Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA băng tần s

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 1.1.Giới thiệu chung 1.2 Lí thuyết đƣờng truyền 1.2.1 Các loại đường truyền 1.2.2 Các thành phần 1.2.3 Các hiệu ứng truyền đường dây 1.3 Đồ thị Smith 1.4 Phối hợp trở kháng 11 1.4.1 Lý thuyết chung 11 1.4.1 Các kỹ thuật phối hợp hợp kháng 12 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP LNA BĂNG TẦN S 15 2.1 Bộ Khuếch Đại Tạp Âm Thấp LNA 15 2.2 Thiết kế chế tạo khuếch đại tạp âm thấp LNA sử dụng transistor SPF-3043 17 2.2.1 Transistor SPF 3043 17 2.2.2 Phương pháp phối hợp trở kháng 18 2.2.3 Phương pháp dùng đoạn dây λ/4 19 2.2.4 Tính tốn mơ thiết kế 19 2.3 Đo đạc kết nhận xét 28 KẾT LUẬN 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp Local Oscillator Dao động chỗ Medium Earth Orbit Quỹ đạo tầm trung RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SPS Solar Power Satellite SHF Super High Frequency Tần số siêu cao TWT Travelling Wave Tube Ống dẫn sóng UHF Ultra High Frequency Cực cao tần LO MEO Vệ tinh lượng mặt trời LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn ThS Đoàn Hữu Chức, thầy tận tình giúp đỡ, bảo hướng dẫn em suốt thời gian thực luận văn tốt nghiệp Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô mô n Điện Tử tạo điều kiện tốt tận tình hướng dẫn chuyên môn thời gian em thực luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng, thời gian có hạn vốn kiến thức cịn hạn chế nên cơng trình cịn nhiều thiếu sót Vì vậy, em mong nhận đóng góp, bảo thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày 29 tháng 06 năm 2013 Sinh viên Nguyễn Minh Kế CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 1.1Giới thiệu chung: Thuật ngữ “viba” (microwaves) để sóng điện từ có bước sóng nhỏ, ứng với phạm vi tần số cao phổ tần số vô tuyến điện Phạm vi dải tần số quy định chặt chẽ thống tồn giới Giới hạn dải thường coi tới 300 GHz (f = 3.1011 Hz), ứng với bước sóng λ=1mm (sóng milimet), cịn giới hạn khác tuỳ thuộc vào quy ước theo tập quán sử dụng Một số nước coi "sóng cực ngắn" sóng có tần số cao 30 MHz (bước sóng λ ≤ 10m), cịn số nước khác coi "viba" sóng có tần số cao 300 MHz (bước sóng λ≤ 1m) Với phát triển nhanh kỹ thuật thành tựu đạt việc chinh phục băng tần cao phổ tần số vô tuyến, khái niệm phạm vi dải tần "viba" cịn thay đổi Hình 2.1 minh hoạ phổ tần số sóng điện từ phạm vi dải tần kỹ thuật viba coi đối tượng nghiên cứu môn học Tần số (Hz) Hình 1.1: Phổ tần số sóng điện từ Trong ứng dụng thực tế, dải tần vi ba chia thành băng tần nhỏ hơn: - Cực cao tần UHF (Ultra High Frequency): f = 300 MHz ÷ GHz - Siêu cao tần SHF (Super High Frequency): f = ÷ 30 GHz - Thậm cao tần EHF (Extremely High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz 1.2 Lý thuyết đƣờng truyền: Khi nghiên cứu đường truyền tín hiệu tần thấp, ta thường coi đường dây nối (hay đường truyền) ngắn mạch Điều kích thước mạch nhỏ bước sóng tín hiệu Cịn tín hiệu cao tần đặc biệt tín hiệu siêu cao ta phải có nghiên cứu đặc biệt đường truyền 1.2.1 Các loại đường truyền: Một đường truyền sử dụng để truyền tín hiệu từ phần tử đến phần tử khác từ lối vào mạch tới phần tử từ phần đến lối Có loại đường truyền dây đôi, đường truyền vi dải, cáp phẳng ống dẫn sóng Hình 1.2: Các dạng đường truyền sóng Trong trường hợp truyền sóng phẳng TEM xác định điện áp cường độ dòng điện xác định điểm Các kim loại đặc trưng độ dẫn σ Sử dụng chất điện môi chất cách điện vật dẫn đặc trưng độ dẫn, số điện môi độ từ thẩm thường 1.2.2 Các thành phần: Các phần tử thụ động: RLC, diot, đường truyền ( ,…) Các phần tử hoạt động: transistor (BJT, FET, MESFET, MOSFET, HEMT) Các mạch tích hợp (MMIC – Monolithic Microwave Integrated Circuits) 1.2.3 Các hiệu ứng truyền đường dây: Các giả thiết vật lý QSA (Quasi-Static approximation) sử dụng cho phần tử thụ động hoạt động rời rạc Các tín hiệu dải thông nhỏ Các đường dây giả sử mode TEM lượng tử Các phƣơng trình điện báo: Xét cáp đồng trục có chiều dài h Điện Trở lõi (1.1) Điện trở lớp vỏ bọc: (1.2) Độ tự cảm lõi trong: (1.3) Điện dung tạo lõi lớp vỏ: (1.4) Độ dẫn điện lớp điện mơi : (1.5) Trƣờng hợp sóng sin v (1.6) i (1.7) Nghiệm tổng quát phương trình vi phân cấp phụ thuộc vào hai số: (1.8) Với sóng đến sóng phản xạ (1.9) Trở kháng đặc trƣng Chúng ta có phương trình: (2.11) Trở kháng xác định tỷ số điện áp dịng điện: (2.12) Coi sóng phản xạ sóng sin : Trở kháng xác định tỷ số điện áp dòng điện: (2.14) Vì , gọi trở kháng đặc trưng đường truyền Đƣờng truyền không tổn hao R1 =0 , G1 =0 Và jk ; Hệ số phản xạ Một đường truyền giới hạn tải với trở kháng ZL Hệ số phản xạ xác định công thức: (2.15) Trở kháng chuẩn hóa tính theo đơn vị trở kháng đặc trưng : (2.16) Sóng đứng Ở điểm đường truyền ta có: (2.17) Trường hợp đường truyền vi dải: Hình 1.3: Đường truyền vi dải Trở kháng đặc trưng phụ thuộc vào bề rộng, độ cao, số điện môi bề dày dải: (2.18) Ở trở kháng đặc trưng lớp không gian : w’=w+Δw Và (2.19) Để đặc trưng cho hiệu ứng bề mặt, người ta đưa khái niệm độ thấm sâu trường độ dày lớp bề mặt mà trường tồn δ Đó khoảng cách tính từ bề mặt vật dẫn sâu vào bên trong, cường độ điện trường giảm e=2,7183… lần so với giá trị bề mặt với (2.20) 1.3 Đồ thị Smith: Đồ thị biểu diễn hình học hệ thức: (2.21) Hay viết dạng trở kháng chuẩn hố: (2.22) Trong zL=ZL/R0 trở kháng chuẩn hoá theo R0 Thay ta viết lại (2.23) dạng : (2.23) biểu diễn lên hệ toạ độ Một giá trị hệ số phản xạ cực dạng bán kính vectơ góc pha Như ,ứng với điểm mặt phẳng hệ số phản xạ có giá trị hệ số phản xạ hoàn toàn xác định giá trị trở kháng z hoàn toàn xác định Thay ZL=rL+ixL Γ=Γr+iΓi vào (2.23) ta nhận được: (2.25) Trong rL xL điện trở điện kháng tải Γr Γi phần thực phần ảo hệ số phản xạ Γ Trên mặt phẳng hệ số phản xạ (giới hạn vịng bán kính l ) vẽ họ đường cong, họ gồm đường đẳng điện trở r = const họ gồm đường đẳng điện kháng x = const Cân phần thực phàn ảo (2.25) ta phương trình: (2.26) (2.27) Sau biến đổi (2.26) (2.27) ta nhận : (2.28) (2.29) Mỗi phương trình biểu thị họ đường trịn mặt phẳng Hình 1.4: Đồ thị Smith chuẩn ,Γ1 Đây phương trình định nghĩa vịng trịn số tạp âm Trong đó: Tâm vịng trịn : Bán kính vịng trịn RF= (2.48) Kết luận: Nếu có tham số đầu vào Fmin,ropt,RN ta tìm RF,CF dựng vịng trịn rs thiết kế khuếch đại transistor có hệ số tạp nhiễu thấp 2.2.Thiết kế v mô p h ỏ n g chế tạo khuếch đại tạp âm thấp (LNA) sử dụng transistor SPF – 3043:  Yêu cầu: Thiết kế khuếch đại tạp âm thấp có hệ số khuếch đại lớn 10 dB, hoạt động tần số 2.45 GHz 2.2.1.Transistor SPF 3043: Transistor SPF 3043 có dải tần hoạt động rộng, hệ số khuếch đại lớn thích hợp dùng chế tạo mạch khuếch đại tạp âm thấp Hình 2.2: Layout SPF-3043 Hình 2.3: Dải tần hoạt động SPF-3043 17 Các tham số S-Parameter chip SPF3043: Hình 2.4: Bảng tham số S-parameter trích suất từ file S2P Tại tần số 2.45 GHz tham số quan trọng: S11=0.75227 S11Ang= -65.6501 S22=0.49784 S22Ang= -36.8457 Từ tham số ta tính trở kháng lối vào trở kháng lối transistor: Zin = 22.955 – j*72.48 Zout = 83.3785 – j*66.187 2.2.2.Phương pháp phối hợp trở kháng: Có nhiều phương pháp phối hợp trở kháng khác như: phần tử tập chung, dây chêm nối tiếp, dây chêm song song, λ/4… Nhưng qua thực nghiệm, em định chọn phương pháp sử dụng đoạn λ/4 thường cho kết xác, ổn định với hệ số khuếch đại cao so với cách cịn lại Hình 2.5: Sơ đồ mạch khuếch đại 18 2.2.3.Phương pháp dùng đoạn dây λ/4: Hình 2.6: Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng đoạn λ/4 2.2.4.Tính tốn mơ thiết kế  Phối hợp trở kháng vào: Zin = 23 – 72,5j Sử dụng cơng cụ Quarter Wavelenght Transmith để tính tốn giá trị: Hình2.7:Các tham số đầu vào 19 Hình 2.9: Trường hợp Hình 2.8: Trường hợp Hình 2.10: Kết Ta có: d1 = 0.15885λ = 9.3307 mm => 20 d2= 0.40886λ = 24.0149 mm Ta chọn kết thứ cho kích thước dây nhỏ, phù hợp với mạch LNA Từ kết tính tốn, ta mơ mạch thực tế phần mềm Advanced Desgin system (ADS) – phần mềm thiết kế chuyên dụng lĩnh vực siêu cao tần Các giá trị lý thuyết d1 Z(λ/4) quy đổi giá trị độ rộng (W), chiều dài (L) đoạn dây mạch dải thông qua cơng cụ LineCalc phần mềm ADS Hình 2.11: Cơng cụ LineCalc phần mềm ADS 21 Hình 2.12: Sơ đồ mạch nguyên lý đầu vào Hình 2.13: Kết tham số S11 S21 đầu vào 22  Phối hợp trở kháng ra: Ta thực tính tốn mô tương tự lối vào Zout = 83.4 – j*66.2 Hình 2.14: Trường hợp Hình 2.15: Trường hợp Hình 2.16: Kết 23 Ta có: d1 = 0.19884λ = 11.6793 mm  d2 = 0.4044884λ = 26.3634 mm Ta chọn kết thứ cho kích thước dây nhỏ, phù hợp với mạch LNA Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý đầu 24 Hình 2.18: Kết mô tham số S11 S21 đầu Từ thông số trở kháng vào/ra transistor SPF3043 thực phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại Giá trị đoạn dây chêm tính nhờ LineCalc phần mềm ADS2009 Kết tính tốn cho hình Tương tự ta tính tốn giá trị đoạn dây chêm cho phần phối hợp trở kháng lối Sơ đồ nguyên lý mạch LNA băng S cho hình 25 Hình 2.19: Kết tính tốn đoạn dây chêm dùng cơng cụ LineCalc ADS2009 Hình 2.20 Sơ đồ ngun lý mạch LNA tần số 2,45 GHz Kết mô tính tham số quan trọng hệ số khuếch đại mạch đưa hình Theo ta thấy hệ số khuếch đại đạt 22,682 dB tần số 2,45 GHz Giá trị thỏa mãn điều kiện thiết kế đặt 26 30 m1 dB(S(2,1)) dB(S(1,1)) 20 m1 freq=2.450GHz dB(S(2,1))=22.682 10 m2 freq=2.424GHz dB(S(1,1))=-15.722 -10 m2 -20 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 freq, GHz Hình 2.21 Kết mơ mạch LNA thiết kế -Sau hồn tất mơ phỏng, ta tiến hành thiết kế layout cho mạch khuếch đại: Hình 2.22: Layout mạch thực tế LNA 27 Hình 2.23: Sơ đồ bố trí đo tham số mạch khuếch đại tạp âm thấp 2.3.Đo đạc kết nhận xét: Dùng máy phân tích mạng Advantest R3765CG đo tham số S21 S11 ta kết Hình 2.24: Kết đo thực nghiệm tham số S21 28 Hình 2.25: Kết đo thực nghiệm tham số S12 Nhận xét: Như mạch khuếch đại hoạt động tương đối tốt, khuếch đại dải tần tử 1.86 GHz – 2.64 GHz Hệ số khuếch đại từ 10.5 dB – 13.58 dB (có thể đạt tới 15 dB suy hao dây đo khoảng 1.5 dB) Dải thông đạt 780 MHz 29 KẾT LUẬN Trong thời gian tìm hiểu nghiên cứu giúp đỡ tận tình thầy hướng dẫn ThS Đồn Hữu Chức, 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 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 sau tốt nghiệp công tác thực tiễn sau Qua trình tìm hiểu thực đề tài, hướng dẫn tận tình ThS Đồn Hữu Chức, em thu kết sau: Nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật siêu cao tần Tìm hiểu thiết kế, mơ mạch siêu cao tần phần mềm thiết kế chuyên nghiệp ADS Thiết kế, chế tạo thành cơng mơ hình tuyến thu đo lượng khơng dây dải sóng siêu cao tần tần số 2.45 GHz bao gồm: Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) tần số trung tâm 2.45 GHz với dải tần rộng 780 MHz với hệ số khuếch đại đạt từ 10.5 – 13.58 dB ( đạt 15 dB suy hao dây đo khoảng 1.5 dB) Một lần em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đoàn Hữu Chức thầy, cô Bộ môn Điện-Điện Tử hướng dẫn em thực đề tài Hải Phòng, ngày 29 tháng 06 năm 2013 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt: [1] GS.TSKH Phan Anh Trường điện từ truyền sóng, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội [2] Phạm Minh Việt Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] PGS.TS Trần Quang Vinh – Ths Chử Văn An Nguyên lý kỹ thuật điện tử, NXB giáo dục, Hà Nội Tài liệu tiếng Anh: [1] David M Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc [2] Shinohara, N., H Matsumoto, and K Hashimoto, “Phase-Controlled Magnetron Development for SPORTS : Space Power Radio Transmission System”, The Radio Science Bulletin, No.310,2004, pp.29-35 [3] Takano, T., A Sugawara, and N Kamo, “Simplification Techniques of the Constitution of microwave Transmission Antennas of SPS (in Japanese)”, Tech Rep of IEICE,SPS2003-09(SPS2004-02), 2004, pp.51-58 31 ... 2: NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẬP ÂM THẤP LNA 2.1 Bộ Khuếch Đại Tạp Âm Thấp LNA Hình 2.1: Tạp âm mạng hai cửa Bên cạnh độ ổn định hệ s? ?? khuếch đại tạp âm yếu tố quan trọng thiết. .. (LNA) s? ?? dụng transistor SPF – 3043:  Yêu cầu: Thiết kế khuếch đại tạp âm thấp có hệ s? ?? khuếch đại lớn 10 dB, hoạt động tần s? ?? 2.45 GHz 2.2.1.Transistor SPF 3043: Transistor SPF 3043 có dải tần. .. (2.48) Kết luận: Nếu có tham s? ?? đầu vào Fmin,ropt,RN ta tìm RF,CF dựng vịng trịn rs thiết kế khuếch đại transistor có hệ s? ?? tạp nhiễu thấp 2.2 .Thiết kế v mô p h ỏ n g chế tạo khuếch đại tạp âm thấp