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 Thơng
Mã Ngành:

60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.Hồ Chí Minh tháng 06 năm 2017


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hồng Trung

CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. HUỲNH PHÚ MINH CƢỜNG

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

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. MAI LINH

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng 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 THƢỜNG
2. TS. LƢU 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 đƣợc 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 ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hoàng Trung

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-------------------

--------o0o-------

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 đƣợc module khuyếch đại công suất băng X hoạt động tốt ở tần số 8050
MHz, công suất ngõ ra P1dB ≥ 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 HƢỚNG DẪN : TS. HUỲNH PHÚ MINH CƢỜNG
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 ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hoàng Trung

LỜI CẢM ƠN
--------&-------Đầu tiên, cho phép tôi được gởi lời cảm ơn sâu sắc 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 vấn đề cốt lõi
giúp tôi củng cố lại kiến thức và có định hướng đúng đắn để hồn thành luận
văn này. Sự quan tâm từ Thầy ln là nguồn động lực tạo cho tôi cố gắng và nỗ
lực vượt qua thời gian nghiên cứu ban đầu đầy khó khăn của mình. Với lịng
kính mến, tơi sẽ ln nhớ và trân trọng những hướng dẫn và gợi ý 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 tơi 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 thơng đã giúp tơi 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
cơng 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 tâm, 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 Chí Minh, ngày 16 tháng 6 năm 2017.
LÂM HỒNG TRUNG

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


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hồng Trung

TĨM TẮT
Bộ khuếch đại cơng 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 cơng
suất siêu cao tần là làm cho tín hiệu vơ tuyến có đủ cơng suất để truyền thơng tin
qua khơng 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 đƣợc 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 (P1dB): ≥ 20 dBm
✓ Độ lợi ≥ 10 dB
✓ Phản xạ ngỏ vào (S11): ≤ -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 air 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 (P1dB): ≥ 20 dBm
✓ Gain ≥ 10 dB
✓ Input Return Loss (S11): ≤ -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 ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hoàng Trung

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Lâm Hồng Trung

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


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

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 tƣợng nghiên cứu.

4

1.4 Hƣớng giải quyết đề tài.

5

1.5 Các cơng 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

10

2.1.3 Phƣơng trình cân bằng cơng suất trong tính tốn đƣờng truyền
ViBa[5].
2.2. Lý thuyết đƣờng dây truyền sóng [6].

11
13

2.2.1 - Các thơng số tuyến tính của đƣờng truyền

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 Đƣờng truyền vi dải (Microstrip line)[7], chapter 3.

15

2.3.1 Định nghĩa

15

2.3.2 Suy hao trên đƣờng truyền vi dải

15

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

16

2.4.1 Hệ số Nhiễu

16

2.4.2 Méo Phi Tuyến (Nonlinear Effect)

17

2.4.3 Độ lợi bị bảo hòa (gain reduce)

18

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


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hoàng Trung

2.5 Hệ số khuyếch đại và hiệu suất của mạch.

19

2.6 Tính ổn định hệ thống.

22

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 LẮP RÁP PHÁT THỬ NGHIỆM
MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHO HỆ THÔNG VIBA BĂNG X
3.1 Lƣu 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 Đƣờng 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 Hƣớng 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 ViBa băng X

65


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

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 Lƣơng (hịn Phụ Tử) (c), Trạm Hịn 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 ________________________ 6
Hình 1.4: Mạch PA băng X, tác giả ALİ İLKER IŞIK ________________________ 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: Thơng số máy phát thu của hệ thống Viba ABE ___________________ 12
Hình 2.3: (a)Định nghĩa dịng và thế trong đƣờng dây truyền sóng, (b)mạch điện tập
trung tƣơng đƣơng. _____________________________________________ 13
Hình 2.4: Microstrip line. (a) Hình dạng vật lý, (b) điện và từ trƣờng. ___________ 15
Hình 2.5: Hiện tƣợng Spectral regrowth. __________________________________ 18
Hình 2.6: Điểm nén P1dB 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
Hình 2.13: (a) Mạch khuếch đại lớp C và (b) dạng sóng của nó. _______________ 27

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


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hồng Trung

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 LẮP RÁP PHÁT THỬ NGHIỆM MẠCH
KHUẾCH ĐẠI CƠNG SUẤT CHO HỆ THỐNG VIBA BĂNG X
Hình 3.1: Giao diện phần mềm ADS 2011 ________________________________ 30
Hình 3.2: Lƣu đồ thiết kế mạch khuếch đại cơng suất _______________________ 301
Hình 3.3: Thơng số của transistor FSX027WF _____________________________ 32

Hình 3.4: Thơng số SP của transistor FSX027WF. __________________________ 33
Hình 3.5: Thơng số phân cực transistor FSX027WF. ________________________ 33
Hình 3.6: Thơng 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, μ và μ prime của transistor FSX027WF. ____________________ 36
Hình 3.11: (a) Vịng trịn 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 λ/4 (a) 50Ω và (b) 90 Ω. ____________ 38
Hình 3.15: Trở kháng ngõ vào RFC dây λ/4 (a) 90 Ω, (b) 50 Ω. ________________ 39
Hình 3.16: RFC λ/4 90 Ω, (a) mô phỏng EM, (b) thông số S11._________________ 40
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý mạch PHTK _________________________________ 41
Hình 3.18: (a) SP_NF_GainMatchK trong ADS, (b) kết quả tính tốn. __________ 42
Hình 3.19: Phối hợp trở kháng ngõ vào dạng: (a) Shunt Stub, (b) Multisection
Transmission Lines. ____________________________________________ 43

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


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hồng Trung

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 đƣờng dây truyền sóng lý tƣởng. (a) mạch
nguyên lý, (b) thơng số tán xạ . ____________________________________ 45
Hình 3.22: Các connector trong schematic ________________________________ 46

Hình 3.23: Mạch khuếch đại cơng suất dạng schematic. ______________________ 47
Hình 3.24: Kết quả mơ phỏng Schematic S11, S21, S22, S12. ____________________ 47
Hình 3.25: Mạch PA: (a) layout, (b) EM __________________________________ 48
Hình 3.26: Kết quả mô phỏng EM (a) S11, S21, S22, S12., (b) K, μ, μprime ________ 49
Hình 3.27: PCB layout chuẩn Gerber mạch khuếch đại cơng suất. ______________ 50
Hình 3.28: Mạch thực tế thi cơng 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 thơng 3 dB (1.9 Ghz) ___________________________________ 53
Hình 3.32: Đo thơng 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 cơng suất ngõ ra P1dB. (a) Setup, (b) kết quả ___________________ 57
Hình 3.35: Đồ thị điểm nén công suất 1dB ngõ ra (P1dB). _____________________ 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 Hịn Me cách máy phát ViBa 25km. _________________ 61
Hình 3.40: Tín hiệu thu tại trung tâm Phát Sóng Hịn 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 ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hoàng Trung

CHƢƠNG 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 thơng tin, phát thanh truyền
hình… đã và đang phát triển rất mạnh. Các thiết bị điện tử ngày càng tinh gọn, siêu
nhỏ nhƣng tính năng và hiệu quả làm việc của chúng thì rất cao và bền. Một trong
các hệ thống đó là truyền dẫn sóng vơ tuyến Viba đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực: Phát Thanh Truyền Hình, truyền tin, an ninh, viễn thơng,… Các hệ thống
vơ tuyến viba tiếp sức mặt đất (terrestrial radio-relay) có dung lƣợng 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 tƣơng 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 nƣớc ta có địa hình phức tạp: đồi núi, biển
đảo, biên giới,… nên việc truyền tải thơng tin địa phƣơng trên sóng phát thanh
truyền hình đến ngƣời 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 Hịn Me (Hòn Đất - Kiên Giang) cùng với các trạm tiếp sóng (500W) ở huyện
đảo, biên giới: Hịn Tre, Phú Quốc, Kiên Lƣơng, Hà Tiên nhằm đáp ứng truyền tải
thông tin chính trị, xã hội, kinh tế, địa phƣơng,… kịp thời và liên tục đến ngƣời dân
huyện đảo, biên giới và ngƣ dân đang đánh bắt trên vùng biển Kiên Giang.

1
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

(a)

(b)

HVTH: Lâm Hồng Trung

(b)

(d)

Hình 1.1: Hệ thống Viba tiếp sóng: trạm Trung tâm (a), Trạm Phú Quốc (b),
Trạm Kiên Lƣơng (hòn Phụ Tử) (c), Trạm Hòn Tre (d).
Tuy nhiên do địa lý hiểm trở nên đến nay việc đƣa tín hiệu truyền hình đến các trạm
tiếp sóng vẫn chƣa có đƣờng 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 thơng 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 cơng nghệ thiết kế nhằm đƣa tín hiệu truyền hình
vƣơn xa hơn ra các đảo nhỏ và vùng biên giới hiểm trở đến nay vẫn chƣa đƣợc phủ
sóng Phát Thanh Truyền Hình phục vụ nhu cầu thơng tin cho ngƣời dân.

2
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hồng Trung

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 nƣớc
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 thƣờng xuyên xảy ra giông bão, sƣơng muối,

sấm sét,… cho nên khi vận hành thực tế hệ thống Viba thƣờng xuyên hƣ 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 hƣởng đến truyền tải
thơng tin, tin tức đến ngƣời dân địa phƣơng gây ảnh hƣởng khơng nhỏ đến đời sống
kinh tế chính trị của địa phƣơng.
Chính vì những khó khăn trên nên đề tài hƣớng 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 Thơng. Và đây
cũng là tính cấp thiết của đề tài nhằm giảm sự phụ thuộc vào các chuyên gia nƣớc
ngoài cũng nhƣ nhập các module công suất, chủ động thiết kế dự phịng để thay thế
kịp thời module cơng 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
(hình1.2) mà Đài Phát Thanh truyền hình Kiên Giang đang sử dụng và vị trí mạch
cơng suất (PA) của hệ thống.

3
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hồng Trung

Hình 1.2: Sơ đồ khối ViBa ABE PM7 - 8050GHz.
1.3 Đối tƣợng 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 đƣợc kết hợp với nhau để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh chất lƣợng cao
nhƣng phức tạp. Đóng vai trị khơng thể thiếu của hệ thống là bộ thu phát sóng. Tín
hiệu phát đi phải là các tín hiệu vơ tuyến, với khả năng di động cao, tín hiệu phát
phải đủ mạnh giảm thiểu tác động mơi trƣờng, và truyền đƣợc 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 Xband với tần số trung tâm 8.5Ghz và yêu cầu đảm bảo về công suất phát nhằm đạt

4
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hoàng Trung

đƣợc 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, đƣờng 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 Hƣớng giải quyết đề tài
Luận văn sẽ chọn phƣơng pháp thực nghiệm để nghiên cứu với các thí nghiệm và
kết quả đo đạc trên mạch đƣợc chế tạo thực tế. Các kết quả thực nghiệm sẽ đƣợc so
sánh với kết quả tính tốn lý thuyết và mơ 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 tồn bộ đề
tài.
Trong khn khổ luận văn này sẽ tập trung vào một số vấn đề trọng tâm của đề tài
đặt ra. Nghiên cứu về hệ thống máy phát Viba tìm hiểu phƣơng pháp tính tốn suy
hao trên đƣờng truyền để chế tạo bộ khuếch đại cơng suất X-band có cơng suất phát
phù hợp nhằm đạt đƣợc khoảng cách truyền mong muốn. Cuối cùng đƣa ra các giải
pháp để thiết kế chế tạo một hệ thống thực tế để thử nghiệm và so sánh với các kết
quả mơ phỏng và tính tốn.

1.5 Các cơng trình liên quan
Mạch khuếch đại công suất là một thành phần không thể thiếu đối với các hệ thống
máy phát Viba với u cầu cơng 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.

5
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hồng Trung

Hình 1.3: Mạch PA băng X, tác giả Robert Robinsson
Trong đề tài [2] mạch khuếch đại công suất X - band dùng GAN transistor, 20W tần
số 10Ghz của tác giả ALİ İLKER IŞIK.

Hình 1.4: Mạch PA băng X, tác giả ALİ İLKER IŞIK
Hay đề tài [3] mạch khuếch đại công suất wideband 10W của tác giả Muhammed

Hakan Yilmaz.

6
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hồng 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 đƣợc 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 cơng suất siêu cao tần cịn khá khiêm tốn, chủ yếu tập trung vào việc mô phỏng.
Do đó, tơi 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, tơi 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 ngồi việc phục vụ cho máy phát Viba cịn phục vụ cho các
ứng dụng khác nhƣ: rada, y học,….

7
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hoàng Trung

CHƢƠNG 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 đƣợc sử dụng chung cho các hệ thống vệ tinh, di động
hay vô tuyến tiếp sức mặt đất, song ở nƣớc ta từ ViBa đã đƣợc sử dụng từ trƣớc để
chỉ các hệ thống vơ 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
Băng tần

Ký hiệu

Đặc tính lan truyền

3-30KHz

Tần số rất thấp - Sóng mặt đất

(Chục km)

(VLF)

- Lan truyền cự ly xa

Phạm vi ứng dụng
ứng dụng nhiều cho
thông tin dƣới nƣớc

- Mức tạp nhiễu khí (solar)
quyển lớn
30-300KHz

Tần số thấp (LF)

- Tƣơng tự nhƣ VLF Vô tuyến hàng hải
nhƣng bị hấp thụ vào

(Km)

ban ngày
300-

Tần số trung bình - Sóng mặt đất và Vơ tuyến và định vị

3000KHz

(MF)

(Trăm mét)

sóng trời ban đêm

hàng hải, các tần số

- Suy hao thấp ban cho cứu hộ và vô
đêm cao vào ban ngày

tuyến quảng bá AM

- Tạp khí quyển
3-30MHz

Tần số cao

Phản xạ tầng điện ly Vô tuyến nghiệp dƣ;

(Chục mét)

(HF)

thay đổi theo thời gian phát sóng quốc tế;
trong ngày, mùa và thơng tin qn sự,
tần số

hàng không đƣờng

8
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hoàng Trung

dài.
30-300MHz Tần số rất cao Lan truyền theo tầm Truyền hình VHF,
(mét)

nhìn thẳng (LoS)

(VHF)

phát

thanh

FM,

thông tin đạo hàng
AM, thông tin ViBa
0,3-3GHz

Tần số cực cao Lan truyền theo tầm Truyền hình UHF,

(dm)

(ultrahigh

nhìn thẳng

radar, thơng tin viba

frequency-UHF)
3-30GHz

Tần số siêu cao Lan truyền Los, suy Thông tin vệ tinh,

(cm)

(superhigh

hao nhanh theo lƣợng thơng tin ViBa.

frequency-SHF)

mƣa,

suy hao

khí

quyền do ôxi và hơi
nƣớc, hấp thụ hơi
nƣớc cao ở 22GHz.
30-300GHz

Tần số siêu siêu LoS, hấp thụ hơi nƣớc Rada, vệ tinh thử

(mm)

cao

(Extremely tại 183GHz và hấp thụ nghiệm.

High

Frequency ô xi tại 60 và 119GHz

EHF)
103-107GHz Hồng ngoại, ánh LoS

Thông tin quang

sáng nhìn thấy và
tia cực tím
Thơng 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 thƣơng phẩm thƣờng
làm việc trên dải sóng từ 60MHz đến 20 GHz, các hệ thống công tác với dải tần số
cao hơn (6080 GHz) hiện vẫn đang còn trong giai đoạn thử nghiệm. Do có dải tần
làm việc rất rộng và cao so với thơng tin cao tần vì vậy đƣợc sử dụng làm phƣơng
tiện truyền dẫn chính trong viễn thông công cộng siêu ngắn.

9
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng



C
fsiªu cao

HVTH: Lâm Hồng Trung

 siêu cao,siêu ngắn ( gi l Viba)

Hỡnh 2.1: Tuyn 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 đƣợc
thiết kế, cấu tạo phù hợp để có khả năng truyền dẫn các tín hiệu đó. Có thể phân
loại nhƣ sau:
- ViBa số băng hẹp (tốc độ thấp): đƣợc dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ
2Mbit/s, 4 Mbit/s và 8 Mbit/s, tƣơng ứng với dung lƣợng kênh thoại là 30 kênh, 60
kênh và 120 kênh. Tần số sóng vơ tuyến (0,4 - 1,5) GHz.
- ViBa số băng trung bình (tốc độ trung bình): đƣợc dùng để truyền các tín hiệu
có tốc độ từ (8-34) Mbit/s, tƣơng ứng với dung lƣợng kênh thoại là 120 đến 480
kênh. Tần số sóng vơ tuyến (2 - 6) GHz.
- ViBa số băng rộng (tốc độ cao): đƣợc dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ từ
(34-140) Mbit/s, tƣơng ứng với dung lƣợng kênh thoại là 480 đến 1920 kênh. Tần
số sóng vơ tuyến 4, 6, 8, 12GHz.

10
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hoàng Trung

2.1.3 Phƣơng trình cân bằng cơng suất trong tính tốn đƣờng truyền ViBa[5]:
Pr = Pt + G - LdB [dB]
(2.1)
Pt: Công suất máy phát (dBm)
G: Độ lợi anten(dB)
LdB : Suy hao trong khơng gian tự do

Pr: Mức đầu vào của máy thu(dBm)
Ví dụ: Để tính cơng suất máy Phát Pt truyền đƣợc khoảng cách 30km với Anten
Parabol 1.2m có độ lợi G = 33dB và độ nhạy máy thu máy thu trung bình -55dBm
theo thơng số hình (2.2).
Nếu khoảng cách tính theo Km, tần số tính theo GHz thì suy hao trong khơng gian
tự do tính theo dB là:
LdB  92,4  20 log f   20 logd  dB

= 92.4 +20log(8) + 20log(30) =

140 dB

( 2.2)

a. Độ lợi của anten (cho bởi nhà chế tạo với f=8GHz)
độ lợi

2anten

33 x 2 = 66dB

(2.3)

b. Độ nhạy máy thu trung bình
Pr = -55 dBm

(2.4)

c. Mức đầu ra máy phát tối thiểu (dBm): thay (2.2,2.3,2.4) vào( 2.1) ta có

Pt = Pr - G + LdB = - 55- 66+140 =19dBm

(2.5)

11
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hồng Trung

Hình 2.2: Thông số máy phát thu của hệ thống Viba ABE

12
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hoàng Trung

2.2. Lý thuyết đƣờng dây truyền sóng
2.2.1 . Các thơng số tuyến tính của đƣờng truyền
Một đƣờng truyền sóng đƣợc đặc trƣng bởi các thơng số sơ cấp tuyến tính [6].
Điện cảm tuyến tính L [H/m], đặc trƣng cho điện cảm tƣơng đƣơng của phần dây
dẫn kim loại, tính trên một đơn vị chiều dài đƣờng truyền.
Điện dung tuyến tính C [F/m], đặc trƣng cho điện dung của lớp điện môi phân cách
hai dây dẫn kim loại, tính trên một đơn vị chiều dài đƣờng truyền,
Điện trở tuyến tính R [Ohm/m], đặc trƣng cho điện trở thuần của dây dẫn kim loại,

tính trên một đơn vị chiều dài đƣờng truyền. Điện trở tuyến tính R liên quan đến tổn
hao kim loại (do dây dẫn khơng dẫn điện lý tƣởng),
Điện dẫn tuyến tính G [S/m], đặc trƣng cho điện dẫn thuần của lớp điện mơi phân
cách, tính trên một đơn vị chiều dài đƣờng truyền. Điện dẫn tuyến tính G liên quan
đến tổn hao điện môi (do điện môi cách điện không lý tƣởng).
Vì vậy một đƣờng dây truyền sóng là một mạng phân bố, có nghĩa là điện thế và
dịng điện sẽ khác nhau về độ lớn và pha trong suốt chiều dài của đƣờng dây truyền
sóng. Trong hình 2.3 (a), đƣờng dây truyền sóng có hai dây dẫn

Hình 2.3: Định nghĩa dịng và thế trong đƣờng dây truyền sóng (a). Mạch điện tập
trung tƣơng đƣơng (b).

13
Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng

HVTH: Lâm Hoàng Trung

2.2.2 Hệ số truyền sóng

( )

√(

). (

)

(2.6)

có thể phân tích:

( )

( )

( )

( . )

trong đó:
 ( ) :

hệ số suy hao, đơn vị [Np/m] hoặc [dB/m]

 ( ) :

hệ số pha, đơn vị [rad/m] hoặc [/m]

2.2.3 Trở kháng đặc tính
(

( )

√(

)

(2.8)

)

Trở kháng đặc tính của đƣờng truyền sóng biến thiên theo tần số tín hiệu.
Đối với đƣờng truyền khơng tổn hao (R=0, G=0)

( )

√

(2.9)

là một hằng số thực, đƣợc gọi là điện trở đặc tính của đƣờng dây. Thực tế thƣờng
gặp các đƣờng truyền sóng có =50 Ohm, hoặc =75Ohm.
2.2.4 Hệ số phản xạ
Hệ số phản xạ điện áp tại một điểm x bất kỳ là tỉ số giữa sóng điện áp phản xạ và
sóng điện áp tới tại điểm x đó.
Cơng thức thƣờng áp dụng:

( )

( .

)

2.2.5 Hệ số sóng đứng (VSWR – Voltage Standing Wave Ratio)
| ( )|
| ( )|

| |
| |

(2.11)
14

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