Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat (luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat (luận văn thạc sĩ)

IH QU GI H N I TRƢ T - UYỄ ỨU T TẦ DÙ ẾT TR Ế Ứ ẾT Ù MÁY T U VỆ T TRUYỀ DẪ T Ô T BĂ VỆ T VINASAT UẬ VĂ T S i - 2016 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng MỞ ẦU ùng với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, thông tin vô tuyến vệ tinh đời phát triển nhằm mục đích cải thiện nhược điểm mạng vô tuyến mặt đất, đạt dung lượng cao hơn, băng tần rộng hơn, có ý nghĩa trị, kinh tế xã hội to lớn, đem lại dịch vụ thuận tiện với chi phí thấp Hiện Việt Nam ngành công nghệ vũ trụ đầu tư nghiên cứu, hướng mới, mở nhiều lợi ích to lớn cho đất nước Trong thông tin vệ tinh thu phát đóng vai trò quan trọng, phận ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu vệ tinh ể chế tạo máy thu vệ tinh phải trải qua nhiều khâu với nhiều modul khác cần nhiều thời gian, công sức Trong khuôn khổ luận văn này, với việc tìm hiểu lí thuyết máy thu tín hiệu vệ tinh, kĩ thuật siêu cao tần em sâu nghiên cứu thiết kế chế tạo module: Bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần Với tên đề tài: “ ghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần dùng truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat” Bằng lí thuyết thực nghiệm, Luận văn thực nội dung sau: Tìm hiểu tổng quan hệ thống thu phát thông tin vệ tinh Tìm hiểu kĩ thuật siêu cao tần Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo module khuếch đại tạp âm thấp băng iểm đề tài thể việc mạnh dạn nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch cao tần tần số siêu cao, dải tần siêu cao đòi hỏi kích thước mạch điện nhỏ, dẫn đến khó chế tạo xác Bên cạnh linh kiện kích thước lớn dẫn đến có nhiều điện dung kí sinh làm phối hợp trở kháng toàn mạch, việc chế tạo tần số cao vấn đề phức tạp Luận văn tạo tiền đề để nhóm nghiên cứu sâu lĩnh vực siêu cao tần thông tin vệ tinh tiến tới triển khai tích hợp mạch cao tần chip tương tự ây xu hướng mới, đảm bảo cho thu nhỏ gọn, tiêu tốn lượng, phù hợp với việc gắn vệ tinh Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng ƢƠ 1: TỔ QU VỀ ỆT Ố T U P ÁT T Ô T VỆ T 1.1 ôi nét lịch sử thông tin vệ tinh Vào cuối kỷ thứ 19 nhà khoa học người Nga Tsiolkovsky (1857 – 1935) đưa khái niệm tên lửa đẩy dùng nguyên liệu lỏng Ông đưa ý tưởng loại tên lửa đẩy nhiều tầng, tàu vũ trụ có người điều khiển dùng để thăm dò vũ trụ Lý thuyết tên lửa đẩy dùng nguyên liệu lỏng ông ông Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công vào năm 1926 Tháng năm 1945 rthur lark tác giả mô hình viễn tưởng thông tin toàn cầu đưa ý tưởng sử dụng hệ thống vệ tinh địa tĩnh dùng để phát quảng bá toàn giới Kỷ nguyên thông tin vệ tinh tháng 10/1957 Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo Sputnick-1 giới Những năm sau đánh dấu nhiều kiện như: năm 1958 điện phát qua vệ tinh S ORE, năm 1960 vệ tinh thông tin E HO với việc chuyển tiếp tín hiệu thụ động, năm 1962 có TELST R RELEY, năm 1963 có vệ tinh địa tĩnh Năm 1965, hệ thống thông tin vệ tinh thương mại giới INTELS T1 với tên gọi E RLY BIRD đời ũng năm đó, vệ tinh thông tin liên lạc Liên Xô có tên gọi MOLNY phóng lên quỹ đạo elip Từ đến đánh dấu Sự tiến vượt bậc công nghệ chế tạo vệ tinh, tên lửa đẩy công nghệ trạm mặt đất, thông tin vệ tinh dùng cho dịch vụ thông tin quốc tế, truyền hình mà dược dùng cho thông tin khí tượng, nghiên cứu vũ trụ, thăm dò trái đất, thông tin an toàn cứu nạn v.v Sau số mốc thời gian đánh dấu phát triển thông tin vệ tinh: 1945- rthur lark đề xuất sử dụng vệ tinh địa tĩnh dùng cho thông tin quảng bá 1957-Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo (Sputnik-1) 1964-Thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INT LS T 1965-Phóng vệ tinh INTELS T - (Early Bird) MOLNYA Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng 1971-Thành lập tổ chức INTERSPUTNI K gồm Liên xô, nước xã hội chủ nghĩa 1972-1976 anada, Mỹ, Liên Xô Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa 1979-Thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INM RS T 1984-Nhật Bản đưa vào sử dung hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh 1987-Thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh Thời kỳ từ 1999 đến đời ý tưởng hình thành hệ thống thông tin di động thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh ác hệ thống điển hình như: Global star, Iridium, Ico, Skybrigde, Teledesic Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm phần không gian (Space segment) phần mặt đất (Ground segment) Hình 1.1 Phần không gian phần mặt đất hệ thống thông tin vệ tinh Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Hình 1.2a Hình ảnh vệ tinh 1.2 Ở Việt am ầu năm 2008, Việt nam phóng vệ tinh Vinasat1 Hình 1.2b Ngày 16 tháng năm 2012 vệ tinh Vinasat2 phóng lên quỹ đạo Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng ùng với việc phóng vệ tinh Vinasat, tổ chức có nhu cầu thiết lập hàng loạt trạm mặt đất để triển khai hệ thống thông tin qua vệ tinh Do việc tìm hiểu đặc điểm hệ thống vệ tinh băng tần đem lại nhiều lợi ích phù hợp với tình hình phát triển công nghệ thông tin vệ tinh Việt nam ác vệ tinh hoạt động band band Ku, việc tập chung nghiên cứu khai thác sử dụng triệt để băng tần vấn đề quan trọng Do tín hiệu thu mặt đất từ vệ tinh bị suy hao lớn, mặt khác ảnh hưởng môi trường nên tín hiệu thu bị ảnh hưởng mạnh nhiễu ể giải vấn đề này, phát đáp vệ tinh phải có phẩm chất tốt, xác, kích thước khối lượng nhỏ sử dụng lượng Sóng vô tuyến thông tin liên lạc vệ tinh cần phải xuyên qua tầng điện li khí bao quanh trái đất, nên cần phải chọn tần số suy hao nhỏ khoảng “cửa sổ vô tuyến” từ 1GHz đến 30GHz băng tần sử dụng nhiều band band Ku Band : Từ 4-8GHz thường sử dụng dải tần 5.85-7.025GHz cho tuyến phát lên, dải tần 3.7- 4.2GHz cho tuyến phát xuống Band Ku: Từ 12.4 -18GHz thường sử dụng dải tần 12.75-13.25GHz 14-14.5 GHz cho tuyến phát lên, dải tần 10.7-11.7GHz cho tuyến phát xuống Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Hình 1.3 Vùng phủ vệ tinh Vinasat band C Hình 1.4 Vùng phủ vệ tinh VINASAT1 band Ku 1.3 ặc trƣng thông tin liên lạc qua vệ tinh Hệ thống liên lạc qua vệ tinh có ưu điểm chủ yếu sau Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng  Vùng phủ sóng rộng, quỹ đạo vệ tinh có độ cao lớn so với trái đất, vệ tinh nhìn thấy vùng rộng trái đất  Dung lượng thông tin lớn, sử dụng băng tần công tác rộng kĩ thuật đa truy nhập cho phép đạt dung lượng lớn thời gian ngắn mà loại hình thông tin khác có  ộ tin cậy chất lượng thông tin cao, liên lạc trực tiếp vệ tinh trạm mặt đất, xác suất hư hỏng tuyến liên lạc thấp ảnh hưởng nhiễu khí không đáng kể  Tính linh hoạt cao, hệ thống liên lạc vệ tinh thiết lập nhanh chóng thay đổi linh hoạt tùy theo yêu cầu sử dụng  ó khả ứng dụng thông tin di động thông tin liên lạc toàn cầu Do có nhiều ưu điểm trội so với loại hình thông tin khác, nên hệ thống thông tin vệ tinh có nhiều ứng dụng thực tế, điện thoại, truyền hình, thông tin di động, truyền số liệu, Internet, dịch vụ đào tạo y tế từ xa, truyền tin cho ngư dân biển, dự báo thời tiết, đảm bảo an ninh quốc phòng Với tiến nhanh chóng công nghệ chế tạo, phóng vệ tinh công nghệ chế tạo thiết bị thông tin liên lạc, thiết bị đo lường điều khiển từ xa, nguồn điện cho vệ tinh…đã cho phép tăng dung lượng phát đáp áp dụng nhiều kĩ thuật truyền dẫn tín hiệu để đáp ứng nhu cầu ngày cao sống Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu hức module hệ thống Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng  Bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LN ): modul khuyếch đại đặc biệt, sử dụng hệ vô tuyến để khuyếch đại tín hiệu yếu thu từ anten Nó thường đặt gần anten thu để giảm thiểu suy hao Khi sử dụng  khuyếch đại máy thu ồn nhiễu tầng sau giảm hệ số khuyếch đại Trong đó, ồn nhiễu LN lại cộng trực tiếp vào tín hiệu nhận Việc sử dụng LNA cần thiết để tăng công suất tín hiệu mong muốn, tạp nhiễu xử lý tầng  Bộ đảo tần xuống: chất đảo tần lên xuống giống nhau, khác tín hiệu đầu vào vị trí sử dụng Nếu đảo tần lên sử dụng khối phát  đảo tần xuống chế tạo để dùng cho khối thu Tín hiệu cao tần UHF qua chuyển tín hiệu trung tần IF mang thông tin  Bộ khuyếch đại trung tần khuếch đại công suất tín hiệu trung tần sau lấy khỏi trộn tần số trước xử lý  tầng  Bộ tách sóng: có nhiệm vụ tách lấy thông tin mong muốn Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng   khuếch đại thị tần, khuếch đại âm thông tin cần truyền tải để phát loa Loa: phận dùng để phát âm   Anten phát anten thu  ể xây dựng hoàn chỉnh hệ thống thu phát thông tin vệ tinh cần chế tạo đầy đủ module kể Nhưng khuôn khổ luận văn tập trung vào nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tuyến thu cao tần dải rộng cần phải chế tạo khuếch đại tạp âm thấp LN 10 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Hình 3.4 Mô tả sóng chạy đường dây đồ thị Smith Hình 3.5 Sơ đồ mạch nguyên lí mô ADS 40 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Hình 3.6 Kết mô tham số S11 ADS Hình 3.7 Kết mô đồ thị Smith ADS Thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho lối ra: 41 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Zout=1.255-j0.839 Hình 3.8 Biểu diễn trở kháng lối chip SPF-2086 Smith Mục tiêu thiết kế mạch phối hợp trở kháng để đưa điểm Zout=1.255-j0.839 tâm đồ thị Smith (tức cần điểm phối hợp trở kháng) Tiếp tục tính toán, mô phỏng, thiết kế mạch phối hợp trở kháng phương pháp dây chêm song song ngắn mạch 42 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Hình 3.9 Mô tả sóng chạy đường dây đồ thị Smith Hình 3.10 Sơ đồ mạch nguyên lí mô ADS 43 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Hình 3.11 Kết mô tham số S11 ADS Thiết kế ayout cho mạch khuếch đại tạp âm thấp Sau thiết kế riêng cho lối vào lối của chip cao tần SPF-2086T tiếp tục mô lại toàn mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng chip SPF-2086T việc sử dụng file S2P Từ khảo sát tham số quan trọng S21, dải thông mạch … Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch khuếch đại dùng chip SPF-2086T 44 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Hình 3.13 Kết mô mạch khuếch đại tạp âm thấp Hình 3.14 Layout mạch khuếch đại tạp âm thấp 45 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Phối hợp trở kháng dùng đoạn dây anda/4 Hình 3.15 Mô phối hợp trở kháng lối vào dùng đoạn dây lamda/4 Hình 3.16 Kết mô lối vào Luận văn thạc sỹ 46 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.17 Kết mô đồ thị Smith Hình 3.18 Mô phối hợp trở kháng lối Luận văn thạc sỹ 47 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.19 Kết mô lối Hình 3.20 Kết mô đồ thị Smith Luận văn thạc sỹ 48 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.21 Layout cho khuếch đại LNA dùng đoạn lamda/4 Hình 3.22 Layout cho khuếch đại LNA dùng dây nhánh Luận văn thạc sỹ 49 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Mục tiêu thiết kế mạch phối hợp trở kháng đưa zin=0.429-j0.676 tâm đồ thị Smith (tức điểm cần phối hợp trở kháng) Ở có nhiều phương pháp phối hợp trở kháng khác như: phần tử tập chung, dây chêm nối tiếp, dây chêm song song, lamda/4 … Nhưng em định chọn phương pháp dây chêm song song, sử dụng xác, ổn định công nghệ mạch dải, ưu điểm kích thước so với phương pháp phối hợp trở kháng dùng đoạn dây lamda/4 Tính toán, mô phỏng, thiết kế phối hợp trở kháng lối v o phƣơng pháp dây chêm song song với đoạn dây chêm hở mạch Sau mô toàn hệ thống đạt giá trị tốt, ta tiến hành thiết kế layout cho mạch khuếch đại 3.2 hế tạo Hình 3.23 mạch chế tạo Luận văn thạc sỹ 50 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.24 Đo đạc phòng thí nghiệm Hình 3.25 Chế độ dòng Luận văn thạc sỹ 51 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.26 Kết đo tham số máy phân tích phổ Tần số z ệ số khuếch đại dB 3.491 10.333 3.433 7.255 3.575 7.853 3.488 10.387 Bảng Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại vào tần số Nhận xét: Như mạch khuếch đại tạp âm thấp hoạt động tốt, khuếch đại dải tần số từ 3.433GHz-3.6GHz hệ số khuếch đại 10dB, dải thông 140MHz ây dải tần rộng, phù hợp tuyến thu thông tin vệ tinh Vinasat băng tần Luận văn thạc sỹ 52 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN ẾT UẬ Luận văn tìm hiểu cách tổng quan hoạt động hệ thống thu phát tín hiệu vệ tinh ác đặc trưng thông tin liên lạc qua vệ tinh, từ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần kết hợp với mô tính toán Luận văn chế tạo khuếch đại tạp âm thấp (LN ) băng , khuếch đại dải tần số từ 3.433GHz – 3.6GHz, hệ số khuếch đại 10dB, dải thông 140MHz ây dải tần rộng, phù hợp tuyến thu thông tin vệ tinhVinasat băng tần Bộ khuếch đại sử dụng tuyến thu tín hiệu vệ tinh góp phần hoàn thiện tuyến thu cao tần dùng thông tin vệ tinh Tuy đạt kết khiêm tốn, trình thực luận văn giúp em tự tin tiến sâu vào lĩnh vực siêu cao tần Vì nhiều khó khăn kỹ thuật sở thiết bị với nhiều hạn chế kiến thức luận văn chắn nhiều thiếu sót, em mong nhận ý kiến góp ý quý báu thầy cô để em hoàn thiện thêm luận văn Luận văn thạc sỹ 53 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN TÀ ỆU T M Ả Tiếng việt [1] Cao Quang Hoàng “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phát tuyến thu cao tần dải rộng băng UHF phục vụ truyền dẫn thông tin” khóa luận tốt nghiệp đại học năm 2010, trường ại học ông nghệ, HQGHN [2] Nguyễn Phạm nh Dũng (2007), Thông tin vệ tinh, Trung tâm đào tạo bưu viễn thông 1, mã số 411TVT360, Hà Nội [3] GS.TSKH Phan nh, Ths Trần Thị Thúy Quỳnh Giáo trình lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, Bộ môn thông tin vô tuyến, Khoa iện tử - Viễn thông, Trường ại Học ông Nghệ - Quốc Gia Hà Nội [4] Phạm Minh Việt Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [5] PGS.TS Trần Quang Vinh – Ths Văn n, Nguyên lý kỹ thuật điện tử, NXB Giáo dục, Hà Nội Tiếng anh [6] David M.Pozar, Microwave engineering, John Wiley & Sons, Inc [7] Guillermo Gonzalez, Microwave transistor amplifiers, Prentice Hall Luận văn thạc sỹ 54 Nguyễn Đức Hùng ... máy thu tín hiệu vệ tinh, kĩ thu t siêu cao tần em sâu nghiên c u thiết kế chế tạo module: Bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần Với tên đề tài: “ ghiên c u thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần. .. Nghiên c u, thiết kế, chế tạo module khuếch đại tạp âm thấp băng iểm đề tài thể vi c mạnh dạn nghiên c u thiết kế chế tạo mạch cao tần tần số siêu cao, dải tần siêu cao đòi hỏi kích thư c mạch điện... thông tin vệ tinh: 1945- rthur lark đề xuất sử dụng vệ tinh địa tĩnh dùng cho thông tin quảng bá 1957-Liên Xô phóng thành c ng vệ tinh nhân tạo (Sputnik-1) 1964-Thành lập tổ ch c thông tin vệ tinh