3.1.1.1. Xây dựng kịch bản đo
Mục đích: đánh giá chất lượng đường truyền vi dải trên mạch bằng phép đo ma trận tán xạ, so sánh với mô phỏng để đánh giá chất lượng gia công mạch.
Máy đo sử dụng: máy phân tích mạng vector Protek A333.
Thiết lập kịch bản đo: hàn hai đoạn cáp đồng trục vào hai đầu đường truyền vi dải, sau đó nối dây đo cổng 1 và cổng 2 của máy phân tích mạng vào hai đầu connector của hai đoạn cáp vừa hàn.
Hình 3.1 Mô tả kịch bản đo chất lượng đường truyền siêu cao tần mạch dải
Kết quả đo ma trận tán xạ đường truyền siêu cao tần vi dải dài khoảng 10mm trên mạch bốn lớp thu được như Hình 3.2.
Hình 3.2 Kết quả đo ma trận tán xạ đường truyền vi dải trên mạch bốn lớp
Tổng hợp lại kết quả đo và đánh giá, em có Bảng 3.1 sau:
Bảng 3.1 Đánh giá kết quả đo đường truyền siêu cao tần trên mạch bốn lớp
Thông số Kết quả mô phỏng Yêu cầu Kết quả đo Đánh giá
Suy hao phản xạ 45 dB > 10 dB 4,7 dB Không đạt
Suy hao xen 0,2 dB < 0,5 dB 1,7 dB Không đạt
Như vậy, đường truyền siêu cao tần mạch vi dải trên mạch xử lí tín hiệu bốn lớp đã không đạt được các yêu cầu về suy hao phản xạ và suy hao xen đề ra. Nguyên nhân có thể là do khi gia công PCB bốn lớp, nhà sản xuất vẫn sử dụng vật liệu FR-4 làm lõi giữa (lớp core) giữa lớp 2 và lớp 3, nhưng giữa lớp 1 và lớp 2 (lớp prepreg) lại sử dụng vật liệu kết dính khác không phải FR-4. Do đó làm sai lệch hệ số điện thẩm εr so với mô phỏng và tính toán. Với đường truyền tín hiệu chất lượng kém như vậy, sẽ không thể cho kết quả đúng so với mô phỏng ở các khối được.
Để khắc phục vấn đề này, em đã làm lại 2 PCB module bộ dịch pha và bộ ghép công suất, bộ khuếch đại tạp âm thấp với PCB 2 lớp, vật liệu FR-4, độ dày
0,6mm. Kết quả đo ma trận tán xạ đường truyền siêu cao tần dài 10mm thu được như Hình 3.3
Hình 3.3 Kết quả đo ma trận tán xạ đường truyền vi dải trên mạch mới chế tạo
Tổng hợp lại kết quả đo và đánh giá, em có bảng sau:
Bảng 3.2 Đánh giá kết quả đo đường truyền siêu cao tần trên PCB mới chế tạo
Thông số Kết quả mô phỏng Yêu cầu Kết quả đo Đánh giá
Suy hao phản xạ 45 dB > 10 dB 20,9 dB Đạt
Suy hao xen 0,2 dB < 0,5 dB 0,37 dB Đạt
Như vậy, kết quả đo đã hoàn toàn đạt yêu cầu, khi mà các chỉ tiêu đều đạt và dải phối hợp trở kháng của đường truyền rất rộng (đến 3,2 GHz). Từ đó đánh giá được mạch đã được sản xuất đúng với yêu cầu đặt ra, và có thể sử dụng làm mạch chính thức.
3.1.2. Khối ghép công suất3.1.2.1. Xây dựng kịch bản đo 3.1.2.1. Xây dựng kịch bản đo
Mục đích: đo suy hao phản xạ tại các cửa và suy hao xen của bộ ghép công suất, so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá tính đúng đắn của thiết kế và gia công.
Máy đo sử dụng: máy phân tích mạng vector Protek A333.
Thiết lập kịch bản đo: hàn bốn đoạn cáp đồng trục với 4 đầu vào của bộ ghép công suất nối tắt qua vị trí hàn IC dịch pha PE44820. Mắc 3 đầu vào của bộ ghép công suất với tải 50Ω, một đầu vào còn lại mắc vào cổng 2 của máy phân tích mạng, đầu ra mắc vào cổng 1 máy phân tích mạng như mô tả Hình 3.4. Thực hiện tương tự phép đo với cửa 2, 3, 4.
Hình 3.4 Mô tả kịch bản đo ma trận tán xạ bộ ghép công suất
3.1.2.2. Kết quả đo và đánh giá
Kết quả đo bộ ghép công suất tại cửa vào 1 và cửa ra 5, cửa 2, 3, 4 nối tải thu được như Hình 3.1.
Hình 3.5 Kết quả đo ma trận tán xạ cửa 1 và cửa 5 của bộ ghép công suất Tổng hợp lại em có Bảng 3.3 sau.
Bảng 3.3 Đánh giá kết quả đo suy hao phản xạ, suy hao xen bộ ghép công suất
Thông số Mô phỏng Yêu cầu Kết quả đo Đánh giá
Suy hao phản xạ cửa 1 22,5 dB > 10 dB 14,5 dB Đạt Suy hao phản xạ cửa 2 21,2 dB > 10 dB 17,2 dB Đạt Suy hao phản xạ cửa 3 22,1 dB > 10 dB 17,2 dB Đạt Suy hao phản xạ cửa 4 20,8 dB > 10 dB 17,5 dB Đạt Suy hao phản xạ cửa 5 32,7 dB > 10 dB 21,4 dB Đạt
Suy hao xen 0,78 dB < 1 dB 0,92 dB Đạt
Như vậy, tất cả các chỉ tiêu quan trọng của bộ ghép công suất đều đã đạt so với yêu cầu đặt ra. Kết quả đo suy hao xen còn hơi cao (0,9 dB) do vật liệu sử dụng là FR-4 có hệ số suy hao 0,025 là tương đối lớn. Có thể giảm thiểu suy hao này bằng việc sử dụng một số vật liệu làm PCB đắt tiền hơn của hãng Roger. Nhưng do giới hạn về chi phí nên em phải chấp nhận sự suy hao này.
3.1.3. Khối dịch pha
Mục đích: đánh giá hệ số suy hao phản xạ đầu vào của IC PE44820, qua đó đánh giá chất lượng mối hàn IC và chất lượng đường truyền từ connector đến IC.
Máy đo sử dụng: máy phân tích mạng vector Protek A333.
Thiết lập kịch bản đo: thiết lập hệ đo như Hình 3.6. Nối cửa 1 của máy đo với đầu vào IC PE44820 số 1, cửa 2 của máy đo với đầu ra của bộ ghép công suất. Đầu vào IC dịch pha PE44820 số 2, số 3, số 4 đều nối tải 50Ω. Sau khi đo xong, tháo dây đo ở IC PE44820 số 1 và mắc lần lượt vào IC số 2, số 3, số 4 để đo tiếp.
Hình 3.6 Mô tả kịch bản đo hệ số phản xạ đầu vào IC dịch pha
3.1.3.2. Kết quả đo và đánh giá
Hình 3.7 Kết quả đo hệ số suy hao phản xạ đầu vào IC dịch pha PE44820
Tổng hợp và đánh giá kết quả đo suy hao phản xạ của 4 IC dịch pha, em có Bảng 3.4.
Bảng 3.4 Đánh giá kết quả đo hệ số suy hao phản xạ đầu vào IC dịch pha PE44820
Thông số Yêu cầu Kết quả đo Đánh giá
Suy hao phản xạ IC PE44820 số 1 > 10 dB 12,4 dB Đạt Suy hao phản xạ IC PE44820 số 2 > 10 dB 16,4 dB Đạt Suy hao phản xạ IC PE44820 số 3 > 10 dB 16,3 dB Đạt Suy hao phản xạ IC PE44820 số 4 > 10 dB 11,9 dB Đạt
Từ kết quả đo trên, em thấy tất cả các giá trị suy hao phản xạ đầu vào tại mỗi IC đều đạt yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên, giá trị suy hao phản xạ này lại không bằng nhau, dẫn đến trọng số công suất thu nhận được từ mỗi anten sau khi ghép công suất sẽ không bằng nhau, và có thể làm sai lệch đi đồ thị phương hướng biên độ của mảng anten so với mô phỏng. Sự sai khác này xuất phát từ bản thân IC, sự không đồng nhất về hệ số điện thẩm εr, sai sót khi gia công, do mối hàn ... Những tác nhân này rất khó kiểm soát và em phải chấp nhận điều này.
3.1.4. Khối khuếch đại tạp âm thấp3.1.4.1. Xây dựng kịch bản đo 3.1.4.1. Xây dựng kịch bản đo
Mục đích: đo hệ số phản xạ đầu vào, đầu ra và hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại tạp âm thấp, so sánh với mô phỏng, từ đó đánh giá và đưa ra hiệu chỉnh giá trị linh kiện (tuning) thích hợp.
Máy đo sử dụng: máy phân tích mạng vector Protek A333.
Thiết lập kịch bản đo: thiết lập kịch bản đo như Hình 3.8, nối cổng 1 của máy phân tích mạng vào đầu vào, cổng 2 máy vào đầu ra của bộ khuếch đại tạp âm thấp. Đặt công suất phát của máy đo ở mức – 30 dBm.
Hình 3.8 Mô tả kịch bản đo ma trận tán xạ bộ khuếch đại tạp âm thấp
3.1.4.2. Tổng hợp kết quả đo và đánh giá
Với các giá trị linh kiện hàn mạch tham khảo từ mạch tham chiếu trong datasheet IC QPL9065 [7], kết quả đo hệ số phản xạ đầu vào, đầu ra và hệ số khuếch đại của module mạch LNA thu được như Hình 3.9.
Hình 3.9 Kết quả đo ma trận tán xạ của module mạch LNA QPL9065
Từ Hình 3.9, ta thấy hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra của module LNA đạt 7,9 dB và 8,3 dB, chưa đạt so với yêu cầu (> 10 dB). Đồng thời hệ số khuếch đại mới đạt 30,6 dB, chưa đạt gần với giá trị mô phỏng (33,3 dB). Nguyên nhân là do sự sai khác về chất liệu làm mạch so với mạch tham khảo của nhà sản xuất, sai số của linh kiện, tác động của mối hàn … Do vậy, cần hiệu chỉnh (tuning) lại giá trị một số linh kiện đầu ra và đầu vào của mạch.
Để thực hiện quá trình hiệu chỉnh, bật máy đo hệ số phản xạ ở dạng đồ thị Smith, thay đổi giá trị linh kiện và theo dõi sự biến đổi tại điểm tần số cần đo, sao cho điểm đo dịch về sát tâm đồ thị Smith nhất. Tức là khi đó, mạch đã phối hợp trở kháng tốt.
Sau khi hiệu chỉnh một số giá trị linh kiện, thu được kết quả cuối cùng như Hình 3.10 đã đạt hết các chỉ tiêu về suy hao phản xạ và hệ số khuếch đại đặt ra.
Hình 3.10 Đánh giá kết quả đo suy hao phản xạ và hệ số khuếch đại module LNA Bảng 3.5 Đánh giá kết quả đo module LNA sử dụng IC QPL9065
Thông số Mô phỏng Yêu cầu Kết quả đo Đánh giá
Suy hao phản xạ đầu vào 12,5 dB > 10 dB 10,3 dB Đạt Suy hao phản xạ đầu ra 12,3 dB > 10 dB 10,8 dB Đạt
Hệ số khuếch đại 33,3 dB > 32 dB 32,2 dB Đạt
Như vậy, module khuếch đại tạp âm thấp sử dụng IC QPL9065 sau khi chế tạo và hiệu chỉnh đã đạt hết các chỉ tiêu đặt ra về suy hao phản xạ và hệ số khuếch đại.
Một thông số quan trọng nữa cần phải đo đối với bộ khuếch đại tạp âm thấp đó là hệ số tạp âm (noise figure). Tuy nhiên, để thực hiện kịch bản đo này, cần có một nguồn tạo nhiễu (noise source) và một máy phân tích mạng hỗ trợ kịch bản đo hệ số tạp âm này. Nhưng do trang thiết bị không sẵn có và khó khăn khi xin đo nhờ nên em chưa thực hiện được kịch bản đo này và sẽ cố gắng thực hiện trong thời gian tới.
3.2. Đo đạc hệ thống hoàn chỉnh
3.2.1. Kịch bản đo xác định sai số góc phương vị3.2.1.1. Xây dựng kịch bản đo 3.2.1.1. Xây dựng kịch bản đo
Mục đích: xác định sai số góc phương vị của hướng sóng tới mà hệ thống đo đạc được so với hướng sóng tới thực tế.
Thiết lập kịch bản đo: kịch bản đo được thiết lập như Hình 3.11. Do không có UAV thật nên em sử dụng mục tiêu giả là một module phát tín hiệu RF NRF24 thiết lập ở chế độ phát ở tần số trung tâm 2,45 GHz, kết hợp với một anten định hướng, đặt cách mảng anten 1 mét. Toàn bộ hệ đo gồm mảng anten và mục tiêu được đặt trên một mặt bàn phẳng, trên đó có vẽ sẵn các góc từ mục tiêu tới mảng anten. Dịch chuyển mục tiêu tới vị trí các góc được vẽ sẵn và ghi lại giá trị góc có biên độ sóng tới lớn nhất đo được.
Hình 3.11 Thiết lập kịch bản đo xác định sai số góc phương vị 3.2.1.2. Kết quả đo và đánh giá
Kết quả kịch bản đo được tổng hợp tại Bảng 3.6.
Bảng 3.6 Kết quả kịch bản đo xác định sai số góc phương vị
Góc hướng sóng tới thực tế Góc đo được Sai số
0° 1° + 1° 5° 5° 0° 10° 10° 0° 15° 14° - 1° 20° 19° - 1° 25° 22° - 3° 30° 25° - 5°
Như vậy, với phép đo trên, trong toàn bộ phạm vi góc quét ± 30°, hệ thống bị sai lệch nhiều nhất là -5°, và sai lệch nhiều về phía hai biên của dải quét. Nguyên
nhân có thể do nhà sản xuất gia công mạch in không hoàn hảo, dẫn đến các chấn tử anten, các đường truyền siêu cao tần của bộ ghép công suất và cáp nối không có sự đồng nhất, làm cho biên độ tín hiệu thu được từ các anten không đồng nhất như mô phỏng và có thể dẫn đến sự sai pha. Đồng thời do suy hao phản xạ của các IC dịch pha tương ứng với mỗi góc dịch pha là khác nhau, cũng dẫn đến sự không đồng nhất về biên độ tín hiệu thu được từ mỗi chấn tử anten.
Để giải quyết vấn đề này, em thực hiện thêm một bước hiệu chỉnh: đặt mục tiêu tại một vị trí góc, thay đổi góc dịch pha các chấn tử anten và ghi lại giá trị góc quét mà công suất tín hiệu thu được lớn nhất, lưu lại giá trị này và sử dụng cho các lần quét lần sau thay vì dùng kết quả tính toán từ công thức. Kết quả hệ thống đã sau khi hiệu chỉnh có sai số không đáng kể.
3.2.2. Kịch bản đo xác định cự li phát hiện mục tiêu tối đa
Mục đích: xác định cự li hoạt động hiệu quả của thiết bị.
Thiết lập bài đo: thiết lập nguồn phát tín hiệu có công suất 20 dBm, sử dụng anten đẳng hướng độ lợi 2 dBi. Di chuyển nguồn phát tới khoảng cách mà người đo không thể phát hiện điểm nổi trội của mục tiêu trên giao diện hiển thị (tín hiệu thu được có công suất gần trùng với nền nhiễu).
Kết quả kịch bản đo: cự li tối đa phát hiện mục tiêu là 4,5m. Sở dĩ cự li hoạt động nhỏ như vậy là do IC lọc thông dải của mạch xử lí tín hiệu bị hỏng và chưa có linh kiện thay thế. Đồng thời băng thông của anten đo đạc trên thực tế tương đối rộng (2,0 ~ 2,65 GHz), dẫn đến tín hiệu thông tin di động 3G (2,11 ~ 2,17 GHz) được phát với công suất tương đối mạnh (thu được tại vị trí thử nghiệm là -52 dBm) có thể đi vào hệ thống và át đi tín hiệu từ mục tiêu.
Theo công thức 2.6 tính suy hao trong không gian tự do đã nêu, có thành phần phụ thuộc vào khoảng cách: . Từ đó có thể thấy, mỗi khi tăng khoảng cách lên gấp đôi thì cường độ tín hiệu bị giảm đi 6 dB. Phân tích phổ tín hiệu trong môi trường ngoài trời, em nhận thấy thành phần gây nhiễu lớn nhất tới hệ thống là các trạm phát sóng di động 3G dải tần 2,11 ~ 2,17 GHz. IC lọc thông dải có khả năng chặn tín hiệu (rejection) ở dải tần 2,11 ~ 2,17 GHz là khoảng 35 dB, suy hao trong dải thông là khoảng 2 dB. Như vậy, nếu bộ lọc thông dải hoạt động bình thường, cự li tối đa phát hiện mục tiêu sẽ là:
(3.1) Trên đây chỉ là phép ước tính sơ bộ toán học. Trong thực tế, hệ thống sẽ chịu thêm nhiều tác động từ các nguồn nhiễu thụ động như router wifi, các thiết bị thu phát không dây, do hiệu ứng fading … Thậm chí là các nguồn nhiễu chủ động khi bị đối phương sử dụng các máy phát nhiễu chế áp. Do vậy, cự li hoạt động hiệu quả của hệ thống sẽ ngắn hơn so với tính toán trên.
3.3. Kết luận
Trong chương 3, em đã thực hiện được các kịch bản đo các khối của mạch xử lí tín hiệu và kịch bản đo với hệ thống hoàn chỉnh. Tổng kết lại em có bảng các thông số kĩ thuật của một trạm thu hoàn thiện gồm mảng anten và mạch xử lí tín hiệu như sau:
Bảng 3.7 Thông số kĩ thuật của hệ thống
Thông số kĩ thuật Giá trị
Điện áp hoạt động 7 ~ 25 V