Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh bằng tần c dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh VINASAT

Đại học khtn – Đại học QGHN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Đức Hùng NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY THU VỆ TINH BĂNG TẦN C DÙNG TRONG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN VỆ TINH VINASAT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Ngành: Vật lý vô tuyến điện tử Cán hướng dẫn: PGS.TS Bạch Gia Dương HÀ NỘI - 2012 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TIN VỆ TINH .2 1.1 Đôi nét lịch sử thông tin vệ tinh 1.2 Ở Việt Nam 1.3 Đặc trƣng thông tin liên lạc qua vệ tinh CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ SIÊU CAO TẦN 10 2.1 Lý thuyết đƣờng truyền: 10 2.1.1 Mơ hình tƣơng đƣơng tham số tập trung đƣờng truyền 10 2.1.2 Phƣơng trình sóng nghiệm 11 2.1.3 Vận tốc pha vận tốc nhóm………………………………………… 15 2.1.4 Các đại lƣợng đặc trƣng……………………………………………… 17 2.2 Đồ thị smith 27 2.2.1 Giới thiệu 27 2.2.2 Họ đƣờng tròn đẳng điện trở r 29 2.2.3 Họ đƣờng tròn đẳng điện kháng x 32 2.2.4 Vòng tròn đẳng || 27 2.2.5 Vòng tròn đẳng S………………………………………………… .28 2.3 Một số phƣơng pháp phối hợp trở kháng 36 2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung 37 2.3.2 Phối hợp trở kháng dùng dây nhánh 37 2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh 38 2.3.4 Phối hợp trở kháng doạn dây lamda/4 .39 2.3.5 Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài 40 2.3.6 Phối hợp trở kháng đoạn dây mắc nối tiếp 40 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM 41 3.1 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khuếch đại tạp âm thấp (LNA) 41 3.2 Chế tạo .49 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Kết luận………………………………………………………………………52 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………53 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ EHF Extremely High Tần số cực cao Frequency FM Frequency Modulation Điều chế tần số IF Intermediate Frequency Tần số trung tần LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp LO Local Oscillator Dao động chỗ PM Phase Modulation Điều chế pha RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SHF Super High Frequency Tần số siêu cao TEM Transverse Sóng điện từ ngang Electromagnetic VCO Voltage Controlled Bộ dao động điều khiển Oscillator điện áp Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Phần không gian phần mặt đất hệ thống thơng tin vệ tinh Hình 1.2a Hình ảnh vệ tinh Hình 1.2b Ngày 16 tháng năm 2012 vệ tinh Vinasat2 phóng lên quỹ đạo Hình 1.3 Vùng phủ vệ tinh Vinasat band C Hình 1.4 Vùng phủ vệ tinh VINASAT1 band Ku Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu Hình 2.1 Dây dẫn song song sơ đồ tương đương 10 Hình 2.2 Tín hiệu điều biên đường truyền 15 Hình 2.3 Các đường truyền với trở kháng tải 17 Hình 2.4 Họ vịng trịn đẳng điện trở 24 Hình 2.5 Họ vịng trịn đẳng điện kháng 24 Hình 2.6 Vịng trịn đẳng điện kháng phía trục hồnh 25 Hình 2.7 Vịng trịn đẳng điện kháng phía trục hồnh 25 Hình 2.8 Vịng tròn đẳng điện trở điện kháng biểu đồ 26 Hình 2.9 Họ vịng trịn đẳng || 27 Hình 2.10 Biểu đồ Smith chuẩn 29 Hình 2.11 Sơ đồ phối hợp trở kháng 30 Hình 2.12 Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung 31 Hình 2.13 Phối hợp trở kháng đoạn dây nhánh 32 Hình 2.14 Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng dây nhánh song song 33 Hình 2.15 Sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4 34 Hình 2.16 Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài 34 Hình 2.17 Phối hợp trở kháng hai đoạn dây mắc nối tiếp 35 Hình 3.1 37 Bảng tham số S-Parameter trích xuất từ file S2P Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.2 Sơ đồ mạch khuếch đại Hình 3.3 Biểu diễn trở kháng lối vào chip SPF-2086T đồ thị Smith Hình 3.4 Mơ tả sóng chạy đường dây đồ thị Smith Hình 3.5 Sơ đồ mạch ngun lí mơ ADS Hình 3.6 Kết mơ tham số S11 ADS Hình 3.7 Kết mơ đồ thị Smith ADS Hình 3.8 Biểu diễn trở kháng lối chip SPF-2086 Smith Hình 3.9 Mơ tả sóng chạy đường dây đồ thị Smith Hình 3.10 Sơ đồ mạch ngun lí mơ ADS Hình 3.11 Kết mơ tham số S11 ADS Hình 3.12 Sơ đồ ngun lí tồn mạch khuếch đại dùng chip SPF2086T Hình 3.13 Kết mơ mạch khuếch đại tạp âm thấp 37 38 39 39 40 40 41 42 42 43 43 Hình 3.14 Layout mạch khuếch đại tạp âm thấp 44 44 Hình 3.15 Mơ phối hợp trở kháng lối vào dùng đoạn dây lamda/4 Hình 3.16 Kết mơ lối vào Hình 3.17 Kết mơ đồ thị Smith Hình 3.18 Mơ phối hợp trở kháng lối Hình 3.19 Kết mơ lối Hình 3.20 Kết mơ đồ thị Smith Hình 3.21 Layout cho khuếch đại LNA dùng đoạn lamda/4 Hình 3.22 Layout cho khuếch đại LNA dùng dây nhánh Hình 3.23 mạch chế tạo Hình 3.24 Đo đạc phịng thí nghiệm Hình 3.25 Chế độ dịng Hình 3.26 Kết đo tham số máy phân tích phổ 45 45 46 46 47 47 48 48 49 50 50 51 Bảng Biểu Bảng Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại vào tần số 51 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, thông tin vô tuyến vệ tinh đời phát triển nhằm mục đích cải thiện nhƣợc điểm mạng vơ tuyến mặt đất, đạt đƣợc dung lƣợng cao hơn, băng tần rộng hơn, có ý nghĩa trị, kinh tế xã hội to lớn, đem lại dịch vụ thuận tiện với chi phí thấp Hiện Việt Nam ngành công nghệ vũ trụ đƣợc đầu tƣ nghiên cứu, hƣớng mới, mở nhiều lợi ích to lớn cho đất nƣớc Trong thơng tin vệ tinh thu phát đóng vai trị quan trọng, phận ảnh hƣởng đến chất lƣợng tín hiệu vệ tinh Để chế tạo máy thu vệ tinh phải trải qua nhiều khâu với nhiều modul khác cần nhiều thời gian, công sức Trong khn khổ luận văn này, với việc tìm hiểu lí thuyết máy thu tín hiệu vệ tinh, kĩ thuật siêu cao tần em sâu nghiên cứu thiết kế chế tạo module: Bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần C Với tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat” Bằng lí thuyết thực nghiệm, Luận văn thực đƣợc nội dung sau: Tìm hiểu tổng quan hệ thống thu phát thông tin vệ tinh Tìm hiểu kĩ thuật siêu cao tần Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo module khuếch đại tạp âm thấp băng C Điểm đề tài thể việc mạnh dạn nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch cao tần tần số siêu cao, dải tần siêu cao địi hỏi kích thƣớc mạch điện nhỏ, dẫn đến khó chế tạo xác Bên cạnh linh kiện kích thƣớc lớn dẫn đến có nhiều điện dung kí sinh làm phối hợp trở kháng tồn mạch, việc chế tạo tần số cao nhƣ vấn đề phức tạp Luận văn tạo tiền đề để nhóm nghiên cứu sâu lĩnh vực siêu cao tần thông tin vệ tinh tiến tới triển khai tích hợp mạch cao tần chip tƣơng tự Đây xu hƣớng mới, đảm bảo cho thu nhỏ gọn, tiêu tốn lƣợng, phù hợp với việc gắn vệ tinh Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THƠNG TIN VỆ TINH 1.1 Đơi nét lịch sử thông tin vệ tinh Vào cuối kỷ thứ 19 nhà khoa học ngƣời Nga Tsiolkovsky (1857 – 1935) đƣa khái niệm tên lửa đẩy dùng nguyên liệu lỏng Ông đƣa ý tƣởng loại tên lửa đẩy nhiều tầng, tàu vũ trụ có ngƣời điều khiển dùng để thăm dò vũ trụ Lý thuyết tên lửa đẩy dùng nguyên liệu lỏng ông đƣợc ông Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công vào năm 1926 Tháng năm 1945 Arthur Clark tác giả mơ hình viễn tƣởng thơng tin tồn cầu đƣa ý tƣởng sử dụng hệ thống vệ tinh địa tĩnh dùng để phát quảng bá toàn giới Kỷ nguyên thông tin vệ tinh tháng 10/1957 Liên Xơ phóng thành cơng vệ tinh nhân tạo Sputnick-1 giới Những năm sau đƣợc đánh dấu nhiều kiện nhƣ: năm 1958 điện đƣợc phát qua vệ tinh SCORE, năm 1960 vệ tinh thông tin ECHO với việc chuyển tiếp tín hiệu thụ động, năm 1962 có TELSTAR RELEY, năm 1963 có vệ tinh địa tĩnh Năm 1965, hệ thống thông tin vệ tinh thƣơng mại giới INTELSAT1 với tên gọi EARLY BIRD đời Cũng năm đó, vệ tinh thông tin liên lạc Liên Xơ có tên gọi MOLNYA đƣợc phóng lên quỹ đạo elip Từ đến đánh dấu Sự tiến vƣợt bậc công nghệ chế tạo vệ tinh, tên lửa đẩy công nghệ trạm mặt đất, thông tin vệ tinh dùng cho dịch vụ thơng tin quốc tế, truyền hình mà cịn dƣợc dùng cho thơng tin khí tƣợng, nghiên cứu vũ trụ, thăm dị trái đất, thơng tin an tồn cứu nạn v.v Sau số mốc thời gian đánh dấu phát triển thông tin vệ tinh: 1945-Arthur Clark đề xuất sử dụng vệ tinh địa tĩnh dùng cho thông tin quảng bá 1957-Liên Xô phóng thành cơng vệ tinh nhân tạo (Sputnik-1) 1964-Thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTCLSAT Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN 1965-Phóng vệ tinh INTELSAT - (Early Bird) MOLNYA 1971-Thành lập tổ chức INTERSPUTNICK gồm Liên xô, nƣớc xã hội chủ nghĩa 1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa 1979-Thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT 1984-Nhật Bản đƣa vào sử dung hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh 1987-Thử nghiệm thành cơng vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh Thời kỳ từ 1999 đến đời ý tƣởng hình thành hệ thống thơng tin di động thơng tin băng rộng tồn cầu sử dụng vệ tinh Các hệ thống điển hình nhƣ: Global star, Iridium, Ico, Skybrigde, Teledesic Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm phần không gian (Space segment) phần mặt đất (Ground segment) Hình 1.1 Phần khơng gian phần mặt đất hệ thống thông tin vệ tinh Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 1.2a Hình ảnh vệ tinh 1.2 Ở Việt Nam Đầu năm 2008, Việt nam phóng vệ tinh Vinasat1 10 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.4 Mơ tả sóng chạy đường dây đồ thị Smith Hình 3.5 Sơ đồ mạch ngun lí mơ ADS 45 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.6 Kết mơ tham số S11 ADS Hình 3.7 Kết mơ đồ thị Smith ADS 46 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho lối ra: Zout=1.255-j0.839 Hình 3.8 Biểu diễn trở kháng lối chip SPF-2086 Smith Mục tiêu thiết kế mạch phối hợp trở kháng để đƣa điểm Zout=1.255-j0.839 tâm đồ thị Smith (tức cần điểm phối hợp trở kháng) Tiếp tục tính tốn, mơ phỏng, thiết kế mạch phối hợp trở kháng phƣơng pháp dây chêm song song ngắn mạch 47 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.9 Mơ tả sóng chạy đường dây đồ thị Smith Hình 3.10 Sơ đồ mạch ngun lí mơ ADS 48 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.11 Kết mô tham số S11 ADS Thiết kế Layout cho mạch khuếch đại tạp âm thấp Sau thiết kế riêng cho lối vào lối của chip cao tần SPF-2086T tiếp tục mơ lại tồn mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng chip SPF-2086T việc sử dụng file S2P Từ khảo sát đƣợc tham số quan trọng nhƣ S21, dải thông mạch … 49 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.12 Sơ đồ ngun lí tồn mạch khuếch đại dùng chip SPF-2086T Hình 3.13 Kết mơ mạch khuếch đại tạp âm thấp Hình 3.14 Layout mạch khuếch đại tạp âm thấp 50 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Phối hợp trở kháng dùng đoạn dây Landa/4 Hình 3.15 Mơ phối hợp trở kháng lối vào dùng đoạn dây lamda/4 Hình 3.16 Kết mô lối vào Luận văn thạc sỹ 51 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.17 Kết mơ đồ thị Smith Hình 3.18 Mơ phối hợp trở kháng lối Luận văn thạc sỹ 52 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.19 Kết mơ lối Hình 3.20 Kết mơ đồ thị Smith Luận văn thạc sỹ 53 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.21 Layout cho khuếch đại LNA dùng đoạn lamda/4 Hình 3.22 Layout cho khuếch đại LNA dùng dây nhánh Luận văn thạc sỹ 54 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Mục tiêu thiết kế mạch phối hợp trở kháng đƣa zin=0.429-j0.676 tâm đồ thị Smith (tức điểm cần phối hợp trở kháng) Ở có nhiều phƣơng pháp phối hợp trở kháng khác nhƣ: phần tử tập chung, dây chêm nối tiếp, dây chêm song song, lamda/4 … Nhƣng em định chọn phƣơng pháp dây chêm song song, sử dụng đƣợc xác, ổn định cơng nghệ mạch dải, ƣu điểm kích thƣớc so với phƣơng pháp phối hợp trở kháng dùng đoạn dây lamda/4 Tính tốn, mơ phỏng, thiết kế phối hợp trở kháng lối vào phƣơng pháp dây chêm song song với đoạn dây chêm hở mạch Sau mơ tồn hệ thống đạt giá trị tốt, ta tiến hành thiết kế layout cho mạch khuếch đại 3.2 Chế tạo Hình 3.23 mạch chế tạo Luận văn thạc sỹ 55 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.24 Đo đạc phịng thí nghiệm Hình 3.25 Chế độ dịng Luận văn thạc sỹ 56 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 3.26 Kết đo tham số máy phân tích phổ Tần số GHz Hệ số khuếch đại dB 3.491 10.333 3.433 7.255 3.575 7.853 3.488 10.387 Hình 3.27 Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại vào tần số Nhận xét: Nhƣ mạch khuếch đại tạp âm thấp hoạt động tốt, khuếch đại dải tần số từ 3.433GHz-3.6GHz hệ số khuếch đại 10dB, dải thông 140MHz Đây dải tần rộng, phù hợp tuyến thu thông tin vệ tinh Vinasat băng tần C Luận văn thạc sỹ 57 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN KẾT LUẬN Luận văn tìm hiểu cách tổng quan hoạt động hệ thống thu phát tín hiệu vệ tinh Các đặc trƣng thông tin liên lạc qua vệ tinh, từ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần kết hợp với mơ tính tốn Luận văn chế tạo đƣợc khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng C, khuếch đại dải tần số từ 3.433GHz – 3.6GHz, hệ số khuếch đại 10dB, dải thông 140MHz Đây dải tần rộng, phù hợp tuyến thu thông tin vệ tinhVinasat băng tần C Bộ khuếch đại sử dụng tuyến thu tín hiệu vệ tinh góp phần hồn thiện tuyến thu cao tần dùng thơng tin vệ tinh Tuy đạt đƣợc kết cịn khiêm tốn, nhƣng q trình thực luận văn giúp em tự tin tiến sâu vào lĩnh vực siêu cao tần Vì cịn nhiều khó khăn kỹ thuật sở thiết bị với nhiều hạn chế kiến thức luận văn chắn cịn nhiều thiếu sót, em mong nhận đƣợc ý kiến góp ý quý báu thầy để em hồn thiện thêm luận văn Luận văn thạc sỹ 58 Nguyễn Đức Hùng Đại học khtn – Đại học QGHN TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Cao Quang Hoàng “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phát tuyến thu cao tần dải rộng băng UHF phục vụ truyền dẫn thơng tin” khóa luận tốt nghiệp đại học năm 2010, trƣờng Đại học Công nghệ, ĐHQGHN [2] Nguyễn Phạm Anh Dũng (2007), Thông tin vệ tinh, Trung tâm đào tạo bƣu viễn thông 1, mã số 411TVT360, Hà Nội [3] GS.TSKH Phan Anh, Ths Trần Thị Thúy Quỳnh Giáo trình lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, Bộ môn thông tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại Học Công Nghệ - Quốc Gia Hà Nội [4] Phạm Minh Việt Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [5] PGS.TS Trần Quang Vinh – Ths Chử Văn An, Nguyên lý kỹ thuật điện tử, NXB Giáo dục, Hà Nội Tiếng anh [6] David M.Pozar, Microwave engineering, John Wiley & Sons, Inc [7] Guillermo Gonzalez, Microwave transistor amplifiers, Prentice Hall Luận văn thạc sỹ 59 Nguyễn Đức Hùng ... siêu cao tần em sâu nghiên c? ??u thiết kế chế tạo module: Bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần C Với tên đề tài: ? ?Nghiên c? ??u thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng truyền dẫn thông tin vệ tinh. .. khuếch đại tạp âm thấp băng C Điểm đề tài thể vi? ?c mạnh dạn nghiên c? ??u thiết kế chế tạo mạch cao tần tần số siêu cao, dải tần siêu cao địi hỏi kích thƣ? ?c mạch điện nhỏ, dẫn đến khó chế tạo x? ?c. .. thông tin vệ tinh: 1945-Arthur Clark đề xuất sử dụng vệ tinh địa tĩnh dùng cho thông tin quảng bá 1957-Liên Xơ phóng thành c? ?ng vệ tinh nhân tạo (Sputnik-1) 1964-Thành lập tổ ch? ?c thông tin vệ