2.6.1. Khái niệm
Một trạm mặt đất bao giờ cũng phải có bộ khuếch đại công suất. Chức năng cơ bản của một bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier - PA) đối với một trạm mặt đất là dùng để nâng cao công suất của tín hiệu tạo bởi các thiết bị thông tin mặt đất tới mức công suất đủ lớn sao cho bằng một anten có hệ số tăng ích hiệu dụng đã biết thì tín hiệu sóng mang có thể truyền đến được vệ tinh với mức EIRP đạt yêu cầu. So với hệ thống thong tin vệ tinh do khảng cách chuyển tiếp dài khoảng 36000 km nên một trạm mặt đất lớn phát với công suất khoảng vài trăm W đến vài chục kW.
Hai loại HPA thường gặp nhất trong các trạm mặt đất là bộ khuếch đại công suất Klytron (KPA) và bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWTA (Travelling Wave Tube Amplifier). Ngoài ra hiện nay người ta đang dần dần sử dụng rộng rãi bộ khuếch đại công suất bán dẫn SSPA (Solid State PA). Trong các loại này thì TWTA là bộ khuếch đại có công suất lớn dải rộng, KPA có công suất lớn dải hẹp còn SSPA có công suất nhỏ và dải rộng.
2.6.2. Bộ khuếch đại công suất Klytron (KPA)
Ta hãy xét những đặc điểm cơ bản của một bộ Klytron tiêu chuẩn đa hốc cộng hưởng (thông thường là gồm 5 hốc cho một bộ khuếch đại công suất 3 kW). Nó gồm một súng điện tử dùng để bắn ra chùm electron đi xuyên qua các khe hở của các hốc và những ống kim loại hình trụ gọi là các ống trượt (Dript Tubes) đặt giữa các khe hốc. Trong bộ khuếch đại này, tín hiệu cao tần có công suất thấp được đưa vào bộ cộng hưởng thứ nhất gọi là hốc hội tụ (Buncher
cavity). Tín hiệu này sẽ tạo ra các dòng điện chảy trong những thành hốc làm xuất hiện một điện trường xuyên ngang khe Buncher. Điện trường này lại được dùng để điều tiết tốc độ của chùm tia điện tử. Sau khi ra khỏi khe Buncher các electron tiếp tục bay qua hốc cộng hưởng trung gian và hốc thoát (còn gọi là hốc đón hay Catcher) để tới Collector. Hốc Catcher sẽ tạo ra rất nhiều dòng điện dao động tại các vách của nó để nâng cao được năng lượng của sóng cao tần phát nếu như kích thước của hốc chuẩn xác để cộng hưởng đúng tần số của sóng. Các hốc cộng hưởng trung gian (thường ở vị trí thứ hai và thứ ba) có vai trò hỗ trợ nhằm tạo ra khả năng khuếch đại lớn và nâng cao mức công suất bão hoà. Chùm electron khi bay qua các hốc cộng hưởng và các ống trượt phải được làm hẹp lại để nâng cao cường độ của chùm tia. Việc này được thực hiện bằng các thiết bị hội tụ (Focusing) gồm các thành phần từ trường cho ống ngắn hay một cuộn điện từ Solenoid cho ống dài (Hình 2.9).
Hình 2-9: Cấu trúc bộ KPA
Nói chung thì KPA là thiết bị khuếch đại công suất lớn dải hẹp. Độ rộng dải thông của nó thường vào khoảng dưới 100 MHz và hệ số tăng ích trong khoảng từ 3550 dB. Ví dụ như khi KPA làm việc ở băng C (5,925 - 6,425 GHz) trong hệ thống INTELSAT thì ứng với công suất ra 1000 W, hệ số tăng ích của KPA là 35 dB và dải thông rộng 40 MHz. Đối với băng Ku (14 - 14,5 GHz), khi công suất ra là 1500 W thì hệ số khuếch đại của KPA=40 và độ rộng dải thông là 100 MHz. Tần số làm việc của bộ khuếch đại công suất Klytron có
thể điều chỉnh được bằng việc thay đổi kích cỡ của các hốc cộng hưởng thông qua các núm vặn Tunning để nó cộng hưởng đúng tần số mà ta mong muốn.
2.6.3. Bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWTA)
Bộ khuếch đại công suất sóng chạy (TWTA) là một bộ khuếch đại dải rộng với hệ số tăng ích thông thường từ 25dB 50 dB. Hiệu suất của TWTA nói chung phụ thuộc vào từng băng tần nhưng thường có giá trị khoảng 20 40
trong đó hiệu suất 20 là phổ biến hơn.
Nguyên lý làm việc của TWTA là sử dụng một chùm electron được hội tụ bằng từ trường tương tác với một cơ cấu sóng chậm (Slow Wave Structure) ví dụ như một cuộn dây xoắn trên hình 2.9. Tốc độ của luồng electron được điều chỉnh sao cho nó gần như ngang bằng với vận tốc pha của sóng điện từ chảy dọc theo cuộn dây xoắn. Trong những điều kiện như thế, sẽ xảy ra một sự tác động qua lại rất mạnh mẽ giữa chùm tia điện tử và sóng điện từ trong cuộn dây làm cho năng lượng của sóng được tăng lên. Cơ cấu sóng chậm được đặt giữa súng điện tử và collector mang điện thế dương. Hình dáng và cấu trúc của chúng có thể rất đa dạng, ví dụ như dạng ống tròn bằng đá hay bằng điện môi, dạng vòng, dạng thỏi hoặc dạng xoắn... Trên hình 2.10 là sơ đồ một đèn sóng chạy sử dụng cơ cấu làm chậm hình xoắn (Helix).
2.6.4. Bộ khuếch đại công suất bán dẫn (SSPA)
Bộ SSPA là thiết bị sử dụng công nghệ bán dẫn chế tạo các FET công suất. Những bộ SSPA đặc biệt dùng GaAsFET hiện nay đều có khả năng thay thế TWTA trong những ứng dụng cần công suất nhỏ. Vì dùng bán dẫn cho nên SSPA nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng hơn TWTA khá nhiều, do đó nó rất thích hợp cho các trạm mặt đất hiện đại cũng như cho vệ tinh. Mức công suất ra tiêu chuẩn của SSPA nằm trong khoảng 2.5 Watts ở băng 14/11 GHz và 10 Watts ở băng 6/4 GHz. Hệ số tăng ích của nó vào khoảng 57.0 dB trên mọi tần số thuộc băng tần 5.9 đến 6.4 GHZ và có điểm bão hòa tại mức công suất vào -16 dBm.
Tuy nhiên hiện nay SSPA vẫn ít được dùng vì khả năng công suất còn thấp, chế tạo rất phức tạp và giá thành lại quá cao nhiều khi còn đắt hơn cả TWTA. Giá của thiết bị này vào thời điểm năm 1987 là khoảng từ 2000 đến 4000 US Dollars tuỳ thuộc vào băng tần và công suất ra.
2.6.5 Các đặc tính của bộ khuếch đại công suất
2.6.5.1 Tính phi tuyến
Hình 2.11 cho chúng ta thấy tính chất phi tuyến của các bộ khuếch đại công suất cao HPA. Khi công suất vào PIN tăng thì công suất ra POUT tăng không tuyến tính theo PIN, đường đồ thị POUT = f(PIN) là một đường cong. Khi PIN tăng đến một giá trị PSAT thì POUT đạt đến bão hoà (Saturation) và bắt đầu giảm đi nếu PIN tiếp tục tăng.
Mỗi bộ phát đáp thường có một bộ HPA. Khi một bộ phát đáp mang nhiều sóng mang (ví dụ như trong các hệ thống FDMA) thì bộ HPA phải làm việc đồng thời với nhiều tần số.
2.6.5.2. Các phương pháp bù tuyến tính cho HPA
Trong mục trên ta thấy các bộ HPA có đặc tuyến công suất không tuyến tính. Khi HPA làm việc gần tới điểm bão hòa thì nó sẽ làm méo dạng tín hiệu nghiêm trọng do các thành phần xuyên điều chế lúc này có năng lượng khá cao. Hiện tại không có biện pháp chế tạo nào cho phép khắc phục nhược điểm này của các bộ HPA. Do đó để giảm méo người ta bắt buộc phải hạ thấp điểm làm việc hay tạo ra một lượng dự phòng đầu vào (IBO - input back-off), mặc dù điều đó sẽ làm giảm công suất ra, hệ số khuếch đại, hiệu quả sử dụng và gia tăng giá thành. Lượng dự phòng đầu vào IBO được tính bằng tỉ số PIN/PSAT. Nó vào khoảng từ -6 đến -7 dB đối với các bộ TWTA
Một phương pháp khắc phục nữa đó là dùng bộ bù tuyến tính (Linearizer) để giảm méo xuyên điều chế trong các bộ HPA và do đó cải thiện được mức công suất ra. Đối với một bộ TWTA công suất 3 KW, nếu sử dụng bộ bù tuyến tính sẽ làm cho méo thứ tự 3 có thể đạt tới 30 dB so với 21 dB khi không sử dụng kỹ thuật này. Tuy nhiên khi sử dụng bộ bù tuyến tính này người ta phải chịu thêm các phiền phức trong quá trình kiểm tra và điều chỉnh. Hơn nữa bộ bù này còn gây thêm các tạp âm đấu nối và do đó có thể làm giảm hiệu suất của HPA.
2.6.5.3 Tạp âm đầu vào
Vì HPA là các bộ khuếch đại công suất cho nên ta thấy ý nghĩa của việc phải hạn chế tạp âm tại đầu vào của nó. Nếu không, tạp âm được HPA khuếch đại với độ tăng ích như tín hiệu sẽ có mức công suất lớn làm suy giảm nghiêm trọng tỉ số C/N của sóng mang. Tạp âm đầu vào bao gồm tạp âm trong dải tín hiệu và tạp âm đầu nối của HPA. KPA có hệ số tạp âm xấp xỉ 35dB còn đối với TWTA giá trị này lớn hơn một chút khoảng 40 dB.
CHƢƠNG 3
HỆ THỐNG TÍNH TOÁN ĐƢỜNG TRUYỀN TỐI ƢU QUA VỆ TINH VINASAT-1