Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tần ở băng x

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN MINH NGỌC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP TÍN HIỆU SIÊU CAO TẦN BĂNG X LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN MINH NGỌC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP TÍN HIỆU SIÊU CAO TẦN BĂNG X Ngành: Công nghệ điện tử viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BẠCH GIA DƢƠNG Hà Nội – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp công trình nghiên cứu cá nhân tôi, thực dựa sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế hướng dẫn PGS.TS Bạch Gia Dương Các số liệu, kết luận luận văn trung thực, dựa nghiên cứu mô hình, kết đạt nước giới trải nghiệm thân, chưa công bố hình thức trước trình bày bảo vệ trước “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật” Một lần xin khẳng định trung thực lời cam kết Hà nội, Ngày tháng năm 2015 Người cam đoan Trần Minh Ngọc LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho phép em gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Bạch Gia Dương Thầy người theo sát em trình làm luận văn, Thầy tận tình bảo, đưa vấn đề cốt lõi giúp em củng cố lại kiến thức có định hướng đắn để hoàn thành luận văn Tiếp đến, em xin gởi lời cảm ơn đến tất quý Thầy Cô giảng dạy trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội giúp em có kiến thức để thực luận văn Kính chúc Thầy Cô dồi sức khoẻ, thành đạt, ngày thành công nghiệp trồng người Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, anh chị, bạn bè quan tâm, động viên giúp đỡ em thời gian thực luận văn tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội Trần Minh Ngọc MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu .7 Nội dung nghiên cứu 4.1 Nghiên cứu lý thuyết 4.2 Thiết kế khuếch đại tạp âm thấp .8 Kết cấu luận văn .8 CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP X 1.1 Khái niệm khuếch đại tạp âm thấp LNA 1.2 Vị trí khuếch đại tạp âm thấp LNA .9 1.3 Lý thuyết tạp âm mạng hai cửa 10 1.4 Hệ số tạp âm .10 1.5 Dẫn nạp nguồn vào lí tƣởng Error! Bookmark not defined 1.6 Hạn chế phƣơng pháp tối ƣu hóa tạp âm thông thƣờng Error! Bookmark not defined 1.7 Hệ số tạp nhiệt độ Error! Bookmark not defined 1.8 Xây dựng mô hình mạng hai cực Error! Bookmark not defined 1.9 Bộ LNA dải hẹp Error! Bookmark not defined 1.9.1 Suy hao điện cảm emitter Error! Bookmark not defined 1.9.2 Tải collector Error! Bookmark not defined 1.9.3 Phân cực Error! Bookmark not defined 1.10 Các thông số quan trọng mạch khuếch đại LNA Error! Bookmark not defined 1.10.1 Hệ số tạp âm Noise Figure Error! Bookmark not defined a) Tạp âm nhiệt (Thermal Noise) Error! Bookmark not defined b) Shot Noise (Shottky Noise) Error! Bookmark not defined c) Flicker Noise (1/f Noise) Error! Bookmark not defined d) Hệ số tạp âm Noise Figure (NF) Error! Bookmark not defined 1.10.2 Hệ số khuếch đại Error! Bookmark not defined 1.10.3 Tính ổn định hệ thống Error! Bookmark not defined 6 1.10.4 Độ tuyến tính Error! Bookmark not defined CHƢƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP 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[5] David M Pozar (1994), “Microwave Engineering” 3rd Edition 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 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 2.3.2.1 Phối hợp trở kháng đoạn dây phần tƣ bƣớc sóng Error! Bookmark not defined 2.3.2.2 Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài Error! Bookmark not defined 2.3.2.3 Phối hợp trở kháng hai đoạn dây mắc nối tiếp Error! Bookmark not defined 2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm Error! Bookmark not defined CHƢƠNG III – MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI MẠCH Error! Bookmark not defined 3.1 Lựa chọn phần mềm mô linh kiện Error! Bookmark not defined 3.1.1 Lựa chọn chƣơng trình mô Error! Bookmark not defined 3.1.2 Lựa chọn tranzitor hỗ trợ thiết kế Error! Bookmark not defined 3.2 Thiết kế mô mạch khuếch đại Error! Bookmark not defined 3.2.1 Phƣơng pháp phối hợp trở kháng Error! Bookmark not defined 3.2.2 Tính toán mô thiết kế Error! Bookmark not defined 3.2.2.1 Phối hợp trở kháng cho lối vào Zin Error! Bookmark not defined 3.2.2.2 Phối hợp trở kháng cho lối Zout Error! Bookmark not defined 3.2.2.3 Phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại Error! Bookmark not defined 3.3 Chế tạo đo đạc mạch khuếch đại Error! Bookmark not defined 7 3.4 Hạn chế đo đạc mạch thực tế Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO .11 LỜI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, băng tần X có nhiều ứng dụng radar cảnh giới biển hệ thống thông tin vô tuyến với ứng dụng thực tiễn theo dõi thời tiết, kiểm soát không lưu, kiểm soát giao thông hàng hải, radar bám mục tiêu cho quốc phòng đo tốc độ phương tiện cho cảnh sát Các thu radar đòi hỏi ngày nhỏ gọn, tiếp nhận thông tin nhanh xác Vì vậy, yêu cầu phần cứng cho thiết bị ngày gắt gao Đóng vai trò tiếp nhận thông tin, thiết bị radar thu phát sóng Tín hiệu thu phải tín hiệu vô tuyến, biên độ tín hiệu thu thường nhỏ, môi trường đầy tạp âm, sóng nhiễu Chính điều dẫn đến việc phát triển Khuếch đại tạp âm thấp (LNA – Low Noise Amplifier), với yêu cầu ngày nhỏ gọn, hệ số khuếch đại cao cần thiết Bài toán thiết kế, ứng dụng Bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần X trở nên cấp thiết có ý nghĩa quan trọng Chính vậy, luận văn “Nghiên cứu thiết kế chế tạo khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tầnbăng X” trình bày cố gắng làm rõ nguyên lý thiết kế, tìm hiểu mô phỏng, cách thức thi công mạch cứng LNA băng X Mục tiêu đề tài Đề tài luận văn “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tần băng X ” có hai mục tiêu lý thuyết thực tiễn: - Về lý thuyết: + Trình bày tổng quan khuếch đại tạp âm thấp; + Trình bày sở lý thuyết thiết kế khuếch đại tạp âm thấp - Về thực tiễn: + Mô thiết kế đo đạc thông số khuếch đại tạp âm thấp hoạt động băng tần X dùng phần mềm ADS 2009; + Thực thi chế tạo,đo đạc sản phẩm thực tế mạch khuếch đại tạp âm thấp Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực chuyên đề trên, phương pháp nghiên cứu sử dụng gồm: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết; cập nhật xử lý tài liệu liên quan thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp; nghiên cứu phần mềm mô mạch siêu cao tần ADS 2009; - Phương pháp mô phỏng: Trên sở thiết kế có thực mô phần mềm chuyên dụng ADS, sau đạt tiêu kỹ thuật tiến hành chế tạo sản phẩm thực tế mạch khuếch đại tạp âm thấp băng X; - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Sử dụng phương pháp quan sát khoa học để tìm hiểu mạch khuếch đại tạp âm thấp có sở thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp băng X với thông số Gain, NF, phối hợp trở kháng tốt Nội dung nghiên cứu 4.1 Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu tổng quan khuếch đại tạp âm thấp; - Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng kỹ thuật siêu cao tần - Nghiên cứu phần mềm mô ADS tranzitor SPF 3043 4.2 Thiết kế khuếch đại tạp âm thấp - Thiết kế mô mạch khuếch đại tạp âm thấp băng X - Thiết kế layout cho mạch khuếch đại - Lắp ráp đo thử nghiệm máy VECTOR NETWORK ANALYZER Kết cấu luận văn Nội dung luận văn bao gồm ba chương: Chương 1: Tổng quan khuếch đại tạp âm thấp X Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế khuếch đại tạp âm thấp Chương 3: Mô thực thi mạch 10 CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP X 1.1 Khái niệm khuếch đại tạp âm thấp LNA LNA chữ viết tắt Low Noise Amplifier, khuếch đại tạp âm thấp - Biên độ tín hiệu phát vô tuyến đến phía đầu thu nhận thường nhỏ Chính cần có khuếch đại tạp âm thấp để nhằm thu tín hiệu nhỏ xác - Các mạch cao tần phi tuyến, nhạy cảm với nhiệt Chính tạp âm ảnh hưởng nhiều trình thu khôi phục lại tín hiệu liệu, - Việc khuếch đại thông thường giúp khuếch đại công suất tín hiệu, đồng thời khuếch đại tạp âm Chính vậy, LNA dùng để khuếch đại tín hiệu cần thiết để đạt độ lợi Gain (G) tốt nhất, đồng thời hạn chế tối đa khuếch đại Tạp âm (Noise) 1.2 Vị trí khuếch đại tạp âm thấp LNA Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA cần thiết hệ thống thông tin di động đặc biệt phận thu (Receiver) Vị trí LNA đặt gần anten thu tốt, đó, tín hiệu vô tuyến thu từ anten – tín hiệu yếu (về công suất) – khuếch đại thông qua LNA Đồng thời, với thiết kế đặc biệt, LNA khuếch đại công suất tín hiệu với mức tạp âm tối ưu Lúc hệ số tạp âm Noise Figure (NF) thấp Từ đây, dựa vào công thức Friiss hệ số tạp âm NF toàn máy thu thấp nhất, ảnh hưởng nhiều từ tầng khuếch đại Hình 1.1 Sơ đồ khối phần thu phát tín hiệu vô tuyến 11 1.3 Lý thuyết tạp âm mạng hai cửa Mục trình bày thiết kế khái lược tạp âm mạng hai cửa Việc tập trung xây dựng mô hình hệ tạp âm loại giúp đơn giản hóa nhiều việc phân tích, qua giúp ta hiểu rõ ưu nhược điểm bên thiết kế Hình 1.2 Mô hình tạp âm hai cửa 1.4 Hệ số tạp âm Hệ số tạp âm đại lượng quan trọng việc xác định tạp âm hệ thống nói chung máy thu nói riêng, thường kí hiệu F Để định nghĩa hiểu rõ tầm quan trọng đại lượng này, ta xem xét mạng tạp âm cửa (tuyến tính) lối vào gồm có nguồn dẫn nạp Ys nguồn dòng tạp âm song song is Nếu quan tâm tới tạp âm lối vào lối ra, ta không cần thiết phân tích kỹ nguồn tạp âm gây bên mạng cửa Tuy nhiên, nguồn gây nhiễu biểu diễn đơn giản cặp nguồn nhiễu ngoài: Nguồn nguồn dòng Chính nhờ điều này, ta dễ dàng đánh giá ảnh hưởng dẫn nạp nguồn vào tới nhiễu hệ thống Kết là, xác định tiêu chuẩn thiết kế thỏa mãn hiệu nhiễu lí tưởng Hệ số tạp âm định nghĩa bởi: F ≡ (Tổng công suất tạp âm lối / Tạp âm lối gây nguồn tạp âm lối vào) (Nguồn thường đặt nhiệt độ phòng 290K) (1.1) Hệ số tạp âm dùng để đo suy giảm phẩm chất tỉ số tín/tạp hệ tỉ lệ thuận với độ suy giảm phẩm chất Nếu hệ thống (mạng cửa) thân không gây nhiễu, tổng công suất tạp âm lối phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn tạp âm lối vào đó, hệ số tạp âm Trong hình 1.2, tạp âm coi lối vào mạng cửa không gây nhiễu nên ta tính đươc giá trị hệ số tạp Để tính toán trực tiếp dựa phương trình (1.1), cần thực hai bước: Thứ đo tổng công suất tạp âm lối ra, sau bước thứ hai chia kết nhận cho công suất tạp âm gây nguồn lối vào Một phương pháp tương tự đơn giản đo dòng trung bình bình phương ngắn mạch nguồn nhiễu sau chia cho tổng dòng trung bình bình phương nguồn nhiễu gây lối vào Với số tỉ lệ,công suất gây nguồn thành phần tỷ lệ thuận với dòng trung bình bình phương ngắn mạch, mà phương pháp hoàn toàn tương đương 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bạch Gia Dương, Trường Vũ Bằng Giang, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB ĐHQGHN [2] Kiều Khắc Lâu, Cơ Sở Kỹ Thuật Siêu Cao Tần, NXB Giáo Dục Tiếng Anh [1] David M.Pozar, RFID AT ULTRAAND SUPER HIGHFREQUENCIES, Roderick Riesco, MA, Member of the Instituteof Translation and Interpre ting, UK [2] Merrill I.Skolnik, RADAR HANDBOOK, Mc Graw Hill [3] W Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc [4] David M Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc