Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- VĂN MINH PHƯƠNGPHÂN TÍCH, THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP LNA DÙNG CHO BĂNG TẦN KUChuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VĂN MINH PHƯƠNG PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP (LNA) DÙNG CHO BĂNG TẦN KU Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật viễn thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS PHẠM THÀNH CÔNG Hà Nội – Năm 2017 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113813701000000 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đam: Bản luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu cá nhân tôi, thực dựa sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế với hướng dẫn, bảo TS Phạm Thành Cơng Các số liệu, hình ảnh đồ thị, kết luận đưa vào luận văn trung thực, dựa nghiên cứu mơ hình, kết đạt báo giới trải nghiệm thân chưa công bố hình thức trước trình bày bảo vệ trước “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật” Hà nội, Ngày 28 thánh 03 năm 2017 Người cam đoan Văn Minh Phương LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Phạm Thành Công Thầy người ln theo sát em q trình làm luận văn, Thầy tận tình bảo, đưa vấn đề cốt lõi giúp em củng cố lại kiến thức có định hướng đắn để hồn thành luận văn Tiếp đến em xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô giảng dậy giúp em có kiến thức cốt lõi phục vụ cho việc thực luận văn Cuối em xin cảm ơn gia đình, anh chị, bạn bè quan tâm, động viên hỗ trợ em thời gian thực luận văn Xin chân thành cảm ơn Hà nội, ngày 28 tháng 03 năm 2017 Văn Minh Phương MỤC LỤC Lời cam đoan ……………………………………………………… Lời cảm ơn ………………………………………………………… Mục lục …………………………………………………………… Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt ………………………………… Danh mục bảng biểu ………………………………………… Danh mục hình vẽ, đồ thị …………………………………… Mở đầu Lý chọn đề tài……………………………………………… Mục tiêu đề tài………………………………………… 10 Phương pháp nghiên cứu ……………………………… 11 Nội dung nghiên cứu 11 4.1 Nghiên cứu lý thuyết …………………………………………… 11 4.2 Thiết kế khuếch đại tạp âm thấp ………………………… 11 Bố cục luận văn ……………………………………………… 11 CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP – LNA 1.1 Khái niệm khuếch đại tạp âm thấp – LNA ………… 12 1.2 Vị trí khuếch đại tạp âm thấp – LNA ……………… 12 1.3 Lý thuyết tạp âm mạng hai cửa …………… 13 1.4 Hệ số tạp âm ………………………………………… 13 1.5 Dẫn nạp nguồn vào lý tưởng ………………………… 16 1.6 Hệ số tạp âm nhiệt độ ……………………………… 17 1.7 Xây dựng mơ hình mạng hai cực ……………………… 17 1.8 Bộ LNA dải hẹp ……………………………………… 19 1.8.1 Suy hao điện cảm emitter ……………………… 22 1.8.2 Tải collector ………………………………………… 23 1.8.3 Phân cực …………………………………………… 25 1.9 Các thông số quan trọng mạch khuếch đại – LNA 25 1.9.1 Hệ số tạp âm (NF – Noise Figure) ………………… 25 1.9.2 Ma trận tán xạ ……………………………………… 28 1.9.3 Hệ số khuếch đại …………………………………… 30 1.9.4 Độ tuyến tính ………………………………………… 31 1.9.5 Tính ổn định hệ thống ………………………… 36 CHƯƠNG – PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO MẠCH KHUẾCH ĐẠI 2.1 Lý thuyết chung ……………………………………… 37 2.2 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng ……………………… 38 2.2.1 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm ……… …… 39 2.2.2 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung ……… 41 2.2.3 Phối hợp trở kháng dải hẹp đoạn dây dẫn sóng mắc liên tiếp ………… …………………………… … 42 CHƯƠNG – THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH 3.1 Lựa chọn phần mềm thiết kế mô linh kiện …… 44 3.1.1 Chọn lựa phần mềm thiết kế mô …………… 44 3.1.2 Yêu cầu thiết kế cho mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng Ku ……………………………………………………… 45 3.1.3 Lựa chọn transistor cho việc thiết kế ……………… 45 3.2 Thiết kế mạch mô mạch khuếch đại ………… 49 3.2.1 Phương pháp phối hợp trở kháng ………………… 49 3.2.2 Tính tốn lý thuyết nhánh lối vào …………… 50 3.2.3 Phối hợp trở kháng mạch khuếch đại ………… 58 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT LNA : Low Noise Amplifier NF : Noise Figure G : Gain (Độ lợi) SNR : Signal to Noise Ratio VSWR : Voltage Standing Wave Ratio RF : Radio Frequency FET : Field-Effect Transistor MOSFET : Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (Transistor hiệu ứng trường Oxit kim loại – Bán dẫn) DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU STT Chi tiết Trang Bảng Bảng quy đổi hệ số tạp âm 17 Bảng Yêu cầu thiết kế khuếch đại 45 Bảng Sơ đồ chức chân ATF-36077 46 Bảng Chế độ thiên áp ATF-30677 47 Bảng Các tham số chức ATF-30677 Bảng Tham số tán xạ nội suy ATF-30677 12.7 GHz 47 48 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Chi tiết Trang Hình 1.1 Sơ đồ mạch thu tín hiệu RF 13 Hình 1.2 Mơ hình mạng tạp âm hai cửa 13 Hình 1.3 Mơ hình tạp âm hai cửa tương đương 14 Hình 1.4 Mơ hình tạp âm cho tranzitor lưỡng cực 18 Hình 1.5 Mơ hình để tính tốn giá trị tạp âm 19 Hình 1.6 Sơ đồ khuếch đại kiểu emitter chung dùng cuộn cảm triệt nhiễu 20 Hình 1.7 Sơ đồ thiết kế LNA dải hẹp 20 Hình 1.8 Thiết kế LNA dải hẹp dùng mạch dải 22 Hình 1.9 Mạch LNA dải hẹp dùng phân áp cầu điện trở 23 Hình 1.10 Khối khuếch đại tạp âm thấp 26 Hình 1.11 Mơ hình mạng cửa 29 Hình 1.12 Đồ dịng tín hiệu 30 Hình 1.13 Điểm nén 1-dB điểm chặn bậc 32 Hình 1.14 Mạch khuếch đại CS MOSFET 33 Hình 2.1 Sơ đồ phối hợp trở kháng 37 Hình 2.2 Phối hợp trở kháng đoạn dây chêm đơn 40 Hình 2.3 Phối hợp trở kháng dây chêm đơi 41 Hình 2.4 Mạch phối hợp trở kháng hình L 41 Hình 2.5 Phối hợp trở kháng đoạn dây λ/4 42 Hình 2.6 Phối hợp trở kháng hai đoạn dây nối tiếp 43 Hình 3.1 Hình 3.2 Phần mềm mơ ADS 2016 Sơ đồ mạch khuếch đại phối hợp trở kháng 44 45 Hình 3.3 Độ lợi G theo tần số ATF-36077 47 Hình 3.4 Phương pháp phối hợp trở kháng dùng λ/4 50 Hình 3.5 Cơng cụ tính tốn Quarter Wavelenght Transformer 51 Hình 3.6 Bộ nghiệm lối vào 52 Hình 3.7 Bộ nghiệm lối vào 52 Hình 3.8 Cơng cụ LineCalc 53 Hình 3.9 Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường hợp 53 Hình 3.10 Kết tham số S11, S21 lối vào trường hợp 54 Hình 3.11 Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường hợp 55 Hình 3.12 Kết tham số S11, S21 lối vào trường hợp 55 Hình 3.13 Bộ nghiệm lối 56 Hình 3.14 Mạch phối hợp trở kháng lối 57 Hình 3.15 Kết tham số S11, S21 lối 57 Hình 3.16 Sơ đồ ngun lý mơ mạch khuếch đại 58 Hình 3.17 Tham số S2,1 , S1,1 58 Hình 3.18 Tham số tỷ số sóng đứng VSWR1 59 Hình 3.19 Hệ số tạp âm NF 59 LỜI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện băng tần Ku (có tần số 12GHz-18Ghz) dùng chủ yếu cho vệ tinh thông tin, đáng ý dùng cho dịch vụ phát quảng bá cố định, cho ứng dụng cụ thể vệ tinh theo dõi chuyển tiếp liệu NASA dùng cho liên lạc với tàu thoi trạm ISS Các vệ tinh dùng băng K u dùng cho backhaul đặc biệt cho vệ tinh từ địa điểm xa trở studio đài truyền hình để chỉnh sửa phát sóng So với băng C, băng Ku khơng phải hạn chế công suất để tránh gây nhiễu cho hệ thống vi ba mặt đất, cơng suất đường lên đường xuống tăng Cơng suất cao có nghĩa chảo anten thu nhỏ Khi cơng suất tăng, kích thước chảo anten thu giảm Băng Ku cung cấp cho người dùng tính linh hoạt nhiều Kích thước chảo anten nhỏ nên người dùng cho thể chọn vị trí đặt chảo cho phù hợp với hồn cảnh Đối với người dùng cuối, băng K u nói chung rẻ cho phép anten nhỏ (vì tần số cao chùm tia tập trung hơn) Băng K u bị suy hao mưa so với băng Ka Anten trạm mặt đất trạm điều khiển vệ tịnh đòi hỏi phải bám vị trí vệ tinh xác vệ tinh hoạt động băng K u so với băng C Độ xác thơng tin phản hồi cần cao anten yêu cầu hệ thống điều khiển vịng kín để trì vị trí anten trạm mặt đất Các thu đòi hỏi ngày nhỏ gọn, tiếp nhận thông tin nhanh xác Vì vậy, u cầu phần cứng cho thiết bị ngày gắt gao Tín hiệu thu phải tín hiệu vơ tuyến, biên độ tín hiệu thu thường nhỏ, mơi trường đầy tạp âm, sóng nhiễu Chính điều dẫn đến việc phát triển khuếch đại tập âm thấp (LNA-Low Noise Amplifier), với yêu cầu ngày nhỏ gọn, hệ số khuếch đại cao cần thiết