Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tuyến thu cao tần băng s dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TẠ THỊ LOAN ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TUYẾN
THU CAO TẦN BĂNG S DÙNG CHO HỆ THỐNG
THÔNG TIN VÔ TUYẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

HÀ NỘI – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TẠ THỊ LOAN ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TUYẾN
THU CAO TẦN BĂNG S DÙNG CHO HỆ THỐNG
THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử, Truyền Thông
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BẠCH GIA DƯƠNG

HÀ NỘI – 2015

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
Bản luận văn tốt nghiệp này công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân
tôi, đƣợc thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dƣới sự hƣớng
dẫn của PGS.TS Bạch Gia Dƣơng.
Các số liệu, kết luận của luận văn là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu
những mô hình, thành quả đã đạt đƣợc của các nƣớc trên thế giới và trải nghiệm
của bản thân, chƣa từng đƣợc công bố dƣới bất kỳ hình thức nào trƣớc khi bảo
vệ tại “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ kỹ thuật”.
Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết.
Hà Nội, ngày 27 tháng 04 năm 2015
Ngƣời cam đoan

Tạ Thị Loan Anh

1


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bạch Gia Dƣơng đã tận tình giúp
đỡ, hƣớng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị trong trung
tâm nghiên cứu điện tử viễn thông, khoa điện tử viễn thông, trƣờng đại học
Công Nghệ đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn này.
Mặc dù có nhiều cố gắng song vì thời gian có hạn và vốn kiến thức
còn hạn chế nên luận văn này còn nhiều thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận
đƣợc sự đóng góp chỉ bảo của các thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!

2


MỤC LỤC

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ........................................................................................... 9
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ................................................................................................ 9
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................... 10
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................. 10
Nghiên cứu lý thuyết .......................................................................................... 10
Thiết kế hệ thống ................................................................................................ 10
KẾT CẤU LUẬN VĂN ........................................ Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 1 .................................................................. Error! Bookmark not defined.
TỔNG QUAN VỀ TUYẾN THU TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ...........Error!
Bookmark not defined.
1.1

Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA[1] ................. Error! Bookmark not defined.

1.2

Bộ tạo dao động siêu cao tần[1] ....................... Error! Bookmark not defined.

1.2.1 Bộ tạo dao động dùng transistor ................... Error! Bookmark not defined.
1.2.2 Bộ tạo dao động dùng khung cộng hƣởng điện môi .... Error! Bookmark not
defined.
1.3

Bộ trộn tần số .................................................. Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 2 .................................................................. Error! Bookmark not defined.
LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN ....... Error! Bookmark not
defined.
2.1

Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần . Error! Bookmark not defined.

2.1.1 Các loại đƣờng truyền ................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.2 Phƣơng trình đƣờng truyền ........................... Error! Bookmark not defined.
2.1.3 Hệ số phản xạ ................................................ Error! Bookmark not defined.
2.1.4 Hệ số sóng đứng ........................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.5 Giản đồ Smith ............................................... Error! Bookmark not defined.
2.2

Tham số S[6] .................................................... Error! Bookmark not defined.

2.2.1 Công suất đƣa ra tải ...................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Các khái niệm ............................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3 Xác định tham số S ....................................... Error! Bookmark not defined.
3


2.2.4 Đo các hệ số truyền....................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.5 Xác dịnh các hệ số phản xạ........................... Error! Bookmark not defined.
2.3

Phối hợp trở kháng[1] ....................................... Error! Bookmark not defined.

2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung .. Error! Bookmark not defined.

2.3.2 Phối hợp trở kháng dải hẹp bằng những đoạn dây dẫn sóng mắc liên tiếp
................................................................................ Error! Bookmark not defined.
2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm .............. Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3 .................................................................. Error! Bookmark not defined.
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠOTUYẾN THU CAO TẦN BĂNG S ....Error!
Bookmark not defined.
3.1 Thiết kế, mô phỏng và chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp .. Error! Bookmark
not defined.
3.2

Xây dựng sơ đồ nguyên lý bộ tạo dao động ... Error! Bookmark not defined.

3.3

Xây dựng sơ đồ nguyên lý bộ trộn cao tần ..... Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN .................................................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 11

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ADS: Advanced Design System

LNA : Low Noise Amplifier

BJT : Bipolar junction transistor

RF: Radio Frequency

dB: Decibel

LO: Local Oscillator

dBm: Decibel relative to 1 milliwatt

UHF: Ultra High Frequency

DC: Direct Current

VCO: Voltage Controlled Oscillator

FET : Field effect transistor

VSWR: Voltage standing wave ratio

FM : Frequency modulation

VHF: Very High Frequency

GHz: Gigahertz

HF: High Frequency

Hz: Hertz

SHF: Supper High Frequency

IF: Intermediate frequency

EHF: Extra High Frequency

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG
Hình 1.1 Mô hình hệ thống truyền thông tin vô tuyến .... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát của tuyến thu tín hiệu ...... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống thu cơ bản ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4 Sơ đồ khối tuyến thu siêu cao tần với tổ hợp tần số. Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.5 Tạp âm trong mạng hai cửa ................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6 Mạch LNA dải hẹp phân áp dùng cầu điện trở .. Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của bộ dao động một cửa ........ Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.8 Sơ đồ khối của bộ dao động hai cửa transistor .. Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.9 (a) Mạch dao động dùng hốc cộng hƣởng điện môi;Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.10 (a) Mạch dao động dùng phản hồi song song .. Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.11 Mạng ba cửa ....................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.12 Các thành phần tần số trong bộ trộn tần tín hiệu tƣơng tự ........ Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.13 Bộ đảo tần lên lý tƣởng ...................... Error! Bookmark not defined.

Hình 1.14 Bộ đảo tần xuống lý tƣởng................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.15 Mạch trộn tần dùng transistor trƣờng Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1 Bƣớc sóng (m). Phổ tần số của sóng điện từ ..... Error! Bookmark not
defined.
Hình 2.2 Các dạng đƣờng truyền sóng ............... Error! Bookmark not defined.
6


Hình 2.3 Biểu diễn đƣờng truyền sóng và mạch tƣơng đƣơng của đoạn đƣờng
truyền sóng siêu cao tần ...................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4 Giản đồ Smith chuẩn............................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5 Sơ đồ đo ............................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.6 Sơ đồ xác định Sij ................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.7 Sơ đồ xác định Sii ................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.8 Sơ đồ phối hợp trở kháng..................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.9 Mạch phối hợp trở kháng hình L ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.10 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây λ\4 ............ Error! Bookmark not
defined.
Hình 2.11 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ ............. Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.12 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây nối tiếp Error! Bookmark not
defined.
Hình 2.13 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây chêm đơn .. Error! Bookmark
not defined.
Hình 2.14 Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đôi ........... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.1 Sơ đồ khuếch đại trong mạng hai cửa[7] ............. Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.2 Cấu trúc chân và chức năng của FET SPF 2086TK . Error! Bookmark
not defined.

Hình 3.3 Hệ số khuếch đại theo tần số của FET SPF 2086TK Error! Bookmark
not defined.
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý nhánh lối vào bộ LNA ............ Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.5 Kết quả mô phỏng nhánh lối vào của bộ LNA .. Error! Bookmark not
defined.

7


Hình 3.6 Mô phỏng hệ số sóng đứng nhánh lối vào ......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý nhánh lối ra bộ LNA . Error! Bookmark not defined.
Hình 3.8 Kết quả mô phỏng nhánh lối ra của bộ LNA ..... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.9 Mô phỏng hệ số sóng đứng nhánh lối ra............ Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.10 Layout của mạch khuếch đại ............. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.11 Mạch LNA thực tế dùng FET SPF 2086TK .... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.12 Sơ đồ mắc mạch LNA với nguồn khi đo các tham số ............... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.13 Tham số S11 tại tần số 2.45 GHz (SPF 2086TK) .... Error! Bookmark
not defined.
Hình 3.14 Tham số S21 tại tần số 2.45 GHz (SPF 2086TK) .... Error! Bookmark
not defined.
Hình 3.15 Sơ đồ thiết kế LNA sử dụng FET SPF 3043 ... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.16 Kết quả mô phỏng tham số S21 và S11 ........... Error! Bookmark not
defined.

Hình 3.17 Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng vswr (S11) Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.18 Mạch thực tế của bộ LNA dùng SPF 3043 ...... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.19 Tham số S21 tại tần số 2.45 GHz (SPF 3043) . Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.20 Tham số S11 tại tần số 2.45 GHz (SPF 3043) .. Error! Bookmark not
defined.

8


Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý bộ tạo dao động dùng SPF 3043 .. Error! Bookmark
not defined.
Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý bộ trộn cao tần sử dụng SPF 3043 .................. Error!
Bookmark not defined.

9


LỜI MỞ ĐẦU
 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Theo thời gian các phƣơng thức thông tin liên lạc đƣợc cải tiến hơn, từ sử
dụng khói lửa, chim bồ câu đƣa thƣ cho đến máy vi tính để đạt hiệu quả cao hơn
trong giao tiếp. Xã hội càng phát triển nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng
tăng. Việc dùng sóng ngắn để truyền thông tin phát triển từ thế kỷ 20 cho đến
nay nhằm đáp ứng nhu cầu tƣơng tác giữa con ngƣời với con ngƣời và giữa các
thiết bị với nhau ở khoảng cách xa mà không cần dây nối.
Ngày này thông tin vô tuyến dùng sóng ngắn rất hữu dụng, cơ chế truyền
lan của sóng vô tuyến trong khí quyển Trái đất giúp tầm liên lạc đạt xa nhất có

thể. Thông tin vô tuyến có nhiều ứng dụng cho phát thanh, thông tin liên lạc tầm
xa với tàu biển, máy bay hay giúp các khu vực hiểm trở nhƣ vùng núi, hải đảo
có thể tiếp cận các dịch vụ thông tin không dây hay vô tuyến khác.
Đặc biệt, thông tin vô tuyến trên mặt đất trong dải băng tần S từ 2 - 4
GHz có nhu cầu sử dụng lớn với nhiều ứng dụng nhƣ radar thời tiết, radar tàu
biển, thông tin vệ tinh (phát thanh số vệ tinh, phát quảng bá di động đa phƣơng
tiện, giáo dục từ xa), thiết bị phổ (điện thoại di động, tai nghe không dây,
bluetooth),…
Nhận thấy tính hữu dụng và cần thiết của thông tin vô tuyến trong dải
băng tần S, luận văn tập trung vào thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế
tạo tuyến thu cao tần băng S dùng cho hệ thống thông tin vô tuyến”

 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Trong thế chiến thứ II radar đƣợc sử dụng chủ yếu trong quân sự. Nhƣng
sau đó radar đƣợc cải thiện rất nhiều để sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhƣ:
kiểm soát không lƣu, theo dõi thời tiết, thuật đo sao và kiểm soát tốc độ đƣờng.

10


Không còn là công cụ độc quyền của riêng quân đội, radar đã thâm nhập vào
cuộc sống hiện đại vì radar thế hệ mới nhỏ hơn, rẻ hơn, dễ sản xuất hơn và
mạnh hơn. Sóng radar càng ngắn cần nguồn năng lƣơng cao và định hƣớng,
ngoài ra chúng dễ bị hấp thụ bởi vật thể nhỏ. Vì thế luận văn tập trung vào định
hƣớng nghiên cứu tuyến thu cao tần băng S cho thông tin vô tuyến, cụ thể tại
tần số 2.45 GHz có nhiều ứng dụng cho radar.

 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trong khi thực hiện đề tài, các phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng:
 Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: phân tích, tổng hợp lý thuyết, đồng

thời xử lý tài liệu liên quan về thiết kế mạch điện siêu cao tần, nghiên cứu
phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS 2009.
 Phƣơng pháp mô phỏng: quan sát khoa học nhằm hiểu rõ tuyến thu siêu
cao tần, từ đó thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp, bộ dao động tại chỗ và
bộ trộn cao tần với các thông số phù hợp bằng phần mềm ADS 2009
 Phƣơng pháp chế tạo: dựa trên kiến thức lý thuyết, mô phỏng và thực tế
để gia công mạch khuếch đại tạp âm thấp, bộ dao động tại chỗ và bộ trộn
cao tần.

 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu tuyến thu thông tin vô tuyến
- Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng
- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng ADS 2009 và transitor SPF 3043 và
SPF 2086

 Thiết kế hệ thống
- Thiết kế và mô phỏng mạch mở rộng dải thông
- Thiết kế layout cho mạch khuếch đại tạp âm thấp, bộ dao động tại chỗ và
bộ trộn
11


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
1. Bạch Gia Dƣơng (2013), Trƣơng Vũ Bằng Giang, Kỹ thuật siêu cao
tần, NXB ĐHQGHN
2. Nguyễn Kim Giao (2006), Kỹ thuật diện tử số, NXB ĐHQGHN
3. Trần Văn Khẩn, Đỗ Quốc Trinh, Đinh Thế Cƣờng (2006), Cơ sở kỹ
thuật thông tin vô tuyến, Học viện kỹ thuật quân sự.

4. PGS.TS Trần Quang Vinh – Ths. Chử Văn An (2005), Nguyên lý kỹ
thuật điện tử, NXB giáo dục, Hà Nội.
Tài liệu tiếng Anh
5. W. Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons,
Inc.
6. David M.Pozar (2005), Microwave engineering, John Wiley & Sons,
Inc.
7. Guillermo Gonzalez, Microwave transistor amplifiers, Upper Saddle
River, New Jersey 07457
8. Trần Văn Hội, Bạch Gia Dƣơng (2013), “Study and design of wide
band low noise amplifier operating at C band”, VNU Journal of
Mathematics – Physics, Vol. 29, (No. 2), pp16-24

12


13