Phân tích thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA dùng cho băng tần ku

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VĂN MINH PHƯƠNG PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP (LNA) DÙNG CHO BĂNG TẦN KU Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật viễn thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS PHẠM THÀNH CÔNG Hà Nội – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đam: Bản luận văn tốt nghiệp công trình nghiên cứu cá nhân tơi, thực dựa sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế với hướng dẫn, bảo TS Phạm Thành Cơng Các số liệu, hình ảnh đồ thị, kết luận đưa vào luận văn trung thực, dựa nghiên cứu mơ hình, kết đạt báo giới trải nghiệm thân chưa công bố hình thức trước trình bày bảo vệ trước “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật” Hà nội, Ngày 28 thánh 03 năm 2017 Người cam đoan Văn Minh Phương LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Phạm Thành Công Thầy người ln theo sát em q 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 gửi lời cảm ơn đến thầy, cô giảng dậy giúp em có kiến thức cốt lõi phục vụ cho việc thực luận văn Cuối em xin cảm ơn gia đình, anh chị, bạn bè quan tâm, động viên hỗ trợ em thời gian thực luận văn Xin chân thành cảm ơn Hà nội, ngày 28 tháng 03 năm 2017 Văn Minh Phương MỤC LỤC Lời cam đoan ……………………………………………………… Lời cảm ơn ………………………………………………………… Mục lục …………………………………………………………… Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt ………………………………… Danh mục bảng biểu ………………………………………… Danh mục hình vẽ, đồ thị …………………………………… Mở đầu Lý chọn đề tài……………………………………………… Mục tiêu đề tài………………………………………… 10 Phương pháp nghiên cứu ……………………………… 11 Nội dung nghiên cứu 11 4.1 Nghiên cứu lý thuyết …………………………………………… 11 4.2 Thiết kế khuếch đại tạp âm thấp ………………………… 11 Bố cục luận văn ……………………………………………… 11 CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP – LNA 1.1 Khái niệm khuếch đại tạp âm thấp – LNA ………… 12 1.2 Vị trí khuếch đại tạp âm thấp – LNA ……………… 12 1.3 Lý thuyết tạp âm mạng hai cửa …………… 13 1.4 Hệ số tạp âm ………………………………………… 13 1.5 Dẫn nạp nguồn vào lý tưởng ………………………… 16 1.6 Hệ số tạp âm nhiệt độ ……………………………… 17 1.7 Xây dựng mơ hình mạng hai cực ……………………… 17 1.8 Bộ LNA dải hẹp ……………………………………… 19 1.8.1 Suy hao điện cảm emitter ……………………… 22 1.8.2 Tải collector ………………………………………… 23 1.8.3 Phân cực …………………………………………… 25 1.9 Các thông số quan trọng mạch khuếch đại – LNA 25 1.9.1 Hệ số tạp âm (NF – Noise Figure) ………………… 25 1.9.2 Ma trận tán xạ ……………………………………… 28 1.9.3 Hệ số khuếch đại …………………………………… 30 1.9.4 Độ tuyến tính ………………………………………… 31 1.9.5 Tính ổn định hệ thống ………………………… 36 CHƯƠNG – PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO MẠCH KHUẾCH ĐẠI 2.1 Lý thuyết chung ……………………………………… 37 2.2 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng ……………………… 38 2.2.1 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm ……… …… 39 2.2.2 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung ……… 41 2.2.3 Phối hợp trở kháng dải hẹp đoạn dây dẫn sóng mắc liên tiếp ………… …………………………… … 42 CHƯƠNG – THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH 3.1 Lựa chọn phần mềm thiết kế mô linh kiện …… 44 3.1.1 Chọn lựa phần mềm thiết kế mô …………… 44 3.1.2 Yêu cầu thiết kế cho mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng Ku ……………………………………………………… 45 3.1.3 Lựa chọn transistor cho việc thiết kế ……………… 45 3.2 Thiết kế mạch mô mạch khuếch đại ………… 49 3.2.1 Phương pháp phối hợp trở kháng ………………… 49 3.2.2 Tính toán lý thuyết nhánh lối vào …………… 50 3.2.3 Phối hợp trở kháng mạch khuếch đại ………… 58 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT LNA : Low Noise Amplifier NF : Noise Figure G : Gain (Độ lợi) SNR : Signal to Noise Ratio VSWR : Voltage Standing Wave Ratio RF : Radio Frequency FET : Field-Effect Transistor MOSFET : Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (Transistor hiệu ứng trường Oxit kim loại – Bán dẫn) DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU STT Chi tiết Trang Bảng Bảng quy đổi hệ số tạp âm 17 Bảng Yêu cầu thiết kế khuếch đại 45 Bảng Sơ đồ chức chân ATF-36077 46 Bảng Chế độ thiên áp ATF-30677 47 Bảng Các tham số chức ATF-30677 Bảng Tham số tán xạ nội suy ATF-30677 12.7 GHz 47 48 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Chi tiết Trang Hình 1.1 Sơ đồ mạch thu tín hiệu RF 13 Hình 1.2 Mơ hình mạng tạp âm hai cửa 13 Hình 1.3 Mơ hình tạp âm hai cửa tương đương 14 Hình 1.4 Mơ hình tạp âm cho tranzitor lưỡng cực 18 Hình 1.5 Mơ hình để tính tốn giá trị tạp âm 19 Hình 1.6 Sơ đồ khuếch đại kiểu emitter chung dùng cuộn cảm triệt nhiễu 20 Hình 1.7 Sơ đồ thiết kế LNA dải hẹp 20 Hình 1.8 Thiết kế LNA dải hẹp dùng mạch dải 22 Hình 1.9 Mạch LNA dải hẹp dùng phân áp cầu điện trở 23 Hình 1.10 Khối khuếch đại tạp âm thấp 26 Hình 1.11 Mơ hình mạng cửa 29 Hình 1.12 Đồ dịng tín hiệu 30 Hình 1.13 Điểm nén 1-dB điểm chặn bậc 32 Hình 1.14 Mạch khuếch đại CS MOSFET 33 Hình 2.1 Sơ đồ phối hợp trở kháng 37 Hình 2.2 Phối hợp trở kháng đoạn dây chêm đơn 40 Hình 2.3 Phối hợp trở kháng dây chêm đơi 41 Hình 2.4 Mạch phối hợp trở kháng hình L 41 Hình 2.5 Phối hợp trở kháng đoạn dây λ/4 42 Hình 2.6 Phối hợp trở kháng hai đoạn dây nối tiếp 43 Hình 3.1 Phần mềm mơ ADS 2016 44 Hình 3.2 Sơ đồ mạch khuếch đại phối hợp trở kháng 45 Hình 3.3 Độ lợi G theo tần số ATF-36077 47 Hình 3.4 Phương pháp phối hợp trở kháng dùng λ/4 50 Hình 3.5 Cơng cụ tính tốn Quarter Wavelenght Transformer 51 Hình 3.6 Bộ nghiệm lối vào 52 Hình 3.7 Bộ nghiệm lối vào 52 Hình 3.8 Cơng cụ LineCalc 53 Hình 3.9 Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường hợp 53 Hình 3.10 Kết tham số S11, S21 lối vào trường hợp 54 Hình 3.11 Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường hợp 55 Hình 3.12 Kết tham số S11, S21 lối vào trường hợp 55 Hình 3.13 Bộ nghiệm lối 56 Hình 3.14 Mạch phối hợp trở kháng lối 57 Hình 3.15 Kết tham số S11, S21 lối 57 Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mơ mạch khuếch đại 58 Hình 3.17 Tham số S2,1, S1,1 58 Hình 3.18 Tham số tỷ số sóng đứng VSWR1 59 Hình 3.19 Hệ số tạp âm NF 59 LỜI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện băng tần Ku (có tần số 12GHz-18Ghz) dùng chủ yếu cho vệ tinh thông tin, đáng ý dùng cho dịch vụ phát quảng bá cố định, cho ứng dụng cụ thể vệ tinh theo dõi chuyển tiếp liệu NASA dùng cho liên lạc với tàu thoi trạm ISS Các vệ tinh dùng băng Ku dùng cho backhaul đặc biệt cho vệ tinh từ địa điểm xa trở studio đài truyền hình để chỉnh sửa phát sóng So với băng C, băng Ku khơng phải hạn chế công suất để tránh gây nhiễu cho hệ thống vi ba mặt đất, cơng suất đường lên đường xuống tăng Cơng suất cao có nghĩa chảo anten thu nhỏ Khi cơng suất tăng, kích thước chảo anten thu giảm Băng Ku cung cấp cho người dùng tính linh hoạt nhiều Kích thước chảo anten nhỏ nên người dùng cho thể chọn vị trí đặt chảo cho phù hợp với hoàn cảnh Đối với người dùng cuối, băng Ku nói chung rẻ cho phép anten nhỏ (vì tần số cao chùm tia tập trung hơn) Băng Ku bị suy hao mưa so với băng Ka Anten trạm mặt đất trạm điều khiển vệ tịnh đòi hỏi phải bám vị trí vệ tinh xác vệ tinh hoạt động băng Ku so với băng C Độ xác thông tin phản hồi cần cao anten u cầu hệ thống điều khiển vịng kín để trì vị trí anten trạm mặt đất Các thu đòi hỏi ngày nhỏ gọn, tiếp nhận thơng tin nhanh xác Vì vậy, yêu cầu phần cứng cho thiết bị ngày gắt gao Tín hiệu thu phải tín hiệu vơ tuyến, biên độ tín hiệu thu thường nhỏ, môi trường đầy tạp âm, sóng nhiễu Chính điều dẫn đến việc phát triển khuếch đại tập âm thấp (LNA-Low Noise Amplifier), với yêu cầu ngày nhỏ gọn, hệ số khuếch đại cao cần thiết Từ hình 3.3 ta thấy chế tạo khuếch đại tạp âm thấp làm việc tần số 12.7GHz việc lựa chọn transistor ATF-36077 hợp lý, tần số 12.7GHz nằm dải tần hoạt động transistor ATF-36077 Một số tham số kỹ thuật ATF-36077 đưa theo hình 3.3, theo băng tần Ku (từ 12GHz-18GHz), ATF-36077 khuếch đại tín hiệu từ 10 dB đến 15 dB đảm bảo yêu cầu cho việc thiết kế LNA băng tần Ku có hệ số khuếch đại đạt yêu cầu hệ thống anten cỡ nhỏ đến trung bình, chi phí lại không cao Sau chọn transistor, bước kiểm tra ổn định Tính ổn đinh trở kháng dao động mạch vi sóng xác định tham số S transistor trở kháng vào Tệp liệu không cung cấp tham số S giá trị hệ số tạp âm xác 12,7GHz , để có tham số S, phép nội suy sử dụng Tệp tiêu chuẩn tệp liệu sử dụng để nội suy tham số transistor hai điểm biến Tham số quét 10 GHz 15 GHz với bước nhảy 100 MHz để lấy liệu yêu cầu 12,7GHz f GHz 12,7 S11 S12 S21 S22 Mag Phase Mag Phase Mag Phase Mag Phase 0,577 175,45 0,194 -38,48 2,899 -1,136 0,262 -129,74 Bảng 6: Tham số tán xạ nội suy ATF-30677 12.7GHz Độ ổn định thiết bị tính hai hệ số ổn định K |∆| Công thức toán học K |∆| [5]:  S  S11  S 22 K 2 (1) S12 S 21 | S || S11 S 22  S12 S 21 | (2) Thay giá trị tham số S vào biểu thức (1) (2) ta có kết quả: 47 S  (0,577175,45 x0,262  129,74)  (0,194  38,48 x 2,899  1,136)  0,33  j 0,46  (0,33)  (0,46) arctg (0,46 /  0,33)  0,56  54 o Tương tự ta có K=0,82 Với hệ số K < 1, |∆S| < thiết kế mạch với transistor ATF-36077 12,7 GHz mạch có khả khơng ổn định Hệ số khuếch đại tối đa mạch thiết kế ước lượng thơng qua tham số tán xạ ATF-36077, coi S12 ≈ 0, nên tạp âm ước lượng hệ số khuếch đại mạch thiết kế đạt tới theo công thức: GTU max  1  S11 S 21  S 22 (3) Khảo sát hệ số phẩm chất U nhằm đơn giản việc thiết kế đánh giá sai số thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA GT   1  U  GTU max 1  U 2 U (4) S12 S 21 S11 S 22 (5) (1  S11 )(1  S 22 ) 2 U hệ số phầm chất, giá trị U thể sai số xem xét hệ số công suất truyền ngược S12 đủ nhỏ dần tới Với giá trị U đủ nhỏ dần tới 0, tạp âm coi S12 ≈ 3.2 Thiết kế mạch mô mạch khuếch đại 3.2.1 Phương pháp phối hợp trở kháng Theo nói chương trước, có nhiều phương pháp phối hợp trở kháng khác như: dây chêm song song, nối tiếp, λ/4, phần tử tập trung Nhưng qua thực tế phương pháp λ/4 dễ thực tính tốn lý thuyết chế tạo mạch 48 Hình 3.4 Phương pháp phối hợp trở kháng dùng λ/4 3.2.2 Tính tốn lý thuyết nhánh lối vào lối Theo tính tốn bảng ta có thơng số S-parameter transistor tần số 12.7GHz S11(mag.)=0.577 S11(phase)=175.446 S22(mag.)=0.262 S22(phase)=-129.74 S21(mag.)=2.899 S21(phase)=-1.136 S12(mag.)=0.194 S12(phase)=-38.48 Với tham số áp dụng vào việc tính tốn phối hợp trở kháng lối vào lối tần só 12.7 GHz Vì ta xem S12≈0 nên ta có hệ số phản xạ lối vào lối tương ứng: ℾin=S11, ℾout=S22 Khi việc xác định trở kháng lối vào lối mạch phối hợp trở kháng linh kiện ATF-36077 với đường truyền Z0 = 50Ω thực theo công thức sau: Z in  Z  in  in (6) Z out  Z  out  out (7) Thay giá trị vào hai công thức ta tính được: 49 Z in  50  0.577175.446  13.43122  j1.8445  0.577175.446 (8)  0.262  129.74  33.177  j14.353  0.262  129.74 (9) Z out  50 Phương pháp phối hợp trở kháng sử dụng đoạn dây có độ dài λ/4 Vì phương pháp dùng để phối hợp trở kháng trở với đường truyền, giá trị trờ kháng lối vào Zin lối Zout có thành phần phức nên ta phải đưa điểm kháng phức giá trị trở kháng trở cách sử dụng đoạn đường truyền tải đoạn dây λ/4 Tính tốn tham số lối vào Sử dụng công cụ giản đồ Smith – Quarter Wavelenght Transformer để tính tốn giá trị, vẽ đường tròn qua điểm trở kháng phức cắt đường đẳng x=0 (trục thực) tai hai điểm, tương ứng với nghiệm thực (trở khán trở) Từ hai điểm này, tâm (Z0=50Ω) thực phối hợp trở kháng, ta xác định độ dài đoạn đường truyền tải đoạn dây λ/4 Hình 3.5 Cơng cụ tính tốn Quarter Wavelenght Transformer 50 Đối với Zin=13.43122+j1.8455, ta xác định nghiệm sau:  d1 = 0.24367λ = 2.76 mm  Z(d1) = 186.4068 Ω  Zλ/4 = 96.5419 Ω  EEff = 2πd1/λ = 87.72o Hình 3.6 Bộ nghiệm lối vào  d2 = 0.49367λ = 5.59 mm  Z(d2) = 13.4115 Ω  Zλ/4 = 25.8955 Ω  EEff = 2πd2/λ = 177.72o Hình 3.7 Bộ nghiệm lối vào 51 * Tính tốn mơ phối hợp trở kháng lối vào trường hợp Thông qua công cụ LineCalc phần mềm ADS 2016 giá trị lý thuyết d1 Zλ/4 quy đổi giá trị độ rộng (W) chiều dài (L) đoạn dây mạch dải Hình 3.8 Cơng cụ LineCalc Hình 3.9 Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường hợp 52 Hình 3.10 Kết tham số S11, S21 lối vào trường hợp 53 * Tính tốn mơ phối hợp trở kháng lối vào trường hợp Hình 3.11 Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường hợp Hình 3.12 Kết tham số S11, S21 lối vào trường hợp Từ kết tính tốn ta thấy chọn lối vào trường hợp cho kết mô tốt 54 Tương tự tính tốn cho tham số lối Zout với: Z0=50Ω Z out  50  0.262  129.74  33.177  j14.353  0.262  129.74 Đối với Zout = 33.177-j14.353 ta xác định nghiệm sau  d1 = 0.07λ = 0,79 mm  d2 = 0.32λ = 3.624mm  Z(d1) = 29.24 Ω  Z(d2) = 85.5 Ω  Zλ/4 = 38.24 Ω  Zλ/4 = 65.34 Ω  EEff = 2πd1/λ = 25.2o  EEff = 2πd2/λ = 115 o Hình 3.13 Bộ nghiệm lối 55 * Sau tính tốn ta chọn kết cho mơ Hình 3.14 Mạch phối hợp trở kháng lối Hình 3.15 Kết tham số S11, S21 lối 56 3.2.3 Phối hợp trở kháng mạch khuếch đại Từ kết tính tốn mạch phối hợp trở kháng chọn lựa, ta có sơ đồ mạch mơ khuếch đại: Hình 3.16 Sơ đồ ngun lý mơ mạch khuếch đại Hình 3.17 Tham số S21 ;S11 57 Hình 3.18 Tham số tỷ số sóng đứng VSWR1 Hình 3.19 Hệ số tạp âm 58 Kết mô tần số trung tâm 12,7GHz ta được: Hệ số S11 = -31,257 dB, đồ thị giảm sâu cho thấy hệ số phản xạ lối vào thấp, đảm bảo yêu cầu thiết kế cho không gây mát công suất lối phản xạ lối vào Hệ số S21 = 12.148dB hệ số khuếch đại lối ra, đảm bảo yêu cầu thiết kế > 10dB Hệ số sóng đứng VSWR = 1,056 đảm bảo xấp xỉ (lý tưởng 1, khơng có phản xạ), cho thấy hệ số phản xạ thấp Hệ số tạp âm mạch thiết kế NF = 1,041 dB xấp xỉ 1, đủ nhỏ nhằm đảm bảo hệ số khuếch đại lối đủ lớn cho việc chế tạo khuếch đại tạp âm thấp LNA 59 KẾT LUẬN Trong thời gian tìm hiểu nghiên cứu giúp đỡ tận tình thầy hướng dẫn TS Phạm Thành Công, với cố gắng nỗ lực thân đến toàn nội dung luận văn hoàn thành đáp ứng đầy đủ yêu cầu đặt Quá trình thực đề tài 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 sau tốt nghiệp công tác thực tiễn sau Qua trình tìm hiểu thực đề tài em thu kết sau: - Nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật siêu cao tần - Tìm hiểu tổng quan khuếch đại tạp âm thấp thu băng Ku - Tìm hiểu thiết kế, mơ mạch siêu cao tần phần mềm thiết kế chuyên nghiệp ADS - Thiết kế, mô phỏng, thành công khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tần băng Ku Hệ số khuếch đại 12.148 dB Hướng phát triển đề tài - Tiếp tục cải thiện đặc tính LNA cho tốt (NF nhỏ hơn, độ lợi cao hơn, độ tuyến tính tốt hơn…) 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TSKH Phan Anh – Trường điện từ truyền sóng – NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Bạch Gia Dương, Trường Vũ Bằng Giang – Kỹ thuật siêu cao tần – NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Kiều Khắc Lâu – Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần – NXB Giáo Dục Phan Minh Việt – Kỹ thuật siêu cao tần – NXB KHKT Samuel Y Liao – Microwave Circuit Analysis and Amplifier Design – Prentice-Hall,INC David M.Pozar – Microwave Engineering – John Wiley & Sons, Inc Mujeeb Ahmed, Nosherwan Shoaib, Iftekhar Mahmood - Design, Analysis and Optimization of Multistage LNA at Ku Band (2011) - Institute Of Space Technology, Islamabad W.Alan Davis – Radio Frequency Circuit Design –John Wiley & Sons, Inc Các nguồn thông tin, báo Internet 61 ... Bài tốn phân tích, thiết kế khuếch đại tạp âm thấp băng tần Ku trở nên cần thiết có ý nghĩa quan trọng Chính vậy, đề tài luận văn ? ?Phân tích thiết kế khuếch đại tạp âm thấp băng tần Ku? ?? cố gắng... lý thuyết thiết kế khuếch đại tạp âm thấp + Trình bày tổng quan khuếch đại tạp âm thấp - Về thực tế + Thiết kế mạch, chạy mô đo đạc thông số khuếch đại tạp âm thấp hoạt động băng tần Ku phần mềm... việc khuếch đại tín hiệu tạp âm 1.2 Vị trí khuếch đại tạp âm thấp LNA Bộ khuếch đại tạp âm thấp cần thiết hệ thống thông tin di động, đặc biệt phận thu Bộ khuếch đại tạp âm thấp thể hình 1.1 khuếch