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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG 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 TRƯỜNG 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: Cơng 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG Hà Nội – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp cơng 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 mơ hình, kết đạt nước giới trải nghiệm thân, chưa cơng 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 hồn 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 Cơ dồi sức khoẻ, thành đạt, ngày thành công nghiệp trồng người Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, anh chị, bạn bè ln 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 LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu 4.1 Nghiên cứu lý thuyết 4.2 Thiết kế khuếch đại tạp âm thấp Kết cấu luận văn CHƯƠNG 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 1.3 Lý thuyết tạp âm mạng hai cửa 1.4 Hệ số tạp âm 1.5 Dẫn nạp nguồn vào lí tưởng 1.6 Hạn chế phương pháp tối ưu hóa tạp âm thông thường 1.7 Hệ số tạp nhiệt độ 1.8 Xây dựng mơ hình mạng hai cực 1.9 Bộ LNA dải hẹp 1.9.1 Suy hao điện cảm emitter 1.9.2 Tải collector 1.9.3 Phân cực 1.10 Các thông số quan trọng mạch khuếch đại LNA 1.10.1 Hệ số tạp âm Noise Figure a) Tạp âm nhiệt (Thermal Noise) b) Shot Noise (Shottky Noise) c) Flicker Noise (1/f Noise) d) Hệ số tạp âm Noise Figure (NF) 1.10.2 Hệ số khuếch đại 1.10.3 Tính ổn định hệ thống 1.10.4 Độ tuyến tính CHƯƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP 2.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế mạch siêu cao tần 2.1.1Các loại đường truyền 2.1.2Phương trình đường truyền 2.1.3Hệ số phản xạ 2.1.4Hệ số sóng đứng 2.1.5Giản đồ Smith [5] 2.2 Tham số S rd David M Pozar (1994), “Microwave Engineering” Edition Công suất đưa tải 2.2.2Các khái niệm 2.2.3Xác định tham số S 2.2.4Đo hệ số truyền 2.2.5Xác dịnh hệ số phản xạ 2.2.1 2.3 Phối hợp trở kháng 2.3.1Phối hợp trở kháng dùng phầ 2.3.2Phối hợp trở kháng dải hẹp b 2.3.2.1 Phối hợp trở kháng đoạn dây phần tư bước sóng 2.3.2.2 Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài 2.3.2.3 Phối hợp trở kháng hai đoạn dây mắc nối tiếp 2.3.3Phối hợp trở kháng dùng dây CHƯƠNG III – MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI MẠCH 3.1 Lựa chọn phần mềm mô linh kiện 3.1.1 Lựa chọn chương trình mô 3.1.2Lựa chọn tranzitor hỗ trợ thi 3.2 Thiết kế mô mạch khuếch đại 3.2.1Phương pháp phối hợp trở kh 3.2.2Tính tốn mơ thiết kế 3.2.2.1 Phối hợp trở kháng cho lối vào Zin 3.2.2.2 Phối hợp trở kháng cho lối Zout 3.2.2.3 Phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại 3.3 Chế tạo đo đạc mạch khuếch đại 3.4 Hạn chế đo đạc mạch thực tế KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Thứ tự Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 Hình 3.26 Hình 3.27 Hình 3.28 48 * Tính tốn mơ ph ối hợp trở kháng lối vào trường hợp Dùng công cụ LineC alc phần mềm ADS 2009 ta tính độ rộng W chiều dài L đoạn dây củ a mạch phối hợp: Hình 3.9 M ạch phối hợp trở kháng lối vào trường hợp Hình 3.10 K ết tham số S11, S21 lối vào trường hợp 49 * Tính tốn mơ ph ối hợp trở kháng lối vào trường hợp Hình 3.11 Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường h ợp Hình 3.12 K ết tham số S11, S21 lối vào trường hợp 50 3.2.2.2 Phối hợp trở kháng cho lối Zout Với Z0 = 50Ω  Zout = (38.65 – j*9.1)Ω Hình 3.13 Tính tốn giá trị trở kháng Zout 51 *Tính tốn tham số lối d1 = 0.06192λ Z(d1) = 35.96 65 Ohm Zλ/4 = 42.4067 Ohm Hì nh 3.14 Trường hợp lối d2 = 0.31192λ Z(d2) = 69.5091 Ohm Zλ/4 = 58.953 Ohm Hì nh 3.15 Trường hợp lối 52 * Tính tốn mô ph ối hợp trở kháng lối trường hợp Hình 3.16 M ạch phối hợp trở kháng lối trường hợp Hình 3.17 K ết tham số S11, S21 lối trường hợp 53 * Tính tốn mơ ph ối hợp trở kháng lối trường hợp Hình 3.18 M ạch phối hợp trở kháng lối trường hợp Hình 3.19 Kế t tham số S11 S21 lối trường hợp 54 3.2.2.3 Phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại Từ kết tính tốn mạch phối hợp phối hợp trở kháng trư ờng hợp lối vào lối ra, ta thấy chọn lối vào trường hợp lối trường hợp cho kết mơ tốt Từ ta có sơ đồ mơ mạch khuếch đại: Hình 3.20 S đồ nguyên lý mô mạch khuếch đạ i Sau phân cực đưa nguồn chiều vào mạch ngun lý mơ ta có sơ đồ ngun lý thiết kế mạch khuếch đại: Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tạp âm thấ p 55 Với mạch khuếch hình 21 ta có kế mơ sau: Hình 3.22 Kế t S11, S21, VSWR mạch khuếch đại Kết mô phỏng: S2 = 12.368 dB  hệ số khuếch đại cao, phù hợp với độ lợi chip SPF 3043 băng X S 11 = -34.750 dB hệ số sóng đứng V SWR=1 phù hợp với tiêu chí phối hợp trở kháng 3.3 Chế tạo đo đạc mạch khuếch đại Sau mô thành công, ta tiến hành thiết kế layout c ho mạch gia cơng hồn thiện ta sản phẩm mạch khuếch đại thực tế: Hình 3.23 Layout mạch khuếch đại tạp âm thấp 56 Hình 3.24 Sản phẩm thực tế mạch khuếch đại tạp âm thấp Tiến hành đo đạc mạch thực tế ta kết quả: Hình 3.25 Sơ đ bố trí đo đạc mạch khuếch đại tạp âm t hấp 57 Hình 3.26 Kết đo tham số S21(hệ số khuếch đại mạch) S21 = 9.876 dB  hệ số khuếch đại G = 9.876 dB chưa đạt tới kết mô (G = 12.368 dB) đo tần số làm việc 8.49675 Ghz bị dịch tần so với tần số làm việc mô 8.5 Ghz suy hao tổn thất đường truyền thực nghiệm khơng lý tưởng mơ 58 Hình 3.27 Kết đo thực nghiệm tham sốS11 S11 = - 7.106 dB, độ âm chưa sâu đạt tiêu phối hợp trở kháng a)b) Hình 3.28 Đo đạc xác định băng thông mạch a) b) Hệ số khuếch đại giảm 3dB bên trái so với đỉnh tần số trung tâm Hệ số khuếch đại giảm 3dB bên phải so với đỉnh tần số trung tâm 59 Băng thông mạch đạt khoảng 19 Mhz đạt yêu cầu so với mạch khuếch đại tạp âm băng tần X 3.4 Hạn chế đo đạc mạch thực tế - Kết đo thông số mạch thực tế: + Hệ khuếch đại G = S21 = 9.876 dB + Băng thông mạch: BW = 19 Mhz (8.4874 Ghz - 8.5068 Ghz) + Tham số S11 = -7.106 dB - Về hệ số NF: hạn chế thiết bị đo hệ số NF nên đo đạc thông số mạch khuếch đại thực tế không đo hệ số NF 60 KẾT LUẬN Trong thời gian tìm hiểu nghiên cứu giúp đỡ tận tình thầy hướng dẫn PGS.TS Bạch Gia Dương, đến toàn nội dung luận văn đãđược hoàn thành đáp ứng đầy đủ yêu cầu đãđặt Quá trình thực đề tài thực khoảng thời gian vô quý báu hữu ích cho em nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật siêu cao tần, khó khăn triển khai ứng dụng lý thuyết siêu cao tần vào thực tế Hơn nữa, hành trang kiến thức quý giá cho em công tác thực tiễn sau Qua trình tìm hiểu thực đề tài, em thu kết sau: Tìm hiểu tổng quan khuếch đại tạp âm thấp thu radar băng X Nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật siêu cao tần tìm hiểu kỹ thuật phối hợp trở kháng để đưa giải pháp tối ưu thiết kế khuếch đại tạp âm thấp băng X máy thu radar Sử dụng phần mềm chuyên nghiệp ADS để thiết kế, mơ mạch siêu cao tần nói chung mạch khuếch đại tạp âm thấp nói riêng Thiết kế, chế tạo, đo đạc thành cơng khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tần băng X ứng dụng theo dõi thời tiết, kiểm sốt khơng lưu, kiểm sốt giao thơng hàng hải, radar bám mục tiêu cho quốc phòng đo tốc độ phương tiện cho cảnh sát Hệ số khuếch đại 9.876 dB Dải thông đạt 19 MHz Kết đo kiểm tham số S phù hợp với kết mô Và hướng phát triển đề tài: o Tiếp tục cải thiện đặc tính LNA cho tốt (NF nhỏ hơn, độ lợi cao hơn, độ tuyến tính tốt hơn…) o Tìm hiểu thiết kế LNA hoạt động nhiều tần số yêu cầu khác thực tế có băng thơng dải rộng đến siêu rộng 61 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 ... 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... 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 -... 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