Tải bản đầy đủ

Thiết kế chế tạo bộ hạ tần tập âm thấp LNB

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày 4/10/1957 Liên Xô cũ phóng vệ tinh đầu tiên của loài người: vệ tinh nhân 
tạo SPUTNIK. Đây được xem như là ngày bắt đầu của kỉ nguyên Thông tin vệ tinh. Từ 
đó đến nay, thông tin vệ tinh đã trở thành một phương tiện thông tin rất phổ biến và đa 
dạng. Nó có ý nghĩa chính trị, kinh tế xã hội to lớn, cải thiện các nhược điểm của các 
hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất như dung lượng lớn hơn, băng tần rộng hơn và tầm 
phủ  sóng  rất  lớn,  cùng  với  đó  là  các  dịch  vụ  mới  với  chi  phí  thấp.  Ngày  18/4/2008, 
VINASAT-1, vệ tinh địa tĩnh đầu tiên của Việt Nam được phóng vào vũ trụ đã đánh 
dấu bước phát triển mới của ngành công nghệ vũ trụ nước nhà. Ngày nay, với việc có 
thêm VINASAT-2, VNREDSat-1, chúng ta đã đưa vào hoạt động hàng loạt các dịch vụ 
do vệ tinh cung cấp. Trong Thông tin vệ tinh, các bộ thu phát có vai trò rất quan trọng, 
ảnh hưởng chính đến chất lượng tín hiệu, chuyển đổi dải tần và công suất tín hiệu. Đây 
là lý do em chọn đề tài “Thiết kế, mô phỏng và chế tạo bộ hạ tần tạp âm thấp LNB
trong máy thu thông tin vệ tinh băng tần C sử dụng MMIC”.  
Trong đồ án này, em nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng, thực hiện chế tạo bộ hạ tần 
tạp âm thấp LNB hoạt động ở băng tần C, dải tần từ 3.40 GHz – 3.70 GHz. 
Em xin chân thành cảm ơn TS. Phan Xuân Vũ và PGS.TS Vũ Văn Yêm đã tận 
tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong thời gian thực tập, làm đồ án tốt nghiệp. Đồng thời, 
em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô Viện Điện tử Viễn thông và các bạn trong 
RF Lab đã tạo điều kiện tốt nhất và tận tình hướng dẫn về chuyên môn. 
Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên đề tài 

còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn. 
Em xin chân thành cảm ơn !                                  
  Hà Nội, tháng 05 năm 2015 
                                                                                             Sinh viên thực hiện 
                                                                                               Bùi Công Đường 
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1


LỜI CAM ĐOAN
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã được sự chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của 
TS.Phan Xuân Vũ và PGS.TS Vũ Văn Yêm. Em xin cam đoan các kết quả nghiên cứu 
đưa ra trong đồ án này dựa trên các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của 
riêng em, không sao chép kết quả nghiên cứu của bất kỳ tác giả nào khác. Nội dung 
của đồ án có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí 
được liệt kê trong phụ lục và danh mục các tài liệu tham khảo. 

Sinh viên :

Bùi Công Đường

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và chế tạo bộ hạ tần tạp âm thấp 
LNB hoạt động tại băng tần C 3.40 GHz – 3.70 GHz được sử dụng trong các máy thu 
thông tin vệ tinh. Nội dung đồ án bắt đầu bằng việc nghiên cứu các vấn đề cơ bản của 
đường truyền sóng siêu cao tần. Sau đó, em tập trung nghiên cứu cấu trúc bộ hạ tần tạp 
âm thấp (Low Noise Block Downconverter), nguyên lý hoạt động các khối trong bộ LNB 
và phương pháp thiết kế từng khối trong đó. Em tập trung  vào thiết kế,  mô phỏng bộ 
khuếch đại tạp âm thấp (Low Noise Amplifier) dùng MMIC, chế tạo bộ lọc thông dải ở 
băng C và bộ lọc thông dải trung tần, bộ dao động nội và bộ trộn tần trong bộ hạ tần tạp 
âm thấp. 
ABSTRACT
This thesis focuses on research, design, simulation and implementation of a low noise 
block downconverter LNB operating at C band 3.40 GHz – 3.70 GHz which is used in 


satellite  receivers.  The  content  of  this  thesis  begins  dealing  with  basic  issues  of 
microwave transmission line. After that, I focus on researching the structure of the low 
noise  block  downconverter,  operating  principles  of  internal  blocks  and  designing 
methods  of  each  block  in  low  noise  block  downconverter.  I  concentrate  on  design, 
simulation  the  low  noise  amplifier  using  MMIC,  a  band  pass  filter  at  C  band  and  a 
intermediate – frequency band pass filter, local oscillator and mixer in low noise block 
downconverter. 
 
 
 
 
 
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................................. 2
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ............................................................................................................................ 3
MỤC LỤC ......................................................................................................................................... 4
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................................................... 6
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .............................................................................................................. 8
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................. 9
CHƯƠNG 1 : ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG SIÊU CAO TẦN .......................................................... 10
Sơ lược lý thuyết đường truyền ....................................................................................... 10

1.1

1.1.1

Giới thiệu chung ....................................................................................................... 10

1.1.2 Lý thuyết đường truyền .................................................................................................. 11
Đường truyền vi dải ......................................................................................................... 12

1.2

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ HẠ TẦN TẠP ÂM THẤP LNB........................... 14
Tổng quan về bộ hạ tần tạp âm thấp LNB ...................................................................... 14

2.1

2.1.1

Cấu trúc .................................................................................................................... 14

2.1.2

Tạp âm trong bộ LNB .............................................................................................. 15

Nghiên cứu thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA .................................................... 16

2.2

2.2.1

Tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA ...................................................... 16

2.2.2

Phương pháp thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp .................................................. 17

2.2.3

Lựa chọn kiểu thiết kế ............................................................................................. 17

Nghiên cứu thiết kế bộ lọc ............................................................................................... 18

2.3

2.3.1

Nguyên tắc thiết kế ................................................................................................... 18

a)

Bộ lọc Butterworth (Maximally flat) ........................................................................... 20

b)

Bộ lọc Chebyshev ......................................................................................................... 21

2.3.2

Phép biến đổi từ mạch lọc thông thấp ..................................................................... 23

a)

Phép giải chuẩn hóa trở kháng và tần số .................................................................... 23

b)

Phép biến đổi từ mạch lọc thông thấp sang mạch lọc thông dải ................................. 25

2.3.3

Phép biến đổi Richard và phép đồng dạng Kuroda ................................................ 26

a)

Phép biến đổi Richard ................................................................................................. 27

b)

Phép đồng dạng Kuroda .............................................................................................. 28

c)

Biến dổi ngược trở kháng – dẫn nạp ........................................................................... 29
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

4


2.4

Bộ tạo dao động nội LO ................................................................................................... 30

2.5

Bộ trộn tần Mixer ............................................................................................................ 31

2.6

Tổng kết chương .............................................................................................................. 35

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP LNA VÀ CÁC BỘ
LỌC THÔNG DẢI BPF ................................................................................................................. 36
3.1 Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA ............................................................................ 36
3.1.1 Giới thiệu về MMIC ....................................................................................................... 36
3.1.2 Thông số kỹ thuật và lựa chọn MMIC ........................................................................... 38
a)

MMIC TSS-53LNB+.................................................................................................... 39

b)

MMIC Gali-39+ ........................................................................................................... 42

3.1.3 Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA ..................................................................... 44
a)

Mô phỏng bộ khuếch đại TSS-53LNB+....................................................................... 44

b)

Mô phỏng bộ khuếch đại Gali-39+ .............................................................................. 45

c)

Mô phỏng bộ khuếch đại LNA .................................................................................... 47

3.2 Thiết kế các bộ lọc thông dải ................................................................................................ 49
3.2.1 Thiết kế bộ lọc thông dải dải thông 3.4 GHz – 3.7 GHz................................................. 49
a)

Sử dụng tấm điện môi RO3010 (Roger 3010).............................................................. 51

b)

Sử dụng tấm điện môi FR4 .......................................................................................... 57

3.2.2 Thiết kế bộ lọc thông dải BPF ở trung tần 1.2 GHz – 1.5 GHz ..................................... 60
3.3 Tổng kết chương .................................................................................................................... 63
CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ BỘ TẠO DAO ĐỘNG NỘI LO VÀ BỘ TRỘN TẦN MIXER........... 64
4.1 ADF4350 - bộ tổng hợp tần số vòng khóa pha và điểu khiển điện áp VCO......................... 65
4.2 Bộ khuếch đại Gali-39+ ......................................................................................................... 71
4.3 Bộ nhân tần số ....................................................................................................................... 72
4.4 Bộ lọc hài ............................................................................................................................... 73
4.5 Bộ trộn tần MAC-60MH+ ..................................................................................................... 74
4.6 Tổng kết chương .................................................................................................................... 75
CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ MẠCH BỘ HẠ TẦN TẠP ÂM THẤP LNB ....................................... 76
5.1 Sơ đồ nguyên lý ..................................................................................................................... 76
5.2 Mạch in .................................................................................................................................. 79
5.3 Mạch thực tế .......................................................................................................................... 82
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................................................................ 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 85
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

5


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phổ tần số của sóng điện từ ........................................................................ 10
Hình 1.2: Các dạng đường truyền sóng ...................................................................... 12
Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ hạ tần tạp âm thấp LNB........................................................ 14
Hình 2.2: Các tín hiệu tới máy thu .............................................................................. 15
Hình 2.3: Lựa chọn băng tần thu ................................................................................ 16
Hình 2.4: Đáp ứng xung của các bộ lọc...................................................................... 20
Hình 2.5: Phép biến đổi Richard ................................................................................ 28
Hình 2.6: Phép đồng dạng Kuroda ............................................................................. 29
Hình 2.7: Bộ biến đổi ngược trở kháng K và dẫn nạo J .............................................. 29
Hình 2.8: Dạng tương đương của một số phần tử trong bộ lọc ................................... 30
Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ tạo dao động nội LO. ............................................................ 31
Hình 2.10: Hệ thống máy thu đổi tần .......................................................................... 32
Hình 2.11: Sơ đồ Mixer, 2 tần số đầu vào tạo tần số mới ở đầu ra ............................. 33
Hình 2.12: Đo điểm chặn bậc 3 .................................................................................. 34
Hình 3.1: MMIC MSA-0686 ....................................................................................... 38
Hình 3.2: Hình ảnh MMIC TSS-53LNB+.................................................................... 40
Hình 3.3: Sơ đồ đơn giản và sơ đồ chân của TSS-53LNB+ ......................................... 40
Hình 3.4: Sơ đồ mạch sử dụng TSS-53LNB+ .............................................................. 42
Hình 3.5: Hình ảnh Gali-39+ ..................................................................................... 42
Hình 3.6: Sơ đồ đơn giản và sơ đồ chân của Gali-39+ ............................................... 43
Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng bộ khuếch đại TSS-53LNB+ ............................................. 45
Hình 3.8: Kết quả mô phỏng khảo sát TSS-53LNB+ ................................................... 45
Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng bộ khuếch đại Gali-39+ .................................................... 46
Hình 3.10: Kết quả mô phỏng khảo sát Gali-39+ ....................................................... 47
Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA ...................................... 48
Hình 3.12: Kết quả mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA................................... 48
Hình 3.13: Mô hình bộ lọc Coupled Line .................................................................... 50
Hình 3.14: Công cụ LineCalc trong phần mềm ADS ................................................... 51
Hình 3.15: Sơ đồ bộ lọc thông dải tại tần số 3.4 GHz – 3.7 GHz ................................ 52
Hình 3.16: Kết quả mô phỏng các phần tử Coupled Line vi dải của BPF 3.4 GHz-3.7
GHz ............................................................................................................................ 53
Hình 3.17: Tạo biến cho các tham số của Coupled Line ............................................. 54
Hình 3.18: Thiết lập các mục tiêu để Optimize ........................................................... 55
Hình 3.19: Tiến hành Optimization cho bộ lọc. .......................................................... 56
Hình 3.20: Kết quả mô phỏng bộ lọc sau khi Optimize .............................................. 56
Hình 3.21: Mạch layout của bộ lọc sử dụng RO3010.................................................. 57
Hình 3.22 Mạch layout của bộ lọc sử dụng FR4 ......................................................... 57
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

6


Hình 3.23: Thiết lập EM Setup ................................................................................... 58
Hình 3.24: Điện môi FR4 trong ADS .......................................................................... 59
Hình 3.25: Kết quả mô phỏng Momentum của bộ lọc dùng FR4 ................................. 59
Hình 3.26: Bộ lọc Hairpin bậc 5................................................................................. 61
Hình 3.27: Sơ đồ bộ lọc Hairpin................................................................................. 62
Hình 3.28: Mạch in bộ lọc thông dải trung tần Hairpin .............................................. 62
Hình 3.29: Kết quả mô phỏng Momentum bộ lọc trung tần Hairpin ........................... 63
Hình 4.1: Sơ đồ khối bộ tạo dao động nội và trộn tần................................................. 65
Hình 4.2: Sơ đồ khối chức năng của ADF4350 .......................................................... 66
Hình 4.3: Sơ đồ chân của ADF4350 ........................................................................... 68
Hình 4.4: Tính toán các thanh ghi bằng công cụ ADF435x ........................................ 70
Hình 4.5: Giản đồ thời gian ghi dữ liệu qua giao tiếp SPI ........................................ 71
Hình 4.6: Sơ đồ mô phỏng bộ khuếch đại Gali-39+ .................................................... 72
Hình 4.7: Sơ đồ chân của HMC189 ............................................................................ 72
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý bộ lọc hài dao động........................................................... 74
Hình 4.9: Mạch layout bộ lọc hài dao động ................................................................ 74
Hình 4.10: Kết quả mô phỏng Momentum bộ lọc hài dao động................................... 74
Hình 4.11: Bộ trộn tần MAC-60MH+ ......................................................................... 75
Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ........................................................................ 76
Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển dùng Atmega 8L.................................... 76
Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động vào PLL sử dụng ADF4350 ................ 77
Hình 5.4: Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại và nhân đôi tần số ................................... 77
Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại LNA ......................................................... 78
Hình 5.6: Sơ đồ nguyên lý khối lọc và trộn tần ........................................................... 78
Hình 5.7: Mạch in bộ hạ tần tạp âm thấp LNB ........................................................... 79
Hình 5.8: Hình ảnh mặt top của mạch layout ............................................................. 80
Hình 5.9: Hình ảnh mặt bot của mạch layout ............................................................. 81
Hình 5.10: Mặt trên của mạch .................................................................................... 82
Hình 5.11: Mặt dưới của mạch ................................................................................... 83
 
 
 
 
 
 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

7


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các băng tần của IEEE .............................................................................. 11
Bảng 2.1: Số bậc của bộ lọc và các hệ số g của bộ lọc Butterworth ............................ 21
Bảng 3.1: Vị trí và chức năng của các chân trong TSS-53LNB+ ................................ 40
Bảng 3.2: Các thông số kỹ thuật của TSS-53LNB+..................................................... 41
Bảng 3.3: Vị trí và chức năng của các chân trong Gali-39+....................................... 43
Bảng 3.4: Các thông số kỹ thuật của Gali-39+ ........................................................... 44
Bảng 3.5: Các tham số của bộ lọc theo Chebyshev với RO3010 ................................. 50
Bảng 3.6: Các tham số của các phần tử Coupled Line với bộ lọc dùng RO3010 ......... 52
Bảng 3.7: Các tham số của bộ lọc theo Chebyshev với FR4........................................ 57
Bảng 4.1: Các thông số kỹ thuật của ADF4350 .......................................................... 67
Bảng 4.2: Mô tả chi tiết chức năng các chân của ADF4350 ....................................... 68
Bảng 4.3: Giá trị trở kháng và W, S, L của các phần tử Coupled Line ........................ 73

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

8


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
 
LNB 
MMIC 

HEMT 
JFET 

Low Noise Block Downconverter 
Monolithic microwave integrated 
circuit 
Radio frequency 
Low noise amplifier 
Local Oscillator 
 
Radio Society of Great Britain 
Institute of Electrical and 
Electronics Engineers 
Bipolar junction transistor 
Field-effect transistor 
Metal-Oxide Semiconductor 
Field-Effect Transistor 
High-electron-mobility transistor 
Junction field- effect transistor 

DRO 
QAM 
MAG 
NF 
NFmin 
ADS 
PLL 
LPF 
VCO 

Dielectric Oscillators 
 
Maximum Available Gain 
Noise Firgure 
Minimum Intrinsic Noise Figure 
Advanced Design System 
Phase-Locked Loop 
Low-pass  Filter 
Voltage-Controlled  Oscillator 

CCO 

Current-Controlled  Oscillator 

IF 
SPI 

Intermediate Frequency 
Serial Peripheral Interface 

RF 
LNA 
LO 
BPF 
RSGB 
IEEE 
BJT 
FET 
MOSFET 

Bộ hạ tần tạp âm thấp 
Mạch tích hợp vi sóng nguyên 
khối 
Cao tần 
Bộ khuếch đại tạp âm thấp 
Bộ dao động nội 
 
Hiệp hội vô tuyến Anh 
Tổ chức kỹ sư Điện và Điện tử 
Tranzito lưỡng cực nối 
Tranzito hiệu ứng trường 
Tranzito hiệu ứng trường Oxit 
Kim loại - Bán dẫn 
Tranzito độ linh động electron cao 
Tranzito hiệu ứng trường có mặt 
tiếp giáp  
Bộ  dao động điện môi 
 
Hệ  số khuếch đại tối đa 
Hệ  số tạp âm 
Hệ  số tạp âm nhỏ  nhất 
Thiết kế hệ thống nâng cao 
Vòng khóa pha 
Bộ  lọc thông thấp 
Bộ  dao động điều khiển bằng điện  
áp 
Bộ  dao động điều khiển bằng  
dòng  
điện 
Trung tần 
Giao tiếp ngoại vi nối tiếp 

 
 
 
 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

9


CHƯƠNG 1 : ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG SIÊU CAO TẦN
1.1 Sơ lược lý thuyết đường truyền
1.1.1 Giới thiệu chung
Thuật ngữ “viba” (microwaves) dùng để chỉ những sóng điện từ có bước sóng rất 
nhỏ, ứng với phạm vi tần số rất cao của phổ tần số vô tuyến điện. 
Phạm vi của dải tần số này cũng không có sự quy định chặt chẽ và thống nhất trên 
toàn thế giới. Giới hạn trên của dải thường được coi f = 300 GHz, ứng với bước sóng λ= 
1 mm, còn giới hạn dưới có thể khác nhau tùy thuộc vào tập quán sử dụng. Một số nước 
coi “sóng cực ngắn” là những sóng có tần số cao hơn 30 MHz (bước sóng λ≤ 10m), còn 
một số nước khác coi “viba” là những sóng có tần số cao hơn 300 MHz (bước sóng λ≤ 
1m). 
Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và các thành tựu đạt được trong việc chinh 
phục các băng tần cao của phổ tần số vô tuyến, khái niệm về phạm vi dải tần của “viba” 
cũng có thể thay đổi. 
Hình 1.1 minh họa phổ tần số của sóng điện từ và phạm vi dải tần của kỹ thuật viba
 

 

 

 

 

    Tần số (Hz)

 
Hình 1.1: Phổ tần số của sóng điện từ
  Trong ứng dụng thực tế, dải tần của viba còn được chia thành các băng tần nhỏ hơn. 
Các băng tần sóng cực ngắn, được định nghĩa bởi Hiệp hội Vô tuyến Anh (RSGB)  được 
thể hiện trong bảng dưới đây : 
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

10


Bảng 1.1: Các băng tần của IEEE
Băng tần 

Tần số (GHz) 

UHF 

0.3 - 1 



1 - 2 



2 - 4 



4 - 8 



8 - 12 

Ku 

12 - 18 



18 - 27 

Ka 

27 - 40 



40 - 75 



75 -110 

Băng mm 

110 - 300 

1.1.2 Lý thuyết đường truyền
         Khi nghiên cứu đường truyền đối với các tín hiệu tần số thấp, ta thường coi các 
đường dây nối (hay đường truyền) là ngắn mạch. Điều này chỉ đúng khi kích thước của 
mạch nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu. Còn đối với tín hiệu cao tần và đặc biệt với tín 
hiệu siêu cao thì ta phải có những nghiên cứu đặc biệt về đường truyền.  
         Một đường truyền được sử dụng để truyền tín hiệu từ một phần tử này đến  một 
phần tử nào đó hoặc từ một phần tử đến lối ra. Có các loại đường truyền như dây đôi, 
đường truyền vi dải, cáp phẳng, ống dẫn sóng … 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

11


 
Hình 1.2: Các dạng đường truyền sóng
Các thành phần :
Các phần tử thụ động : RLC, các diot, các đường truyền 
Các phần tử hoạt động : các transistor (BJT, FET, MOSFET, HEMT) 
Các mạch tích hợp (MMIC – Monolithic Microwave Integrated Circuits) 
1.2 Đường truyền vi dải
          Chúng  ta đã  biết, ở  dải  sóng  vô tuyến điện thông  thường:  dài,  trung,  ngắn; các 
mạch dao động cộng hưởng thường được xây dựng từ các phần tử tập trung như tụ điện 
C và cuộn cảm L. Mạch dao động này cho tần số cộng hưởng riêng là: 
  f0 

1
2 LC

                                         (1.1) 

Nhưng ở dải siêu cao tần thì mạch dao động (LC) từ các tham số tập trung không còn 
làm việc được. 
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

12


         Thứ nhất: Để nhận được dải tần số cộng hưởng f0 lớn hay bước sóng cộng hưởng 
nhỏ, ta phải giảm các giá trị L, C đến mức tối thiểu. Nhưng việc giảm này cũng có những 
giới hạn nhất định do kết cấu của tụ điện và cuộn cảm. Nên về nguyên tắc không đạt 
được tần số cộng hưởng ở các dải song cao như cm và mm. 
         Thứ hai: ở dải song siêu cao tần, kích thước hình học của các tụ điện và cuộn cảm 
so sánh với bước sóng điện từ, nên tại các tần số này bản thân mạch dao động cũng đóng 
vai trò như phần tử bức xạ năng lượng điện từ làm tiêu hao năng lượng đáng kể trong 
mạch và mạch không duy trì được dao động trong dải này. 
        Thứ ba: Trong dải siêu cao tần, khi tần số tăng thì tiêu hao do hiệu ứng bề mặt và 
tiêu hao trong điện môi của cuộn cảm và tụ điện tăng đáng kể, làm giảm phẩm chất rõ 
rệt của mạch dao động LC, làm cho nó mất tính chọn lọc của mạch cộng hưởng. 
        Vì vậy, ở dải sóng siêu cao tần, người ta sử dụng các mạch dao động có tham số 
phân bố, thường được gọi là hộp cộng hưởng. 
 
 
 
 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

13


CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ HẠ TẦN TẠP ÂM
THẤP LNB
 
2.1 Tổng quan về bộ hạ tần tạp âm thấp LNB
2.1.1 Cấu trúc
         Bộ hạ tần tạp âm thấp Low Noise Block Downconverter là gì ?  
         Low Noise Block Downconverter là “bộ chuyển xuống tần số thấp dạng cực ít ồn”. 
Nó thuộc phần tương tự của thiết bị thu, chuyển tần số cao của sóng mang thu từ vệ tinh 
bởi anten thành tần số thấp hơn IF trước khi đưa vào xử lý ở IF và băng tần cơ sở. Hình 
2.1 giới thiệu sơ đồ khối chức năng của một bộ hạ tần tạp âm thấp. Tín hiệu sóng mang 
cao  tần  thu  bởi  anten  được  đưa  qua  bộ  khuếch  đại  tạp  âm  thấp  LNA  (Low  Noise 
Amplifier), sau đó được đưa qua bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter), sau đó được 
hạ tần xuống trung tần thông qua bộ trộn tần Mixer và bộ tạo dao động nội LO. Tín hiệu 
sau khi tổng hợp được khuếch đại và lọc để truyền qua cáp feeder đến máy thu. 

 
Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ hạ tần tạp âm thấp LNB
         Ở băng C, tín hiệu từ vệ tinh thu được có tần số là 3.4 GHz – 3.7 GHz, công suất 
dao động khoảng -125 dBm đến -130 dBm. Anten thu có Gain khoảng 10 dB đến 15 dB. 
Vì vậy, sau khi được thu qua anten thì tín hiệu khoảng -115 dBm. Do đó, bộ LNB phải 
đáp ứng được độ nhạy tối thiểu để có thể thu được tín hiệu. Tín hiệu đầu ra bộ LNB là 
tín hiệu ở trung tần IF, dải thuộc băng L ( 950 MHz – 1950 MHz ) là 1.2 GHz – 1.5 GHz 
nên ta phải sử dụng bộ dao động nội có tần số 4.9 GHz để hạ tần tín hiệu. 
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

14


        Với việc thu tín hiệu sóng mang trong truyền hình vệ tinh băng rộng, thông thường 
là 27 MHz, độ chính xác của tần số bộ dao động nội chỉ cần trong khoảng sai lệch ± 500 
kHz. Do đó ta có thể sử dụng bộ dao động điện môi DRO ( Dielectric Oscillator ). 
        Với việc thu tín hiệu sóng mang băng hẹp hoặc sử dụng kỹ thuật điều chế nâng cao 
như 16-QAM, ta cần phải dùng bộ dao động nội có tạp âm thấp và độ ổn định cao. Trong 
trường hợp này, các bộ dao động có vòng khóa pha PLL (Phase Locked Loop) sẽ được 
sử dụng. 
2.1.2 Tạp âm trong bộ LNB
 

Theo công thức Friis, hệ số tạp âm tổng trong hệ thống :  
    F (lần) =  F1 

F2  1 F3  1 F4  1
Fn  1


 ... 
G1
G1G2 G1G2G3
G1G2G3...Gn 1

                     (2.1) 

         Từ công thức Friis ta thấy, hệ số tạp âm tổng của bộ hạ tần LNB phụ thuộc chủ yếu 
vào hệ số tạp âm và hệ số khuếch đại của tầng đầu tiên, ở đây là bộ khuếch đại tạp âm 
thấp LNA.  
         Do máy thu không chỉ thu các tín hiệu hữu ích mà còn thu cả tạp âm gây ra bởi 
chính hệ thống đó hoặc bởi các hệ thống lân cận như hình vẽ dưới đây. 

 
Hình 2.2: Các tín hiệu tới máy thu

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

15


 

Ta thấy cùng tồn tại nhiều tín hiệu nhiễu như tín hiệu kênh lân cận, tín hiệu đồng 

kênh, các tín hiệu có công suất mạnh dạng sin xuất hiện ở trong hoặc ngoài băng tần thu. 
Do đó, bộ LNB phải lọc tốt các tín hiệu này để cho bộ giải điều chế có thể duy trì được 
tính năng yêu cầu. Bất kể bộ hạ tần nào, bộ lọc đầu tiên hay còn gọi là bộ lọc chọn lựa 
trước có vai trò hạn chế băng tần thu ở đầu vào máy thu phải nằm trong băng tần của hệ 
thống. Ở đây là băng C ở 3.4 GHz – 3.7 GHz. Chất lượng của bộ lọc sẽ quyết định mức 
độ lọc các nhiễu ngoài băng. Bộ lọc thông dải đầu tiên có chức năng lựa chọn băng tần 
thu. 

 
Hình 2.3: Lựa chọn băng tần thu
 

Hàm truyền đạt của bộ lọc thông dải đầu tiên có băng thông hữu hạn, có thể xuất 

hiện các nhiễu tại các tần số mà nhiễu này chỉ bị suy giảm không đáng kể. Sau khi tín 
hiệu sóng mang qua bộ lọc thông dải đầu tiên vẫn có thể tồn tại các nhiễu trong băng, 
các nhiễu này sẽ tăng do sự méo phi tuyến của các tầng tiếp theo như bộ khuếch đại tạp 
âm thấp, bộ trộn tần… 
2.2 Nghiên cứu thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA
2.2.1 Tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA
 

Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) là một trong những khối 

cơ bản trong bất cứ hệ thống thông tin nào, đặc biệt trong hệ thống thông tin vệ tinh. Bộ 
khuếch đại tạp âm thấp có tác dụng khuếch đại tín hiệu thu được ở mức chấp nhận được 
với tạp âm tạo ra là nhỏ nhất. 
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

16


 

Trong máy thu thông tin vệ tinh, bộ khuếch đại tạp âm thấp thường đặt ở vị trí gần 

với anten để giảm thiểu suy hao trên cáp feeder. Theo công thức Friis, hệ số tạp âm tổng 
của máy thu phụ thuộc vào những tầng đầu tiên. Do đó, bộ LNA có nhiệm vụ rất lớn để 
giảm thiểu tạp âm. Sự ảnh hưởng của tạp âm từ các tầng sau của máy thu được giảm bớt 
bởi hệ số khuếch đại của bộ LNA, trong khi tạp âm trong bộ LNA được loại bỏ trực tiếp 
đến tín hiệu thu. Do đó, bộ LNA đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc khuếch đại 
công suất tín hiệu mong muốn trong khi vẫn chỉ chịu ảnh hưởng của tạp âm và suy hao 
nhỏ. 
2.2.2 Phương pháp thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp
 

  Khi tính toán thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp thì việc quan trọng đầu tiên là 

phải xác định rõ các yêu cầu kỹ thuật, sử dụng và cấu trúc của nó. Đây là khâu xây dựng 
đầu bài cho bài toán thiết kế, đặt đầu bài càng rõ ràng thì thiết kế càng chính xác và sản 
phẩm tạo ra sẽ đáp ứng càng tốt các yêu cầu làm việc thực tế. Có bộ chỉ tiêu kỹ thuật, 
khi thiết kế chúng ta có thể linh hoạt trong việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật, giải pháp 
công nghệ cũng như phương án vật tư linh kiện đảm bảo cho sản phẩm.  
         Trong các thông số kỹ thuật của bộ LNA thì hệ số khuếch đại (Gain), hệ số tạp âm 
(NF), tính phi tuyến (non-linearity), độ ổn định (stability), các tham số IP3 và P1 dB đủ 
lớn. 
 

Phương pháp nghiên cứu thiết kế LNA là phương pháp mô phỏng : trên cơ sở thiết 

kế đã có, ta tiến hành mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng ADS (Advanced Design 
System) của hãng Agilent. Sau khi đạt được chỉ tiêu kỹ thuật, ta sẽ tiến hành chế tạo. 
2.2.3 Lựa chọn kiểu thiết kế
 

  Có 2 loại thiết bị được sử dụng rộng rãi để chế tạo bộ LNA phổ biến đó là sử dụng 

các transistor cao tần (loại JFET và HEMT) và MMIC (Monolithic microwave integrated 
circuit).  

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

17


 

Trong các thiết kế LNA, các transistor cao tần được sử dụng phổ biến nhất. Chúng 

có các thông số về độ tăng ích tối đa MAG (Maximum Available Gain), hệ số tạp âm tối 
thiểu NFmin (Minimum Intrinsic Noise Figure) và có thể áp dụng mạch phân cực ngoại. 
Sau khi phối hợp trở kháng và phân cực cho transistor, ta không thể đạt được độ tăng ích 
lớn hơn MAG và hệ số tạp âm nhở hơn NFmin. 
 

Một bộ khuếch đại MMIC là một thiết bị tích hợp không yêu cầu bất kỳ loại phân 

cực ngoại nào bởi vì nó đã được thiết kế và đóng gói sẵn. Kích thước của các MMIC là 
tương đối nhỏ, cỡ vài mm x mm. Do đó, khi sử dụng các MMIC để thiết kế LNA sẽ rất 
tiết kiệm diện tích mạch, làm mạch sẽ nhỏ hơn vài chục lần so với sử dụng các transistor 
cao tần đi kèm với các mạch vi dải. 
Trong đồ án này, thiết kế được lựa chọn là sử dụng MMIC.
2.3 Nghiên cứu thiết kế bộ lọc
2.3.1 Nguyên tắc thiết kế
 

Các thiết kế của các bộ lọc bất kỳ đều có thể dựa trên thiết kế cơ bản của bộ lọc 

thông thấp LPF (Low Pass Filter), sau đó dùng phép biến đổi hàm số của mạch lọc để 
đưa ra đáp ứng của mạch lọc. 
 

Để tăng tính tổng quát của công thức thiết kế, các đại lượng về trở kháng và tần số 

đều được chuẩn hóa : trở kháng chuẩn hóa theo điện trở chuẩn R0 = 50 Ω, tần số chuẩn 
hóa theo tần số cắt ωc của mạch lọc được xác định từ yêu cầu thiết kế. Sau khi thiết kế 
trên các đại lượng đã được chuẩn hóa, ta sẽ suy ra được giá trị thực của linh kiện bằng 
phép suy ngược lại về trở kháng và tần số. 

 
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

18


 
Hình 2.5 : Cấu trúc mạch lọc với các phần tử có tham số tập trung
Các giá trị gi : 
g0 : điện trở nguồn áp hoặc điện dẫn nguồn dòng (g = 0) 
gk (k=1,2,…N) : điện cảm nếu là phần tử nối tiếp, điện dung nếu là phần tử song song. 
GN+1 : điện trở tải nếu gN là điện dung song song 
           điện dẫn tải nếu gN là điện cảm nối tiếp 
 

Các điện trở đầu cuối là R1 và RN thì ta có RN = rR1 . 

 

Tùy theo số bậc N mong muốn của bộ lọc và cấu trúc mà ta có thể xác định giá trị 

các phần tử mạch lọc theo bảng giá trị đã được chuẩn hóa của gi. 
 

Các bộ lọc liên tục tuyến tính là phổ biến nhất cho lọc tín hiệu. Phương pháp hiện 

nay cho các bộ lọc liên tục tuyến tính được gọi là tổ hợp mạng (bản chất của phương 
pháp này là nhằm thu được các giá trị thành phần của đa thức tỷ lệ cho trước đại diện 
hàm truyền đạt mong muốn). Các bộ lọc theo cách này là : 
 

Chebyshev (loại I và II) : có xấp xỉ tốt nhất cho đáp ứng lý tưởng của bất cứ bộ lọc 

nào với bậc và độ gợn sóng xác định. 
Butterworth : có đáp ứng tần số phẳng tối đa. 
Bessel : có trễ phẳng tối đa. 
Elliptic : có độ dốc tại tần số cắt tốt nhất với cùng bậc và độ gợn xác định. 
 

Sự khác biệt giữa các lớp bộ lọc này là chúng đều dùng những đa thức để xấp xỉ 

các đáp ứng bộ lọc lý tưởng. Điều này dẫn tới mỗi loại có một hàm truyền đạt riêng. 
Hàm truyền đạt : H(s) = Y(s)/X(s)   với

s = δ + jω

Dưới đây là hình ảnh các bộ lọc 
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

19


 

Ta thấy bộ lọc Butterworth có độ thoải cao hơn Chebyshev và Elliptic nhưng có 

điểm lợi là không nhấp nhô. 

 
Hình 2.4: Đáp ứng xung của các bộ lọc
a) Bộ lọc Butterworth (Maximally flat)
gk 

c Lk
R1



g k  cCk R1

    (2.3) 

   2 
Đặc tính suy hao :       AN ()  10log 1                                              (2.4) 
  c  
 

Trong đó, N là số bậc bộ lọc, ωc là tần số cắt, suy hao bộ lọc là 3dB tại ω=ωc. 

Phương trình xác định gk trong trường hợp này là : 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

20


  2k  1  
                với k=1,2,…N                (2.5) 
 2N 

                             gk  2sin 
 

Khi đó, r=1 vơi tất cả các N, bộ lọc chỉ có thể được dùng khi trở kháng hai đầu cuối 

bằng nhau. 
Bảng 2.1: Số bậc của bộ lọc và các hệ số g của bộ lọc Butterworth

 



g1 

g2 

g3 

g4 

g5 

g6 

g7 



2.0000 

1.0000 

 

 

 

 

 



1.4142 

1.4142 

1.0000 

 

 

 

 



1.0000 

2.0000 

1.0000 

1.0000 

 

 

 



0.7654 

1.8478 

1.8478 

0.7654 

1.0000 

 

 



0.6180 

1.6180 

2.0000 

1.6180 

0.6180 

1.0000 

 



0.5176 

1.4142 

1.9318 

1.9318 

1.4142 

0.5176 

1.0000 



0.4450 

1.2470 

1.8019 

2.0000 

1.8019 

1.2470 

0.4450 

Số bậc của mô hình bộ lọc thông thấp Butterworth được tính dựa vào tổn hao tối 

thiểu  ở  dải  chắn  (stopband)  tại  ω=ωs  và  tổn  hao  tối  đa  trong  dải  thông  (passband)  tại 
ω=ωc. Giá trị này tính theo biểu thức :  

log
                                         N 

Amin  1
Amax  1

2log

 

s                                         (2.6) 
c

  Ví dụ, suy hao ở dải chắn Amin = 104 (hay 40dB); (ωs/ωc)=2, Amax = 2 ( hay 3dB). 

Khi đó N ≥ 6.644 và ta chọn số bậc của bộ lọc Butterworth là N = 7. 
b) Bộ lọc Chebyshev
Theo công thức ở trên, hệ số tổn hao có dạng : 
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

21


                                             PLR = 1 + k2 TN2(ω)                                   (2.7) 
Vậy ta có độ gợn trong dải thông là giữa mức 1 và mức (1+k2) 



1 
cos(
n
.cos
),
1
c c
   
                               Tn     
                            (2.8) 
 c   cosh( n.cosh 1  ),   1

c c
Suy ra:  


( = 0) = 0
                                                                             (2.9) 
1 ớ
ℎẵ
 

Tại tần số ω = 0, PLR sẽ bằng 1 khi N lẻ và bằng (1+k2) khi N chẵn. Do đó, có 2 

trường hợp cần khảo sát. 
Xét mạch lọc bậc 2, T2(x) = 2x2 -1, khi đó ta có phương trình được cân bằng dưới dạng:  
1  k 2  4 4  4 2  1  1 

1 
2
1  R    R 2C 2  L2  2 LCR 2   2  L2C 2 R 2 4        (2.10) 


4R 

Giải phương trình này ta có : 
                                     R = 1 + 2 k2 – 2k√1 +
 

                                          (2.11) 

Vậy, với N chẵn, R≠ 1, có nghĩa là khi bậc của bộ lọc là chẵn sẽ không có sự phối 

hợp trở kháng giữa tải và điện trở chuẩn. Ngược lại, nếu N lẻ, R =1 thì có sự phối hợp 
trở kháng trên tải. 
 

Với bộ lọc trong thông tin vệ tinh, yêu cầu đặt ra cho thiết kế này cần có độ gợn 

trong dải thông rất nhỏ trong băng thông   500MHz , độ dốc bộ lọc lớn, trở kháng đầu 
vào/ra đều bằng 50Ω, nên sử dụng bộ lọc Chebyshev sẽ đạt được nhiều ưu điểm hơn bộ 
lọc Butterworth. 
Các giá trị chuẩn hóa gk của tụ điện và cuộn cảm được tính nhờ các công thức : 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

22


                                                    g0 = 1                                                           (2.12) 

2





2n

                                                   g1  sin

  sinh

        


2n

 

         

 A dB 
        
17.3718



                                              ln coth 


                     (2.13) 

                         (2.14) 

                      (2.15) 

A là độ gợn trong dải thông. 

                                          gi 

với n lẻ         → gn+1 = coth 2


4

1
gi1

4sin(

2i  1
2i  3
 )sin(
)
2n
2n
                            (2.16) 

2

                                

      n chẵn    → gn+1  = 1 
 

Với các giá trị tổn hao tối thiểu ở dải chắn (stopband) tại ω = ωs và tổn hao tối đa 

trong dải thông (passband) tại ω = ωc, ta tính ra được số bậc của bộ lọc Chebyshev : 
cosh 1

                                               n 

Amin  1
Amax  1

s
cosh
c
1

                                                          (2.17) 

2.3.2 Phép biến đổi từ mạch lọc thông thấp
a) Phép giải chuẩn hóa trở kháng và tần số
Như ở trên, để đơn giản hóa việc thiết kế, các công thức tính toán được dùng cho 
các đại lượng đã được chuẩn hóa theo điện trở chuẩn R0 và thang tần số ω cũng được 
chuẩn hóa theo tần số cắt ωc. Do đó, các công thức và đồ thị hoàn toàn có thể được áp 
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

23


dụng cho các mạch lọc có trở kháng và tần số dải thông khác nhau. Phần còn lại là phép 
giải chuẩn hóa trở kháng và tần số để tìm được giá trị thực tế của các linh kiện trong 
mạch lọc. 
Phép giải chuẩn hóa trở kháng :
Với điện trở chuẩn R0 được định trước (thường là 50Ω), việc giải chuẩn hóa trở 
kháng chỉ đơn giản là phép nhân các trở kháng đã thiết kế với R0. Các giá trị thực tế được 
tính theo công thức : 
Điện cảm thực tế :     L’ =  R0L                                                                       (2.18) 
Điện dung thực tế:    C’ = C/ R0                                                                      (2.19) 
Điện trở tải :             R’ =  R0R                                                                        (2.20) 
Trong đó : L, C, R là điện cảm, điện dung và điện trở tải được suy ra từ bảng giá trị gi đã 
chuẩn hóa. 
Phép giải chuẩn hóa tần số :
Phép giải chuẩn hóa tần số thực chất là phép thay thế tần số ω đã được chuẩn hóa 
bằng 


 trong các công thức tính toán. 
c

Như vậy, tỷ số tổn hao thực tế là : 


                                               P 'LR  PLR                                              (2.21) 
 c 

Phép biến đổi này có tác dụng làm giảm thang tần số với hệ số ωc mà không 
làm thay đổi dạng đáp ứng tổn hao của bộ lọc. 
Với các phần tử trong mạch lọc, phép giải chuẩn hóa tần số sẽ cho các giá trị thực 
tế của các linh kiện: 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

24


L
L’ = 

C’ = 

c

 

C

c

 

R’ = R  không đổi                                                                                   (2.22) 
Như vậy, nếu đồng thời thực hiện việc giải chuẩn hóa theo trở kháng và theo tần 
số, ta sẽ có các công thức: 
L’ = 

C’ =

R0 L

c

 

C
 
R0c

                                                      R’ = R0R                                              (2.23) 
b) Phép biến đổi từ mạch lọc thông thấp sang mạch lọc thông dải
Từ mạch lọc thông thấp ta có thể chuyển đổi sang mạch lọc thông dải có các tần số 
cắt thấp và cao là ω1 và ω2. 
Quy tắc : thay thế biến ω của mạch lọc thông thấp đã chuẩn hóa bằng biến : 

                             

Với    

0   0  1   0 



                        (2.24) 
1  2  0     0  

ω2  ω1
         và ω0 =  ω1ω2                                                           (2.25) 
ω0

Khi đó ta có : 

                                      P’LR (ω) = PLR 

1  ω ω0 
                                      (2.26) 
  ω0 ω 
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×