Thiết kế mạch khuếch Đại nhiễu thấp hoạt Động ở tần số 2 4ghz, Đảm bảo ứng dụng cho hệ thống radar

Tuy nhiên, dé dat duoc độ chính xác và dang tin cay trong viéc xử lý tín hiệu radar, mạch khuếch đại nhiễu thấp hoạt động ở tan số này là một trong những yếu tố quan trọng trong thiết kế

DAI HQC QUOC GIA TP.HO CHI MINH

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN VIỄN THÔNG

3 Lê Nguyễn Thanh Thanh 2010605

TP Hỗ Chí Minh, tháng 06 năm 2023

1 Lido chon dé taicccccccccccccccccccccssscscssssscscscscevevevevevevevevesevesesesesesssesesessesssesecevivevevsees 1

2 Đối tượng nghiên COU ccc cssessesseccsecsessessessseseseessessessessssecseeseeseessesseeesen 1

4 Kết cấu để tài s2 2221222222222 eo 1

1l TONG QUAT vooeccccccceccssccsessscssessessessessessersressessssssessisserssnssnssessissssensensenssnssessees 2

2 COSG LY THUYET oooicicicccccccccccccesssesssecssesitessreteressiessnerasetaresssesssseraresanesesees 2 2.1 Giới thiệu chung về giản đỗ Smith ccc eccecsessessecseeseeseessessesseeeeeees 2

2.2 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng - 25s 2E E2112212712717111211 xe 3

2.3 Ma trận tán xạ S - 2212222212212 re 6 2.4 Công suất snn H HH 11121 1 112221 1 1e rng 8

by 9 3 PHẦN TÍCH YÊU CÂU THIẾT KẾ 22 22+22122E12221227212221227122712 222 c6 11

3.1 Cac yéu cau thiét ké Mach duoc thiét ké phải đảm bảo các yêu cầu sau: 11

3.2 Lựa chọn linh kiện chính dùng trong thiết kế - 2c ze£e2Et2£2zzzzx2 I1

4 THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ MẠCH 22222 22122212221271271127122 xe 12

4.1 Mô phỏng, thiết kế mạch 5s s21 11221E11211111111111211 212121122 xe 12

4.2 Kết quả thiết k - 5c St 1211211211111111211 2121211222121 121 rrag 18

1 Đánh giá kết quả và kết luận - 2-2191 E1121121121121121112121E1E1 re 20

2 Hướng phát triển - + 1 112112112112111111121 121211122121 1e rau 20

Hình 2 7: Dé thị Smith cho ví dụ của hình 1.6 -:-2225cc22222 22221222 ccrrtke 6

Hinh 2 9: Ma trận Š của mạch 2 cỬa - - HH HH1 1111011111111 1111151111111 1 111111551111 ccz 7

Hình 2 10: Sơ đồ khối của một mạch khuyéch đại có phối hợp trở kháng ở 2 đầu .9

Hinh 4 1: Mô hình phân cực cho B.JTỈ, 2c 2c 2221211211151 151 151151221181 211 1121 81 ca, 12

Hình 4 2: Đặc tuyến dòng áp ngõ ra của cầu hình cực E chung - 13

Hình 4 3: Sơ đồ mạch khuếch đại nhiễu thấp cn HH 1111101111111 1111111511111 1111111151111 k 11111111555 13 Hình 4 4: Kết qua m6 hinh khuéch dai nhiéu thap với hệ số nhiễu . 222 szsz¿ 14

Hình 4 5: D6 thị các thông số S trên miền tần sỐ 22 2+2222Et22222E22212222272222 14 Hình 4 6: : Các hệ số nhiễu tại tần số 2.4GHz - 222 22221222 15

Hình 4 7: Đồ thị các đường dang Gs va dang NF=3dB oo ccccccccccccccceseeesessessesseseeeee 15

Hinh 4 8: Đồ thị các đường dang Gs va NF ooocccccccccccsccccecsessessessessecsessessessessesseeeeeees 16 Hinh 4 9: Phối hợp trở kháng ngõ vào bằng đỗ thị Smith với ADS . 17

Hình 4 10: Sơ đồ nguyên lý của thiết kế mạch LNA -2- 55c c2 2212212122122xee 18

Hình 4 12: Đồ thị S của mạch thiết kế theo tần số 222211313535 252555252525252525252 18 Hình 4 11: Đồ thị Noise Figure (NF) cua mach theo CAN SO.ccccccccccccccscscsesesecscsescsesssees 18

Tần số 2.4GHz đã được chọn với cơ sở lý thuyết và thực tiễn vững chắc Đặc biệt, trong hệ thống radar, tần số 2.4GHz được sử dụng đề thu nhận và phân tích tín hiệu phản

xạ từ các mục tiêu Tuy nhiên, dé dat duoc độ chính xác và dang tin cay trong viéc xử

lý tín hiệu radar, mạch khuếch đại nhiễu thấp hoạt động ở tan số này là một trong những yếu tố quan trọng trong thiết kế radar

Trong bối cảnh hiện nay, nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại nhiễu thấp hoạt động ở tần số 2.4 GHz mang lại nhiều lợi ích và tiểm năng ứng dụng Các ứng dụng của

hệ thống radar trong lĩnh vực quân sự, hàng hải, hàng không Với mong muốn tìm hiệu phương pháp thiết kế tập trung vào đảm bảo hiệu suất và độ ôn định của mạch khuếch đại nhiễu thấp ở phía thu, từ đó đảm bảo rằng hệ thống radar có khả năng hoạt động trong băng tần được lựa chọn đối với loại radar yêu cầu, nhóm quyết định chọn đề tài

“Thiết kế mạch khuếch đại nhiễu thấp hoạt động ở tân số 2.4ghz, đảm bảo ứng dụng cho hệ

thống radar ”

2 Đối tượng nghiên cứu:

Mạch khuếch đại nhiễu thấp (LNA)

3 Phương pháp nghiên cứu:

Tìm hiểu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại nhiễu thấp ở phía thu và băng tần hoạt động của radar qua các bài báo khoa học và sách liên quan

Đánh giá mạch qua mô phỏng vả so sánh với yêu cầu thực tế

4 Kết cấu đề tài: Ngoài các phần mở đầu, kết luận và danh mục hình ảnh, phần nội

dung của đề tải sẽ gồm 4 phần chính, trong đó bao gồm:

1 Tổng quát

2 Cơ sở lý thuyết (6 tiếu mục)

3 Phan tích yêu câu thiết kế (2 tiểu mục)

4 Thiết kế và đánh giá mạch (2 tiểu mục)

Mạch khuếch đại nhiễu thấp đóng vai trò quan trọng trong kiến trúc front-end của các hệ thống cao tần vô tuyến Bên cạnh sự ồn định và độ lợi trong các bộ khuếch đại, bên phía máy thu còn xem xét một đại lượng về thiết kế quan trọng khác cho bộ khuếch đại dung trong cao tần là hệ số nhiễu Trong các ứng dụng về máy thu đặc biệt thường yêu cầu một bộ tiền khuếch đại với hệ số nhiễu cảng thấp cảng tốt Điều này được thực hiện ở đề tài nay bang dé thi Smith, phối hợp trở kháng và chọn các hệ số phản xạ ở những điểm giao giữa đường đăng hệ số nhiễu và những đường đẳng độ lợi

2 CƠSỞ LÝ THUYẾT

2.1 _ Giới thiệu chung về giản đồ Smith

Giản đổ Smith ban đầu được phát triển vào khoảng năm 1939 bởi Philip Smith

như một công cụ hữu ích để làm cho các phương trình liên quan đến đường truyền

dễ dàng thao tác hơn

Giản đồ Smith là một biểu điễn đồ thị của hệ số phản xạ với trở kháng, chuẩn hóa Được dùng để xác định sự thay đôi trở kháng khi chiều dải đường truyền sóng thay đổi Ngoài ra, các thông số khác cũng được tính từ đỗ thị Smith như VSWR, tổn hao,

Quan hé gitra tro khang chuẩn hóa và hệ số phản xạ:

Resistance circles Im(I°) Unitcircle {f\/-1, 0

r-circles

Hinh 2 1: Mé ta giản đồ Smith

Ở phần sau, khi trình bày về các lý thuyết khác, nhóm sẽ đi vào chỉ tiết cách sử dụng Smith Chart đề giải quyết từng bải toán cụ thé cho bài tập lớn nay

2.2 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng

Việc thiết kế một mạch phối hợp trở kháng (PHTK) đóng vai trò vô cùng quan

trọng trong việc thiết kế các đường tín hiệu có tần số cao, nguyên nhân bao gồm:

— Công suất cực đại được phân phối tới tải khi tải phối hợp trở kháng với đường

truyền

— Céng suất tôn hao trên đường truyền được tối thiêu

— Cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR, thông qua việc điều khiển sự phối hợp trở kháng, bộ khuếch đại có thê hoạt động ở điểm có tạp âm nhỏ nhất

— Giảm sự sai pha và biên độ

Các yếu tô khi lựa chọn mạng phối hợp trở kháng:

—_ Sự phức tạp

Băng thông

— Tinh kha thi

Kha nang diéu chinh

Đường truyền được xem là phối hợp trở kháng khi Zạ = Z¿ và không có phản xạ trên đường truyền

Mục đích của mạng phối hợp trở kháng là chuyển đổi trở kháng tải Z, tro thành trở

kháng vào Z¿„ bằng với trở kháng đặc tính đường truyền Zọ

Matching Network

Với yêu cầu thiết kế mạch phối hợp trở kháng của đề tài, nhóm chọn thiết kế mạch Lumped dùng đề phối hợp trở kháng, nên báo cáo này tập trung trình bày chỉ tiết các công thức thuộc phần này và chỉ đưa ra công thức lời giải cho những phương

lại khi mắc nối tiếp thì phải xét về trở kháng)

Ví dụ như mạch bên dưới:

- Khi xét jx, thi phần bù vào đề thực hiện PHTK sẽ là trở kháng, xem (1)

- Nhung khi xét dén jx, thi ta phải xét đến dẫn nạp bù vào đề thực hiện phối hợp

trở kháng, xem (2)

R ‘0 $0(Q), Z, =10-— /40(Q), œø= 10” (rad /s)

JX,

Hình 2 6: Ví đụ về mạch phối hợp trở kháng sử dụng Lump

Bài tập lớn Mạch điện tử thông tin GVHD: TS Trịnh Xuân Dũng

Str dung Smith để giải bài toán ví dụ từ hình 1.6:

Hình 2 7: Đồ thị Smith cho vi dụ của hình 1.6

Bước l: Tìm điểm A là trở kháng chuẩn hóa Zy

Bước 2: Trên đường tròn đẳng r = 0.2, di chuyên đến điểm giao với đường tròn

đẳng r = 1, ta duoc điểm B, đọc kết qua ta thu được x, = —0.4 — (—0.8) = 0.4 Day là giá trị của một cuộn dây (L)

Bước 3: Lấy điểm C đối xứng với B qua D, tâm đồ thị Smith, đọc kết quả thu được

bz = 0 — 2 =—2 Do jx¿ mắc song song nên jxạ = 1/jb; = j0.5 Đây cũng là giá trị của một cuộn dây (L)

Bước 4: Tính các giá trị của phần tử mạch vừa tìm được, sau đó vẽ lại mạch sử dụng phần tử tập trung L„C

Trong đó:

e _1“* là điện áp (sóng) tới đi vào công n

® _ Ƒ„ là điện áp (sóng) phản xạ đi vào công n

V+ la dign ap (song) toi di vao ngd vao cong 1

Vv; la dién ap (sóng) phản xạ đi từ ngõ vảo công 1

#‡ là điện áp (sóng) tới đi vào ngõ ra công 2

V, là điện áp (sóng) phản xạ đi từ ngõ ra công 2

3, là hệ số phản xạ nguồn =Ƒ //` lo =T,

5, là hệ số truyền tới =V; /V¿ |,„_,=độ lợi tới

S,,la hệ số truyền ngược =J_/ | +9 = 46 lon truyền ngược

5„;là hệ số phản xạ ngõ ra =ƒ; /Ƒÿ („ „=T out

(2.8)

(2.9)

(2.10)

Ngoài các thông số được đề cấp đối với một mạch khuếch đại như độ lợi (gain),

độ ổn định (stability) con cần xem xét một hệ số quan trọng cho các bộ khuếch đại cao tần là hệ số nhiễu (NF — Noise FIpure) Thông thường không thể đạt được cả hai sự cực tiểu hệ số nhiễu và cực đại độ lợi cho một bộ khuếch đại Tuy nhiên, điều nảy có thé được thực bởi việc sử dụng vòng tron đẳng độ lợi và vòng tròn đẳng hệ số nhiễu đề lựa chọn một sự đánh đổi khả dung gitra hé số nhiễu và độ lợi Hệ số nhiễu của một bộ khuêch đại hai cửa có thê được biêu diễn như sau:

Trong đó:

Y, = G + 7B, là dẫn nạp nguồn được đưa đến transistor

Yone 1a dan nap nguồn tối ưu đề cực tiêu hệ số nhiễu

Fm„ hệ số nhiễu cực tiêu của transistor, dat duoc khi Y, = Yont-

R„ là điện trở nhiễu tương đương của transistor

Gs la phan thực của dẫn nạp nguồn

Thay vi str dung dan nap Y, va Yont» ta co thé str dung hé sé phan xa I, va I opt:

3 PHẦN TÍCH YÊU CÂU THIẾT KẺ

3.1 Các yêu cầu thiết kế

Mạch được thiết kế phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- _ Lựa chọn transistor sao cho hệ số nhiễu đạt thấp nhất tại tần số 2.4GHz và dam bảo băng thông yêu cầu của một hệ théng radar

- _ Thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho ngõ vào và ra

- - Thiết kế mạch phối hợp phân cực cho mạch khuếch đại

- Đánh giá hệ số nhiễu NF sao cho không quá 3đdB

- Đảm bảo độ lợi và độ ổn định của mạch

3.2 Lựa chọn linh kiện chính dùng trong thiết kế

Thiết kế mạch khuếch đại nhiễu thấp ở đề tài sử dụng transistor là BJT, mạch hoạt động tại tần số 2.4GHz, hệ số nhiễu có định là 3đB và độ lợi cảng lớn càng tốt Chọn BJT cho mạch: do hạn chế về thư viện của phần mềm mô phóng, nhóm quyết dinh lwa chon model BJT cua Infineon Technologies - BJT BFP460, có các thông

số như sau:

- NFmin=l.1dB, Grmax = 17.5đB

- _ Tân số chuyền mạch: ƒ„;„ = 16GHZ va fry) = 22GHz

Thông thường băng thông hoạt động của BJT sẽ trong khoảng C ; =)

— Băng thông hoạt động của BJT BEP460 sẽ là (2.2GHz — 7.3GHz) có thé thực

hiện được với các hệ thống radar ở băng tần S và băng tần C

*Định nghĩa về các băng tần S và C:

e_ Băng tần S là một phần của băng tần vi ba thuộc phô điện từ Nó được định nehĩa theo một tiêu chuân của IEEE cho sóng vô tuyến với tần số trong dai 2

- 4 GHz, tần sô 3 GHz là ranh giới giữa UHF và SHE Băng S được dùng cho

radar thoi tiết, radar tàu biên, vệ tỉnh thông tin, đặc biệt là NASA dung cho liên lạc giữa tàu con thoi và trạm không gian quốc tế Radar băng ngắn 10 cm

có đải tần 1,55 tới 5,2 GHz.

e_ Băng tần C tương tự với băng tần S cũng là một dải tần số thuộc phố điện từ, gồm cả các bước sóng của vi ba được sử dụng cho viễn thông vô tuyến đường

dai Bang tan C theo tiéu chuan IEEE (4 GHz - 8 GHz) — và các biến thê khác

— g6m cac dai tan sé duge ding cho nhiéu hé théng truyén dẫn vệ tỉnh thông tin, một số thiết bị Wi-Ei, dién thoai cam tay, và một số hệ thong radar thoi tiết Đối với các vệ tinh thông tin, tần số sóng cực ngắn của băng C làm việc tốt hơn trong điều kiện thời tiết bất lợi so (các điều kiện thời tiết bất lợi, 201 chung là suy hao do mưa, là độ âm không khí gồm cả mưa và tuyết.)

4 THIET KE VA DANH GIA MẠCH

Values at bias point indicated by marker m1

Move marker to update

Device Power Consumption, Watts 3.000 0.039 VCE

Hình 4 2: Đặc tuyến dòng áp ngõ ra của cấu hình cực E chung

Chọn cặp hệ số phân cực sao cho BJT hoạt động ở vùng tuyến tính và tiêu thụ một lượng công suất vừa phải —> phân cực cho Veg = 3V, I gg = 100A, ly = 13mA

Thiết lập mô hình mạch khuếch đại nhiễu thấp có hệ số nhiễu là 3đB (hình 4.3)

Dùng mô hình này để đo các thông số cần thiết cho thiết kẻ

treo, GHz

Hinh 4 4: Két quả mô hình khuếch đại nhiễu thấp với hệ số nhiễu

Mô phỏng S-Parameter để đo các thông số S cua transistor tai tần số mong

muốn sau khi phân cực:

Hình 4 5: Đỗ thị các thông số S trên miền tần số

Như vật ma trận S của BJT BFP460 tại tần số 2.4GHz:

*1ƒnh toán các thông số nhiễu trên mạch

Từ mạch tín hiệu lớn, ta đo được các thông số nhiễu tại tan s6 2.4GHz, trong bộ điều khiển S parameter, ta chon Noise calculation và chọn các chuẩn nhiệt độ đúng với

thực tế (16.85°C ứng với 290K) (hình 4.6).