Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện đại hoạt động ở dải tần siêu cao tần (như thông tin vệ tinh, hệ thống định vị toàn cầu GPS, mạng thông tin di động, radar, truyền hình số), chất lượng thu nhận tín hiệu phụ thuộc rất lớn vào độ nhạy của tầng tiền khuếch đại ở đầu thu. Sau khi anten thu nhận sóng điện từ từ không gian tự do, mức công suất tín hiệu thường rất nhỏ và bị suy giảm nghiêm trọng, đồng thời dễ bị ảnh hưởng bởi tạp âm nhiệt và nhiễu môi trường. Bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low Noise Amplifier - LNA) đóng vai trò là khối xử lý tín hiệu đầu tiên ngay sau anten trong sơ đồ khối máy thu siêu cao tần, có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu thu được với hệ số khuếch đại (gain) đủ lớn đồng thời đưa vào hệ thống mức tạp âm nhỏ nhất có thể, tránh làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR).
Ở tần số làm việc thuộc dải sóng vi ba (Microwaves), các định luật và lý thuyết mạch tập trung cơ bản không còn áp dụng trực tiếp được do kích thước hình học của các phần tử mạch điện có thể so sánh với bước sóng của tín hiệu truyền dẫn. Hiện tượng lệch pha, bức xạ và sóng phản xạ trên đường truyền đòi hỏi phải áp dụng lý thuyết trường điện từ và kỹ thuật phối hợp trở kháng vi ba dựa trên tham số tán xạ (S-parameters). Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế hoàn chỉnh một mạch LNA làm việc tại tần số 2,1 GHz thuộc băng tần S.
Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm các nội dung được phân định như sau:
- Nghiên cứu hệ thống lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, lý thuyết đường dây truyền sóng, mô hình thông số phân bố, phương trình điện báo và các phương pháp phối hợp trở kháng trên đồ thị Smith.
- Khảo sát nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA, lý thuyết mạng hai cổng, mối quan hệ thỏa hiệp giữa hệ số tạp âm ($NF$) và hệ số khuếch đại ($G$), cùng các đặc tính kỹ thuật của transistor chuyên dụng ATF-58143.
- Sử dụng phần mềm chuyên dụng Advanced Design System (ADS 2016.01) cùng các công cụ hỗ trợ như Smith Chart và LineCalc để tính toán, thiết kế mạng phối hợp trở kháng lối vào, mạng phối hợp trở kháng lối ra và tích hợp toàn mạch.
- Mô phỏng, kiểm tra và tối ưu hóa các chỉ tiêu kỹ thuật vi ba: hệ số phản xạ lối vào ($S_{11}$), hệ số truyền đạt thuận ($S_{21}$), hệ số sóng đứng điện áp (VSWR), hệ số tạp âm cực tiểu ($NF_{min}$) và hệ số ổn định ($K$).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA đơn tầng hoạt động ở băng tần S sử dụng linh kiện bán dẫn transistor ATF-58143.
- Phạm vi không gian và học thuật: Đồ án tốt nghiệp đại học hệ chính quy ngành Điện tử truyền thông tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.
- Phạm vi thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ ngày 15 tháng 10 năm 2018 và hoàn thành bảo vệ trong năm 2019.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết nền tảng của đề tài dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết điện từ trường và lý thuyết mạch siêu cao tần:
- Hệ phương trình Maxwell và phương trình điện báo (Telegraph equations): Mô tả sự truyền lan sóng điện từ trên đường dây truyền sóng có tổn hao và không tổn hao, xác định các đại lượng phân bố trên một đơn vị chiều dài ($R, L, G, C$), hằng số truyền sóng phức $\gamma = \alpha + j\beta$, trở kháng đặc tính $Z_0$, vận tốc pha $v_p$ và bước sóng $\lambda$.
- Đồ thị Smith (Smith Chart): Công cụ giải tích đồ họa trên mặt phẳng hệ số phản xạ phức $\Gamma$, biểu diễn trực giao các họ đường tròn đẳng điện trở chuẩn hóa ($r = \text{const}$) và đẳng điện kháng chuẩn hóa ($x = \text{const}$), cho phép xác định hệ số sóng đứng $S$, điểm nút sóng, bụng sóng và biến đổi trở kháng.
- Tham số tán xạ (S-parameters): Ma trận tán xạ $[S]$ của mạng hai cổng vi ba ($S_{11}, S_{12}, S_{21}, S_{22}$) dùng để phân tích hệ số phản xạ lối vào, lối ra và độ lợi truyền công suất ở dải tần GHz.
- Lý thuyết tạp âm mạng hai cửa: Phân tích công suất tạp âm lối ra $N_{out} = G k T_e B$, hệ số tạp âm $F$, và phương trình các vòng tròn hằng số tạp âm trên mặt phẳng hệ số phản xạ nguồn $\Gamma_s$:
$$F = F_{min} + \frac{4 R_N}{Z_0} \frac{|\Gamma_s - \Gamma_{opt}|^2}{(1 - |\Gamma_s|^2)|1 + \Gamma_{opt}|^2}$$
Từ đó xác định tâm $C_F$ và bán kính $R_F$ của vòng tròn hệ số tạp âm nhằm giải quyết bài toán dung hòa giữa hệ số khuếch đại cực đại và hệ số tạp âm cực tiểu.
- Các kỹ thuật phối hợp trở kháng vi ba: Kỹ thuật đoạn dây biến đổi trở kháng một phần tư bước sóng ($\lambda/4$), kỹ thuật dây chêm đơn (single-stub) hở mạch/ngắn mạch, và kỹ thuật dây chêm đôi (double-stub).
Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai qua các bước:
- Phương pháp giải tích vi ba: Tính toán giá trị trở kháng lối vào ($Z_{in}$) và trở kháng lối ra ($Z_{out}$) của transistor dựa trên tham số $S$ tại tần số thiết kế.
- Phương pháp mô phỏng số trên máy tính: Ứng dụng phần mềm Advanced Design System 2016.01 (64-bit Simulations) của hãng Keysight Technologies để mô phỏng tham số tán xạ, đồ thị Smith, hệ số sóng đứng và độ ổn định mạch.
- Phương pháp tổng hợp đường truyền vi dải: Sử dụng công cụ LineCalc tích hợp trong ADS để chuyển đổi các giá trị trở kháng đặc tính $Z_0$ và chiều dài điện của các đoạn $\lambda/4$ thành kích thước vật lý cụ thể (chiều rộng $W$ và chiều dài $L$ của đường vi dải).
Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu:
- File dữ liệu tham số $S$ chuẩn dạng Touchstone (
.S2P) của linh kiện transistor ATF-58143 do nhà sản xuất cung cấp tại chế độ phân cực $V_{ds} = 3\text{V}, I_{ds} = 30\text{mA}$.
- Các công thức, đồ thị và bảng phân loại dải tần siêu cao tần trích xuất từ các giáo trình chuyên ngành kỹ thuật siêu cao tần, trường điện từ và truyền sóng.
Thiết kế và mô phỏng kỹ thuật
Quá trình thiết kế mạch LNA được tiến hành theo các chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra và các bước triển khai chi tiết trên phần mềm mô phỏng:
| STT |
Thông số yêu cầu |
Giá trị chỉ tiêu |
Đơn vị |
| 1 |
Tần số trung tâm ($f_0$) |
2,1 |
GHz |
| 2 |
Hệ số khuếch đại ($S_{21}$) |
> 15 |
dB |
| 3 |
Hệ số tạp âm cực tiểu ($NF_{min}$) |
< 2 |
dB |
| 4 |
Trở kháng nguồn ($Z_S$) |
50 |
$\Omega$ |
| 5 |
Trở kháng tải ($Z_L$) |
50 |
$\Omega$ |
| 6 |
Linh kiện tích cực |
Transistor ATF-58143 |
- |
Linh kiện tích cực được lựa chọn là transistor ATF-58143 có các thông số danh định tại tần số 2 GHz: điểm nén công suất 1 dB đạt $P_{1dB} = 19\text{ dBm}$, điểm chặn bậc ba ngõ ra $OIP_3 = 30,5\text{ dBm}$, độ lợi liên quan $16,5\text{ dB}$, hoạt động ở chế độ phân cực $3\text{V} - 30\text{mA}$. Từ dữ liệu file .S2P, trở kháng lối vào của transistor được xác định là $Z_{in} = 10,4\dots\ \Omega$ và trở kháng lối ra là $Z_{out} = 67,1\dots\ \Omega$.
Tác giả lựa chọn phương pháp phối hợp trở kháng sử dụng đoạn đường truyền một phần tư bước sóng ($\lambda/4$) vì phương pháp này cho kết quả ổn định, giảm tổn hao và hệ số khuếch đại cao. Trở kháng đặc tính của đoạn $\lambda/4$ được tính theo công thức:
$$R_x = \sqrt{R_0 R_L}$$
Quy trình thiết kế và mô phỏng từng khối trên ADS 2016.01:
- Mạch phối hợp trở kháng lối vào: Di chuyển điểm trở kháng lối vào $Z_{in}$ của ATF-58143 trên đồ thị Smith về trục thực (phần kháng bằng không), sau đó sử dụng đoạn dây $\lambda/4$ để biến đổi về $50\ \Omega$. Kích thước hình học ($W, L$) được trích xuất qua LineCalc. Kết quả mô phỏng mạch lối vào cho thấy $S_{11} < -30\text{ dB}$ trong dải tần rộng từ $2 - 2,3\text{ GHz}$ và $S_{21} \approx 0\text{ dB}$ (suy hao chèn gần như triệt tiêu).
- Mạch phối hợp trở kháng lối ra: Dựa trên hệ số $S_{22}$ của transistor, biến đổi trở kháng lối ra $Z_{out}$ về giá trị thuần trở và sử dụng đoạn $\lambda/4$ phối hợp về tải $50\ \Omega$. Kết quả mô phỏng mạch lối ra đạt $S_{11} < -30\text{ dB}$ trong dải $2 - 2,2\text{ GHz}$ và $S_{21} \approx 0\text{ dB}$.
- Ghép nối và mô phỏng toàn mạch LNA: Tích hợp mạch phối hợp lối vào, transistor ATF-58143 (thông qua khối nạp file
.S2P) và mạch phối hợp lối ra thành sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật siêu cao tần
Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm nền tảng về kỹ thuật siêu cao tần và lý thuyết đường truyền:
- Khái niệm và phân loại dải tần: Định nghĩa dải vi ba (từ $300\text{ MHz} - 300\text{ GHz}$ hoặc $1 - 300\text{ GHz}$), phân định các băng tần tiêu chuẩn như UHF ($300\text{ MHz} - 3\text{ GHz}$), SHF ($3 - 30\text{ GHz}$), EHF ($30 - 300\text{ GHz}$), dải L-band ($1 - 2\text{ GHz}$), S-band ($2 - 4\text{ GHz}$), C-band ($4 - 8\text{ GHz}$), X-band ($8 - 12\text{ GHz}$), Ku-band ($12 - 18\text{ GHz}$), K-band ($18 - 26\text{ GHz}$), Ka-band ($26 - 40\text{ GHz}$) và U-band ($40 - 60\text{ GHz}$).
- Lịch sử phát triển và ứng dụng: Trình bày vai trò của kỹ thuật siêu cao tần trong radar, thông tin vệ tinh dung lượng lớn, thông tin vô tuyến băng rộng, hệ thống truyền hình vệ tinh trực tiếp (DBS), mạng cục bộ không dây (WLAN), hệ thống định vị GPS và các ứng dụng vi ba y sinh học.
- Lý thuyết đường dây truyền sóng: Xây dựng mô hình mạch phần tử tập trung phân bố ($R, L, G, C$), thiết lập phương trình vi phân đường dây truyền sóng (phương trình telegraph) và nghiệm sóng chạy điện áp - dòng điện. Phân tích chi tiết trường hợp đường truyền sóng không tổn hao ($R=0, G=0$) với trở kháng đặc tính $Z_0 = \sqrt{L/C}$ là một số thực.
- Phân tích trường trên đường dây và các dạng đường truyền: Khảo sát mode sóng TEM trên cáp đồng trục, đường truyền vi dải, ống dẫn sóng; tính toán các thông số điện môi phức, điện dẫn và tổn hao bề mặt kim loại.
- Đồ thị Smith và kỹ thuật phối hợp trở kháng: Phân tích cấu trúc toán học của đồ thị Smith, quy tắc quay góc pha theo bước sóng (chiều từ tải về nguồn cùng chiều kim đồng hồ, từ nguồn về tải ngược chiều kim đồng hồ), vị trí nút sóng, bụng sóng ($0,25\lambda$). Khảo sát các giải pháp phối hợp trở kháng bằng phần tử tập trung, đoạn dây biến đổi $\lambda/4$, dây chêm đơn và dây chêm đôi.
Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA băng tần S
Chương 2 là nội dung trọng tâm của đồ án, trình bày chi tiết quá trình tính toán, thiết kế và mô phỏng mạch LNA:
- Sơ đồ khối máy thu siêu cao tần: Xác định vị trí của tầng LNA đặt ngay sau anten và đứng trước khối mạch lọc thông dải, khối trộn tần / khuếch đại trung tần và giải điều chế.
- Lý thuyết tạp âm và vòng tròn tạp âm: Phân tích cơ chế phát sinh tạp âm trong mạng hai cổng, công thức định nghĩa hệ số tạp âm $F$, tham số tạp âm $N$, và cách vẽ các vòng tròn hằng số tạp âm ($C_F, R_F$) trên đồ thị Smith để xác định hệ số phản xạ nguồn tối ưu $\Gamma_{opt}$.
- Khảo sát transistor ATF-58143: Trích xuất ma trận tham số $S$ tại tần số $2\text{ GHz}$ từ file
.S2P để tính toán trở kháng vào/ra tương đương.
- Thiết kế các mạch phối hợp trở kháng: Thiết lập sơ đồ mạch phối hợp lối vào và lối ra dùng các đoạn đường truyền vi dải $\lambda/4$, tính toán thông số hình học qua LineCalc.
- Kết quả mô phỏng trên ADS 2016.01: Trình bày đồ thị tham số $S$, hệ số sóng đứng VSWR, hệ số khuếch đại cực đại, hệ số tạp âm $NF_{min}$ và hệ số ổn định $K$ của toàn mạch khuếch đại LNA.
Kết quả và đóng góp
Mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA băng tần S thiết kế trên phần mềm ADS 2016.01 đã đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra ban đầu:
| Tham số kỹ thuật |
Yêu cầu thiết kế |
Kết quả mô phỏng đạt được |
Đánh giá mức độ đáp ứng |
| Tần số hoạt động trung tâm |
2,1 GHz |
2,1 GHz (dải làm việc 2,0 - 2,2 GHz) |
Đạt yêu cầu |
| Hệ số khuếch đại ($S_{21}$) |
> 15 dB |
19,4 dB (tại 2,2 GHz), > 19 dB (trong dải 2,0 - 2,2 GHz) |
Vượt chỉ tiêu thiết kế |
| Tổn hao phản xạ lối vào ($S_{11}$) |
- |
< -20 dB (trong dải 2,0 - 2,2 GHz) |
Phối hợp trở kháng lối vào tốt |
| Tổn hao phản xạ lối ra ($S_{22}$) |
- |
< -30 dB (trong dải 2,0 - 2,2 GHz trên mạch phối hợp ra) |
Phối hợp trở kháng lối ra tốt |
| Hệ số sóng đứng điện áp (VSWR) |
Gần 1 |
1,192 tại tần số 2,1 GHz |
Sóng phản xạ rất nhỏ |
| Hệ số tạp âm cực tiểu ($NF_{min}$) |
< 2 dB |
Xấp xỉ 0 dB trong dải thông khảo sát |
Triệt tiêu tạp âm tối ưu |
| Hệ số ổn định ($K$) |
Ổn định vô điều kiện |
$K < 1$ trong dải tần 2 - 2,2 GHz (theo văn bản) |
Mạch hoạt động ổn định, tránh tự kích |
Các giải pháp và đóng góp chính của đề tài:
- Lựa chọn giải pháp phối hợp trở kháng bằng đoạn biến đổi $\lambda/4$, giúp cấu trúc mạch vi dải gọn gàng, hạn chế suy hao chèn và mang lại độ ổn định cao hơn so với phương pháp phần tử tập trung ở tần số vi ba.
- Chuẩn hóa quy trình thiết kế mạch cao tần trên phần mềm ADS thông qua việc kết hợp công cụ LineCalc và mô hình linh kiện thực nghiệm từ file dữ liệu chuẩn
.S2P, giúp việc chuyển đổi từ lý thuyết tính toán sang kích thước mạch in đạt độ chính xác cao.
- Thiết kế thành công một bộ khuếch đại đơn tầng tại tần số 2,1 GHz có hệ số khuếch đại cao ($> 19\text{ dB}$) kết hợp hệ số tạp âm cực thấp ($NF_{min} \approx 0\text{ dB}$), chứng minh tính khả thi của cấu trúc phối hợp trở kháng đề xuất.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên phạm vi thực hiện được trình bày trong đồ án, nghiên cứu còn một số điểm hạn chế và hướng mở:
- Đề tài mới dừng lại ở giai đoạn tính toán lý thuyết và mô phỏng trên phần mềm ADS 2016.01, chưa tiến hành gia công chế tạo mạch in thực tế trên các vật liệu nền vi ba chuyên dụng (như FR-4 hoặc Rogers/Duroid).
- Chưa có số liệu đo kiểm thực nghiệm trên phần cứng thông qua máy phân tích mạng véc-tơ (Vector Network Analyzer - VNA) và máy phân tích phổ / máy đo tạp âm để so sánh với kết quả mô phỏng.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả xác định là giải quyết các thách thức kỹ thuật khi chuyển đổi từ lý thuyết siêu cao tần sang chế tạo phần cứng thực tế, tối ưu hóa kích thước mạch in và tích hợp mạch LNA vào hệ thống thu vô tuyến hoàn chỉnh.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Vô tuyến và Viễn thông:
- Cung cấp phương pháp luận và trình tự thiết kế mạch khuếch đại vi ba sử dụng transistor dựa trên tham số tán xạ ma trận $S$.
- Là tài liệu hướng dẫn thực hành chi tiết về việc sử dụng phần mềm Keysight ADS 2016.01, công cụ đồ thị Smith (Smith Chart Utility), công cụ tính toán đường truyền vi dải (LineCalc) và cách thức làm việc với file dữ liệu Touchstone
.S2P.
- Minh họa rõ ràng kỹ thuật phối hợp trở kháng dùng đoạn biến đổi $\lambda/4$ ứng dụng cho các bộ khuếch đại trong các dải tần thông tin vô tuyến băng S.
Câu hỏi thường gặp
1. Đồ án lựa chọn tần số hoạt động trung tâm và băng tần nào để thiết kế mạch LNA?
Mạch LNA được thiết kế hoạt động ở tần số trung tâm 2,1 GHz, nằm trong băng tần S (dải tần từ 2 GHz đến 4 GHz) với dải thông khảo sát chính từ 2,0 GHz đến 2,2 GHz.
2. Transistor ATF-58143 có những thông số danh định quan trọng nào ở tần số 2 GHz?
Tại tần số 2 GHz và điều kiện phân cực 3V - 30mA, transistor ATF-58143 có công suất đầu ra tại điểm nén 1 dB đạt $P_{1dB} = 19\text{ dBm}$, điểm chặn bậc ba đầu ra $OIP_3 = 30,5\text{ dBm}$, và độ lợi liên quan đạt $16,5\text{ dB}$.
3. Tại sao tác giả lại lựa chọn kỹ thuật phối hợp trở kháng bằng đoạn dây $\lambda/4$?
Qua quá trình khảo sát thực nghiệm các phương pháp phối hợp trở kháng (phần tử tập trung, dây chêm nối tiếp, dây chêm song song, đoạn dây $\lambda/4$), tác giả chọn phương pháp đoạn dây $\lambda/4$ vì phương pháp này cho kết quả chính xác, ổn định và mang lại hệ số khuếch đại cao hơn.
4. Kết quả mô phỏng hệ số khuếch đại ($S_{21}$) và hệ số sóng đứng (VSWR) của mạch LNA đạt được giá trị bao nhiêu?
Kết quả mô phỏng toàn mạch trên phần mềm ADS 2016.01 cho thấy hệ số khuếch đại $S_{21}$ đạt 19,4 dB tại tần số 2,2 GHz (và duy trì mức $> 19\text{ dB}$ trong dải 2,0 - 2,2 GHz), trong khi hệ số sóng đứng VSWR đạt 1,192 tại tần số 2,1 GHz (rất gần với giá trị lý tưởng là 1).
5. Hệ số tạp âm cực tiểu ($NF_{min}$) mô phỏng của mạch LNA đạt mức nào so với yêu cầu thiết kế?
Theo yêu cầu thiết kế ban đầu, hệ số tạp âm phải thỏa mãn $NF_{min} < 2\text{ dB}$. Kết quả mô phỏng trên ADS cho thấy mạch đạt giá trị $NF_{min}$ xấp xỉ 0 dB trong dải thông hoạt động, đảm bảo tối ưu hóa khả năng khuếch đại tín hiệu có ích và hạn chế tạp âm.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Lê Hoàng Anh đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA băng tần S hoạt động tại tần số 2,1 GHz. Thông qua việc sử dụng transistor ATF-58143 và kỹ thuật phối hợp trở kháng đoạn dây một phần tư bước sóng ($\lambda/4$), mạch đạt được hệ số khuếch đại cao ($> 19\text{ dB}$), hệ số sóng đứng tối ưu ($\text{VSWR} = 1,192$) cùng mức tạp âm cực thấp ($NF_{min} \approx 0\text{ dB}$) trên phần mềm mô phỏng ADS 2016.01. Toàn bộ quy trình thiết kế từ cơ sở lý thuyết trường điện từ, phân tích ma trận tham số $S$ đến tính toán kích thước vi dải qua LineCalc thể hiện một phương pháp tiếp cận khoa học, có giá trị học thuật và tham khảo thực tiễn cao cho chuyên ngành Điện tử truyền thông.
