Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Viễn Thông: Thiết Kế Mạch Khuyếch Đại Công Suất Cho Hệ Thống FMCW Radar

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật viễn thông tập trung thiết kế mạch khuyếch đại công suất cho hệ thống FMCW radar, ứng dụng trong công nghệ radar hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Viết Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Phú Minh Cường
• Trường học: Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh - Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Thiết kế mạch khuyếch đại công suất cho hệ thống FMCW radar
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Thiết kế mạch khuyếch đại công suất cho hệ thống FMCW radar

Luận văn tập trung vào thiết kế mạch khuyếch đại công suất hai tầng băng X, phục vụ cho hệ thống FMCW radar. Mục tiêu chính là đạt được công suất đầu ra 18 dBm tại điểm nén 1 dB và độ lợi 14 dB. Các linh kiện chính được sử dụng bao gồm transistor FSX027WF, substrate IS680-3.45, và các linh kiện SMD. Phần mềm mô phỏng như ADS và Momentum được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế. Kết quả thực nghiệm được đo đạc bằng các thiết bị như Vector Network Analyzer và Spectrum Analyzer R&S.

1.1. Yêu cầu thiết kế

Mạch khuyếch đại công suất cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể như công suất đầu ra 18 dBm, độ lợi 14 dB, và input/output return loss nhỏ hơn -10 dB. Các thông số này đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống FMCW radar trong các ứng dụng thực tế như đo khoảng cách và tốc độ.

1.2. Linh kiện và phần mềm hỗ trợ

Các linh kiện chính bao gồm transistor FSX027WF, substrate IS680-3.45, và các linh kiện SMD như tụ điện và điện trở cao tần. Phần mềm mô phỏng ADS và Momentum được sử dụng để thiết kế và tối ưu hóa mạch. Các công cụ này giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của thiết kế trước khi tiến hành sản xuất thực tế.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về hệ thống radar, tần số điều chế, và tín hiệu radar. Các phương trình radar được sử dụng để tính toán công suất cần thiết cho mạch khuyếch đại. Lý thuyết đường dây truyền sóng và hiện tượng sóng đứng được áp dụng để thiết kế các mạch phối hợp trở kháng và đường dây chặn cao tần.

2.1. Phương trình radar

Phương trình radar được sử dụng để tính toán công suất phát cần thiết dựa trên khoảng cách và độ lợi anten. Công thức này giúp xác định công suất đầu ra của mạch khuyếch đại để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống FMCW radar.

2.2. Lý thuyết đường dây truyền sóng

Lý thuyết đường dây truyền sóng được áp dụng để thiết kế các mạch phối hợp trở kháng và đường dây chặn cao tần. Các hiện tượng như sóng đứng và hệ số phản xạ được phân tích để tối ưu hóa hiệu suất của mạch khuyếch đại công suất.

III. Thiết kế và thực nghiệm

Quá trình thiết kế mạch khuyếch đại công suất bao gồm các bước từ mô phỏng đến thi công thực tế. Mạch được mô phỏng trên phần mềm ADS và Momentum để đảm bảo các thông số kỹ thuật. Sau đó, mạch được thi công và đo đạc bằng các thiết bị như Vector Network Analyzer và Spectrum Analyzer R&S. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu suất của thiết kế.

3.1. Mô phỏng mạch

Mạch khuyếch đại công suất được mô phỏng trên phần mềm ADS và Momentum. Các thông số như độ lợi, công suất đầu ra, và hệ số phản xạ được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất hoạt động của mạch. Kết quả mô phỏng được sử dụng làm cơ sở cho quá trình thi công thực tế.

3.2. Thi công và đo đạc

Mạch được thi công trên substrate IS680-3.45 và các linh kiện SMD. Kết quả thực nghiệm được đo đạc bằng các thiết bị như Vector Network Analyzer và Spectrum Analyzer R&S. Các kết quả này được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu suất và độ chính xác của thiết kế.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã thành công trong việc thiết kế và thi công mạch khuyếch đại công suất cho hệ thống FMCW radar. Các kết quả thực nghiệm cho thấy mạch đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật như công suất đầu ra 18 dBm và độ lợi 14 dB. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tối ưu hóa thiết kế để giảm thiểu tổn hao và nâng cao hiệu suất của mạch.

4.1. Kết quả đạt được

Mạch khuyếch đại công suất đã đạt được các thông số kỹ thuật như công suất đầu ra 18 dBm, độ lợi 14 dB, và input/output return loss nhỏ hơn -10 dB. Các kết quả thực nghiệm khớp với kết quả mô phỏng, chứng tỏ tính khả thi của thiết kế.

4.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tối ưu hóa thiết kế để giảm thiểu tổn hao và nâng cao hiệu suất của mạch. Ngoài ra, việc nghiên cứu các linh kiện mới và công nghệ sản xuất tiên tiến cũng là một hướng đi quan trọng để cải thiện hiệu suất của hệ thống FMCW radar.

Trích đoạn nội dung tài liệu

GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------- NGUYỄN VIẾT TUẤN THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG FMCW RADAR Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Mã số: 60.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, 2014 Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. HUỲNH PHÚ MINH CƢỜNG.

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. HÀ HOÀNG KHA. Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. LƢƠNG VINH QUỐC DANH.

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 07 tháng 01 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. PHẠM HỒNG LIÊN 3. HÀ HOÀNG KHA 4.

LƢƠNG VINH QUỐC DANH 5. LƢU THANH TRÀ Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trƣởng Khoa Điện – Điện Tử TS. ĐỖ HỒNG TUẤN Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÕNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ------------------- --------o0o------- Tp.HCM, ngày ……tháng ….

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: NGUYỄN VIẾT TUẤN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 30 – 06 – 1976 Nơi sinh: Cần Thơ Ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông MSHV: 13140478 I. TÊN ĐỀ TÀI: “THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG FMCW RADAR” II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar băng X với công suất ngõ ra ở điểm nén 1dB là 18 dBm, độ lợi 14 dB. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 10-02-2014 IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14-11-2014 V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN TS. HUỲNH PHÖ MINH CƢỜNG TS.

HUỲNH PHÖ MINH CƢỜNG TRƢỞNG KHOA Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc hoàn thành là kết quả của quá trình phấn đấu học tập và sự nhiệt tình chỉ dạy của quý Thầy Cô. Trƣớc hết, tôi xin dành lời cảm ơn chân thành đến Thầy Huỳnh Phú Minh Cƣờng, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn luận văn này, lòng biết ơn chân thành về sự giúp đỡ của Thầy trong suốt thời gian qua. Xin gửi lời cám ơn các Thầy Cô trong Khoa Điện-Điện tử và bộ môn Viễn Thông đã tận tâm dạy bảo, truyền đạt những kiến thức quý báu, tạo cho tôi nền tảng vững chắc để có thể thực hiện đề tài. Xin cảm ơn tất cả bạn bè và những ngƣời thân đã chia sẻ, giúp đỡ tôi trong suốt những năm học đã qua.

Hồ Chí Minh, năm 2014 Học Viên Nguyễn Viết Tuấn Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar i GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế mạch khuếch đại công suất 2 tầng băng X, đáp ứng cho ứng dụng radar đo khoảng cách với các thông số tiêu biểu nhƣ công suất ở điểm nén 1 dB là 18 dBm, độ lợi 14 dB, input/output return loss nhỏ hơn -10 dB. Linh kiện sử dụng cho mạch băng X hầu hết phải nhập ngoại bao gồm transistor FSX027WF, substrate IS680-3.45, connector SMA, tụ điện, điện trở cao tần SMD. Phần mềm hỗ trợ mô phỏng bao gồm ADS, Momentum. Các kết quả thực nghiệm đƣợc thực hiện trên máy Vector Network Analyzer, Spectrum Analyzer R&S và các điều kiện sẵn có.

Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar ii GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn LỜI CAM ĐOAN Đề tài “Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar“ dƣới sự hƣớng dẫn của Thầy Huỳnh Phú Minh Cƣờng. Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và chƣa có phần nội dung hay kết quả nào của luận văn này đƣợc công bố trên tạp chí, hoặc đã nộp các trƣờng đại học nào đó, ngoại trừ các kết quả tham khảo đã đƣợc ghi rõ trong luận văn. Ngày tháng năm 2014 Ngƣời thực hiện Nguyễn Viết Tuấn Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar iii GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn MỤC LỤC Lời cảm ơn .ii Lời cam đoan .iii Danh mục hình vẽ .1 Tính cấp thiết của đề tài .2 Tổng quan về mạch khuếch đại công suất trong hệ thống Radar .3 Các công trình liên quan đến đề tài .4 Phƣơng pháp nghiên cứu .2 Phƣơng trình Radar .2 Lý thuyết đƣờng dây truyền sóng .2 Phƣơng trình truyền sóng .3 Hiện tƣợng sóng đứng trên đƣờng dây .3 Đƣờng truyền vi dãi .2 Suy hao trên đƣờng truyền vi dãi .4 Các thông số của mạch siêu cao tần .5 Phối hợp trở kháng và vấn đề ổn định trong mạch cao tần. 28 Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar 1 GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn CHƢƠNG 3.

41 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT BĂNG X .2 Yêu cầu thiết kế .3 Linh kiện và phần mềm .3 Connector, điện trở, tụ DC-Block và lổ xuyên lớp .4 Phần mềm hỗ trợ .4 Tính ổn định của transistor .5 Đƣờng dây chặn cao tần (RF choke) .6 Mạch phối hợp trở kháng .7 Mô phỏng mạch.8 Thi công và đo đạc. 82 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .2 Hƣớng phát triển của đề tài. 82 Tài liệu tham khảo. 85 Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar 2 GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn DANH MỤC HÌNH VẼ Chƣơng 1 Hình 1.1 Một số ứng dụng của hệ thống Radar trong công nghiệp .2 Hệ thống radar .3 Mạch khuếch đại công suất băng X, tác giả Srdjan Pajic.4 Mạch khuếch đại công suất băng X, tác giả Narisi Wang .5 Mạch khuếch đại công suất băng X, tác giả Christopher Barisic.6 Khối thu phát băng X, tác giả Lê Đại Phong.

10 Chƣơng 2 Hình 2.1 Một hệ thống radar .2 (a) Định nghĩa dòng và thế trong đƣờng dây truyền sóng (b) Mạch điện tập trung tƣơng đƣơng .3 Đƣờng dây truyền sóng với tải ZL. (a) Hình dạng vật lý (b) Điện và từ trƣờng .5 Định nghĩa điểm P1dB .6 Điểm P1dB và IP3 .7 Hiện tƣợng Spectral Regrowth .8 LDR và SFDR .9 Mạch phối hợp trở kháng.10 Mạch phối hợp trở kháng dạng 2 stub và line lenght nối tiếp. Phối hợp trở kháng dùng đồ thị Smith (a), mạch nguyên lý (b), S21,S11(c) .11 So sánh băng thông mạch phối hợp trở kháng khi thay đổi giá trị line lenght và open stub.12 Vòng tròn ổn định ngõ ra không bao gồm tâm của giản đồ Smith .13 Vòng tròn ổn định ngõ ra bao gồm tâm của giản đồ Smith .14 Vòng tròn ổn định ngõ vào không bao gồm tâm của giản đồ Smith. 35 Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar 3 GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn Hình 2.15 Vòng tròn ổn định ngõ vào bao gồm tâm của giản đồ Smith .16 Giải pháp điện trở ổn định ngõ vào, ra.17 Giải pháp nâng cao độ ổn định mạch.

Sử dụng RC (a), RLC (b) hoặc R và đƣờng dây truyền sóng  / 4 (c) .18 Mạch lọc thƣợng thông.19 Mạch phối hợp trở kháng ngõ vào và ra trong mạch khuếch đại cao tần .20 Mạch khuếch đại công suất 2 tầng. 39 Chƣơng 3 Hình 3.2 Thông số S của transistor FSX027WF .3 Max Gain của FSX027WF .4 PA 2 tầng sử dụng transistor FSX027WF .5 Dạng hình học của subtraste .6 Phần mềm tính toán thông số mạch in MWI-2014 .7 Phần mềm tính toán thông số mạch in Isola Impedence .8 Tụ cao tần SMD và Model thực tế .9 Điện trở cao tần SMD và Model thực tế .10 Connector SMA Edge và Model thực tế .11 Lổ xuyên lớp. Mô phỏng EM (a), Trở kháng tại tần số 10 GHz (b).12 Hệ số  và  prime của transistor FSX027WF .13 Vòng tròn ổn định ngõ vào .14 Vòng tròn ổn định ngõ ra .15 RFC radial stub.16 RFC butterfly stub; (a) sơ đồ nguyên lý, (b) layout (c) EM Model (d) S21, S22. 54 Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar 4 GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn Hình 3.17 So sánh RFC dùng Radial Stub và Butterfly Stub.

Mô phỏng mạch (a), thông số S11, S33 (b) .18 Phối hợp trở kháng ngõ vào .19 Phối hợp trở kháng ngõ ra .20 Phối hợp trở kháng ngõ vào dạng 1 L-section (a) và 2 L-section (b) .21 Phối hợp trở kháng ngõ ra dạng 1 L-section (a) và 2 L-section (b) .22 Mạch phối hợp trở kháng tầng 1 (a) và 2 (b) .23 Mạch PA tầng 2 dạng schematic .24 Kết quả mô phỏng schematic  ,  prime, S11, S21, S12, S22 .25 Kết quả mô phỏng EM  ,  prime, S11, S21, S12, S22 .26 Mạch PA tầng 1 dạng schematic .27 Kết quả mô phỏng schematic  ,  prime, S11, S21, S12, S22 .28 Kết quả mô phỏng EM  ,  prime, S11, S21, S12, S22 .29 Mô phỏng PA 2 tầng. Mô phỏng thông số S (a), S11, S21, S12, S22 (b), hệ số sóng đứng (c) .30 Mạch thực tế tầng 1thi công trên mạch in RO4003C .31 Tầng 2 phiên bản 1 (a), phiên bản 2 (b) thi công trên mạch in Isola….34 Kết quả độ lợi tầng 1.35 Đo tín hiệu lớn tầng 1 .36 Kết quả độ lợi tầng 2 .38 Đo thông số S tầng 2 phiên bản 1. 76 Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar 5 GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn Hình 3.43 Đo tín hiệu lớn tầng 2 phiên bản 1.45 Đo tín hiệu lớn tầng 2 phiên bản 2. 80 Thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống FMCW Radar 6 GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Viết Tuấn CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, các hệ thống radar đƣợc sử dụng rất nhiều trong quân sự cũng nhƣ trong công nghiệp.