Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống viba băng X

Huvnh Phú Minh Cường HVTH: Lâm Hoàng Trung Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bãngX TÓM TẮT Bộ khuếch đại công suất siêu cao tần đóng một vai trò quan t

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

LÂM HOÀNG TRUNG

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG VIBA BĂNG X

RESEARCH AND DESIGN OF POWER AMPLIFIER

FOR X-BAND MICROWAVE SYSTEMS

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trang 2

GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Lâm Hoàng Trung

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bãngX

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS TRỊNH XUÂN DŨNG

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS MAI LINH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 06 tháng 7 năm 2017

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 GS.TS LÊ TIẾN THƯỜNG

2 TS LƯU THANH TRÀ

3 TS TRỊNH XUÂN DŨNG

4 TS MAI LINH

5 TS NGUYỄN THANH HẢI

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn

đã được sửa chữa

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa Điện - Điện tử

Trang 3

GVHD: TS Huvnh Phú Minh Cường HVTH: Lđm Hoăng Trung

Nghiín cứu vă thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bêngX

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÂCH KHOA

PHÒNG ĐẲ TẠO SĐH CỘNG HÒA XÊ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

0O0

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ vă tín học viín: LĐM HOĂNG TRUNG

Ngăy, thâng, năm sinh: 17 - 11 - 1983

Ngănh: Kỹ Thuật Viễn Thông

Phâi: Nam Nơi sinh: Kiín Giang MSHV: 7141000

SUẤT CHO HỆ THỐNG VIBA BĂNG X ”

II NHIỆM VỤ VĂ NỘI DUNG: (Yíu cầu nội dung vă số liệu ban đầu):

Thiết kế được module khuyếch đại công suất băng X hoạt động tốt ở tần số 8050 MHz, công suất ngõ ra PldB > 20dBm, Gain > 10 dB Lắp đặt vă phât thử nghiệm trín hệ thống viba ABE CARAVAGGIO(BG) ITALY

III NGĂY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 15/08/2016

V CÂN BỘ HƯỚNG DẨN : TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

Tp.HCM, ngăy 16 thâng 06 năm 2017

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

- & -

Đầu tiên, cho phép tôi được gởi lời cảm ơn sâu sẳc đến Thầy hướng dẫn khoa học TS Huỳnh Phú Minh Cường Thầy là người luôn theo sát tôi trong quá trình làm luận văn, Thầy đã tận tình chỉ bảo, đưa ra những vẩn đề cốt lõi giúp tôi củng

cổ lại kiến thức và có định hướng đúng đẳn để hoàn thành luận văn này Sự quan tâm từ Thầy luôn là nguồn động lực tạo cho tôi cổ gang và nỗ lực vượt qua thời gian nghiên cứu ban đầu đầy khó khăn của mình Với lòng kính mến, tôi sẽ luôn nhớ

và trăn trọng những hướng dẫn và gợi ỷ rất chuyên môn và đặc là biệt sự thân thiện của Thầy là niềm thúc đẩy tinh thần trên con đường nghiên cứu khoa học sau này của tôi nhằm góp phần phục vụ cơ quan cũng như xã hội sau này

Tiếp đến, tôi xin được gởi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô đã và đang giảng dạy tại trường Đại Học Bách Khoa-TpHCM đặc biệt là các thầy cô Bộ môn Viễn thông đã giúp tôi có được những kiến thức cơ bản để thực hiện luận vãn này Kính chúc Thầy Cô dồi dào sức khoẻ, thành đạt, và ngày càng thành công hơn trong

sự nghiệp trồng người của mình

Cuối cùng, tôi cũng xin cảm ơn anh em đi trước trong lĩnh vực siêu cao tần cùng với gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã luôn quan tăm, động viên và giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn !

TP Hồ Chi Minh, ngày 16 tháng 6 năm 2017

LÂM HOÀNG TRUNG

Trang 5

GVHD: TS Huvnh Phú Minh Cường HVTH: Lâm Hoàng Trung

TÓM TẮT

Bộ khuếch đại công suất siêu cao tần đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế, phát triển và hiệu suất tổng thể của hệ thống truyền dẫn Viba băng X Hoạt động trong dãy tần số cao từ 8GHz đến 12GHz Mục đích chính của bộ khuếch đại công suất siêu cao tần là làm cho tín hiệu vô tuyến

có đủ công suất để truyền thông tin qua không khí từ máy phát đến máy thu trong hệ thống truyền dẫn ViBa và yêu cầu của bộ khuếch đại là phải nâng cao công suất đầu ra, hiệu suất và băng thông Trong luận văn này, mạch khuyếch đại công suất hoạt động ở tần số 8.5 Ghz được thiết kế và thi công với GaAs transistor và mô phỏng bằng phần mềm Agilent Advanced Design System

Các yêu cầu cho thiết kế là:

Microwave Power Amplifier play a crucial role in the design, development and overall performance

of X-BAND microwave communication systems It is a high frequency range typically from 8GHz

to 12GHz The main purpose of a Microwave Power Amplifier is to make radio signal to have enough power for transmitting information through the ah from the transmitter to receiver in microwave communication systems and requirements of power amplifiers is improvements in output power, efficiency and bandwidth In this thesis, a power amplifier operating at 8.5 Ghz is designed and realized using a GaAs transistor and schematic by Agilent Advanced Design System software

The specifications for the design are:

✓ Bandwidth: 1 GHz (8-9 GHz)

/ Maximum output power (P|dB): > 20 dBm

/ Gain > 10 dB

/ Input Return Loss (SI 1): < -7 dB

/ Output Return Loss (S22): < -7 dB

✓ K>1

Keywords: Microwave Power Amplifier, X-band, Advanced Design System

Trang 6

LỜI CAM ĐOAN

Tôi 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

Lâm Hoàng Trung

Trang 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.3 Phương trình cân bằng công suất trong tính toán đường truyền

Trang 8

CHƯƠNG 3 :THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ LẤP RÁP PHÁT THỬ NGHIỆM MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHO HỆ THÔNG VIBA BĂNG X

3.1

CHƯƠNG 4:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trang 9

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Hình 1.1: Hệ thống Viba tiếp sóng: trạm Trung tâm (a), Trạm Phú Quốc (b),

Trạm Kiên Lương (hòn Phụ Tử) (c), Trạm Hòn Tre (d) 2 Hình 1.2: Sơ đồ khối ViBa ABE PM7 - 8050GHz 4 Hình 1.3: Mạch PA băng X, tác giả Robert Robinsson ố Hình 1.4: Mạch PA băng X, tác giả ALỈ ÍLKER iạiK 6 Hình 1.5: Mạch PA wideband, tác giả Muhammed Hakan Yilmaz 7

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1: Tuyến ViBa đơn giản nhất bao gồm 2 trạm đầu cuối _ 10 Hình 2.2: Thông số máy phát thu của hệ thống Viba ABE 12 Hình 2.3: (a)Định nghĩa dòng và thế trong đường dây truyền sóng, (b)mạch điện tập trung tương đương _ 13 Hình 2.4: Microstrip line, (a) Hình dạng vật lý, (b) điện và từ trường _ 15 Hình 2.5: Hiện tượng Spectral regrowth 18 Hình 2.6: Điểm nén PldB và IP3 _ 19 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạng 2 cửa 20 Hình 2.8: Giải pháp nâng cao độ ổn định mạch _ 22 Hình 2.9: Mạch phối hợp trở kháng ngõ vào và ra trong mạch khuếch đại cao tần _23

Hình 2.10: Phân loại Transistor siêu cao tần 24 Hình 2.11: Mạch khuếch đại lớp A _ 25 Hình 2.12: Mạch khuếch đại lớp B 27

Trang 10

Hình 2.13: (a) Mạch khuếch đại lớp C và (b) dạng sóng của nó 27 Hình 2.14: (a) Mạch khuếch đại lớp E và (b) dạng sóng của nó 28 Hình 2.15: (a) Mạch khuếch đại lớp F và (b) dạng sóng của nó _ 29

Hình 3.10: Hệ K, p và p.prime của transistor FSX027WF 36

Hình 3.11: (a) Vòng tròn ổn định ngõ vào, (b) Vòng tròn ổn định ngõ ra _ 37 Hình 3.12: Mạch ổn định _ 37 Hình 3.13: Phần mềm LineCalc _ 38 Hình 3.14: RFC butterfly stub kết hợp dây A/4 (a) 50ÍÌ và (b) 90 fl 38 Hình 3.15: Trở kháng ngõ vào RFC dây A/4 (a) 90 íì, (b) 50 íl 39 Hình 3.16: RFC A/4 90 íì, (a) mô phỏng EM, (b) thông số S11 40 Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý mạch PHTK 41 Hình 3.18: (a) SPNFGainMatchK trong ADS, (b) kết quả tính toán _ 42 Hình 3.19: Phối hợp trở kháng ngõ vào dạng: (a) Shunt Stub, (b) Multisection

Transmission Lines 43 Hình 3.20: Phối hợp trở kháng ngõ ra dạng: (a) Shunt Stub, (b) Multisection

Transmission Lines 44 Hình 3.21: Mạch phối hợp trở kháng dùng đường dây truyền sóng lý tưởng, (a) mạch nguyên lý,

Trang 11

(b) thông số tán xạ _ 45 Hình 3.22: Các connector trong schematic _ 46 Hình 3.23: Mạch khuếch đại công suất dạng schematic 47 Hình 3.24: Kết quả mô phỏng Schematic Sil, S21, s22, S12 47 Hình 3.25: Mạch PA: (a) layout, (b) EM 48 Hình 3.26: Kết quả mô phỏng EM (a) Sil, S21, s22, S12_, (b) K, ụ, ụprime 49

Hình 3.27: PCB layout chuẩn Gerber mạch khuếch đại công suất 50 Hình 3.28: Mạch thực tế thi công trên PCB ISOLA640 50 Hình 3.29: Phân cực nguồn cho Transistor và đo thực tế _ 51 Hình 3.30: Đo độ lợi PA: (a) setup, (b) đo thực tế _ 52 Hình 3.31: Băng thông 3 dB (1.9 Ghz) 53 Hình 3.32: Đo thông số s với máy VNA (a) đo thực tế, (b) kết quả _ 54 Hình 3.33: So sánh kết quả mô phỏng và đo thực tế K, S11, S21, s22, S12 _ 56 Hình 3.34: Đo công suất ngõ ra PldB (a) Setup, (b) kết quả 57 Hình 3.35: Đồ thị điểm nén công suất ldB ngõ ra (Pids) 58 Hình 3.36: (a) lắp PA vào transmitter ViBa, (b) chỉnh nguồn phân cực PA _ 59 Hình 3.37: (a) Lắp tải (angten), (b) cấp nguồn và tín hiệu cho PA 60 Hình 3.38: Định vị tọa độ và chỉnh góc ngẩng _ 60 Hình 3.39: TT phát sóng Hòn Me cách máy phát ViBa 25km. 61 Hình 3.40: Tín hiệu thu tại trung tâm Phát Sóng Hòn Me (a) tín hiệu thu từ vệ tinh,

(b) tín hiệu thu từ máy phát ViBa _ 61

Trang 12

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu đề tài

Ngày nay, khoa học kỹ thuật trên Thế Giới có nhiều tiến bộ, nhiều thành tựu đáng kể nhất là lĩnh

vực khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin, phát thanh truyền hình đã và đang phát triển rất

mạnh Các thiết bị điện tử ngày càng tinh gọn, siêu nhỏ nhưng tính năng và hiệu quả làm việc

của chúng thì rất cao và bền Một trong các hệ thống đó là truyền dẫn sóng vô tuyến Viba được

sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: Phát Thanh Truyền Hình, truyền tin, an ninh, viễn thông,

Các hệ thống vô tuyến viba tiếp sức mặt đất (terrestrial radio-relay) có dung lượng thấp đến cao,

có khả năng truyền dẫn tín hiệu thay thế các tuyến cáp đồng trục, quang trong các mạng nội hạt

mà địa hình phức tạp với thời gian triển khai tương đối thấp, tính cơ động cao trong điều kiện địa

hình hiểm trở rừng núi biển đảo với cự ly truyền dẫn lên đến 60 km

Kiên Giang là tỉnh cuối cùng Tây Nam nước ta có địa hình phức tạp: đồi núi, biển đảo, biên

giới, nên việc truyền tải thông tin địa phương trên sóng phát thanh truyền hình đến người dân

gặp rất nhiều khó khăn Vì thế Đài Phát Thanh và Truyền Hình Kiên Giang đã xây dựng trạm

phát sóng trung tâm (10kW) trên đỉnh núi Hòn Me (Hòn Đất - Kiên Giang) cùng với các trạm

tiếp sóng (500W) ở huyện đảo, biên giới: Hòn Tre, Phú Quốc, Kiên Lương, Hà Tiên nhằm đáp

ứng truyền tải thông tin chính trị, xã hội, kinh tế, địa phương, kịp thời và liên tục đến người dân

huyện đảo, biên giới và ngư dân đang đánh bắt trên vùng biển Kiên Giang

Trang 13

Hình 1.1: Hệ thống Viba tiếp sóng: trạm Trung tâm (a), Trạm Phú Quốc (b),

Trạm Kiên Lương (hòn Phụ Tử) (c), Trạm Hòn Tre (d)

Tuy nhiên do địa lý hiểm trở nên đến nay việc đưa tín hiệu truyền hình đến các trạm tiếp sóng vẫn chưa có đường cáp quang truyền dẫn mà phải sử dụng thiết bị truyền dẫn Viba Các hệ thống truyền dẫn viba phụ thuộc rất nhiều vào công suất phát nhằm đáp ứng yêu cầu khoảng cách truyền dẫn thông tin đến các trạm tiếp sóng truyền hình Chính vì lý do này nên tôi chọn đề tài nghiên cứu thiết kế mạch công suất cho hệ thống Viba, làm chủ công nghệ thiết kế nhằm đưa tín hiệu truyền hình vươn xa hơn ra các đảo nhỏ và vùng biên giới hiểm trở đến nay vẫn chưa được phủ sóng Phát Thanh Truyền Hình phục vụ nhu cầu thông tin cho người dân

1.2 Tính cấp thiết đề tài

Ở Việt Nam hiện nay các thiết bị truyền dẫn Viba băng X đa số là nhập từ nước ngoài với giá thành rất cao, do rào cản về chính trị nên thủ tục nhập khẩu phức tạp và mất rất nhiều thời gian Cùng với điều kiện khí hậu khắc nghiệt ở vùng biên giới hải đảo tỉnh Kiên Giang hàng năm

(b)

(a)

Trang 14

thường xuyên xảy ra giông bão, sương muối, sấm sét, cho nên khi vận hành thực tế hệ thống

Viba thường xuyên hư hỏng phần lớn là module công suất Việc gởi thiết bị đi sửa chữa và thay

thế module tốn kém chi phí và thời gian làm gián đoạn phát sóng truyền hình ảnh hưởng đến

truyền tải thông tin, tin tức đến người dân địa phương gây ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống

kinh tế chính trị của địa phương

Chính vì những khó khăn trên nên đề tài hướng đến việc nghiên cứu và thiết kế mạch công suất

X-band thay thế cho hệ thống Viba truyền dẫn Nhằm làm chủ công nghệ sản xuất các module

công suất cao tần góp phần rất quan trọng trong việc sửa chữa bảo trì các hệ thống truyền dẫn

Viba của tỉnh nhà, đảm bảo truyền dẫn thông tin liên tục trong lĩnh vực Phát Thanh Truyền Hình

và hệ thống Viễn Thông Và đây cũng là tính cấp thiết của đề tài nhằm giảm sự phụ thuộc vào

các chuyên gia nước ngoài cũng như nhập các module công suất, chủ động thiết kế dự phòng để

thay thế kịp thời module công suất khi sự cố xảy ra góp phần tiết kiệm chi phí và thời gian cho

cơ quan đơn vị

Sơ đồ cơ bản của hệ thống viba ABE CARAVAGGIO(BG)ITALY PM7 8050MHz (hìnhl.2) mà

Đài Phát Thanh truyền hình Kiên Giang đang sử dụng và vị trí mạch công suất (PA) của hệ thống

Trang 15

Hình 1.2: Sơ đồ khối ViBa ABE PM7 - 8050GHz

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Ở Việt Nam hiện nay còn sử dụng rất nhiều hệ thống truyền dẫn Viba để truyền thông tin Tất cả các kỹ thuật trong một hệ thống đều là các mảng kỹ thuật riêng biệt được kết hợp với nhau để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh chất lượng cao nhưng phức tạp Đóng vai trò không thể thiếu của

hệ thống là bộ thu phát sóng Tín hiệu phát đi phải là các tín hiệu vô tuyến, với khả năng di động cao, tín hiệu phát phải đủ mạnh giảm thiểu tác động môi trường, và truyền được xa Chính điều này dẫn đến việc phát triển bộ khuếch đại cộng suất với yêu cầu ngày càng nhỏ gọn, hệ số khuếch đại cao, công suất ngõ ra đủ lớn là rất cần thiết Trong giới hạn thời gian của một luận văn thạc

sĩ, đề tài sẽ không đi sâu nghiên cứu chế tạo toàn bộ hệ thống mà sẽ chọn đi sâu nghiên cứu chế tạo bộ khuếch đại công suất siêu cao tần X- band với tần số trung tâm 8.5Ghz và yêu cầu đảm bảo về công suất phát nhằm đạt

Trang 17

5

được khoảng cách truyền dẫn mong muốn 30km Để thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống phát Viba truyền dẫn tín hiệu, ta cần nắm vững các kiến thức sau:

Hệ thống Viba số truyền dẫn tín hiệu, suy hao trong điều kiện tự do

Kỹ thuật siêu cao tần: độ lợi, suy hao, linh kiện cao tần, mạch siêu cao tần,

Sử dụng phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS, đường dây truyền sóng Appcad, phối hợp trở kháng Smithchart, EM Momentum

Gia công mạch thực tế, dùng thiết bị đo đạt so sánh yêu cầu đặt ra

1.4 Hướng giải quyết đề tài

Luận văn sẽ chọn phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu với các thí nghiệm và kết quả đo đạc trên mạch được chế tạo thực tế Các kết quả thực nghiệm sẽ được so sánh với kết quả tính toán

lý thuyết và mô phỏng Cuối cùng, kết nối tín hiệu RF của bộ điều chế của máy phát Viba với ngõ vào của bộ khuếch đại công suất để phát thử nghiệm với các khoảng cách yêu cầu đặt ra và đánh giá hiệu quả của toàn bộ đề tài

Trong khuôn khổ luận văn này sẽ tập trưng vào một số vấn đề trọng tâm của đề tài đặt ra Nghiên cứu về hệ thống máy phát Viba tìm hiểu phương pháp tính toán suy hao trên đường truyền để chế tạo bộ khuếch đại công suất X-band có công suất phát phù hợp nhằm đạt được khoảng cách truyền mong muốn Cuối cùng đưa ra các giải pháp để thiết kế chế tạo một hệ thống thực tế để thử nghiệm và so sánh với các kết quả mô phỏng và tính toán

1.5 Các công trình liên quan

Mạch khuếch đại công suất là một thành phần không thể thiếu đối với các hệ thống máy phát Viba với yêu cầu công suất đủ lớn để truyền dẫn tín hiệu đi xa Trong thực tế, đã có nhiều đề tài nghiên cứu, thiết kế mạch khuếch đại công suất băng X

Trong đề tài nghiên cứu [1], tác giả Robert Robinsson đã giới thiệu mạch khuếch đại công suất dạng Balance Power Amplifier, công suất 50 w ở tần số 9 GHz

Trang 19

66 mm

Hình 1.3: Mạch PA băng X, tác giả Robert Robinsson

Trong đề tài [2] mạch khuếch đại công suất X - band dùng GAN ửansistor, 20W tần số 10Ghz của tác giả ALÍ ÍLKER I§IK

Hình 1.4: Mạch PA băng X, tác giả ALỈ ỈLKER I§IK Hay đề tài [3] mạch khuếch đại công suất wideband low của tác giả Muhammed Hakan Yilmaz

Trang 20

Hình 1.5: Mạch PA wideband, tác giả Muhammed Hakan Yilmaz

Và đề tài [4] “3 w X-Band Monolitic Variable Gain Amplifier”, của tác giả R.B Culbertson và Zimmerman sử dụng trong chế tạo MMIC

Những nghiên cứu trên được đăng khá nhiều trên các tạp chí IEEE hay các hội nghị quốc tế về siêu cao tần Còn ở Việt Nam, việc nghiên cứu thiết kế các mạch khuếch đại công suất siêu cao tần còn khá khiêm tốn, chủ yếu tập trung vào việc mô phỏng Do đó, tôi đã chọn đề tài thiết kế mạch khuếch đại công suất băng X dùng cho hệ thống Viba truyền dẫn tín hiệu Trong luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu việc thiết kế mạch khuếch đại công suất ở băng tần X (8 đến 12 Ghz) với tần số trung tâm 8.5 GHz để truyền dẫn thông tin giữa 2 trạm với khoảng cách yêu cầu 30km Mạch công suất này ngoài việc phục vụ cho máy phát Viba còn phục vụ cho các ứng dụng khác như: rada, y học,

Trang 22

đó, hiện nay trong các tài liệu kỹ thuật của ta, nói ViBa là nói tới hệ thống vô tuyến tiếp sức mặt đất

Tổng quan về phân chia các băng tần

LI ò

Trang 24

Thông tin siêu cao tần làm việc ở dải sóng cực ngắn dùng để truyền tín hiệu có dải tần rộng, về

lý thuyết, dải sóng dùng cho các hệ thống ViBa là từ 60MHz cho tới 60/80GHz Trong thực tế,

đối với các hệ thống ViBa ở dạng thưomg phẩm thường làm việc trên dải sóng từ 60MHz đến 20

GHz, các hệ thống công tác với dải tần số cao hom (60:80 GHz) hiện vẫn đang còn trong giai

đoạn thử nghiệm Do có dải tần làm việc rất rộng và cao so với thông tin cao tần vì vậy được sử

dụng làm phưomg tiện truyền dẫn chính trong viễn thông công cộng siêu ngắn

Trang 25

2.1.2 Phân Loại ViBa

Phụ thuộc vào tốc độ bít của tín hiệu cần truyền, các thiết bị vô tuyến phải được thiết kế, cấu tạo phù hợp để có khả năng truyền dẫn các tín hiệu đó Có thể phân loại như sau:

- ViBa số băng hẹp (tốc độ thấp); được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ 2Mbit/s, 4 Mbit/s và 8 Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 30 kênh, 60 kênh và 120 kênh Tần

số sóng vô tuyến (0,4 - 1,5) GHz

- ViBa số băng trung bình (tốc độ trung bình): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ từ (8-34) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 120 đến 480 kênh Tần số sóng vô tuyến (2 - 6) GHz

- ViBa số băng rộng (tốc độ cao): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ từ (34-140) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 480 đến 1920 kênh Tần số sóng vô tuyến 4, 6,

LdB: Suy hao trong không gian tự do

Pr: Mức đầu vào của máy thu(dBm)

Hình 2.1: Tuyến ViBa đơn giản nhất bao gồm 2 trạm đầu cuối

Trang 26

Ví dụ: Để tính công suất máy Phát pt truyền được khoảng cách 30km với Anten Parabol 1.2m

có độ lợi G = 33dB và độ nhạy máy thu máy thu trung bình -55dBm theo thông số hình (2.2)

Nếu khoảng cách tính theo Km, tần số tính theo GHz thì suy hao trong không gian tự do tính theo

Trang 27

STANDARD PRODUCT COMPLIES WITH MOST

ilVJilcrc I1DACÍMỈTIHŨ • L Í c Ĩ 4 0 M I c s

Hình 2.2: Thông số máy phát thu của hệ thống Viba ABE

Trang 28

2.2 Lý thuyết đường dây truyền sóng

2.2.1 Các thông số tuyến tính của đường truyền

Một đường truyền sóng được đặc trưng bởi các thông số sơ cấp tuyến tính [6]

Điện cảm tuyến tính L [H/m], đặc trưng cho điện cảm tương đương của phần dây dẫn kim loại,

tính trên một đơn vị chiều dài đường truyền

Điện dung tuyến tính c [F/m], đặc trưng cho điện dung của lớp điện môi phân cách hai dây dẫn

kim loại, tính trên một đơn vị chiều dài đường truyền,

Điện trở tuyến tính R [Ohm/m], đặc trưng cho điện trở thuần của dây dẫn kim loại, tính trên một đơn vị chiều dài đường truyền Điện trở tuyến tính R liên quan đến tổn hao kim loại (do dây dẫn

không dẫn điện lý tưởng),

Điện dẫn tuyến tính G [S/m], đặc trưng cho điện dẫn thuần của lớp điện môi phân cách, tính trên một đơn vị chiều dài đường truyền Điện dẫn tuyến tính G liên quan đến tổn hao điện môi (do

điện môi cách điện không lý tưởng)

Vì vậy một đường dây truyền sóng là một mạng phân bố, có nghĩa là điện thế và dòng điện sẽ khác nhau về độ lớn và pha trong suốt chiều dài của đường dây truyền sóng Trong hình 2.3 (a), đường dây truyền sóng có hai dây dẫn

Hình 2.3: Định nghĩa dòng và thế trong đường dây truyền sóng (a) Mạch điện tập

trung tương đương (b)

-C'

Trang 30

: hệ số pha, đom vị [rad/m] hoặc [/m]

2.2.3 Trở kháng đặc tính

<2-8)

Trở kháng đặc tính của đường truyền sóng biến thiên theo tần số tín hiệu

Đối với đường truyền không tổn hao (/?=0, G=0)

zo(“) = Ậrc = R

<'

là một hằng số thực, được gọi là điện trở đặc tính của đường dây Thực tế thường

gặp các đường truyền sóng có =50 Ohm, hoặc =750hm

2.2.4 Hệ số phản xạ

Hệ số phản xạ điện áp tại một điểm X bất kỳ là tỉ số giữa sóng điện áp phản xạ và

sóng điện áp tới tại điểm X đó

Trang 32

2.3 Đường truyền vi dải

2.3.1 Định nghĩa Đường truyền vi dải (Microstrip Line)[7] là dạng đường truyền phổ biến nhất của đường truyền thẳng Hình dạng của một đường truyền vi dải được thể hiện trong hình 2.4 Một dây dẫn có chiều rộng w, được in trên một lớp chất nền điện môi có độ dày d và hằng số điện môi tương đối Er, bên dưới là lớp mặt phẳng đất cũng có độ dày t và có cùng chất dẫn điện như dây dẫn (ví dụ: đồng, bạc )

Hình 2.4: Microstrip line, (a) Hình dạng vật lý, (b) điện và từ trường

Cho trước kích thước của microstrip line và độ dày t của lóp dẫn điện không đáng kể trở kháng đặc tính của đường dây có thể được tính như sau:

2.3.2 Suy hao trên đường truyền vi dải

Theo [7] suy hao trên đường dây được tính bằng công thức

trong đó,

ac : suy hao do lớp dẫn điện Với Zo và w là trở kháng đặc tính và độ rộng của đường dây, Rs

là trở kháng bề mặt trên 1 đơn vị diện tích vuông hay còn gọi là trở kháng của hiệu ứng da (skin effect) là hiện tượng mà dòng điện xoay chiều phân bo trên bề mặt dây dẫn nhiều hơn phần bên trong lõi

■

<

Trang 34

ad : suy hao do lớp điện môi

ad = 8.68Ó7T Q _ J Y —2— (dB/m) với Ee = —2— + — - (2.15)

AÍ" 1

(tand là hằng số suy hao của chất điện môi và E e hằng số điện môi hiệu dụng) a r : suy hao do

bức xạ Tùy thuộc vào cấu trúc vật lý của module thiết kế Oí-I : suy hao do rò rỉ trên đường

truyền Tùy thuộc cấu trúc mạch cao tần thiết kế

2.4 Các thông số của mạch siêu cao tần

2.4.1 Hệ số Nhiễu

Nhiễu nhiệt

Hay còn được gọi theo các tên khác Johnson Noise, Nyquist Noise

Đon vị của nhiễu nhiệt thường dùng trong hệ thống RF là công suất nhiễu được định nghĩa:

p = k'T'Af

k: hang so Boltzmann, [J/K] T: nhiệt độ vật dẫn, [K] A/ : băng

thông, [Hz]

Hệ số Noise Figure (hệ số nhiễu NF)

aS

(2.16)

Trang 35

17

với: F n và G n lần lượt là Hệ số nhiễu và Độ lợi tại tầng thứ n

Từ công thức trên, ta thấy được Độ lợi khuếch đại và nhiễu tại tầng thứ nhất là vô cùng quan trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống

2.4.2 Méo Phi Tuyến (Nonlinear Effect)

Các linh kiện điện tử hoạt động tuyến tính trong một khoảng tần số, nhiệt độ, nếu vượt giới hạn chúng sẽ không tuyến tính (méo phi tuyến) Điều này có thể tác động tiêu cực đến mạch điện như làm méo tín hiệu, nén độ lợi, Các dạng phi tuyến trong mạch khuếch đại:

Phát sinh Hài (Harmonic generation)

Với 1 hệ phổng phi tuyến với điện thế ngõ vào là Vi và điện thế ngõ ra là v0

Nonlinear device or Network

Thì các thành phần khác ngoài thành phần cơ bản theo chuỗi Taylor là:

V Q =CLQ + a l v i + a 2 v ỉ + a 3 v ỉ + •••

Với ao là thành phần DC, aiVị là thành phần cơ bản (fundamental), «1 là hệ số tuyến tính, các thành phần, a 2Vị + a3vf là hài bậc 2, 3 Hệ số «2 (gọi là second-order), «3 (thirth-order) là hệ

số hài bậc 2 và bậc 3

Cross Modulation: là hiện tượng tín hiệu bị một tín hiệu biến điệu không mong muốn cộng

vào Ta có thể mô hình hóa như sau:

Trang 36

18

Với thành phần thứ nhất ACoscoit là tín hiệu mong muốn, thành phần thứ hai (l+m(t))Cosffi2t

là tín hiệu biến điệu AM không mong muốn

AM-PM conversion', là hiện tượng mà khi thay đổi biên độ tín hiệu ngõ vào trong mạch phi

tuyến sẽ gây ra sự dịch pha ở ngõ ra Dạng méo này rất nghiêm trọng, đặc biệt là đối với tín hiệu biến điệu pha hoặc tần số

AM-AM conversion: là hiện tượng mà khi thay đổi biên độ tín hiệu ngõ vào trong mạch phi

tuyến sẽ gây ra sự tăng hoặc giảm không tuyến tính ở ngõ ra (Gain compression)

Spectral regrowth: là hiện tượng mà hệ thống khuếch đại cả các thành phần ngoài băng thông

gây ảnh hưởng đến băng sóng lân cận Khi công suất càng tăng thì hiện tượng này càng dễ xảy

Hình 2.5: Hiện tượng Spectral regrowth

2.4.3 Độ lợi bị bảo hòa (gain reduce)

Mạch khuếch đại lý tưởng là mạch tuyến tính hoàn toàn Có nghĩa là với mọi tín hiệu vào sẽ đều được mạch khuếch đại Khi tín hiệu vào là nhỏ, tín hiệu ra được khuếch đại tuyến tính Tín hiệu vào tăng dần, tín hiệu ra khuếch đại tăng theo, đến một mức giới hạn bảo hoà của một trong các linh kiện của mạch Điểm nén 1-dB được định nghĩa là điểm mà độ lợi của tín hiệu giảm 1 dB

so với độ lợi của tín hiệu

* -

Trang 38

nhỏ (độ lợi lý tưởng) Bằng cách giảm bớt độ lợi để tín hiệu không méo dạng Điểm nén 1-dB giúp cân bằng giữa độ lợi khuếch đại và tính tuyến tính của mạch Trong thực tế, đối với amplifier, điểm nén 1-dB thường được gán là công suất ra (PldBm)- Để đánh giá mức tuyến tính của mạch, người ta dùng thông số điểm chặn bậc 3 (Third Order Intercept Point) - hay còn gọi

là IIP3 (Input 3rd Order Intercept Point) Điểm chặn bậc 3 là điểm mà ở đó biên độ phổ bậc 3 trùng với biên độ phổ bậc 1

Hình 2.6: Điểm nén PidB và IP3

2.5 Hệ số khuyếch đại và hiệu suất của mạch Trước tiên, ta định nghĩa các thông số S-parameter của mạng 2 cửa S-parameter là các thông

số của ma trận tán xạ [S]

ưýt Ị]

Trang 39

Độ lợi công suất hoạt động: là tỉ số giữa công suất trung bình tiêu tán trên tải (PL)với công suất trung bình được cấp bởi mạch (Pin)

Độ lợi lớn nhất:

Độ lợi công suất hoạt động được ứng dụng cho khuếch đại công suất ngõ ra tuyến tính cao nhất, được xác định bởi công thức:

(2.22)

3,, = I = 0 : độ lợi, hệ số khuếch đại (Gain) của mạng 2 cửa 1 n I

■ 0 : hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 2

Từ định nghĩa này, ta suy ra:

sn : hệ số phản xạ công suất tại cửa vào 1

S22: hệ số phản xạ công suất tại cửa vào 2

Đi

Trang 40

1 Ci = Su - AS 22

s 12 S 21 ĨỴ\*

1- s 22TL /

s 12 S 21 fs V 1— Su r$ /

Định dạng
Số trang	99
Dung lượng	2,83 MB
File đính kèm	123.rar (13 MB)