Tương tự việc thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp, việc thiết kế mạch khuếch đại trung tần ưu tiên để tăng độ lợi và băng thông của mạch khuếch đại vẫn đảm bảo hệ số tạp âm, độ ổn định của mạch. Mạch khuếch đại trung tần làm việc trong băng L có dải tần rộng từ 950MHz đến 2150MHz, dải tần này nhằm đáp ứng được yêu cầu khi kết nối với bộ chuyển tần nhiễu thấp băng C hoặc băng Ku. Để mở rộng dải tần làm việc và tăng hệ số khuếch đại, giải pháp thiết kế mạch khuếch đại trung tần là sử dụng mạch khuếch đại 2 tầng. Trong đó tầng đầu thiết kế mạch mắc kiểu cascode để mở rộng dải thông, và tầng 2 giúp tăng hệ số khuếch đại.
Sử dụng tham số S của transistor SPF3043 ở tần số trung tâm của băng tần là 1,5 GHz để thực hiện thiết kế mạch phối hợp trở kháng vào và ra. Bảng tham số S mắc đơn và mắc kiểu cascade được cho ở bảng dưới đây.
Bảng 3.3 Tham số S của transistor SPF3043 ở tần số 1,5 GHz
FREQ S11 S21 S12 S22
GHZ MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG
1,5 0,872 -39,639 9,248 142,63 0,033 67,353 0,580 -23,659
Bảng 3.4 Tham số S của mạch mắc Cascode ở tần số 1,5 GHz
FREQ S11 S21 S12 S22
GHZ MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG
1,5 0,868 -41,094 8,965 142,244 0,032 65,967 0,518 -22,659
Hình 3.35 Sơ đồ mạch khuếch đại trung tần băng L
Để tăng dải thông của mạch khuếch đại thì phương pháp phối hợp trở kháng sử dụng là mạch phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung L, C mắc kiểu T. Sơ đồ mạch thiết kế thể hiện trên Hình 3.35.
Kết quả mô phỏng tham số S cho thấy hệ số khuếch đại của mạch lớn hơn 46dB và khá bằng phẳng. Phối hợp trở kháng đầu vào và đầu ra dịch ở tần số 1,2 GHz và 1,47 GHz với dải phối hợp khá rộng.
Hình 3.36 Kết quả mô phỏng tham số S
Hình 3.37 Hệ số tạp âm của mạch khuếch đại
Mạch phối hợp trở kháng sử dụng các phần tử tập trung L, C nên một số linh kiện có giá trị khác so với giá trị trong thực tế vì các nhà sản xuất chỉ sản xuất một số giá trị tiêu chuẩn cho trước. Do vậy để chế tạo mạch ta cần phải chuyển đổi sang mạch có các phần tử phân bố sử dụng mạch vi dải. Sử dụng phương pháp chuyển đổi Richard và Kuroda để chuyển đổi mạch sử dụng phần tử tập trung sang mạch sử dụng phần tử phân bố dùng mạch vi dải FR4, sơ đồ mạch thể hiện trên Hình 3.38.
Hình 3.38 Sơ đồ mạch khuếch đại trung tần sử dụng mạch vi dải
Thực hiện chế tạo mạch, tiến hành cấp nguồn và đo tham số S trên máy phân tích mạng Vector network analyzer 37369D.
Kết quả đo thể hiện trên hình 3.39 cho thấy hệ số khuếch đại của mạch lớn hơn 32,02dB và khá bằng phẳng trong một dải rất rộng từ 0,94GHz đến 2,15GHz. Hệ số khuếch đại lớn nhất đạt 33,19dB tại tần số 1,4GHz. Hệ số khuếch đại của mạch đo được nhỏ hơn rất nhiều so với kết quả mô phỏng tuy nhiên với thiết kế siêu cao tần thì kết quả đo được là tốt và khá bằng phẳng trên dải tần rộng.
Hình 3.40 Hệ số khuếch đại ngược của mạch IF (S12)
Hệ số khuếch đại ngược có giá trị nhỏ hơn -37dB trong dải tần công tác và có giá trị lớn hơn so với kết quả mô phỏng.
Hệ số phản xạ đầu vào đo được có giá trị nhỏ hơn -10,22dB trong dải tần 0,95GHz – 2,15GHz, đạt giá trị nhỏ nhất là -26,05dB tại tần số 1,575GHz. Kết quả đo đạc và mô phỏng cho thấy dải phối hợp trở kháng rộng tuy nhiên giá trị phản xạ đầu trong dải nhỏ hơn -8,98dB và đạt giá trị nhỏ nhất là -26,91dB tại tần số 1,2GHz.
Hình 3.41 Hệ số phản xạ đầu vào (S11)
Hình 3.42 Hệ số phản xạ đầu ra (S22)
Hệ số phản xạ đầu ra đo được có giá trị tương đối tốt và có dạng phù hợp với kết quả mô phỏng, tuy nhiên giá trị phản xạ đầu ra đều nhỏ hơn -10dB.
Hình 3.43 Kết quả đo tạp âm của mạch.
Kết quả đo hệ số tạp âm của mạch nhỏ hơn 1,5dB trong dải khuếch đại 950MHz đến 2100MHz. Đây là giá trị tương đối tốt so với kết quả ở công trình số [24]với dải thông rộng hơn, hệ số khuếch đại cao hơn.
Bảng 3.5 So sánh với một số công trình liên quan
Tham số Trích dẫn số [30] Trích dẫn số [70] Kết quả chế tạo
Tần số 1-2GHz 1-2GHz 950 – 2150MHz Hệ số tạp âm 1,0 dB 1,5 dB 1,5 dB S 21 15 dB 35 dB 32,02 dB S 12 - 37.22 dB S 11 - 15 dB -10 dB - 10.42 dB S 22 - 15 dB -10 dB - 10.37 dB
Từ bảng so sánh trên cho thấy kết quả chế tạo có tham tham số gain tốt hơn trích dẫn số [30], tuy nhiên với bộ khuếch đại thực tế ở trích dẫn số [70] kết quả về độ lợi của mạch nhỏ hơn 3dB.