Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống viba băng X

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------ -----------------------------------------------------

LÂM HOÀNG TRUNG

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI
CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG VIBA BĂNG X

RESEARCH AND DESIGN OF POWER AMPLIFIER
FOR X-BAND MICROWAVE SYSTEMS
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông
Mã Ngành:

60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.Hồ Chí Minh tháng 06 năm 2017


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. TRỊNH XUÂN DŨNG

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. MAI LINH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 06 tháng 7
năm 2017.
Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. GS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG
2. TS. LƯU THANH TRÀ
3. TS. TRỊNH XUÂN DŨNG
4. TS. MAI LINH
5. TS. NGUYỄN THANH HẢI
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn
đã được sửa chữa .
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Trưởng Khoa Điện - Điện tử

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bãngX


GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀÓ TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
...................... 0O0 ......................

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: LÂM HOÀNG TRUNG

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 17 - 11 - 1983

Nơi sinh: Kiên Giang

Ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông

MSHV: 7141000

I. TÊN ĐỀ TÀI: “ NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG

SUẤT CHO HỆ THỐNG VIBA BĂNG X ”
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: (Yêu cầu nội dung và số liệu ban đầu):

Thiết kế được module khuyếch đại công suất băng X hoạt động tốt ở tần số 8050 MHz,
công suất ngõ ra PldB > 20dBm, Gain > 10 dB. Lắp đặt và phát thử nghiệm trên hệ
thống viba ABE CARAVAGGIO(BG) ITALY.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 15/08/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

16/06/2017

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẨN : TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG
Tp.HCM, ngày 16 tháng 06 năm 2017
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bãngX


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

LỜI CẢM ƠN
-------- & ---------

Đầu tiên, cho phép tôi được gởi lời cảm ơn sâu sẳc đến Thầy hướng dẫn khoa
học TS. Huỳnh Phú Minh Cường. Thầy là người luôn theo sát tôi trong quá trình
làm luận văn, Thầy đã tận tình chỉ bảo, đưa ra những vẩn đề cốt lõi giúp tôi củng
cổ lại kiến thức và có định hướng đúng đẳn để hoàn thành luận văn này. Sự quan
tâm từ Thầy luôn là nguồn động lực tạo cho tôi cổ gang và nỗ lực vượt qua thời
gian nghiên cứu ban đầu đầy khó khăn của mình. Với lòng kính mến, tôi sẽ luôn nhớ
và trăn trọng những hướng dẫn và gợi ỷ rất chuyên môn và đặc là biệt sự thân thiện
của Thầy là niềm thúc đẩy tinh thần trên con đường nghiên cứu khoa học sau này
của tôi nhằm góp phần phục vụ cơ quan cũng như xã hội sau này.
Tiếp đến, tôi xin được gởi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô đã và đang
giảng dạy tại trường Đại Học Bách Khoa-TpHCM đặc biệt là các thầy cô Bộ môn
Viễn thông đã giúp tôi có được những kiến thức cơ bản để thực hiện luận vãn 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, tôi cũng xin cảm ơn anh em đi trước trong lĩnh vực siêu cao tần
cùng với gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã luôn quan tăm, động viên và giúp đỡ tạo

điều kiện cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn !

TP. Hồ Chi Minh, ngày 16 tháng 6 năm 2017.
LÂM HOÀNG TRUNG

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bãngX


GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

TÓM TẮT
Bộ khuếch đại công suất siêu cao tần đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế, phát triển và
hiệu suất tổng thể của hệ thống truyền dẫn Viba băng X. Hoạt động trong dãy tần số cao từ 8GHz
đến 12GHz. Mục đích chính của bộ khuếch đại công suất siêu cao tần là làm cho tín hiệu vô tuyến
có đủ công suất để truyền thông tin qua không khí từ máy phát đến máy thu trong hệ thống truyền
dẫn ViBa và yêu cầu của bộ khuếch đại là phải nâng cao công suất đầu ra, hiệu suất và băng thông.
Trong luận văn này, mạch khuyếch đại công suất hoạt động ở tần số 8.5 Ghz được thiết kế và thi
công với GaAs transistor và mô phỏng bằng phần mềm Agilent Advanced Design System.
Các yêu cầu cho thiết kế là:
✓ Băng thông: 1 GHz (8-9 GHz)

/ Công suất ngỏ ra lớn nhất (PidB): > 20 dBm
✓ Độ lợi > 10 dB

/ Phản xạ ngỏ vào (SI 1): < -7 dB
/ Phản xạ ngỏ ra (S22): < -7 dB
✓ K> 1

Từ khóa: Mạch khuếch đại siêu cao tần, X-band, Advanced Design System.

ABSTRACT
Microwave Power Amplifier play a crucial role in the design, development and overall performance
of X-BAND microwave communication systems. It is a high frequency range typically from 8GHz
to 12GHz The main purpose of a Microwave Power Amplifier is to make radio signal to have
enough power for transmitting information through the ah from the transmitter to receiver in
microwave communication systems and requirements of power amplifiers is improvements in
output power, efficiency and bandwidth. In this thesis, a power amplifier operating at 8.5 Ghz is
designed and realized using a GaAs transistor and schematic by Agilent Advanced Design System
software.
The specifications for the design are:
✓ Bandwidth: 1 GHz (8-9 GHz)

/ Maximum output power (P|dB): > 20 dBm
/ Gain > 10 dB
/ Input Return Loss (SI 1): < -7 dB
/ Output Return Loss (S22): < -7 dB
✓ K>1

Keywords: Microwave Power Amplifier, X-band, Advanced Design System.

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bãngX


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.

Lâm Hoàng Trung

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bãngX


GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1
Giới thiệu đề tài.

1

1.2 Tính cấp thiết đề tài.

3

1.3 Đối tượng nghiên cứu.

4

1.4 Hướng giải quyết đề tài.

5

1.5 Các công trình liên quan.

5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Lý thuyết ViBa

8

2.1.1 Tổng quan

8

2.1.2

Phân Loại ViBa

2.1.3

Phương trình cân bằng công suất trong tính toán đường truyền

ViBa[5].
2.2. Lý thuyết đường dây truyền sóng [6].
2.2.1 - Các thông số tuyến tính của đường truyền

10

11
13
13

2.2.2

- Hệ số truyền sóng

14

2.2.3

- Trở kháng đặc tính

14

2.2.4

- Hệ số phản xạ

14

2.2.5

- Hệ số sóng đứng (VSWR - Voltage Standing Wave Ratio)

14

2.3 Đường truyền vi dải (Microstrip line)[7], chapter 3.
2.3.1 Định nghĩa
2.3.2

Suy hao trên đường truyền vi dải

2.4 Các thông số của mạch siêu cao tần. [8] chapter 2.
2.4.1 Hệ số Nhiễu

15
15
15
16
16

2.4.2

Méo Phi Tuyến (Nonlinear Effect)

17

2.4.3

Độ lợi bị bảo hòa (gain reduce)

18

2.5 Hệ số khuyếch đại và hiệu suất của mạch.

19

2.6 Tính ổn định hệ thống.

22

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bãngX


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

2.7 Phối hợp trở kháng cao tần[7], chapter 5

23

2.8 Transistor siêu cao tần .

24

2.9 Mạch khuếch đại công suất siêu cao tần.

25

CHƯƠNG 3 :THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ LẤP RÁP PHÁT THỬ NGHIỆM
MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHO HỆ THÔNG VIBA BĂNG X
3.1
Lưu đồ thiết kế mạch khuếch đại công suất.

31

3.2 Yêu cầu thiết kế

32

3.3 Linh kiện và phần mềm

32

3.3.1 Transistor

32

3.3.2

Mạch in (PCB)

34

3.3.3

Điện trở, tụ DC-Block và lổ xuyên lớp.

34

3.4 Tính ổn định của transistor

36

3.5 Đường dây chặn cao tần (RF choke)

38

3.6 Mạch phối hợp trở kháng (PHTK)

41

3.7 Mô phỏng mạch khuếch đại công suất

46

3.8 Thi công và đo đạc thực tế

50

3.9 Lắp ráp và phát thử nghiệm trên hệ thống ViBa ABE 8050MHz

54

CHƯƠNG 4:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1 Kết luận

63

4.2 Hướng phát triển của đề tài

64

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bãngX

65


GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

DANH MỤC HÌNH VẼ
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
Hình 1.1: Hệ thống Viba tiếp sóng: trạm Trung tâm (a), Trạm Phú Quốc (b),
Trạm Kiên Lương (hòn Phụ Tử) (c), Trạm Hòn Tre (d). ______________________ 2
Hình 1.2: Sơ đồ khối ViBa ABE PM7 - 8050GHz. ________________________________ 4
Hình 1.3: Mạch PA băng X, tác giả Robert Robinsson______________________________ ố
Hình 1.4: Mạch PA băng X, tác giả ALỈ ÍLKER iạiK ______________________________ 6
Hình 1.5: Mạch PA wideband, tác giả Muhammed Hakan Yilmaz. ____________________ 7

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.1: Tuyến ViBa đơn giản nhất bao gồm 2 trạm đầu cuối _______________________ 10
Hình 2.2: Thông số máy phát thu của hệ thống Viba ABE __________________________ 12
Hình 2.3: (a)Định nghĩa dòng và thế trong đường dây truyền sóng, (b)mạch điện tập trung
tương đương.___________________________________________________ 13
Hình 2.4: Microstrip line, (a) Hình dạng vật lý, (b) điện và từ trường. _________________ 15
Hình 2.5: Hiện tượng Spectral regrowth. ________________________________________ 18
Hình 2.6: Điểm nén PldB và IP3. _______________________________________________ 19
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạng 2 cửa __________________________________________ 20

Hình 2.8: Giải pháp nâng cao độ ổn định mạch ___________________________________ 22
Hình 2.9: Mạch phối hợp trở kháng ngõ vào và ra trong mạch khuếch đại cao tần. _23
Hình 2.10: Phân loại Transistor siêu cao tần______________________________________ 24
Hình 2.11: Mạch khuếch đại lớp A _____________________________________________ 25
Hình 2.12: Mạch khuếch đại lớp B ____________________________________________ 27
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bãngX


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

Hình 2.13: (a) Mạch khuếch đại lớp C và (b) dạng sóng của nó. ______________________ 27
Hình 2.14: (a) Mạch khuếch đại lớp E và (b) dạng sóng của nó ______________________ 28
Hình 2.15: (a) Mạch khuếch đại lớp F và (b) dạng sóng của nó _______________________ 29

CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ LẤP RÁP PHÁT THỬ NGHIỆM MẠCH KHUẾCH
ĐẠI CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG VIBA BĂNG X
Hình 3.1: Giao diện phần mềm ADS 2011 ______________________________________ 30
Hình 3.2: Lưu đồ thiết kế mạch khuếch đại công suất ______________________________ 301
Hình 3.3: Thông số của transistor FSX027WF ____________________________________ 32
Hình 3.4: Thông số SP của transistor FSX027WF. ________________________________ 33
Hình 3.5: Thông số phân cực transistor FSX027WF. _______________________________ 33
Hình 3.6: Thông số PCB Isola640-280 _________________________________________ 34
Hình 3.7: Tụ cao tần SMD và Model thực tế. _____________________________________ 35
Hình 3.8: Điện trở cao tần SMD và Model thực tế. ________________________________ 35
Hình 3.9: Lổ xuyên lớp. (a) mô phỏng EM, (b) trở kháng tại tần số 8.1 Ghz _____________ 35
Hình 3.10: Hệ K, p. và p.prime của transistor FSX027WF. __________________________ 36
Hình 3.11: (a) Vòng tròn ổn định ngõ vào, (b) Vòng tròn ổn định ngõ ra. _______________ 37

Hình 3.12: Mạch ổn định. ___________________________________________________ 37
Hình 3.13: Phần mềm LineCalc _______________________________________________ 38
Hình 3.14: RFC butterfly stub kết hợp dây A/4 (a) 50ÍÌ và (b) 90 fl. __________________ 38
Hình 3.15: Trở kháng ngõ vào RFC dây A/4 (a) 90 íì, (b) 50 íl. ______________________ 39
Hình 3.16: RFC A/4 90 íì, (a) mô phỏng EM, (b) thông số S11. ______________________ 40
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý mạch PHTK ________________________________________ 41
Hình 3.18: (a) SPNFGainMatchK trong ADS, (b) kết quả tính toán. ___________________ 42
Hình 3.19: Phối hợp trở kháng ngõ vào dạng: (a) Shunt Stub, (b) Multisection
Transmission Lines. __________________________________________________ 43
Hình 3.20: Phối hợp trở kháng ngõ ra dạng: (a) Shunt Stub, (b) Multisection
Transmission Lines. __________________________________________________ 44
Hình 3.21: Mạch phối hợp trở kháng dùng đường dây truyền sóng lý tưởng, (a) mạch nguyên lý,
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bãngX


GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

(b) thông số tán xạ . _____________________________________________ 45
Hình 3.22: Các connector trong schematic _______________________________________ 46
Hình 3.23: Mạch khuếch đại công suất dạng schematic. ____________________________ 47
Hình 3.24: Kết quả mô phỏng Schematic Sil, S21, s22, S12 __________________________ 47
Hình 3.25: Mạch PA: (a) layout, (b) EM ________________________________________ 48
Hình 3.26: Kết quả mô phỏng EM (a) Sil, S21, s22, S12_, (b) K, ụ, ụprime ______________ 49
Hình 3.27: PCB layout chuẩn Gerber mạch khuếch đại công suất. ____________________ 50
Hình 3.28: Mạch thực tế thi công trên PCB ISOLA640 ____________________________ 50
Hình 3.29: Phân cực nguồn cho Transistor và đo thực tế. ___________________________ 51
Hình 3.30: Đo độ lợi PA: (a) setup, (b) đo thực tế. _________________________________ 52
Hình 3.31: Băng thông 3 dB (1.9 Ghz) __________________________________________ 53

Hình 3.32: Đo thông số s với máy VNA (a) đo thực tế, (b) kết quả. ___________________ 54
Hình 3.33: So sánh kết quả mô phỏng và đo thực tế K, S11, S21, s22, S12._______________ 56
Hình 3.34: Đo công suất ngõ ra PldB. (a) Setup, (b) kết quả __________________________ 57
Hình 3.35: Đồ thị điểm nén công suất ldB ngõ ra (Pids). ____________________________ 58
Hình 3.36: (a) lắp PA vào transmitter ViBa, (b) chỉnh nguồn phân cực PA. _____________ 59
Hình 3.37: (a) Lắp tải (angten), (b) cấp nguồn và tín hiệu cho PA. ____________________ 60
Hình 3.38: Định vị tọa độ và chỉnh góc ngẩng. ___________________________________ 60
Hình 3.39: TT phát sóng Hòn Me cách máy phát ViBa 25km.________________________ 61
Hình 3.40: Tín hiệu thu tại trung tâm Phát Sóng Hòn Me. (a) tín hiệu thu từ vệ tinh,
(b) tín hiệu thu từ máy phát ViBa. _______________________________________ 61

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống VỈBa bãngX


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu đề tài
Ngày nay, khoa học kỹ thuật trên Thế Giới có nhiều tiến bộ, nhiều thành tựu đáng kể nhất là lĩnh
vực khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin, phát thanh truyền hình... đã và đang phát triển rất
mạnh. Các thiết bị điện tử ngày càng tinh gọn, siêu nhỏ nhưng tính năng và hiệu quả làm việc
của chúng thì rất cao và bền. Một trong các hệ thống đó là truyền dẫn sóng vô tuyến Viba được
sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: Phát Thanh Truyền Hình, truyền tin, an ninh, viễn thông,...
Các hệ thống vô tuyến viba tiếp sức mặt đất (terrestrial radio-relay) có dung lượng thấp đến cao,
có khả năng truyền dẫn tín hiệu thay thế các tuyến cáp đồng trục, quang trong các mạng nội hạt
mà địa hình phức tạp với thời gian triển khai tương đối thấp, tính cơ động cao trong điều kiện địa
hình hiểm trở rừng núi biển đảo với cự ly truyền dẫn lên đến 60 km.

Kiên Giang là tỉnh cuối cùng Tây Nam nước ta có địa hình phức tạp: đồi núi, biển đảo, biên
giới,... nên việc truyền tải thông tin địa phương trên sóng phát thanh truyền hình đến người dân
gặp rất nhiều khó khăn. Vì thế Đài Phát Thanh và Truyền Hình Kiên Giang đã xây dựng trạm
phát sóng trung tâm (10kW) trên đỉnh núi Hòn Me (Hòn Đất - Kiên Giang) cùng với các trạm
tiếp sóng (500W) ở huyện đảo, biên giới: Hòn Tre, Phú Quốc, Kiên Lương, Hà Tiên nhằm đáp
ứng truyền tải thông tin chính trị, xã hội, kinh tế, địa phương,... kịp thời và liên tục đến người dân
huyện đảo, biên giới và ngư dân đang đánh bắt trên vùng biển Kiên Giang.

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

(a)

(b)
Hình 1.1: Hệ thống Viba tiếp sóng: trạm Trung tâm (a), Trạm Phú Quốc (b),
Trạm Kiên Lương (hòn Phụ Tử) (c), Trạm Hòn Tre (d).
Tuy nhiên do địa lý hiểm trở nên đến nay việc đưa tín hiệu truyền hình đến các trạm tiếp sóng
vẫn chưa có đường cáp quang truyền dẫn mà phải sử dụng thiết bị truyền dẫn Viba. Các hệ thống
truyền dẫn viba phụ thuộc rất nhiều vào công suất phát nhằm đáp ứng yêu cầu khoảng cách truyền
dẫn thông tin đến các trạm tiếp sóng truyền hình. Chính vì lý do này nên tôi chọn đề tài nghiên
cứu thiết kế mạch công suất cho hệ thống Viba, làm chủ công nghệ thiết kế nhằm đưa tín hiệu
truyền hình vươn xa hơn ra các đảo nhỏ và vùng biên giới hiểm trở đến nay vẫn chưa được phủ
sóng Phát Thanh Truyền Hình phục vụ nhu cầu thông tin cho người dân.
1.2 Tính cấp thiết đề tài
Ở Việt Nam hiện nay các thiết bị truyền dẫn Viba băng X đa số là nhập từ nước ngoài với giá

thành rất cao, do rào cản về chính trị nên thủ tục nhập khẩu phức tạp và mất rất nhiều thời gian.
Cùng với điều kiện khí hậu khắc nghiệt ở vùng biên giới hải đảo tỉnh Kiên Giang hàng năm
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

thường xuyên xảy ra giông bão, sương muối, sấm sét,... cho nên khi vận hành thực tế hệ thống
Viba thường xuyên hư hỏng phần lớn là module công suất. Việc gởi thiết bị đi sửa chữa và thay
thế module tốn kém chi phí và thời gian làm gián đoạn phát sóng truyền hình ảnh hưởng đến
truyền tải thông tin, tin tức đến người dân địa phương gây ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống
kinh tế chính trị của địa phương.

Chính vì những khó khăn trên nên đề tài hướng đến việc nghiên cứu và thiết kế mạch công suất
X-band thay thế cho hệ thống Viba truyền dẫn. Nhằm làm chủ công nghệ sản xuất các module
công suất cao tần góp phần rất quan trọng trong việc sửa chữa bảo trì các hệ thống truyền dẫn
Viba của tỉnh nhà, đảm bảo truyền dẫn thông tin liên tục trong lĩnh vực Phát Thanh Truyền Hình
và hệ thống Viễn Thông. Và đây cũng là tính cấp thiết của đề tài nhằm giảm sự phụ thuộc vào
các chuyên gia nước ngoài cũng như nhập các module công suất, chủ động thiết kế dự phòng để
thay thế kịp thời module công suất khi sự cố xảy ra góp phần tiết kiệm chi phí và thời gian cho
cơ quan đơn vị.

Sơ đồ cơ bản của hệ thống viba ABE CARAVAGGIO(BG)ITALY PM7 8050MHz (hìnhl.2) mà
Đài Phát Thanh truyền hình Kiên Giang đang sử dụng và vị trí mạch công suất (PA) của hệ thống.

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X

GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

Hình 1.2: Sơ đồ khối ViBa ABE PM7 - 8050GHz.
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Ở Việt Nam hiện nay còn sử dụng rất nhiều hệ thống truyền dẫn Viba để truyền thông tin. Tất cả
các kỹ thuật trong một hệ thống đều là các mảng kỹ thuật riêng biệt được kết hợp với nhau để tạo
thành một hệ thống hoàn chỉnh chất lượng cao nhưng phức tạp. Đóng vai trò không thể thiếu của
hệ thống là bộ thu phát sóng. Tín hiệu phát đi phải là các tín hiệu vô tuyến, với khả năng di động
cao, tín hiệu phát phải đủ mạnh giảm thiểu tác động môi trường, và truyền được xa. Chính điều
này dẫn đến việc phát triển bộ khuếch đại cộng suất với yêu cầu ngày càng nhỏ gọn, hệ số khuếch
đại cao, công suất ngõ ra đủ lớn là rất cần thiết. Trong giới hạn thời gian của một luận văn thạc
sĩ, đề tài sẽ không đi sâu nghiên cứu chế tạo toàn bộ hệ thống mà sẽ chọn đi sâu nghiên cứu chế
tạo bộ khuếch đại công suất siêu cao tần X- band với tần số trung tâm 8.5Ghz và yêu cầu đảm
bảo về công suất phát nhằm đạt

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X



GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

được khoảng cách truyền dẫn mong muốn 30km. Để thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ
thống phát Viba truyền dẫn tín hiệu, ta cần nắm vững các kiến thức sau:

Hệ thống Viba số truyền dẫn tín hiệu, suy hao trong điều kiện tự do
Kỹ thuật siêu cao tần: độ lợi, suy hao, linh kiện cao tần, mạch siêu cao tần,...

Sử dụng phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS, đường dây truyền sóng Appcad,
phối hợp trở kháng Smithchart, EM Momentum
Gia công mạch thực tế, dùng thiết bị đo đạt so sánh yêu cầu đặt ra.

1.4 Hướng giải quyết đề tài
Luận văn sẽ chọn phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu với các thí nghiệm và kết quả đo đạc
trên mạch được chế tạo thực tế. Các kết quả thực nghiệm sẽ được so sánh với kết quả tính toán
lý thuyết và mô phỏng. Cuối cùng, kết nối tín hiệu RF của bộ điều chế của máy phát Viba với
ngõ vào của bộ khuếch đại công suất để phát thử nghiệm với các khoảng cách yêu cầu đặt ra và
đánh giá hiệu quả của toàn bộ đề tài.
Trong khuôn khổ luận văn này sẽ tập trưng vào một số vấn đề trọng tâm của đề tài đặt ra. Nghiên
cứu về hệ thống máy phát Viba tìm hiểu phương pháp tính toán suy hao trên đường truyền để chế
tạo bộ khuếch đại công suất X-band có công suất phát phù hợp nhằm đạt được khoảng cách truyền
mong muốn. Cuối cùng đưa ra các giải pháp để thiết kế chế tạo một hệ thống thực tế để thử
nghiệm và so sánh với các kết quả mô phỏng và tính toán.

1.5 Các công trình liên quan
Mạch khuếch đại công suất là một thành phần không thể thiếu đối với các hệ thống máy phát
Viba với yêu cầu công suất đủ lớn để truyền dẫn tín hiệu đi xa. Trong thực tế, đã có nhiều đề tài
nghiên cứu, thiết kế mạch khuếch đại công suất băng X.
Trong đề tài nghiên cứu [1], tác giả Robert Robinsson đã giới thiệu mạch khuếch đại công suất
dạng Balance Power Amplifier, công suất 50 w ở tần số 9 GHz.

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X

5



GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

66 mm
Hình 1.3: Mạch PA băng X, tác giả Robert Robinsson
Trong đề tài [2] mạch khuếch đại công suất X - band dùng GAN ửansistor, 20W tần số 10Ghz
của tác giả ALÍ ÍLKER I§IK.

Hình 1.4: Mạch PA băng X, tác giả ALỈ ỈLKER I§IK
Hay đề tài [3] mạch khuếch đại công suất wideband low của tác giả Muhammed Hakan Yilmaz.

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

Hình 1.5: Mạch PA wideband, tác giả Muhammed Hakan Yilmaz.
Và đề tài [4] “3 w X-Band Monolitic Variable Gain Amplifier”, của tác giả R.B Culbertson và
Zimmerman sử dụng trong chế tạo MMIC.
Những nghiên cứu trên được đăng khá nhiều trên các tạp chí IEEE hay các hội nghị quốc tế về
siêu cao tần. Còn ở Việt Nam, việc nghiên cứu thiết kế các mạch khuếch đại công suất siêu cao
tần còn khá khiêm tốn, chủ yếu tập trung vào việc mô phỏng. Do đó, tôi đã chọn đề tài thiết kế
mạch khuếch đại công suất băng X dùng cho hệ thống Viba truyền dẫn tín hiệu. Trong luận văn
này, tôi tập trung nghiên cứu việc thiết kế mạch khuếch đại công suất ở băng tần X (8 đến 12
Ghz) với tần số trung tâm 8.5 GHz để truyền dẫn thông tin giữa 2 trạm với khoảng cách yêu cầu
30km. Mạch công suất này ngoài việc phục vụ cho máy phát Viba còn phục vụ cho các ứng dụng
khác như: rada, y học,....

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X



GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

CHƯƠNG 2
Cơ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Lý thuyết ViBa
2.1.1 Tổng quan
Từ tiếng Anh microwave có nghĩa là sóng cực ngắn hay ViBa theo cách dịch qua tiếng Trung
Quốc. Từ ViBa được sử dụng chung cho các hệ thống vệ tinh, di động hay vô tuyến tiếp sức mặt
đất, song ở nước ta từ ViBa đã được sử dụng từ trước để chỉ các hệ thống vô tuyến tiếp sức. Do
đó, hiện nay trong các tài liệu kỹ thuật của ta, nói ViBa là nói tới hệ thống vô tuyến tiếp sức mặt
đất.
Tổng quan về phân chia các băng tần

LI

ò

LI

è

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X

8

GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

Thông tin siêu cao tần làm việc ở dải sóng cực ngắn dùng để truyền tín hiệu có dải tần rộng, về
lý thuyết, dải sóng dùng cho các hệ thống ViBa là từ 60MHz cho tới 60/80GHz. Trong thực tế,
đối với các hệ thống ViBa ở dạng thưomg phẩm thường làm việc trên dải sóng từ 60MHz đến 20
GHz, các hệ thống công tác với dải tần số cao hom (60:80 GHz) hiện vẫn đang còn trong giai
đoạn thử nghiệm. Do có dải tần làm việc rất rộng và cao so với thông tin cao tần vì vậy được sử
dụng làm phưomg tiện truyền dẫn chính trong viễn thông công cộng siêu ngắn.

Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huvnh Phú Minh Cường

HVTH: Lâm Hoàng Trung

(

1A

Hình 2.1: Tuyến ViBa đơn giản nhất bao gồm 2 trạm đầu cuối
2.1.2. Phân Loại ViBa
Phụ thuộc vào tốc độ bít của tín hiệu cần truyền, các thiết bị vô tuyến phải được thiết kế, cấu tạo
phù hợp để có khả năng truyền dẫn các tín hiệu đó. Có thể phân loại như sau:
- ViBa số băng hẹp (tốc độ thấp); được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ 2Mbit/s, 4

Mbit/s và 8 Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 30 kênh, 60 kênh và 120 kênh. Tần
số sóng vô tuyến (0,4 - 1,5) GHz.
- ViBa số băng trung bình (tốc độ trung bình): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ từ
(8-34) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 120 đến 480 kênh. Tần số sóng vô tuyến
(2 - 6) GHz.
- ViBa số băng rộng (tốc độ cao): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ từ (34-140)
Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 480 đến 1920 kênh. Tần số sóng vô tuyến 4, 6,
8, 12GHz.
2.1.3

Phương trình cân bằng công suất trong tính toán đường truyền ViBa[5]:
Pr = Pt + G-íB [dB]

Pt: Công suất máy phát (dBm)
G: Độ lợi anten(dB)
LdB: Suy hao trong không gian tự do
Pr: Mức đầu vào của máy thu(dBm)
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X

(2.1)