Nghiên cứu thiết kế chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng S dùng cho trạm thu mặt đất, thu tín hiệu vệ tinh tầm thấp : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện, điện tử và viễn thông: 605202

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG HỒNG LÝ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO TUYẾN THU SIÊU CAO TẦN BĂNG S DÙNG CHO TRẠM THU MẶT ĐẤT, THU TÍN HIỆU VỆ TINH NHỎ TẦM THẤP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI-2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ HỒNG HỒNG LÝ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO TUYẾN THU SIÊU CAO TẦN BĂNG S DÙNG CHO TRẠM THU MẶT ĐẤT, THU TÍN HIỆU VỆ TINH NHỎ TẦM THẤP Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử ,Truyền Thông Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số:60520203 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : GS.TS Bạch Gia Dƣơng HÀ NỘI-2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu cá nhân dựa sơ nghiên cứu lý thuyết, thực tế dƣới hƣớng dẫn GS.TS Bạch Gia Dƣơng Các số liệu luận văn chân thực dựa mơ hình , kết đạt đƣợc giới học hỏi rèn luyện thân chƣa đƣợc công bố dứơi hình thức trƣớc trình bày bảo vệ trƣớc “ Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ” Hà Nội, Ngày tháng năm 2018 Ngƣời cam đoan LỜI CẢM ƠN Với lịng biết ơn sâu sắc, tơi xin chân thành cảm ơn thầy GS.TS Bạch Gia Dƣơng, ngƣời dành nhiều thời gian tâm huyết bảo hƣớng dẫn giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô, anh chị trung tâm nghiên cứu điện tử viên thông giúp tạo điều kiện thời gian kỹ thuật giúp tơi hồn thành khóa luận Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Khoa Điện tử -viễn thông , trƣờng Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội tận tình dạy bảo tơi suốt q trình học tập Cuối tơi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè ln bên cạnh động viên giúp đỡ tơi q trình học tập nhƣ q trình làm khóa luận Mặc dù tơi cố gắng hồn thiện luận văn tất kiến thức lực nhƣng khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đƣợc đóng góp q thầy bạn để viết hoàn thiện Hà Nội, ngày tháng năm 2018 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG : TỔNG QUAN TÀI LIỆU VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Thông tin vệ tinh 1.2 Sơ đồ tuyến thu siêu cao tần 1.3 Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA( Low Noise Amplifier) 1.3.1 Hệ số tạp âm 1.3.2 Hệ số khuếch đại 1.3.3 Tính ổn định hệ thống độ tuyến tính 10 1.4 Bộ trộn tần 12 CHƢƠNG : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 13 2.1 Giới thiệu chung 13 2.2 Các tham số 14 2.2.1 Đƣờng truyền sóng 14 2.2.2 Hệ số phản xạ 16 2.2.3 Hệ số sóng đứng điện áp(VSWR) 17 2.3.4 Cơng suất trung bình truyền theo đƣờng dây truyền sóng 19 2.3 Giản đồ Smith 20 2.4 Kỹ thuật phối hợp trở kháng 26 2.4.1 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung 27 2.4.2 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm 29 2.4.3 Phối hợp trở kháng dùng 1/4 bƣớc sóng 32 CHƢƠNG :NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO TUYẾN THU BĂNG S 34 3.1 Nghiên cứu thiết kế chế tạo khuếch đại tạp âm thấp 34 3.1.1 Công cụ mô tính tốn 34 3.1.2 Transistor cao tần SPF-3043 34 3.1.3 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng 36 3.1.4 Thiết kế layout 46 3.2 Xây dựng trộn tần 47 3.3 Thực nghiệm kết 51 3.3.1 Kết chế tạo mạch LNA 51 3.3.2 Kết trộn tần số 53 3.3.3 Kết tuyến thu siêu cao tần 55 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADS IF LNA LO VCO OIP3 IIP3 Advaned Design Systems Intermediate Frequency Low Noise Amplifer Local Oscillartor Voltage Controlled Oscillator Output Order Intercept Point Input Order Intercept Point Tần số trung tần Khuếch đại tạp âm thấp Bộ dao động nội DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1: Băng tần sóng cao tần theo IEEE 13 Bảng 2: Bảng mô tả chức chân transistor SPF-3043 35 Bảng 3: Bảng tham số S-parameter transistor SPF-3043 35 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động hệ thống vệ tinh Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống thu Hình 1.3: Mơ hình mạng cửa Hình 1.4: Mạng tạp âm cửa với nguồn trở kháng tải Hình 1.5: Điểm nén 1-dB điểm chặn bậc 3[6] 11 Hình 2.1: Đương truyền sóng(a) mạch tương đương (b) 15 Hình 2.2: Sóng truyền đường truyền[5] 16 Hình 2.3: Sóng đứng điện áp đường truyền khơng hao tổn 18 Hình 2.4: Sóng đứng dịng điện sóng đứng điện áp đường truyền 18 Hình 2.5: Các vịng trịn đẳng r mặt phẳng phức Γ 21 Hình 2.6: Các vịng trịn đẳng x mặt phẳng phức Γ 22 Hình 2.7: Các vịng trịn đẳng |Γ| đẳng S mặt phẳng phức Γ 23 Hình 2.8: Giản đồ smith 25 Hình 2.9: Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao giưã trở kháng tải đường truyền dẫn sóng 27 Hình 2.10: Mạch phối hợp trở kháng hình L 28 Hình 2.11: Phối hợp trở kháng dùng dây chêm đơn 30 Hình 2.12: Biểu diễn giản đồ Smith phối hợp trở kháng dây chêm song song 31 Hình 2.13: Biểu diễn giản đồ Smith phối hợp trở kháng dây chêm nối tiếp 32 Hình 2.14: Phối hợp trở kháng dùng đoạn ¼ bước sóng 33 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý tuyến thu đổi tần 34 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc chân transistor SPF-3043 35 Hình 3.3: Hệ số khuếch đại transistor SPF-3043 35 Hình 3.4:Giản đồ smith transistor SPF-3043 36 Hình 3.5: Sơ đồ mạch phối hợp trở kháng 37 Hình 3.6: Nạp giá trị xác định vị trí giản đồ Smith 38 Hình 3.7: Mơ tả mạch phối hợp trở kháng dây chêm song song ta thấy vòng tròn cắt g=1 hai điểm hai nghiệm tốn 38 Hình 3.8: Kết toán phối hợp trở kháng 39 Hình 3.9:Tính tốn tham số mạch dải dây chêm phối hợp trở kháng lối vào 40 Hình 3.10:Tính tốn tham số mạch dải từ dây chêm đến tải 40 Hình 3.11: Phối hợp trở kháng lối vào mạch LNA 40 Hình 3.12: Kết mơ tham số S(1,1) S(2,1) theo tần số 41 Hình 3.13: Vị trí giản đồ Smith 42 Hình 3.14: Hình mơ tả hai nghiệm tốn 42 Hình 3.15: Kết toán phối hợp trở kháng với lối 42 Hình 3.16: Tính tốn tham số mạch dải dây chêm 43 Hình 3.17: Tính tốn tham số mạch dải từ dây chêm đến tải 43 Hình 3.18: Mạch phối hợp trở kháng lối LNA 44 Hình 3.19: Kết mơ tham số S(2,2) Tham số S(2,1) theo tần số 44 Hình 3.20: Mạch phối hợp trở kháng LNA 45 Hình 3.21: Kết mô mạch phối hợp trở kháng 45 Hình 3.22: Layout mạch khuếch đại tạp âm thấp SPF-3043 46 Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý LT-5527 48 Hình 3.24: Kết nối cuả LT-5527 49 Hình 3.25: Sơ đồ tuyến thu đổi tần băng S sử dụng LT-5527 50 Hình 3.26: Mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA SPF- 3043 51 Hình 3.27: Kết nối mạch với hệ thống máy phân tích phổ 52 Hình 3.28: Kết đo khuếch đại cơng suất máy phân tích phổ 52 Hình 3.29: Bộ trộn tần tích hợp với dao động chỗ theo kiểu VCO 53 Hình 3.30: Kết nối hệ thống đo phổ tần số 53 Hình 3.31: Kết trộn tần số 54 Hình 3.32: Tuyến thu đổi tần băng S 55 Hình 3.33: Kết nối hệ thống đo kết 55 Hình 3.34: Kết máy đo phân tích phổ 56 44 Hình 3.18: Mạch phối hợp trở kháng lối LNA Hình 3.19: Kết mơ tham số S(2,2) Tham số S(2,1) theo tần số 45 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng LNA Sau thiết xong phần phối hợp trở kháng vào transitor SPF-3043 ghép nối phần lại thông qua transistor SPF-3043( sử dụng file chƣa tham số S_Parameter File.S2P) để hồn thiện mơ mạch phối hợp trở kháng LNA Mạch thiết kế gồm nhánh lối vào, lối việc cấp nguồn cho hai nhánh ta sử dụng đoạn dây lamda/4 có trở kháng =50Ω (W=3.07263mm ; L=16.5226mm) Hình 3.20: Mạch phối hợp trở kháng LNA Hình 3.21: Kết mơ mạch phối hợp trở kháng Nhận xét: từ kết mô cho thấy hệ số khuếch đại S(2,1) ~25 dB phù hợp với độ lợi transistor SPF-3043 Chúng ta tiến hành thiết kế layout cho mạch 46 3.1.4 Thiết kế layout Sau mô có tham số tốt tiến hành thiết kế layout cho mạch để hoàn thành sản phẩm thực tế Hình 3.22: Layout mạch khuếch đại tạp âm thấp SPF-3043 47 3.2 Xây dựng trộn tần Để xây dựng trộn tần với mục đích biến đổi tần số từ cao tần 2.5 GHz xuống trung tần 50MHz ta sử dụng IC LT-5527 LT-5527 đƣợc đăng kí tập đồn cơng nghệ Linear Bộ trộn LT-5527 tối ƣu hóa cho độ tuyến tính cao, phạm vi hoạt động rộng ứng dụng chuyển đổi tần xuống IC bao gồm khuếch đại dịng, khuếch đại tín hiệu giới hạn trộn tần cân Băng thông rộng, biến đổi tích hợp phối hợp trở kháng đầu vào RF LO Lối IF cho phép kết nối với lọc IF khuếch đại trung tần dễ dàng kết hợp với đầu 50Ω ,có khơng có biến áp bên Đầu vào RF đƣợc phối hợp trở kháng 50Ω từ 1,7 GHz đến 3GHz đầu vào LO đƣợc phối hợp trở kháng 50Ω từ 1,2 GHz đến 5GHz Dải tần số hai cổng dễ dàng mở rộng với kết hợp bên Đầu IF đƣợc kết nối phần sử dụng cho tần số lên đến 600MHz Mức độ tích hợp cao LT5527 giảm thiểu chi phí , diện tích mạch dễ dàng sử dụng nhiều hệ thống Đặc tính LT-5527: Phối hợp trở kháng 50 Ω lơí vào (LO RF) Dải tần số rộng : 400MHz-3.7GHz Đầu vào IP3 cao: 23.5dB 1900MHz Hệ số chuyển đổi Gain: 3.2 dB 900MHz 2.3 dB 1900 MHz Tích hợp với đệm LO: kết nối với dao động LO Cổng LO-RF LO-IF độc lập Hệ số tạp âm thấp:12.5dB 1900MHz Dải điện áp hoạt động :từ 4.5V-5.25 V 48 Hình 3.23:Sơ đồ nguyên lý LT-5527 NC (Pins 1, 2, 4, 8, 13, 14, 16): Không kết nối nội Các chân nên đƣợc nối đất bảng mạch để cải thiện tính độc lập LO-RF LO-IF RF (Pin 3): đầu vào đơn đầu vào cho tín hiệu RF Pin đƣợc kết nối nội với mặt máy biến áp đầu vào RF, có điện trở DC thấp với mặt đất Nếu nguồn RF khơng bị chặn DC, phải sử dụng tụ điện chặn hàng loạt Ngõ vào RF đƣợc kết hợp nội từ 1,7 GHz đến 3GHz Thao tác xuống đến 400MHz lên đến 3700MHz với kết hợp bên đơn giản EN (Pin 5):Pin điều khiển.Khi điện áp cho phép đầu vào cao 3V, mạch trộn đƣợc cung cấp qua Pin 6, 7, 10 11 đƣợc kích hoạt Khi điện áp đầu vào nhỏ 0.3V, tất mạch bị vô hiệu Dịng đầu vào điển hình 50μA EN = 5V 0μA EN = 0V Khơng có điều kiện nên điện áp pin EN vƣợt VCC+ 0.3V, khởi động VCC2 (Pin 6): Pin cung cấp điện cho mạch khuếch đại tiêu thụ tiêu biểu 2,8mA Pin phải đƣợc kết nối bên với chân VCC1 tách rời với tụ điện 1000pF 1μF VCC1 (Pin 7): Pin nguồn cho Mạch đệm LO Hiện điển hình tiêu thụ 23.2mA Pin phải đƣợc kết nối bên với chân VCC2 tách rời với tụ điện 1000pF 1μF 49 GND (Pins 9, 12): đất Các chân đƣợc kết nối nội với mặt sau để cải thiện độc lập , nên đƣợc kết nối với đất RF bảng mạch, họ khơng có ý định để thay tảng thơng qua liên lạc phía sau IF-, IF + (Pins 10, 11): Các đầu khác biệt cho tín hiệu IF Một chuyển đổi trở kháng đƣợc yêu cầu để phù hợp với đầu Các chân phải đƣợc kết nối với VCC qua cảm ứng phù hợp cảm ứng, RF chokes trung tâm biến áp LO (Pin 15): đầu vào đơn đầu vào cho tín hiệu dao động nội Pin đƣợc kết nối nội với phía máy biến áp LO, đƣợc chặn bên DC Một tụ điện chặn bên ngồi khơng bắt buộc Đầu vào LO đƣợc kết hợp nội từ 1,2 GHz đến GHz Hoạt động xuống đến 380 MHz với kết hợp bên ngồi PAD (Pin 17): Quay trở lại toàn vi mạch Hình 3.24:Kết nối cuả LT-5527 Đầu vào RF đƣợc kết nối nội từ 1.7 GHz - GHz.Khi kết nối thêm tụ (C5) vào đầu RF phối hợp trở kháng lối vào Z=50 Ω dải tần số lối vào từ 400 MHz-3.7 GHz 50 Đầu vào LO đƣợc kết nối nội từ 1,2 GHz đến GHz, tần số hữu ích tối đa bị giới hạn 3,5 GHz khuếch đại nội Tần số đầu vào đƣợc dịch chuyển xuống dƣới 380 MHz, kết hợp bên ngoaì với tụ điện shunt đơn (C4) Pin 15 chèn thêm cuộn cảm L4 đặt gần pin 15 Nhận xét: Ta xây dựng trộn tần biến đổi tần số từ cao tần xuống trung tần dựa IC LT-5527 Nếu lối vào RF 2.5 GHz lối vào từ dao động chỗ LO 2.45 GHz lối IF có tần số 50MHz Hình 3.25: Sơ đồ tuyến thu đổi tần băng S sử dụng LT-5527 51 3.3 Thực nghiệm kết 3.3.1 Kết chế tạo mạch LNA Sau thiết kế layout xong tiến hành làm mạch thực tế: Khi lắp mạch thực tế ta lắp điện trở bên lối vào lớn R=5600 Ω để đảm bảo cƣờng độ dòng lối vào transistor đủ nhỏ Đồng thời lắp thêm tụ để chống nhiễu dòng cho mạch tránh hỏng transistor Ta đƣợc mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA 5.5mm Hình 3.26: Mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA SPF- 3043 52 Hình 3.27: Kết nối mạch với hệ thống máy phân tích phổ Kết nối mạch khuếch đại LNA với hệ thống: Cung cấp điện áp cho mạch với nguồn âm 3.0 V nguồn dƣơng 5.73 V dòng điện qua mạch 0.4 mA Đầu vào lối với máy phát tần số 2.5GHz đo khuếch đại lối máy phân tích phổ Hình 3.28: Kết đo khuếch đại cơng suất máy phân tích phổ 53 Nhận xét: Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA hoạt động tƣơng đối tốt, tần số 2,5GHz khuếch đại ~9dB suy hao dây 3.5dB Khi khơng có suy hao dây mạch khuếch đại 12.5 dB Mạch chế tạo có khả ứng dụng tuyến thu siêu cao tần 3.3.2 Kết trộn tần số Dƣới trộn tần số đƣợc xây dựng dƣạ IC –LT5527 đƣợc tích hợp với dao động chỗ VCO Hình 3.29: Bộ trộn tần tích hợp với dao động chỗ theo kiểu VCO Hình 3.30: Kết nối hệ thống đo phổ tần số 54 Hình 3.31: Kết trộn tần số Nhận xét: tần số lối vào trộn tần 2,5 GHz ta thấy trộn tần chuyển đổi tần số từ cao tần chung tần Tần số lối trộn tần ~50MHz 55 3.3.3 Kết tuyến thu siêu cao tần Ta kết nối khuếch đại tạp âm thấp LNA với trộn tần số hình thành tuyến thu đổi tần băng S Hình 3.32:Tuyến thu đổi tần băng S Hình 3.33: Kết nối hệ thống đo kết 56 Hình 3.34:Kết máy đo phân tích phổ Kết cho thấy chuyển đổi tần số từ cao tần xuống trung tần Hệ số chuyển đổi ghép nối khuếch đại tạp âm thấp LNA với trộn tần ~ 18dB tần số phát lối vào 2.5 GHz Ta tiến hành đo băng thông tuyến thu vị trí -3 dB ta đo đƣợc fmax fmin =2.485 GHz =2.548 GHz Băng thông mạch = - =63MHz Băng thông rộng 63MHz cho phép truyền điều chế tín hiệu phức tạp băng tần S Hiện kênh tần số thông tin vô tuyến 30-40 MHz kết thu đƣợc tƣơng đối khả quan cho việc xây dựng tuyến thu băng S hoàn chỉnh 57 KẾT LUẬN Trong trình thực đề tài thực khoảng thời gian vô quý báu hữu ích cho em đƣợc nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật siêu cao tần, nhƣ khó khăn triển khai ứng dụng lý thuyết siêu cao tần vào thực tế Việc thực luận văn giúp nắm vững kiến thức lý thuyết siêu cao tần đƣợc thực hành với cơng cụ phần mềm, máy móc đại Qua trình tìm hiểu thực đề tài, luận văn thu đƣợc kết nhƣ sau: - Tìm hiểu tổng quan hệ thống thơng tin vệ tinh - Tìm hiểu ngun lý hoạt động tuyến thu siêu cao tần - Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quát kỹ thuật siêu cao tần tìm hiểu kỹ thuật phối hợp trở kháng để đƣa giải pháp thiết kế khuếch đại LNA đồng thời xây dựng dao động chỗ theo kiểu VCO trộn tần cho tuyến thu băng tần S - Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA hoạt động tƣơng đối tốt, tần số 2,5GHz khơng có suy hao dây mạch khuếch đại 12.5 dB - Tuyến thu đổi tần hoạt động tốt hệ số chuyển đổi ~ 18dB với băng thông rộng 63MHz cho phép truyền điều chế phức tạp băng S - Do thời gian có hạn, siêu cao tần lại vấn đề phức tạp nên kết đạt đƣợc hạn chế Đề tài phần nhỏ hệ thống thu – phát thông tin vệ tinh 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bạch Gia Dƣơng, Trƣơng Vũ Bằng Giang (2013), Kỹ thuật siêu cao tần, Nhà xuất Đại học Quốc Gia, Hà Nội Vũ Đình Thành (1997), Lý thuyết sở Kỹ thuật siêu cao tần, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Phạm Anh Dũng (2007), Thông tin vệ tinh, Trung tâm đào tạo bƣu viễn thơng 1, mã số 411TVT360, Hà Nội PGS.TS Trần Quang Vinh – Ths Chử Văn An, Nguyên lý kỹ thuật điện tử, NXB Giáo dục, Hà Nội Bạch Gia Dƣơng, Bài giảng kỹ thuật siêu cao tần,Trƣờng đại học công nghệ đại học quốc gia Hà Nội Tạ Văn Quang, Thiết kế chế tạo khuếch đại tạp âm thấp với chế bảo vệ dùng cho radar sóng centimet, luận văn thạc sĩ trƣờng đại học Công Nghệ, ĐHQG Hà Nội(2016) Tiếng Anh David.M.Pozar (2012), Microwave Engineering, John Wiley & Son, Fourth Edition Guillermo Gonzalez, Microwave transistor amplifiers, Prentice Hall http://datasheet.eeworld.com.cn/pdf/STANFORD/156502_SPF3043pdf 10.http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/5527fa.pdf