d) Hệ số tạp âm Noise Figure (NF)
2.3.2 Phối hợp trở kháng dải hẹp bằng những đoạn dây dẫn sóng mắc liên tiếp
2.3.2.1 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây một phần tư bước sóng
Một đoạn dây dẫn sóng dài sẽ thỏa mãn biểu thức: ZvàoZL = Z0
2
(2.26)
Trong đó, Z0 là trở kháng đặc tính của đường truyền, ZL là trở kháng đầu cuối, Zvào là trở kháng đầu vào. Như vậy ta mắc một đoạn dây dẫn sóng dài λ\4 có trở kháng
(2.27)
Với Za là trở kháng đặc tính của đường truyền sóng chính hoặc trở kháng của nguồn cung cấp. Kỹ thuật này thường sử dụng với các tải có trở kháng thực.
Hình 2.9 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây λ\4
Giả sử các đường truyền dẫn sóng là đường dây không tổn hao và tải đầu cuối là thuần trở:
Za = R0; Z0 = R0; ZL = RL
Ta được
Khi tần số thay đổi độ dài của đoạn dây λ\4 phối hợp sẽ khác và điều kiện phối hợp sẽ không còn thỏa mãn nữa.
2.3.2.2 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ
Dùng một dây dẫn sóng có độ dài bất kỳ mắc nối tiếp cho phép có thể phối hợp một trở kháng phức ZL với một đường có trở kháng đặc tính Z0.
Hình 2.10 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ
2.3.2.3 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp
Hình 2.11 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây nối tiếp
Trong trường hợp này, các đoạn dây phối hợp trở kháng đặc tính Z0 và Za đã biết trước cần xác định độ dài của chúng để có được trở kháng nhìn từ A-A về tải đạt được giá trị bằng Z0, nghĩa là bảo đảm không có sóng phản xạ.
2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm
Một đoạn dây chêm là một phần của đường truyền có chiều dài l và thường được kết thúc bẳng mạch hở hoặc ngắn mạch.
Hình 2.12 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây chêm đơn Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đơn tuy đơn giản về nguyên lý nhưng khó khăn khi thực hiện vì:
Điểm mắc dây chêm (khoảng cách d) phụ thuộc vào giá trị của tải ZL nên vị trí này có thể điều chỉnh được.
Thường việc điều chỉnh vị trí mắc dây chêm hay độ dài dây nhánh được thực hiện theo cách tiếp xúc trượt. Đây là nhược điểm vì khó đảm bảo sự liên tục về trở kháng hoặc tiếp xúc kém. Để khắc phục nhược điểm này người ta dùng phương pháp phối hợp bằng dây chêm đôi đặt cách nhau khoảng cách cố định λ\8, λ\4, 3λ\8 trên đường truyền sóng. Các dây chêm có thể ở tình trạng hở mạch hoặc ngắn mạch đầu cuối.
CHƯƠNG III 3.1 Lựa chọn phần mềm mô ph
3.1.1 Lựa chọn chương trình mô ph
Luận văn thiết kế bộ LNA làm vi lựa chọn tần số làm việc là 8.5Ghz
tuyến. Do đó việc thiết kế, mô phỏng mạch cần hợp. Phần mềm mô phỏng
Agilent chuyên hỗ trợ thiết kế, mô phỏng mạch
Hình 3.1 Ph
3.1.2 Lựa chọn tranzitor hỗ
Tranzitor SPF 3043 có d hệ số nhiễu NF (Noise Figure) th
CHƯƠNG III – MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI MẠCH m mô phỏng và linh kiện
ình mô phỏng
LNA làm việc tại băng tần X có dải tần từ 8
à 8.5Ghz. Nhưđã biết mạch điện tại tần số cao tần trở n ệc thiết kế, mô phỏng mạch cần được thực hiện trên chươ
ợp. Phần mềm mô phỏng ADS2009 (Advanced Design System 2009) c ỗ trợ thiết kế, mô phỏng mạch điện cao tần đã được lựa chọn.
Hình 3.1 Phần mềm mô phỏng ADS 2009
ỗ trợ thiết kế
có dải tần hoạt động rộng từ 0 – 10 Ghz, có đ u NF (Noise Figure) thấp, phù hợp thiết kế các bộ khuếch đại t
CH
ệc tại băng tần X có dải tần từ 8-12Ghz, ở đây ện tại tần số cao tần trở nên phi ương trình thích ADS2009 (Advanced Design System 2009) của hãng
ợc lựa chọn.
, có độ lợi G (Gain), i tạp âm thấp
Hình 3.2. Sơ đồ
Hình 3.3 Từ hình 3.3 ta thấy khi ch
8.5Ghz thì việc lựa chọn chip SPF 3043 là hoàn toàn h dải tần hoạt động của chip SPF 3043.
ồ và chức năng từng chân của chip SPF 3043
Hình 3.3 Độ lợi G theo tần số của SPF 3043
y khi chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp làm vi n chip SPF 3043 là hoàn toàn hợp lý, tần số 8.5Ghz n a chip SPF 3043.
043
p làm việc tại tần số 8.5Ghz nằm trong
3.2 Thiết kế và mô phỏng m
3.2.1 Phương pháp phối hợ
Có rất nhiều phương pháp ph chêm nối tiếp, dây chêm song song, dụng λ/4 cho kết quả chính xác, các phương pháp còn lại.
Hình 3.4 S
Hình 3.5 Ph
3.2.2 Tính toán mô phỏng thi
Từ file .s2p của chip SPF 3043, dùng ADS 2009 ta có b của chip
ng mạch khuếch đại
ợp trở kháng
u phương pháp phối hợp trở kháng khác nhau: phần tử
p, dây chêm song song, λ/4…Nhưng qua thực nghiêm, phương pháp s chính xác, ổn định cho kết quả hệ số khuếch đại cao hơn so v
Hình 3.4 Sơ đồ mạch khuếch đại phối hợp trở kháng
Hình 3.5 Phương pháp phối hợp trở kháng dùng λ/4
ng thiết kế
a chip SPF 3043, dùng ADS 2009 ta có bảng thông s
ử tập trung, dây c nghiêm, phương pháp sử i cao hơn so với
kháng
Tại tần số 8.5Ghz: S11 = 0.46826 S21 = 0.16301 3.2.2.1 Phối hợp trở kháng cho l Hình 3.6 Tính toán S11Ang = 154.092 S21Ang = -137.490
kháng cho lối vào Zin
Hình 3.6 Tính toán giá trị trở kháng vào Zin
Dùng phần mềm ADS đ toán với Z0 = 50 (18.95 + j*9.9) Ω
m ADS để tính = 50 Ω Zin =
* Tính toán các tham s Dùng giản đồ Smith ta tính đư vào
* Tính toán các tham số lối vào
Smith ta tính được 2 trường hợp của phối hợp trở kháng cho
Hình 3.7 Trường hợp 1 của lối vào
Hình 3.8 Trường hợp 2 của lối vào
d1 = 0.21409λ Z(d1) = 137.922 Ohm Zλ/4 = 83.0427 Ohm d2 = 0.46409λ Z(d2) = 18.1262 Ohm Zλ/4 = 30.105 Ohm kháng cho lối Z(d1) = 137.922 Ohm = 83.0427 Ohm λ Z(d2) = 18.1262 Ohm = 30.105 Ohm
* Tính toán mô phỏng phố
Dùng công cụ LineCalc trên ph chiều dài L các đoạn dây củ
Hình 3.9 M
Hình 3.10 Kế
ối hợp trở kháng lối vào trường hợp 1 LineCalc trên phần mềm ADS 2009 ta tính được đ
ủa mạch phối hợp:
Hình 3.9 Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường hợ
ết quả tham số S11, S21 lối vào trường hợp 1
c độ rộng W và
ợp 1
* Tính toán mô phỏng phố
Hình 3.11 M
Hình 3.12 Kế
ối hợp trở kháng lối vào trường hợp 2
Hình 3.11 Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường h
ết quả tham số S11, S21 lối vào trường hợp 2 ng hợp 2
3.2.2.2 Phối hợp trở kháng cho l
Hình 3.13 Tính toán
kháng cho lối ra Zout
Hình 3.13 Tính toán giá trị trở kháng ra Zout Với Z0 = 50Ω
*Tính toán các tham số lối ra
Hình 3.14 Tr
Hình 3.15 Tr i ra
Hình 3.14 Trường hợp 1 của lối ra
Hình 3.15 Trường hợp 2 của lối ra
d1 = 0.06192λ Z(d1) = 35.9665 Ohm Zλ/4 = 42.4067 Ohm d2 = 0.31192λ Z(d2) = 69.5091 Ohm Zλ/4 = 58.953 Ohm λ Z(d1) = 35.9665 Ohm = 42.4067 Ohm λ Z(d2) = 69.5091 Ohm = 58.953 Ohm
* Tính toán mô phỏng phố
Hình 3.16 Mạ
Hình 3.17 K
ối hợp trở kháng lối ra trường hợp 1
ạch phối hợp trở kháng lối ra trường hợp 1
Hình 3.17 Kết quả tham số S11, S21 lối ra trường hợp 1 p 1
* Tính toán mô phỏng phố
Hình 3.18 Mạ
Hình 3.19 Kế
ối hợp trở kháng lối ra trường hợp 2
ạch phối hợp trở kháng lối ra trường hợp 2
ết quả tham số S11 và S21 lối ra trường hợp 2 p 2
3.2.2.3 Phối hợp trở kháng cho m
Từ kết quả tính toán m vào và lối ra, ta thấy chọn l phỏng tốt nhất. Từ đó ta có sơ đ
Hình 3.20 Sơ đ Sau khi phân cực đưa ngu đồ nguyên lý thiết kế của m
Hình 3.21 Sơ đ
kháng cho mạch khuếch đại
tính toán mạch phối hợp phối hợp trở kháng các trườ n lối vào trường hợp 2 và lối ra trường hợp 2 cho k đó ta có sơ đồ mô phỏng mạch khuếch đại:
ơ đồ nguyên lý mô phỏng mạch khuếch đạ c đưa nguồn một chiều vào mạch nguyên lý mô ph
a mạch khuếch đại:
ơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tạp âm thấ
ờng hợp của lối p 2 cho kết quả mô
ại
ch nguyên lý mô phỏng ta có sơ
Với mạch khuếch ở hình 3.21 ta có
Hình 3.22 Kế Kết quả mô phỏng: S21 của chip SPF 3043 ở băng X. S hợp với tiêu chí phối hợp trở 3.3 Chế tạo và đo đạc mạch khu
Sau khi mô phỏng thành công, ta đi ti công hoàn thiện ta được sản ph
Hình 3.23 Layout m
hình 3.21 ta có kế quả mô phỏng sau:
ết quả S11, S21, VSWR của mạch khuếch đạ
21 = 12.368 dB hệ số khuếch đại cao, phù h
băng X. S11 = -34.750 dB và hệ số sóng đứng VSWR=1 là phù ở kháng
ch khuếch đại
ng thành công, ta đi tiến hành thiết kế layout cho m n phẩm là mạch khuếch đại thực tế:
Hình 3.23 Layout mạch khuếch đại tạp âm thấp. ại
i cao, phù hợp với độ lợi ng VSWR=1 là phù
ho mạch và gia
Hình 3.24 Sả Tiến hành đo đạc trên m
Hình 3.25 Sơ đồ
ản phẩm thực tế mạch khuếch đại tạp âm th c trên mạch thực tế ta được kết quả:
ồ bố trí đo đạc mạch khuếch đại tạp âm th p âm thấp.
Hình 3.26 Kết quả đo tham số S21(hệ số khuếch đại của mạch).
S21 = 9.876 dB hệ số khuếch đại G = 9.876 dB chưa đạt tới kết quả mô phỏng (G = 12.368 dB) và đo tại tần số làm việc là 8.49675 Ghz bị dịch tần so với tần số làm việc mô phỏng là 8.5 Ghz do suy hao và tổn thất trên đường truyền thực nghiệm không lý tưởng như mô phỏng.
Hình 3.27 Kết quả đo thực nghiệm tham sốS11
S11 = - 7.106 dB, độ âm chưa sâu nhưng đạt chỉ tiêu phối hợp trở kháng
a)b)
Hình 3.28. Đo đạc xác định băng thông của mạch
a) Hệ số khuếch đại giảm 3dB về bên trái so với đỉnh tại tần số trung tâm. b) Hệ số khuếch đại giảm 3dB về bên phải so với đỉnh tại tần số trung tâm.
Băng thông của mạch đạt khoảng 19 Mhz là đạt yêu cầu so với mạch khuếch đại tạp âm ở băng tần X
3.4 Hạn chế trong khi đo đạc mạch thực tế - Kết quả đo thông số mạch thực tế: - Kết quả đo thông số mạch thực tế:
+ Hệ khuếch đại G = S21 = 9.876 dB
+ Băng thông của mạch: BW = 19 Mhz (8.4874 Ghz - 8.5068 Ghz) + Tham số S11 = -7.106 dB
- Về hệ số NF: do hạn chế về thiết bị đo hệ số NF nên khi đo đạc thông số mạch khuếch đại thực tế không đo được hệ số NF
KẾT LUẬN
Trong thời gian tìm hiểu và nghiên cứu dưới sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn PGS.TS Bạch Gia Dương, đến nay toàn bộ nội dung của luận văn đãđược hoàn thành đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đãđặt ra. Quá trình thực hiện đề tài thực sự là khoảng thời gian vô cùng quý báu và hữu ích cho em khi nghiên cứu, tìm hiểu về kỹ thuật siêu cao tần, cũng như sự khó khăn khi triển khai ứng dụng lý thuyết siêu cao tần vào thực tế. Hơn nữa, đây cũng sẽ là hành trang kiến thức rất quý giá cho em trong những công tác thực tiễn sau này.
Qua quá trình tìm hiểu thực hiện đề tài, em đã thu được những kết quả chính như sau:
1. Tìm hiểu tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp trong các bộ thu radar băng X.
2. Nghiên cứu, tìm hiểu về kỹ thuật siêu cao tần trong đó tìm hiểu kỹ thuật phối hợp trở kháng để đưa ra giải pháp tối ưu khi thiết kế các bộ khuếch đại tạp âm thấp băng X trong các máy thu radar.
3. Sử dụng phần mềm chuyên nghiệp ADS để thiết kế, mô phỏng các mạch siêu cao tần nói chung và trong các mạch khuếch đại tạp âm thấp nói riêng. 4. Thiết kế, chế tạo, đo đạc thành công bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu
cao tần băng X trong các ứng dụng theo dõi thời tiết, kiểm soát không lưu, kiểm soát giao thông hàng hải, radar bám mục tiêu cho quốc phòng và đo tốc độ phương tiện cho cảnh sát. Hệ số khuếch đại 9.876 dB. Dải thông đạt 19 MHz
5. Kết quả đo kiểm các tham số S phù hợp cơ bản với kết quả mô phỏng. Và hướng phát triển tiếp theo của đề tài:
o Tiếp tục cải thiện các đặc tính của bộ LNA cho tốt hơn (NF nhỏ hơn, độ lợi cao hơn, độ tuyến tính tốt hơn…)
o Tìm hiểu và thiết kế được các bộ LNA hoạt động ở nhiều tần số yêu cầu khác nhau trong thực tế và có các băng thông dải rộng đến siêu rộng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Bạch Gia Dương, Trường Vũ Bằng Giang, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB
ĐHQGHN
[2] Kiều Khắc Lâu, Cơ Sở Kỹ Thuật Siêu Cao Tần, NXB Giáo Dục
Tiếng Anh
[1] David M.Pozar, RFID AT ULTRAAND SUPER HIGHFREQUENCIES,
Roderick Riesco, MA, Member of the Instituteof Translation and Interpre ting, UK
[2] Merrill I.Skolnik,RADARHANDBOOK,Mc Graw Hill.
[3] W. Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc. [4] David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc.