Đại học khtn – Đại học QGHN

LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, thông tin vô tuyến bằng
vệ tinh ra đời và phát triển nhằm mục đích cải thiện các nhược điểm của mạng vô
tuyến mặt đất, đạt được dung lượng cao hơn, băng tần rộng hơn, nó có ý nghĩa
chính trị, kinh tế xã hội to lớn, đem lại dịch vụ mới và thuận tiện với chi phí thấp.
Hiện nay ở Việt Nam ngành công nghệ vũ trụ đang được đầu tư nghiên cứu, đây là
hướng đi mới, mở ra nhiều lợi ích to lớn cho đất nước. Trong thông tin vệ tinh các
bộ thu phát đóng vai trò rất quan trọng, đây là bộ phận ảnh hưởng chính đến chất
lượng tín hiệu vệ tinh.
Để chế tạo máy thu vệ tinh phải trải qua nhiều khâu với nhiều modul khác nhau
và cần nhiều thời gian, công sức. Trong khuôn khổ luận văn này, cùng với việc tìm
hiểu lí thuyết về máy thu tín hiệu vệ tinh, kĩ thuật siêu cao tần em chỉ đi sâu nghiên
cứu thiết kế chế tạo module: Bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần C.
Với tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng
trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat”. Bằng lí thuyết và thực nghiệm, Luận
văn đã thực hiện được các nội dung sau:
Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thu phát thông tin vệ tinh
Tìm hiểu về kĩ thuật siêu cao tần
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo module khuếch đại tạp âm thấp băng C
Điểm mới của đề tài thể hiện ở việc mạnh dạn nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch
cao tần ở tần số siêu cao, trên dải tần siêu cao đòi hỏi kích thước mạch điện rất nhỏ,
dẫn đến rất khó chế tạo chính xác. Bên cạnh đó do linh kiện kích thước lớn dẫn đến
có nhiều điện dung kí sinh làm mất phối hợp trở kháng của toàn mạch, vì vậy việc
chế tạo tại tần số cao như vậy là vấn đề rất phức tạp. Luận văn cũng tạo tiền đề để
nhóm nghiên cứu đi sâu lĩnh vực siêu cao tần và thông tin vệ tinh tiến tới có thể
triển khai tích hợp các mạch cao tần trên chip tương tự. Đây là xu hướng mới, đảm
bảo cho bộ thu nhỏ gọn, tiêu tốn ít năng lượng, rất phù hợp với việc gắn trên các vệ
tinh.


nghiên cứu vũ trụ, thăm dò trái đất, thông tin an toàn cứu nạn v.v...
Sau đây là một số mốc thời gian đánh dấu sự phát triển của thông tin vệ tinh:
1945-Arthur Clark đề xuất sử dụng các vệ tinh địa tĩnh dùng cho thông tin quảng
bá.
1957-Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên (Sputnik-1).
1964-Thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTCLSAT.

2
Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng


Đại học khtn – Đại học QGHN
1965-Phóng vệ tinh INTELSAT - 1 (Early Bird) và MOLNYA.
1971-Thành lập tổ chức INTERSPUTNICK gồm Liên xô, và 9 nước xã hội chủ
nghĩa.
1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội
địa.
1979-Thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT.
1984-Nhật Bản đưa vào sử dung hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh.
1987-Thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh.
Thời kỳ từ 1999 đến nay ra đời những ý tưởng và hình thành những hệ thống
thông tin di động và thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh. Các hệ thống
điển hình như: Global star, Iridium, Ico, Skybrigde, Teledesic.
Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm phần không gian (Space segment)
và phần mặt đất (Ground segment).

Hình 1.1 Phần không gian và phần mặt đất của hệ thống thông tin vệ tinh
3

Sóng vô tuyến trong thông tin liên lạc vệ tinh cần phải xuyên qua tầng điện li
và khí quyển bao quanh trái đất, nên cần phải chọn tần số suy hao nhỏ nhất trong
khoảng “cửa sổ vô tuyến” từ 1GHz đến 30GHz các băng tần được sử dụng nhiều
hơn cả là band C và band Ku.
Band C: Từ 4-8GHz thường sử dụng dải tần 5.85-7.025GHz cho tuyến phát
lên, và dải tần 3.7- 4.2GHz cho tuyến phát xuống
Band Ku: Từ 12.4 -18GHz thường sử dụng dải tần 12.75-13.25GHz và
14-14.5 GHz cho tuyến phát lên, dải tần 10.7-11.7GHz cho tuyến phát xuống.

5
Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng


Đại học khtn – Đại học QGHN

Hình 1.3 Vùng phủ của vệ tinh Vinasat 1 band C

Hình 1.4 Vùng phủ của vệ tinh VINASAT1 band Ku
1.3 Đặc trưng cơ bản của thông tin liên lạc qua vệ tinh
Hệ thống liên lạc qua vệ tinh có những ưu điểm chủ yếu như sau

6
Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng


Đại học khtn – Đại học QGHN

Bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LNA):
đây là một modul khuyếch đại đặc biệt, sử
dụng trong các hệ vô tuyến để khuyếch đại
những tín hiệu rất yếu được thu từ anten.
Nó thường được đặt rất gần anten thu để
giảm thiểu suy hao. Khi sử dụng bộ
khuyếch đại này ở máy thu thì ồn nhiễu
của những tầng sau sẽ được giảm bởi hệ số
khuyếch đại của nó. Trong khi đó, ồn
nhiễu của LNA lại được cộng trực tiếp vào
tín hiệu nhận được. Việc sử dụng LNA là
cần thiết để tăng công suất tín hiệu mong
muốn, còn tạp nhiễu sẽ được xử lý ở
những tầng tiếp theo.
Bộ đảo tần xuống: về bản chất bộ đảo
tần lên và xuống là giống nhau, chỉ khác
tín hiệu đầu vào và vị trí sử dụng. Nếu như
bộ đảo tần lên được sử dụng ở khối phát
thì bộ đảo tần xuống được chế tạo để dùng
cho khối thu. Tín hiệu cao tần UHF khi
qua bộ này sẽ được chuyển về tín hiệu
trung tần IF mang thông tin.
Bộ khuyếch đại trung tần khuếch đại
công suất tín hiệu trung tần sau khi lấy ra
khỏi bộ trộn tần số trước khi được xử lý ở
các tầng tiếp theo.

8
Luận văn thạc sỹ


Nhìn chung, các đường truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song để tín
hiệu điện áp truyền qua.
Trước hết, chúng ta khảo sát một đường truyền gồm một cặp dây dẫn song
song như hình vẽ. Hai dây dẫn này được mô hình hoá bằng:
-

Điện dung song song tính theo chiều dài đơn vị của dây dẫn C [ F/m]

-

Điện dẫn song song tính theo đơn vị dài [S/m]
Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ tạo ra một dòng điện trong dây

dẫn theo chiều ngược lại, đó là thành phần cảm ứng. cũng sẽ có một điện trở hữu
hạn nối tiếp trong các dây dẫn.
-

Điện cảm nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ H/m]

-

Điện trở nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ Ω/m]
10

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng


Đại học khtn – Đại học QGHN

I z = I z + ∆z

∂I z
∂U
+ G∆zU z + C∆z z
∂z
∂t

(2.4)

Suy ra:
∂I z
∂U 

= − GU z + C z 
∂z
∂t 


(2.5)

Và
U z = U z + ∆z

∂U z 
∂I 
∂I 
∂
+  I z + ∆z z  R∆z + L∆z  I z + ∆z z 
∂z 

U = U 0 e jω t

Lấy vi phân phương trình trên ta có:
∂U
= jωU 0 e jωt = jωU
∂t

(2.9)

Trong trường hợp này, (2.5) và (2.7) trở thành:
∂I z
= −(G + Cjω )U z
∂z

(2.10)

∂U z
= −(R + Ljω )I z
∂z

(2.11)

Ta thấy phương trình (2.10) và (2.11) giống dạng của phương trình điện báo
Maxwell. Thay thế giá trị Iz vào phương trình (2.10) và Uz vào phương trình (2.11)
ta được
∂ 2U z
= (R + jωL )(G + jωC )U z = γU z
∂z 2

(2.12)


(R + jωL )(G + jωC )

(2.16)
12

Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng


Đại học khtn – Đại học QGHN
Ta thấy hệ số truyền sóng là hàm của tần số.
Theo phương trình (2.16) hệ số truyền sóng γ chứa cả phần thực và phần ảo
nên nó được viết dưới dạng:
(2.17)

γ = α + jβ
Thay thế (2.17) vào nghiệm tổng quát (2.14), (2.15)
U ( z, t ) = U1e −αz e j (ωt −βz ) + U 2 e −αz e j (ωt +βz )

(2.18a)

I ( z, t ) = I 1e −αz e j (ωt −βz ) + I 2 e −αz e j (ωt + βz )

(2.18b)

Trong hai nghiệm trên thì số hạng thứ nhất ( bao gồm U1 hoặc I1), thừa số
e −αz có biên độ giảm khi z tăng. Thành phần hàm mũ thứ hai e j (ωt ± βz ) có giá trị biên


(neper).
Nếu biểu thị sự suy giảm công suất W1 và W2, ta có:

N = 10log(W1 / W2 ) ; (tính theo đơn vị dB)
N = 0,5 log(W1 / W2 ) ; (tính theo đơn vị neper)
Sóng sẽ suy giảm N khi biên độ của nó thay đổi exp(-N) giữa hai điểm của
một dây dẫn. từ hai tý số trên đây ta có thể rút ra 1 neper = 8,868 dB. Biên độ của
sóng giảm đi 1/e ( ≈ 37%) sau mỗi khoảng cách 1/α.
Số hạng β mô tả sự biến thiên về pha của các sóng lan truyền và được gọi là
hằng số pha. Các đơn vị của β là radian/m hoặc độ/m. Độ dài của một bước sóng
(λ) khi pha có độ lệch là 2π, do đó:

λβ = 2π hoặc β =

2π

(2.20)

λ

Trong trường hợp dây dẫn lý tưởng và không có tổn hao (R=G= 0) thì α = 0
và β = ω LC .
Theo (2.16) và áp dụng các phương trình điện báo (2.10) và (2.11) ta có dòng
truyền sóng:
I (z ) =

γ

[U
R + jωL

Đại học khtn – Đại học QGHN
Z0 =

R + jωL

γ

=

R + jωL
G + jωC

(2.23)

Nếu dây dẫn không tổn hao ta có:
Z0 =

L
C

(2.24)

2.1.3 Vận tốc pha và vận tốc nhóm
Ta thường muốn biết vận tốc của một tín hiệu chuyển qua một đường truyền.
Vận tốc pha mô tả tốc độ truyền lan trong dây dẫn của một điểm có pha không đổi,
trong khi vận tốc nhóm mô tả truyền lan trong dây dẫn của một nhóm tần số ( tức
thông tin).

Hình 2.2 Tín hiệu điều biên đường truyền.
Để minh hoạ những tham số này, ta xem xét một tín hiệu điều biên nén tần

 cos
 2   2 
 2   2


Vì

θ1 + θ 2
2

= ωc − β c t và

θ1 − θ 2
2





(2.7)

= ∆ωc − ∆β c t , toàn bộ tín hiệu có thể viết

thành:
U = 2U 0 cos(∆ω − ∆β z )e (ωt − β c z )

(2.8)

Trong đó thừa số của hàm mũ là một số hạng biểu thị pha ở tần số sóng
mang trong đó thông tin gửi trong tín hiệu này là hàm bao biên độ theo hàm số

=
→
khi ∆t → 0
t 2 − t1
∆β
∂β

(2.30)

Đối với dây dẫn không tổn hao ta có β = ω LC do đó
vφ =

1
ω
=
;
β
LC

vg =

∂ω  ∂β 
=

∂β  ∂ω 

−1

=


U ( z ) = U f ( z = 0 )e − γz − U b ( z = 0 )e γz

I (z ) =

U f ( z = 0)
Z0

e −γz −

(2.32)

U b ( z = 0) γz
e
Z0

(2.33)

chỉ số f và b là chỉ các sóng tương ứng của sóng tới và sóng phản xạ.
Tại z = 0, ta có:
U (0 ) = U f (0 ) + U b (0 ) = U L

I (0) =

(2.34)

U f (0) U b (0) U f − U b
−
=
= IL
Z0


Trong đó, ΓL là hệ số phản xạ :
ΓL =

ZL − Z0
Z L + Z0

(2.36b)

Ta thường sử dụng trở kháng được chuẩn hoá được định nghĩa là:
Z L' =

Z L 1 + ΓL
=
Z 0 1 − ΓL

(2.37)

Sắp xếp lại các số hạng của ΓL, ta có:
ΓL =

Uf
Ub

=

Z L' − 1 Z L − Z 0
=
Z L' + 1 Z L + Z 0



Hai số hạng giứ của phương trình trên có dạng: A − A* = 2 j Im( A) . Vì hoàn toàn ảo
nên có thể đơn giản hoá (2.42) thành:
Pav =

1+ U f

2

(1 − Γ )
2

Z0

(2.40)

ở đây, Uf là biệ độ của điện áp sóng tới.
Phương trình trên cho thấy công suất trung bình có giá trị cố định tại mọi
điểm trên đường. Vậy công suất toàn bộ trên tải bằng công suất tới

công suất phản xạ

Uf

Uf

2

2Z 0


sóng đứng, khi đó biên độ điện áp trên đường truyền không cố định. Từ (2.31) và
(2.32) ta có:
U ( z ) = U f 1 + Γe 2 jβz = U f 1 + Γe 2 jβi = U f 1 + Γe 2 j (θ − βl )

(2.42)

Trong đó l = -z, được tính chiều dương bắt đầu từ tải, θ là pha của hệ số phản
xạ Γ = Γ e jθ . Kết quả cho thấy biên độ dao động tại từng điểm trên trục, giá trị cực
đại nếu số hạng pha e 2 j (δ − βl ) = 1 . Ta có:
U max = U f (1 + Γ )

(2.43)

Giá trị cực tiểu khi số hạng pha e 2 j (δ −βl ) = −1 , khi đó:
U min = U f (1 − Γ )

(2.44)

Vì Γ tăng nên tỉ số Umax/Umin tăng, biểu thị số đo của sự phối hợp, được gọi
là tỷ số sóng đứng:
S = SWR =

U max 1 + Γ
=
U min 1 − Γ

(2.45)

Ta thấy rằng SWR có giá trị 1 ≤ SWR ≤ ∞ , và khi SWR = 1 thì tải hoàn toàn
phối hợp.

U f e jβ l

(2.46)

Γ(0) là hệ số phản xạ tại z = 0 (đầu nguồn vào).
Ta có thể thấy rằng công suất truyền trên đường truyền không đổi nhưng
điện áp trên đường truyền thay đổi theo từng điểm, ít nhất là khi không phối hợp. Vì
vậy, ta thấy rằng trở kháng có thể thay đổi. Tại điểm l =- z tính từ tải thì trở kháng
vào ( nhìn từ phía tải ) là:
Z in =

[
[

]
]

jβ l
− jβ l
U (− l ) U f e + Γ e
1 + Γ e −2 jβ l
=
Z
=
Z0
0
I (− l ) U f e jβl − Γ e − jβl
1 − Γ e − 2 jβ l

(2.47)



Đại học khtn – Đại học QGHN
lại nó cho sự tiện ích nhiều hơn sự tiện ích của máy tính với biểu đồ thông thường.
Ngày nay biểu đồ Smith là một phần của thiết kế máy tính (CAD) với 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…
Biểu đồ này chính là biểu diễn hình học của hệ thức:
ZL =

1+ Γ
R0
1− Γ

(2.49)

Hay viết dưới dạng trở kháng chuẩn hoá:
zL =

1+ Γ
1− Γ

(2.50)

trong đó zL=ZL/R0 chính là trở kháng chuẩn hoá theo R0.
Thay Γ = Γ e iϕ ta viết lại (2.50) dưới dạng:
zL =

1 + Γ e iϕ


const và một họ gồm những đường đẳng điện kháng x = const.
Cân bằng phần thực và phần ảo của (2.52) ta được 2 phương trình:
rL =

1 − ΓL2 − Γi2
(1 − Γr ) 2 + Γi2

(2.53)

xL =

2Γi2
(1 − Γr ) 2 + Γi2

(2.54)

Sau khi biến đổi (2.56) và (2.57) ta nhận được:

r
 Γr − L
1 + rL


2


 1
 + Γi2 = 


, có bán kính a =
. Dễ dàng nhận thấy
1 + rL
1 + rL

rằng các vòng tròn này luôn đi qua điểm Γr = 1 (vì γ + a =

rL
1
+
= 1)
1 + rL 1 + rL

(hình2.3)

23
Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng


Đại học khtn – Đại học QGHN

Hình 2.4 Họ vòng tròn đẳng điện trở

Hình 2.5 Họ vòng tròn đẳng điện kháng
24
Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng