L ỜI CẢM ƠN
3.3. Nghiên cứu thiết kế bộ trộn tín hiệu siêu cao tần băng C
Bộ trộn siêu cao tần được sử dụng trong đềtài này để tạo ra tín hiệu trung tần cho máy thu vệ tinh hoặc máy thu tín hiệu thông tin vũ trụ. Bộ trộn được chế
tạo bằng công nghệ mạch dải.
Các nội dung sau đã được thực hiện đểđạt được mục tiêu của đề tài:
a. Tìm kiếm và mua sắm vật tư phù hợp để thiết kế chế tạo bộ trộn tín hiệu ở tần số 3-10 GHz
b. Thiết kế, chế tạo bộ trộn băng tần C
c. Thiết kế, chế tạo vỏ hộp cho các bộ trộn chống nhiễu cao
d. Đo kiểm tra và đánh giá chất lượng của các loại mạch trộn tần số siêu cao.
* Bộ tạo dao động VCO:
Như đã trình bày ở trên, bộ dao động nội cần đạt được khả năng chuyển tần mềm dẻo trong dải tần từ C đến Ku. Để có thể thực hiện yêu cầu này nhóm nghiên cứu đã thực hiện giải pháp chế tạo bộ VCO độ tuyến tính theo yêu cầu. Tuy nhiên, cũng như thiết kế LNA, thiết kế VCO ở tần số cao cỡ vài GHz đến vài chục GHz có rất nhiều giải pháp, nên cần chọn giải pháp nào tối ưu nhất. Trong phần này chúng tôi đã nghiên cứu mô phỏng thành công các bộ tạo dao
động băng tần C bằng 2 phương pháp:
+ Sử dụng các sơ đồ tạo dao động điển hình Colpitts
+ Sử dụng công nghệ CMOS mô phỏng kết hợp phần mềm Cadence Bộ trộn cao tần sử dụng JFET có dạng tổng quát trên hình 3.11
Hình 3.11 Sơ đồ thiết kế bộ trộn cao tần sử dụng JFET Yêu cầu thiết kế
Thiết kế mạch trộn đổi tần với 2 tín hiệu lối vào trong dải tần băng C mà
mạch tạo dao động phát ra, chênh lệch tần số trong dải băng L và băng S dùng để tích hợp với máy thu giải mã. Tín hiệu dao động ngoại sai công suất từ -5 đến 0 dBm. Lối ra là tín hiệu trung tần .
Vì tín hiệu lối ra sau khi trộn tần thường có công suất rất nhỏnên để lối ra trung tần có công suất -10 dBm thì cần lựa chọn linh kiện để trộn tần là một phần tử khuếch đại. Trong trường hợp này, chúng tôi đã chọn và sử dụng linh
kiện JFET SPF-3043). Đây là linh kiện tích cực, có hệ số khuếch đại lớn, tạp nhiễu nền nhỏ. Đưa 2 lối vào cực gate và lấy lối ra tại cực drain của linh kiện. Với FET các phương trình liên hệdùng để phân giải mạch là:
+ IG ≈ 0A (dòng điện cực cổng)
+ ID = IS (dòng điện cực máng = dòng điện cực nguồn).
Thiết kế mạch khuếch đại dùng FET cần quan tâm tới sự ổn định điểm tĩnh điều khiển và thường chọn điểm điều khiển nằm trong vùng hoạt động
tuyến tính. Trị số tốt nhất thường được chọn là: ID = 2
DS I hoặc VGS = 2 ) (off VGS . Ngoài ra, VDS cũng không được vượt quá trị số tối đa mà FET có thể chịu đựng
được. Trị số tốt nhất thường được chọn là : ID = 2 DS I hoặc VGS = 2 ) (off VGS . Ngoài ra, VDS cũng không được vượt quá trị số tối đa mà FET có thể chịu đựng
Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý bộ trộn dùng SPF-3043 Nghiên cứu thiết kế bộ tổ hợp tần số hoạt động ởbăng C
Tín hiệu sau khi thu được từ ăngten sẽ được khuếch đại cao tần tạp âm thấp, sau đó được đưa tới bộ trộn tần (Mixer). Lối vào thứ 2 của bộ trộn tần là tín hiệu dao động tại chỗ lấy ra từ bộ tổ hợp tần số. Tín hiệu trung tần sẽ được
đưa vào bộ khuếch đại trung tần trong máy thu để giải quyết hệ số khuếch đại và dải thông của máy thu cũng như giải quyết các cơ cấu điều khiển tự động máy
thu đảm bảo tín hiệu đầu ra ổn định khi liên lạc vũ trụở khoảng cách xa. Sóng
dao động tại chỗđó được tạo ra từ bộ tổ hợp tần sốđược thiết kế chế tạo.
a. Nghiên cứu lý thuyết và kỹ thuật chế tạo mạch vòng bám pha và bộ tổ hợp tần sốở trong giải 3-10 GHz
b. Tìm hiểu các tính năng của IC ADF411x và các Transistor, các IC có tần số
chia ban đầu cao hơn
c. Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi tần số hoạt động bằng mạch vi điều khiển
Các bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha PLL được ứng dụng rộng rãi trong các trạm không dây, các thiết bị di động cầm tay, trong thông tin liên lạc hay trong các mạng nội bộ… Đó là một thiết bị điện tử dùng để phát ra các tần số khác nhau có liên quan chặt chẽ với tần số chuẩn. Các bộ tổ hợp tần số loại
này được cấu tạo nên từ các khối như: bộ tách sóng pha/tần số, bộ lọc thông thấp, bộ dao động được điều khiển bằng điện áp. Bộ tổ hợp tần số là một phần tử
rất cơ bản và quan trọng trong các thiết bị, các hệ thống thông tin vô tuyến sử
dụng tần số siêu cao. Nhu cầu sử dụng các hệ thống này đang gia tăng không
ngừng trong kỷ nguyên kỹ thuật số hiện nay. Do vậy việc nghiên cứu chế tạo các bộ tạo dao động tần số siêu cao chất lượng tốt đang là một mối quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới.
Bộ tạo dao động siêu cao tần chiếm một vai trò rất căn bản trong các hệ
thống thông tin vì nó tạo ra các sóng tham chiếu sử dụng trong việc điều chế và giải điều chế… Trong các hệ thống như vậy, tính chính xác và ổn định của các bộ tạo dao động luôn phải được quan tâm nhằm đảm bảo chất lượng của hệ
thống.
Cho đến nay đã có nhiều phương pháp đểtăng tính ổn định của bộ tạo dao
động, trong đó đáng chú ý là kỹ thuật vòng bám pha PLL (phase locked loop) và kỹ thuật tổng hợp số trực tiếp DDS (direct digital synthesis). Mỗi kỹ thuật đều có những điểm mạnh và yếu riêng. Kỹ thuật DDS là một hệ thống hở, sử dụng
máy tính số và các bộ biến đổi DA (digital to analog) để tạo ra các tín hiệu mong muốn. Đây là kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp. Kỹ thuật này có ưu điểm nổi bật là thời gian thiết lập tần số rất nhanh, độ phân giải tần số rất nhỏ. Tuy
nhiên nhược điểm của nó là tiêu thụ nhiều năng lượng và chỉ thích hợp với dải tần cỡ vài trăm MHz. Trong khi đó, kỹ thuật PLL lại sử dụng hệ thống hồi tiếp
kín, trong đó độ ổn định của hồi tiếp là quan trọng nhất. Đây là kỹ thuật tổng hợp tần số gián tiếp. Kỹ thuật này yếu hơn DDS ở thời gian thiết lập tần số, tuy nhiên, nó lại có ưu điểm là tiêu thụ rất ít năng lượng, và rất thích hợp với dải tần siêu cao, là dải tần số từ300MHz đến 3GHz.
Kết quả thực nghiệm
Kết quả thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA được so sánh với kết quả mô phỏng dùng phần mềm ADS tại Trung tâm nghiên cứu Điện tử
Viễn thông Trường ĐHCN cho kết quảtương tự về các hệ sốS như S11 S21.
Gia công mạch PCB tại Trung tâm nghiên cứu Điện tử Viễn thông
Hình 3.13 Mạch PCB được gia công
Hình 3.15 Kết quảđo tham số trên máy phân tích mạng
KẾT LUẬN
Luận văn đã thu được những kết quảchính như sau:
Tổng quan về kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật phối hợp trở kháng phục vụ
cho thiết kế mô phỏng mạch điện siêu cao tần. Tổng quan về giải pháp tổ hợp tần số dùng mạch vòng khóa pha PLL để tạo các dao động sóng mang siêu cao tần, tạo dao động tại chỗ mềm dẻo cho bộ trộn siêu cao tần dải rộng.
Tổng quan về hệ thống thu phát thông tin vệtinh, trong đó có thông tin vệ tinh băng tần C với VINASAT.
Nghiên cứu thiết kế bộ trộn tần số siêu cao tần dùng cho tuyến siêu cao tần băng C.
Nghiên cứu thiết kế bộ tổ hợp tần số tạo dao động tại chỗ cho bộ trộn tần
băng C.
Thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA băng tần C, kết quả
mô phỏng tương ứng hoàn toàn với kết quả mô phỏng ADS tại trung tâm Nghiên cứu Điện tử Viễn thông, được gia công lắp ráp và đo kiểm các tham số S đạt kết quả tin cậy. Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA có thể sử dụng trong máy thu siêu cao tần trạm mặt đất, thu tín hiệu vệtinh băng C.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Bạch Gia Dương, Trương Vũ Bằng Giang (5/2013). Kỹ thuật siêu cao tần.
Nhà xuất bản ĐHQGHN
2. Kiều Khắc Lâu(2007), Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội
3. Phạm Minh Việt (2002), Kỹ thuật siêu cao tần, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
Tiếng Anh
4. David M. Pozar (1993), Microwave Enginneering, Addison - Wesley Publishing Company.
Website tham khảo
5. http://www.lyngsat.com/Vinasat-1.html
6. http://www.lockheedmartin.com/us/news/press-releases/2012/july/0705- ss-vinasat.html