Embed Size (px)
Citation preview
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
--------
HOÀNG VĂN THUỲ
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MỘT SỐ THIẾT BỊ DÙNG TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC
TRUNKING BỘ ĐÀM DẢI TẦN UHF
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
NĂM – 2019
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
--------
HOÀNG VĂN THUỲ
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MỘT SỐ THIẾT BỊ DÙNG TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC TRUNKING
BỘ ĐÀM DẢI TẦN UHF
Ngành: Công Nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 8510302.02
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. BẠCH GIA DƯƠNG
NĂM – 2019
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Bạch Gia Dương –
Giám đốc Trung tâm nghiên cứu Điện tử viễn thông, Khoa Điện tử viễn thông, đã
tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và góp ý chi tiết cho em trong quá trình thiết kế và hoàn
thành các sản phẩm trong luận văn này.
Tiếp theo, em xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy Cô đã và đang
giảng dạy tại Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ đã giúp em
có những kiến thức cơ bản để làm hành trang trí thức mang theo cũng như để hoàn
thành luận văn này. Kính chúc Thầy Cô luôn dồi dào sức khoẻ, thành công.
Cuối cùng, em xin cảm ơn đến anh chị em, các bạn trong trung tâm nghiên
cứu Điện tử Viễn thông cũng như gia đình, bạn bè, đã luôn quan tâm, động viên
và giúp đỡ cho em trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một
số thiết bị dùng trong hệ thống thông tin liên lạc Trunking bộ đàm dải tần UHF.”
là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm hiểu của cá nhân dưới sự hướng dẫn,
chỉ bảo tận tình của GS.TS Bạch Gia Dương và các thầy cô trong bộ môn, trong
khoa. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Tôi
không sao chép các tài liệu hay công trình nghiên cứu của người khác để làm luận
văn này.
Trong luận văn có dùng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong tài liệu
tham khảo.
Nếu vi phạm tôi xin chịu mọi trách nhiệm.
Hà nội, ngày…... tháng…. năm 2019
Người thực hiện
Hoàng Văn Thùy
1
MỤC LỤC
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 6
2. Mục tiêu đề tài ............................................................................................... 6
3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 6
4. Kết cấu của luận văn ..................................................................................... 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG TRUNKING DẢI TẦN
UHF ....................................................................................................................... 8
1.1 Giới thiệu ...................................................................................................... 8
1.2 Cấu trúc của hệ thống. .................................................................................. 8
1.2.1 Bộ xử lý trung tâm (Tổng đài) – (MSO/Central Switch) .................... 10
1.2.2 Trạm thu phát gốc .............................................................................. 14
1.2.3 Bàn điều phối ....................................................................................... 15
1.2.4 Máy chủ UNS cho ứng dụng giám sát GPS ..................................... 16
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN ........... 18
2.1 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần ............................................ 18
2.1.1 Phương trình truyền sóng ..................................................................... 18
2.1.2 Hệ số phản xạ ....................................................................................... 19
2.1.3 Hệ số sóng đứng ................................................................................... 20
2.1.4 Giản đồ Smith ...................................................................................... 20
2.2 Phối hợp trở kháng. .................................................................................... 22
2.2.1 Kỹ thuật phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung .................... 23
2.2.2 Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh/dây chêm ............................ 24
2.2.3 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây /4. ............................................... 24
3.1 Khái niệm bộ khuếch đại công suất ........................................................... 26
3.2 Các thông số quan trọng của bộ khuếch đại công suất. ............................. 26
3.2.1 Hệ số tạp âm Noise Figure ................................................................... 26
3.2.2 Hệ số khuếch đại .................................................................................. 27
3.2.3 Tính ổn định của hệ thống ................................................................... 29
3.2.4 Độ tuyến tính ........................................................................................ 29
3.3 Bộ chia cộng công suất Wilkinson ............................................................. 31
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO .................................... 33
4.1 Yêu cầu thiết kế .......................................................................................... 33
2
4.1.1 Bộ khuếch đại công suất ...................................................................... 33
4.1.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp ................................................................... 34
4.2 Giải pháp thiết kế ....................................................................................... 34
4.2.1 Bộ khuếch đại công suất ...................................................................... 34
4.2.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp ................................................................... 36
4.3 Tính toán, mô phỏng .................................................................................. 37
4.3.1 Mạch khuếch đại công suất .................................................................. 37
4.3.2 Mạch tạp âm thấp ................................................................................. 41
4.4 Thực nghiệm, đo kiểm, đánh giá kết quả ................................................... 44
4.4.1 Chế tạo Layout mạch in ....................................................................... 44
4.4.2 Đo kết quả thực tế ................................................................................ 45
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 55
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Viết tắt Ý nghĩa
MSO Mobile Switching Office Tổng đài (chuyển mạch) di động
ZC Zone Controller Bộ điều khiển Zone (Site)
NMT Network Management Terminal Thiết bị quản lý mạng
ETI Enhanced Management Terminal Thiết bị quản lý kết nối điện thoại
UNS Unified Network Service Mạng dịch vụ ứng dụng
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
VMS Virtual Managerment Server Server quản lý ảo
NMS Network Managerment System Hệ thống quản lý mạng
PDR Packet Data Router Cổng giao tiếp dữ liệu
RNG Radio Network Gateway Cổng giao tiếp mạng vô tuyến
CSA Common Server Architecture Cấu trúc quản lý mạng chung
LAN Local Area Network Mạng cục bộ
RFDS Radio Frequency Distribution
System Hệ thống điều phối vô tuyến
VM Virtual Machine Máy ảo
4
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống Trunking............................................ 9
Hình 1.2: Máy chủ ảo. ......................................................................................... 11
Hình 1.3: Trung tâm lưu trữ (DAS). ................................................................... 12
Hình 1.4: Lan Switch. ......................................................................................... 13
Hình 1.5: Thiết bị định tuyến lõi. ........................................................................ 13
Hình 1.6: Core Backhaul Switch. ........................................................................ 14
Hình 1.7: Cấu trúc trạm gốc. ............................................................................... 14
Hình 1.8: Bàn điều phối ...................................................................................... 16
Hình 1.9: Mô hình ứng dụng GPS ...................................................................... 17
Hình 2.1: Biểu diễn mạch tương đường đoạn đường truyền siêu cao tần. ......... 18
Hình 2.3: Sơ đồ phối hợp trở kháng. ................................................................... 22
Hình 2.4: Mạch phối hợp trở kháng hình chữ L. ................................................ 23
Hình 2.5: Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh. ................................... 24
Hình 2.6: Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đôi song song. ............................ 24
Hình 2.7: Sơ đồ sử dụng đoạn dây /4. ............................................................... 25
Hình 3.1: Sơ đồ của mạng 2 cửa thông số S. ...................................................... 27
Hình 3.2: Mạng 2 cửa với nguồn và trở kháng tải. ............................................. 28
Hình 3.3: Điểm nén 1dB và Điểm chặn bậc 3 .................................................... 30
Hình 3.4: Mạch ghép chia công suất Wilkinson. ................................................ 31
Hình 3.5: Sơ đồ tương đương của bộ chia cộng Wilkinson ................................ 32
Hình 3.6: Sơ đồ tương đương bộ Wilkinson ở dạng hở mạch ............................ 32
Hình 4.1: Sơ đồ khối của bộ khuếch đại công suất. ............................................ 34
Hình 4.2: Hình dáng và cấu trúc chân của MRF648. .......................................... 35
Hình 4.3: Thông số trở kháng lối vào và lối ra của MRF648. ............................ 35
Hình 4.4: Cấu trúc và chức năng từng chân của SPF-3043. ............................... 36
Hình 4.5: Bảng tham số S-Parameter của Transistor SPF-3043. ........................ 36
Hình 4.6: Mạch phối hợp trở kháng lối vào cho Transistor MRF648. ............... 37
Hình 4.7: Kết quả mô phỏng phối hợp trở kháng lối vào Transistor MRF648. . 37
Hình 4.8: Mạch phối hợp trở kháng cho MRF648. ............................................. 38
Hình 4.9: Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối ra. ........................... 38
Hình 4.10: Mạch mô phỏng của Wilkinson trên vật liệu FR4. ........................... 39
Hình 4.11: Kết quả mô phỏng của mạch Wilkinson. .......................................... 39
Hình 4.12: Mạch Wilkinson thực tế. ................................................................... 40
Hình 4.13: Mô phỏng mạch lọc thông thấp. ....................................................... 40
Hình 4.14: Kết quả mô phỏng của bộ lọc thông thấp. ........................................ 40
Hình 4.15: Sơ đồ cơ bản của mạch phối hợp trở kháng. ..................................... 41
Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý của mạch phối hợp trở kháng lối vào. ................... 41
Hình 4.17: Kết quả mô phỏng tham S11, S21 lối vào. ....................................... 42
Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý của mạch phối hợp trở kháng lối ra. ...................... 42
5
Hình 4.19: Kết quả mô phỏng tham S11, S21 lối ra. .......................................... 42
Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý của mạch LNA. ...................................................... 43
Hình 4.21: Kết quả mô phỏng của mạch LNA. .................................................. 43
Hình 4.22: Layout của mạch khuếch đại. ............................................................ 44
Hình 4.23: Mạch khuếch đại công suất sau khi đã được hàn linh kiện. ............. 44
Hình 4.24: Mạch lọc thông thấp sau khi được lắp ráp. ....................................... 44
Hình 4.25: Mạch khuếch đại LNA sau khi layout. ............................................. 45
Hình 4.26: Mạch khuếch đại LNA sau khi hàn linh kiện. .................................. 45
Hình 4.27: Đo mạch cộng chia công suất Wilkinson ......................................... 45
Hình 4.28: Công suất lối vào của bộ chia cộng công suất Wilkinson ................ 46
Hình 4.29: Công suất lối ra của mạch Wilkinson tại tần số 450 Mhz ................ 46
Hình 4.30: Công suất tại 2 lối ra của mạch Wilkinson ....................................... 47
Hình 4.31: Công suất lối ra tại 2 cổng của mạch Wilkinson tại tần số 440Mhz 47
Hình 4.32: Đo bộ lọc thông thấp tại tần số 500Mhz ........................................... 48
Hình 4.33: Đo bộ lọc thông thấp tại tần số 530Mhz và 570Mhz ........................ 48
Hình 4.34: Sơ đồ đo mạch khuếch đại công suất. ............................................... 49
Hình 4.35: Công suất tại lối vào của mạch công suất. ........................................ 49
Hình 4.36: Đo hệ số khuếch đại tại tần số 465Mhz. ........................................... 50
Hình 4.37: Kết quả đo công suất tại tần số 445Mhz. .......................................... 50
Hình 4.38: Kết quả đo công suất tại tần số 450Mhz. .......................................... 51
Hình 4.39: Kết nối mạch LNA với máy phát tín hiệu và máy phân tích phổ. .... 52
Hình 4.40: Đo hệ số khuếch đại khi có một tầng. ............................................... 52
Hình 4.41: Đo hệ số khuếch đại của mạch khi có 2 tầng. ................................... 53
Hình 4.42: Hệ số khuếch đại của mạch LNA khi có 2 tầng tại tần số 441Mhz .. 53
Hình 4.43: Hệ số khuếch đại của mạch LNA tại tần số 460Mhz........................ 54
6
LỜI NÓI ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Đất nước ta đang đẩy nhanh tiến độ quá trình hoá nền cách mạng công
nghiệp, phấn đấu để các bộ ngành đạt những tiêu chí của cách mạng công nghiệp
4.0. Hưởng ứng quá trình phát triển đẩy mạnh tiêu chí của cách mạng công nghiệp
4.0 ngành công an cũng đang từng bước thay đổi, hiện đại hoá các hệ thống thông
tin phục vụ các công tác nghiệp vụ cũng như nâng cao tính bảo mật. Từ những hệ
thống thông tin tương tự lỗi thời dần được thay đổi chuyển sang các hệ thống số
hoá. Trong khi đất nước chưa làm chủ được các công nghệ sản xuất, cũng như đặc
thù phương thức liên lạc của các lực lượng chiến đấu trong công an, quân đội là
liên lạc tức thì nhanh chóng, mệnh lệnh phải truyền đồng thời đến nhiều lực lượng
chiến đấu tại một thời điểm. Do vậy, thiết bị chúng ta phải đi nhập khẩu toàn bộ
những trang thiết bị của nước ngoài, xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó bản thân
nhận thấy chúng ta cần phải tự làm chủ để tạo ra được những thiết bị đó đặc biệt
là những khối cao tần. Chính vì vậy luận văn “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một
số thiết bị dùng trong hệ thống thông tin liên lạc trunking bộ đàm dải tần UHF”
sẽ tập trung nghiên cứu thiết kế một số phần tử của hệ thống như bộ khuếch đại
tạp âm thấp, bộ khuếch đại công suất.
2. Mục tiêu đề tài
Mục đích chính của đề tài luận văn là định hướng nghiên cứu và thiết kế một
bộ khuếch đại công suất để nâng cao công suất phát của thiết bị nhằm mở rộng
vùng phủ sóng cũng như những tổn hao khi ghép nhiều máy phát trên bộ
Combiner. Ngoài ra luận văn cũng thiết kế một bộ khuếch đại tạp âm thấp để
khuếch đại tín hiệu thu được từ anten nhằm nâng cao chất lượng của tín hiệu thu
đồng thời để nâng cao công suất của tín hiệu để đảm bảo tín hiệu chia tới nhiều
máy thu trong một hệ thống Trunking. Một số tham số được lưu ý và khảo sát bao
gồm hệ số khuếch đại, băng thông , độ chính xác và độ ổn định…qua đó nâng cao
vùng phủ sóng của hệ thống Trunking.
3. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện được luận văn, phương pháp nghiên cứu gồm:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm kiếm, phân tích, tổng hợp lý
thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần; nghiên cứu phần mềm mô phỏng
mạch siêu cao tần ADS2009, phần mềm vẽ mạch in Altium Designer
2017.
7
- Phương pháp mô phỏng và thiết kế: Trên cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu, thực
hiện tính toán thiết kế và mô phỏng trên phần mềm cao tần ADS. Sau khi
đạt chỉ tiêu kỹ thuật tiến hành vẽ sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in PCB
cho bộ khuếch đại công suất cũng như bộ khuếch đại tạp âm thấp trên
phần mềm Altium Designer 2017.
- Phương pháp chế tạo và đo kiểm sản phẩm thực tế: Sau khi thiết kế xong
mạch in, tiến hành gia công mạch in và hàn linh kiện. Tiếp theo, sử dụng
các thiết bị để đo các thông số của mạch. Sau đó tiến hành đánh giá, hiệu
chỉnh tối ưu thiết kế.
4. Kết cấu của luận văn
Nội dung của luận văn gồm 4 chương:
- Chương 1: Tổng quan chung về hệ thống trunking.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần.
- Chương 3: Lý thuyết bộ khuếch đại công suất và chia cộng công suất.
- Chương 4: Thiết kế, mô phỏng và chế tạo.
8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG
TRUNKING DẢI TẦN UHF
1.1 Giới thiệu
Các hệ thống thông tin liên lạc trong những năm gần đây ngày càng đạt được
những thành tựu vượt bậc và có tốc độ thay đổi chóng mặt. Cùng với xu hướng
đó các hệ thống thông tin dùng trong các lực lượng Công an, quân đội cũng ngày
thay đổi theo nhằm đáp ứng những nhu cầu thực tiễn. Thay vì những hệ thống bộ
đàm chung kênh tương tự từ trước những năm 2010 thì nay các hệ thống bộ đàm
đã dần được nâng cấp thành các hệ thống Trunking, hệ thống Tetra, hay Apco
25… nhằm nâng cao chất lượng thông tin, tăng dung lượng người sử dụng, giảm
thời gian chờ đợi mỗi cuộc, giảm tài nguyên tần số. Đồng thời hệ thống Trunking
cũng mang lại nhiều lợi ích như: thời gian truy nhập hệ thống nhanh, đa dạng các
loại hình dịch vụ (khởi tạo nhanh các loại hình liên lạc: cá nhân, nhóm, toàn
mạng…), khả năng mở rộng linh hoạt, tăng cường quản lý, giám sát thiết bị.
Hệ thống trunking số là hệ thống bộ đàm cho phép nhiều người sử dụng
chung một tài nguyên vô tuyến mà vẫn liên lạc độc lập với nhau hoặc theo từng
nhóm với nhau.
Những tính năng và đặc điểm của thông tin trunking.
- Thông tin bộ đàm không mất thời gian quay số chỉ nhấn nút là lập tức gọi
được luôn.
- Cung cấp nhiều hình thức liên lạc nhanh chóng: gọi nhóm, gọi cá nhân,
gọi toàn mạng.
- Gọi từ trung tâm điều phối giám sát.
- Dễ dàng ghép nhóm, chia nhóm.
- Giám sát thiết bị, vô hiệu thiết bị khi bị mất…
1.2 Cấu trúc của hệ thống.
Hệ thống Trunking là một trong những hệ thống tiên tiến với mục tiêu
đáp ứng những nhu cầu ngày càng cao về hiệu quả, chất lượng, bảo mật và
các yếu tố đa dịch vụ khác.
Sơ đồ mô hình kiến trúc tổng thể của hệ thống Trunking được mô tả như hình
vẽ dưới đây [5].
9
Hình 1.1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống Trunking.
Một hệ thống Trunking bao gồm: một trạm trung tâm MSO, bàn điều phối
vùng và trạm thu phát BTS, Máy chủ ảo UNS cho các ứng dụng GPS, tất cả
được kết nối với nhau thông qua đường truyền IP.
o Trạm trung tâm (Tổng đài trung tâm)
Trạm trung tâm xử lý tất cả các cuộc gọi của hệ thống, được trang bị các
thiết bị như sau:
- Bộ điều khiển zone trung tâm (ZC), Thiết bị quản lý mạng (NM), Cổng
giao tiếp dữ liệu (PDG).
- Thiết bị truyền dẫn mạng dự phòng.
- Thiết bị kết nối điện thoại (ETI).
o Trung tâm quản lý mạng - Network Management Terminal
Hệ thống quản lý mạng bao gồm 3 trung tâm quản lý đầu cuối. Trong đó
1 sẽ được đặt ngay tại tổng đài MSO và 2 trung tâm quản lý từ xa.
o Máy chủ UNS (Unified Network Service) cho các ứng dụng định vị GPS
o Hệ thống điều phối - Dispatch Control Site
Hệ thống điều phối bao gồm bộ điều phối trung tâm và các bàn điều phối
mở rộng việc này giúp cho việc quản lý được dễ dàng và thuận tiện.
10
o Trạm thu phát gốc - Base Station Site.
Các trạm thu phát gốc bao gồm: 1 trạm đặt tại trung tâm được trang bị
các thiết bị chính như sau:
- Trạm gốc cung cấp kênh liên lạc.
- Thiết bị điều khiển vùng Site Controller với cấu hình dự phòng.
- Khối nguồn.
- Hệ thống điều phối tần số vô tuyến (RFDS) bao gồm: Bộ khuếch đại
công suất, Thiết bị ghép kênh phát Combiner & Thiết bị chia kênh thu
Receiver Multicoupler có khuếch đại thu.
- Thiết bị định tuyến vùng Site Router.
- Hệ thống anten - Antenna System.
1.2.1 Bộ xử lý trung tâm (Tổng đài) – (MSO/Central Switch)
Trạm gốc trung tâm sẽ là nơi điều phối, quản lý và xử lý các cuộc gọi
thuộc hệ thống Trunking. Thiết bị thuộc trạm trung tâm sẽ được mô tả ngắn
gọn theo những thông tin dưới đây.
Hệ thống Trunking được thiết kế dựa trên nền tảng cấu trúc quản lý mạng
chung (CSA), qua đó tích hợp tất cả các phần mềm quản lý theo nguyên lý
máy ảo (VM) trên thiết bị HP-based Virtual Management Server (VMS) thông
qua hệ điều hành ESXi hỗ trợ VMware (virtual servers). Bằng cách sử dụng
server dùng chung, các server ảo sẽ được dễ dàng chia sẻ bộ nhớ, tối ưu hóa
việc mở rộng và linh hoạt trong việc vận hành cũng như cung cấp dịch vụ [5].
Ảo hóa là công nghệ cho phép nhiều hệ điều hành, nhiều ứng dụng có
thể chia sẻ trên cùng một tài nguyên phần cứng. Nếu không được ảo hóa thì
mỗi thiết bị vật lý sẽ chỉ được chạy trên một hệ điều hành riêng, hay nói cách
khác với mỗi dịch vụ sẽ cần có một thiết bị phần cứng do đó làm tăng chi phí
thiết bị, tăng chi phí nguồn tiêu thụ cũng như không gian chiếm dụng.
Một server quản lý ảo (VMS)bao gồm: các ứng dụng dựa trên máy ảo -
Virtual Machine (VM) applications, VMware và phần mềm hệ thống ESXi.
Mỗi môi trường máy ảo có thể được nhìn nhận như một server riêng biệt có
khả năng hỗ trợ hệ điều hành riêng, cung cấp tính năng cấu hình, dịch vụ độc
lập. Các thiết bị, tính năng cung cấp bởi server ảo bao gồm:
- Hệ thống điều khiển Zone (ZC) được cấu hình có dự phòng, cung cấp
chức năng quản lý động và xử lý tất cả các cuộc gọi thoại
11
- Hệ thống quản lý mạng (NMS) là một bộ phần mềm và công cụ phần
cứng được cung cấp để quản lý hệ thống bộ đàm Trunking vùng rộng
cùng các phần tử thuộc mạng.
- Packet Data Gateway – Cung cấp dịch vụ gửi và nhận dữ liệu gói cho
các máy cầm tay/ di động, các thiết bị truyền dữ liệu khác thông qua
đường vô tuyến bằng cách chuyển đổi sơ đồ IP từ các đầu cuối không
dây đến các đầu cuối kết nối có dây với mạng. Hệ thống cũng bao gồm
các bộ định tuyến dữ liệu gói (PDR) và cổng giao tiếp mạng vô tuyến
(RNG).
a) Bộ điều khiển vùng- Zone controller
Bộ điều khiển vùng (ZC) là bộ xử lý trung tâm của hệ thống, có chức
năng quản lý thuê bao, quản lý các trạm xa, kênh liên lạc và hệ thống điều
khiển thoại trong hệ thống. ZC chạy trên nền tảng phần cứng là máy tính đa
năng kiêm server. ZC cũng hỗ trợ cấu hình dự phòng với một máy hoạt động
và một máy dự phòng nóng. Thiết kế dự phòng nóng cho phép nâng cấp phần
mềm hệ thống cho máy dự phòng trong khi máy chính vẫn tiếp tục xử lý
cuộc gọi.
Các chức năng chính của Zone Controller:
- Xử lý và khởi tạo tất cả các báo hiệu liên quan đến cuộc gọi.
- Điều khiển và phân phối tài nguyên vô tuyến.
- Xử lý việc đăng ký trạm cơ động và các công tác tạo lập nhóm.
- Quản lý trạm cơ động.
- Quản lý và phân phối tài nguyên kết nối điện thoại.
- Cung cấp thông tin vị trí cho thiết bị giao tiếp dữ liệu.
Hình 1.2: Máy chủ ảo.
12
Hình 1.3: Trung tâm lưu trữ (DAS).
DAS là một trung tâm lưu trữ nằm trong cấu trúc server ảo dùng chung
để cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu. Các đĩa cứng được cấu hình ở chế độ độc
lập để khi 1 đĩa cứng bị lỗi thì máy chủ vẫn hoạt động được trên ở cứng còn lại
trong khi chờ khắc phục ổ cứng hỏng.
Hệ thống quản lý mạng gồm có máy chủ quản lý mạng (NMS)và thiết bị
quản lý mạng (NMT). Phần mềm máy chủ quản lý mạng NMS cho phép người
dùng có thể thiết lập, cấu hình và giám sát hệ thống.
b. Các chức năng của máy chủ quản lý mạng – NMS Functions
Máy chủ quản lý mạng (NMS) bao gồm một gói phần mềm ứng dụng và
các thiết bị hỗ trợ để quản lý toàn bộ hệ thống vô tuyến chung kênh vùng rộng
cùng các thành phần khác.
NMS hỗ trợ FCAPS viết tắt của Fault – lỗi, Configuration – cấu hình,
Accounting – tính cước, Performance – vận hành và Security – bảo mật với
các dịch vụ sau:
5 chứng năng quản lý mạng chính là [5]:
- Quản lý lỗi (Fault Management): Các ứng dụng quản lý lỗi bao gồm việc
giám sát tình trạng hoạt động của mạng cũng như tình trạng của các thiết
bị thành phần mạng; hiển thị thông tin lỗi; chuyển thông tin lỗi; thể hiện
các thủ tục kiểm tra lỗi.
- Quản lý cấu hình hoạt động (Configuration Management): Các tính năng
quản lý cho phép truy cập và thay đổi thông số vận hành của thiết bị
trong hệ thống và các thiết bị đầu cuối (máy cơ động, máy cầm tay).
- Quản lý tính cước: NMS cung cấp khả năng kiểm tra dung lượng sử dụng
hệ thống bằng cách cung cấp một giao diện tùy chọn cho đơn vị thứ 3
dùng để tính cước cho các ứng dụng sử dụng.
13
- Quản lý vận hành: Các ứng dụng tiêu chuẩn và tùy chọn được cung cấp
để giám sát, báo cáo, điều khiển và tối ưu các tài nguyên của hệ thống.
- Quản lý bảo mật: NMS có những tính năng cho người sử dụng để cài đặt
và điều khiển quyền truy cập, xem, thay đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu.
c. Hệ thống truyền dẫn – Network Transport Subsystem và kết nối
điện thoại.
Hệ thống truyền dẫn bao gồm: Các thiết bị chuyển mạch và các thiết bị
định tuyến lõi (Core Router)
- Thiết bị chuyển mạch mạng Ethernet - Ethernet Core (LAN) Switch
Thiết bị LAN Switch được dùng để tập hợp tất cả các giao diện Ethernet
cho các máy server, máy trạm, bộ định tuyến. LAN switch có khả năng quản
lý mạng để cung cấp khả năng quản lý lỗi chủ động. Thiết bị Core LAN switch
là thiết bị chuyển mạch mạng chính sử dụng để tập hợp tất cả các thành phần
hệ thống vào một hệ thống lõi [5].
Hình 1.4: Lan Switch.
- Thiết bị định tuyến lõi - Core Router (CR)
Thiết bị Core Routers định tuyến tất cả các tín hiệu điều khiển, tín hiệu
thoại, dữ liệu và lưu lượng vào ra hệ thống. Số lượng bộ định tuyến phụ thuộc
vào số lượng kênh truyền của hệ thống.
Hình 1.5: Thiết bị định tuyến lõi.
14
- Chuyển mạch lõi – Core Backhaul Switch
Chuyển mạch lõi giúp kết nối các trạm xa vào thiết bị định tuyến lõi Core
router.
Hình 1.6: Core Backhaul Switch.
1.2.2 Trạm thu phát gốc
Trạm chuyển tiếp Trunking cung cấp khả năng liên lạc 2 chiều giữa trạm
gốc với các máy đầu cuối.
Cấu trúc của trạm gốc:
Hình 1.7: Cấu trúc trạm gốc.
a. Trạm gốc Repeater
Trạm gốc Repeater cung cấp vùng phủ sóng vô tuyến tại các site. Mỗi
trạm thu phát gốc sẽ gồm một máy thu và một máy phát.
b. Bộ điều khiển trạm gốc Repeater
Bộ điều khiển trạm Site Controller bao gồm hai khối điều khiển kết nối
với nhau qua mạng LAN, và 2 điểm kết nối GPS từ xa. Một khối điều khiển
trạm sẽ hoạt động còn 1 khối sẽ standby để dự phòng. Việc dự phòng nóng đảm
bảo nếu có 1 thiết bị hỏng thì sẽ có không làm ảnh hưởng đến chức năng của hệ
thống.
15
Bộ điều khiển Site Controller cung cấp các tính năng điều khiển trạm như
sau:
- Quản lý trạm và các kênh liên lạc.
- Gửi yêu cầu đăng ký và kích hoạt.
- Cung cấp thông tin tham chiếu về thời gian và tần số cho các trạm thu
phát gốc.
- Giám sát các trạm gốc và các thiết bị phối ghép vô tuyến.
Dưới sự phân quyền của bộ quản lý vùng Zone Controller và tùy thuộc
vào tình trạng hoạt động của hệ thống, bộ điều khiển trạm Site Controller có
thể điều khiển hoạt động của trạm ở cả chế độ chung kênh vùng rộng và chế
độ chung kênh tại trạm (wide trunking và site trunking). Khi trạm không ở chế
độ chung kênh vùng rộng, Site Controller sẽ điều khiển các kênh vô tuyến tại
trạm, việc lựa chọn kênh điều khiển cũng như các lựa chọn và gán các kênh
liên lạc cho thuê bao đầu cuối.
c. Hệ thống phối ghép tần số vô tuyến
Hệ thống phối ghép tần số vô tuyến cung cấp khả năng làm việc giữa
trạm gốc và anten, bao gồm thiết bị ghép kênh phát combiner và thiết bị phân
kênh thu multicoupler.
d. Bộ định tuyến trạm
Giao diện làm việc giữa hệ thống trạm và thiết bị điều khiển vùng zone
controller là một bộ định tuyến. Các chức năng chính của bộ định tuyến tại trạm
gồm [5]:
- Truyền tải toàn bộ lưu lượng thoại và tín hiệu điều khiển của trạm.
- Cung cấp địa chỉ IP của trạm.
- Phân mảnh các gói tin IP có dung lượng lớn.
Bộ định tuyến tại trạm xa với khả năng quản lý mạng cung cấp việc quản
lý hệ thống đồng thời nhận và gửi các tín hiệu cảnh báo lỗi.
1.2.3 Bàn điều phối
Bàn điều phối bao gồm những thành phần sau:
- Một máy tính để bàn với màn hình 19” LCD cung cấp giao diện làm việc
giữa điều phối viên và thiết bị.
- Một khối xử lý thoại cung cấp giao diện giữa máy tính và các phụ kiện
khác nhau.
16
- 02 loa ngoài để chọn/ bỏ chọn tín hiệu thoại
- Một microphone là thiết bị đầu vào cho phép điều phối viên liên lạc với
thiết bị đầu cuối trong những ứng dụng cho phép
- Một bàn đạp chân sử dụng cho PTT
- Một tai nghe
Hình 1.8: Bàn điều phối
Bàn điều phối có thể được cấu hình cùng nhiều hệ thống bộ đàm chung
kênh và thông thường có thể giám sát nhiều nhóm thoại cùng lúc. Cho phép
ghép nối nhiều nhóm liên lạc với nhau một cách nhanh chóng tức thì, cũng
như giải toả các nhóm sau khi ghép.
1.2.4 Máy chủ UNS cho ứng dụng giám sát GPS
Giải pháp định vị ngoài trời sử dụng hệ thống định vị GPS cho phép người
dùng định vị, theo dõi các nhân viên và phương tiện của họ thông qua các thiết bị
GPS được tích hợp sẵn trong các bộ đàm. Các thông tin về vị trí sẽ được truyền
đi trong mạng vô tuyến trunking kỹ thuật số thông qua một cổng dữ liệu được gọi
là cổng dữ liệu mạng hợp nhất UNS - Unified Network Service
Unified Network Service (UNS) hoạt động như một cổng dữ liệu trao đổi các
thông tin về vị trí của các bộ đàm. Nó đơn giản quá trình tích hợp thông tin bằng
cách tiếp nhận các giao thức GPS riêng biệt (được gọi chung là LRRP) sau đó
chuyển đổi thành một giao thức chung, hợp nhất để từ đó đưa tới các ứng dụng
định vị GPS. Ngoài ra, UNS còn cung cấp tính năng định tuyến thông minh các
bản tin tới các thiết bị, từ đó giảm thiểu được lưu lượng truyền tải trong mạng.
17
Như được chỉ ra trong hình bên dưới, UNS kết nối tới mạng trunking và sử
dụng các dịch vụ dữ liệu gói để kết nối không dây tới các thiết bị đầu cuối [5].
Hình 1.9: Mô hình ứng dụng GPS
18
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
2.1 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần
2.1.1 Phương trình truyền sóng
Thông thường, một đường dây truyền sóng có thể được mô tả như một hệ
gồm hệ gồm 2 dây dẫn song song. Đó là vì khi truyền dẫn sóng TEM ta phải có ít
nhất 2 vật dẫn.
Một phần tử rất ngắn của đường dây có độ dài ∆z (hình 2.1a) có thể được
biểu diễn bởi một mạng 4 cụm đơn giản gồm các phần tử tập trung (hình 2.1b)
[1].
Hình 2.1: Biểu diễn mạch tương đường đoạn đường truyền siêu cao tần.
Trong đó: R - Điện trở nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây Ω/m
L - Điện cảm nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây, H/m
G - Điện dẫn song song trên một đơn vị dài, S/m
C - Điện dung song song trên một đơn vị dài, F/m
Phương trình truyền sóng như sau [1]:
𝑉(𝑧)
𝑧= −(𝑅 + 𝑖𝐿)𝐼(𝑧) (2.1)
𝐼(𝑧)
𝑧= −(𝐺 + 𝑖𝐶)𝑉(𝑧)
Với 2 = (𝑅 + 𝑖𝐿)(𝑅 + 𝑖𝐶)
Ta nhận thấy là một số phức có thể viết:
= + i =√(𝑅 + 𝑖𝐿)(𝐺 + 𝑖𝐶)
Hệ phương trình (2.1) có thể được viết lại:
𝑑2𝑉(𝑧)
𝑑𝑧2− 2𝑉(𝑧) = 0
𝑑2𝐼(𝑧)
𝑑𝑧2− 2𝑉(𝑧) = 0}
(2.2)
19
Theo lý thuyết của phương trình vi phân, ta có nghiệm của phương trình (1.2)
𝑉(𝑧) = 𝑉0+𝑒−𝑧 + 𝑉0
−𝑒𝑧 (2.3)
𝐼(𝑧) = 𝐼0+𝑒−𝑧 + 𝐼0
−𝑒𝑧
Công thức (2.3) biểu thị các sóng điện áp và dòng điện trên đường dây, trong
đó số hạng chứa ez biểu thị cho sóng truyền theo hướng +z (sóng thuận), còn số
hạng chứa e-z biểu thị cho sóng truyền theo hướng –z (sóng ngược) [1].
𝑉0+ và 𝐼0
+ biểu thị cho biên độ điện áp và dòng điện sóng thuận.
𝑉0− và 𝐼0
− biểu thị cho biên độ điện áp và dòng điện sóng ngược.
2.1.2 Hệ số phản xạ
Nếu định nghĩa hệ số phản xạ là tỷ số của sóng phản xạ trên sóng tới thì từ
phương trình truyền sóng ta xác định được hệ số phản xạ tại z = 0 (vị trí mắc tải)
[1].
𝐹(0) = 𝑉0−
𝑉0+ =
𝑍𝐿−𝑍0
𝑍𝐿+𝑍0 (2.4)
Rõ ràng là biên độ của hệ số phản xạ [] có giá trị bằng hoặc nhỏ hơn 1 hay
[] ≤ 1.
Áp dụng (1.3) ta sẽ viết lại như sau:
𝑉𝑧 = 𝑉0+ [𝑒−𝑖𝑧 + 𝑒𝑖𝑧] (2.5)
𝐼(𝑧) = 𝑉0+
𝑍0[𝑒−𝑖𝑧 − 𝑒𝑖𝑧] (2.6)
Các biểu thức (2.5) và (2.6) cho thấy rằng điện áp và dòng điện trên đường
truyền được xác định bởi sự “xếp chồng” của hai sóng là sóng tới và sóng phản
xạ. Do vậy, biên độ [V] và [I] tại mỗi vị trí z sẽ có giá trị khác nhau. Có những
điểm, biên độ [V] hoặc [I] luôn đạt giá trị cực đại, ngược lại có những điểm luôn
có giá trị cực tiểu, nghĩa là biên độ điện áp (hoặc dòng điện) có dạng dao động
theo z. Sóng này được gọi là “sóng đứng”. Như vậy sóng đứng sẽ xảy ra khi hệ số
phản xạ ≠ 0 [1].
Khi = 0, trên đường truyền chỉ có một sóng là sóng tới, có dạng sóng chạy.
Như vậy sóng chạy sẽ xảy ra khi: = 0 hay ZL = Z0 : ta nói đường truyền được
phối hợp trở kháng [1].
20
2.1.3 Hệ số sóng đứng
Các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực tiểu được gọi là điểm “nút” của
sóng đứng điện áp, còn các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực đại được gọi là
điểm “bụng”. Các điểm nút và điểm bụng của sóng đứng dòng điện cũng được
định nghĩa tương tự như trên. Rõ ràng là điểm nút của sóng đứng điện áp sẽ tương
ứng với điểm bụng của sóng đứng dòng điện và ngược lại [1].
Tỷ số biên độ của điện áp tại điểm bụng và điểm nút được gọi là hệ số sóng
đứng viết tắt là S [1].
𝑆 = 𝑉max
𝑉min=
1+[ ]
1−[ ] (2.7)
Khi = 0 (phối hợp trở kháng), ta có hệ số sóng đứng S = 1, nghĩa là biên
độ của sóng điện áp (hoặc dòng điện) có giá trị như nhau trên suốt chiều dài của
đường truyền. Sóng trên đường truyền được coi là sóng chạy. Từ (2.7) ta rút ra
được quan hệ giữa hệ số sóng đứng S và hệ số phản xạ :
[ ] = 𝑆−1
𝑆+1 (2.8)
2.1.4 Giản đồ Smith
Được tạo ra bởi Phillip H.Smith (1905-1987) năm 1939 tại Bell Lab. Sự ra
đời của biểu đồ Smith đã làm giảm nhẹ đáng kể các tính toán về đường truyền. Ta
có thể nghĩ rằng ngày nay khi máy tính đã phát triển thì ứng dụng của biểu đồ
Smith này không quan trọng nữa nhưng ngược lại nó cho ta thấy sự tiện ích nhiều
hơn là của máy tính với biểu đồ thông thường. Ngày nay biểu đồ Smith là một
phần của thiết kế máy tính với các phần mềm thiết kế siêu cao tần. Nhờ có nó ta
có thể dễ dàng tính toán, hiểu được mạch lọc đường truyền siêu cao tần, dễ dàng
giải quyết các công việc của kỹ thuật siêu cao tần như vấn đề phối hợp trở kháng
[6].
Đồ thị Smith chính là biểu diễn hình học của hệ thức [1]:
𝑍𝐿 = 1+
1− 𝑅0 (2.9)
Hay viết dưới dạng trở kháng chuẩn hóa như sau:
𝑧𝐿 = 1+
1− (2.10)
Trong đó zL = ZL/R0 chính là trở kháng chuẩn hóa theo R0.
Thay = [ ]ei ta viết lại (2.10) dưới dạng:
21
𝑧𝐿 = 1+ | |𝑒𝑖
1−| |𝑒𝑖 (2.11)
Một giá trị bất kỳ của hệ số phản xạ có thể được biểu diễn lên hệ tọa độ
cực dưới dạng một bán kính vector | | và góc pha . Như vậy, ứng với mỗi điểm
trên mặt phẳng của hệ số phản xạ có một giá trị của hệ số phản xạ hoàn toàn xác
định, và một giá trị trở kháng z hoàn toàn xác định [1].
Thay zL = rL + ixL và = r + ii vào (2.9) ta nhận được:
𝑟𝐿 + 𝑖𝑥𝐿 = (1+ 𝑟)+𝑖𝑖
(1− 𝑟)−𝑖𝑖 (2.12)
Trong đó: rL và xL lần lượt là điện trở và điện kháng của tải.
r và i là phần thực và phần ảo của hệ số phản xạ .
Trên mặt phẳng hệ số phản xạ (giới hạn trong vòng tròn bán kính bằng 1 và
|| ≤ 1) có thể vẽ được 2 họ đường cong, một họ gồm những đường đẳng điện
trở r = const và một họ gồm những đường đẳng điện kháng x = const [1].
Cân bằng phần thực và phần ảo của (2.12) ta được 2 phương trình:
𝑟𝐿 = 1−𝐿
2− 𝑖2
(1−𝑟)2+ 𝑖
2 (2.13)
𝑥𝐿 = 2 𝑖
2
(1−𝑟)2+ 𝑖
2 (2.14)
Sau khi biến đổi (1.13) và (1.14) ta nhận được:
(𝑟 − 𝑟𝐿
1+𝑟𝐿)2+ 𝑖
2 = (1
1+𝑟𝐿)2 (2.15)
(𝑟 − 1)2 + (𝑖 −
1
𝑥𝐿)2= (
1
𝑟𝐿)2 (2.16)
Mỗi phương trình trên biểu thị một họ đường tròn trong mặt phẳng r, i.
22
Hình 2.2: Giản đồ Smith.
2.2 Phối hợp trở kháng.
Phối hợp trở kháng là vấn đề quan trọng trong kỹ thuật chế tạo các thiết bị
cao tần dựa trên cơ sở áp dụng kiến thức về lý thuyết đường dây truyền sóng.
Mạch phối hợp trở kháng là mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và
được thiết kế sao cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng
Z0 của đường truyền. Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản được mô tả như hình sau
[1]:
Hình 2.3: Sơ đồ phối hợp trở kháng.
Mạch phối hợp trở kháng là phần quan trọng của một mạch siêu cao tần vì
những lý do sau [1]:
- Khi nguồn và tải được phối hợp trở kháng với đường truyền, năng lượng
tối đa từ nguồn sẽ được truyền đến tải còn năng lượng tổn hao trên đường truyền
là nhỏ nhất.
- Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu của hệ thống
khác trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp
23
âm thấp.
- Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp điện cho
dàn anten gồm nhiều phần tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ
và pha khi phân chia công suất.
Sau đây sẽ đề cập đến một số phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản:
2.2.1 Kỹ thuật phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung
Mạch phối hợp đơn giản nhất là loại chỉ gồm hai phần tử điện kháng mắc
thành hình chữ L (thuận hoặc nghịch), được gọi là mạch hình L. Giả thiết đường
truyền dẫn không tổn hao (hay tổn hao thấp), có nghĩa Z0 là đại lượng thuần trở
[1].
Hình 2.4: Mạch phối hợp trở kháng hình chữ L.
- Khảo sát hình 2.6(a)
Giả sử ZL = RL + ixL. Điều kiện để đạt được phối hợp trở kháng là trở kháng
nhìn từ đường truyền vào mạch phối hợp bao gồm cả tải phải bằng Z0, nghĩa là:
𝑍0 = 𝑖𝑋 +1
𝑖𝐵+𝑅𝐿+𝑖𝑋𝐿 (2.17)
Mạch này được ứng dụng trong trường hợp RL > Z0.
𝑋 =1
𝐵+𝑋𝐿𝑍0
𝑅𝐿−
𝑍0
𝐵𝑅𝐿 (2.18)
- Khảo sát hình 2.6(b)
Để đạt được phối hợp trở kháng, dẫn nạp nhìn vào từ đường truyền về phía
mạch phối hợp bao gồm cả hai tải bằng 1/Z0, nghĩa là:
1
𝑍0= 𝑖𝐵 +
1
𝑅𝐿+𝑖(𝑋+𝑋𝐿) (2.19)
Mạch này được ứng dụng trong trường hợp RL < Z0.
Thiết kế mạch phối hợp trở kháng dùng giản đồ Smith
24
Trường hợp RL > Z0, trở tải chuẩn hóa ZL = rL + ixL sẽ có phần thực rL > 1.
Do vậy, điểm biểu diễn cho ZL trên giản đồ Smith sẽ nằm bên trong vòng tròn r =
1.
Ngược lại, trường hợp RL < Z0, điểm biểu diễn ZL trên giản đồ Smith sẽ
nằm bên ngoài vòng tròn r = 1.
2.2.2 Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh/dây chêm
Phối hợp trở kháng bằng dây nhánh là phương pháp được sử dụng khá phổ
biến do đơn giản và dễ điều chỉnh. Có thể mắc dây nhánh vào đường truyền theo
sơ đồ song song hoặc nối tiếp với đoạn dây hở mạch hoặc ngắn mạch như hình
minh họa dưới đây:
Hình 2.5: Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh.
Thường việc điều chỉnh vị trí mắc dây chêm hay độ dài dây nhánh được thực
hiện theo cách tiếp xúc trượt. Đây là nhược điểm vì khó đảm bảo sự liên tục về
trở kháng hoặc tiếp xúc kém. Để khắc phục nhược điểm này người ta dùng phương
pháp phối hợp bằng dây chêm đôi đặt cách nhau khoảng cách cố định /8, /4,
3/8 trên đường truyền sóng. Các dây chêm có thể ở tình trạng hở mạch hoặc
ngắn mạch đầu cuối [1].
Hình 2.6: Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đôi song song.
2.2.3 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây /4.
Đoạn dây /4 là phương pháp đơn giản để phối hợp một trở kháng tải thực
với đường truyền. Một đặc điểm của đoạn dây /4 là chúng dễ dàng mở rộng băng
25
thông, phương pháp này để phối hợp cho cả một dải tần số. Tuy nhiên, nhược
điểm của phương pháp này là chỉ sử dụng được để phối hợp cho trường hợp trở
kháng tải là thực. Với một trở kháng phức chúng ta có thể sử dụng một đoạn
đường truyền hoặc dùng dây nhánh để đưa trở kháng này về trở kháng thực, sau
đó dùng phương pháp đoạn dây /4 để phối hợp. Ta biết một đoạn dây dẫn dài
/4 thoả mãn hệ thức sau [1]:
𝑍1 = √𝑍0𝑍𝐿 (2.20)
Tại tần số yêu cầu f0, thì chiều dài đoạn phối hợp trở kháng này có giá trị là
0/4, nhưng đối với tần số khác thì nó sẽ có một giá trị khác, chính vì thế ta sẽ chỉ
đưa ra các biểu diễn mang tính xấp xỉ.
Hình 2.7: Sơ đồ sử dụng đoạn dây /4.
Giá trị trở kháng lối vào nhìn từ phía đoạn một phần tư bước sóng được tính theo
công thức sau:
𝑍𝑖𝑛 = 𝑍1𝑍𝐿+𝑗𝑍1𝑡
𝑍1+𝑗𝑍𝐿𝑡 (2.21)
Với t = tan(l) = tan(), l = = /2 và 𝑍𝐿2 = 𝑍0𝑍𝐿 thì:
Г = 𝑍𝐿−𝑍0
𝑍𝐿+𝑍0+𝑗2𝑡√𝑍0𝑍𝐿 (2.22)
Biên độ của hệ số phản xạ khi đó được tính như sau:
|Г| = |𝑍𝐿−𝑍0|
[(𝑍𝐿+𝑍0)2+4𝑡2𝑍0𝑍𝐿]
12
= 1
[1+[4𝑍0𝑍𝐿
(𝑍𝐿−𝑍0)2] sec
2 ]
12
(2.23)
Với 1+t2 = 1 + tan2 = sec2
Giả sử tại tần số gần với tần số thiết kế f0, thì l 0/4 và /2, thì sec2 >> 1
và phương trình (2.23) có thể viết lại dưới dạng đơn giản như sau:
|Г| |𝑍𝐿−𝑍0|
2√𝑍0𝑍𝐿|𝑐𝑜𝑠 |, với /2 (2.25)
Phương trình (2.25) đánh giá về hệ số phản xạ tại tần số không phối hợp gần với
thành phần tần số yêu cầu.
26
CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT VÀ CHIA
CỘNG CÔNG SUẤT
3.1 Khái niệm bộ khuếch đại công suất
Khuếch đại công suất là biến đổi tín hiệu có biên độ nhỏ ở đầu vào
thành một tín hiệu có biên độ lớn ở đầu ra mà không làm thay đổi dạng tín
hiệu.
3.2 Các thông số quan trọng của bộ khuếch đại công suất.
3.2.1 Hệ số tạp âm Noise Figure
Khi các mạch được cấp nguồn, các điện tử dao động một cách ngẫu nhiên.
Sự dao động này tạo ra nhiệt. Đối với các mạch cao tần, chuyển động này là vô
cùng lớn, lượng nhiệt sinh ra là đáng kể. Lúc này nó hình thành một kênh tạp âm
và ảnh hưởng đến tín hiệu truyền trên hệ thống. Trong hệ thống RF, tạp âm được
kết hợp từ nhiều nguồn khác nhau [3].
Tạp âm nội: tạp âm nội được tạo ra bên trong hệ thống, nên được gọi là tạp
âm nội. Có ba loại tạp âm nội chính trong hệ thống RF là: Thermal Noise, Shot
Noise, Flicker Noise.
- Tạp âm nhiệt (Thermal Noise)
Đây là loại tạp âm được sinh ra từ sự chuyển động của các điện tử trong các
vật dẫn điện hoặc các chất bán dẫn gây ra bởi các hiệu ứng nhiệt. Trong các linh
kiện điện tử, các tín hiệu ngẫu nhiên được tạo ra trong các cấu kiện điện tử có
công suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ của cấu kiện này [3].
Công suất tạp âm được định nghĩa:
𝑃 = 𝑘. 𝑇. ∆𝑓 (3.1)
Trong đó: P: công suất tạp âm (W).
k: hằng số Boltzmann (J/K).
T: Nhiệt độ vật dẫn (K).
: băng thông (Hz).
- Shot Noise (Shottky Noise)
Là một loại tạp âm điện, xảy ra khi có một số phần tử xác định mang năng
lượng như electron trong các mạch điện, photon trong các thiết bị quang đủ nhỏ
để gây ra những sự dao động có thể dò được trong các thiết bị đo lường hay các
thiết bị bán dẫn [3].
27
Giá trị của loại tạp âm này tăng theo độ lớn trung bình của dòng điện hay
cường độ của ánh sáng. Shot Noise tương tự Thermal Noise, cũng có phân bố
dạng Gaussian (tạp âm trắng) [3].
𝐼2 = 2. 𝑞. 𝐼𝐷𝐶 . ∆𝑓 (3.2)
Trong đó: I: Dòng điện tạp âm hiệu dụng (A).
q: giá trị điện tích electron 1.6 x 1019 (C).
IDC: dòng điện DC (A).
: băng thông (Hz).
- Flicker Noise (1/f Noise)
Còn gọi là Pink Noise, thường xuất hiện ở tần số thấp. Flicker Noise có mật độ
phổ công suất tỉ lệ nghịch với tần số. Flicker Noise không ảnh hưởng nhiều đến mạch ở
tần số cao [3].
- Hệ số tạp âm Noise Figure (NF)
Ta có công thức sau:
𝐹 =𝑆𝑁𝑅𝑖𝑛
𝑆𝑁𝑅𝑜𝑢𝑡 (3.3)
𝑁𝐹(𝑑𝐵) = 10. lg(𝐹) = 10. lg𝑆𝑁𝑅𝑖𝑛
𝑆𝑁𝑅𝑜𝑢𝑡 (3.4)
Với mạch hoặc hệ thống có nhiều tầng, ta có công thức sau:
𝐹 = 𝐹1 +𝐹2−1
𝐺1+𝐹3−1
𝐺1𝐺2+⋯+
𝐹𝑛−1
𝐺1𝐺2…𝐺𝑛−1 (3.5)
Với Fx và Gx lần lượt là hệ số tạp âm và Độ lợi tại tầng thứ x.
Từ công thức (3.5) ta thấy được Độ lợi khuếch đại và tạp âm tại tầng thứ nhất
là vô cùng quan trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.
3.2.2 Hệ số khuếch đại
Đầu tiên ta cần định nghĩa các thông số S-parameter của mạng 2 cửa. S-
parameter là các thông số của ma trận tán xạ [S].
Hình 3.1: Sơ đồ của mạng 2 cửa thông số S.
28
Trong đó các thông số:
𝑆11 =𝑏1
𝑎1|𝑎2=0
là hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 1 (3.6)
𝑆12 =𝑏1
𝑎2|𝑎1=0
là tỉ số giữa điện áp ra cửa 1 khi đặt sóng vào tại cửa 2 (3.7)
𝑆21 =𝑏2
𝑎1|𝑎2=0
là độ lợi, hệ số khuếch đại (Gain) của mạng 2 cửa (3.8)
𝑆22 =𝑏2
𝑎2|𝑎1=0
là hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 2 (3.9)
Xét đoạn mạch cao tần có thông số ma trận tán xạ [S] như sau:
Hình 3.2: Mạng 2 cửa với nguồn và trở kháng tải.
Ta định nghĩa các loại độ lợi công suất như sau:
- Operating Power Gain: là tỷ số giữa công suất trung bình tiêu tán trên tải
với công suất trung bình được cấp bởi mạch.
𝑂𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 𝐺 =𝑃𝐿
𝑃𝑖𝑛 (3.10)
- Available Power Gain: là tỷ số giữa công suất trung bình hiện hữu cao
nhất của mạch điện với công suất trung bình cao nhất được cấp bởi nguồn.
𝐴𝑣𝑎𝑖𝑙𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 𝐺𝐴 =𝑃𝑎𝑤𝑛
𝑃𝑎𝑣𝑠 (3.11)
-Transducer Power Gain (độ lợi công suất chuyển đổi): là tỷ số giữa công
suất trung bình tiêu tán trên tải với công suất trung bình cao nhất được
cung cấp bởi nguồn.
𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑑𝑢𝑐𝑒𝑟 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 𝐺𝑇 = 𝑃𝐿
𝑃𝑎𝑣𝑠 (3.12)
Hơn nữa, ta có L, S, là các hệ số phản xạ tại nguồn ZS và tại trở kháng tải
ZL; in, out là hệ số phản xạ tại đầu vào và đầu ra tương ứng và được xác định bởi
các công thức sau:
29
𝐿 = 𝑍𝐿−𝑍0
𝑍𝐿+𝑍0 (3.13)
𝑆 = 𝑍𝑆−𝑍0
𝑍𝑆+𝑍0 (3.14)
𝑖𝑛 = 𝑍𝑖𝑛−𝑍0
𝑍𝑖𝑛+𝑍0= 𝑆11 +
𝑆12𝑆21𝐿
1−𝑆22𝐿 (3.15)
𝑜𝑢𝑡 = 𝑍𝑜𝑢𝑡−𝑍0
𝑍𝑜𝑢𝑡+𝑍0= 𝑆22 +
𝑆12𝑆21𝑆
1−𝑆22𝑆 (3.16)
Trong đó: Z0 là đặc tính tham số trở kháng của mạng 2 cửa.
Zin: là trở kháng nhìn từ cửa 1 của mạng 2 cửa.
S11, S12, S21, S22 là các tham số S của mạng 2 cửa.
Từ đó ta có thể viết lại các độ lợi công suất G, GA và GT như sau:
𝐺 = 𝑃𝐿
𝑃𝑖𝑛=
|𝑆21|2 (1−| |2)
(1− |𝐹𝑖𝑛|2)|1−𝑆22𝐿|
2 (3.17)
𝐺𝐴 = 𝑃𝑎𝑤𝑛
𝑃𝑎𝑣𝑠=
|𝑆21|2 (1−|𝑆 |
2)
(1− |𝑆11𝐹𝑆|2)(1− |𝐹𝑜𝑢𝑡|
2) (3.18)
𝐺𝑇 = 𝑃𝐿
𝑃𝑎𝑣𝑠=
|𝑆21|2 (1−|𝑆 |
2)(1−|𝐹𝐿|2)
|1−𝑆𝑖𝑛|2|1−𝑆22𝐿|
2 (3.19)
3.2.3 Tính ổn định của hệ thống
Một mạch khuếch đại ổn định là mạch luôn khuếch đại với mọi tín hiệu đưa
vào mà không trở thành một mạch dao động. Mạch cao tần đặc trưng bởi một hệ
số ổn định K, được định nghĩa bởi công thức sau [3]:
𝐾 = 1−|𝑆11|
2−|𝑆22|2+ ||2
2|𝑆12𝑆21| (3.20)
Trong đó: || = |𝑆11𝑆22 + 𝑆12𝑆21| (3.21)
Hệ thống sẽ ổn định không điều kiện khi: K > 1 và || < 1.
3.2.4 Độ tuyến tính
Mạch khuếch đại lý tưởng là mạch tuyến tính hoàn toàn. Có nghĩa là với mọi
tín hiệu vào sẽ đều được mạch khuếch đại. Tuy nhiên, đa số các mạch trong thực
tế chỉ tuyến tính trong một phạm vi giới hạn nào đó.
Khi tín hiệu vào là nhỏ, tín hiệu ra được khuếch đại tuyến tính. Tín hiệu vào
tăng dần, tín hiệu ra khuếch đại tăng theo, đến một mức giới hạn bão hoà của một
trong các linh kiện của mạch. Điểm nén 1dB được định nghĩa là điểm mà độ lợi
của tín hiệu giảm 1dB so với độ lợi của tín hiệu nhỏ (độ lợi lý tưởng). Bằng cách
30
giảm bớt độ lợi để tín hiệu không méo dạng. Điểm nén 1dB giúp cân bằng giữa
độ lợi khuếch đại và tính tuyến tính của mạch [3].
Hình 3.3: Điểm nén 1dB và Điểm chặn bậc 3
Để đánh giá mức tuyến tính của mạch, người ta dùng thông số Điểm chặn
bậc 3 (Third Order Intercept Point). Điểm chặn bậc 3 là điểm mà ở đó biên độ
phổ bậc 3 trùng với biên độ phổ bậc 1 [3].
Theo định nghĩa, giá trị của điểm nén 1dB và điểm chặn bậc 3 như sau:
- Biên độ điểm nén 1dB:
𝐴1−𝑑𝐵 = √0,145.1
_3 (3.22)
- Biên độ điểm IIP3:
- 𝐴𝐼𝐼𝑃3 = √4
3
1
3 (3.23)
- Ngoài ra, ta cũng có:
𝑂𝐼𝑃3 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 + 𝑑𝐵𝑐
2 (3.24)
𝐼𝐼𝑃3 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 − 𝐺𝑎𝑖𝑛 (3.25)
Trong đó 1, 3 : là các hệ số trong phép khai triển Taylor tín hiệu ra.
OIP3: Output 3rd Order Intercept Point.
IIP3: Input 3rd Order Intercept Point.
dBc: Độ lớn công suất nền nhiễu.
Pout: Công suất tín hiệu tại ngõ ra.
Hệ thống nhiều tầng: 1
𝐼𝐼𝑃3=
1
𝐼𝐼𝑃31+
𝐺1
𝐼𝐼𝑃32+
𝐺1𝐺2
𝐼𝐼𝑃33+⋯ (3.26)
Điểm 1dB Compression và điểm IIP3 càng lớn, hệ thống càng tuyến tính.
31
3.3 Bộ chia cộng công suất Wilkinson
Trong các mạch siêu cao tần cơ bản thì mạch chia công suất cũng là một
mạch rất phổ biến, được ứng dụng nhiều trong thực tế. Có nhiều loại mạch chia
công suất khác nhau ta có thể kể đến 1 số loại hay gặp trong thực tiễn như:
- Bộ chia và cộng công suất bằng mạch cầu ghép định hướng 3dB
- Các bộ chia và cộng công suất kiểu mạng Gysel
- Bộ chia cộng công suất T-Juntion.
- Các bộ chia cộng công suất Wilkinson
Bộ chia công suất Wilkinson, là bộ chia có tổn hao, nhưng được phối hợp trở
kháng tại tất cả các cửa và đảm bảo phân cách giữa các cửa ra.
Bộ chia công suất Wilkinson có thể có hệ số chia công suất là 2 (chia 3dB)
hoặc có thể bất kì.
Dưới đây là mô hình mạch chia - ghép công suất Wilkinson dạng đường
vi dải và mạch điện tương đương [7]:
Hình 3.4: Mạch ghép chia công suất Wilkinson.
Chiều dài của mỗi nhánh được thiết kế là λ/4, do đó mạch chỉ hoạt động ứng
với một tần số tín hiệu nhất định.
Với mạch trên ta có thể dùng làm bộ ghép công suất khi đưa tín hiệu vào
cửa 1 và cửa 2; tín hiệu ra lấy trên cửa 3. Khi đó ta có sơ đồ mạch tương đương
[4]:
32
Hình 3.5: Sơ đồ tương đương của bộ chia cộng Wilkinson
Tại cửa 3 điện trở R0 là tải ra của bộ cộng 2 đường có thể vẽ lại thành 2 điện
trở mắc song song với nhau 2R0. Còn điện trở hấp thụ và cách ly R có thể tách
thành 2 điện trở mắc nối tiếp với nhau R/2.
Nếu đưa tín hiệu cao tần vào cửa 3, tín hiệu ra lấy trên cửa 1 và cửa 2 thì ta
có bộ chia 2 công suất. Lúc này trên điện trở hấp thụ R = 2R0 không có dòng điện
nào chạy qua. Do đó điểm giữa của điện trở 2R0 coi như bị hở mạch, và ta có thể
vẽ lại mạch điện tương đương của bộ chia 2 đường như hình 3.6 [4]:
Hình 3.6: Sơ đồ tương đương bộ Wilkinson ở dạng hở mạch
Cuối cùng, ta có giá trị tham số S của bộ chia Wilkinson như sau:
S11 = 0 (Zin = 1 tại của 3). (3.27)
S22 = S23 = 0 (cửa 1 và 2 phối hợp trở kháng) (3.28)
S32 = S23 = -j√2 (đối xứng do thuận nghịch) (3.29)
S13 = S31 = -j√2 ( đối xứng ở cửa 1 và cửa 2) (3.30)
S12 = S21 = 0 (do ngắn mạch hoặc hở mạch khi tách đôi) (3.31)
33
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO
Để hệ thống Trunking có vùng phủ sóng đáp ứng yêu cầu thì các máy phát
phải có công suất đủ lớn để khi một site có nhiều kênh tần số thì phải dùng bộ
ghép combiner nhằm tiết kiệm anten phát cũng như tránh hiện tượng nhiễu xuyên
kênh. Do vậy cần phải có bộ khuếch đại công suất nhằm bù những tổn hao khi
ghép nhiều kênh trên combiner cũng như mở rộng vùng phủ sóng. Trong hệ thống
Trunking để có vùng phủ sóng lớn thì không chỉ tăng công suất phát mà còn phải
nâng cao chất lượng của tín hiệu thu được. Mặt khác trong một site có nhiều kênh
tần số vì vậy để phân chia tín hiệu thu đến các máy thu thì phải cần một bộ khuếch
đại tạp âm thấp để khuếch đại tín hiệu thu đó rồi chia tín hiệu cho nhiều máy thu.
Do đó trong chương này tác giả tập trung vào thiết kế một bộ khuếch đại công
suất nhằm nâng cao công suất phát đầu ra cũng như thiết kế một bộ khuếch đại
tạp âm thấp nhằm nâng cao chất lượng của tín hiệu thu được.
4.1 Yêu cầu thiết kế
Mỗi một thiết bị trước khi tiến hành thiết kế mô phỏng, chế tạo cần đặt ra
những yêu cầu cụ thể để từ đó giúp cho việc tính toán, mô phỏng cũng như đo
kiểm được đánh giá sản phẩm được dễ dàng.
4.1.1 Bộ khuếch đại công suất
Khuếch đại công suất là bộ phận không thể thiếu trong các máy phát, nó
không chỉ yêu cầu làm việc liên tục mà còn phải có hệ số ổn định. Mạch phải hoạt
động trong toàn bộ dải tần số tương ứng của các máy phát trong hệ thống từ 430-
470Mhz, đồng thời công suất lối ra của máy phát là công suất đầu vào của mạch
khuếch đại. Mạch phải tương thích với các thông số đầu ra của một máy phát cao
tần đó đó phải đáp ứng được các yêu cầu dưới đây:
STT Thông số Chỉ tiêu
1 Dải tần số (Mhz) 430-470Mhz
2 Công suất nối vào (W) 15-20W
3 Công suất nối ra (W) 70-90W
4 Gain(db) 8
5 Hệ số sóng đứng 1.5:1
6 Trở kháng (Ohm) 50
7 Điện áp hoạt động (V) 13.8
34
8 Connector nối vào, nối ra N- Male
9 Nhiệt độ hoạt động(OC) -10 ~ +60
4.1.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp
Mạch khuếch đại tạp âm thấp được thiết kế phải tương thích với lối vào của
các máy thu hoạt động trong dải tần số 430-470Mhz, đồng thời phải có hệ số
khuếch đại đảm bảo bù được những tổn hao do bộ chia tín hiệu cũng như không
sinh ra các nhiễu tạp âm nhằm đảm bảo độ ổn định của tín hiệu thu được. Do đó
mạch phải đáp ứng các yêu cầu dưới đây:
STT Thông số Chỉ tiêu
1 Dải tần số (Mhz) 430-470Mhz
2 Hệ số tạp âm (NF) dB 0.8
3 Gain(db) 15
4 Hệ số sóng đứng 1.4:1
5 Trở kháng (Ohm) 50
6 Điện áp hoạt động (V) 13.8
7 Connector nối vào, nối ra SMA, N- Male
8 Nhiệt độ hoạt động(OC) -10 ~ +60
4.2 Giải pháp thiết kế
4.2.1 Bộ khuếch đại công suất
Giải pháp thiết kế
Do bộ khuếch đại có yêu cầu công suất ra từ 70÷90W trong khi công suất
đầu vào 15÷20W, do đó ta có thể dùng nhiều tầng ghép nối với nhau để dễ cho
việc thiết kế, đo kiểm và đánh giá sản phẩm.
Sơ đồ khối của bộ khuếch đại công suất:
Hình 4.1: Sơ đồ khối của bộ khuếch đại công suất.
35
Lựa chọn linh kiện
Từ giải pháp và tiêu chuẩn của bộ khuếch đại tiến hành lựa chọn linh kiện
Transistor MRF648 do công ty Motorola sản xuất, đây là transistor công suất hoạt
động tại điện áp 12.5V dùng cho khuếch đại tín hiệu UHF có tần số nhỏ hơn
512Mhz, hệ số khuếch đại nhỏ nhất tương ứng là 4.4dB với hiệu suất 55%.
Hình 4.2: Hình dáng và cấu trúc chân của MRF648.
Hình 4.3: Thông số trở kháng lối vào và lối ra của MRF648.
36
4.2.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp
Đặc điểm của mạch LNA là phải đảm bảo nhiễu tạp âm là nhỏ nhất để không
làm thay đổi dạng tín hiệu cũng như nền nhiễu sinh ra do vậy khi chọn linh kiện
để thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp phải chọn các linh kiện có hệ số tạp âm nhỏ.
Do đó để đảm bảo các yêu cầu của mạch thì transistor cao tần SPF-3043 được lựa
chọn, đây là transistor được chế tạo theo công nghệ 0.25m pHEMT Gallium
Arsenide FET. Nó cung cấp dải tần hoạt động rộng, hệ số khuếch đại lớn, phù hợp
với việc thiết kế, chế tạo các bộ khuếch đại tạp âm thấp dùng trong công nghiệp
và thương mại.
- Đặc tính của SPF-3043:
+ Dải tần hoạt động lên đến 12 Ghz.
+ Hệ số tạp âm cực thấp (NF) : 0.44 dB @ 2Ghz
0.54 dB @ 4Ghz
+ Hệ số khuếch đại cao: 19 dB @ 2 Ghz
22 dB @ 4 Ghz.
+ Dòng thấp (3V, 20 mA).
Cấu trúc chân và chức năng các chân của Transistor SPF-3043
Hình 4.4: Cấu trúc và chức năng từng chân của SPF-3043.
Hình 4.5: Bảng tham số S-Parameter của Transistor SPF-3043.
37
4.3 Tính toán, mô phỏng
4.3.1 Mạch khuếch đại công suất
Mạch khuếch đại
Từ giản đồ Smith của Transistor MRF648 ta chọn tần số trung tâm của mạch
450Mhz nên có trở kháng lối vào và ra tương ứng của linh kiện là:
Zin = 0.82 + j3.3 Ohm (4.1)
Zout = 1.1 + j2.7 Ohm (4.2)
Để mạch hoạt động hiệu quả cũng như có hệ số khuếch đại cao thì việc thiết
kế mạch phối hợp trở kháng cho linh kiện với đường truyền 50 là vô cùng quan
trọng. Do có nhiều phương pháp phối hợp trở kháng khác nhau nhưng để tối ưu
mạch ở đây ta sử dụng phương pháp dùng phần tử tập trung kết hợp với công nghệ
mạch giải.
- Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào cho MRF648
Hình 4.6: Mạch phối hợp trở kháng lối vào cho Transistor MRF648.
- Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào
Hình 4.7: Kết quả mô phỏng phối hợp trở kháng lối vào MRF648.
38
Từ hình 4.7 với chỉ số S21= -0.108dB cho thấy mạch phối hợp trở kháng đảm
bảo tín hiệu truyền tối đa tới linh kiện và với chỉ số S11 = -20.273dB đảm bảo tín
hiệu phản xạ lại lối vào rất nhỏ và cũng đảm bảo được băng thông của mạch thảo
mãn yêu cầu đặt ra ban đầu.
- Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối ra cho MRF648
Trở kháng lối ra của linh kiện Zout = 1.1 +j2.7 Ohm được phối hợp với đường
truyền có trở kháng 50 được tính toán như sau:
Hình 4.8: Mạch phối hợp trở kháng cho MRF648.
Hình 4.9: Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối ra.
Từ hình 4.9 với chỉ số S21= -0.042dB cho thấy mạch phối hợp trở kháng đảm
bảo tín hiệu truyền tối đa từ linh kiện tới lối ra của mạch khuếch đại và với chỉ số
S11 = -34.271dB đảm bảo tín hiệu phản xạ lại linh kiện rất nhỏ.
39
Mạch cộng công suất
Do tín hiệu lối vào là đầu vào của hai mạch công suất. Để hệ số khuếch đại
của mạch có thể tối ưu thì mỗi một mạch khuếch đại công suất cần phải có cùng
một mức tín hiệu đi vào giống nhau. Do vậy, đơn giản trong thiết kế thì sử dụng
bộ chia/cộng công suất loại Wilkinson để cấp tín hiệu cho mạch khuếch đại.
Sơ đồ mô phỏng của bộ chia cộng công suất Wilkinson 1:2 được mô tả như
hình dưới được thực hiện trên phần mềm ADS2011.
Hình 4.10: Mạch mô phỏng của Wilkinson trên vật liệu FR4.
Hình 4.11: Kết quả mô phỏng của mạch Wilkinson.
Do dải tần hoạt động của mạch từ 430÷470 Mhz nên khi thiết kế bộ cộng
công suất Wilkinson trên phím đồng FR4 sẽ chiếm một diện tích lớn vì độ dài của
đoạn /4 của một nhánh Wilkinson do đó để đơn giản trong mạch in thì tiến hành
thay thế bằng đoạn cab 75Ohm và đoạn cab 50Ohm.
40
Khi đó mạch cộng chia công suất Wilkinson có dạng như sau:
Hình 4.12: Mạch Wilkinson thực tế.
Mạch lọc thông thấp
Để mạch khuếch đại hoạt động ổn định và không phát sinh các hài bậc cao
hơn so với dải tần số hoạt động thì tiến hành thiết kế một mạch lọc thông thấp tại
lối ra của mạch khuếch đại.
Hình 4.13: Mô phỏng mạch lọc thông thấp.
Hình 4.14: Kết quả mô phỏng của bộ lọc thông thấp.
Từ kết quả mô phỏng hình 4.14 cho thấy mạch tần số 475Mhz mạch cho tín
hiệu đi qua hoàn toàn (S21= -1.720E-7) và tín hiệu phản xạ trở lại lối vào là rất
nhỏ(S11). Đồng thời với những tín hiệu lớn hơn 500Mhz thì tín hiệu bị suy hao
41
cho thấy mạch chặn được những tín hiệu lớn hơn 500Mhz. Kết quả mô phỏng đáp
ứng yêu cầu của một bộ lọc thông thấp có tần số cắt 500Mhz.
4.3.2 Mạch tạp âm thấp
Từ bảng tham số S-parameter của Transistor SPF-3043 ta tính được trở
kháng đầu vào và trở kháng đầu ra theo các thông số S11 và S22 như sau:
𝑍𝑖𝑛 = 1+𝑆11
1−𝑆11 (4.13)
𝑍𝑜𝑢𝑡 = 1+𝑆22
1−𝑆22 (4.14)
Tần số trung tâm của mạch là 450Mhz nên từ bảng thông số S-Parameter ta
tính được trở kháng vào ra Zin và Zout tương ứng của linh kiện như sau:
Zin = 35.5 – j494.75 Ohm (4.15)
Zout= 205 – j51 Ohm (4.16)
Bài toán trở về thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho Zin và Zout với trở kháng
nguồn ZS và trở kháng tải ZL (có giá trị là 50).
Có nhiều phương pháp phối hợp trở kháng khác nhau như: phần tử tập trung,
dây chêm nối tiếp, dây chêm song song, đoạn /4… Tuy nhiên do yêu cầu cũng
như thực nghiệm tôi quyết định chọn phương pháp phối hợp trở kháng dùng phần
tử tập trung kết hợp với công nghệ mạch dải.
Hình 4.15: Sơ đồ cơ bản của mạch phối hợp trở kháng.
- Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào:
Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý của mạch phối hợp trở kháng lối vào.
42
Hình 4.17: Kết quả mô phỏng tham S11, S21 lối vào.
Theo kết quả mô phỏng hình 4.17 (chỉ số S11 và S21) cho thấy mạch phối hợp
trở kháng đã đảm bảo tín hiệu phản xạ tại lối vào rất nhỏ đáp ứng yêu cầu đặt ra
cũng như đảm bảo tín hiệu được truyền tối đa tới linh kiện.
- Thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối ra
Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý của mạch phối hợp trở kháng lối ra.
Hình 4.19: Kết quả mô phỏng tham S11, S21 lối ra.
43
Từ hình 4.19 cho thấy tín hiệu được truyền tối đa tới lối ra và tín hiệu phản
xạ lại linh kiện là rất nhỏ thoả mãn các yêu cầu đặt ra trước thiết kế.
- Phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại LNA
Sau khi thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho lối vào và lối ra ta tiếp tục mô
phỏng lại toàn bộ mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng Transistor SPF-3043 bằng
việc sử dụng file .S2P. Từ đó ta có thể khảo sát được các tham số quan trọng như
hệ số phản xạ S11, hệ số khuếch đại S21, dải thông của mạch…
Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý của mạch LNA.
Hình 4.21: Kết quả mô phỏng của mạch LNA.
Từ kết quả mô phỏng mạch tạp âm thấp LNA khi đo tại tần số 450Mhz ta
thấy tín hiệu phản xạ (S11= -18.578 dB) tại lối vào của mạch rất nhỏ đáp ứng yêu
cầu ban đầu đặt ra và mạch khuếch đại tín hiệu được S21= 29.67 dB đảm bảo các
44
yêu cầu thiết kế ban đầu. Từ kết quả thiết kế, mô phỏng ta tiến hành layout mạch
in để tiến hành kiểm tra thực tế.
4.4 Thực nghiệm, đo kiểm, đánh giá kết quả
4.4.1 Chế tạo Layout mạch in
Sau khi mô phỏng toàn bộ các phần của mạch khuếch đại đạt kết quả tốt ta
tiến hành thiết kế layout và gia công mạch in.
- Mạch khuếch đại công suất
Do mạch có cấu tạo gồm nhiều phần khác nhau nên quá trình layout mạch
PCB sẽ chia nhỏ thành nhiều modul nhằm thuận tiện cho quá trình kiểm tra cũng
như đánh giá.
Hình 4.22: Layout của mạch khuếch đại.
Hình 4.23: Mạch khuếch đại công suất sau khi đã được hàn linh kiện.
- Mạch lọc thông thấp
Hình 4.24: Mạch lọc thông thấp sau khi được lắp ráp.
45
- Mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA
Mạch tạp âm thấp sau khi layout
Hình 4.25: Mạch khuếch đại LNA sau khi layout.
Hình 4.26: Mạch khuếch đại LNA sau khi hàn linh kiện.
4.4.2 Đo kết quả thực tế
Mạch cộng chia công suất
Để đo mạch chia công suất Wilkinson ta dùng một thiết bị phát công suất
34dBm để cấp vào lối vào và 2 lối ra của mạch được nối với máy phân tích phổ
có dạng như hình dưới đây
Hình 4.27: Đo mạch cộng chia công suất Wilkinson
46
Hình 4.28: Công suất lối vào của bộ chia cộng công suất Wilkinson
- Đo tại tần số 450 Mhz tại lối ra
Hình 4.29: Công suất lối ra của mạch Wilkinson tại tần số 450 Mhz
Cấp tín hiệu có công suất 34dBm tại tần số 450Mhz tới lối vào của bộ chia
cộng Wilkinson sau đó tiến hành đo công suất tại 2 cổng ra là 32dBm khi so sánh
với yêu cầu đặt ra cũng như với lý thuyết thì thấy rằng bộ chia cộng Wilkinson
hoạt động tốt đáp ứng các tiêu chí của mạch.
Tiến hành đo tại nhiều tần số khác nhau thì đều thu được kết quả tương tự:
47
- Đo công suất lối ra tại tần số 460 Mhz
Hình 4.30: Công suất tại 2 lối ra của mạch Wilkinson
- Đo công suất lối ra tại tần số 440Mhz
Hình 4.31: Công suất lối ra tại 2 cổng của mạch Wilkinson tại tần số
440Mhz
Đánh giá kết quả: Với công suất lối vào của mạch Wilkinson là +34dBm
thì công suất lối ra tại 2 cổng của mạch là +32dBm và +31.8dBm và khi đo tại
nhiều tần số khác nhau kết quả cũng không thay đổi chứng tỏ mạch hoạt động
tương đối ổn định với nhiều tần số khác nhau. Với kết quả đo kiểm cho thấy mạch
đáp ứng được yêu cầu đặt ra cũng như đúng với như kết quả mô phỏng ban đầu.
Đo mạch lọc thông thấp
Để đo khả năng hoạt động của mạch lọc thông thấp dùng một máy phát tín
hiệu chuẩn có công suất 0dBm kết nối với lối vào của mạch, lối ra của mạch kết
nối với máy phân tích phổ để đo độ suy hao của mạch ở những tần số cắt cũng
như kiểm tra khả năng chặn tín hiệu ở tần số cao bằng cách thay đổi tần số khác
nhau trên máy phát tín hiệu. Kết quả đo cụ thể như sau:
48
Hình 4.32: Đo bộ lọc thông thấp tại tần số 500Mhz
Khi tiến hành đo thực tế thấy rằng với những tín hiệu có tần số nhỏ hơn
500Mhz mạch lọc chỉ suy hao khoảng 2dBm điều này chứng tỏ mạch lọc thông
thấp hoạt động tốt theo đúng mô phỏng cũng như đáp ứng các yêu cầu đặt ra.
Hình 4.33: Đo bộ lọc thông thấp tại tần số 530Mhz và 570Mhz
Từ hình 4.33 ta thấy tại tần số 530Mhz, 570Mhz bộ lọc làm tín hiệu suy hao
15.9dBm và 30.4dBm. Khi tiến hành đo với các tần số lớn hơn thì bộ lọc làm suy
hao tín hiệu càng lớn. Từ kết quả đo thấy rằng bộ lọc loại bỏ được các tín hiệu bậc
cao, đáp ứng các tiêu chí đặt ra.
Đánh giá kết quả: Từ những kết quả đo thực tế và so sánh với yêu cầu của
bộ lọc thông thấp thấy rằng bộ lọc hoạt động tốt đáp ứng các yêu cầu thiết kế ban
đầu đặt ra. Bộ lọc cho những tần số thấp hơn 500Mhz đi qua còn những tần số lớn
49
hơn 500Mhz thì suy hao tương đối lớn. Bộ lọc đảm bảo cho phép các tần số trong
khoảng 430Mhz - 470Mhz của bộ khuếch đại đi qua đồng thời loại bỏ được các
tín hiệu lớn hơn 500Mhz.
Mạch khuếch đại công suất
Để đo được mạch khuếch đại công suất sẽ dùng một thiết bị có công suất
phát khoảng 20W để nối với lối vào của mạch sau đó lối ra của mạch được nối
với máy đo R2600 để tiến hành đo công suất của mạch, trong quá trình đo thì giữ
nguyên công suất phát của tín hiệu nhưng thay đổi tần số nhằm kiểm tra độ ổn
định của mạch khuếch đại. Sơ đồ đo được bố trí như hình dưới:
Hình 4.34: Sơ đồ đo mạch khuếch đại công suất.
- Công suất lối vào của mạch công suất.
Hình 4.35: Công suất tại lối vào của mạch công suất.
50
- Khi đo tại tần số 465Mhz.
Hình 4.36: Đo hệ số khuếch đại tại tần số 465Mhz.
Từ hình 4.36 thấy rằng tại tần số 465Mhz với công suất lối vào của mạch là
20W thì sau đi qua mạch khuếch đại công suất thu được 58.88W chứng tỏ mạch
đã khuếch đại được 38.88W đồng thời quan sát phổ của tín hiệu thấy không phát
sinh các hài bậc cao khác.
- Khi đo tại tần số 445Mhz.
Hình 4.37: Kết quả đo công suất tại tần số 445Mhz.
51
Từ hình 4.37 thấy rằng tại tần số 445Mhz với công suất lối vào của mạch là
20W thì sau đi qua mạch khuếch đại công suất thu được 79.43W chứng tỏ mạch
đã khuếch đại được 59.43W đồng thời quan sát phổ của tín hiệu thấy không phát
sinh các hài bậc cao khác mạch đáp ứng yêu cầu thiết kế đặt ra.
- Khi đo tại tần số 450Mhz
Hình 4.38: Kết quả đo công suất tại tần số 450Mhz.
Đánh giá kết quả:
- Từ những kết quả đo thực tế khi tiến hành đo tại nhiều tần số khác nhau
và so sánh với yêu cầu đặt ra cho thấy mạch khuếch đại đã hoạt động tốt,
có hệ số khuếch đại khoảng 7dBm.
- Tuy nhiên khi đo ở nhiều tần số khác nhau thì mạch có hệ số khuếch
đại khác nhau, điều này là do khi thiết kế mạch được thiết kế tại một tần số
nhất định.
- Mạch đã phối hợp trở kháng được giữa các thành phần với nhau như:
bộ chia cộng công suất, mạch khuếch đại, và mạch lọc thông thấp.
Mạch khuếch đại tạp âm thấp
Để đo hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA ta cần kết nối
mạch với một máy phát tín hiệu tại lối vào của mạch, lối ra của mạch được nối
với lối vào của máy phân tích phổ. Trong quá trình đo thì giữ nguyên công suất
vào của tín hiệu nhưng sẽ tiến hành đo ở nhiều tần số khác nhau nhằm đánh giá
độ ổn định của mạch cũng như khả đánh giá băng thông của mạch có đáp ứng
được như yêu cầu đặt ra cũng như để so sánh với kết quả của quá trình mô phỏng
trên phần mềm cao tần ADS. Dưới đây là cách bố trí để đo mạch khuếch đại tạp
âm thấp.
52
Hình 4.39: Kết nối mạch LNA với máy phát tín hiệu và máy phân tích phổ.
- Đo hệ số khuếch đại của mạch LNA khi chỉ có một tầng khuếch đại.
Hình 4.40: Đo hệ số khuếch đại khi có một tầng.
Khi có một tầng khuếch đại, một tín hiệu lối vào -30dBm từ máy phát tín
hiệu được nối với mạch. Tín hiệu đo tại máy phân tích phổ thu được -16dBm
chứng tỏ mạch đã khuếch đại tín hiệu lên 14dBm. Theo mô phỏng khi mạch có 1
tầng khuếch đại mạch khuếch đại tín hiệu được 29dBm trong khi đo thực tế mạch
chỉ khuếch đại được 14dBm điều này là do khi mô phỏng mọi vật liệu cũng như
53
linh kiện là lý tưởng còn khi thực tế nhiều yếu tố ảnh hưởng như mạch PCB hay
sai số của các linh kiện. Tuy nhiên thì mạch khuếch đại được 14dBm điều này đạt
yêu cầu thiết kế ban đầu đặt ra.
- Khi có 2 tầng khuếch đại với tín hiệu lối vào -40dBm tại tần số 450Mhz được
đưa tới lối vào của mạch, tín hiệu lối ra của mạch thu được tại máy phân tích phổ
là -13.85dBm. Chứng tỏ tín hiệu lối vào đã được khuếch đại lên 26dBm.
Hình 4.41: Đo hệ số khuếch đại của mạch khi có 2 tầng.
+ Đo tại tần số 441 Mhz:
Hình 4.42: Hệ số khuếch đại của mạch LNA khi có 2 tầng tại tần số
441Mhz
Tại tần số 441Mhz với tín hiệu lối vào -40dBm thì tín hiệu lối ra tại máy
phân tích phổ thu được -13.58dBm. Ta thấy rằng hệ số khuếch đại của mạch
khoảng 26dBm.
54
+ Đo tại tần số 460Mhz.
Hình 4.43: Hệ số khuếch đại của mạch LNA tại tần số 460Mhz.
Khi đo tại tần số 460Mhz với tín hiệu lối vào của mạch là -40dBm thì tín
hiệu lối ra thu được tại máy phân tích phổ là -14.28dBm chứng tỏ mạch đã khuếch
đại tín hiệu lên khoảng 26dBm.
Đánh giá kết quả: qua đo kiểm thực tế thấy mạch đã khuếch đại được
khoảng 26dBm khi sử dụng 2 tầng khuếch đại và hệ số khuếch đại của mạch rất
ổn định khi đo ở nhiều tần số khác nhau. Trong quá trình đo nhận thấy mạch không
tạo ra các hài khác đồng thời nhiễu tạp âm của mạch cũng tương đối ổn định, tuy
nhiên chưa có thiết bị để đo được hệ số tạp âm nhiễu mà chỉ đo trên nên máy đo
phân tích phổ, cũng như chưa đo được hệ số SWR.
55
KẾT LUẬN
Để có thể hoàn thiện một đề tài trong lĩnh vực siêu cao tần phải trải qua rất
nhiều công đoạn khác nhau từ việc nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật siêu
cao tần, đưa ra giải pháp tối ưu cho việc thiết kế tính toán mô phỏng, đến việc tiến
hành triển khai áp dụng trong gia công chế tạo sản phẩm thực tiễn, tiến hành đo
đạc kiểm tra, đánh giá kết quả rồi đưa ra hiệu chỉnh và quay lại khâu thiết kế để
chế tạo được sản phẩm đạt được yêu cầu đề ra.
Luận văn đã trình bày khái quát cấu trúc chung của một hệ thống thông tin
vô tuyến. Cũng như các thành phần của hệ thống, để từ đó có căn cứ tiến hành
nghiên cứu chế tạo một số các phần tử dùng trong hệ thống. Để có thể thiết kế
được sản phẩm thì trong quá trình thực hiện luận văn cần phải sử dụng đến một
số công cụ mô phỏng như ADS2011, Altium 2016 và một số công cụ trong tiện
ích của trang amanogawa.com…
Kết quả đo kiểm thực nghiệm cho thấy sự thành công bước đầu trong việc
chế tạo một bộ khuếch đại công suất cũng như một bộ khuếch đại tạp âm thấp.
Với bộ khuếch đại công suất là sự đòi hỏi sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau như
bộ cộng chia công suất, kỹ thuật phối hợp trở kháng... Thực tế thì mạch đã hoạt
động hiệu quả với hệ số khuếch đại đạt được khoảng 7dBm và có băng thông khá
lớn. Tuy nhiên để có thể áp dụng với nhiều loại thiết bị có công suất ra khác nhau
thì mạch cần thiết kế thêm một bộ tiền khuếch đại tại lối vào. Với bộ khuếch đại
tạp âm thấp thì mạch đã đạt được hệ số khuếch đại khoảng 26dBm, trong quá trình
đo kiểm thì mạch hoạt động hiệu quả, tuy nhiên để áp dụng vào thực tiễn thì cần
phải tiến hành đo kiểm thêm và cần hiệu chỉnh để biết được mạch có đạt được chỉ
số tạp âm nhiễu hay không, do thực tế chưa có thiết bị để đo hệ số phản hồi của
mạch khuếch đại tạp âm thấp. Tuy kết quả đo còn mang tính tương đối, mạch
được đo ở trong phòng thí nghiệm với tín hiệu giả định của máy phát nhưng đây
cũng là một tiền đề cho việc tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thiết sản phẩm sau này.
56
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng việt
1. Bạch Gia Dương, Trương Vũ Bằng Giang (2013), Kỹ thuật siêu cao tần,
Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
2. Vũ Đình Thành (1997), Lý thuyết cơ sở Kỹ thuật siêu cao tần, Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật.
3. Nguyễn văn Quang, Luận văn thạc sĩ, “Thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại tạp
âm thấp với cơ chế bảo vệ dùng cho Radar sóng centimet”, ngành điện tử
viễn thông, trường Đại học Công nghệ-ĐHQG Hà Nội, 2016.
Tiếng anh
4. David.M.Pozar (2012). Microwave Engineering, John Wiley $ Son, Fourth
Edition.
5. Overview systems Smart Zone of Motorola.
6. U.K. Mishra, P. Parikh, and Y.F. Wu. AlGaN/GaN HEMTs: An overview
of device operation and applications.
7. Daniel D. Harty, A Thesis (2010). Wilkinson Power divider analysis and
design.
8. J. Vuolevi and T. Rahkonen. Distortion in RF Power Amplifiers. Artech
House, inc.,2003.
9. Steve C. Cripps. Advanced techniques in RF Power Amplifier Design
Artech House,inc., 2002
10. https://datasheet4u.com/datasheet-pdf
file/543011/MotorolaSemiconductor/MRF648/1
11. https://www.digchip.com/datasheets/parts/datasheet/458/SPF-3043
pdf.php
