4.2.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp
Đặc điểm của mạch LNA là phải đảm bảo nhiễu tạp âm là nhỏ nhất để không làm thay đổi dạng tín hiệu cũng nhƣ nền nhiễu sinh ra do vậy khi chọn linh kiện để thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp phải chọn các linh kiện có hệ số tạp âm nhỏ. Do đó để đảm bảo các yêu cầu của mạch thì transistor cao tần SPF- 3043 đƣợc lựa chọn, đây là transistor đƣợc chế tạo theo công nghệ 0.25m pHEMT Gallium Arsenide FET. Nó cung cấp dải tần hoạt động rộng, hệ số khuếch đại lớn, phù hợp với việc thiết kế, chế tạo các bộ khuếch đại tạp âm thấp dùng trong công nghiệp và thƣơng mại.
- Đặc tính của SPF-3043:
+ Dải tần hoạt động lên đến 12 Ghz.
+ Hệ số tạp âm cực thấp (NF) : 0.44 dB @ 2Ghz 0.54 dB @ 4Ghz + Hệ số khuếch đại cao: 19 dB @ 2 Ghz
22 dB @ 4 Ghz. + Dòng thấp (3V, 20 mA).
Cấu trúc chân và chức năng các chân của Transistor SPF-3043
Hình 4.4: Cấu trúc và chức năng từng chân của SPF-3043.
4.3 Tính toán, mô phỏng
4.3.1 Mạch khuếch đại công suất
Mạch khuếch đại
Từ giản đồ Smith của Transistor MRF648 ta chọn tần số trung tâm của mạch 450Mhz nên có trở kháng lối vào và ra tƣơng ứng của linh kiện là:
Zin = 0.82 + j3.3 Ohm (4.1) Zout = 1.1 + j2.7 Ohm (4.2)
Để mạch hoạt động hiệu quả cũng nhƣ có hệ số khuếch đại cao thì việc thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho linh kiện với đƣờng truyền 50 là vô cùng quan trọng. Do có nhiều phƣơng pháp phối hợp trở kháng khác nhau nhƣng để tối ƣu mạch ở đây ta sử dụng phƣơng pháp dùng phần tử tập trung kết hợp với công nghệ mạch giải.
- Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào cho MRF648
Hình 4.6: Mạch phối hợp trở kháng lối vào cho Transistor MRF648. - Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào - Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào
Từ hình 4.7 với chỉ số S21= -0.108dB cho thấy mạch phối hợp trở kháng đảm bảo tín hiệu truyền tối đa tới linh kiện và với chỉ số S11 = -20.273dB đảm bảo tín hiệu phản xạ lại lối vào rất nhỏ và cũng đảm bảo đƣợc băng thông của mạch thảo mãn yêu cầu đặt ra ban đầu.
- Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối ra cho MRF648
Trở kháng lối ra của linh kiện Zout = 1.1 +j2.7 Ohm đƣợc phối hợp với đƣờng truyền có trở kháng 50 đƣợc tính toán nhƣ sau:
Hình 4.8: Mạch phối hợp trở kháng cho MRF648.
Hình 4.9: Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối ra.
Từ hình 4.9 với chỉ số S21= -0.042dB cho thấy mạch phối hợp trở kháng đảm bảo tín hiệu truyền tối đa từ linh kiện tới lối ra của mạch khuếch đại và với chỉ số S11 = -34.271dB đảm bảo tín hiệu phản xạ lại linh kiện rất nhỏ.
Mạch cộng công suất
Do tín hiệu lối vào là đầu vào của hai mạch công suất. Để hệ số khuếch đại của mạch có thể tối ƣu thì mỗi một mạch khuếch đại công suất cần phải có cùng một mức tín hiệu đi vào giống nhau. Do vậy, đơn giản trong thiết kế thì sử dụng bộ chia/cộng công suất loại Wilkinson để cấp tín hiệu cho mạch khuếch đại.
Sơ đồ mô phỏng của bộ chia cộng công suất Wilkinson 1:2 đƣợc mô tả nhƣ hình dƣới đƣợc thực hiện trên phần mềm ADS2011.
Hình 4.10: Mạch mô phỏng của Wilkinson trên vật liệu FR4.
Hình 4.11: Kết quả mô phỏng của mạch Wilkinson.
Do dải tần hoạt động của mạch từ 430÷470 Mhz nên khi thiết kế bộ cộng công suất Wilkinson trên phím đồng FR4 sẽ chiếm một diện tích lớn vì độ dài của đoạn /4 của một nhánh Wilkinson do đó để đơn giản trong mạch in thì tiến hành thay thế bằng đoạn cab 75Ohm và đoạn cab 50Ohm.
Khi đó mạch cộng chia công suất Wilkinson có dạng nhƣ sau:
Hình 4.12: Mạch Wilkinson thực tế. Mạch lọc thông thấp Mạch lọc thông thấp
Để mạch khuếch đại hoạt động ổn định và không phát sinh các hài bậc cao hơn so với dải tần số hoạt động thì tiến hành thiết kế một mạch lọc thông thấp tại lối ra của mạch khuếch đại.
Hình 4.13: Mô phỏng mạch lọc thông thấp.
Hình 4.14: Kết quả mô phỏng của bộ lọc thông thấp.
Từ kết quả mô phỏng hình 4.14 cho thấy mạch tần số 475Mhz mạch cho tín hiệu đi qua hoàn toàn (S21= -1.720E-7) và tín hiệu phản xạ trở lại lối vào là rất nhỏ(S11). Đồng thời với những tín hiệu lớn hơn 500Mhz thì tín hiệu bị suy hao
cho thấy mạch chặn đƣợc những tín hiệu lớn hơn 500Mhz. Kết quả mô phỏng đáp ứng yêu cầu của một bộ lọc thông thấp có tần số cắt 500Mhz.
4.3.2 Mạch tạp âm thấp
Từ bảng tham số S-parameter của Transistor SPF-3043 ta tính đƣợc trở kháng đầu vào và trở kháng đầu ra theo các thông số S11 và S22 nhƣ sau:
(4.13)
(4.14)
Tần số trung tâm của mạch là 450Mhz nên từ bảng thông số S-Parameter ta tính đƣợc trở kháng vào ra Zin và Zout tƣơng ứng của linh kiện nhƣ sau:
Zin = 35.5 – j494.75 Ohm (4.15) Zout= 205 – j51 Ohm (4.16)
Bài toán trở về thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho Zin và Zout với trở kháng nguồn ZS và trở kháng tải ZL (có giá trị là 50).
Có nhiều phƣơng pháp phối hợp trở kháng khác nhau nhƣ: phần tử tập trung, dây chêm nối tiếp, dây chêm song song, đoạn /4… Tuy nhiên do yêu cầu cũng nhƣ thực nghiệm tôi quyết định chọn phƣơng pháp phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung kết hợp với công nghệ mạch dải.
Hình 4.15: Sơ đồ cơ bản của mạch phối hợp trở kháng. - Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào: - Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào:
Hình 4.17: Kết quả mô phỏng tham S11, S21 lối vào.
Theo kết quả mô phỏng hình 4.17 (chỉ số S11 và S21) cho thấy mạch phối hợp trở kháng đã đảm bảo tín hiệu phản xạ tại lối vào rất nhỏ đáp ứng yêu cầu đặt ra cũng nhƣ đảm bảo tín hiệu đƣợc truyền tối đa tới linh kiện.
- Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối ra
Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý của mạch phối hợp trở kháng lối ra.
Từ hình 4.19 cho thấy tín hiệu đƣợc truyền tối đa tới lối ra và tín hiệu phản xạ lại linh kiện là rất nhỏ thoả mãn các yêu cầu đặt ra trƣớc thiết kế.
- Phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại LNA
Sau khi thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho lối vào và lối ra ta tiếp tục mô phỏng lại toàn bộ mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng Transistor SPF- 3043 bằng việc sử dụng file .S2P. Từ đó ta có thể khảo sát đƣợc các tham số quan trọng nhƣ hệ số phản xạ S11, hệ số khuếch đại S21, dải thông của mạch…
Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý của mạch LNA.
Hình 4.21: Kết quả mô phỏng của mạch LNA.
Từ kết quả mô phỏng mạch tạp âm thấp LNA khi đo tại tần số 450Mhz ta thấy tín hiệu phản xạ (S = -18.578 dB) tại lối vào của mạch rất nhỏ đáp ứng yêu
yêu cầu thiết kế ban đầu. Từ kết quả thiết kế, mô phỏng ta tiến hành layout mạch in để tiến hành kiểm tra thực tế.
4.4 Thực nghiệm, đo kiểm, đánh giá kết quả 4.4.1 Chế tạo Layout mạch in 4.4.1 Chế tạo Layout mạch in
Sau khi mô phỏng toàn bộ các phần của mạch khuếch đại đạt kết quả tốt ta tiến hành thiết kế layout và gia công mạch in.
-Mạch khuếch đại công suất
Do mạch có cấu tạo gồm nhiều phần khác nhau nên quá trình layout mạch PCB sẽ chia nhỏ thành nhiều modul nhằm thuận tiện cho quá trình kiểm tra cũng nhƣ đánh giá.
Hình 4.22: Layout của mạch khuếch đại.
Hình 4.23: Mạch khuếch đại công suất sau khi đã đƣợc hàn linh kiện. - Mạch lọc thông thấp - Mạch lọc thông thấp
-Mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA Mạch tạp âm thấp sau khi layout
Hình 4.25: Mạch khuếch đại LNA sau khi layout.
Hình 4.26: Mạch khuếch đại LNA sau khi hàn linh kiện.
4.4.2 Đo kết quả thực tế
Mạch cộng chia công suất
Để đo mạch chia công suất Wilkinson ta dùng một thiết bị phát công suất 34dBm để cấp vào lối vào và 2 lối ra của mạch đƣợc nối với máy phân tích phổ có dạng nhƣ hình dƣới đây
Hình 4.28: Công suất lối vào của bộ chia cộng công suất Wilkinson -Đo tại tần số 450 Mhz tại lối ra -Đo tại tần số 450 Mhz tại lối ra
Hình 4.29: Công suất lối ra của mạch Wilkinson tại tần số 450 Mhz Cấp tín hiệu có công suất 34dBm tại tần số 450Mhz tới lối vào của bộ chia Cấp tín hiệu có công suất 34dBm tại tần số 450Mhz tới lối vào của bộ chia cộng Wilkinson sau đó tiến hành đo công suất tại 2 cổng ra là 32dBm khi so sánh với yêu cầu đặt ra cũng nhƣ với lý thuyết thì thấy rằng bộ chia cộng Wilkinson hoạt động tốt đáp ứng các tiêu chí của mạch.
- Đo công suất lối ra tại tần số 460 Mhz
Hình 4.30: Công suất tại 2 lối ra của mạch Wilkinson - Đo công suất lối ra tại tần số 440Mhz - Đo công suất lối ra tại tần số 440Mhz
Hình 4.31: Công suất lối ra tại 2 cổng của mạch Wilkinson tại tần số 440Mhz
Đánh giá kết quả: Với công suất lối vào của mạch Wilkinson là +34dBm thì công suất lối ra tại 2 cổng của mạch là +32dBm và +31.8dBm và khi đo tại nhiều tần số khác nhau kết quả cũng không thay đổi chứng tỏ mạch hoạt động tƣơng đối ổn định với nhiều tần số khác nhau. Với kết quả đo kiểm cho thấy mạch đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt ra cũng nhƣ đúng với nhƣ kết quả mô phỏng ban đầu.
Đo mạch lọc thông thấp
Để đo khả năng hoạt động của mạch lọc thông thấp dùng một máy phát tín hiệu chuẩn có công suất 0dBm kết nối với lối vào của mạch, lối ra của mạch kết nối với máy phân tích phổ để đo độ suy hao của mạch ở những tần số cắt cũng
nhƣ kiểm tra khả năng chặn tín hiệu ở tần số cao bằng cách thay đổi tần số khác nhau trên máy phát tín hiệu. Kết quả đo cụ thể nhƣ sau:
Hình 4.32: Đo bộ lọc thông thấp tại tần số 500Mhz
Khi tiến hành đo thực tế thấy rằng với những tín hiệu có tần số nhỏ hơn 500Mhz mạch lọc chỉ suy hao khoảng 2dBm điều này chứng tỏ mạch lọc thông thấp hoạt động tốt theo đúng mô phỏng cũng nhƣ đáp ứng các yêu cầu đặt ra.
Hình 4.33: Đo bộ lọc thông thấp tại tần số 530Mhz và 570Mhz
Từ hình 4.33 ta thấy tại tần số 530Mhz, 570Mhz bộ lọc làm tín hiệu suy hao 15.9dBm và 30.4dBm. Khi tiến hành đo với các tần số lớn hơn thì bộ lọc làm suy hao tín hiệu càng lớn. Từ kết quả đo thấy rằng bộ lọc loại bỏ đƣợc các tín hiệu bậc cao, đáp ứng các tiêu chí đặt ra.
Đánh giá kết quả: Từ những kết quả đo thực tế và so sánh với yêu cầu của bộ lọc thông thấp thấy rằng bộ lọc hoạt động tốt đáp ứng các yêu cầu thiết kế ban đầu đặt ra. Bộ lọc cho những tần số thấp hơn 500Mhz đi qua còn những tần số lớn hơn 500Mhz thì suy hao tƣơng đối lớn. Bộ lọc đảm bảo cho phép các tần số trong khoảng 430Mhz - 470Mhz của bộ khuếch đại đi qua đồng thời loại bỏ đƣợc các tín hiệu lớn hơn 500Mhz.
Mạch khuếch đại công suất
Để đo đƣợc mạch khuếch đại công suất sẽ dùng một thiết bị có công suất phát khoảng 20W để nối với lối vào của mạch sau đó lối ra của mạch đƣợc nối với máy đo R2600 để tiến hành đo công suất của mạch, trong quá trình đo thì giữ nguyên công suất phát của tín hiệu nhƣng thay đổi tần số nhằm kiểm tra độ ổn định của mạch khuếch đại. Sơ đồ đo đƣợc bố trí nhƣ hình dƣới:
Hình 4.34: Sơ đồ đo mạch khuếch đại công suất. - Công suất lối vào của mạch công suất. - Công suất lối vào của mạch công suất.
Hình 4.35: Công suất tại lối vào của mạch công suất. - Khi đo tại tần số 465Mhz. - Khi đo tại tần số 465Mhz.
Hình 4.36: Đo hệ số khuếch đại tại tần số 465Mhz.
Từ hình 4.36 thấy rằng tại tần số 465Mhz với công suất lối vào của mạch là 20W thì sau đi qua mạch khuếch đại công suất thu đƣợc 58.88W chứng tỏ mạch đã khuếch đại đƣợc 38.88W đồng thời quan sát phổ của tín hiệu thấy không phát sinh các hài bậc cao khác.
Hình 4.37: Kết quả đo công suất tại tần số 445Mhz.
Từ hình 4.37 thấy rằng tại tần số 445Mhz với công suất lối vào của mạch là 20W thì sau đi qua mạch khuếch đại công suất thu đƣợc 79.43W chứng tỏ mạch đã khuếch đại đƣợc 59.43W đồng thời quan sát phổ của tín hiệu thấy không phát sinh các hài bậc cao khác mạch đáp ứng yêu cầu thiết kế đặt ra.
- Khi đo tại tần số 450Mhz
Hình 4.38: Kết quả đo công suất tại tần số 450Mhz.
- Từ những kết quả đo thực tế khi tiến hành đo tại nhiều tần số khác nhau và so sánh với yêu cầu đặt ra cho thấy mạch khuếch đại đã hoạt động tốt, có hệ số khuếch đại khoảng 7dBm.
- Tuy nhiên khi đo ở nhiều tần số khác nhau thì mạch có hệ số khuếch đại khác nhau, điều này là do khi thiết kế mạch đƣợc thiết kế tại một tần số nhất định.
- Mạch đã phối hợp trở kháng đƣợc giữa các thành phần với nhau nhƣ: bộ chia cộng công suất, mạch khuếch đại, và mạch lọc thông thấp.
Mạch khuếch đại tạp âm thấp
Để đo hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA ta cần kết nối mạch với một máy phát tín hiệu tại lối vào của mạch, lối ra của mạch đƣợc nối với lối vào của máy phân tích phổ. Trong quá trình đo thì giữ nguyên công suất vào của tín hiệu nhƣng sẽ tiến hành đo ở nhiều tần số khác nhau nhằm đánh giá độ ổn định của mạch cũng nhƣ khả đánh giá băng thông của mạch có đáp ứng đƣợc nhƣ yêu cầu đặt ra cũng nhƣ để so sánh với kết quả của quá trình mô phỏng trên phần mềm cao tần ADS. Dƣới đây là cách bố trí để đo mạch khuếch đại tạp âm thấp.
Hình 4.39: Kết nối mạch LNA với máy phát tín hiệu và máy phân tích phổ. - Đo hệ số khuếch đại của mạch LNA khi chỉ có một tầng khuếch đại. - Đo hệ số khuếch đại của mạch LNA khi chỉ có một tầng khuếch đại.
Hình 4.40: Đo hệ số khuếch đại khi có một tầng.
Khi có một tầng khuếch đại, một tín hiệu lối vào -30dBm từ máy phát tín hiệu đƣợc nối với mạch. Tín hiệu đo tại máy phân tích phổ thu đƣợc -16dBm chứng tỏ mạch đã khuếch đại tín hiệu lên 14dBm. Theo mô phỏng khi mạch có 1 tầng khuếch đại mạch khuếch đại tín hiệu đƣợc 29dBm trong khi đo thực tế mạch chỉ khuếch đại đƣợc 14dBm điều này là do khi mô phỏng mọi vật liệu cũng nhƣ linh kiện là lý tƣởng còn khi thực tế nhiều yếu tố ảnh hƣởng nhƣ mạch PCB hay sai số của các linh kiện. Tuy nhiên thì mạch khuếch đại đƣợc 14dBm điều này đạt yêu cầu thiết kế ban đầu đặt ra.
- Khi có 2 tầng khuếch đại với tín hiệu lối vào -40dBm tại tần số 450Mhz đƣợc đƣa tới lối vào của mạch, tín hiệu lối ra của mạch thu đƣợc tại máy phân