Xem mẫu
- Thiết kế, mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp
sử dụng cho bộ thu tín hiệu vệ tinh
Đoàn Hữu Chức và Trần Hữu Trung
Khoa Điện – Điện tử,
Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng
Email: chucdh@hpu.edu.vn, trungth@hpu.edu.vn
Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất thực hiện thiết Hệ thống thông tin siêu cao tần được ứng dụng trong các vệ
kế và mô phỏng một mạch khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở tinh thông tin. Việt Nam đã có hai vệ thông tin VINASAT I và
bằng tần X với mục đích sử dụng cho bộ thu tín hiệu thông tin từ II đặt trên quỹ đạo địa tĩnh. Ngoài ra, một số dự án phóng vệ
vệ tinh. Mạch được thiết kế với phương pháp phối hợp trở kháng tinh quỹ đạo tầm thấp LEO cũng đang được triển khai. Các vệ
dải rộng thay đổi thang trở kháng đặc trưng. Mạch hoạt động ở
tinh quỹ đạo thấp có các dải tần phát xuống trong băng tần X.
tần số 11 GHz với hệ số khuếch đại lớn đạt trên 12,8 dB và hệ số
tạp âm NF nhỏ hơn 0,9 dB. Do đó, việc nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng trạm thu tín hiệu
vệ tinh hoạt động ở băng tần trên là rất có ý nghĩa khoa học.
Keywords- Bộ thu tín hiệu siêu cao tần, mạch khuếch đại tạp Trong bài báo này, tác giả trình bày việc thiết kế, mô phỏng
âm thấp, phối hợp trở kháng dải rộng. một mạch khuếch đại LNA hoạt động ở tần số 11GHz, sử dụng
transistor ATF36077 với hệ số khuếch đại lớn và nhiễu nhỏ.
I. GIỚI THIỆU
Ngày nay, hệ thống truyền thông sử dụng sóng siêu cao tần II. THIẾT KẾ
đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của việc truyền Mạch khuếch đại Transistor đơn tầng với mạch phối hợp trở
thông tin. Trong hệ thống siêu cao tần, bộ khuếch đại là thành kháng đầu vào và ra được biểu diễn như ở hình 2[1,2,6].
phần cơ bản và phổ biến. Các transistor trong bộ khuếch đại có
thể hoạt động trong khoảng tần số rất rộng lên tới 100 GHz ở
những ứng dụng yêu cầu kích thước nhỏ gọn, hệ số tạp âm NF
thấp, dải thông rộng và tiêu hao năng lượng thấp. Kỹ thuật thiết
kế mạch khuếch đại sử dụng BJT và FET dựa trên các khái
niệm được nghiên cứu về đường truyền sóng siêu cao tần, Hình 2. Sơ đồ khối mạch khuếch đại tạp âm thấp.
mạng hai cổng và giản đồ Smith. Trong lĩnh vực siêu cao tần, Mạch khuếch đại LNA hoạt động ở tần số 11GHz, sử dụng
lý thuyết mạch thông thường không thể sử dụng trực tiếp để transistor ATF36077 được thiết kế và mô phỏng trên phần
giải quyết các vấn đề của mạng siêu cao tần. Trong trường hợp mềm ADS. Quá trình thiết kế các mạch phối hợp trở kháng, hệ
đó, lý thuyết mạch thông thường được gần đúng hoặc sử dụng số khuếch đại cũng như hệ số tạp âm NF, được thực hiện dựa
lý thuyết trường điện từ được mô tả bằng các phương trình trên các tham số S của ATF36077. Các tham số S cần tra cứu
Maxwell. Điều đó có nghĩa cách thức thiết kế ở mạch siêu cao của transistor được đưa ra ở hình 3. Với mục đích thiết kế
tần khác biệt so với khi thiết kế mạch ở tần số thấp. Điều này mạch LNA sử dụng cho bộ thu tín hiệu vệ tinh hoạt động ở
được gọi là kỹ thuật phối hợp trở kháng [4]. Khi thiết kế mạch băng tần X, tác giả chọn tần số mạch hoạt động có giá trị là 11
khuếch đại dùng transistor chúng ta phải dựa trên tham số S. GHz.
Khối xử lý tín hiệu đầu tiên của bộ thu trong hệ thống truyền
thông sau anten là bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low noise
amplifier (LNA)). Mạch LNA sẽ khuếch đại tín hiệu thu được
với hệ số khuếch đại hợp lý và có tạp nhiễu nhỏ nhất có thể. Sơ
đồ khối bộ thu của hệ thống truyền thông siêu cao tần đưa ra ở
hình 1[3].
Hình 1. Sơ đồ khối bộ thu tín hiệu siêu cao tần.
Theo đó, tín hiệu siêu tần thu được từ antenna qua mạch
khuếch đại tạp âm thấp để đạt được tín hiệu đủ lớn với nhiễu
nhỏ nhất, tín hiệu này sau đó được đưa tới mạch lọc thông dải Hình 3. Tra cứu tham số S.
để lấy các thành phần tín hiệu có dải thông chọn trước. Sau đó
tín hiệu được giải điều chế trở về tín hiệu băng tần cơ sở.
129
- Bảng 1 đưa ra các thông số yêu cầu của mạch LNA hoạt động
ở tần số 11 GHz dùng để thiết kế trong trường hợp này.
Bảng 1. Các thông số thiết kế mạch LNA.
STT Thông số Đơn vị
1. Tần số trung tâm 11 GHz
2. Dải thông ± 5%
3. Nhiễu hình < 2dB
4. Hệ số khuếch đại > 15 dB
5. Trở kháng nguồn 50
6. Trở kháng tải 50
7. Transistor ATF36077 Hình 4. Sơ đồ mạch phối hợp trở kháng lối vào.
II.1. MẠCH PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG LỐI VÀO II.2. MẠCH PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG LỐI RA
Trên cơ sở giá trị S11 tại tần số 11 GHz, xác định được trở Tương tự như với trường hợp thiết kế mạch phối hợp trở kháng
kháng lối vào của transistor. Ta có: lối vào, tra cứu S22 của ATF36077 tại tần số 11 GHz, xác định
được trở kháng lối ra của transistor. Ta có:
S11 = 0.66/-159
ZIN = 10.6-j*8.9 () S22 = 0,40/-129
Zout = 25,2 –j*18,7
Với mục đích thiết kế mạch LNA có dải thông rộng phục vụ
thu tín hiệu vệ tinh, ở đây nhóm tác giả sử dụng phương pháp Giống như với mạch lối vào, ở mạch lối ra cũng sử dụng
phối hợp trở kháng thay đổi thang trở kháng đặc trưng mở rộng phương pháp phối hợp trở kháng thay đổi thang trở kháng đặc
dải thông. Đây là một trong những phương pháp thiết kế mạch trưng mở rộng dải thông để thiết kế mạch. Di chuyển trở kháng
giúp mở rộng được dải thông hoạt động của mạch khuếch đại lối ra tới vị trí có giá trị thực trên giản đồ Smith, ta đạt được giá
và hơn nữa rất thuận lợi khi thực hiện bằng các đoạn dây chêm trị trở kháng ZL = 12,075 để thực hiện thiết kế mạch phối hợp
mạch dải, đặc biệt là ở tần số lớn. Nhược điểm của phương trở kháng lối ra. Tương tự mạch lối vào, ở lối ra ta cũng chọn
pháp là trở tráng thiết kế phải là trở kháng thực. Điều này dễ N=2 để thực hiện tính toán thiết kế. Ta có:
dàng thực hiện được nhờ việc di chuyển trở kháng bất kỳ về
giá trị thực nhờ các đoạn dây chêm nếu chúng ta thực hiện / / / /
= = 12.05 50 = 35.05 (Ω)
mạch theo phương pháp mạch dải. Vì vậy, trước hết ta cần di 12.075
chuyển vị trí trở kháng lối vào của ATF36077 tới vị trí có giá = = 50 = 17.22 (Ω)
35.05
trị thực (phần phức bằng không). Điều này được thực hiện nhờ
chèn thêm một đoạn dây chêm mạch dải nối tiếp. Chọn trở
Kết quả chúng ta có sơ đồ mạch nguyên lý phối hợp trở kháng
kháng đặc trưng bằng 25 , sử dụng giản đồ Smith khi đó đạt lối ra như hình 5 dưới đây.
được giá trị trở kháng để thực hiện phối hợp theo phương pháp
thay đổi thang trở kháng đặc trưng mở rộng dải thông ZL =
9,206 (). Việc chọn trở kháng như vậy nhằm tránh sự thay
đổi đột ngột về trở kháng đặc trưng giúp việc phối hợp trở
kháng được thực hiện tốt hơn. Số bậc thay đổi N trong thiết kế
này được lựa chọn bằng 2 để giảm thiểu tính toán và sai sót khi
thiết kế. Theo[5] ta có các biểu thức tính toán sau:
/ / / /
= = 9.206 50 = 32.75 (Ω)
9.206
= = 50 = 14.05 (Ω)
32.75
Trong đó, ZL là giá trị được xác định ở trên, Z0 =50 . Hình 5. Sơ đồ mạch phối hợp trở kháng lối ra.
Sử dụng công cụ LineCal xác định được kích thước của mạch
phối hợp trở kháng khi sử dụng loại phíp đồng FR4 có hằng số Từ các thiết kế trên, cuối cùng chúng ta đạt được sơ đồ mạch
điện môi =4,34; độ dày H=1,6mm và độ dày lớp dẫn điện bộ khuếch đại LNA như hình 6 minh họa. Sử dụng file S2P
T=0,035mm. Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối vào chứa thông tin về các tham số S của ATF36077 giúp việc mô
được đưa ra ở hình 4 dưới đây. phỏng dễ dàng hơn như trình bày tiếp theo dưới đây.
130
- dải dùng để phối hợp trở kháng. Như vậy cùng với các thông
số đạt được trong dải thông này, mạch LNA có thể hoạt động
trong một dải tần lớn. Do đó có thể sử dụng linh hoạt trong
việc thu thông tin từ vệ tinh trong băng tần này.
Hình 6. Sơ đồ thiết kế mạch LNA
với mạch phối hợp trở kháng lối vào và lối ra.
III. KẾT QỦA MÔ PHỎNG
Sau khi thiết kế, mạch LNA được mô phỏng trên phần mềm
ADS và được hiệu chỉnh để đạt các kết quả tốt hơn. Kết quả
mô phỏng các tham số S được đưa ra ở hình 7. Các tham số
được mô phỏng bao gồm các hệ số truyền đạt, các hệ số phản
xạ lối vào và lối ra.
Hình 8. Hệ số khuếch đại lớn nhất.
Hình 7. Kết quả mô phỏng các tham số S.
Theo đó hệ số khuếch đại đạt được rất lớn hơn 12,8 dB trong
một dải thông rộng từ 10 GHz đến 12 GHz. Các hệ số phản xạ
lối vào và lối ra cũng đạt dưới -10 dB tại tần số trung tâm, như
vậy các mạch được phối hợp trở kháng khá tốt. Hệ số S12
- tâm 11 GHz. Đây là giá trị lớn đối với một mạch khuếch đại
đơn tần. Hơn thế nữa, mạch cũng đạt được hệ số tạp âm NF
nhỏ dưới 0,9 dB ở tần số thiết kế và hệ số sóng đứng gần lý
tưởng bằng 1 dB. Như vậy, mạch có thể ứng dụng để làm tầng
đầu tiên của bộ thu tín hiệu siêu cao tần trong hệ thống thông
tin vệ tinh.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Abhimanyu Athikayan,et al, “Design Of Low Noise Amplifier At 4
Ghz”, 2011 International Conference on Information and Electronics
Engineering IPCSIT vol.6 (2011) © (2011) IACSIT Press, Singapore.
[2] Abu Bakar Ibrahim, Ahmad Zamzuri Mohamad Ali, “Design of
Microwave LNA Based on Ladder Matching Networks for WiMAX
Applications”, International Journal of Electrical and Computer
Engineering (IJECE) Vol. 6, No. 4, pp. 1717~1724, August 2016.
[3] Cherechi Ndukwe,et al, “Design and Fabrication of a 1.5GHz
Hình 10. Kết quả mô phỏng nhiễu hình Microwave Low Noise Amplifier with Suitable Low-noise and High
Gain Characteristics”, EJERS, European Journal of Engineering
Research and Science Vol. 2, No. 8, August 2017.
[4] David M. Pozar (2012), Microwave Engineering, Fourth Edition, John
Wiley & Sons, Inc.
[5] Robert E. Collin(2000), Foundations for Microwaves Engineering, IEEE
Press, John Willey & Son, INC, 2nd Edition.
[6] T. V. Hoi, et al., “Design and Fabrication of High Gain Low Noise
Amplifier at 4Ghz,” International Journal of Engineering and Innovation
Technology (IJEIT), vol/issue: 4(7), 2015.
Hình 11. Hệ số ổn định K của mạch LNA thiết kế.
IV. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất, thiết kế và mô phỏng một .
mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA hoạt động trong dải tần
tuyến phát xuống của vệ tinh VINASAT II. Kết quả đạt được
một mạch có hệ số khuếch đại lớn hơn 12,8 dB ở tần số trung
132
nguon tai.lieu . vn
