THỰC NGHIỆM
5.3. Thiết kế và mô phỏng bộ khuếch đại dùng JFET
Sơ đồ thiết kế nguyên lý cho tầng khuếch đại băng tần C tại tần số 5,5 GHz sử dụng Transistor trường JFET loại SPF3043 được trình bày như hình vẽ sau:
Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lý
Khi mô phỏng các tham số của sơ đồ, có 2 phương pháp. Phương pháp 1 là biến đổi các tham số S của FET thành tham số S2P và gán tham số S2P cho FET và chạy mô phỏng toàn bộ đầu ra đầu vào với điện trở vào ra có giá trị 50Ω . Phương pháp 2 đó là mô phỏng 2 nhánh vào ra của FET, nhánh 1 mô phỏng phối hợp trở kháng giữa điện trở lối vào 50Ω và điện trở vào phức của FET là Z1= 21+j*7.5 Ω(lấy từ Datasheets của SPF3043). Dưới đây là kết quả mô phỏng theo các nhánh. Nhánh 1 là nhánh giừa điện trở 50Ω với trở vào của FET, còn nhánh 2 là phối hợp giữa trở kháng ra của FET với điện trở 50Ω
Các đoạn mạch dải được tính toán chặt chẽ tùy thuộc vào phương pháp phối hợp trở kháng và có thể được Tuning để phối hợp trở kháng tốt nhất. Trong đó đoạn mạch dải TL5 , TL1 và tụ điện C2 dùng để phối hợp với trở kháng ra 50Ω của tầng trước. Tụ C1 còn có nhiệm vụ ngăn cách dòng một chiều với tầng tr- ước.
• Đoạn mạch dải TL2 và TL3 dùng để phối hợp trở kháng giữa đoạn TL4 với trở kháng phức lối vào của JFET với Zin = Z1= 21+j*7.5 Ω tại tần số 5500MHZ(lấy từ Datasheets của SPF3043).
• Đoạn mạch dải TL4 có độ dài điện bằng λ/4 ghép với với nguồn điện áp một chiều phân cực cho JFET.
• Kết quả mô phỏng dùng phần mềm ADS ta đợc hệ số sóng đứng tại lối vào và lối ra (tương ứng với tham số S11 và S22)
• Hệ số truyền từ cổng 1 tới cổng 2 (truyền từ lối vào tới lối ra S21) được trình bày trên hình vẽ:
Hình 5.3. Cấu trúc nhánh 1
Kết quả mô phỏng tham số S11 dựng phần mềm ADS : S11 chính là hệ số phản xạ nhìn vào cổng 1 khi cổng 2 kết nối với tải phối hợp.
Hình 5.4. Kết quả mô phỏng tham số S11
Giá trị S11 cho mức suy giảm rất tốt, mức suy giảm này nếu lớn hơn 10dB thì có thể dùng được. Ở đây giá trị S11đạt - 26,368dB. Kết quả này sẽ cho tương ứng giá trị hệ số sóng đứng thấp (xấp xỉ bằng 1).
Kết quả mô phỏng tham số S21 (S21 được xem là hệ số truyền từ cổng 1 tới cổng 2, tương ứng với hệ số khuếch đại) , ta thu được kết quả như sau:
Hình 5.5. Kết quả mô phỏng tham số S21
Kết quả mô phỏng tham số S22. S22 chính là hệ số phản xạ nhìn vào cổng 2 khi cổng 1 kết nối với tải phối hợp.
Giá trị S22 cho mức suy giảm rất tốt, mức suy giảm này nếu lớn hơn 10dB thì có thể dùng được. Ở đây giá trị S22 đạt - 22,236dB. Kết quả này sẽ cho tương ứng giá trị hệ số sóng đứng thấp (xấp xỉ bằng 1).
Hình 5.6. Kết quả mô phỏng tham số S22
Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng VSWR tương ứng với S11 và S22 như sau:
Hình 5.8. Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S22
Kết quả mô phỏng cho thấy hệ số sóng đứng xấp xỉ bằng 1 sẽ chỉ cho sóng chạy trên đường truyền tử đầu vào tới đầu ra mà không bị phản xạ.
Nhánh 2 có cấu trúc như hình vẽ và có kết quả mô phỏng tương tự như đã trình bày ở trên.
Trong đó điện trở phức Z2 của FET có giá trị bằng Z2=37.5-j*16 được thiết kế phối hợp với trở kháng ra 50Ω.
Đoạn mạch dải TL4, TL5 và tụ C3 dùng để phối hợp với trở kháng ra 50Ω. Tụ C3 còn có nhiệm vụ ngăn dòng 1 chiều từ cực D của FET tới lối ra trên tải 50Ω. Các đoạn mạch dải TL1 và TL3 dùng để phối hợp TL2 với trở kháng phức lối ra của JFET Z2=37.5-j*16 tại tần số 5500MHZ.
• Đoạn mạch dải TL2 có độ dài điện bằng λ/4 ghép với với nguồn điện áp một chiều phân cực cho JFET.
Trên cơ sở thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA trên JFET, sử dung công nghệ mạch dải, tiến hành chế tạo và đo kiểm tra các tham số Sij, đánh giá khả năng ứng dụng trong thông tin vệ tinh băng C. Bộ khuếch đại siêu cao tần có nhiều địa chỉ ứng dụng trong các trạm thu và trạm phát.
Bảng mạch PCB cho bộ LNA trên SPF3043 được trình bày trên hình 5.10.
Hình 5.10. Bộ khuếch đại cao tần dùng JFET
Hình 5.11. Đo đạc các tham số bằng máy phân tích mạng
Hình 5.13. Kết quả đo đạc tham số S21
• Bộ khuếch đại cho hệ số khuếch đại (tham số S21) tại tần số 5.5GHz là 25dB khá lớn và hệ số phản xạ, S11 khá nhỏ(cỡ -15 dB).
• Kết quả cho thấy giữa thiết kế mô phỏng và đo đạc thực tế là chính xác với sai số chấp nhận được.
KẾT LUẬN
Kết quả cho thấy, việc cân bằng công suất - băng thông, dù không phải là các con số tuyệt đối, nhưng hết sức quan trọng. Các nghiên cứu đều cố gắng hạn chế tối đa việc suy giảm tín hiệu song song với việc tiết kiệm phổ, đặc biệt là trong sự hạn chế băng tần ở thông tin vệ tinh. Đi cùng với công nghệ là tính khả thi trong sản xuất thiết bị. Hiện nay, modem sử dụng trong các hệ thống trạm mặt đất đã có khả năng thích ứng với điều chế 16 QAM cùng với mã hóa Turbo, TCM để làm hài lòng các khách hàng có nhu cầu thuê kênh – đối tượng luôn mong muốn tiết kiệm băng thông để giảm giá thuê kênh. Ngược lại, điều này khiến các nhà cung cấp đường truyền vệ tinh lo ngại về việc mất cân bằng do phải tiêu tốn quá nhiều công suất mà không thu được nhiều lợi nhuận.
Để duy trì một mức chất lượng dịch vụ nhất định, khi càng sử dụng điều chế cao, mã hóa cao (để giảm băng thông) thì càng phải tăng Eb/N0, có nghĩa là C/N0 trong thiết kế càng tăng lên làm cho độ dự trữ tuyến (margin) giảm, độ khả dụng của tuyến (availability) cũng giảm. Như vậy, đối với nhà cung cấp đường truyền, khi khách hàng yêu cầu sử dụng phương thức điều chế cao để giảm băng thông thì họ sẽ bị vấp phải việc thiết kế tuyến kém an toàn hơn do bị giảm độ dự trữ và độ khả dụng. Để tránh việc này, vệ tinh buộc phải tăng công suất, cũng có nghĩa là phải tăng độ lùi đầu ra (OBO) để chống méo phi tuyến. Tức là, vệ tinh đã ngày càng tiêu tốn công suất trong khi tỷ lệ băng thông lại giảm đi.
Do vậy, để tìm được tiếng nói chung giữa khách hàng và nhà cung cấp đường truyền, công nghệ chế tạo vệ tinh ngày cần phải phát triển. Các thiết bị trạm mặt đất sẽ ngày càng được cải thiện và băng thông ngày càng giảm. Để duy trì sự cân bằng này, HPA của vệ tinh cần nâng cao độ tuyến tính nhằm giảm OBO, giảm tỷ lệ tiêu tốn công suất. Bên cạnh đó, nhà cung cấp đường truyền cũng sẽ yêu cầu khách hàng tăng đường kính anten và bộ khuếch đại công suất để nâng cao độ lợi trạm mặt đất. Thực tế với sự phát triển công nghệ ngày nay thì các thiết bị trạm mặt đất được đổi mới và phát triển liên tục, còn vệ tinh phải chấp nhận “nằm im” trong suốt thời gian sống của nó trên không gian (15 năm). Vì vậy, cán cân công suất – băng thông đang ngày càng nghiêng về sự tiêu tốn của công suất, còn băng thông ngày càng tối ưu.
Đối với các vệ tinh thế hệ cũ, vấn đề đảm bảo công suất là rất khó khăn và tốn kém. Nhà cung cấp đường truyền thường xuyên phải đối mặt với việc giới hạn công suất, đặc biệt cho các vùng có suy hao lớn do mưa và các suy hao bức xạ khác. Vì vậy, bài toán cân bằng công suất – băng thông là hết sức thiết thực đối với cả nhà cung cấp đường truyền và khách hàng.
Các vệ tinh thế hệ mới - do công nghệ chế tạo ngày càng phát triển – đã có thể giảm khối lượng các bộ khuếch đại và điều khiển công suất đủ lớn theo yêu cầu, sẵn sàng phục vụ ở các miền tần số cao như dải tần Ka. Tuy nhiên, số lượng vệ tinh ngày càng gia tăng, mật độ vệ tinh trên quỹ đạo ngày càng dày đặc nên để tránh can nhiễu giữa các hệ thống, ITU cũng ra các quy định về giới hạn công suất phát cho mỗi transponder. Chính vì vậy, việc tăng công suất phát vẫn là vấn đề cần hết sức cân nhắc và bài toán cân bằng công suất – băng thông vẫn rất có ý nghĩa về thực tế, kinh tế.
Khi Việt Nam đưa vào sử dụng vệ tinh VINASAT phục vụ các nhu cầu trong nước cũng như kết nối quốc tế, chúng ta đóng vai trò vừa là nhà cung cấp, vừa là khách hàng. Do vậy, thiết kế ban đầu cho vệ tinh và các trạm mặt đất cần phải được cân đối sao cho có thể tận dụng tối đa khả năng đáp ứng của vệ tinh đồng thời tiết kiệm chi phí cho trạm mặt đất, đặc biệt là trong điều kiện Việt Nam và các vùng phụ cận thuộc khu vực nhiệt đới, chịu nhiều suy hao do mưa và tạp âm bức xạ mặt trời. Qua các phân tích trên đây, có thể rút ra một số kết luận như sau:
* Đối với vệ tinh:
- Cần thiết kế bộ HPA có đặc tuyến tuyến tính cao, hiệu suất cao, kết hợp các phương pháp méo trước và bù công suất để đạt được điểm làm việc lý tưởng. Tốt nhất, các bộ khuếch đại công suất của Vinasat nên chọn công nghệ đèn sóng chạy (TWTA)
- Tập trung các vùng phủ (beam, footprint) vào các điểm quan trọng để tối đa công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP).
- Việc điều khiển công suất từ xa (từ trạm điều khiển – TT&C) được thực hiện nhanh chóng, tiện lợi và tin cậy.
* Đối với các trạm mặt đất:
- Chọn sản phẩm điều chế (modem) sử dụng các công nghệ tiên tiến nhưng tập trung vào tối ưu các hệ số dạng phổ (roll-off) và các phương pháp mã hóa tiên tiến (Turbo, TCM). Lựa chọn phương thức điều chế phù hợp vì điều chế cao sẽ tiết kiệm nhiều băng thông nhưng lại trả giá về công suất vệ tinh và chất lượng dịch vụ.
- Các bộ HPA trạm mặt đất cũng cần lựa chọn công suất phù hợp và có điểm làm việc thích hợp, giảm thiểu méo phi tuyến và có dự phòng công suất đầy đủ.
- Đường kính anten các trạm Hub và VSAT cũng cần được thiết kế phù hợp theo từng băng tần và vị trí địa lý đảm bảo độ lợi cao, mức thu tốt để tiết kiệm công suất của vệ tinh.
Việc nghiên cứu thiết kế thành công bộ khuếch đại 5.5 Ghz dùng JFET siêu cao tần trên công nghệ mạch dải với hệ số khuếch đại rất lớn cũng có ý nghĩa thực tế cao, có thể áp dụng trong hệ thống truyền thông vệ tinh. Kết quả thực nghiệm cho thấy từng bước ta có thể can thiệp vào các tuyến thu phát, giải quyết bài toán kênh truyền thông tin giữa trạm thu và trạm phát. Việc chế tạo các bộ khuếch đại sẽ cho phép thiết kế một kênh truyền chủ động với cự ly liên lạc và công suất phát, do ta có thể tăng độ nhạy máy thu, cho phép thu tín hiệu thu cực tiểu ở máy thu nhờ tăng cường các bộ LNA. Ngoài ra ở phía máy phát, có thể tạo công suất phát mong muốn nhờ các bộ khuếch đại công suất dựa trên nguyên lý thiết kế chế tạo các bộ khuếch đại siêu cao tần công nghệ mạch dải, sử dụng các Transístor bán dẫn, các MOSFET hoặc các JFET cao tần công nghệ mới.