Thiết kế bộ chuyển đổi tín hiệu tạp âm thấp băng Ku có năng lượng tiêu thụ thấp, hệ số khuếch đại cao

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

Thiết kế bộ chuyển đổi tín hiệu tạp âm thấp
băng Ku có năng lượng tiêu thụ thấp,
hệ số khuếch đại cao
Đại Xuân Lợi1,2, Lê Văn Hồng2, Nguyễn Tiến Lập2, Hồng Văn Phúc1*
1

Viện Tích hợp hệ thống, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 236 Hồng Quốc Việt, Hà Nội
2
Trung tâm Kỹ thuật thơng tin Công nghệ cao, Binh chủng Thông tin Liên lạc
Email: *

Abstract—Bài báo này trình bày thiết kế một khối chuyển
đổi tín hiệu tạp âm thấp (LNB: Low Noise Block Down
Converter). Mạch chuyển đổi tín hiệu RF (radio
frequency) dải tần băng Ku (10,95 GHz – 11,7 GHz)
xuống dải tần băng L (1,2 GHz – 1,95 GHz) sử dụng IC
khuếch đại có hệ số tạp âm rất thấp 0,3 dB, bộ trộn tích
cực với hệ số khuếch đại cao (45 dB) với hệ số nhiễu pha
thấp, sử dụng công nghệ mô phỏng bộ lọc cao tần trên
phần mềm ADS và CST với kích thước nhỏ gọn và hệ số
suy hao thơng qua S21 thấp. Khối LNB tiêu thụ dòng
thấp khoảng 80 mA tại điện áp đầu vào 22 VDC. Trong
bài báo trình bày chi tiết, phân tích các thành phần của
khối LNB bao gồm bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA:
Low Noise Amplifier), bộ lọc cao tần RF, bộ trộn tích
cực, bộ khuếch đại tín hiệu trung tần (IF: Intermediate
Frequency), và bộ lọc tín hiệu đầu ra IF.

I.

Hình 1. Sơ đồ khối khối LNB.

GIỚI THIỆU

Khối chuyển đổi tín hiệu tạp âm thấp là một thành
phần thiết yếu của trạm thông tin vệ tinh. Khối LNB
thường được lắp đặt ngoài trời, lắp trực tiếp lên
feedhorn của trạm thông tin vệ tinh. Khối LNB có
nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu băng tần Ku (10,95 GHz
– 11,7 GHz) được thu từ vệ tinh, xuống băng tần L (1,2
GHz – 1,95 GHz). Việc chuyển đổi tín hiệu xuống giúp
cho việc truyền tín hiệu (băng L) được truyền xa hơn
bằng cáp đồng trục mà ít bị suy hao và tiết kiệm được
chi phí [1].
Sơ đồ khối thiết kế khối LNB được thể hiện trên
Hình 1, bao gồm các thành phần: bộ khuếch đại tạp âm
thấp LNA, bộ lọc thơng dải (10,95GHz – 11,7 GHz),
bộ trộn tích cực, bộ khuếch đại và bộ lọc tần số trung
tần IF. LNA là thành phần đầu tiên của khối LNB có
nhiệm vụ khuếc đại tín hiệu yếu thu được từ ăng ten,
tín hiệu đưa qua bộ lọc RF. Sau đó đi vào bộ trộn tích
cực, trừ đi tần số LO (Local Oscillator) (9,75 GHz) để
tạo ra tần số trung tần (1,2 GHz – 1,95 GHz). Cuối
cùng, tín hiệu đầu ra bộ trọn qua bộ khuếch đại IF và
bộ lọc IF đi theo cáp đồng trục đi vào trong nhà. Bộ
LNB được nhóm nghiên cứu thiết kế với các chỉ tiêu
kỹ thuật được mô tả trong Bảng 1 và thực hiện mô
phỏng thiết kế tổng thể trên phần mềm ADS.

ISBN: 978-604-80-5076-4

Bảng 1. Chỉ tiêu kỹ thuật khối LNB.
Chỉ tiêu
Đơn vị
Giá trị
Dải tần số IF
GHz
1,2 ÷ 1,95
Tần số LO
GHz
9,75
Dải tần số RF
GHz
10,95 ÷ 11,7
Cơng suất đầu ra
dBm
≥0
Hệ số khuếch đại
dB
60 ÷ 70
Hệ số tạp âm nhiệt
dB
≤ 1,2
Kiểu kết nối đầu
50Ω / Nra
female
Kiểu kết nối đầu
WR75G
vào

Nguồn cung cấp
Vdc
18 ÷ 28
Dịng tiêu thụ tại
mA
≤ 80
22VDC

TT
1
2
3
4
5
7
8
9
10
11

Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau.
Trong phần II, chúng tôi miêu tả thiết kế khuếch đại tạp
âm thấp. Phần III trình bày về bộ lọc thơng dải RF và
bộ lọc. Phần IV thể hiện thiết kế bộ lọc và khuếch đại
tín hiệu trung tần. Các kết quả mơ phỏng và thử
nghiệm được trình bày tại phần V. Cuối cùng, chúng
tôi kết luận bài báo trong phần VI.
II.

KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP (LNA)

Khối khuếch đại tạp âm thấp sử dụng IC khuếch
đại NE3503M04 [2]. Việc thiết kế bộ LNA được thực
hiện trên phần mềm ADS với các tham số chính quan

180


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

tâm là: Mức tiêu thụ và điện áp cung cấp, hệ số khuếch
đại, hệ số NF, và hệ số ổn định K.
a. Mức tiêu thụ điện áp
IC khuếch đại NE3503M04 tiêu thu điện áp thấp
100 mA tại điện áp cấp vào cổng D là 2 VDC, và điện
áp mở cổng G là -0,4 VDC để đáp ứng được yêu cầu
dòng tiêu thụ của toàn khối LNB là thấp.
b. Hệ số tạp âm
Đặc điểm qua trọng nhất của LNA là hệ số tạp âm.
Ta xét cơng thức tính hệ số tạp âm của N mạng mắc
nối tiếp sau:
F

F1

F2 1
G1

...

FN
G1.G2...GN

c. Hệ số khuếch đại
Theo công thức (1) ta thấy hệ số khuếch đại công
suất của các tầng đầu cũng có ảnh hưởng lớn đến hệ số
tạp âm của cả hệ thống; ảnh hưởng đó thể hiện ở chỗ
nếu hệ số khuếch đại công suất lớn thì có thể giảm nhỏ
được hệ số tạp âm tồn tuyến. Khi hệ số khuếch đại
cơng suất đủ lớn thì ảnh hưởng của hệ số tạp âm ở các
tầng phía sau đến hệ số tạp âm của cả hệ thống là
khơng đáng kể. Vì vậy, việc phối hợp trở kháng cho
tầng LNA cần phải thực hiện cân đối giữa hệ tạp âm
và hệ số khuếch đại để đạt được kết quả tốt nhất. Hệ số
khuếch đại của tầng LNA được tính bằng tham số S21
theo cơng thức (2).

(1)

Trong đó, F1, F2, …, FN tương ứng là hệ số tạp âm của
mạng 2 cửa số 1, 2, …, N. Hơn nữa, G1, G2, …, GN
tương ứng là hệ số khuếch đại công suất của các mạng
2 cửa số 1, 2,.., N.
Từ cơng thức (1) trên ta có thể rút ra nhận xét: Hệ
số tạp âm của các tầng đầu tiên có ảnh hưởng lớn nhất
đến hệ số tạp âm của cả hệ thống. Sơ đồ mạch phối
hợp trở kháng trên phần mềm ADS được thể hiện trên
Hình 2. Giá trị mơ phỏng của hệ số tạp âm nằm trong
khoảng 0,5 – 0,54 dB (Hình 3). Việc phối hợp trở
kháng để đạt được hệ số tạp âm là tốt nhất đã phải

đánh đổi bằng việc giảm hệ số khuếch đại.

S21

(2)

Trong đó, Z1 và Z2 tương ứng là trở kháng đầu vào, ra;
Vr2 là điện áp phản xạ tại cổng 2, Vi1 là điện áp tới
cổng 1.
Kết quả mô phỏng nhận được hệ số khuếch đại S21
đạt được từ 12,2 dB đến 13 dB (Hình 4). Việc chấp
nhận giảm hệ số khuếch đại để đạt được hệ số tạp âm
tốt nhất sẽ được bù sau trong bộ khuếch đại IF tầng
tiếp theo.

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý khối LNA mô phỏng trên
phần mềm ADS.

Hình 4. Kết quả mơ phỏng tham số S.
III.

BỘ LỌC THƠNG DẢI RF VÀ BỘ TRỘN

Tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại LNA được xử
lý qua bộ lọc thông dải để lọc bỏ đi ảnh và các thành
phần tạp nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu trước khi
vào bộ trộn. Bộ lọc thơng dải được thiết kế hồn tồn
trên phần mềm ADS (Hình 5). Bộ lọc RF thiết kế kiểu
bộ lọc cộng hưởng hình chữ U, nhằm giảm kích thước
của bộ lọc [3].

Các tham số của bộ lọc chiều rộng W (mm), chiều
dài L (mm) của mạch microstrip và các khoảng trống
giữa các microstrip được tính tốn trên cơng cụ
LineCalc của ADS, sau đó được tối ưu hóa bằng mô
phỏng để bộ lọc đạt được hệ số suy hao thơng qua là
thấp nhất. Hình 6 thể hiện kết quả mô phỏng sau mô
phỏng Momentum cho thấy hệ số suy hao thông qua
(S21) của bộ lọc RF lớn nhất là 1,2 dB và hệ số S11,

Hình 3. Biểu đồ kết quả mô phỏng hệ số tạp âm.

ISBN: 978-604-80-5076-4

z1 vr 2
z2 vi1

181


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

S22 đạt được dưới mức -20 dB đảm bảo năng lượng
được truyền qua bộ lọc là lớn nhất.

IV.

BỘ LỌC VÀ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU
TRUNG TẦN

A. Bộ lọc

Tín hiệu trung tần sau bộ trộn ngồi tín hiệu trung
tần băng L cần thiết cịn có rất nhiều các thành phần
tín hiệu là hài bậc cao khơng cần thiết. Vì vậy, để nâng
cao chất lượng tín hiệu thu về, và nâng cao hiệu suất
của bộ khuếch đại tín hiệu trung tần, tín hiệu sau bộ
trộn cần được lọc qua bộ lọc thông dải băng L để lại
bỏ các hài bậc cao không mong muốn. Bộ lọc tín hiệu
băng L được thiết kế hồn tồn trên phần mềm ADS
kết hợp giữa các phần tử tập trung (L, C) và các phần
tử phần tán (microstrip line). Sơ đồ mơ phỏng, và kết
quả mơ phỏng thể hiện trên Hình 8 cho thấy, độ gạt
của bộ lọc IF tại tần số f0±400 MHz là 25 dB. Suy hao
thông qua (S21) lớn nhất khoảng 1 dB.

Hình 5. Mơ phỏng bộ lọc RF.

Hình 6. Kết quả mơ phỏng bộ lọc cao tần.
Tiếp theo, bộ trộn là phần tử phi tuyến được sử
dụng để dịch chuyển tần số. Trong bài báo này, bộ
trộn sử dụng IC trộn tích cực TFF1018HN [4] để trộn
tín hiệu từ băng Ku xuống băng L, với 02 sự lựa chọn
tần số VCO (Voltage-controller Oscillator) là 9,75
GHz hoặc 10,6 GHz. IC trộn TFF1018HN tiêu thụ
dòng rất thấp khoảng 50 mA tại điện áp cấp 5V. Có hệ
số khuếch đại chuyển đổi dương 45 dB. Đặc biệt trở
kháng vào ra của IC trộn là 50 Ω giúp cho việc phối
hợp trở kháng vào ra trở nên đơn giản và sự suy hao
năng lượng gần như là không đáng kể. Sơ đồ thiết kế
bộ trộn được thể hiện trên Hình 7.

Hình 8. Sơ đồ nguyên lý và kết quả mô phỏng bộ lọc
băng L trên ADS.
B. Bộ khuếch đại tín hiệu trung tần
Như phần trước đã nói, việc phối hợp trở kháng cho
bộ LNA ưu tiên hàng đầu là tham số NF và hệ số
khuếch đại sẽ được bù ở tầng khuếch đại IF, và để bù
hệ số suy hao trên cáp đồng trục dẫn tín hiệu băng L
vào nhà, nhóm nghiên cứu đã thiết kế thêm một bộ
khuếch đại trung tần băng L với hệ số khuếch đại
trung bình khoảng 15 dB, hệ số NF là 1,2. Đặc biệt, IC
khuếch đại trung tần tiêu thụ năng lượng rất thấp với
hệ số hiệu suất lên tới 90%, và có mức cơng suất đầu
ra cực đại đạt 17 dBm.
V.

Tồn bộ mơ phỏng thiết kế được thực hiện trên
phần mềm ADS. Đầu vào hốc cộng hưởng được nhóm
mơ phỏng 3D trên phần mềm CST Microwave Studio

Hình 7. Sơ đồ nguyên lý bộ trộn.

ISBN: 978-604-80-5076-4

KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM

182


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

[5][6]. Chất liệu gia cơng mạch in nhóm chọn là vật
liệu Roger4003C [7] với hằng số điện môi ℇr là 3,38,
hệ số tanα là 0,0027, độ dày của mạch là 0,508 mm
với độ dày lớp đồng là 1 oz. phủ vàng. Sơ đồ mạch in
sau khi gia công và hàn linh kiện được thể hiện trên
Hình 9. Các thành phần của khối LNB được lắp rắp
vào vỏ hộp cơ khí có gioăng cao su chống thấm nước
được thể hiện trên Hình 10.
Thiết lập đo kiểm tra các tham số mà nhóm đã xây
dựng được thực hiện trong phịng thí nghiệm với
nguồn đầu vào 22 VDC và tín hiệu phát chuẩn từ máy
phát tín hiệu E8267D [8] của hãng Keysight. Sơ đồ đo
được thể hiện trên Hình 11. Kết quả đo kiểm tra được
thể hiện trong Bảng 2. Các kết quả đo kiểm này cho
thấy các tham số của bộ LNB đạt được các chỉ tiêu,
yêu cầu đặt ra.

TT
1
2
3

4
5
6
7

Hình 11. Thiết lập kết nối đo kiểm tra khối LNB.
VI.

Bài báo này đã trình bày nội dung thiết kế khối
LNB với hệ số khuếch đại lớn trung bình 64,5 dB, hệ
số tạp âm thấp khoảng 1,1 dB. Đặc biệt là, dòng điện
tiêu thụ của khối LNB thấp khoảng 60 mA với giá trị
nguồn cấp là 22 VDC, giúp tiết kiệm năng lượng cũng
như tăng tuổi thọ của khối LNB. Các kết quả thử
nghiệm thực tế trên các trạm VSAT của khối LNB đã
xác nhận khả năng hoạt động theo đúng yêu cầu đặt ra.

Bảng 2. Kết quả đo kiểm khối LNB.
Chỉ tiêu
Đơn
Giá trị đo
vị
được
Dải tần số IF
GHz
1,2 ÷ 1,95
Dải tần số RF
GHz 10,95 ÷ 11,7
1,2 GHz
1,0
Công suất
1,57 GHz
dBm
1,5
đầu ra
1,95 GHz
1,5
1,2 GHz

64,0
Hệ số
khuếch
1,57 GHz
dB
65,0
đại
1,95 GHz
64,5
Hệ số tạp âm nhiệt
dB
1,1
Nguồn cung cấp
Vdc
18 ÷ 28
Dịng tiêu thụ với
mA
60
nguồn cấp 22VDC

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Monique Kirkman-Bey, “Design and Simulation of Ku-Band
Low-Noise Block Down-Converter in 0.18 micrometer CMOS
Technology” Proceedings of 2014 IEEE southeastcon.
[2] />[3] Jia-xun Sun, “Design of image-reject hairpin filter applied for
Ku-band LNB”, Proceedings of the 9th International Symposium
on Antennas, Propagation and EM Theory of 2011 IEEE.
[4] />[5] W. Yi, E. Li, G. Guo, and R. Nie, “An X-band coaxial-torectangular wave-guide transition,” Proceedings 2011 IEEE
International Conference on Microwave Technology and
Computational Electromagnetics, 2011, pp.129-131.

[6] P. Wade, “Rectangular Waveguide to Coax Transition Design,”
QEX, pp. 10–17, 2006.
[7] />nts/advanced-connectivity-solutions/english/data-sheets/ro4000laminates-ro4003c-and-ro4350b---data-sheet.pdf
[8] />
Hình 9. Mạch in cao tần khối LNB.

Hình 10. Mạch lắp tổng thể khối LNB.

ISBN: 978-604-80-5076-4

KẾT LUẬN

183