Nguyễn Trần Tuấn, Bạch Gia Dương, Nguyễn Đức Thủy THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) TẠI TẦN SỐ GHZ DÙNG CHO MÁY THU RADAR Nguyễn Trần Tuấn1, Bạch Gia Dương2, Nguyễn Đức Thủy1 Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Trung tâm Nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Tóm tắt: Trong báo này, thực nghiên cứu thiết kế, chế tạo khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) hoạt động tần số GHz băng tần X (từ GHz đến 12 GHz) có khả đáp ứng yêu cầu sử dụng máy thu radar với hệ số khuếch đại: > 10dB, hệ số tạp âm < 0,8 hệ số phản xạ lối vào thấp -20dB Mạch thiết kế sử dụng SPF-3043, transistor trường pHEMT GaAs, sử dụng phổ biến thiết kế LNA giá thành rẻ hiệu suất hệ số khuếch đại cao, với tần số có khả mở rộng lên đến 10 GHz Từ khóa: LNA, phối hợp trở kháng, băng tần X, radar.1 I MỞ ĐẦU Radar hệ thống vô tuyến phổ biến dùng để phát xác định vị trí mục tiêu so với trạm radar Từ đời nay, radar không ngừng cải tiến ngày hoàn thiện Cùng với phát triển ngành khoa học, ứng dụng thành tựu tự động hóa, kỹ thuật điện tử, với phát triển vơ tuyến điện, tính kỹ thuật, khai thác hoạt động radar nâng cao không ngừng ngày sâu vào phục vụ đời sống giao thông hàng không, giám sát thời tiết đặc biệt lĩnh vực quân với khả phát mục tiêu nhanh chóng giám sát bảo vệ biển Các radar đại ngày sử dụng anten mảng pha băng X nhằm đạt độ phân giải cao ảnh quét hình radar Tác giả liên hệ: Nguyễn Trần Tuấn Email: tuannt.0408@gmail.com Đến tòa soạn: 23/7/2016, chỉnh sửa: 30/8/2016, chấp nhận đăng: 03/9/2016 Chính vậy, hệ thống radar, máy thu ln đóng vai trị quan trọng, có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản xạ từ mục tiêu về, qua anten, biến thành tín hiệu điện khuếch đại đưa sang thiết bị báo hiển thị điểm dấu mục tiêu [4] Tín hiệu thu Bộ hạn chế Ống TR Bộ bảo vệ máy thu Bộ trộn LNA IF ~ Bộ dao động nội Bộ tách sóng Bộ khuếch đại xung ảnh Màn hình hiển thị Bộ khử nhiễu Hình Sơ đồ khối máy thu radar Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) thể Hình khuếch đại tầng đầu vào máy thu radar, đặt gần anten, có vai trị quan trọng nhằm tăng tín hiệu thu mong muốn giảm tạp âm gây tuyến anten feeder Thiết kế, chế tạo thiết bị LNA làm việc băng tần X (8 GHz 12 GHz) thử thách khó khăn tần số làm việc cao thiết bị chế tạo trở nên thiết thực xu hướng ngày nhiều ứng dụng kỹ thuật vào đời sống Mục đích báo nhằm đưa thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) có cấu trúc đơn giản, sử dụng transistor trường pHEMT GaAs SPF - 3043 có chi phí thấp hoạt động hiệu tần số cao Một số tham số lưu ý khảo sát bao gồm hệ số khuếch đại, hệ số tạp âm độ ổn định để qua tối ưu tần số cao, 9GHz thuộc băng tần X (8GHz - 12GHz) [6] II CƠ SỞ LÝ THUYẾT A Bộ khuếch đại cao tần tạp âm thấp Mục tiêu thiết kế chế tạo thành công khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) hoạt động Số (CS.01) 2016 Tạp chí KHOA HỌC CƠNG NGHỆ 35 THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) TẠI TẦN SỐ GHZ DÙNG băng tần X có khả đáp ứng yêu cầu sử dụng máy thu radar Dải tần làm việc: băng X (từ GHz đến 12 GHz) Hệ số khuếch đại: > 10dB Z0 S Phối hợp trở kháng lối vào Phối hợp trở kháng lối SPF-3043 ZS Zin Zout ổn định tính theo hai hệ số K ΔS theo công thức sau [6]: ΔS = |S11S22 – S21S12| ZL ZL Hình Sơ đồ khối mạch khuếch đại tạp âm thấp Sơ đồ khuếch đại cao tần tạp âm thấp, thể Hình sử dụng cho thiết kế bao gồm phần phối hợp trở kháng lối vào, lối linh kiện khuếch đại transistor trường cho ứng dụng tần số cao B Transistor trường SPF-3043 Linh kiện transistor lựu chọn thiết kế, chế tạo khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp băng X dùng cho máy thu radar SPF-3043 Stanford [5] Đây transistor trường pHEMT GaAs sử dụng phổ biến thiết kế LNA hiệu suất hệ số khuếch đại cao, có khả mở rộng tần số lên đến 10 GHz Một số tham số kỹ thuật SPF-3043 đưa theo Hình 3, theo băng tần X (từ GHz đến 10 GHz), SPF-3043 khuếch đại tín hiệu từ 10 dB đến 15 dB đảm bảo yêu cầu cho việc thiết kế LNA băng tần X có hệ số khuếch đại đạt yêu cầu hệ thống anten cỡ nhỏ đến trung bình, chi phí lại khơng q cao K= − S11 2 − S2 (1) + ∆S (2) S12 S 21 Với hệ số K > 1, ΔS < 1, thiết kế mạch với transistor SPF-3043 9GHz, mạch ổn định vô điều kiện 2) Khảo sát hệ số phẩm chất Mục đích việc khảo sát hệ số phẩm chất U nhằm đơn giản hóa việc thiết kế đánh giá sai số thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp [3] Trước tiên ta xét theo công thức: GT 1 < < G (1 + U ) (1 − U ) TU max (3) Trong đó: U gọi hệ số phẩm chất đơn hướng U= S12 S 21 S11 S 22 (4) (1 − S11 )(1 − S 22 ) 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, ta coi S12 ≈ 3) Ước lượng hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại tối đa mạch thiết kế ước lượng thơng qua tham số tán xạ SPF3040, coi S12 ≈ 0, nên ta ước lượng hệ số khuếch đại mạch thiết kế đạt tới theo công thức [3]: GTU max = Hình Hệ số khuếch đại SPF-3043 C Khảo sát số tham số 1) Khảo sát độ ổn định Tại tần số mong muốn thiết kết (9 GHz), ta khảo sát độ ổn định transistor trường SPF-3043 Độ Tạp chí KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 36 THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 1 − S11 S 21 1 − S 22 (5) D Tính tốn lý thuyết nhánh lối vào lối Từ tham số S-Parameter SPF-3043 theo file S2P, ta có tham số quan trọng: S11 = 0,50602 ∠ 146,318 S22 = 0,13321 ∠ -152,768 cho việc tính tốn phối hợp trở kháng lối vào lối tần số GHz Số (CS.01) 2016 Nguyễn Trần Tuấn, Bạch Gia Dương, Nguyễn Đức Thủy Vì ta xem S12 ≈ nên ta có hệ số phản xạ lối vào lối tương ứng: (6) Γin = S11, Γout = S22 Khi đó, việc xác định trở kháng lối vào lối mạch phối hợp trở kháng linh kiện SPF-3043 với đường truyền Z0 = 50 Ω thực theo công thức sau [2]: + Γin Z in = Z − Γin Z out + Γout = Z0 − Γout (7) Thay giá trị vào hai cơng thức trên, ta tính được: Zin = 17,75 + j*13,35; Zout = 39,15 – j*4,85 (8) Phương thức phối hợp trở kháng cho mạch thiết kế sử dụng đoạn dây có độ dài λ/4, phương pháp dễ thực tính tốn lý thuyết chế tạo mạch thực tế Vì phương pháp dùng để phối hợp trở kháng trở với đường truyền, giá trị trở 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 Sử dụng công cụ giản đồ Smith, vẽ đường tròn qua điểm trở kháng phức cắt đường đẳng x = (trục thực) hai điểm, tương ứng nghiệm thực (trở kháng trở) Từ hai điểm này, tâm (Z0 = 50 Ω) thực phối hợp trở kháng, ta xác định độ dài đoạn đường truyền tải đoạn dây λ/4 Đối với Zin = 17,75 + j*13,35, ta xác định nghiệm sau: Nghiệm Nghiệm d1 = 0,20329 λ d2 = 0,45329 λ Z(d1) = 152,2112 Ω Z(d1) = 16,4245 Ω Zλ/4 = 87,2385 Ω Zλ/4 = 28,6571 Ω Nghiệm d1 = 0,033778 λ Nghiệm d2 = 0,28778 λ Z(d1) = 38,2524 Ω Zλ/4 = 43,7335 Ω Z(d1) = 65,3554 Ω Zλ/4 = 57,1644 Ω III MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Công cụ mô thực công cụ ADS 2009 Sử dụng công cụ LineCalc ADS 2009, ta xác định giá trị W L đường truyền vi dải [1] Sơ đồ mạch phối hợp trở kháng sử dụng thử nghiệm mô thể Hình 4: Hình Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp lối vào lối sử dụng mô Mạch thiết kế gồm hai nhánh, lối vào lối Đối với nhánh gồm đường truyền vi dải theo tính tốn lý thuyết mục II.F Đối với việc cấp nguồn cho nhánh lối vào lối ra, sử dụng đoạn dây có trở kháng Z0 = 50 Ω (W = 3,30375 mm L = 4,44541 mm) điện trở cao R = 5600 Ω nhằm đảm bảo cường độ dòng lối vào transistor đủ nhỏ, hệ thống tụ từ - pF để tránh làm hỏng transistor Tương tự, Zout = 39,15 ‒ j*4,85, ta xác định hai nghiệm sau: Hình Tham số S11, S21 VSWR Số (CS.01) 2016 Tạp chí KHOA HỌC CƠNG NGHỆ 37 THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) TẠI TẦN SỐ GHZ DÙNG Tại Ghz (như thể Hình 5): - Hệ số S11 = -24,337 dB (đồ thị giảm sâu) cho thấy hệ số phản xạ lối vào thấp đảm bảo yêu cầu thiết cầu thiết kế cho không gây mát công suất lối phản xạ lối vào - Hệ số S21 = 11,068 dB công suất khuếch đại lối ra, đảm bảo theo yêu cầu thiết kế > 10dB - Hệ số sóng đứng VSWR = 1,129 đảm bảo yêu cầu xấp xỉ 1, cho thấy hệ số phản xạ thấp (lý tưởng hệ số sóng đứng 1, khơng có phản xạ) Hình Layout LNA băng X sử dụng SPF-3043 Từ mạch mô [1], xây dựng thiết kế mạch layout cho phù hợp với kích thước linh kiện transistor SPF-3043, tụ điện, điện trở, thực tế Mạch layout sau hoàn thiện đưa vào hệ thống máy phay để cắt tạo đường phíp đồng FR-4 Hình Hệ số tạp âm Hệ số tạp âm mạch thiết kế nf = 0,638 < 0,8 đủ nhỏ nhằm đảm bảo hệ số khuếch đại lối đủ lớn cho việc chế tạo khuếch đại tạp âm thấp LNA (Hình 6) Hình Đo kiểm tra với máy Anritsu 37369D Hình Hệ số K ΔS Theo kết mơ Hình 7, tần số GHz, hệ số K = 1,207 > ΔS = 0,479 < Do đó, mạch thiết kế đạt độ ổn định vô điều kiện, đảm bảo cho việc chế tạo LNA IV CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TRONG THỰC TẾ Thiết kế layout mạch mô [1]: Tạp chí KHOA HỌC CƠNG NGHỆ 38 THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Kết chế tạo khuếch đại tạp âm thấp LNA đưa với kích thước × (cm) thực đo đánh giá mạch LNA sử dụng SPF-3043 máy đo chuyên dụng Anritsu 37369D (Hình 9) Cấp nguồn cho lối trước với giá trị thiết lập điện áp = 6V, cường độ dòng = 0,03A Đối với nguồn cấp cho lối vào, cường độ dòng = 0,03A thay đổi điện áp tăng dần từ 0V hình thị phối hợp trở kháng (xuất S21) điện áp 0,68V Số (CS.01) 2016 Nguyễn Trần Tuấn, Bạch Gia Dương, Nguyễn Đức Thủy điều chỉnh vấn đề gây ảnh hưởng tới mạch Tuy nhiên, với mục tiêu ban đầu đặt ra, mạch LNA chế tạo đảm bảo điều kiện làm việc băng tần X (8 GHz đến 12 GHz) máy thu radar Hệ số khuếch đại mạch cao 12,646 dB (tại tần số 10 GHz), chưa xét đến suy hao dây đo (2-3 dB) Mạch chế tạo có khả đáp ứng máy thu radar cỡ nhỏ đến trung bình với ứng dụng giám sát thời tiết, bề mặt sân bay hay tàu giám sát biển Bộ LNA thiết kế chế tạo trình bày cần tích hợp với hạn chế bảo vệ LNA lắp vào tuyến thu radar băng X [1] TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 10 Tham số S21 S11 máy Anritsu 37369D Kết đo mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA thấy 10 GHz, hệ số khuếch đại lối cao S21 = 12,646 dB hệ số phản xạ lối vào S11 = ‒ 2,753 dB V KẾT LUẬN Thiết kế, chế tạo khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp LNA làm việc băng X (từ 8GHz đến 12 GHz) thử thách vô khó khăn tần số làm việc cao Mạch khuếch đại chế tạo bị lệch tần so với mạch thiết kế, mô (9 GHz so với 10 GHz) Nguyên nhân do: - Mạch chế tạo đạt độ xác tuyệt đối mạch mơ (sai số chiều dài L độ rộng W đường truyền) - Kỹ thuật chế tạo bao gồm phay mạch, hàn, linh kiện sử dụng chưa đảm bảo đủ tốt dẫn đến phát sinh nhiễu ký sinh gây ảnh hưởng đến mạch chế tạo - Điều kiện chưa cho phép thực mô đo thực tế sóng TEM điện từ trường nhằm thấy phân bố đường sức điện từ trường đường truyền dẫn sóng Qua đó, xác định [1] Nguyễn Trần Tuấn, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) băng X dùng cho máy thu radar, Luận văn Thạc sỹ, Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia, Hà Nội, (2015) [2] Bạch Gia Dương, Trương Vũ Bằng Giang, Kỹ thuật siêu cao tần, Nhà xuất Đại học Quốc Gia, Hà Nội, (2013) [3] David.M.Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Son, Fourth Edition, (2012) [4] Merrill I.Skolnik, Introduction to Radar Systems, McGraw-Hill, Second Edition, (1981) [5] SPF-3043 Datasheet – Stanford Microdevices [6] Mohammed Lahsaini, Lahbib Zenkouar, Seddik Bri, Design of a Wide Band Low Noise Amplifier 9,5 - 12,5 GHz, International Journal of Microwaves Applications, Volume 2, No.1, January – February 2013, tr.1-2 THE STUDY DESIGN, FABRICATION OF A 9GHz LOW-NOISE AMPLIFIER (LNA) USING FOR THE RADAR’S RECEIVER Abstract: This paper performs the study design, fabrication of a low-noise amplifier (LNA) operating at 9GHz of X-band (8GHz to 12GHz) that Số (CS.01) 2016 Tạp chí KHOA HỌC CƠNG NGHỆ 39 THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) TẠI TẦN SỐ GHZ DÙNG be able to meet requirements using for the radar’s receiver with gain greater than 10dB, noise figure less than 0,8 and reflection coefficient at the input (S11) lower than -20dB The design circuit uses a common SPF-3043 in LNA design that is pHEMT GaAs transistor with low cost but high gain and performance, potentially extended frequency up to 10GHz Keywords: LNA, impedance matching, X-band, radar ThS Nguyễn Trần Tuấn, tốt nghiệp đại học cao học vào năm 2011 2015 Đại học Công nghệ, ĐHQG, Hà Nội Hiện công tác Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện Lĩnh vực nghiên cứu: Lý thuyết thơng tin, truyền thơng vơ tuyến Tạp chí KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 40 THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Số (CS.01) 2016 PGS.TS Bạch Gia Dương, tốt nghiệp đại học năm 1972 Đại học Tổng hợp Hà Nội làm luận án Tiến sĩ chuyên ngành Điện tử Viễn thông năm 1990 Đại học Tổng hợp Lê-nin-grat Hiện công tác Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội Lĩnh vực nghiên cứu: Xử lý tín hiệu số, điều khiển tự động, công nghệ kỹ thuật radar, thiết kế chip TS Nguyễn Đức Thủy, tốt nghiệp đại học chuyên ngành Điện tử Viễn thông Đại học Bách khoa, Hà Nội, học cao học Đại học Hàn Quốc bảo vệ luận án Tiến sĩ Học viện Cơng Nghệ Bưu Viễn thơng Hiện cơng tác Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện Lĩnh vực nghiên cứu: Lý thuyết thông tin, truyền thông vô tuyến, công nghệ truyền thông hệ Internet of Things