Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tần ở băng x

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN MINH NGỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP
ÂM THẤP TÍN HIỆU SIÊU CAO TẦN BĂNG X

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN MINH NGỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP
ÂM THẤP TÍN HIỆU SIÊU CAO TẦN BĂNG X
Ngành: Công nghệ điện tử viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BẠCH GIA DƢƠNG

Hà Nội – 2015

3

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực
hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bạch
Gia Dương.
Các số liệu, kết luận của luận văn là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu những
mô hình, kết quả đã đạt được của các nước trên thế giới và trải nghiệm của bản thân,
chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước khi trình bày bảo vệ trước
“Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật”.
Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết.

Hà nội, Ngày tháng năm 2015

Người cam đoan

Trần Minh Ngọc


4

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, cho phép em được gởi lời cảm ơn sâu sắc đến
Thầy PGS.TS Bạch Gia Dương. Thầy là người luôn theo sát em
trong quá trình làm luận văn, Thầy đã tận tình chỉ bảo, đưa ra
những vấn đề cốt lõi giúp em củng cố lại kiến thức và có định
hướng đúng đắn để hoàn thành luận văn này.
Tiếp đến, em xin được gởi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy

Cô đã và đang giảng dạy tại trường Đại học Công nghệ - Đại học
Quốc gia Hà Nội đã giúp em có được những kiến thức cơ bản để
thực hiện luận văn này. Kính chúc Thầy Cô dồi dào sức khoẻ,
thành đạt, và ngày càng thành công hơn trong sự nghiệp trồng
người của mình.
Cuối cùng, em cũng xin cảm ơn gia đình, các anh chị,
bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ em trong thời gian
thực hiện luận văn tốt nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội

Trần Minh Ngọc


5

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................4
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................7
1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................7
2. Mục tiêu đề tài ........................................................................................................7
3. Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................................7
4. Nội dung nghiên cứu ..............................................................................................8
4.1 Nghiên cứu lý thuyết .........................................................................................8
4.2 Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp ...............................................................8
5. Kết cấu luận văn .....................................................................................................8
CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP X ...................9

1.1 Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA.....................................................9
1.2 Vị trí bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA .............................................................9
1.3 Lý thuyết cơ bản về tạp âm đối với mạng hai cửa ..........................................10
1.4 Hệ số tạp âm .......................................................................................................10
1.5 Dẫn nạp nguồn vào lí tƣởng .................................. Error! Bookmark not defined.
1.6 Hạn chế trong các phƣơng pháp tối ƣu hóa tạp âm thông thƣờng ......... Error!
Bookmark not defined.
1.7 Hệ số tạp và nhiệt độ .............................................. Error! Bookmark not defined.
1.8 Xây dựng mô hình mạng hai cực .......................... Error! Bookmark not defined.
1.9. Bộ LNA dải hẹp ..................................................... Error! Bookmark not defined.
1.9.1 Suy hao do điện cảm emitter ............................ Error! Bookmark not defined.
1.9.2 Tải collector ....................................................... Error! Bookmark not defined.
1.9.3 Phân cực............................................................ Error! Bookmark not defined.
1.10 Các thông số quan trọng của mạch khuếch đại LNA .... Error! Bookmark not
defined.
1.10.1 Hệ số tạp âm Noise Figure ........................... Error! Bookmark not defined.
a) Tạp âm nhiệt (Thermal Noise) ..................... Error! Bookmark not defined.
b) Shot Noise (Shottky Noise)............................ Error! Bookmark not defined.
c) Flicker Noise (1/f Noise) ................................ Error! Bookmark not defined.
d) Hệ số tạp âm Noise Figure (NF) ................... Error! Bookmark not defined.
1.10.2 Hệ số khuếch đại ........................................... Error! Bookmark not defined.
1.10.3 Tính ổn định của hệ thống ........................... Error! Bookmark not defined.


6
1.10.4 Độ tuyến tính ................................................. Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM
THẤP................................................................................. 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[5] David M. Pozar (1994), “Microwave Engineering” 3rd Edition
........................................................................................ 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.
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 ................................................ 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.
2.3.2.1 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây một phần tƣ bƣớc sóng .......... Error!
Bookmark not defined.
2.3.2.2 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ Error! Bookmark
not defined.
2.3.2.3 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp..... Error! Bookmark
not defined.
2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm ................. Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG III – MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI MẠCH .. Error! Bookmark not defined.
3.1 Lựa chọn phần mềm mô phỏng và linh kiện ....... Error! Bookmark not defined.
3.1.1 Lựa chọn chƣơng trình mô phỏng ................... Error! Bookmark not defined.
3.1.2 Lựa chọn tranzitor hỗ trợ thiết kế .................... Error! Bookmark not defined.
3.2 Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại .............. Error! Bookmark not defined.
3.2.1 Phƣơng pháp phối hợp trở kháng .................... Error! Bookmark not defined.
3.2.2 Tính toán mô phỏng thiết kế ............................ Error! Bookmark not defined.
3.2.2.1 Phối hợp trở kháng cho lối vào Zin .............. Error! Bookmark not defined.

3.2.2.2 Phối hợp trở kháng cho lối ra Zout ............... Error! Bookmark not defined.
3.2.2.3 Phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại .. Error! Bookmark not defined.
3.3 Chế tạo và đo đạc mạch khuếch đại ..................... Error! Bookmark not defined.


7
3.4 Hạn chế trong khi đo đạc mạch thực tế ............... Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN........................................................................ Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................11


8

LỜI MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, băng tần X có rất nhiều ứng dụng trong radar cảnh giới biển và hệ
thống thông tin vô tuyến với các ứng dụng rất thực tiễn như theo dõi thời tiết, kiểm
soát không lưu, kiểm soát giao thông hàng hải, radar bám mục tiêu cho quốc phòng và
đo tốc độ phương tiện cho cảnh sát.
Các bộ thu radar trên đòi hỏi ngày càng nhỏ gọn, tiếp nhận thông tin nhanh và
chính xác. Vì vậy, yêu cầu phần cứng cho các thiết bị này ngày càng gắt gao hơn.
Đóng vai trò là một bộ tiếp nhận thông tin, các thiết bị radar là một bộ thu phát sóng.
Tín hiệu thu được phải là các tín hiệu vô tuyến, biên độ tín hiệu thu được thường rất
nhỏ, trong môi trường đầy tạp âm, sóng nhiễu. Chính điều này dẫn đến việc phát triển
bộ Khuếch đại tạp âm thấp (LNA – Low Noise Amplifier), với yêu cầu ngày càng nhỏ
gọn, hệ số khuếch đại cao hơn là rất cần thiết.
Bài toán thiết kế, ứng dụng Bộ khuếch đại tạp âm thấp tại băng tần X trở nên cấp
thiết và có ý nghĩa quan trọng. Chính vì vậy, quyển luận văn “Nghiên cứu thiết kế chế
tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tầnbăng X” sẽ trình bày và cố gắng
làm rõ hơn các nguyên lý thiết kế, tìm hiểu mô phỏng, cách thức thi công mạch cứng

bộ LNA băng X.
2. Mục tiêu đề tài
Đề tài luận văn “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín
hiệu siêu cao tần băng X ” có hai mục tiêu lý thuyết và thực tiễn:
- Về lý thuyết:
+ Trình bày tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp;
+ Trình bày cơ sở lý thuyết thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp.
- Về thực tiễn:
+ Mô phỏng thiết kế đo đạc thông số bộ khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở
băng tần X dùng phần mềm ADS 2009;
+ Thực thi chế tạo,đo đạc sản phẩm thực tế mạch khuếch đại tạp âm thấp.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Để thực hiện chuyên đề trên, phương pháp nghiên cứu được sử dụng gồm:


9
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý
thuyết; cập nhật và xử lý tài liệu liên quan về thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp;
nghiên cứu phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS 2009;
- Phương pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện mô phỏng trên phần
mềm chuyên dụng ADS, sau khi đạt chỉ tiêu kỹ thuật sẽ tiến hành chế tạo sản phẩm
thực tế mạch khuếch đại tạp âm thấp băng X;
- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Sử dụng phương pháp quan sát khoa học để tìm
hiểu mạch khuếch đại tạp âm thấp đã có trên cơ sở đó thiết kế mạch khuếch đại tạp âm
thấp băng X với các thông số Gain, NF, phối hợp trở kháng tốt hơn.
4. Nội dung nghiên cứu
4.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu về tổng quan bộ khuếch đại tạp âm thấp;
- Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng trong kỹ thuật siêu cao tần

- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng ADS và tranzitor SPF 3043
4.2 Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp

- Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp băng X
- Thiết kế layout cho mạch khuếch đại
- Lắp ráp và đo thử nghiệm trên máy VECTOR NETWORK ANALYZER.
5. Kết cấu luận văn
Nội dung luận văn bao gồm ba chương:
Chương 1: Tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp X
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp
Chương 3: Mô phỏng và thực thi mạch


10

CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP X
1.1 Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA
LNA là chữ viết tắt của Low Noise Amplifier, là bộ khuếch đại tạp âm thấp.
- Biên độ các tín hiệu phát bằng vô tuyến đến phía đầu thu nhận được thường rất nhỏ.
Chính vì vậy cần có bộ khuếch đại tạp âm thấp để nhằm thu được các tín hiệu nhỏ
chính xác.
- Các mạch cao tần là phi tuyến, và rất nhạy cảm với nhiệt. Chính tạp âm này ảnh
hưởng rất nhiều trong quá trình thu và khôi phục lại tín hiệu dữ liệu,
- Việc khuếch đại thông thường giúp khuếch đại công suất tín hiệu, nhưng đồng thời
cũng khuếch đại tạp âm. Chính vì vậy, bộ LNA được dùng để khuếch đại tín hiệu cần
thiết để đạt được một độ lợi Gain (G) tốt nhất, đồng thời hạn chế tối đa khuếch đại Tạp
âm (Noise).
1.2 Vị trí bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA
Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA là rất cần thiết trong hệ thống thông tin di động
đặc biệt là bộ phận thu (Receiver).

Vị trí LNA đặt càng gần anten thu càng tốt, vì khi đó, tín hiệu vô tuyến thu được
từ anten – tín hiệu rất yếu (về công suất) – sẽ được khuếch đại thông qua LNA. Đồng
thời, với thiết kế đặc biệt, LNA sẽ khuếch đại công suất tín hiệu với mức tạp âm là tối
ưu. Lúc này hệ số tạp âm Noise Figure (NF) sẽ là thấp nhất. Từ đây, dựa vào công
thức Friiss hệ số tạp âm NF toàn máy thu sẽ là thấp nhất, do ảnh hưởng nhiều nhất từ
tầng khuếch đại đầu tiên.

Hình 1.1 Sơ đồ khối một phần bộ thu phát tín hiệu vô tuyến


11
1.3 Lý thuyết cơ bản về tạp âm đối với mạng hai cửa
Mục này trình bày bản thiết kế khái lược tạp âm trong mạng hai cửa. Việc tập
trung xây dựng mô hình hệ tạp âm loại này có thể giúp đơn giản hóa rất nhiều việc
phân tích, qua đó giúp ta hiểu rõ được ưu nhược điểm bên trong của bộ thiết kế.

Hình 1.2 Mô hình tạp âm hai cửa
1.4 Hệ số tạp âm
Hệ số tạp âm là đại lượng rất quan trọng trong việc xác định tạp âm của hệ thống
nói chung và máy thu nói riêng, thường được kí hiệu là F. Để định nghĩa và hiểu rõ
tầm quan trọng của đại lượng này, ta xem xét một mạng tạp âm 2 cửa (tuyến tính) lối
vào gồm có nguồn dẫn nạp Ys và nguồn dòng tạp âm song song is. Nếu chỉ quan tâm
tới tạp âm tại lối vào lối ra, ta cũng không cần thiết phân tích quá kỹ nguồn tạp âm gây
ra bên trong mạng 2 cửa. Tuy nhiên, các nguồn gây nhiễu này có thể biểu diễn đơn
giản chỉ bằng một cặp nguồn nhiễu ngoài: Nguồn thế và nguồn dòng. Chính nhờ điều
này, ta có thể dễ dàng đánh giá ảnh hưởng của dẫn nạp nguồn vào tới nhiễu của hệ
thống. Kết quả là, có thể xác định được tiêu chuẩn thiết kế thỏa mãn hiệu năng nhiễu lí
tưởng.
Hệ số tạp âm được định nghĩa bởi:
F ≡ (Tổng công suất tạp âm lối ra / Tạp âm lối ra gây bởi nguồn tạp âm lối vào)

(Nguồn thường đặt ở nhiệt độ phòng 290K)
(1.1)
Hệ số tạp âm dùng để đo sự suy giảm phẩm chất trong tỉ số tín/tạp của hệ và tỉ lệ
thuận với độ suy giảm phẩm chất này. Nếu một hệ thống (mạng 2 cửa) bản thân nó
không gây nhiễu, thì tổng công suất tạp âm lối ra phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn tạp
âm lối vào và do đó, hệ số tạp âm là bằng 1.
Trong hình 1.2, tạp âm được coi là lối vào của mạng 2 cửa không gây nhiễu nên
ta có thể tính đươc giá trị của hệ số tạp. Để tính toán trực tiếp dựa trên phương trình
(1.1), chúng ta cần thực hiện hai bước: Thứ nhất đo tổng công suất tạp âm ở lối ra, sau
đó bước thứ hai là chia kết quả nhận được cho công suất tạp âm gây ra bởi nguồn lối
vào. Một phương pháp tương tự và đơn giản hơn là đo dòng trung bình bình phương
ngắn mạch của các nguồn nhiễu sau đó chia cho tổng dòng trung bình bình phương
của nguồn nhiễu gây ra bởi lối vào. Với cùng hằng số tỉ lệ,công suất gây ra bởi nguồn
thành phần sẽ tỷ lệ thuận với dòng trung bình bình phương ngắn mạch, vì vậy mà
phương pháp trên là hoàn toàn tương đương.


12

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Bạch Gia Dương, Trường Vũ Bằng Giang, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB
ĐHQGHN
[2] Kiều Khắc Lâu, Cơ Sở Kỹ Thuật Siêu Cao Tần, NXB Giáo Dục
Tiếng Anh
[1] David M.Pozar, RFID AT ULTRAAND SUPER HIGHFREQUENCIES,
Roderick Riesco, MA, Member of the Instituteof Translation and Interpre ting,
UK
[2] Merrill I.Skolnik, RADAR HANDBOOK, Mc Graw Hill.
[3] W. Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc.

[4] David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc.