Thiết kế máy thu thông tin vệ tinh băng tầng c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN CÔNG THIẾT KẾ MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG TẦN C LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG Huế - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN CÔNG THIẾT KẾ MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG TẦN C Ngành: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ -VIỄN THÔNG Chuyên nghành KỸ THUẬT –ĐIỆN TỬ 60.52.02.03 Mã số LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHÀNH CÔNG NGHỆ - ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS - TS BẠCH GIA DƯƠNG Huế- 2014 LỜI CẢM ƠN Tôi chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Đốc Đài PT-TH Quảng Trị, Phịng Kỹ Thuật- Cơng nghệ anh chị em đồng nghiệp tạo điều kiện cho vừa công tác vừa tham gia học tập hồn thành tốt chương trình cao học thực luận văn Để hồn thành chương trình cao học viết luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình Q thầy giáo khoa Điện tử - viễn thông trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà nội Tôi ghi nhận biết ơn giúp đỡ quý báu Tơi xin chân thành gửi lời cám ơn đến, Phịng Đào tạo Sau đại học, Bộ mơn Điện Tử - Viễn Thông, khoa Vật lý trường Đại Học Khoa Học Huế tạo điều kiện, giúp đỡ cho học tập, thực hành suốt hai năm qua Tôi chân thành cảm ơn tất học viên lớp ĐT-VT 18, người bạn, người đồng chí giúp đỡ tơi nhiều suốt q trình học tập Tơi đặc biệt dành kính trọng biết ơn sâu sắc đến PGS- Tiến sỹ BẠCH GIA DƯƠNG, người dành quan tâm đặc biệt cho đề tài nghiên cứu hỗ trợ kịp thời, có ý nghĩa hướng dẫn tận tình tơi hồn thành tốt luận văn Tơi thật biết ơn người thân gia đình hỗ trợ, giúp đỡ vật chất tinh thần để tơi hồn thành tốt luận văn Mặc dù tơi có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q báu q thầy bạn Quảng Trị, ngày 08 tháng năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Công LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Nguyễn Văn Công MỤCLỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU 1.1 Khái quát chung 1.2 Các thuật ngữ cần thiết – Tham số tập trung, tham số phân 1.3 Lý thuyết đường dây truyền sóng 1.3.1 Khái niệm đị 1.3.2 Cách biểu diễn m tập trung 1.3.3 Phương trình vi 1.3.4 Truyền sóng trê 1.3.5 Đường truyền k 1.3.6 Hệ số phản xạ : 1.3.7 Hiện tượng sóng 1.3.8 Hệ số sóng đứng 1.3.9 Hệ số phản xạ tạ 1.4 Công suất trung bình truyền theo đường dây truyền sóng 1.4.1 Tổn hao phản xạ 1.4.2 Trở kháng vào c 1.5 Mạch dải siêu cao tần 1.6 Đồ thị vòng tròn- Đồ thị Smith 1.6.1 Đồ thị vòng tròn 1.6.2 Đồ thị vòng tròn trở kháng hệ tọa độ cực ( Đồ thị Smith) 1.6.2.1 1.6.2.2 1.6.2.3 1.6.2.4 1.7.1 Ý nghĩa việc phối hợp trở kháng 1.7.2 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung 1.7.3 Phối hợp trở kháng dải hẹp đoạn dây dẫn song song mắc liên tiếp 1.7.3.1 Phối hợp trở kháng đoạn dây 1.7.3.2 Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài b 1.8 Tổng quan vòng bám pha (PLL): 1.8.1 Bắt chập giữ c 1.8.2 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha: 1.8.3 Bộ so pha 1.8.4 Các chia tần CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TIN VỆ TINH52 2.1 Lịch sử thông tin vệ tinh 2.2 Quá trình phát triển thông tin vệ tinh Việt Nam 2.2.1 Vệ tinh Vinasat-1 2.2.2 Vệ tinh Vinasat-2 2.2.3 Tầm quan trọng Vinasat Vinasat 2.3 Đặc trưng đường truyền thông tin vệ tinh : 2.3.1 Dải tần hoạt động có độ suy hao nhỏ 2.3.2 Những ưu điểm đường truyền thông tin vệ tinh 2.4 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thu tín hiệu CHƯƠNG 3MƠ HÌNH MÁY THU VỆ TINH BĂNG TẦN C VÀ THIẾT KẾ MÔ PHỎNG DÙNG PHẦN MỀM ANSOFT 3.1 Mơ hình tổng qt máy thu vệ tinh băng tần C 3.2.Chế tạo khuếch đại cao tần tạp âm thấp băng tầ 3.3.Nghiên cứu thiết kế trộn tín hiệu siêu cao tần b KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT AM Amplitude Modulation EHF Extremely High Frequency FM Frequency Modulation IF Intermediate Frequency LNA Low Noise Amplifier LO Local Oscillator PM Phase Modulation RF Radio Frequency SHF Super High Frequency TEM Transverse Electromagnetic VCO Voltage Controlled Oscillator DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Biểu diễn mạch tương đương đoạn đường truyền sóng siêu cao tần (1a,1b) Hình 1.2 cao tần Mạng Hình 1.3 Sơ đồ Hình 1.4 cuối Sóng đ Hình 1.5 truyềnkhơng tổn hao có mắc tải đầu cuối Sóng Hình 1.6 Các lo Hình 1.7 Các Hình 1.8 Trở k Hình 1.9 Họ cá Hình 1.10 Họ cá Hình 1.11 Đồ th Hình 1.12 Họ vị Hình 1.13 Mơ h Hình 1.14 Mạch Hình 1.15 Hình 1.16 Phối h Phối h Cần xác định Za l dể phối hợp ZL với Z0 Hình 1.17 Sơ đồ Hình 1.18 Đặc tr Hình 1.19 Sự ph Hình 1.20 Sơ đồ chức tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha Hình 1.21 Cấu trúc so pha số, đó: Delay: trễ, U1, U2: Các trigơ D, U3: AND, U4: đảo Hình 1.22 Giả Hình 1.23 Giả Hình 2.1 Ph Hình 2.2 Vùn Hình 2.3 Vùn Hình 3.1 Sơ Hình mã tín hiệu 3.2 Sơ Hình 3.3 băng tần C Sơ Hình 3.4 Kết Hình 3.5 Kết Hình 3.6 Kết Hình 3.7 Sơ Hình 3.8 Ansoft Kết Hình 3.9 Ansoft Kết Hình 3.10 Ansoft Kết Hình Hình 3.12 3.11 Sơ Sơ Hình 3.13 Mạ Hình 3.14 Kết 61 CHƯƠNG MƠ HÌNH MÁY THU VỆ TINH BĂNG TẦN C VÀ THIẾT KẾ MÔ PHỎNG DÙNG PHẦN MỀM ANSOFT 3.1 Mơ hình tổng qt máy thu vệ tinh băng tần C Tín hiệu thu từ vệ tinh qua Anten khuếch đại khuếch đại tạp âm thấp Tín hiệu thu từ vệ tinh tín hiệu siêu cao tần, có thành phần tạp nhiễu, xử lý việc kết hợp với chuyển đổi tín hiệu trung tần, cho phép chuyển đổi tín hiệu siêu cao tần thành tín hiệu trung tần thơng qua việc sử dụng tạo sóng chổ có tần số lệch từ tạo sóng với phát với tần số trung tần Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống thu Tín hiệu siêu cao tần sau chuyển đổi thành tín hiệu trung tần tiếp tục xử lý để loại bỏ tạp nhiễu không cần thiết khuếch đại khuếch đại trung tần (IF) Việc sử dụng phận với tạp âm thấp trì mức tổn hao nhỏ yếu tố quan trọng tầng trộn khuếch đại tạp âm thấp tầng quan trọng xét tới khái niệm nhiễu Tiếp theo tín hiệu trung tần lọc để loại bỏ sóng hài không cần thiết khuếch đại khuếch đại trung tần Kết hợp khuếch đại lọc trung tần (IF amplifier/filter) có hệ số khuếch đại cao với dải thông hẹp (khoảng 2fm) cho ta cơng suất nhiễu sử dụng khuếch đại cao tần có độ khuếch đại cao Ưu việc sử dụng khuếch đại trung tần (IF Amplifier) hạn chế tối đa ảnh hưởng độ nhiễu (Noise) 1/f Bên cạnh đó, thu có cộng hưởng nhờ thay đổi tần số tạo sóng chỗ Người ta coi hệ thống máy thu đổi tần Công suất khuếch đại tần số trung tần IF vào tách sóng (Ditector) từ nhận tín hiệu sở fm 62 Hình 3.2 Sơ đồ khối tuyến thu siêu cao tần băng C tích hợp với máy thu giải mã tín hiệu 3.2 Chế tạo khuếch đại cao tần tạp âm thấp băng tần C Sơ đồ thiết kế khuếch đại cao tần tạp âm thấp LNA băng tần C nhánh lối vào minh họa sơ đồ hình vẽ 3.3 Phương pháp thiết kế mô khuếch đại cao tần tạp âm thấp LNA băng tần C sử dụng kỹ thuật phối hợp trở kháng dung dây chêm hở mạch đầu cuối cách thành phần cần phối hợp đoạn kλ lần bước sóng, trở kháng lối vào chuẩn hóa 50 Ω 63 Hình 3.3 Sơ đồ thiết kế mô khuếch đại cao tần tạp âm thấp LNA băng tần C nhánh lối vào Hình 3.4 Kết mô tham số S11 dùng phần mềm Ansoft 64 Hình 3.5 Kết mơ tham số S21 dùng phần mềm Ansoft Hình 3.6 Kết mơ tham số S22 Nhánh lối có cấu trúc hình vẽ, mạch ta sử dụng phương pháp phối hợp trở kháng dây chêm ngắn mạch đầu cuối mạch dải cách trở tải đoạn kλ bước sóng, trở kháng chuẩn hóa 50Ω hình 3.7 Sơ đồ thiết kế mơ khuếch đại cao tần tạp âm thấp LNA băng tần C nhánh lối 65 Hình 3.7 Sơ đồ thiết kế nhánh lối Hình 3.8 Kết mơ tham số S11 nhánh lối dùng phần mềm Ansoft 66 Hình 3.9 Kết mơ tham số S21 nhánh lối dùng phần mềm Ansoft Hình 3.10 Kết mô tham số S22 nhánh lối dùng phần mềm Ansoft 3.3 Nghiên cứu thiết kế trộn tín hiệu siêu cao tần băng C Bộ trộn siêu cao tần sử dụng đề tài để tạo tín hiệu trung tần cho máy thu vệ tinh máy thu tín hiệu thơng tin vũ trụ Bộ trộn chế tạo công nghệ mạch dải Các nội dung sau thực để đạt mục tiêu đề tài: a Tìm kiếm mua sắm vật tư phù hợp để thiết kế chế tạo trộn tín hiệu tần số 3-10 GHz b Thiết kế, chế tạo trộn băng tần C c Thiết kế, chế tạo vỏ hộp cho trộn chống nhiễu cao d Đo kiểm tra đánh giá chất lượng loại mạch trộn tần số siêu cao Nghiên cứu thiết kế tạo dao động trộn dùng cho hệ thống kiểm sốt bám sát góc tầm 67 * Bộ tạo dao động VCO: Như trình bày trên, dao động nội cần đạt khả chuyển tần mềm dẻo dải tần từ C đến Ku Để thực yêu cầu nhóm nghiên cứu thực giải pháp chế tạo VCO độ tuyến tính theo yêu cầu Tuy nhiên, thiết kế LNA, thiết kế VCO tần số cao cỡ vài GHz đến vài chục GHz có nhiều giải pháp, nên cần chọn giải pháp tối ưu Trong phần nghiên cứu mô thành công tạo dao động băng tần C phương pháp: + Sử dụng sơ đồ tạo dao động điển hình Colpitts + Sử dụng cơng nghệ CMOS mô kết hợp phần mềm Cadence Bộ trộn cao tần sử dụng JFET có dạng tổng quát hình 3.11 Hình 3.11 Sơ đồ thiết kế trộn cao tần sử dụng JFET Yêu cầu thiết kế Thiết kế mạch trộn đổi tần với tín hiệu lối vào dải tần băng C mà mạch tạo dao động phát ra, chênh lệch tần số dải băng L băng S dùng để tích hợp với máy thu giải mã Tín hiệu dao động ngoại sai công suất từ -5 đến dBm Lối tín hiệu trung tần Vì tín hiệu lối sau trộn tần thường có cơng suất nhỏ nên để lối trung tần có cơng suất -10 dBm cần lựa chọn linh kiện để trộn tần phần tử khuếch đại Trong trường hợp này, chọn sử dụng linh 68 kiện JFET SPF-3043) Đây linh kiện tích cực, có hệ số khuếch đại lớn, tạp nhiễu nhỏ Đưa lối vào cực gate lấy lối cực drain linh kiện Với FET phương trình liên hệ dùng để phân giải mạch là: + IG ≈ 0A (dòng điện cực cổng) + ID = IS (dòng điện cực máng = dòng điện cực nguồn) Thiết kế mạch khuếch đại dùng FET cần quan tâm tới ổn định điểm tĩnh điều khiển thường chọn điểm điều khiển nằm vùng hoạt động tuyến tính Trị số tốt thường chọn là: ID = Ngoài ra, VDS không vượt trị số tối đa mà FET chịu đựng Trị số tốt thường chọn : ID = Ngoài ra, VDS không vượt trị số tối đa mà FET chịu đựng 69 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý trộn dùng SPF-3043 Nghiên cứu thiết kế tổ hợp tần số hoạt động băng C Tín hiệu sau thu từ ăngten khuếch đại cao tần tạp âm thấp, sau đưa tới trộn tần (Mixer) Lối vào thứ trộn tần tín hiệu dao động chỗ lấy từ tổ hợp tần số Tín hiệu trung tần đưa vào khuếch đại trung tần máy thu để giải hệ số khuếch đại dải thông máy thu giải cấu điều khiển tự động máy thu đảm bảo tín hiệu đầu ổn định liên lạc vũ trụ khoảng cách xa Sóng dao động chỗ tạo từ tổ hợp tần số thiết kế chế tạo a Nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật chế tạo mạch vòng bám pha tổ hợp tần số giải 3-10 GHz b Tìm hiểu tính IC ADF411x Transistor, IC có tần số chia ban đầu cao c Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi tần số hoạt động mạch vi điều khiển Các tổ hợp tần số dùng vòng bám pha PLL ứng dụng rộng rãi trạm không dây, thiết bị di động cầm tay, thông tin liên lạc hay mạng nội bộ… Đó thiết bị điện tử dùng để phát tần số khác có liên quan chặt chẽ với tần số chuẩn Các tổ hợp tần số loại cấu tạo nên từ khối như: tách sóng pha/tần số, lọc thông thấp, dao động điều khiển điện áp Bộ tổ hợp tần số phần tử quan trọng thiết bị, hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng tần số siêu cao Nhu cầu sử dụng hệ thống gia tăng không ngừng kỷ nguyên kỹ thuật số Do việc nghiên cứu chế tạo tạo dao động tần số siêu cao chất lượng tốt mối quan tâm lớn nhà nghiên cứu khắp giới Bộ tạo dao động siêu cao tần chiếm vai trị hệ thống thơng tin tạo sóng tham chiếu sử dụng việc điều chế giải điều chế… Trong hệ thống vậy, tính xác ổn định tạo dao động phải quan tâm nhằm đảm bảo chất lượng hệ thống Cho đến có nhiều phương pháp để tăng tính ổn định tạo dao động, đáng ý kỹ thuật vòng bám pha PLL (phase locked loop) kỹ thuật tổng hợp số trực tiếp DDS (direct digital synthesis) Mỗi kỹ thuật có điểm mạnh yếu riêng Kỹ thuật DDS hệ thống hở, sử dụng 70 máy tính số biến đổi DA (digital to analog) để tạo tín hiệu mong muốn Đây kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp Kỹ thuật có ưu điểm bật thời gian thiết lập tần số nhanh, độ phân giải tần số nhỏ Tuy nhiên nhược điểm tiêu thụ nhiều lượng thích hợp với dải tần cỡ vài trăm MHz Trong đó, kỹ thuật PLL lại sử dụng hệ thống hồi tiếp kín, độ ổn định hồi tiếp quan trọng Đây kỹ thuật tổng hợp tần số gián tiếp Kỹ thuật yếu DDS thời gian thiết lập tần số, nhiên, lại có ưu điểm tiêu thụ lượng, thích hợp với dải tần siêu cao, dải tần số từ 300MHz đến 3GHz Kết thực nghiệm Kết thiết kế mô khuếch đại tạp âm thấp LNA so sánh với kết mô dùng phần mềm ADS Trung tâm nghiên cứu Điện tử Viễn thông Trường ĐHCN cho kết tương tự hệ số S S11 S21 Gia công mạch PCB Trung tâm nghiên cứu Điện tử Viễn thông Trường Đại học Công nghệ, lắp ráp đo kiểm tra kết 71 Hình 3.13 Mạch PCB gia cơng Hình 3.14 Mạch gia cơng tiến hành đo kiểm tra 72 Hình 3.15 Kết đo tham số máy phân tích mạng Hệ số khuếch đại thông qua đo tham số S21 tần số cỡ GHz( 2.998 GHz) đượctrình bày hình 3.14 cho kết đáp ứng tần số hoạt động băng tần C 73 KẾT LUẬN Luận văn thu kết sau: Tổng quan kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật phối hợp trở kháng phục vụ cho thiết kế mô mạch điện siêu cao tần Tổng quan giải pháp tổ hợp tần số dùng mạch vịng khóa pha PLL để tạo dao động sóng mang siêu cao tần, tạo dao động chỗ mềm dẻo cho trộn siêu cao tần dải rộng Tổng quan hệ thống thu phát thông tin vệ tinh, có thơng tin vệ tinh băng tần C với VINASAT Nghiên cứu thiết kế trộn tần số siêu cao tần dùng cho tuyến siêu cao tần băng C Nghiên cứu thiết kế tổ hợp tần số tạo dao động chỗ cho trộn tần băng C Thiết kế mô khuếch đại tạp âm thấp LNA băng tần C, kết mơ tương ứng hồn tồn với kết mơ ADS trung tâm Nghiên cứu Điện tử Viễn thông, gia công lắp ráp đo kiểm tham số S đạt kết tin cậy Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA sử dụng máy thu siêu cao tần trạm mặt đất, thu tín hiệu vệ tinh băng C 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bạch Gia Dương, Trương Vũ Bằng Giang (5/2013) Kỹ thuật siêu cao tần Nhà xuất ĐHQGHN Kiều Khắc Lâu(2007), Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Khoa học Phạm Minh Việt (2002), Kỹ thuật siêu cao tần, Nhà xuất Kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh David M Pozar (1993), Microwave Enginneering, Addison Publishing Company Wesley Website tham khảo http://www.lyngsat.com/Vinasat-1.html http://www.lockheedmartin.com/us/news/press-releases/2012/july/0705- ss-vinasat.html ... khuếch đại tạp âm thấp băng tần C Với đề tài : THIẾT KẾ MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG TẦN C, t? ?c giả mạnh dạn nghiên c? ??u chế tạo mạch tần số siêu cao, trở ngại khó kh? ?c ph? ?c dải tần siêu cao... 1.8.4 C? ?c chia tần CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THƠNG TIN VỆ TINH5 2 2.1 Lịch sử thơng tin vệ tinh 2.2 Quá trình phát triển thơng tin vệ tinh Việt Nam 2.2.1 Vệ tinh. .. tin vệ tinh 2.4 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thu tín hiệu CHƯƠNG 3MƠ HÌNH MÁY THU VỆ TINH BĂNG TẦN C VÀ THIẾT KẾ MÔ PHỎNG DÙNG PHẦN MỀM ANSOFT 3.1 Mơ hình tổng qt máy thu vệ tinh