] Design for Portable Satellite Ground Terminal,” Devices, Circuits and Systems (ICDCS), Apr 2012 M McNicholas, J DeLuna, R Manno, and Y – H Shu, “Low Cost Ka[11] Band Transmitter for CubeSat Systems,” Workshop Internet of Space (TWIOS), pp 21-24, Mar 2017 G Mattaei, L Young, and E.M.T Jones, Microwaves Filters, [12] Impedencematching Networks and Coupling structure, Artech House, Norwood, 1980 49 [13] Jia-Sheng Hong and M.J Lancaster, Microstrip Filters For RF Microwave Applications, John Wiley & Son, INC, 2001 [14] D M Pozar, Microwave Engineering, 4th Ed John Wiley & Sons, Inc Published 2012 [15] Guillermo Gonzalez, Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design, Prentice Hall, 1997 [16] George D Vendelin, Design of Amplifiers and Oscillators by the Sparameter Method, John Willey & Sons, 1982 [17] O’NEIL, S Electronic warfare and radar systems engineering handbook California, Naval Air Warfare Center Weapons Division, 2013 [18] Cam Nguyen, Radio-Frequency Integrated-Circuit Engineering, Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2015 Improving Receiver Sensitivity with External LNA [Online] Avaiable: [19] https://www.analog.com/en/technical-articles/improving-receiver sensitivity -with-external-lna.html [20] RLM-23-1WL+ [Online] Avaiable: https://www.minicircuits.com/ WebStore/dashboard.html ?model=RLM-23-1WL%2B [21] GRF2074W Ultra-Low Noise Amplifier to GHz [Online] Avaiable: https://www.guerrillarf.com/includes/prodFiles/2074W/GRF2074WDS.pdf [22] SXBP-2150+ [Online] Avaiable: https://www.minicircuits.com/WebStore/ dashboard.html?model=SXBP-2150%2B [23] SYM-30DLHW+ [Online] Avaiable: https://www.minicircuits.com/ WebStore/ dashboard.html?model=SYM-30DLHW%2B [24] FT5HN [Online] FT5HN.pdf Avaiable: https://abracon.com/datasheets /Fox/ [25] ADL5602 [Online] Avaiable: https://www.analog.com/media/en/ technical -documentation/data-sheets/adl5602.pdf 50