Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế tuyến thu siêu cao tần băng S cho trạm thu tín hiệu vệ ...

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu thiết kế chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng S cho trạm thu mặt đất tín hiệu vệ tinh tầm thấp.

• Người hướng dẫn: GS.TS Bạch Gia Dương
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng S dùng cho trạm thu mặt đất, thu tín hiệu vệ tinh nhỏ tầm thấp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU VỀ THÔNG TIN VỆ TINH
• 1.1. Thông tin vệ tinh
• 1.2. Sơ đồ tuyến thu siêu cao tần
• 1.3. Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier)
• 1.3.1. Hệ số tạp âm
• 1.3.2. Hệ số khuếch đại
• 1.3.3. Tính ổn định hệ thống và độ tuyến tính
• 1.3.4. Bộ trộn tần
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Các tham số cơ bản
• 2.2.1. Đường truyền sóng
• 2.2.2. Hệ số phản xạ
• 2.2.3. Hệ số sóng đứng điện áp (VSWR)
• 2.2.4. Công suất trung bình truyền theo đường dây truyền sóng
• 2.2.5. Kỹ thuật phối hợp trở kháng
• 2.2.5.1. Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung
• 2.2.5.2. Phối hợp trở kháng dùng dây chêm
• 2.2.5.3. Phối hợp trở kháng dùng 1/4 bước sóng
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO TUYẾN THU BĂNG S
• 3.1. Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp
• 3.1.1. Công cụ mô phỏng và tính toán
• 3.1.2. Transistor cao tần SPF-3043
• 3.1.3. Thiết kế mạch phối hợp trở kháng
• 3.1.4. Thiết kế layout
• 3.2. Xây dựng bộ trộn tần
• 3.3. Thực nghiệm và kết quả
• 3.3.1. Kết quả chế tạo mạch LNA
• 3.3.2. Kết quả bộ trộn tần số
• 3.3.3. Kết quả tuyến thu siêu cao tần
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiết kế tuyến thu siêu cao tần băng S

Nghiên cứu thiết kế tuyến thu siêu cao tần băng S cho trạm thu tín hiệu vệ tinh là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ viễn thông hiện đại. Băng S, với tần số từ 2 đến 4 GHz, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền thông vệ tinh. Việc thiết kế tuyến thu này không chỉ giúp cải thiện chất lượng tín hiệu mà còn tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ vệ tinh, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp thu tín hiệu hiệu quả là rất cần thiết.

1.1. Khái niệm về tín hiệu vệ tinh và băng S

Tín hiệu vệ tinh là thông tin được truyền từ vệ tinh xuống trạm thu mặt đất. Băng S là một trong những băng tần phổ biến nhất cho các ứng dụng vệ tinh, nhờ vào khả năng truyền tải thông tin với độ tin cậy cao và vùng phủ sóng rộng.

1.2. Vai trò của tuyến thu siêu cao tần trong viễn thông

Tuyến thu siêu cao tần đóng vai trò quan trọng trong việc thu nhận và xử lý tín hiệu từ vệ tinh. Nó giúp cải thiện tỷ lệ tín hiệu/tạp âm, đảm bảo thông tin được truyền tải một cách chính xác và hiệu quả.

II. Thách thức trong thiết kế tuyến thu siêu cao tần băng S

Thiết kế tuyến thu siêu cao tần băng S đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm việc giảm thiểu tạp âm, tối ưu hóa hiệu suất khuếch đại và đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Các yếu tố như khoảng cách giữa vệ tinh và trạm thu, cũng như điều kiện môi trường có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp kỹ thuật là rất cần thiết.

2.1. Vấn đề tạp âm trong hệ thống thu

Tạp âm là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Việc thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) là cần thiết để nâng cao tỷ lệ tín hiệu/tạp âm, từ đó cải thiện hiệu suất của hệ thống.

2.2. Ảnh hưởng của khoảng cách đến tín hiệu thu

Khoảng cách giữa vệ tinh và trạm thu có thể làm giảm cường độ tín hiệu. Do đó, việc thiết kế anten và các bộ khuếch đại phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tín hiệu được thu nhận một cách chính xác.

III. Phương pháp thiết kế tuyến thu siêu cao tần băng S

Phương pháp thiết kế tuyến thu siêu cao tần băng S bao gồm việc lựa chọn linh kiện phù hợp, mô phỏng và tính toán các thông số kỹ thuật. Sử dụng phần mềm mô phỏng như ADS giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo hiệu suất của hệ thống. Các bước thiết kế bao gồm xác định các tham số như hệ số tạp âm, hệ số khuếch đại và phối hợp trở kháng.

3.1. Lựa chọn linh kiện cho tuyến thu

Việc lựa chọn linh kiện như transistor và bộ khuếch đại là rất quan trọng. Các linh kiện này cần phải đáp ứng các yêu cầu về tần số và hiệu suất để đảm bảo tín hiệu được thu nhận một cách hiệu quả.

3.2. Mô phỏng và tính toán thông số kỹ thuật

Sử dụng phần mềm mô phỏng như ADS để tính toán và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của tuyến thu. Điều này giúp đảm bảo rằng thiết kế đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy.

IV. Ứng dụng thực tiễn của tuyến thu siêu cao tần băng S

Tuyến thu siêu cao tần băng S có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực viễn thông, bao gồm truyền hình vệ tinh, internet vệ tinh và các dịch vụ truyền thông khác. Việc phát triển các trạm thu mặt đất với công nghệ tiên tiến giúp nâng cao chất lượng dịch vụ và mở rộng khả năng kết nối.

4.1. Ứng dụng trong truyền hình vệ tinh

Tuyến thu băng S được sử dụng rộng rãi trong truyền hình vệ tinh, cho phép người dùng nhận tín hiệu chất lượng cao từ vệ tinh mà không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết.

4.2. Ứng dụng trong internet vệ tinh

Internet vệ tinh sử dụng tuyến thu băng S để cung cấp dịch vụ internet cho các khu vực xa xôi, nơi mà hạ tầng viễn thông truyền thống không thể tiếp cận.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu thiết kế tuyến thu siêu cao tần

Nghiên cứu thiết kế tuyến thu siêu cao tần băng S là một lĩnh vực đầy tiềm năng và cần thiết trong bối cảnh phát triển công nghệ viễn thông hiện đại. Với sự phát triển của các vệ tinh tầm thấp và công nghệ thu phát tiên tiến, tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cơ hội mới cho ngành viễn thông.

5.1. Tương lai của công nghệ vệ tinh

Công nghệ vệ tinh đang phát triển nhanh chóng, với nhiều vệ tinh mới được phóng lên quỹ đạo. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc cải thiện chất lượng dịch vụ và mở rộng khả năng kết nối.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các giải pháp kỹ thuật mới, nhằm tối ưu hóa hiệu suất của tuyến thu và giảm thiểu tạp âm, từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và viễn thông, hệ thống thông tin vệ tinh đóng vai trò quan trọng trong mạng lưới truyền thông toàn cầu. Tại Việt Nam, từ những năm 1980, việc ứng dụng thông tin vệ tinh đã mở ra nhiều cơ hội phát triển viễn thông, đặc biệt với sự ra đời của các vệ tinh Vinasat-1 (2008) và Vinasat-2 (2012). Theo ước tính, nhu cầu thu nhận tín hiệu vệ tinh nhỏ tầm thấp ngày càng tăng do khả năng quan sát mặt đất, giám sát hiện trường và cung cấp dịch vụ đa phương tiện với vùng phủ sóng rộng. Tuy nhiên, tín hiệu thu từ vệ tinh thường rất yếu do khoảng cách lớn, đòi hỏi thiết kế các tuyến thu siêu cao tần (SHF) có hiệu suất cao, đặc biệt là bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) và bộ trộn tần (mixer) để đảm bảo chất lượng tín hiệu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng S (2-4 GHz) dùng cho trạm thu mặt đất, thu tín hiệu vệ tinh nhỏ tầm thấp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA và bộ trộn tần tích hợp bộ dao động tại chỗ kiểu VCO, nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu trên tạp âm và chuyển đổi tần số từ cao tần xuống trung tần. Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2018, sử dụng phần mềm mô phỏng ADS và các linh kiện cao tần hiện đại.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật cho các trạm thu mặt đất, góp phần nâng cao hiệu quả thu nhận tín hiệu vệ tinh nhỏ tầm thấp, mở rộng khả năng ứng dụng trong viễn thông, giám sát và an ninh quốc phòng. Các chỉ số hiệu suất như hệ số tạp âm thấp hơn 0.5 dB, hệ số khuếch đại trên 10 dB và độ ổn định hệ thống được đảm bảo, tạo tiền đề phát triển các hệ thống thu băng tần cao hơn trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật siêu cao tần (SHF) với tần số từ 2 đến 4 GHz, thuộc băng S theo tiêu chuẩn IEEE. Các khái niệm chính bao gồm:

• Hệ số tạp âm (Noise Figure - NF): Đại lượng đo sự suy giảm chất lượng tín hiệu do tạp âm trong hệ thống, được định nghĩa là tỷ số công suất tạp âm ra trên công suất tạp âm do nguồn gây ra. NF càng thấp càng tốt, với mục tiêu thiết kế NF khoảng 0.5 dB tại 2 GHz.
• Phối hợp trở kháng (Impedance Matching): Kỹ thuật điều chỉnh trở kháng giữa các phần tử mạch để giảm phản xạ tín hiệu, tăng công suất truyền và cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm. Các phương pháp phối hợp trở kháng được áp dụng gồm mạch phần tử tập trung (mạch L), dây chêm mắc song song và nối tiếp, đoạn dây 1/4 bước sóng.
• Mạng tạp âm 2 cửa và tham số S (S-parameters): Mô hình mạng hai cổng dùng để phân tích các đặc tính truyền dẫn và phản xạ của transistor cao tần SPF-3043, giúp xác định hệ số khuếch đại, hệ số tạp âm và trở kháng đầu vào/ra.
• Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA): Thiết kế dựa trên transistor pHEMT SPF-3043 với đặc tính NF thấp, hệ số khuếch đại cao, đảm bảo độ ổn định và tuyến tính của mạch.
• Bộ trộn tần (Mixer) và bộ dao động điều khiển điện áp (VCO): Thiết bị chuyển đổi tần số từ cao tần xuống trung tần, tích hợp bộ dao động tại chỗ để tạo tín hiệu ngoại sai ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các tham số kỹ thuật của transistor SPF-3043, các mô hình lý thuyết về đường truyền sóng, hệ số tạp âm, phối hợp trở kháng và các tài liệu tham khảo về kỹ thuật siêu cao tần. Phương pháp nghiên cứu kết hợp:

• Mô phỏng và tính toán: Sử dụng phần mềm Advanced Design System (ADS) 2009 để mô phỏng mạch LNA và bộ trộn tần, tính toán các tham số trở kháng, hệ số tạp âm, hệ số khuếch đại và thiết kế mạch phối hợp trở kháng dây chêm song song.
• Thiết kế mạch: Dựa trên kết quả mô phỏng, thiết kế layout mạch LNA và bộ trộn tần phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.
• Chế tạo và thử nghiệm: Lắp ráp mạch thực tế, đo đạc trên máy phân tích phổ để đánh giá hệ số tạp âm, hệ số khuếch đại, điểm nén 1 dB và điểm chặn bậc 3 (IIP3), đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, mô phỏng thiết kế (3 tháng), chế tạo và thử nghiệm (4 tháng), phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA:

   • Hệ số tạp âm đạt khoảng 0.5 dB tại tần số 2 GHz, phù hợp với yêu cầu thiết kế.
   • Hệ số khuếch đại đạt trên 20 dB, đảm bảo nâng cao tỷ số tín hiệu trên tạp âm.
   • Điểm nén 1 dB (P1dB) đạt 20 dBm, điểm chặn bậc 3 (OIP3) đạt 32 dBm, cho thấy độ tuyến tính và khả năng chịu tín hiệu mạnh tốt.

2. Phối hợp trở kháng dây chêm song song:

   • Khoảng cách dây chêm đến tải d = 0.21474 λ (tương đương 77°), chiều dài dây chêm l = 0.18317 λ (tương đương 66°) được tính toán chính xác bằng phần mềm và công cụ LineCalc của ADS.
   • Phối hợp trở kháng hiệu quả giúp giảm hệ số phản xạ, tăng công suất truyền và cải thiện độ ổn định mạch.

3. Thiết kế bộ trộn tần tích hợp VCO:

   • Bộ trộn tần hoạt động ổn định trong băng S, chuyển đổi tần số cao tần xuống trung tần hiệu quả.
   • Kết quả đo trên máy phân tích phổ cho thấy tín hiệu đầu ra có biên độ ổn định, tạp âm thấp, phù hợp với yêu cầu thu nhận tín hiệu vệ tinh nhỏ tầm thấp.

4. Tổng thể tuyến thu siêu cao tần băng S:

   • Hệ thống tuyến thu đạt hiệu suất cao, tỷ số tín hiệu trên tạp âm được cải thiện rõ rệt so với các thiết kế truyền thống.
   • Độ ổn định hệ thống được đảm bảo với hệ số ổn định K > 1, giảm thiểu hiện tượng dao động không mong muốn.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng transistor pHEMT SPF-3043 với thiết kế phối hợp trở kháng dây chêm song song là giải pháp hiệu quả để đạt được hệ số tạp âm thấp và hệ số khuếch đại cao trong băng S. So với các nghiên cứu trước đây, thiết kế này cải thiện đáng kể điểm nén 1 dB và điểm chặn bậc 3, giúp tăng độ tuyến tính và khả năng chịu tín hiệu mạnh, rất quan trọng trong môi trường thu tín hiệu vệ tinh yếu.

Việc mô phỏng và thử nghiệm thực tế cho thấy sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, minh chứng cho tính khả thi của phương pháp phối hợp trở kháng dây chêm trong thiết kế mạch siêu cao tần. Các biểu đồ tham số S, giản đồ Smith và kết quả đo trên máy phân tích phổ được sử dụng để trực quan hóa và đánh giá hiệu suất mạch, giúp tối ưu hóa thiết kế.

Ngoài ra, tích hợp bộ trộn tần với bộ dao động VCO tại chỗ giúp giảm thiểu nhiễu pha và tăng độ ổn định tần số trung gian, nâng cao chất lượng tín hiệu thu. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các trạm thu mặt đất cho vệ tinh nhỏ tầm thấp, góp phần nâng cao hiệu quả truyền thông vệ tinh tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai sản xuất hàng loạt bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA băng S:

   • Mục tiêu nâng cao tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cho các trạm thu mặt đất.
   • Thời gian thực hiện: 12 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ điện tử viễn thông.

2. Phát triển hệ thống trạm thu mặt đất tích hợp bộ trộn tần và LNA:

   • Tăng cường khả năng thu nhận tín hiệu vệ tinh nhỏ tầm thấp với độ ổn định cao.
   • Thời gian: 18 tháng.
   • Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu điện tử viễn thông, các trường đại học kỹ thuật.

3. Nâng cấp phần mềm mô phỏng và thiết kế mạch:

   • Áp dụng các công cụ mô phỏng mới, hỗ trợ thiết kế đa băng tần và dải rộng.
   • Thời gian: 6 tháng.
   • Chủ thể: Bộ phận nghiên cứu và phát triển công nghệ.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật:

   • Tập huấn về kỹ thuật siêu cao tần, phối hợp trở kháng và thiết kế mạch LNA, mixer.
   • Thời gian: Liên tục.
   • Chủ thể: Các trường đại học, viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông:

   • Học tập kiến thức chuyên sâu về thiết kế mạch siêu cao tần, phối hợp trở kháng và kỹ thuật thu tín hiệu vệ tinh.

2. Kỹ sư thiết kế mạch và hệ thống viễn thông:

   • Áp dụng các phương pháp thiết kế LNA và mixer hiệu quả cho các dự án trạm thu mặt đất.

3. Các viện nghiên cứu và trung tâm phát triển công nghệ viễn thông:

   • Nghiên cứu phát triển các giải pháp thu tín hiệu vệ tinh nhỏ tầm thấp, nâng cao hiệu suất hệ thống.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị viễn thông:

   • Tham khảo để cải tiến sản phẩm bộ thu tín hiệu vệ tinh, mở rộng thị trường ứng dụng băng S.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) là gì và tại sao quan trọng?
   LNA là mạch khuếch đại tín hiệu yếu thu từ anten, có nhiệm vụ tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm mà không làm tăng nhiễu. Ví dụ, trong thu tín hiệu vệ tinh, LNA giúp nâng cao chất lượng tín hiệu đầu vào cho các tầng xử lý tiếp theo.

2. Phối hợp trở kháng có vai trò gì trong thiết kế mạch siêu cao tần?
   Phối hợp trở kháng giúp giảm phản xạ tín hiệu, tăng công suất truyền và cải thiện độ ổn định mạch. Ví dụ, sử dụng dây chêm song song để điều chỉnh trở kháng đầu vào LNA giúp giảm tổn hao và tăng hiệu suất.

3. Tại sao chọn transistor SPF-3043 cho thiết kế LNA?
   Transistor SPF-3043 có hệ số tạp âm thấp (0.5 dB tại 2 GHz), hệ số khuếch đại cao (20 dB), và khả năng chịu tín hiệu mạnh (OIP3 32 dBm), phù hợp cho ứng dụng thu tín hiệu vệ tinh băng S.

4. Bộ trộn tần hoạt động như thế nào trong tuyến thu?
   Bộ trộn tần kết hợp tín hiệu cao tần với tín hiệu dao động tại chỗ (VCO) để chuyển đổi tần số cao tần xuống trung tần, giúp xử lý tín hiệu dễ dàng hơn. Ví dụ, tín hiệu 2.1 GHz được chuyển xuống khoảng vài trăm MHz để giải điều chế.

5. Làm thế nào để đánh giá hiệu suất của tuyến thu siêu cao tần?
   Hiệu suất được đánh giá qua các chỉ số như hệ số tạp âm, hệ số khuếch đại, điểm nén 1 dB, điểm chặn bậc 3 và độ ổn định hệ thống. Các kết quả đo trên máy phân tích phổ và giản đồ Smith giúp trực quan hóa các thông số này.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công tuyến thu siêu cao tần băng S dùng cho trạm thu mặt đất thu tín hiệu vệ tinh nhỏ tầm thấp với hệ số tạp âm khoảng 0.5 dB và hệ số khuếch đại trên 20 dB.
• Phương pháp phối hợp trở kháng dây chêm song song được áp dụng hiệu quả, giúp giảm phản xạ và tăng công suất truyền.
• Bộ trộn tần tích hợp bộ dao động VCO hoạt động ổn định, chuyển đổi tần số chính xác, phù hợp với yêu cầu thu tín hiệu vệ tinh.
• Kết quả thử nghiệm thực tế trên máy phân tích phổ chứng minh tính khả thi và hiệu quả của thiết kế.
• Đề xuất triển khai sản xuất và ứng dụng rộng rãi trong các trạm thu mặt đất, đồng thời phát triển nghiên cứu mở rộng sang các băng tần cao hơn.

Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai ứng dụng thực tế, đồng thời tiếp tục cải tiến thiết kế để nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG HỒNG LÝ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO TUYẾN THU SIÊU CAO TẦN BĂNG S DÙNG CHO TRẠM THU MẶT ĐẤT, THU TÍN HIỆU VỆ TINH NHỎ TẦM THẤP. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI-2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG HỒNG LÝ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO TUYẾN THU SIÊU CAO TẦN BĂNG S DÙNG CHO TRẠM THU MẶT ĐẤT, THU TÍN HIỆU VỆ TINH NHỎ TẦM THẤP. Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử ,Truyền Thông Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số:60520203 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : GS.TS Bạch Gia Dƣơng HÀ NỘI-2018 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dựa trên cơ sơ nghiên cứu lý thuyết, thực tế dƣới sự hƣớng dẫn của GS.TS Bạch Gia Dƣơng. Các số liệu của luận văn là chân thực dựa trên những mô hình , kết quả đã đạt đƣợc trên thế giới và học hỏi rèn luyện của bản thân chƣa từng đƣợc công bố dứơi bất kỳ hình thức nào trƣớc khi trình bày bảo vệ trƣớc “ Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ” Hà Nội, Ngày tháng năm 2018 Ngƣời cam đoan LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn thầy GS.TS Bạch Gia Dƣơng, ngƣời đã dành nhiều thời gian tâm huyết chỉ bảo hƣớng dẫn giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn . Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô, anh chị ở trung tâm nghiên cứu điện tử viên thông đã giúp đã tạo điều kiện về thời gian và kỹ thuật giúp tôi hoàn thành khóa luận này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Điện tử -viễn thông , trƣờng Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình dạy bảo tôi trong suốt quá trình học tập Cuối cùng tôi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng nhƣ trong quá trình làm khóa luận. Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả kiến thức năng lực của mình nhƣng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận đƣợc những đóng góp của quí thầy cô và các bạn để bài viết hoàn thiện hơn Hà Nội, ngày tháng năm 2018 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU . 1 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU VỀ THÔNG TIN VỆ TINH .1 Thông tin vệ tinh .2 Sơ đồ tuyến thu siêu cao tần.3 Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA( Low Noise Amplifier) .1 Hệ số tạp âm.2 Hệ số khuếch đại.3 Tính ổn định hệ thống và độ tuyến tính .4 Bộ trộn tần. 12 CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN.1 Giới thiệu chung .2 Các tham số cơ bản .1 Đƣờng truyền sóng.2 Hệ số phản xạ .3 Hệ số sóng đứng điện áp(VSWR).4 Công suất trung bình truyền theo đƣờng dây truyền sóng.4 Kỹ thuật phối hợp trở kháng .1 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung.2 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm .3 Phối hợp trở kháng dùng 1/4 bƣớc sóng . 32 CHƢƠNG 3 :NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO TUYẾN THU BĂNG S.1 Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp .1 Công cụ mô phỏng và tính toán.2 Transistor cao tần SPF-3043.3 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng .4 Thiết kế layout .2 Xây dựng bộ trộn tần.3 Thực nghiệm và kết quả. 51 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Kết quả chế tạo mạch LNA.2 Kết quả bộ trộn tần số.3 Kết quả tuyến thu siêu cao tần. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADS Advaned Design Systems IF Intermediate Frequency Tần số trung tần LNA Low Noise Amplifer Khuếch đại tạp âm thấp LO Local Oscillartor Bộ dao động nội VCO Voltage Controlled Oscillator OIP3 Output Order Intercept Point IIP3 Input Order Intercept Point. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1: Băng tần sóng cao tần theo IEEE. 13 Bảng 2: Bảng mô tả chức năng chân transistor SPF-3043 . 35 Bảng 3: Bảng tham số S-parameter của transistor SPF-3043. 35 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống vệ tinh.2: Sơ đồ hệ thống thu .3: Mô hình mạng 2 cửa .4: Mạng tạp âm 2 cửa với nguồn và trở kháng tải .5: Điểm nén 1-dB và điểm chặn bậc 3[6].1: Đương truyền sóng(a) và mạch tương đương (b) .2: Sóng truyền trên đường truyền[5] .3: Sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao tổn .4: Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyền.5: Các vòng tròn đẳng r trong mặt phẳng phức Γ.6: Các vòng tròn đẳng x trong mặt phẳng phức Γ.7: Các vòng tròn đẳng |Γ| và đẳng S trong mặt phẳng phức Γ .9: Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao giưã trở kháng tải bất kì và đường truyền dẫn sóng.10: Mạch phối hợp trở kháng hình L.11: Phối hợp trở kháng dùng dây chêm đơn.12: Biểu diễn giản đồ Smith phối hợp trở kháng dây chêm song song .13: Biểu diễn giản đồ Smith phối hợp trở kháng dây chêm nối tiếp .14: Phối hợp trở kháng dùng đoạn ¼ bước sóng.1: Sơ đồ nguyên lý của tuyến thu đổi tần.2: Sơ đồ cấu trúc chân transistor SPF-3043 .3: Hệ số khuếch đại của transistor SPF-3043 .4:Giản đồ smith của transistor SPF-3043 .5: Sơ đồ của mạch phối hợp trở kháng.6: Nạp giá trị và xác định vị trí của trên giản đồ Smith .7: Mô tả mạch phối hợp trở kháng dây chêm song song ta thấy vòng tròn cắt g=1 tại hai điểm đó là hai nghiệm của bài toán .8: Kết quả của bài toán phối hợp trở kháng .9:Tính toán tham số mạch dải của dây chêm phối hợp trở kháng lối vào .10:Tính toán tham số mạch dải từ dây chêm đến tải .11: Phối hợp trở kháng lối vào của mạch LNA .12: Kết quả mô phỏng tham số S(1,1) và S(2,1) theo tần số .13: Vị trí của trên giản đồ Smith .14: Hình mô tả hai nghiệm của bài toán . 42 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.15: Kết quả của bài toán phối hợp trở kháng với lối ra.16: Tính toán tham số mạch dải của dây chêm .17: Tính toán tham số mạch dải từ dây chêm đến tải .18: Mạch phối hợp trở kháng lối ra LNA .19: Kết quả mô phỏng tham số S(2,2) và Tham số S(2,1) theo tần số .20: Mạch phối hợp trở kháng LNA.21: Kết quả mô phỏng của mạch phối hợp trở kháng.22: Layout mạch khuếch đại tạp âm thấp SPF-3043 .24: Kết nối cuả LT-5527.25: Sơ đồ tuyến thu đổi tần băng S sử dụng LT-5527.26: Mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA SPF- 3043 .27: Kết nối mạch với hệ thống máy phân tích phổ.28: Kết quả đo bộ khuếch đại công suất trên máy phân tích phổ.29: Bộ trộn tần tích hợp với bộ dao động tại chỗ theo kiểu VCO.30: Kết nối hệ thống đo phổ tần số.31: Kết quả của bộ trộn tần số.32: Tuyến thu đổi tần băng S .33: Kết nối hệ thống đo kết quả.34: Kết quả máy đo phân tích phổ. 56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 1 LỜI MỞ ĐẦU Với sự phát triển của khoa học và xã hội hiện nay nhu cầu đòi hỏi về các trang thiết bị, các hệ thống kỹ thuật công nghệ cao có ứng dụng vào trong đời sống của con ngƣời ngày càng lớn. Trong số những nhu cầu đòi hỏi đó có một nhu cầu quan trọng là truyền thông tin và trong các hệ thống truyền tin nhƣ vậy có một hệ thông tin vệ tinh-mặt đất đang phát triển ngày càng mạnh mẽ chiếm một vị quan trọng trong mạng lƣới viễn thông của mỗi quốc gia trên toàn thế giới. Thông tin vệ tinh đã đƣợc ứng dụng vào nƣớc ta bắt đầu từ những năm 80 mở ra một sự phát triển mới của viễn thông Việt Nam. Với sự phát triển của thông tin vệ tinh tầm thấp băng UHF, S ở tần số cao hơn băng thông đƣợc mở rộng làm tăng tốc độ truyền dẫn, vậy nên hiện nay thông tin vệ tinh tầm thấp ở nƣớc ta phát triển mạnh mẽ do có nhiều ƣu điểm nổi bật là dễ dàng quan sát mặt đất, giám sát hiện trƣờng, khí quyển, kết hợp với các dịch vụ đa phƣơng tiện….vùng phủ sóng rất rộng, triển khai lắp đặt nhanh và khả năng cung cấp dịch vụ đa dạng cho ngƣời sử dụng. Và với việc phát triển của các vệ tinh tầm thấp yêu cầu đặt ra cho chúng ta là việc thu đƣợc các thông tin từ các vệ tinh tầm thấp chính vì vậy cần phát triển trạm thu mặt đất với số lƣợng lớn. Hiện nay các trung tâm vệ tinh ở Việt Nam và Nhật đã và đang tiến hành phóng các trùm vệ tinh nhỏ tầm thấp ở băng S cho phép tín hiệu truyền qua khí quyển với độ suy hao nhỏ và kích thƣớc anten tƣơng đối nhỏ. Để mở rộng các tính năng giao tiếp vệ tinh tầm thấp và trạm thu mặt đất là việc hết sức quan trọng và cần thiết trong luận văn này tôi tiến hành nghiên cứu và thiết kế tuyến thu băng S tạo tiền đề để phát triển lên ở các băng có tần số cao hơn. Khoảng cách các trạm thu phát với vệ tinh cũng nhƣ việc thu nhận thông tin một cách chính xác chúng ta cần phải thiết kế một bộ thu tín hiệu từ vệ tinh sao cho thông tin không bị nhiễu dẫn đến các thông tin sai lệch. Và khi tín hiệu thu vào anten thƣờng có tín hiệu rất nhỏ do khoảng cách giữa vệ tinh và trạm thu mặt đất cách xa chúng ta cần dùng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA để nâng tỉ lệ tín hiệu/tạp âm can nhiễu để bộ lọc có thể dễ dàng lọc ra đƣợc tần số mong muốn sau đó chuyển tín hiệu từ cao tần xuống trung tần để có thể tích hợp với hệ thống thông tin trên mặt đất. Để có thể thiết kế trạm thu mặt đất phải trải qua rất nhiều công đoạn.Trong luận văn này, cùng với việc tìm hiểu về thông tin vệ tinh tầm thấp, các lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần tôi tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạo tuyến thu đổi tần băng S. Với tên đề tài là:” Nghiên cứu thiết kế chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng S dùng cho trạm thu mặt đất, thu tín hiệu vệ tinh nhỏ tầm thấp.” LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.