thiết kế và thi công bộ khuếch đại công suất cao tần
i LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả thầy cô trong trường đả cung cấp cho em nhửng kiến thức vô giá để giúp em chuẩn bị hành trang trên con đường lập nghiệp sau này. Em củng xin cảm ơn đến cha mẹ, nhửng người đả nuôi dạy em nên người và nhửng người than đả giúp đở em rất nhiều trong thời gian học và thực hiện đề tài. Em củng xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tấn Nhân đả trực tiếp hướng dẩn em thực hiện đề tài, giúp đở em từ tài liệu cho đến phương pháp nghiên cứu. từ cách viết luận văn cho đến cách thi công mạch, giúp em nhửng kinh nghiệm quý báu củng như tình cảm của thầy dành cho em. Em củng xin cảm ơn đến bạn bè, các anh chị khóa trước đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian học. Với trình độ và khả năng còn hạn chế vì vậy luận văn hoàn thành không tránh khỏi nhửng thiếu sót về cả nội dung và hình thức. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo và đánh giá quý báu của các quý thầy cô, đây là những kinh nghiệm quý báu cho công việc của em sau này. Xin chân thánh cảm ơn! Sinh viên: Hồ Đình Đông ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 2 1.1 Tổng quan 2 1.1.1 Phía phát 2 1.1.2. Phía thu: 3 1.2 Phổ tần sóng điện từ: 4 1.3 Các tham số hệ thống: 4 1.3.1 Máy phát 4 1.3.1a Công suất máy phát 5 1.3.1b Nhiễu máy phát: 5 1.3.1c Tỉ số công suất kênh lân cận: 6 1.3.2 Máy thu: 6 1.3.2a Hệ số nhiễu máy thu: 6 1.3.2b Dãi rộng, điểm nén 1dB và tín hiệu có thể tách được nhỏ nhất 7 1.3.2c Điểm chặn bậc 3 và méo điều chế tương hổ IMD 8 9 2.1 Giới thiệu: 9 2.2 Các đường tròn trong đồ thị 9 2.2.1 Đường tròn hệ số phản xạ ngoài cùng 9 2.2.2 Họ đường tròn đẳng r: 11 2.2.3 Họ đường tròng đẳng x 13 2.3 Mô tả đồ thị smith 14 2.4 Dẩn nạp trên đồ thị smith 18 2.5 Cách đọc đồ thị Smith 20 2.6 Ứng dụng cơ bản của đồ thị Smith 24 2.6.1 Tính hệ số sóng đứng, hệ số phản xạ và trở kháng đường dây 24 2.6.2 Tính trở kháng mạch phức hợp 24 2.6.3 Phối hợp trở kháng 26 27 3.1 Phối hợp trở kháng bằng các phần tử tập trung (các mạng hình L) 27 3.1.1 Phương pháp giải tích 28 3.1.2 giải pháp dùng đồ thị Smith 29 32 iii 4.1 Giới thiệu đường truyền vi dải - Microstrip line 32 4.2 Phối hợp trở kháng trên đường truyền vi dải 33 4.3 Thiết kế đoạn truyền sóng dùng Microstrip Line 36 37 39 42 43 43 43 43 -31122 44 45 6.3.1 45 6.3.2 n L , S 46 6.3.3 47 6.3.4 52 6.3.5 53 55 58 iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 : Các phần tử cơ bản trong thu phát vô tuyến 2 Hình 2.1 mặt phẳng phức 10 Hình 2.2: Trở kháng tải khi xem xét hệ số phản xạ 10 Hình 2.3 Họ đường tròn đẳng r 12 Hình 2.4 Họ đường đẳng x 13 Hình 2.5 Đồ thị smith 15 Hình 2.6. Đồ thị Smith hỗn hợp 19 Hình 2.7 : lấy đối xứng Γ qua gốc tọa độ 19 Hình 2.8 Mạch điện minh họa ví dụ trên 25 Hình 2.9 Đồ thị Smith minh họa ví dụ trên. 26 Hình 3.1: Mạng phối hợp hình L(a) Mạng được dùng khi z L nằm trong vòng tròn 1+ jx (b) Mạng được dùng khi z L nằm ngoài vòng tròn 1 + jx 27 Hình 3.2: Lời giải cho ví dụ trên. Đồ thị Smith cho các mạch phối hợp L 30 Hình 3.3 Hai khả năng cho mạch phối hợp L 30 Hình 4.1: Dạng hình học và mặt cắt ngang đường truyền vi dải 32 Hình 4.2: Các đường sức từ trường và điện trường 32 Hình 4.3. Ví dụ về phối hợp trở kháng cho ngỏ vào khi sử dụng đường truyền vi dải 34 Hình 4.4 Ví dụ về phối hợp trở kháng cho ngỏ ra khi sử dụng đường truyền vi dải 35 Hình 4.6 Mạch khuếch đại thực hiện phối hợp trở kháng ví dụ ở trên. 35 Hình 4.7 Mạch khuếch đại đả phối hợp trở kháng 36 Hình 5.1 (a) mô tả việc phân loại các mạch khuếch đại công suất. 38 Hình 5.1 (b) mô tả việc phân loại các mạch khuếch đại công suất. 38 Hình 5.2 39 Hình 5.3 Tín hiệu nhỏ 40 Hình 5.4. Tín hiệu lớn 40 Hình 5.5 Mô tả mạch khuếch đại công suất loại B 42 43 44 v - 0 C 44 -31122 45 -31122 45 48 48 49 49 50 -31122 50 ALM-31122 51 -31122 51 -31122 52 -21122 52 C 53 54 -31122 trong datasheet 54 54 LỜI NÓI ĐẦU SVTH: HỒ ĐÌNH ĐÔNG LỚP: D10CQVT01-N 1 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, mạng viễn thông Việt Nam đả đưa vào sử dụng các thiết bị vi ba số hiện đại, dung lượng cao. Việc khảo sát nghiên cứu nguyên lý hoạt động của thiết bị vi ba là cơ sở ban đầu để kiểm chứng kiến thức đả được học, thấy được sự ứng dụng từ lý thuyết tới thực tế củng như là nên tảng để tìm hiểu không chỉ các hệ thống vô tuyến khác đang phổ biến như thông tin di động và thông tin vệ tinh…. Được sự phân công của nhà trương, trong thời gian qua em đả thiết kế và thi công phần cứng cho đề tài “thiết kế và thi công bộ khuếch đại công suất cao tần” với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Tấn Nhân. Nội dung đề tài gồ chương có thể chia như sau. năm chương đầu nói về cơ sở lý thuyết vi ba số, lý thuyết về các khối trong một hệ thống vi ba số, lý thuyết về mạng phối hợp trở kháng, lý thuyết về mạch khuếch đại và các cơ sở lý thuyết mạch bổ sung để làm nền tảng cho việc xây dựng. Chương cuối là phần thiết kế mạch khếch đại công suất. SVTH: HỒ ĐÌNH ĐÔNG LỚP: D10CQVT01-N 2 Chƣơng 1: 1.1 Tổng quan Hình 1.1 thể hiện các phần tử cơ bản của hệ thống thu phát vô tuyến. mổi phần có một vai trò quan trọng nhất định. Hình 1.1 : Các phần tử cơ bản trong thu phát vô tuyến 1.1.1 Phía phát • Khối KĐ và giao diện đường số có các chức năng sau: √ Phối kháng với đường số √ Khuyếch đại và cân bằng cáp đường truyền số √ Biến đổi mã đường vào mã máy √ Tái sinh tín hiệu số √ Khôi phục xung đồng hồ • Khối xử lý số băng gốc phát: √ Ghép thêm các thông tin điều khiển và quản lý đường truyền √ Mật mâ hoá các thông tin quan trọng √ Mã hoá kênh chống lỗi √ Ngẫu nhiên hoá tín hiệu số trước khi đưa lên điều chế • Khối điều chế và biến đổi nâng tần: SVTH: HỒ ĐÌNH ĐÔNG LỚP: D10CQVT01-N 3 √ Điều chế sóng mang bằng tín hiệu số để chuyển đổi tín hiệu số này vào vùng tần số cao thuận tiện cho việc truyền dẫn √ Đối với các máy phát đổi tần với điều chế thực hiện ở trung tần khối biến đổi nâng tần cho phép chuyển tín hiệu trung tần phát vào tần số vô tuyền trước khi phát. • Khối khuyếch đại công suất: √ Khuyếch đại công suất phát đến mức cần thiết trước khi đưa phát vào không trung. 1.1.2. Phía thu: • Khuyếch đại tạp âm nhỏ: √ Khuyếch đại tín hiệu thu yếu trong khi khuyếch đại rất ít tạp âm • Biến đổi hạ tần, khuyếch đại trung tần và giải điều chế : √ Đối với máy thu đổi tần trước khi giải điều chế tín hiệu thu được biến đổi vào trung tần thu nhờ khối biến đổi hạ tần. Trong quá trình biến đổi hạ tần do suất hiện tần số ảnh gương nên khối biến đổi hạ tần thường làm thêm nhiệm vụ triệt tần số ảnh gương. √ Đối với các máy thu đổi tần sau biến đổi hạ tần là khuyếch đại trung tần. Nhiệm vụ của khối chức năng này là khuyếch đại, lọc nhiễu kênh lân cận và cân bằng thích ứng ở vùng tần số cũng như cân bằng trễ nhóm ở các phần tử của kênh truyền dẫn . √ Giải điều chế tín hiệu thu để phục hồi tín hiệu số • Xử lý số băng tần gốc thu: Thực hiện các chức năng ngược với khối xử lý số băng gốc phát như: √ Giải ghép xen √ Giải mã kênh √ Giải ngẫu nhiên √ Phân luồng cho luồng số chính và luổng số điều khiển quản lý đường truyền √ Cân bằng thích ứng ở vùng thời gian để giảm thiểu ảnh hưởng của fallding • Khuyếch đại và giao điện đường số: √ Khuyếch tín hiệu số đến mức cần thiết trước khi đưa ra ngoài máy √ Biến đổi mã máy vào mã đường √ Phối kháng với đường số SVTH: HỒ ĐÌNH ĐÔNG LỚP: D10CQVT01-N 4 1.2 Phổ tần sóng điện từ: Tần số Bước sóng Dãi tần 3Hz – 30KHz 10 8 - 10 4 Very low frequency (VLF) 30 – 300 KHz 10 4 – 10 3 Low frequency (LF) 300KHz – 3MHz 10 3 – 10 2 Medium frequency (MF) 3 – 30 MHz 10 2 - 10 High frequency (HF) 30 – 300 MHz 10 - 1 Very high frequency (VHF) 300MHz – 3GHz 1 - 10 -1 Utrahigh frequency (UHF) 3 – 30 GHz 10 -1 – 10 -2 Superhigh frequency (SHF) 30 – 300 GHz 10 -2 – 10 -3 Extremely high frequency (EHF) 103 – 106 GHz 3.10 -4 – 3.10 -7 Infrared, visible light, ultra violet Bộ khuếch đại đang thi công có tần số 900 MHz nên nằm trong dãi tần UHF. 1.3 Các tham số hệ thống: 1.3.1 Máy phát Một máy phát nói chung gồm một bộ dao động, một bộ điều chế, một bộ nâng tần, các bộ lọc và bộ khuếch đại công suất. máy phát đơn giản chỉ có một bộ giao động và nếu phức tạp, máy phát có thể bao gồm một bộ giao động khóa pha hay bộ tổng hợp tần số và các thành phần như trên. Hình 1.2 chỉ sơ đồ khối máy phát điển hình. Thông tin sẻ điều chế dao dộng thông qua phương thức điều chế AM, FM, PM hay điều chế số. khuếch đại công suất tăng công suất phát trước khi phát đi bởi anten. Để có nhiểu pha thấp, bộ dao động có thể được khóa pha với dao dộng thạch anh tần số thấp. bộ giao động củng có thể được thay thế bởi bộ tổng hợp tần số từ nguồn dao động thạch anh ổn định cao. Một số đặc tính máy phát cần quan tâm là: - Công suất ngỏ ra và tần số hoạt động: mức công suất RF ngỏ ra bởi máy phát tại một tần só xác định hay một dải tần. - Hiệu suất: hiệu suất chuyển đổi DC-to-RF của máy phát. Hiệu suất này được xác định bằng 100% RF dc P P đối với mạch khếch đại công suất lớn, hiệu suất công suất SVTH: HỒ ĐÌNH ĐÔNG LỚP: D10CQVT01-N 5 được thêm vào (PAE) được xác định bằng 100% out in dc PP P Với out P và in P lần lượt là công suất RF ra vào tương ứng. - Sự biến đổi công suất ngỏ ra: sự biến đổi công suất ngỏ ra đối với dải tấn hoạt động - Dải tần hoạt động: dải tần này phụ thuộc vào linh kiện và mạch. - Độ ổn định tần số: khả năng của bộ dao động ( máy phát) trở về hoạt động tại điểm làm việc ban đầu sau khi chịu tác dụng của nhiểu từ hay nhiều điện. - Nhiểu : nhiểu AM, FM, hay nhiểu pha. Nhiểu AM là sự biến đổi biên độ không mong muốn của tín hiệu ngỏ ra. Nhiểu FM là sự biến đổi tần số không mong muốn, còn nhiểu pha là sự biến đổi về pha không mong muốn. - Tỉ số công suất kênh lân cận: đánh giá theo méo IMD của bộ khếch đại công suất được thiết kế cho hệ thống thông tin vô tuyến số. 1.3.1a Công suất máy phát Công suất máy phát là một trong nhửng chỉ tiêu để thiết kế hệ thống, với yêu cầu công suất ra và hiệu suất máy phát cực đại do đó mạch khuếch đại công suất được thiết kế và hoạt động tại vùn nén hoặc vùng bảo hòa nhằm tăng dải động mạch và tỉ số tín hiệu trên nhiểu của máy thu. Tuy nhiên các vùng này là các vùng phi tuyến nên sinh ra sái dạng như sái dạng AM sang AM và AM sang PM. Việc thiết kế các mạch khuếch đại công suất tuyến tính thường được chọn tại điểm nén 1dB, đây là giải pháp thỏa hiệp giửa yêu cầu công suất, hiệu suất tối đa và sái dạng tối thiểu. và với các linh kiện công suất siêu cao tần dải tần 2GHz hiện nay, công suất tại điểm nsn 1dB tối ưu đạt các chỉ tiêu kỹ thuật củng như kinh tế trong thiết kế hệ thong nằm trong khoảng +30 dBm đến +40dBm. 1.3.1b Nhiễu máy phát: Khi bộ dao động là một thiết bị không tuyến tính, điện áp và dòng điện nhiểu được tạo ra. Nhiễu được chia làm 3 loại: nhiểu AM, FM và nhiểu pha. Nhiểu AM gây ra sự biến đổi biên độ của tín hiệu ngõ ra. Nhiểu FM được chỉ định bằng độ trải rộng của phổ tần số. Thông thường người ta đánh giá nhiểu bằng tỉ số: ()fm = Thông số trên chính là sự phác biệt về công suất giửa sóng mang tại tần số f 0 Và nhiểu tại f m . nó có đơn vị là dBc/Hz . dBc nghĩa là dB dưới công suất sóng mang. [...]... là công cụ được sử dụng rất nhiều trong phân tích và thi t kế các mạch siêu cao tần Ta có thể thực hiện nhiều phép tính toán trực tiếp trên đồ thị Smith, đơn giản chỉ bằng cách vẽ hình và đọc trị số mà không cần dùng các công cụ toán học khác Hiểu sâu sắc và vận dụng nhuần nhuyễn đồ thị Smith giúp người thi t kế nắm được bản chất của mạch siêu cao tần, đồng thời đoán trước được kết quả thi t kế và. .. Nhiễu này đại diện cho độ dịch pha hay độ ổn định của bộ giao động công suất bộ dao động không tập trung ở tại một tần số đơn mà phân bố xung quanh tần số đó 1.3.1c Tỉ số công suất kênh lân cận: Sự phát triển nhanh chóng của thông tin vô tuyến số yêu cầu máy phát rẻ hơn và vẩn tối ưu về công suất ngỏ ra, PAE, và độ tuyến tính ACPR được dùng như một hình có giá trị để đánh giá bộ khuếch đại công suất về... hợp trở kháng: - Công suất tối đa được phát đi khi tải được phối hợp với đường truyền (giả thi t là nguồn được phối hợp), và tổn hao công suất trên đường cấp (feed line) được giảm tối đa - Phối hợp trở kháng các phần tử nhạy cảm của máy thu (như anten, bộ khuếch đại nhiễu thấp vv ) cải thi n tỷ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống - Phối hợp trở kháng trong một mạng phân phối công suất (như mạng cấp... giá bộ khuếch đại công suất về tính tuyến tính của chúng: ACPR = Và củng được đo bằng dBc 1.3.2 Máy thu: Máy thu được dùng để xử lý tín hiệu vào thành thông tin có ích với độ méo nhỏ nhất sự thực thi này của máy thu phụ thuộc vào việc thi t kế hệ thống, thi t kế mạch và môi trường làm việc mức méo hay nhiểu có thể chấp nhận được phụ thuộc vào từng ứng dụng Các tham số của máy thu bao gồm: - Độ nhạy: độ... Bụng sóng và nút sóng trên đồ thị Smith: 2.6 Ứng dụng cơ bản của đồ thị Smith Đồ thị Smith là một công cụ hỗ trợ đắc lực cho việc thi t kế, tính toán và phân tích mạch điện siêu cao tần Trong phần này chúng ta sẽ xét một vài ứng dụng cơ bản của đồ thị Smith, qua đó sẽ cho thấy mọi việc tính toán dựa trên các công thức đều được thay thế bằng động tác vẽ và đo trực tiếp trên đồ thị Smith đem lại kết quả... phòng Lab Bell, để đơn giản việc tính toán, giải các hệ phương trình dài dòng và phức tạp trong kỹ thuật siêu cao tần mặc dù kết quả chưa được chính xác cao nhưng phép giải bằng đồ thị Smith có thể nói là công cụ khá quan trọng với người thi t kế mạch siêu cao tần Đồ thị Smith được xây dựng trên mối quan hệ giửa hệ số phản xạ ( x) và trở kháng đường dây Z(x) tại một điểm x bất kỳ trên đường dây truyền sóng... hiệu LO có thể rò rỉ qua bộ trộn đến anten và bức xạ ngoài Sự bức xạ này hay ra sự giao thoa và cần phải tuân theo quy định FCC 1.3.2a Hệ số nhiễu máy thu: Hệ số nhiểu là một tham số để đánh giá mức độ nhiễu mà một linh kiện hay một hệ thống có Hệ số nhiễu của một hệ thống phụ thuộc vào nhiều yếu tố như suy hao trong mạch Loại thi t bị, loại thi t bị, loại phân cực và việc khuếch đại SVTH: HỒ ĐÌNH ĐÔNG... Trong một bộ trộn, một bộ khếch đại hay một máy thu, việc hoạt động thường được thực hiện trong vùng mà công suất ngỏ ta tuyến tính với công suất ngỏ vào Miền này gọi là dải rộng Dr như hình bên dưới nếu tín hiệu vào vượt quá dải rộng này thì nhiều trội hơn Dãi rộng được xác định là khoảng giửa điểm nén 1dB và mức tín hiệu có thể tách được nhỏ nhất MDS Trong một hệ thống chúng ta cần một dãi rộng cao để... giảm các lỗi về biên độ và pha Các yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn một mạng phối hợp đặc biệt bao gồm: - Độ phức tạp - Cũng như phần lớn các giải pháp kỹ thuật, thi t kế đơn giản nhất thỏa mãn các yêu cầu về đặc tính kỹ thuật luôn là giải pháp ưa chuộng nhất Một mạng phối hợp đơn giản hơn thường rẻ hơn, độ tin cậy cao hơn và ít tổn hao hơn một thi t kế phức tạp - Độ rộng băng tần - Bất cứ một loại... lợi là G và mức nhiểu đầu vào là Ni = kTB thì F G0 GkTB 0 K) Với hệ thống nhiều tầng ta có công thức sau: F F1 F2 F1 G1 F3 F1 Fn F1 G1 G2 G1 G2 Gn Như vậy nếu hệ thống gồm nhiều tầng khếch đại thì hệ số nhiễu của hệ thống sẽ do tầng đầu tiên quyết định Nhiệt độ nhiễu tương đương: Nhiệt độ nhiễu tương đương của hệ thống được xác định: Te = (F – 1).T0 Với T0 = 290 0K 1.3.2b Dãi rộng, điểm nén 1dB và tín . di động và thông tin vệ tinh…. Được sự phân công của nhà trương, trong thời gian qua em đả thi t kế và thi công phần cứng cho đề tài thi t kế và thi công bộ khuếch đại công suất cao tần với. Công suất máy phát Công suất máy phát là một trong nhửng chỉ tiêu để thi t kế hệ thống, với yêu cầu công suất ra và hiệu suất máy phát cực đại do đó mạch khuếch đại công suất được thi t kế. bộ nâng tần, các bộ lọc và bộ khuếch đại công suất. máy phát đơn giản chỉ có một bộ giao động và nếu phức tạp, máy phát có thể bao gồm một bộ giao động khóa pha hay bộ tổng hợp tần số và các