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

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

1. 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, Hoàng Văn Phúc1* 1Viện Tích hợp hệ thống, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 236 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội 2Trung tâm Kỹ thuật thông tin Công nghệ cao, Binh chủng Thông tin Liên lạc Email: *phuchv@lqdtu.edu.vn 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 thông 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: Hình 1. Sơ đồ khối khối LNB. Low Noise Amplifier), bộ lọc cao tần RF, bộ trộn tích cực, bộ khuếch đại tín hiệu trung tần (IF: Intermediate Bảng 1. Chỉ tiêu kỹ thuật khối LNB. Frequency), và bộ lọc tín hiệu đầu ra IF. TT Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị 1 Dải tần số IF GHz 1,2 ÷ 1,95 I. GIỚI THIỆU 2 Tần số LO GHz 9,75 Khối chuyển đổi tín hiệu tạp âm thấp là một thành 3 Dải tần số RF GHz 10,95 ÷ 11,7 phần thiết yếu của trạm thông tin vệ tinh. Khối LNB 4 Công suất đầu ra dBm ≥ 0 thường được lắp đặt ngoài trời, lắp trực tiếp lên 5 Hệ số khuếch đại dB 60 ÷ 70 feedhorn của trạm thông tin vệ tinh. Khối LNB có 7 Hệ số tạp âm nhiệt dB ≤ 1,2 Kiểu kết nối đầu 50Ω / N- nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu băng tần Ku (10,95 GHz 8 – 11,7 GHz) được thu từ vệ tinh, xuống băng tần L (1,2 ra female GHz – 1,95 GHz). Việc chuyển đổi tín hiệu xuống giúp Kiểu kết nối đầu 9 WR75G cho việc truyền tín hiệu (băng L) được truyền xa hơn vào bằng cáp đồng trục mà ít bị suy hao và tiết kiệm được 10 Nguồn cung cấp Vdc 18 ÷ 28 chi phí [1]. Dòng tiêu thụ tại 11 mA ≤ 80 Sơ đồ khối thiết kế khối LNB được thể hiện trên 22VDC Hình 1, bao gồm các thành phần: bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA, bộ lọc thông dải (10,95GHz – 11,7 GHz), Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau. bộ trộn tích cực, bộ khuếch đại và bộ lọc tần số trung Trong phần II, chúng tôi miêu tả thiết kế khuếch đại tạp tần IF. LNA là thành phần đầu tiên của khối LNB có âm thấp. Phần III trình bày về bộ lọc thông dải RF và nhiệm vụ khuếc đại tín hiệu yếu thu được từ ăng ten, bộ lọc. Phần IV thể hiện thiết kế bộ lọc và khuếch đại tín hiệu đưa qua bộ lọc RF. Sau đó đi vào bộ trộn tích tín hiệu trung tần. Các kết quả mô phỏng và thử cực, trừ đi tần số LO (Local Oscillator) (9,75 GHz) để nghiệm được trình bày tại phần V. Cuối cùng, chúng tạo ra tần số trung tần (1,2 GHz – 1,95 GHz). Cuối tôi kết luận bài báo trong phần VI. 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 II. KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP (LNA) LNB được nhóm nghiên cứu thiết kế với các chỉ tiêu Khối khuếch đại tạp âm thấp sử dụng IC khuếch kỹ thuật được mô tả trong Bảng 1 và thực hiện mô đại NE3503M04 [2]. Việc thiết kế bộ LNA được thực phỏng thiết kế tổng thể trên phần mềm ADS. hiện trên phần mềm ADS với các tham số chính quan ISBN: 978-604-80-5076-4 180
2. 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 c. Hệ số khuếch đại đại, hệ số NF, và hệ số ổn định K. Theo công thức (1) ta thấy hệ số khuếch đại công a. Mức tiêu thụ điện áp suất của các tầng đầu cũng có ảnh hưởng lớn đến hệ số IC khuếch đại NE3503M04 tiêu thu điện áp thấp tạp âm của cả hệ thống; ảnh hưởng đó thể hiện ở chỗ 100 mA tại điện áp cấp vào cổng D là 2 VDC, và điện nếu hệ số khuếch đại công suất lớn thì có thể giảm nhỏ áp mở cổng G là -0,4 VDC để đáp ứng được yêu cầu được hệ số tạp âm toàn tuyến. Khi hệ số khuếch đại dòng tiêu thụ của toàn khối LNB là thấp. công suất đủ lớn thì ảnh hưởng của hệ số tạp âm ở các b. Hệ số tạp âm tầng phía sau đến hệ số tạp âm của cả hệ thống là Đặc điểm qua trọng nhất của LNA là hệ số tạp âm. không đáng kể. Vì vậy, việc phối hợp trở kháng cho Ta xét công thức tính hệ số tạp âm của N mạng mắc tầng LNA cần phải thực hiện cân đối giữa hệ tạp âm nối tiếp sau: và hệ số khuếch đại để đạt được kết quả tốt nhất. Hệ số FF1 khuếch đại của tầng LNA được tính bằng tham số S21 FF 2 N 1 (1) theo công thức (2). GGGG112. N Trong đó, F , F , , F tương ứng là hệ số tạp âm của 1 2 N zv12r mạng 2 cửa số 1, 2, , N. Hơn nữa, G1, G2, , GN S21 (2) tương ứng là hệ số khuếch đại công suất của các mạng zv21i 2 cửa số 1, 2, , N. Trong đó, Z1 và Z2 tương ứng là trở kháng đầu vào, ra; Từ công thức (1) trên ta có thể rút ra nhận xét: Hệ Vr2 là điện áp phản xạ tại cổng 2, Vi1 là điện áp tới số tạp âm của các tầng đầu tiên có ảnh hưởng lớn nhất cổng 1. đến hệ số tạp âm của cả hệ thống. Sơ đồ mạch phối Kết quả mô phỏng nhận được hệ số khuếch đại S21 hợp trở kháng trên phần mềm ADS được thể hiện trên đạt được từ 12,2 dB đến 13 dB (Hình 4). Việc chấp Hình 2. Giá trị mô phỏng của hệ số tạp âm nằm trong nhận giảm hệ số khuếch đại để đạt được hệ số tạp âm khoảng 0,5 – 0,54 dB (Hình 3). Việc phối hợp trở tốt nhất sẽ được bù sau trong bộ khuếch đại IF tầng kháng để đạt được hệ số tạp âm là tốt nhất đã phải tiếp theo. đánh đổi bằng việc giảm hệ số khuếch đại. Hình 2. Sơ đồ nguyên lý khối LNA mô phỏng trên Hình 4. Kết quả mô phỏng tham số S. phần mềm ADS. III. BỘ LỌC THÔNG 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 thông dải được thiết kế hoàn toàn 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 toán trên công cụ LineCalc của ADS, sau đó được tối ưu hóa bằng mô phỏng để bộ lọc đạt được hệ số suy hao thông qua là thấp nhất. Hình 6 thể hiện kết quả mô phỏng sau mô phỏng Momentum cho thấy hệ số suy hao thông qua Hình 3. Biểu đồ kết quả mô phỏng hệ số tạp âm. (S21) của bộ lọc RF lớn nhất là 1,2 dB và hệ số S11, ISBN: 978-604-80-5076-4 181
3. 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 IV. BỘ LỌC VÀ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU được truyền qua bộ lọc là lớn nhất. TRUNG TẦN A. Bộ lọc Tín hiệu trung tần sau bộ trộn ngoài tín hiệu trung tần băng L cần thiết còn có rất nhiều các thành phần tín hiệu là hài bậc cao không 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 hoàn toàn trên phần mềm ADS Hình 5. Mô phỏng bộ lọc RF. kết hợp giữa các phần tử tập trung (L, C) và các phần tử phần tán (microstrip line). Sơ đồ mô phỏng, và kết quả mô 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 6. Kết quả mô 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 Hình 8. Sơ đồ nguyên lý và kết quả mô phỏng bộ lọc số khuếch đại chuyển đổi dương 45 dB. Đặc biệt trở băng L trên ADS. 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 B. Bộ khuếch đại tín hiệu trung tần năng lượng gần như là không đáng kể. Sơ đồ thiết kế Như phần trước đã nói, việc phối hợp trở kháng cho bộ trộn được thể hiện trên Hình 7. 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 công suất đầu ra cực đại đạt 17 dBm. V. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM Toàn bộ mô phỏng thiết kế được thực hiện trên phần mềm ADS. Đầu vào hốc cộng hưởng được nhóm Hình 7. Sơ đồ nguyên lý bộ trộn. mô phỏng 3D trên phần mềm CST Microwave Studio ISBN: 978-604-80-5076-4 182
4. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) [5][6]. Chất liệu gia công 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. Hình 11. Thiết lập kết nối đo kiểm tra khối LNB. Thiết lập đo kiểm tra các tham số mà nhóm đã xây dựng được thực hiện trong phòng thí nghiệm với VI. KẾT LUẬN nguồn đầu vào 22 VDC và tín hiệu phát chuẩn từ máy Bài báo này đã trình bày nội dung thiết kế khối phát tín hiệu E8267D [8] của hãng Keysight. Sơ đồ đo LNB với hệ số khuếch đại lớn trung bình 64,5 dB, hệ được thể hiện trên Hình 11. Kết quả đo kiểm tra được số tạp âm thấp khoảng 1,1 dB. Đặc biệt là, dòng điện thể hiện trong Bảng 2. Các kết quả đo kiểm này cho tiêu thụ của khối LNB thấp khoảng 60 mA với giá trị thấy các tham số của bộ LNB đạt được các chỉ tiêu, nguồn cấp là 22 VDC, giúp tiết kiệm năng lượng cũng yêu cầu đặt ra. như tăng tuổi thọ của khối LNB. Các kết quả thử Bảng 2. Kết quả đo kiểm khối LNB. nghiệm thực tế trên các trạm VSAT của khối LNB đã Chỉ tiêu Đơn Giá trị đo xác nhận khả năng hoạt động theo đúng yêu cầu đặt ra. TT vị được TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Dải tần số IF GHz 1,2 ÷ 1,95 [1] Monique Kirkman-Bey, “Design and Simulation of Ku-Band 2 Dải tần số RF GHz 10,95 ÷ 11,7 Low-Noise Block Down-Converter in 0.18 micrometer CMOS 1,2 GHz 1,0 Công suất Technology” Proceedings of 2014 IEEE southeastcon. 3 1,57 GHz dBm 1,5 [2] đầu ra 1,95 GHz 1,5 [3] Jia-xun Sun, “Design of image-reject hairpin filter applied for Ku-band LNB”, Proceedings of the 9th International Symposium Hệ số 1,2 GHz 64,0 on Antennas, Propagation and EM Theory of 2011 IEEE. 4 khuếch 1,57 GHz dB 65,0 [4] đại 1,95 GHz 64,5 [5] W. Yi, E. Li, G. Guo, and R. Nie, “An X-band coaxial-to- rectangular wave-guide transition,” Proceedings 2011 IEEE 5 Hệ số tạp âm nhiệt dB 1,1 International Conference on Microwave Technology and 6 Nguồn cung cấp Vdc 18 ÷ 28 Computational Electromagnetics, 2011, pp.129-131. Dòng tiêu thụ với [6] P. Wade, “Rectangular Waveguide to Coax Transition Design,” 7 mA 60 QEX, pp. 10–17, 2006. nguồn cấp 22VDC [7] nts/advanced-connectivity-solutions/english/data-sheets/ro4000- laminates-ro4003c-and-ro4350b data-sheet.pdf [8] Hình 9. Mạch in cao tần khối LNB. Hình 10. Mạch lắp tổng thể khối LNB. ISBN: 978-604-80-5076-4 183