luận văn thiết kế máy thu thông tin vệ tinh băng tầng c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN CÔNG THIẾT KẾ MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG TẦN C LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG Huế - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN CÔNG THIẾT KẾ MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG TẦN C Ngành: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ -VIỄN THÔNG Chuyên nghành KỸ THUẬT –ĐIỆN TỬ Mã số 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHÀNH CÔNG NGHỆ - ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS - TS BẠCH GIA DƯƠNG Huế- 2014 1 LỜI CẢM ƠN Tôi chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Đốc Đài PT-TH Quảng Trị, Phòng Kỹ Thuật- Công nghệ cùng anh chị em đồng nghiệp đã hết sức tạo điều kiện cho tôi vừa công tác vừa tham gia học tập và hoàn thành tốt chương trình cao học và thực hiện luận văn này. Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của Quý thầy cô giáo khoa Điện tử - viễn thông trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà nội. Tôi ghi nhận và biết ơn về sự giúp đỡ quý báu đó. Tôi cũng xin chân thành gửi lời cám ơn đến, Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Điện Tử - Viễn Thông, khoa Vật lý trường Đại Học Khoa Học Huế đã tạo điều kiện, giúp đỡ cho tôi học tập, thực hành trong suốt hơn hai năm qua. Tôi chân thành cảm ơn tất cả các học viên lớp ĐT-VT 18, những người bạn, người đồng chí đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập. Tôi đặc biệt dành sự kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS- Tiến sỹ BẠCH GIA DƯƠNG, người đã dành sự quan tâm đặc biệt cho đề tài nghiên cứu cũng như hỗ trợ kịp thời, có ý nghĩa và hướng dẫn tận tình tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi thật sự biết ơn những người thân trong gia đình đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi về vật chất cũng như tinh thần để tôi hoàn thành tốt luận văn này. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Quảng Trị, ngày 08 tháng 1 năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Công 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Văn Công 3 MỤCLỤC LỜI CẢM ƠN 1 LỜI CAM ĐOAN 2 MỤC LỤC 3 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT 6 DANH MỤC HÌNH ẢNH 7 MỞ ĐẦU 9 1.1. Khái quát chung 11 1.2. Các thuật ngữ cần thiết – Tham số tập trung, tham số phân bố 11 1.3. Lý thuyết về đường dây truyền sóng 11 1.3.1 Khái niệm và định nghĩa 11 1.3.2. Cách biểu diễn một hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ của hệ có phần tử tập trung 12 1.3.3. Phương trình vi phân của đường dây truyền sóng 13 1.3.4. Truyền sóng trên đường dây- nghiệm của phương trình vi phân 14 1.3.5. Đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối 17 1.3.6. Hệ số phản xạ : 18 1.3.7. Hiện tượng sóng đứng 19 1.3.8. Hệ số sóng đứng 21 1.3.9. Hệ số phản xạ tại vị trí bất kì 22 1.4. Công suất trung bình truyền theo đường dây truyền sóng 22 1.4.1. Tổn hao do phản xạ 23 1.4.2. Trở kháng vào của đường dây truyền sóng 23 1.5. Mạch dải siêu cao tần 24 1.6. Đồ thị vòng tròn- Đồ thị Smith 28 1.6.1. Đồ thị vòng tròn về trở kháng trong hệ tọa độ vuông góc 29 1.6.1.1. Quỹ đạo đường đẳng  30 1.6.1.2. Quỹ đạo đường đẵng  31 4 1.6.2. Đồ thị vòng tròn về trở kháng trong hệ tọa độ cực ( Đồ thị Smith) 32 1.6.2.1 . Họ đường tròn dẳng r 33 1.6.2.2 . Họ đường tròn đẳng x 34 1.6.2.3. Họ các đường tròn đẳng  36 1.6.2.4. Họ các đường tròn đẳng 37 1.7. Kỹ thuật phối hợp trở kháng 39 1.7.1. Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng 40 1.7.2. Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung 40 1.7.3. Phối hợp trở kháng dải hẹp bằng những đoạn dây dẫn song song mắc liên tiếp 42 1.7.3.1. Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây 4  42 1.7.3.2. Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ 42 1.8. Tổng quan về vòng bám pha (PLL): 43 1.8.1. Bắt chập và giữ chập 44 1.8.2. Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha: 47 1.8.3. Bộ so pha 48 1.8.4. Các bộ chia tần 50 CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TIN VỆ TINH 52 2.1. Lịch sử thông tin vệ tinh 52 2.2. Quá trình phát triển thông tin vệ tinh ở Việt Nam 54 2.2.1. Vệ tinh Vinasat-1: 54 2.2.2. Vệ tinh Vinasat-2 : 57 2.2.3. Tầm quan trọng của Vinasat 1 và Vinasat 2 58 2.3. Đặc trưng cơ bản của đường truyền thông tin vệ tinh : 58 2.3.1. Dải tần hoạt động có độ suy hao nhỏ nhất 58 2.3.2. Những ưu điểm của đường truyền thông tin vệ tinh 59 2.4. Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thu tín hiệu 59 CHƯƠNG 3MÔ HÌNH MÁY THU VỆ TINH BĂNG TẦN C VÀ THIẾT KẾ MÔ PHỎNG DÙNG PHẦN MỀM ANSOFT 61 3.1. Mô hình tổng quát máy thu vệ tinh băng tần C 61 5 3.2. Chế tạo bộ khuếch đại cao tần tạp âm thấp băng tần C 62 3.3. Nghiên cứu thiết kế bộ trộn tín hiệu siêu cao tần băng C 66 KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 6 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ EHF Extremely High Frequency Tần số cực cao FM Frequency Modulation Điều chế tần số IF Intermediate Frequency Tần số trung tần LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp LO Local Oscillator Dao động tại chỗ PM Phase Modulation Điều chế pha RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SHF Super High Frequency Tần số siêu cao TEM Transverse Electromagnetic Sóng điện từ ngang VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng điện áp. 7 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Biểu diễn mạch tương đương của một đoạn đường truyền sóng siêu cao tần (1a,1b) Hình 1.2 Mạng đơn giản hình T hay  đối xứng của đường truyền sóng siêu cao tần Hình 1.3 Sơ đồ đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối Hình 1.4 Sóng đứng điện áp trên đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối Hình 1.5 Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyềnkhông tổn hao có mắc tải đầu cuối Hình 1.6 Các loại mạch vi dải siêu cao tần Hình 1.7 Các dạng đường truyền sóng Hình 1.8 Trở kháng chuẩn hóa zL được biểu diễn trên hệ tọa độ Đề Các Hình 1.9 Họ các đường tròn đẳng điện trở. Hình 1.10 Họ các đường tròn đẳng điện kháng Hình 1.11 Đồ thị Smith Hình 1.12 Họ vòng tròn đẳng || Hình 1.13 Mô hình phối hợp trở kháng Hình 1.14 Mạch phối hợp trở kháng chữ L thuận nghịch Hình 1.15 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây 4  Hình 1.16 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ Cần xác định Za và l dể có thể phối hợp ZL với Z0. Hình 1.17 Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha. Hình 1.18 Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL Hình 1.19 Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp Hình 1.20 Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha. 8 Hình 1.21 Cấu trúc của 1 bộ so pha số, trong đó: Delay: bộ trễ, U1, U2: Các trigơ D, U3: bộ AND, U4: bộ đảo Hình 1.22 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập. Hình 1.23 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng nhau Hình 2.1 Phần không gian và phần mặt đất của hệ thống thông tin vệ tinh Hình 2.2 Vùng phủ sóng băng tần C của vệ tinh Vinasat-1 Hình 2.3 Vùng phủ sóng băng tần Ku của vệ tinh Vinasat-1 Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống thu cơ bản Hình 3.2 Sơ đồ khối tuyến thu siêu cao tần băng C tích hợp với máy thu giải mã tín hiệu Hình 3.3 Sơ đồ thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại cao tần tạp âm thấp LNA băng tần C Hình 3.4 Kết quả mô phỏng tham số S11 dùng phần mềm Ansoft Hình 3.5 Kết quả mô phỏng các tham số S21 dùng phần mềm Ansoft Hình 3.6 Kết quả mô phỏng tham số S22 Hình 3.7 Sơ đồ thiết kế nhánh lối ra Hình 3.8 Kết quả mô phỏng tham số S11 nhánh lối ra dùng phần mềm Ansoft Hình 3.9 Kết quả mô phỏng các tham số S21 nhánh lối ra dùng phần mềm Ansoft Hình 3.10 Kết quả mô phỏng các tham số S22 nhánh lối ra dùng phần mềm Ansoft. Hình 3.11 Sơ đồ thiết kế bộ trộn cao tần sử dụng JFET Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý bộ trộn dung SPF-3043 Hình 3.13 Mạch PCB được gia công Hình 3.14 Kết quả đo tham số trên máy phân tích mạng [...]... ph c tạp, đòi hỏi nhiều yêu c u c ng nghệ cao c ng như kinh phí đầu tư Trong khuôn khổ luận văn này, t c giả chỉ đề c p đến một m c nhỏ trong toàn bộ hệ thống thông tin vệ tinh nhưng đóng vai trò hết s c quan trọng đó là : Chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần C Với đề tài : THIẾT KẾ MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG TẦN C, t c giả đã mạnh dạn nghiên c u chế tạo mạch ở tần số siêu cao, trở ngại chính... ư c phổ tần số cho cho c c dải tần như sau: Giới hạn trên c a dải thường đư c chọn tới 300GHz ( f=3.1011Hz), tương ứng với bư c sóng λ =1mm Giới hạn dưới thường c nhiều c ch chọn kh c nhau và tùy theo c ch phân chia c ng như m c đích sử dụng c a từng qu c gia ho c của từng tổ ch c riêng Thông thường sóng c c ngắn là những sóng c tần số f ≥30GHz tương ứng với bư c sóng λ ≤10m, trong khi đó c ng c ... dài c a sóng mét), mạch dao động (LC) từ c c tham số tập trung không c n làm vi c đư c C c trường hợp c n quan tâm - Thứ nhất: Để nhận đư c dải tần số c ng hưởng f0 lớn hay bư c sóng c ng hưởng nhỏ, ta phải giảm c c giá trị L, C đến m c tối thiểu Nhưng vi c giảm này c ng c những giới hạn nhất định do kết c u c a tụ điện và cuộn c m, nên về nguyên t c không đạt đư c tần số c ng hưởng ở c c dải sóng cao... truyền là c c mạch dải siêu cao tần với c c ưu điểm như dễ sản xuất (dùng c ng nghệ PCB), khối lượng nhẹ, khả năng tương thích với c c quy trình c a mạch tích hợp, phạm vi trở kháng đ c trưng hợp lý, tổn hao thấp, dải tần tương đối rộng Vì c c mạch dải đư c chế tạo dưới dạng mạch in nên chúng đư c sử dụng rất phổ biến trong vi mạch siêu cao tần Mạch dải siêu cao thường c c u tạo theo c c dạng: dạng... dòng điện L c này vi c áp dụng lý thuyết mach kinh điển sẽ cho ta kết quả không c n chính x c nữa Khi vi c truyền năng lượng trong một mạch điện phải mất một thời gian đáng kể nào đó thì mạch điện đó đư c xếp vào loại mạch c phần tử phân bố, điều này c nghĩa là c u kiện c a mạch đư c coi như c kích c so sánh đư c với bư c sóng c a mạch, điều này dẫn đến khái niệm sóng đứng c a điện áp ( ho c dòng điện)... trong điện môi c a cuộn c m và tụ điện tăng đáng kể, làm giảm rõ rệt phẩm chất c a mạch dao động LC, làm cho nó mất tính chọn l c của mạch c ng hưởng Do đó, ở dải sóng siêu cao tần, người ta sử dụng c c mạch dao động c tham số phân bố, thường đư c gọi là hộp c ng hưởng Đường truyền dẫn sóng cao tần và siêu cao tần c ng là vấn đề đư c quan tâm Trong kỹ thu t đo lường và c c thiết bị thu ở dải sóng... kênh c a Đài TH VN, đài tiếng nói Việt Nam c ng một số đài địa phương, nâng tầm phủ sóng đến c c vùng sâu vùng xa, và gần đây Việt Nam c ng một số đối t c đã phóng thành c ng vệ tinh VNREDSat-1 bư c đầu áp dụng thành c ng vi c giám sát và bảo vệ biển đảo, giám sát rừng qua vệ tinh c ng như ứng dụng kh c nhằm đảm bảo an ninh qu c phòng Vi c chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống thông tin vệ tinh là vô c ng... lý thuyết áp dụng cho mạch điện với c c phân tử mạch điện là c c phần tử tập trung ( ví dụ c c phần tử tụ điện, điện trở), trong khi đó c u kiện viba thường là c c phần tử c tham số phân bố vì ở đây pha c a điện áp và dòng điện sẽ thay đổi tùy theo điểm khảo sát bởi vì kích thư c của c u kiện vi ba c thể so sánh đư c với bư c sóng λ Tương tự như lý thuyết mạch kinh điển, c ng c để giải quyết c c. .. hình th c quá độ giữa mạch điện gồm c c phần tử tập trung ở tần số thấp bao gồm c c phần tử L, C, R và ống dẫn sóng ở siêu cao tần Đường dây truyền sóng 12 đư c coi là mạch điện c phần tử phân bố nhưng nó c thể đư c biểu diễn theo sơ đồ c a mạch điện với c c phần tử tập trung Đối với mạch điện c c c phần tử tập trung, ta c thể phân tích bằng lý thuyết mạch kinh điển, với giả thiết rằng khi c một... kh c ph c nhất chính là ở dải tần siêu cao đòi hỏi kích thư c mạch rất nhỏ để đảm bảo giảm thiểu điện dung ký sinh, giảm thiểu sự mất phối hợp trở kháng toàn mạch Tuy vậy bằng nỗ l c cá nhân c ng như sự hướng dẫn tận tình c a thầy Bạch Gia Dương, luận văn này tạo tiền đề cho những h c viên muốn nghiên c u sâu hơn về lĩnh v c này Bằng lý thuyết và th c nghiệm, luận văn đã trình bày một c ch c đọng c c . dưới thường c nhiều c ch chọn kh c nhau và tùy theo c ch phân chia c ng như m c đích sử dụng c a từng qu c gia ho c của từng tổ ch c riêng. Thông thường sóng c c ngắn là những sóng c tần số. quát c a hệ thống thu tín hiệu 59 CHƯƠNG 3MÔ HÌNH MÁY THU VỆ TINH BĂNG TẦN C VÀ THIẾT KẾ MÔ PHỎNG DÙNG PHẦN MỀM ANSOFT 61 3.1. Mô hình tổng quát máy thu vệ tinh băng tần C 61 5 3.2. Chế. ĐẠI H C QU C GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI H C CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN C NG THIẾT KẾ MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG TẦN C Ngành: C NG NGHỆ ĐIỆN TỬ -VIỄN THÔNG Chuyên nghành KỸ THU T