Luận Văn Thiết Kế Mạch Khuếch Đại Tạp Âm Thấp LNA Hoạt Động Ở Băng Tần S

Thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) ở băng tần S là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điện tử… 47 trang · Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng · 2019.

• Tác giả: Lê Hoàng Anh
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Hữu Chức
• Trường học: Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Mạch Khuếch Đại Tạp Âm Thấp LNA Hoạt Động Ở Băng Tần S
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
• 1.1. Lịch sử và ứng dụng
• 1.2. LÝ THUYẾT ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SÓNG
• 1.2.1. Mô hình mạch các phần tử tập trung cho một đường dây truyền sóng
• 1.2.2. Sự truyền sóng trên đường dây
• 1.2.3. Đường dây không tổn hao
• 1.3. TRƯỜNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY
• 1.3.1. Các thông số đường truyền
• 1.3.2. Hằng số truyền sóng, trở kháng đặc tính và dòng công suất
• 1.4. Khái niệm về dải tần
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP LNA BĂNG TẦN S
• 2.1. Phương Pháp Phối Hợp Trở Kháng
• 2.2. Bộ Khuếch Đại Tạp Âm Thấp LNA
• 2.2.1. Thiết kế và mô phỏng chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) sử dụng transistor ATF – 58143
• 2.2.2. Tính toán mô phỏng trên phần mềm Advanced Design System 2016
• 2.2.3. Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối ra
• 2.2.4. Sơ đồ nguyên lý mạch LNA với mạch phối hợp trở kháng lối vào và lối ra
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA ở băng tần S

Thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) ở băng tần S là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điện tử truyền thông. Mạch LNA giúp khuếch đại tín hiệu yếu từ các nguồn phát, đồng thời giảm thiểu tạp âm, đảm bảo chất lượng tín hiệu. Băng tần S, với tần số từ 2 đến 4 GHz, thường được sử dụng trong các ứng dụng radar và viễn thông. Việc thiết kế mạch LNA hiệu quả không chỉ phụ thuộc vào các linh kiện mà còn vào các phương pháp phối hợp trở kháng và tối ưu hóa hiệu suất.

1.1. Khái niệm về mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA

Mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) là thiết bị quan trọng trong các hệ thống truyền thông. LNA giúp khuếch đại tín hiệu yếu mà không làm tăng đáng kể tạp âm. Điều này rất cần thiết trong các ứng dụng như radar và viễn thông, nơi mà tín hiệu đầu vào thường rất yếu.

1.2. Ứng dụng của LNA trong băng tần S

Băng tần S được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng radar và viễn thông. LNA hoạt động hiệu quả trong băng tần này giúp cải thiện độ nhạy của hệ thống, cho phép phát hiện và xử lý tín hiệu tốt hơn. Các ứng dụng bao gồm truyền hình vệ tinh và các hệ thống thông tin không dây.

II. Thách thức trong thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA

Thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA ở băng tần S đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc giảm thiểu tạp âm trong quá trình khuếch đại. Tạp âm có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả linh kiện và môi trường xung quanh. Ngoài ra, việc phối hợp trở kháng cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu của mạch.

2.1. Vấn đề tạp âm trong mạch LNA

Tạp âm trong mạch LNA có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tín hiệu. Các nguồn tạp âm bao gồm cả linh kiện điện tử và môi trường. Việc giảm thiểu tạp âm là một thách thức lớn trong thiết kế mạch khuếch đại.

2.2. Phối hợp trở kháng trong thiết kế LNA

Phối hợp trở kháng là yếu tố quan trọng trong thiết kế mạch LNA. Nếu trở kháng không được phối hợp đúng cách, sẽ dẫn đến phản xạ tín hiệu và giảm hiệu suất khuếch đại. Việc sử dụng các mạch phối hợp trở kháng giúp tối ưu hóa hiệu suất của LNA.

III. Phương pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA

Có nhiều phương pháp để thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA. Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng transistor ATF-58143, một linh kiện được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng tần số cao. Việc mô phỏng và tính toán trên phần mềm Advanced Design System (ADS) cũng là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế.

3.1. Sử dụng transistor ATF 58143 trong thiết kế

Transistor ATF-58143 là một lựa chọn phổ biến cho thiết kế LNA ở băng tần S. Linh kiện này có khả năng hoạt động tốt ở tần số cao và giúp giảm thiểu tạp âm trong quá trình khuếch đại. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu.

3.2. Mô phỏng thiết kế trên phần mềm ADS

Phần mềm Advanced Design System (ADS) cho phép mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế mạch LNA. Việc sử dụng ADS giúp kiểm tra hiệu suất của mạch trước khi chế tạo thực tế, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của LNA

Kết quả nghiên cứu về thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA cho thấy hiệu suất khuếch đại có thể đạt được mức cao với tạp âm thấp. Các ứng dụng thực tiễn của LNA ở băng tần S đã chứng minh được giá trị của nó trong các hệ thống thông tin và radar. Việc áp dụng các phương pháp thiết kế hiện đại đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của các hệ thống này.

4.1. Hiệu suất khuếch đại của LNA

Nghiên cứu cho thấy mạch LNA có thể đạt được hiệu suất khuếch đại cao với tạp âm thấp. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ nhạy cao, như radar và viễn thông.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong hệ thống thông tin

LNA được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin không dây và radar. Việc cải thiện hiệu suất của LNA đã giúp nâng cao chất lượng tín hiệu và khả năng truyền tải thông tin.

V. Kết luận và tương lai của thiết kế mạch LNA

Thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA ở băng tần S đang ngày càng trở nên quan trọng trong lĩnh vực điện tử truyền thông. Với sự phát triển của công nghệ, các phương pháp thiết kế mới sẽ tiếp tục được nghiên cứu và áp dụng. Tương lai của LNA hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến về hiệu suất và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Tương lai của công nghệ LNA

Công nghệ LNA sẽ tiếp tục phát triển với các linh kiện mới và phương pháp thiết kế tiên tiến. Điều này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và khả năng ứng dụng của LNA trong các hệ thống thông tin và radar.

5.2. Những thách thức trong tương lai

Mặc dù có nhiều tiến bộ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong thiết kế mạch LNA. Việc giảm thiểu tạp âm và tối ưu hóa hiệu suất vẫn là những vấn đề cần được giải quyết trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống truyền thông không dây hiện đại và các ứng dụng vô tuyến như radar, thông tin vệ tinh (DBS, GPS), mạng cục bộ không dây (WLAN) và truyền hình số, kỹ thuật siêu cao tần (Microwave) đóng vai trò nền tảng. Ở các dải tần số cao, tín hiệu truyền qua không gian bị suy hao lớn và kèm theo nhiều tạp nhiễu từ môi trường. Khối đầu tiên tiếp nhận tín hiệu từ anten trong cấu trúc máy thu vô tuyến là bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low Noise Amplifier - LNA). Đặc tính của bộ khuếch đại LNA quyết định trực tiếp đến độ nhạy thu và tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của toàn bộ hệ thống xử lý tín hiệu phía sau.

Khác với các mạch điện hoạt động ở dải tần số thấp, khi bước sóng tín hiệu có kích thước tương đương hoặc nhỏ hơn kích thước hình học của mạch điện, lý thuyết mạch thông số tập trung truyền thống không còn hiệu lực do xuất hiện sự dịch pha đáng kể của điện áp và dòng điện dọc theo đường truyền. Việc phân tích và thiết kế mạch lúc này bắt buộc phải dựa trên lý thuyết trường điện từ, lý thuyết đường truyền thông số phân bố và kỹ thuật phối hợp trở kháng. Đề tài "Thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA hoạt động ở băng tần S" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế một bộ tiền khuếch đại đạt hệ số khuếch đại cao, suy hao phản xạ thấp và hệ số tạp âm tối thiểu tại tần số trung tâm $2,1\text{ GHz}$.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật siêu cao tần, lý thuyết đường dây truyền sóng, các phương trình điện báo và công cụ đồ thị Smith.
2. Khảo sát các kỹ thuật phối hợp trở kháng và cơ sở lý thuyết về tạp âm trong mạng hai cổng siêu cao tần.
3. Nghiên cứu đặc tính của transistor chuyên dụng cho dải siêu cao tần ATF-58143 thông qua tệp tham số tán xạ chuẩn (.S2P).
4. Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào và lối ra sử dụng kỹ thuật đường truyền vi dải đoạn biến đổi trở kháng $\lambda/4$.
5. Mô phỏng, kiểm chứng và tối ưu hóa các tham số hoạt động của mạch LNA (tham số S, hệ số tạp âm $NF$, hệ số sóng đứng $VSWR$, hệ số ổn định $K$) trên phần mềm chuyên dụng Advanced Design System (ADS) 2016.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) đơn tầng sử dụng linh kiện bán dẫn transistor vi ba ATF-58143 và kỹ thuật phối hợp trở kháng bằng đường truyền vi dải.
• Phạm vi tần số: Băng tần S (S-band, quy chuẩn từ $2\text{ GHz}$ đến $4\text{ GHz}$), tập trung thiết kế tại tần số trung tâm $2,1\text{ GHz}$ và khảo sát trong dải từ $2,0\text{ GHz}$ đến $2,2\text{ GHz}$.
• Phạm vi thời gian và địa điểm: Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Điện tử Truyền thông, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, thực hiện từ ngày 15 tháng 10 năm 2018 đến năm 2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên nền tảng kỹ thuật siêu cao tần và lý thuyết đường truyền sóng:

• Mô hình đường truyền sóng phân bố: Đoạn dây truyền sóng có chiều dài vi phân $\Delta z$ được mô hình hóa bằng các phần tử phân bố gồm điện trở nối tiếp $R$ ($\Omega/\text{m}$), điện cảm nối tiếp $L$ ($\text{H}/\text{m}$), điện dẫn song song $G$ ($\text{S}/\text{m}$) và điện dung song song $C$ ($\text{F}/\text{m}$). Hệ phương trình vi phân truyền sóng (phương trình điện báo Telegraph) trong miền thời gian và miền tần số được thiết lập trực tiếp từ hệ phương trình Maxwell. Đối với đường dây không tổn hao ($R = 0, G = 0$), trở kháng đặc tính được xác định bởi công thức $Z_0 = \sqrt{L/C}$ và hằng số pha $\beta = \omega\sqrt{LC}$.
• Lý thuyết ma trận tán xạ (S-parameters): Sử dụng để mô tả hành vi của mạng hai cửa ở tần số siêu cao, bao gồm hệ số phản xạ lối vào ($S_{11}$), hệ số truyền đạt thuận hay độ lợi công suất ($S_{21}$), hệ số truyền đạt ngược ($S_{12}$) và hệ số phản xạ lối ra ($S_{22}$).
• Đồ thị Smith (Smith Chart): Công cụ đồ thị biến đổi bảo giác giữa hệ số phản xạ phức $\Gamma = \Gamma_r + j\Gamma_i$ và trở kháng chuẩn hóa $z = r + jx$. Đồ thị được giới hạn trong vòng tròn đơn vị ($|\Gamma| \le 1$), bao gồm họ các đường tròn đẳng điện trở ($r = \text{const}$) và họ các đường tròn đẳng điện kháng ($x = \text{const}$) trực giao với nhau, cho phép xác định trở kháng, hệ số sóng đứng $S$, vị trí bụng sóng ($r_{\text{max}} = S$), nút sóng ($r_{\text{min}} = 1/S$) và tính toán phối hợp trở kháng.
• Lý thuyết tạp âm trong transistor siêu cao tần: Dựa trên mối quan hệ giữa công suất tạp âm lối ra $N_{\text{out}} = G \cdot k \cdot T_e \cdot B$ và phương trình hệ số tạp âm $F = F_{\text{min}} + \frac{r_N}{R_0}\frac{|\Gamma_s - \Gamma_{\text{opt}}|^2}{1 - |\Gamma_s|^2}$. Phương trình này định nghĩa các vòng tròn đồng tạp âm trên đồ thị Smith với tâm $C_F$ và bán kính $R_F$, làm cơ sở để thỏa hiệp giữa hệ số khuếch đại lớn nhất và hệ số tạp âm nhỏ nhất.
• Kỹ thuật phối hợp trở kháng: Sử dụng đoạn dây biến đổi trở kháng một phần tư bước sóng ($\lambda/4$) với trở kháng đặc tính $R_x = \sqrt{R_c R_L}$ nhằm loại bỏ phản xạ sóng và tối đa hóa công suất truyền tải.

Phương pháp nghiên cứu:

• Phương pháp phân tích giải tích: Tính toán các giá trị trở kháng vào ($Z_{\text{in}}$) và trở kháng ra ($Z_{\text{out}}$) của linh kiện từ bộ tham số S tại tần số $2\text{ GHz}$, giải phương trình vi phân đường truyền và phương trình phối hợp trở kháng.
• Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm thiết kế chuyên dụng Advanced Design System (ADS 2016 64-bit). Tác giả sử dụng tiện ích Smith Chart Utility để xác định mạng phối hợp trở kháng và công cụ LineCalc để quy đổi từ trở kháng đặc tính và độ dài điện học sang kích thước hình học thực tế (độ rộng $W$, chiều dài $L$) của đường truyền vi dải.

Nguồn dữ liệu:

• Tệp dữ liệu tham số tán xạ (.S2P) chuẩn của transistor vi ba ATF-58143 do nhà sản xuất cung cấp tại chế độ phân cực $3\text{V}, 30\text{ mA}$.
• Các giáo trình, tài liệu chuyên ngành về trường điện từ, kỹ thuật siêu cao tần và kỹ thuật vi ba của GS.TSKH Phan Anh, tác giả Phạm Minh Việt và tài liệu Microwave Engineering của David M. Pozar.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống khuếch đại tạp âm thấp LNA được thiết kế dưới dạng mạch vi dải đơn tầng sử dụng transistor chuyên dụng ATF-58143. Cấu trúc thiết kế gồm ba khối chính: Mạch phối hợp trở kháng lối vào, tầng khuếch đại tích cực và mạch phối hợp trở kháng lối ra.

Thông số thiết kế	Giá trị yêu cầu	Đơn vị
Tần số trung tâm ($f_0$)	2,1	GHz
Hệ số khuếch đại ($S_{21}$)	> 15	dB
Hệ số tạp âm tối thiểu ($NF_{\text{min}}$)	< 2	dB
Trở kháng nguồn ($Z_S$)	50	$\Omega$
Trở kháng tải ($Z_L$)	50	$\Omega$
Linh kiện tích cực	Transistor ATF-58143	-

Quy trình triển khai kỹ thuật:

1. Xác định thông số linh kiện tích cực: Transistor ATF-58143 hoạt động ở chế độ $3\text{V}, 30\text{ mA}$, có công suất đầu ra $P_{1\text{dB}} = 19\text{ dBm}$, điểm chặn bậc ba đầu ra $\text{OIP3} = 30,5\text{ dBm}$ và độ lợi danh định $16,5\text{ dB}$ tại tần số $2\text{ GHz}$. Trở kháng lối vào và lối ra của transistor được xác định thông qua bộ tham số tán xạ trích xuất từ tệp .S2P.
2. Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào: Nhằm biến đổi trở kháng vào của transistor về giá trị thuần trở và phối hợp với nguồn $50,\Omega$, tác giả sử dụng đoạn dây $\lambda/4$. Kích thước đường truyền vi dải được tính toán thông qua công cụ LineCalc. Kết quả mô phỏng riêng mạch lối vào cho thấy hệ số phản xạ $S_{11} < -30\text{ dB}$ trong dải $2,0\text{ GHz} - 2,3\text{ GHz}$ và hệ số truyền đạt $S_{21} \approx 0\text{ dB}$.
3. Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối ra: Tương tự mạch lối vào, mạch phối hợp lối ra biến đổi trở kháng ra của transistor về tải chuẩn $50,\Omega$. Kết quả kiểm tra riêng mạch lối ra đạt $S_{11} < -30\text{ dB}$ và $S_{21} \approx 0\text{ dB}$ trong dải $2,0\text{ GHz} - 2,2\text{ GHz}$.
4. Tích hợp sơ đồ nguyên lý và mô phỏng tổng thể: Ghép nối hai mạng phối hợp trở kháng với tầng khuếch đại trung tâm trên phần mềm ADS 2016, tiến hành quét tần số từ $2,0\text{ GHz}$ đến $2,2\text{ GHz}$ để khảo sát toàn bộ các tham số tán xạ, hệ số sóng đứng ($VSWR$), hệ số tạp âm ($NF_{\text{min}}$) và hệ số ổn định ($K$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật siêu cao tần

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các lý thuyết nền tảng của kỹ thuật siêu cao tần và đường truyền sóng:

• Khái niệm và phân dải tần số: Trình bày quy chuẩn phổ tần số từ cực cao tần (UHF: $300\text{ MHz} - 3\text{ GHz}$), siêu cao tần (SHF: $3\text{ GHz} - 30\text{ GHz}$) đến vô cùng cao tần (EHF: $30\text{ GHz} - 300\text{ GHz}$), cùng các băng tần ứng dụng cụ thể như 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 ($40 - 60\text{ GHz}$).
• Lý thuyết đường dây truyền sóng: Phân tích sự khác biệt giữa thông số tập trung và thông số phân bố. Dẫn xuất hệ phương trình vi phân Telegraph, nghiệm sóng chạy điện áp $V(z) = V_0^+ e^{-\gamma z} + V_0^- e^{\gamma z}$ và dòng điện $I(z)$, vận tốc pha $v_p = \omega/\beta$, bước sóng $\lambda = 2\pi/\beta$. Đối với đường truyền không tổn hao, nghiệm sóng biểu diễn dưới dạng các hàm điều hòa $e^{\pm j\beta z}$.
• Trường trên đường dây: Phân tích các thông số năng lượng điện trường, từ trường, công suất tổn hao dẫn điện trên bề mặt kim loại $P_c$, công suất tổn hao điện môi $P_d$ và dẫn xuất các thông số $R, L, G, C$ đối với đường truyền đồng trục truyền sóng TEM.
• Đồ thị Smith: Khảo sát chi tiết phương pháp ánh xạ hệ số phản xạ $\Gamma = \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0}$ lên mặt phẳng phức. Giải thích tính chất của các đường tròn đẳng điện trở $r$, đẳng điện kháng $x$, các điểm ngắn mạch ($\Gamma = -1$), hở mạch ($\Gamma = 1$), điểm phối hợp chuẩn ($\Gamma = 0$), quy tắc quay góc pha theo chiều truyền sóng (thuận chiều kim đồng hồ từ tải về nguồn) và mối liên hệ khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng bằng $0,25\lambda$.
• Kỹ thuật phối hợp trở kháng: Phân tích nguyên lý và công thức tính toán của các phương pháp phối hợp trở kháng thông dụng: Đoạn dây biến đổi $\lambda/4$ ($R_x = \sqrt{R_c R_L}$), dây chêm đơn (single stub) ngắn mạch/hở mạch, và dây chêm đôi (double stub).

Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA băng tần S

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình tính toán, thiết kế và kết quả mô phỏng mạch khuếch đại LNA:

• Nguyên lý LNA và vị trí trong máy thu: Xác định vai trò của LNA là khối tiền khuếch đại đặt ngay sau anten, thực hiện nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu thu được với hệ số khuếch đại mong muốn và hệ số tạp âm nhỏ nhất có thể trước khi đưa vào bộ trộn tần và giải điều chế.
• Cơ sở thỏa hiệp tạp âm và độ lợi: Phân tích biểu thức tạp âm trong mạng hai cửa, chứng minh không thể đồng thời đạt được hệ số khuếch đại cực đại và hệ số tạp âm cực tiểu. Thiết lập phương trình các đường tròn đồng tạp âm để xác định hệ số phản xạ nguồn tối ưu $\Gamma_{\text{opt}}$.
• Lựa chọn phương pháp phối hợp: Qua so sánh thực nghiệm với các phương pháp phần tử tập trung, dây chêm nối tiếp và song song, tác giả lựa chọn phương pháp đoạn dây $\lambda/4$ do mang lại độ ổn định cao và hệ số khuếch đại lớn.
• Thiết kế trên phần mềm ADS 2016:
  • Khai thác tệp .S2P của transistor ATF-58143 tại tần số $2\text{ GHz}$.
  • Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào bằng công cụ Smith Chart và LineCalc, đạt $S_{11} < -30\text{ dB}$ trong dải $2,0 - 2,3\text{ GHz}$ và $S_{21} \approx 0\text{ dB}$.
  • Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối ra đạt $S_{11} < -30\text{ dB}$ và $S_{21} \approx 0\text{ dB}$ trong dải $2,0 - 2,2\text{ GHz}$.
  • Kết nối mạch tổng thể và mô phỏng: Hệ số khuếch đại $S_{21}$ đạt $19,4\text{ dB}$ tại $2,1\text{ GHz}$ ($> 19\text{ dB}$ trong toàn dải $2,0 - 2,2\text{ GHz}$); hệ số phản xạ lối vào $S_{11} < -20\text{ dB}$; hệ số sóng đứng $VSWR = 1,192$; hệ số tạp âm tối thiểu $NF_{\text{min}} = 0\text{ dB}$; hệ số ổn định $K$ thỏa mãn điều kiện ổn định vô điều kiện nhằm chống tự kích.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành việc thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA băng tần S trên phần mềm ADS 2016 với các chỉ số kỹ thuật cụ thể:

Tham số kỹ thuật	Mục tiêu thiết kế	Kết quả mô phỏng đạt được	Đánh giá kỹ thuật
Tần số trung tâm	$2,1\text{ GHz}$	$2,1\text{ GHz}$	Đúng tần số thiết kế
Dải tần công tác	$2,0 - 2,2\text{ GHz}$	$2,0 - 2,2\text{ GHz}$	Đảm bảo băng thông dải rộng
Hệ số khuếch đại ($S_{21}$)	$> 15\text{ dB}$	$19,4\text{ dB}$ (tại $2,1\text{ GHz}$), $> 19\text{ dB}$ (dải $2,0-2,2\text{ GHz}$)	Vượt yêu cầu đề ra
Hệ số phản xạ lối vào ($S_{11}$)	-	$< -20\text{ dB}$ (toàn dải), $< -30\text{ dB}$ (mạch phối hợp vào)	Phối hợp trở kháng tốt
Hệ số sóng đứng ($VSWR$)	Gần bằng 1	$1,192$ (tại $2,1\text{ GHz}$)	Suy hao phản xạ không đáng kể
Hệ số tạp âm ($NF_{\text{min}}$)	$< 2\text{ dB}$	$0\text{ dB}$	Đạt mức tối ưu trong mô phỏng
Tính ổn định ($K$)	Ổn định	$K$ đảm bảo ổn định vô điều kiện trong dải $2,0-2,2\text{ GHz}$	Tránh hiện tượng tự kích

Các đóng góp chính của đề tài:

• Xây dựng hoàn chỉnh quy trình thiết kế mạch vi dải siêu cao tần từ việc xử lý dữ liệu tham số tán xạ thực tế của chip bán dẫn thương mại (ATF-58143) đến việc phối hợp trở kháng trên đồ thị Smith.
• Ứng dụng thành công kỹ thuật biến đổi trở kháng bằng đoạn dây $\lambda/4$ kết hợp công cụ LineCalc, cho phép hiện thực hóa mạch phối hợp trở kháng với suy hao xen xấp xỉ $0\text{ dB}$ và hệ số phản xạ lối vào rất thấp ($< -30\text{ dB}$).
• Cung cấp mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trên phần mềm ADS 2016, chứng minh khả năng đạt độ lợi cao ($19,4\text{ dB}$) đi kèm hệ số tạp âm cực thấp cho khối LNA băng tần S.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế:

• Toàn bộ kết quả của đề tài được thực hiện trên môi trường mô phỏng phần mềm Advanced Design System (ADS 2016) dựa trên tệp tham số tán xạ do nhà sản xuất cung cấp, chưa tiến hành gia công mạch in vi dải (PCB) thực tế.
• Chưa có số liệu đo kiểm thực nghiệm trên phần cứng bằng các thiết bị đo chuyên dụng như máy phân tích mạng véc-tơ (VNA - Vector Network Analyzer) hoặc máy phân tích tạp âm (Noise Figure Meter).

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Chuyển đổi thiết kế nguyên lý sang bản vẽ Layout mạch in vi dải trên các loại vật liệu nền điện môi cao tần chuyên dụng (như Rogers hoặc FR-4 chuẩn cao tần).
• Tiến hành chế tạo mạch phần cứng, hàn lắp linh kiện transistor ATF-58143 cùng các linh kiện thụ động phân cực DC.
• Thực hiện đo đạc thực nghiệm các tham số $S_{11}, S_{21}, VSWR, NF$ và điểm nén công suất $P_{1\text{dB}}$ trên mô hình thực tế để so sánh, hiệu chỉnh với kết quả mô phỏng lý thuyết.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên chuyên ngành Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Vô tuyến và Điện tử khi làm đồ án tốt nghiệp, bài tập lớn hoặc nghiên cứu chuyên đề về kỹ thuật siêu cao tần.
• Các kỹ sư thiết kế phần cứng RF cần tài liệu hướng dẫn thực hành từng bước về phương pháp phối hợp trở kháng bằng đường truyền vi dải đoạn dây $\lambda/4$.
• Những người nghiên cứu sử dụng phần mềm Keysight Advanced Design System (ADS) trong việc nhập dữ liệu tệp tham số tán xạ .S2P, sử dụng công cụ LineCalc và tiện ích Smith Chart để thiết kế và tối ưu mạch khuếch đại công suất nhỏ / tạp âm thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài lựa chọn linh kiện bán dẫn nào để thiết kế mạch LNA và linh kiện này có các thông số kỹ thuật danh định nào? Tác giả lựa chọn transistor vi ba ATF-58143. Tại tần số hoạt động $2\text{ GHz}$ với chế độ phân cực điện áp $3\text{V}$, dòng điện $30\text{ mA}$, linh kiện có điểm chặn bậc ba đầu ra $\text{OIP3} = 30,5\text{ dBm}$, công suất đầu ra tại điểm nén $1\text{ dB}$ là $P_{1\text{dB}} = 19\text{ dBm}$ và độ lợi danh định đạt $16,5\text{ dB}$.

2. Vì sao tác giả lựa chọn phương pháp phối hợp trở kháng bằng đoạn dây $\lambda/4$ thay vì các phương pháp khác? Trong số 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 qua khảo sát thực nghiệm đã lựa chọn đoạn dây $\lambda/4$ vì phương pháp này cho kết quả tính toán chính xác, hoạt động ổn định và mang lại hệ số khuếch đại cao hơn cho mạch LNA.

3. Kết quả mô phỏng hệ số khuếch đại ($S_{21}$) và hệ số sóng đứng ($VSWR$) của mạch LNA tại tần số $2,1\text{ GHz}$ đạt bao nhiêu? Tại tần số trung tâm $2,1\text{ GHz}$, hệ số khuếch đại $S_{21}$ của mạch đạt $19,4\text{ dB}$ (trong toàn dải $2,0 - 2,2\text{ GHz}$ đều duy trì $> 19\text{ dB}$, vượt chỉ tiêu ban đầu $> 15\text{ dB}$) và hệ số sóng đứng $VSWR$ đạt $1,192$, tiệm cận giá trị lý tưởng là $1$.

4. Quy trình chuyển đổi từ tính toán lý thuyết sang kích thước mạch vi dải thực tế được thực hiện qua công cụ nào? Quy trình được thực hiện trên phần mềm Advanced Design System (ADS) 2016. Tác giả sử dụng tiện ích Smith Chart để tính toán trở kháng vào/ra và xác định giá trị độ dài điện học, sau đó dùng công cụ LineCalc của ADS để quy đổi trực tiếp các thông số này sang kích thước hình học gồm độ rộng ($W$) và chiều dài ($L$) của các đoạn đường truyền vi dải.

5. Khối LNA nằm ở vị trí nào trong cấu trúc tổng thể của máy thu siêu cao tần? Trong sơ đồ khối máy thu siêu cao tần, LNA là khối xử lý tín hiệu đầu tiên được bố trí ngay sau Anten thu. Tín hiệu sau khi được LNA khuếch đại với tạp âm thấp sẽ tiếp tục đi qua Mạch lọc thông dải, khối Trộn tần và khuếch đại trung tần, khối Giải điều chế trước khi tạo ra Tín hiệu cơ sở.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA hoạt động ở băng tần S" của sinh viên Lê Hoàng Anh đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu nghiên cứu lý thuyết và thiết kế mô phỏng kỹ thuật siêu cao tần. Bằng việc ứng dụng transistor ATF-58143 và kỹ thuật phối hợp trở kháng vi dải đoạn dây $\lambda/4$ trên phần mềm ADS 2016, tác giả đã thiết kế thành công mạch LNA hoạt động tại tần số $2,1\text{ GHz}$ với hệ số khuếch đại đạt $19,4\text{ dB}$, hệ số sóng đứng $VSWR = 1,192$ và hệ số tạp âm tối ưu. Công trình cung cấp quy trình thiết kế và mô phỏng mạch vi ba chi tiết, có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho chuyên ngành Điện tử Truyền thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 1. Khái niệm Khái niệm siêu cao tần được hiểu tuỳ theo trường phái hoặc quốc gia, có thể từ 30MHz - 300GHz hoặc 300MHz - 300 GHz, hoặc 1GHz - 300GHz. Các dải tần số: AM phát thanh 535 - 1605 kHz L - band 1 - 2 GHz Vô tuyến sóng ngắn 3 - 30 MHz S - band 2 - 4 GHz Phát thanh FM 88 - 108 MHz C - band 4 - 8 GHz VHF - TV (2 - 4) 54 - 72 MHz X - band 8 - 12 GHz VHF - TV (5 - 6) 76 - 88 MHz Ku - band 12 - 18 GHz UHF - TV (7 - 13) 174 - 216 MHz K - band 18 - 26 GHz UHF - TV (14 - 83) 470 - 894 MHz Ka - band 26 - 40 GHz Lò vi ba 2.45GHz U - band 40 - 60 GHz * Vi tần số cao ở dải microwaves nên lý thuyết mạch cơ sở không có hiệu lực, do pha của áp dùng thay đổi đáng kể trong các phần tử (các phần tử phân bố). * Thông số tập trung: là đại lượng đặc tính điện xuất hiện hoặc tồn tại ở một vị trí xác định nào đó của mạch điện.

Thông số tập trung được biểu diễn bởi một phần tử điện tương ứng (phần tử tập trung - Lumped circuit element), có thể xác định hoặc đo đạc trực tiếp (chẳng hạn R, C, L, nguồn áp, nguồn dòng). * Thông số phân bố: (distributed element) của mạch điện là các đại lượng đặc tính điện không tồn tại ở duy nhất một vị trí cố định trong mạch điện mà được rải đều trên chiều dài của mạch. Thông số phân bố thường được dùng trong lĩnh vực SCT, trong các hệ thống truyền sóng (đường dây truyền sóng, ống dẫn sóng, không gian tự do .) Thông số phân bố không xác định bằng cách đo đạc trực tiếp. * Trong lĩnh vực SCT, khi so sánh được với kích thước của mạch thì phải xét cấu trúc của mạch như một hệ phân bố.

Đồng thời khi xét hệ phân bố, nếu chỉ xét một phần mạch điện có kích thước << thì có thể thay tương đương 2 phần mạch điện này bằng một mạch điện có thông số tập trung để đơn giản hoá bài toán.1 Lịch sử và ứng dụng - Lĩnh vực SCT được coi như một chuyên ngành cơ sở, có nền móng được phát triển trên 100 năm và đặc biệt phát triển mạnh do các ứng dụng trong radar. - Sự phát triển của kỹ thuật SCT gắn liền với những thành tựu trong lĩnh vực các linh kiện hight - frequency - solid - state devices, các mạch tích hợp SCT và các vi hệ hiện đại. * Ứng dụng: - Anten có độ lợi cao - Thông tin băng rộng (dung lượng lớn), chẳng hạn độ rộng băng 1% của tần số 600 MHz là 6 MHz (là độ rộng của một kênh TV đơn lẻ), 1% ở 60 GHz là 600 MHz (chứa được 100 kênh TV). Đây là tiêu chuẩn quan trọng vì các dải tần có thể sử dụng ngày càng ít đi.

- Thông tin vệ tinh với dung lượng lớn do sóng SCT không bị bẻ cong bởi tầng ion - Lĩnh vực radar vì diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu tỷ lệ với kích thước điện của mục tiêu và kết hợp với cao độ lợi của angten trong dải SCT. - Các cộng hưởng phân tử, nguyên tử, hạt nhân xảy ra ở vùng tần số SCT do đó kỹ thuật SCT được sử dụng trong các lĩnh vực khoa học cơ bản, cảm biến từ xa, chấn trị y học và nhiệt học.