Thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp băng Ku ứng dụng cho hệ thống thu vệ tinh Vinasat
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (517.52 KB, 3 trang )
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP
BĂNG Ku ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THU VỆ TINH VINASAT
Ngô Thị Lành1, Trần Văn Hội2
Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải
2
Trường Đại học Thủy lợi, email:
1
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat I và II
được phóng lên quỹ đạo địa tĩnh tại vị trí
1320 và 131,80 Đông. Với khoảng cách truyền
dẫn lớn khoảng 36.000 km, tín hiệu thu được
tại đầu vào anten thu là rất yếu khoảng vài VnV. Mạch khuếch đại thông thường giúp
khuếch đại cơng suất tín hiệu, nhưng đồng thời
cũng khuếch đại tạp âm. Vì vậy, để thu được
tín hiệu rất yếu thì trong tầng đầu tiên của máy
thu sẽ là tầng khuếch đại tạp âm thấp LNA
(Low Noise Amplifier), mạch sẽ khuếch đại
tín hiệu với mức tạp âm nhỏ nhất.
Hiện nay có nhiều cơng trình nghiên cứu
thiết kế mạch với các mục tiêu giảm tạp âm,
tăng băng thông khuếch đại, nâng cao hệ số
khếch đại [1] - [3]. Để thực hiện thiết kế
mạch LNA với mục tiêu trên thì cần phải
thỏa hiệp giữa các đặc tính như hệ số khuếch
đại, hệ số tạp âm, dải tần làm việc, độ ổn
định của mạch.
Hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat I và II
phát trên băng tần Ku với tần số phát xuống từ
dải 10.95 đến 11.2 Ghz và từ 11.45 đến 11.7
GHz. Do vậy bài báo này sẽ trình bày giải
pháp thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại tạp âm
thấp làm việc ở băng tần KU với các tham số
yêu cầu: Hệ số khếch đại của mạch > 15 dB,
dải tần làm việc 10.95 - 11.7 GHz, với hệ số
tạp âm < 2dB. Mạch LNA được ứng dụng cho
hệ thống thu vệ tinh Vinasat I và II.
phương pháp thực nghiệm khoa học để thiết kế
tiến hành chế tạo, đo đạc thử nghiệm.
3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH LNA
3.1. Thiết kế mạch LNA
Mạch khuếch đại đơn tầng sử dụng
transistor được thể hiện ở hình 1, trong đó
mạch phối hợp trở kháng đầu vào thực hiện
phối hợp trở kháng nguồn ZS với trở kháng
vào của Transistor; mạch phối hợp trở kháng
ra thực hiện phối hợp trở kháng ra của
transistor với trở kháng tải ZL.
Hình 1. Sơ đồ mạch khuếch đại đơn tầng
Hệ số khuếch đại của mạch được tính theo
cơng thức sau:
GT = GS.G0.GL
(1)
Trong đó: GS, GL - hệ số khuếch đại của
mạch phối hợp trở kháng đầu vào và đầu ra;
G0 - hệ số khuếch đại của của transistor.
GS
1 S
1 S11 S
G0 S21
GL
K
Nhóm tác giả sử dụng kết hợp phương pháp
nghiên cứu phân tích, tổng hợp lý thuyết và
263
(2)
2
2
1 L
(3)
2
1 S 22 L
2
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2
2
1 S11 S22
2 S21 S12
S11S22 S12S21
(4)
2
2
(5)
(6)
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
Bộ khuếch đại phải ổn định trong phạm vi
của dải tần thiết kế. Một trong những phương
pháp được sử dụng để xác định độ ổn định
của PA là kiểm tra tham số K và .
Để đảm bảo các tham số của mạch khuếch
đại bài báo đề xuất thực hiện thiết kế mạch
khuếch đại tạp âm thấp 2 tầng nối tiếp trong
đó: Tầng 1 được thiết kế ở tần số 11.2GHz
đạt mức tạp âm nhỏ nhất. Tầng thứ hai được
thiết kế ở tần số 11.6GHz để mở rộng dải
thông và nâng cao hệ số khuếch đại, mạch.
Linh kiện được lựa chọn trong thiết kế là
transistor siêu cao tần NE76084, đây
transistor sử dụng công nghệ pHEMT GaAs
MESFET với tần số hoạt động 0,1 - 20 GHz,
hệ số tạp âm nhỏ nhất là 1,6 dB và hệ số
khuếch đại 9 dB ở tần số 12GHz.
Có nhiều phương pháp phối hợp trở kháng
khác nhau, mỗi phương pháp đều có ưu điểm
và nhược điểm. Một phương pháp phối hợp
trở kháng cho dải tần rộng đó là dùng đoạn
dây một phần tư bước sóng (/4). Mạch thiết
kế hồn chỉnh thể hiện trên hình 2.
Từ hình 3 cho thấy hệ số K > 1 trong dải
tần khuếch đại, điều này chứng tỏ hệ số
khuếch đại ổn định không điều kiện trong
phạm vi dải tần hoạt động.
3.2. Kết quả đo đạc thực nghiệm
Sau khi mơ phỏng tồn bộ hệ thống đạt
các tham số theo yêu cầu thiết kế, nhóm tác
giả tiến hành chế tạo và hồn thiện. Kết quả
thể hiện trên hình 4.
Hình 4. Mạch chế tạo hồn thiện
Kết quả đo trên máy phân tích mạng
Vector network analyzer 37369D với các
tham số của mạch thể hiện trên hình 5-9:
Hình 2. Mạch khuếch đại LNA 2 tầng
Sử dụng phần mềm ADS (Advanced
Design System) và file tham số tán xạ
ne76084.s2p để mô phỏng hệ số ổn định K.
Kết quả mơ phỏng thể hiện trên hình 3.
Hình 5. Hệ số khuếch đại của mạch S21
Hình 3. Hệ số ổn định K
Hình 6. Hệ số khuếch đại ngược (S12)
264
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
Kết quả trên hình 5 cho thấy hệ số khuếch
đại của mạch S21 lớn hơn 17.1 dB trong dải
khuếch đại 10.9 - 11.7 GHz và kết quả này
tương đồng với kết quả mô phỏng.
Hệ số khuếch đại ngược thể hiện trên hình 6.
Từ hình vẽ cho thấy S12 có giá trị nhỏ hơn
–25 dB trong dải tần công tác và có giá trị
lớn hơn so với kết quả mơ phỏng –10 dB.
Hình 9. Hệ số tạp âm của mạch
4. KẾT LUẬN
Hình 7. Hệ số phản xạ đầu vào S11
Từ hình 7 cho thấy hệ số phản xạ đầu vào
đo được có giá trị nhỏ hơn –10 dB trong dải
tần công tác và đạt giá trị nhỏ nhất là –23 dB
tại tần số 11,4 GHz.
Bài báo đã trình bày quá trình nghiên cứu,
thiết kế, mơ phỏng, chế tạo và đo đạc thử
nghiệm mạch LNA làm việc ở băng KU. Bài
báo cũng đề xuất phương án thiết kế mạch để
giảm tạp âm, mở rộng dải thông, nâng cao hệ
số khuếch đại của mạch. Mạch LNA đã được
thiết kế, chế tạo thành cơng với các đặc tính:
hệ số khuếch đại > 17.1 dB trong dải tần
10.95 - 11.7 GHz, hệ số tạp âm 2dB. Mạch
được ứng dụng trong hệ thống thu vệ tinh
băng KU.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
Hình 8. Hệ số phản xạ đầu ra S22
Hệ số phản xạ đầu ra trên hình 8 cho thấy
kết quả đo có giá trị tương đối tốt và nhỏ hơn
–10dB, đạt giá trị nhỏ nhất là –20 dB tại tần
số 11 GHz.
Hình 9 thể hiện hệ số tạp âm của mạch
khuếch đại. Kết quả cho thấy hệ số tạp âm
nhỏ hơn 2.008 dB và đạt giá trị nhỏ nhất là
1.645 dB ở tần số 11.1 GHz.
[1] Islam T, Lahbib Zenkouar, Mohammed
Lahsaini, 2015, “Design of a Low Noise
Amplifier Using the Quarter Wave
Transformers Matching Technique in the
Frequency Band [9-13] GHz”, International
Journal on Communications Antenna and
Propagation, Vol. 5, No. 4, pp. 248-255.
[2] Mohammed Lahsaini, Lahbib Zenkouar,
Seddik Bri, 2018, “Modeling of a
Microwave Amplifier Operating around 11
GHz for Radar Applications”, Vol. 8, No.
5, pp. 3496-3503.
[3] Toulali Islam, Lahbib Zenkouar, 2018,
“Design of 10 to 12 GHz Low Noise
Amplifier for Ultrawideband (UWB)
System”, International Journal of Electrical
and Computer Engineering (IJECE), Vol. 8,
No. 5, pp. 2773-2779.
265
