Thiết kế chế tạo máy phát băng tần S dùng cho thông tin vệ tinh sử dụng cho tàu biển

IH QU TRƢ GI H N I CC BÙ T Ị T À ẾT KẾ C Ế T O MÁY P ÁT BĂ DÙ C OT T V T SỬ DỤ C O TÀU B Ể U VĂ T CS C TỬ - V À – 2014 TẦ S T IH QU GI H N I CC TRƢ BÙ T Ị T À ẾT KẾ C Ế T O MÁY P ÁT BĂ DÙ C OT T V T SỬ DỤ C O TÀU B Ể C TẦ S T -Vễ T C K Mã số : 60520203 U VĂ T Ƣ ƢỚ CS C TỬ - V DẪ K OA À C P S.TS Bạc – 2014 T a Dƣơ CAM OA Trong trình làm luận văn thạc sỹ, đọc tham khảo nhiều loại tài liệu khác từ sách giáo trình, sách chuyên khảo báo đăng tải ngồi nước Tơi xin cam đoan tơi viết hồn tồn thống không bịa đặt kết đo đạc thực nghiệm đạt luận văn không chép từ tài liệu hình thức Những kết tơi nghiên cứu tích lũy suốt thời gian làm luận văn Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm có dấu hiệu chép kết từ tài liệu khác Hà Nội, ngày 26 tháng 06 năm 2014 TÁC Ả Bùi Thị Hà MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục hình vẽ MỞ ẦU hương TỔNG QU N VỀ Á ỨNG DỤNG BĂNG TẦN S 1.1 Giới thiệu băng tần S 1.1.1.Giới thiệu chung 1.1.2.Giới thiệu băng tần S 1.1.3.Phân loại hệ thống radar 10 1.2 ấu trúc hệ thống phát radar hương LÝ THUYẾT SIÊU O TẦN V B T O D O 11 NG 13 2.1 Khái niệm chung 13 2.2 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung sử dụng giản đồ Smith 14 2.2.1.Thuộc tính giản đồ Smith giản đồ dmittance 14 2.2.2.Mạch phối hợp trở kháng kiểu L-network 15 2.2.3.Thiết kế mạch phối hợp trở kháng dải tần số 22 ác tham số cần ý khuếch đại công suất 28 2.3 2.3.1 ộ ổn định 28 2.3.2 ộ tuyến tính khuếch đại 27 2.3.3.Hệ số tạp âm 29 2.3.4.Hiệu suất phát 31 2.4 Nguyên lý hoạt động thiết kế tạo dao động 32 2.4.1 iều kiện dao động 32 2.4.2.Nguyên lý tạo dao động ba điểm điện dung 32 hương THIẾT KẾ KH I PHÁT ÔNG SUẤT BĂNG S 3.1 Thiết kế tạo dao động băng S 35 35 3.1.1.Yêu cầu thiết kế 35 3.1.2.Thiết kế mạch nguyên lý cho tạo dao động V O 36 3.2 Thiết kế phát công suất băng S 42 3.2.1.Yêu cầu thiết kế 42 3.2.2.Thiết kế mạch khuếch đại công suất 44 KẾT LUẬN 50 T I LIỆU TH M KHẢO 51 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current ADS Advanced Design System DC Direction Current D Dao động K S Khuếch đại công suất KP Kích phát IC Integrated Circuit PPL Phase Locked Loop VCO Voltage Controlled Osillator RF Radio Frequency SCT Siêu cao tần DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1 Bảng tham số hệ thống radar Hình 1.2 Phân loại đài radar Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống thu-phát radar Hình 1.4 Sơ đồ phát theo kiểu tự dao động tự kích cơng suất lớn Hình 1.5 Sơ đồ phát dùng dao động chủ khuếch đại cơng suất thành phần Hình 2.1 Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao trở kháng tải đường truyền dẫn sóng Hình 2.2 Biểu diễn phối hợp trở kháng giản đồ Smtih Hình 2.3 Các sơ đồ phối hợp trở kháng dùng kiểu L Hình 2.4: Sơ đồ kiểu L-network [1] Hình 2.5 Sơ đồ kiểu L-network [2] Hình 2.6 Sơ đồ Kiểu L [4] Hình 2.7 Sơ đồ Kiểu L [6] Hình 2.8 Sơ đồ Kiểu L [8] Hình 2.9 Sơ đồ Kiểu L [3] Hình 2.10 Sơ đồ Kiểu L [5] Hình 2.11 Sơ đồ Kiểu L [7] Hình 2.12 iều kiện ổn định mạng hai cửa (two-port network) Hình 2.13 thị biểu diễn độ dốc đường cong bậc ba Hình 2.14 Xác định tham số IP3 Hình 2.15 iểm nén 1dB Hình 2.16 Mạch phản hồi Hình 2.17 Sơ đồ dao động theo kiểu olpitts Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát IC Max2750 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý tao dao động VCO Hình 3.3 Layout cho tạo dao động Hình 3.4 o đạc đánh giá sử dụng máy phân tích phổ Hình 3.5 Kết đo tần số 2.4 GHz Hình 3.6 Kết đo tần số 2.45 GHz Hình 3.7 Kết đo tần số 2.5 GHz Hình 3.8 Kết đo tần số 2.54 GHz Hình 3.9 Kết đo tần số 2.58 GHz Hình 3.10 thị biểu diễn tần số phụ thuộc vào điện áp Hình 3.11 thị biểu diễn thay đổi biên độ theo tần số Hình 3.12 Packaging AH201 Hình 3.13 Tham số S linh kiện Hình 3.14 Sử dụng giản đồ Smith thiết kế mạch cao tần Hinh 3.15 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại cơng suất băng S Hình 3.16 Kết mơ tham số mạch khuếch đại Hình 3.17 Kết mô tham số cách ly mạch Hình 3.18 Kết mơ VSWR lối Hình 3.19 Kết mơ độ ổn định mạch Hình 3.20 Sơ đồ đo đạc dùng máy phân tích mạng Hình 3.21 Kết đo tham số S21 Hình 3.22 Kết đo tham số S11 Hình 3.23 Kết đo tham số S22 Hình 3.24 Kết đo tham số S12 MỞ ẦU Với tên đề tài luận văn : “Thiết kế chế tạo máy phát băng tần S dùng cho thông tin vệ tinh sử dụng cho tàu biển”, lý thuyết thực nghiệm, luận văn thực nội dung sau: - Tìm hiểu tổng quan ứng dụng băng tần S - Tìm hiểu lý thuyết siêu cao tần - Tìm hiểu sâu kỹ thuât phối hợp trở kháng; thiết kế chế tạo thành tạo dao động băng S (2.4 GHz – 2.5 GHz), khuếch đại công suất băng tần S ánh giá kết đạt luận văn kết luận TỔ CHƢƠ QUA VỀ CÁC Ứ DỤ BĂ TẦ S 1.1 Giới thiệu băng tần S 1.1.1 Giới thiệu chung Nguyên lý radar lần nghiên cứu ứng dụng kỹ sư người ức Christian Huelsmeyer với mục đích cho tàu thuyền tránh va chạm hoạt động thời tiết sương mù Tiếp vào chiến thứ hai, radar bắt đầu sử dụng cho mục đích quân Hơn nửa thập kỷ sau, hệ thống radar ngày phát triên mạnh mẽ khơng dùng cho mục đích quân mà cho mục đích dân dự báo thời tiết, phân luồng bay, hệ thống kiểm sốt tốc độ cao… Hình 1.1 Bảng tham số hệ thống radar 37 Hình 3.7 Kết đo tần số 2.5 GHz Hình 3.8 Kết đo tần số 2.54 GHz 38 Hình 3.9 Kết đo tần số 2.58 GHz Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn tần số phụ thuộc vào điện áp 39 Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn thay đổi biên độ theo tần số Nhận xét: Hoàn thành thiết kế tạo dao động có tham số sau:  Frequency Range: 2.2 GHz – 2.6 GHz  Output power: -8dBm +/-  Frequency Sensitivity: 75 MHz/V  Tuning voltage: – VDC  Power Supply: 5V  Phase noise: -80dBc/Hz @ offset 100KHz 40 3.2 T ế kế p c s ấ bă S 3.2.1 Yêu cầu thiết kế Yêu cầu: Thiết kế chế tạo phát công suất băng tần S (2.4GHz – 2.5GHz) Thiết kế: ể đáp ứng yêu cầu thiết kế em lựa chọn thiết kế sử dụng AH201 hãng Communication Edge với ưu điểm sau:  Dải tần hoạt động rộng tới 3GHz  Công suất phát tới 1W  ộ tuyến tính cao (IP3, OIP3)  Phân cực Hình 3.12 Packaging AH201 Hình 3.13 Tham số S linh kiện Quy trình thiết kế mạch khuếch đại công suất thực theo bước sau: 41 Bước 1: Từ datasheet lấy tham số trở kháng vào ra: Zin (Ohm); Zout (Ohm); - Bước 2: Sử dụng giản đồ Smith thiết kế mạch phối hợp trở kháng vào ra, bước thực đánh giá lựa chọn phương án tối ưu trước đưa vào mô - Hình 3.14 Sử dụng giản đồ Smith thiết kế mạch cao tần - Bước 3: Sử dụng phần mềm DS để mô - Bước 4: Thiết kế layout phần mềm chuyên dụng lắp ráp mạch - Bước 5: o đạc đánh giá kết 3.2.2 Thiết kế mạch khuếc đại công suất Sử dụng phương pháp phối hợp trở kháng dùng phần tử thụ động để thiết kế mạch khuếch đại công suất hoạt động băng tần S Khác với thiết kế phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại tạp âm thấp phần máy thu phối hợp khuếch đại công suất phải đảm bảo cho hiệu suất đạt lớn nhất, hệ số tạp âm nhỏ nhất, dải động lớn, độ tuyến tính cao, cơng suất lớn chịu … Việc lựa chọn H201 với ưu điểm thiết kế dải rộng nên hồn tồn thực thiết kế sử dụng hai phương án dùng phần tử thụ động dùng mạch dải Trong luận văn, em thiết kế mạch phối hợp trở kháng dùng phần tử thụ động L  T ế kế s dụ p ầ mềm ế kế c dụ ADS 2006A 42 Lựa chọn điểm làm việc Vds= 10V, Ids=350mA Hình 3.15 biểu diễn sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại cao tần tạp âm thấp hoạt động băng tần S Hinh 3.15 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại cơng suất băng S Trong đó, thành phần L1, đóng vai trị làm mạch trở kháng lối vào L2, 3, đóng vai trị làm mạch trở kháng lối Thành phần cuộn cảm L2 đóng vai trị làm cuộn chặn cao tần (RF ); tụ làm tụ decoupling 5, làm tụ bypassing 43  Sơ đồ mạc  v ì ả mạc ực ế ám p ỏ Từ đồ thị hình 3.16  3.18 cho thấy , hệ số khuếch đại S21 mạch S21 = 13.2 dB dải tần số 2.4 GHz đến 2.6 GHz, hệ số phản xạ lối vào S11 = 7.112dB, hệ số phản xạ lối S22 = -15.2 dB., hệ số cách ly mạch S12 cỡ nhỏ - 25dB Ngoài ra, kết đánh giá VSWR độ ổn định mạch khuếch đại biểu diễn hình 3.11 3.12 đây: 44 Hình 3.16 Kết mơ tham số mạch khuếch đại Hình 3.17 Kết mơ tham số cách ly mạch 45 Hình 3.18 Kết mơ VSWR lối Hình 3.19 Kết mơ độ ổn định mạch xé Trong thiết kế trên, hệ số khuếch đại dải tần – dải thông đáp ứng yêu cầu đặt ra, mạch hoạt động ổn định với hệ số Rollet K=1.577>1  o đạc đá am số mạc k ếc đạ 46 Sau trình thiết kế mơ phỏng, tiếp tục thực khâu quan trọng thiết kế đo đạc đánh giá so sánh tham số mạch khuếch đại so với thiết kế mơ Hình 3.20 Sơ đồ đo đạc dùng máy phân tích mạng Hình 3.21 Kết đo tham số S21 47 Hình 3.22 Kết đo tham số S11 Hình 3.23 Kết đo tham số S22 48 Hình 3.24 Kết đo tham số S12 Nh xé ác tham số đạt yêu cầu thiết kế, hệ số phản xạ vào thỏa mãn yêu cầu hệ số khuếch đại đạt 13,2 dB gần so với kết mô 49 XÉT C U Sau trình đo đạc tham số khuếch đại, minh chứng hoàn thành thiết kế với tham số sau: STT T am số T số Tần số hoạt động S band (2.2 GHz – 2.6 GHz) Hệ số khuếch đại 13.2 dB Công suât 1W Return Loss (RL) lối vào > 7dB Return Loss (RL) lối > 13dB Dải thông (Bandwidth) 400 MHz P1-dB (dBm) 20 dBm Nguồn ni 10V Dịng tiêu thụ 350 mA 10 Hệ số tạp âm hưa xác định 50 KẾT U Việc xây dựng mơ hình hệ thống phát hoạt động băng tần S dựa phân tích tìm hiểu khối chức đến chi tiết tham số kỹ thuật cho hệ thống cách tiếp cận giải vấn đề luận văn cách logic Hơn nữa, việc xây dựng mơ hình hệ thống phát dải tần không đơn giản cần giải pháp phương pháp thiết kế hợp lý Luận văn hoàn thành nội dụng sau:  Tìm hiểu tổng quan hệ thống phát băng tần S, sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần đặc biệt kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng giản đồ Smith  Tìm hiểu lý thuyết thiết kế tạo dao động (V O)  Tìm hiểu xây dựng quy trình thiết kế khép kín từ khâu thiết kế  mô  layout  chế tạo  đo đạc  Thiết kế thành công tạo dao động (V O) băng tần S; thiết kế thành công khuếch đại công suất 1W phối hợp trở kháng lối anten Tuy nhiên, thành công nhỏ bước đầu cần có nhiều thiết kế tối ưu để sản phẩm đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế 51 TÀ U T AM K ẢO Tài liệu tiếng Việt: [1] [2] PGS.TS Bạch Gia Dương, PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang Kỹ thuật siêu cao tần, NXB HQG Hà Nội GS.TSKH Phan Anh Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tài liệu tiếng nh: [1] [2] [3] [4] [5] [6] David M Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc George D Vendelin, Anthony M Pavio, Ulrich L Rohde, Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques, John Wiley & Sons, Inc Guillermo Gonzalez, Microwave Transistor Amplifiers, Prentice Hall David M Pozar, Microwave and RF design of wireless systems, John Wiley & Sons, Inc Joseph F White, High Frequency Techniques, John Wiley & Sons, Inc Ulrich L Rohde, David P Newkirk, RF/Microwave Circuit Design for Wireless Applications, John Wiley & Sons, Inc