Thiết kế, mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng cho bộ thu tín hiệu vệ tinh

Chia sẻ: Wang Ziyi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết đề xuất thực hiện thiết kế và mô phỏng một mạch khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở bằng tần X với mục đích sử dụng cho bộ thu tín hiệu thông tin từ vệ tinh. Mạch được thiết kế với phương pháp phối hợp trở kháng dải rộng thay đổi thang trở kháng đặc trưng. Mạch hoạt động ở 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. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế, mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng cho bộ thu tín hiệu vệ tinh

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