Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống Viba băng X

Chú tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa Điện - Điện tử Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thong ViBa băng X... HUYNH PHU MINH CƯỜNG Tp.HCM, ngày 16 thang 06 năm 20

TONG QUAN

CƠ SỞ LY THUYET

2.1 Lý thuyết ViBa 2.1.1 Tong quan

Từ tiêng Anh microwave co nghĩa là sóng cực ngăn hay ViBa theo cach dich qua tiếng Trung Quốc Từ ViBa được sử dung chung cho các hệ thống vệ tinh, di động hay vô tuyến tiếp sức mặt đất, song ở nước ta từ ViBa đã được sử dụng từ trước để chi các hệ thống vô tuyến tiếp sức Do đó, hiện nay trong các tai liệu kỹ thuật của ta, nói ViBa là nói tới hệ thống vô tuyến tiếp sức mặt dat.

Tông quan về phân chia các băng tan

Băng tân Ký hiệu Đặc tính lan truyền Pham vi ứng dụng 3-30KHz Tân sô rất thấp | - Sóng mat dat ứng dụng nhiều cho (Chụckm) | (VLF) - Lan truyền cu lyxa | thông tin dưới nước

- Mức tạp nhiễu khí | (solar) quyền lớn

30-300KHz | Tân sô thap (LF) |- Tương tự như VLF | Vô tuyên hàng hải (Km) nhưng bị hấp thụ vảo ban ngày

300- Tân số trung bình|- Sóng mặt dat và | Vô tuyên và định vi 3000KHz (MF) song troi ban dém hàng hai, các tần số (Trăm mét) - Suy hao thấp ban|cho cứu hộ va vô đêm cao vào ban ngày | tuyến quảng bá AM - Tạp khí quyền

3-30MHz Tân số cao Phản xa tang điện ly | Vô tuyên nghiệp dư;

(Chục mét) | CHF) thay đổi theo thời gian | phát sóng quốc tế; trong ngày, mùa và |thông tin quân sự, tân số hàng không đường

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

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

30-300MHz |Tân số rat cao |Lan truyền theo tâm | Truyền hình VHF, (mét) (VHF) nhìn thăng (LoS) phá thanh FM, thông tin dao hàng AM, thông tin ViBa

0,3-3GHz |Tân số cực cao |Lan truyền theo tâm | Truyền hình UHE, (dm) (ultrahieh nhìn thăng radar, thông tin viba frequency-UHF)

3-30GHz Tân số siêu cao |Lan truyền Los, suy | Thông tin vệ tỉnh,

(cm) (superhigh hao nhanh theo lượng | thông tin ViBa. frequency-SHF) mưa, suy hao khí quyền do ôxi và hơi nước, hấp thụ hơi nước cao ở 22GHz.

High Frequency | 6 xi tại 60 và 119GHz EHF)

10°-10’GHz | Hong ngoại, ánh | LoS Thong tin quang sáng nhìn thấy va tia cực tím

Thông tin siêu cao tần làm việc ở dải sóng cực ngắn dùng để truyền tín hiệu có dải tan 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 dai sóng từ 60MHz đến 20 GHz, các hệ thống công tác với dải tan 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 dan chính trong viên thong công cộng siêu ngăn.

^=—t —>À siêu cao gọi là Viba) siêu cao, siêu ngắn (

+ Total Distance l resne! Zone on Fah !

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

2.1.2 Phân Loại ViBa Phụ thuộc vào toc độ bít của tín hiệu cân truyền, các thiệt bị vô tuyên phải được thiết kế, cau tạo phù hợp dé có khả năng truyền dẫn các tín hiệu đó Có thé 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 va 8 Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 30 kênh, 60 kênh và 120 kênh Tan số sóng vô tuyến (0.4 - 1,5) GHz.

- ViBa số băng trung bình (tốc độ trung bình): được dùng dé truyền các tín hiệu có tốc độ từ (8-34) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 120 đến 480 kênh Tan số sóng vô tuyến (2 - 6) GHz.

- ViBa số băng rộng (tốc độ cao): được dùng dé truyền các tín hiệu có tốc độ từ (34-140) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 480 đến 1920 kênh Tan số sóng v6 tuyến 4, 6, 8, 12GHz.

Nghiên cứu và thiết kế mach khuếch đại công suất cho hệ thông ViBa băng X

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

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

Pt: Công suất máy phat (dBm)

G: Độ lợi anten(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 P, 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 theo thông số hình (2.2).

Nếu khoảng cách tính theo Km, tần số tính theo GHz thì suy hao trong không gian tự do tính theo dB là:

= 92.4 +20log(8) + 20log(30) = 140 dB (2.2) a Độ loi cua anten (cho bởi nha chế tạo với f=8GHz) độ lợi 2anten 33 x 2 = 66dB (2.3) b Độ nhạy máy thu trung bình

P,= -55 dBm (2.4) c Mức dau ra máy phát toi thiêu (dBm): thay (2.2,2.3,2.4) vao( 2.1) ta có

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 sô so cap tuyên tính [6]. Điện cảm tuyến tính L [H/m], đặc trưng cho điện cảm tương đương của phan dây dẫn kim loại, tính trên một đơn vị chiều dai 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 don 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 liên quan đến tôn 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 dai đường truyền Điện dẫn tuyến tính G liên quan đến tôn 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

AWWW? ©

+ RAz LAz ph v(zZ, £) GAz = CAS v(z + Az, t) œ Oo

Hình 2.3: Định nghĩa dòng và thế trong đường dây truyền sóng (a) Mạch điện tập trung tương đương (b).

2.2.2 Hệ số truyền sóng y(w) = /(R + joL).(G + j@€C) (2.6) có thé phân tích: y(w) = a(w) + jB(@) (2.7) trong do: aa) : hệ số suy hao, don vi [Np/m] hoặc [dB/m]

8(ứ)} : hệ số pha, đơn vị [rad/m] hoặc [/m]

Trở kháng đặc tính của đường truyền sóng biến thiên theo tần số tín hiệu. Đối với đường truyền không tôn hao (R=0, G=0)

_ fjol _ Zo(wW) = mến Ro (2.9) la mot hang số thực, được gọi là điện trở đặc tính của đường dây Thực tế thường gặp các đường truyền sóng có P Ohm, hoặc uOhm.

Hệ sô phản xạ điện áp tại một diém x bat ky là tỉ sô giữa sóng điện áp phan xạ và sóng điện áp tới tại diém x đó.

Công thức thường áp dụng:

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

— Vmax _ Imax _ 1+ [Fœ› | _ it IT |

2.3.1 Định nghĩa Đường truyền vi dai (Microstrip Line)[7] là dang đường truyền phô biên nhat cua đường truyền thăng Hình dạng của một đường truyền vi dai được thé hiện trong hình 2.4 Một dây dẫn có chiều rộng W, được in trên một lop chất nền điện môi có độ day d và hang số điện môi tương đối ¢,, bên dưới là lớp mặt phăng đất cũng có độ dày t và có cùng chất dẫn điện như day 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 dang kế trở kháng đặc tính của đường dây có thể được tính như sau:

2.3.2 Suy hao trên đường truyền vi dải

Theo [7] suy hao trên đường dây được tính băng công thức Œ = Œ, +t Agta, + (2.13) trong đó, a : suy hao do lớp dẫn điện Với Zo và W là trở kháng đặc tinh và độ rộng của đường day, 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 ma dòng điện xoay chiều phân bồ trên bề mặt dây dẫn nhiều hơn phan bên trong lõi.

_ 8.686Rs c ZcwW (dB/m) voi R,=— (9) (2.14) o: là hang 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 bang (1/e = 36.8%) so với mat độ dong dién trén bé mat day dan. a, : suy hao do lớp điện môi.

= 8686 = tand dB/ " _#11 @ứ@ 1 1 215 dạ = 8 TM\ 24 eA (dB//m) tới e¿ = 5 5 aa (2.15)

(tand là hăng số suy hao của chất điện môi và e„ hăng số điện môi hiệu dung) a, : suy hao do bức xạ Tùy thuộc vào cau trúc vật ly của module thiết ké. a, : suy hao do rò rỉ trên đường truyền Tùy thuộc cấu trúc mach cao tan thiết ké.

2.4 Các thông số của mạch siêu cao tần 2.4.1 Hệ số Nhiễu

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

Don vị của nhiễu nhiệt thường dùng trong hệ thống RF là công suất nhiễu được định nghĩa:

P=k.T.4f (2.16) trong do: P: công suất tap âm, [W] k: hằng số Boltzmann, [J/K]

Hệ số Noise Figure (hệ số nhiễu NF)

Ta có các định nghĩa sau:

Ni — —< Circuit No n kK eR Si/Ni Hệ sô nhiều: NF =F =——>1 [dB (2.17)

Hệ số nhiễu hệ thống (da tầng) — công thức Friiss:

G,,NF, G,, NF, G,, NF, G,, NF, mixer

Gị G1G> G1G> Gn—1 voi: F„ va G,, lần lượt là Hệ số nhiễu và Độ lợi tại tang thứ n.

Từ công thức trên, ta thay được Độ lợi khuếch đại và nhiễu tai tang 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 han chúng sẽ không tuyến tính (méo phi tuyến) Điều này có thé tác động tiêu cực đến mạch điện như làm méo tín hiệu, nén độ lợi, Các dang phi tuyén trong mach khuéch dai:

Phat sinh Hai (Harmonic generation)

Với 1 hệ phống phi tuyến với điện thé ngõ vào là vị va điện thé ngõ ra là Vo.

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

Với do là thành phần DC, atr;¡ là thành phần cơ ban (fundamental), a; là hệ số tuyến tính, các thành phan, a;UŸ + azv? là hài bậc 2, 3 Hệ số az (gọi là second-order), a3 (thirth-order) là hệ số hài bậc 2 va bậc 3.

Cross Modulation: là hiện tượng tín hiệu bị một tín hiệu biến điệu không mong muốn cộng vào Ta có thê mô hình hóa như sau:

Với thành phan thứ nhất ACoso¡t là tin hiệu mong muốn, thành phan thứ hai (1+m())Cosost là tín hiệu biến điệu AM không mong muốn.

AM-PM conversion: là hiện tượng mà khi thay đối biên độ tín hiệu ngõ vào trong mạch phi tuyến sẽ gây ra sự dịch pha ở ngõ ra Dạng méo nảy rất nghiêm trọng đặc biệt là đối với tín hiệu biến điệu pha hoặc tan sé.

AM-AM conversion: là hiện tượng mà khi thay đối 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 phan ngoài băng thông gây ảnh hưởng đến băng sóng lân cận Khi công suất cảng tăng thì hiện tượng này càng dễ xảy ra. im (dB

Hình 2.5: Hiện tượng Spectral regrowth.

2.4.3 Độ lợi bị bao hòa (gain reduce) Mạch khuêch đại lý tưởng là mạch tuyên tính hoàn toàn Có nghĩa là với mọi tín hiệu vào sẽ đêu được mạch khuêch đại Khi tín hiệu vào là nhỏ, tín hiệu ra được khuêch đại tuyên tính Tín hiệu vào tăng dân, tín hiệu ra khuêch đại tăng theo, dén một mức giới hạn bảo hoà cua một trong các linh kiện của mạch Điêm nén 1-dB được định nghĩa là điêm mà độ lợi của tín hiệu giảm 1 dB so với độ lợi của tín hiệu

GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Lâm Hoang Trung nhỏ (độ lợi ly tưởng) Bang cách giảm bớt độ lợi dé tín hiệu không méo dạng Điểm nén 1-dB giúp cân bằng giữa độ lợi khuếch đại va tính tuyến tính của mạch Trong thực tế, đối với amplifier, diém nén 1-dB thường được gan là công suất ra (P1dBm)- Để đánh gia muc tuyén tính của mach, người ta dung thông số điểm chặn bậc 3 (Third Order Intercept Point) — hay còn gọi là IP3 (Input 3" Order Intercept Point). Điểm chan bậc 3 là điểm mà ở đó biên độ phố bậc 3 trùng với biên độ phổ bac 1.

Out put 3" Order Intercept point Practical Gai

Noise floor }-y4 -4 - dBe k4 > in Put Power

MDS In put 3° Order IH ° —

- h enn vyằ b - bị Aw K 2 A LA ' X `

$i; =—|a, =0 : hệ sô phản xạ điện áp tại cửa vào 1 ay ry e e °

S¿„„= -1Ìa,=0 ‘tiso giữa điện áp ra cửa | khi đặt sóng vào tại cửa 2.

— b¿ a =0 ¡ độ lợi, hệ số khuếch đại (Gain) của mạng 2 cửa. b A A 2 on L4 ° 2 `

S32 = ơ a, =0 : hệ sụ phản xạ điện ỏp tai cửa vào 2.

Từ định nghĩa này, ta suy ra:

S,, : hệ sô phản xạ công suất tại cửa vào 1.

S,,: hệ sô phản xa công suat 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:

G = Bà (2.21)— TL Độ lợi công suất hoạt động: là tỉ số giữa công suất trung bình tiêu tán trên tải (PL) với công suất trung bình được cấp bởi mạch (Pin). Độ lợi lớn nhất: Độ lợi công suất hoạt động được ứng dụng cho khuếch đại công suất ngõ ra tuyến tính cao nhất, được xác định bởi công thức:

—m* — Si2S2iTL\* pk S12 S21T's\* fs =Pin = (Su + mang I =P but = (Sez + mg

|A| — SE S22 — 912921 | (2.23) Độ lợi công suất theo dB và công suất DC

Gap — 10logi9 (G) = PoutdBm a Hn,aqBm (2.24)

RF input power ' RF output power P ) Pant

Poc = Vpias 7 Jạ Ibias (t) 1 r7 dt (2.25)

Power Added Eficiency (PAE): được định nghĩa là

THIẾT KE, THỊ CÔNG VA LAP RAP PHÁT THU NGHIỆM MẠCH KHUECH ĐẠI CÔNG SUAT CHO HE THONG VIBA

Luan van thiét ké mach khuéch dai cong suất cho hệ thống Viba tại tần số trung tâm f,= 8.5GHz — đây là tần số thuộc băng X của dai tần vô tuyến Do đó việc thiết kế, mô phỏng mạch cần được thực hiện trên chương trình thích hợp Phần mém mô phỏng RF ADS2011 (Advanced Design System 2011) của hãng Agilent chuyên hỗ trợ thiết kế, mô phỏng mạch điện cao tần, đã được lựa chon [9], hình 3.1 là giao diện phan mềm ADS2011.

2011.01 www agilent.com/find/easof-ads lo dismiss, select window ; in eee $.+ Agilent Technologies

Hình 3.1: Giao diện phan mém ADS 2011

3.1 Lưu đồ thiết kế mạch khuếch đại công suất

Tối ưu schematic và layout mạch f

Hình 3.2: Luu đồ thiết kế mạch khuếch đại công suất

3.2 Yêu cầu thiết kế O chương | trình bay tính cap thiệt dé tài, các yêu câu thiêt kê đặt ra như sau:

Tan số trung tâm: 8.5GHz

Công suất ngõ ra ở điểm nén 1 dB (Pou1dB): > 20 dBm Độ lợi (S21): > 10 dB Input Return Loss (S11) :