Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tuyến thu cao tần băng s dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TẠ THỊ LOAN ANH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TUYẾN THU CAO TẦN BĂNG S DÙNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TẠ THỊ LOAN ANH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TUYẾN THU CAO TẦN BĂNG S DÙNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử, Truyền Thông Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG HÀ NỘI – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp công trình nghiên cứu thực cá nhân tôi, đƣợc thực dựa sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Bạch Gia Dƣơng Các số liệu, kết luận luận văn trung thực, dựa nghiên cứu mô hình, thành đạt đƣợc nƣớc giới trải nghiệm thân, chƣa đƣợc công bố dƣới hình thức trƣớc bảo vệ “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ kỹ thuật” Một lần xin khẳng định trung thực lời cam kết Hà Nội, ngày 27 tháng 04 năm 2015 Ngƣời cam đoan Tạ Thị Loan Anh LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bạch Gia Dƣơng tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn em suốt thời gian thực luận văn tốt nghiệp Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn đến anh chị trung tâm nghiên cứu điện tử viễn thông, khoa điện tử viễn thông, trƣờng đại học Công Nghệ giúp đỡ em trình thực luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng song thời gian có hạn vốn kiến thức hạn chế nên luận văn nhiều thiếu sót Vì vậy, em mong nhận đƣợc đóng góp bảo thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC TIÊU ĐỀ TÀI PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 10 Nghiên cứu lý thuyết 10 Thiết kế hệ thống 10 KẾT CẤU LUẬN VĂN Error! Bookmark not defined CHƢƠNG Error! Bookmark not defined TỔNG QUAN VỀ TUYẾN THU TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Error! Bookmark not defined 1.1 Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA[1] Error! Bookmark not defined 1.2 Bộ tạo dao động siêu cao tần[1] Error! Bookmark not defined 1.2.1 Bộ tạo dao động dùng transistor Error! Bookmark not defined 1.2.2 Bộ tạo dao động dùng khung cộng hƣởng điện môi Error! Bookmark not defined 1.3 Bộ trộn tần số Error! Bookmark not defined CHƢƠNG Error! Bookmark not defined LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN Error! Bookmark not defined 2.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế mạch siêu cao tần Error! Bookmark not defined 2.1.1 Các loại đƣờng truyền Error! Bookmark not defined 2.1.2 Phƣơng trình đƣờng truyền Error! Bookmark not defined 2.1.3 Hệ số phản xạ Error! Bookmark not defined 2.1.4 Hệ số sóng đứng Error! Bookmark not defined 2.1.5 Giản đồ Smith Error! Bookmark not defined 2.2 Tham số S[6] Error! Bookmark not defined 2.2.1 Công suất đƣa tải Error! Bookmark not defined 2.2.2 Các khái niệm Error! Bookmark not defined 2.2.3 Xác định tham số S Error! Bookmark not defined 2.2.4 Đo hệ số truyền Error! Bookmark not defined 2.2.5 Xác dịnh hệ số phản xạ Error! Bookmark not defined 2.3 Phối hợp trở kháng[1] Error! Bookmark not defined 2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung Error! Bookmark not defined 2.3.2 Phối hợp trở kháng dải hẹp đoạn dây dẫn sóng mắc liên tiếp Error! Bookmark not defined 2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm Error! Bookmark not defined CHƢƠNG Error! Bookmark not defined THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠOTUYẾN THU CAO TẦN BĂNG S Error! Bookmark not defined 3.1 Thiết kế, mô chế tạo khuếch đại tạp âm thấp Error! Bookmark not defined 3.2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý tạo dao động Error! Bookmark not defined 3.3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý trộn cao tần Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADS: Advanced Design System LNA : Low Noise Amplifier BJT : Bipolar junction transistor RF: Radio Frequency dB: Decibel LO: Local Oscillator dBm: Decibel relative to milliwatt UHF: Ultra High Frequency DC: Direct Current VCO: Voltage Controlled Oscillator FET : Field effect transistor VSWR: Voltage standing wave ratio FM : Frequency modulation VHF: Very High Frequency GHz: Gigahertz HF: High Frequency Hz: Hertz SHF: Supper High Frequency IF: Intermediate frequency EHF: Extra High Frequency DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình 1.1 Mô hình hệ thống truyền thông tin vô tuyến Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát tuyến thu tín hiệu Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống thu Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Sơ đồ khối tuyến thu siêu cao tần với tổ hợp tần số Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Tạp âm mạng hai cửa Error! Bookmark not defined Hình 1.6 Mạch LNA dải hẹp phân áp dùng cầu điện trở Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý dao động cửa Error! Bookmark not defined Hình 1.8 Sơ đồ khối dao động hai cửa transistor Error! Bookmark not defined Hình 1.9 (a) Mạch dao động dùng hốc cộng hƣởng điện môi;Error! Bookmark not defined Hình 1.10 (a) Mạch dao động dùng phản hồi song song Error! Bookmark not defined Hình 1.11 Mạng ba cửa Error! Bookmark not defined Hình 1.12 Các thành phần tần số trộn tần tín hiệu tƣơng tự Error! Bookmark not defined Hình 1.13 Bộ đảo tần lên lý tƣởng Error! Bookmark not defined Hình 1.14 Bộ đảo tần xuống lý tƣởng Error! Bookmark not defined Hình 1.15 Mạch trộn tần dùng transistor trƣờng Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Bƣớc sóng (m) Phổ tần số sóng điện từ Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Các dạng đƣờng truyền sóng Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Biểu diễn đƣờng truyền sóng mạch tƣơng đƣơng đoạn đƣờng truyền sóng siêu cao tần Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Giản đồ Smith chuẩn Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Sơ đồ đo Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Sơ đồ xác định Sij Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Sơ đồ xác định Sii Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Sơ đồ phối hợp trở kháng Error! Bookmark not defined Hình 2.9 Mạch phối hợp trở kháng hình L Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Phối hợp trở kháng đoạn dây λ\4 Error! Bookmark not defined Hình 2.11 Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài Error! Bookmark not defined Hình 2.12 Phối hợp trở kháng hai đoạn dây nối tiếp Error! Bookmark not defined Hình 2.13 Phối hợp trở kháng đoạn dây chêm đơn Error! Bookmark not defined Hình 2.14 Phối hợp trở kháng dây chêm đôi Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Sơ đồ khuếch đại mạng hai cửa[7] Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Cấu trúc chân chức FET SPF 2086TK Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Hệ số khuếch đại theo tần số FET SPF 2086TK Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý nhánh lối vào LNA Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Kết mô nhánh lối vào LNA Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Mô hệ số sóng đứng nhánh lối vào Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý nhánh lối LNA Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Kết mô nhánh lối LNA Error! Bookmark not defined Hình 3.9 Mô hệ số sóng đứng nhánh lối Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Layout mạch khuếch đại Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Mạch LNA thực tế dùng FET SPF 2086TK Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Sơ đồ mắc mạch LNA với nguồn đo tham số Error! Bookmark not defined Hình 3.13 Tham số S11 tần số 2.45 GHz (SPF 2086TK) Error! Bookmark not defined Hình 3.14 Tham số S21 tần số 2.45 GHz (SPF 2086TK) Error! Bookmark not defined Hình 3.15 Sơ đồ thiết kế LNA sử dụng FET SPF 3043 Error! Bookmark not defined Hình 3.16 Kết mô tham số S21 S11 Error! Bookmark not defined Hình 3.17 Kết mô hệ số sóng đứng vswr (S11) Error! Bookmark not defined Hình 3.18 Mạch thực tế LNA dùng SPF 3043 Error! Bookmark not defined Hình 3.19 Tham số S21 tần số 2.45 GHz (SPF 3043) Error! Bookmark not defined Hình 3.20 Tham số S11 tần số 2.45 GHz (SPF 3043) Error! Bookmark not defined Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý tạo dao động dùng SPF 3043 Error! Bookmark not defined Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý trộn cao tần sử dụng SPF 3043 Error! Bookmark not defined LỜI MỞ ĐẦU  LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Theo thời gian phƣơng thức thông tin liên lạc đƣợc cải tiến hơn, từ sử dụng khói lửa, chim bồ câu đƣa thƣ máy vi tính để đạt hiệu cao giao tiếp Xã hội phát triển nhu cầu trao đổi thông tin ngày tăng Việc dùng sóng ngắn để truyền thông tin phát triển từ kỷ 20 nhằm đáp ứng nhu cầu tƣơng tác ngƣời với ngƣời thiết bị với khoảng cách xa mà không cần dây nối Ngày thông tin vô tuyến dùng sóng ngắn hữu dụng, chế truyền lan sóng vô tuyến khí Trái đất giúp tầm liên lạc đạt xa Thông tin vô tuyến có nhiều ứng dụng cho phát thanh, thông tin liên lạc tầm xa với tàu biển, máy bay hay giúp khu vực hiểm trở nhƣ vùng núi, hải đảo tiếp cận dịch vụ thông tin không dây hay vô tuyến khác Đặc biệt, thông tin vô tuyến mặt đất dải băng tần S từ - GHz có nhu cầu sử dụng lớn với nhiều ứng dụng nhƣ radar thời tiết, radar tàu biển, thông tin vệ tinh (phát số vệ tinh, phát quảng bá di động đa phƣơng tiện, giáo dục từ xa), thiết bị phổ (điện thoại di động, tai nghe không dây, bluetooth),… Nhận thấy tính hữu dụng cần thiết thông tin vô tuyến dải băng tần S, luận văn tập trung vào thực đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tuyến thu cao tần băng S dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến”  MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Trong chiến thứ II radar đƣợc sử dụng chủ yếu quân Nhƣng sau radar đƣợc cải thiện nhiều để sử dụng nhiều lĩnh vực khác nhƣ: kiểm soát không lƣu, theo dõi thời tiết, thuật đo kiểm soát tốc độ đƣờng 10 Không công cụ độc quyền riêng quân đội, radar thâm nhập vào sống đại radar hệ nhỏ hơn, rẻ hơn, dễ sản xuất mạnh Sóng radar ngắn cần nguồn lƣơng cao định hƣớng, chúng dễ bị hấp thụ vật thể nhỏ Vì luận văn tập trung vào định hƣớng nghiên cứu tuyến thu cao tần băng S cho thông tin vô tuyến, cụ thể tần số 2.45 GHz có nhiều ứng dụng cho radar  PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong thực đề tài, phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng:  Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: phân tích, tổng hợp lý thuyết, đồng thời xử lý tài liệu liên quan thiết kế mạch điện siêu cao tần, nghiên cứu phần mềm mô mạch siêu cao tần ADS 2009  Phƣơng pháp mô phỏng: quan sát khoa học nhằm hiểu rõ tuyến thu siêu cao tần, từ thiết kế khuếch đại tạp âm thấp, dao động chỗ trộn cao tần với thông số phù hợp phần mềm ADS 2009  Phƣơng pháp chế tạo: dựa kiến thức lý thuyết, mô thực tế để gia công mạch khuếch đại tạp âm thấp, dao động chỗ trộn cao tần  NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu tuyến thu thông tin vô tuyến - Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng - Nghiên cứu phần mềm mô ADS 2009 transitor SPF 3043 SPF 2086  Thiết kế hệ thống - Thiết kế mô mạch mở rộng dải thông - Thiết kế layout cho mạch khuếch đại tạp âm thấp, dao động chỗ trộn 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Bạch Gia Dƣơng (2013), Trƣơng Vũ Bằng Giang, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB ĐHQGHN Nguyễn Kim Giao (2006), Kỹ thuật diện tử số, NXB ĐHQGHN Trần Văn Khẩn, Đỗ Quốc Trinh, Đinh Thế Cƣờng (2006), Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến, Học viện kỹ thuật quân PGS.TS Trần Quang Vinh – Ths Chử Văn An (2005), Nguyên lý kỹ thuật điện tử, NXB giáo dục, Hà Nội Tài liệu tiếng Anh W Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc David M.Pozar (2005), Microwave engineering, John Wiley & Sons, Inc Guillermo Gonzalez, Microwave transistor amplifiers, Upper Saddle River, New Jersey 07457 Trần Văn Hội, Bạch Gia Dƣơng (2013), “Study and design of wide band low noise amplifier operating at C band”, VNU Journal of Mathematics – Physics, Vol 29, (No 2), pp16-24 12 13