IH

QU

GI H N I

TRƢ

T

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

UYỄ

ỨU T
TẦ

DÙ

ẾT

TR

Ế

Ứ

ẾT

Ù


bộ thu phát đóng vai trò rất quan trọng, đây là bộ phận ảnh hưởng chính đến chất
lượng tín hiệu vệ tinh.
ể 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 .
Với tên đề tài: “ ghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần

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
iểm 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.

ây 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.

2
Luận văn thạc sỹ

đã đưa ra ý tưởng sử dụng hệ thống 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh và quảng
bá trên toàn thế giới.
Kỷ nguyên của thông tin vệ tinh bắt đầu từ tháng 10/1957 khi Liên Xô đã
phóng thành công vệ tinh nhân tạo Sputnick-1 đầu tiên trên thế giới. Những năm
sau đó được đánh dấu bằng nhiều sự kiện như: năm 1958 một bức điện được phát
qua vệ tinh S ORE, năm 1960 vệ tinh thông tin E HO với việc chuyển tiếp tín
hiệu thụ động, năm 1962 có TELST R và RELEY, năm 1963 có vệ tinh địa tĩnh
đầu tiên.
Năm 1965, hệ thống thông tin vệ tinh thương mại đầu tiên trên thế giới là
INTELS T1 với tên gọi E RLY BIRD ra đời. ũng năm đó, vệ tinh thông tin liên
lạc đầu tiên của Liên Xô có tên gọi là MOLNY

được phóng lên quỹ đạo elip. Từ

đó đến nay đánh dấu Sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo vệ tinh, tên lửa
đẩy và công nghệ các trạm mặt đất, thông tin vệ tinh không những chỉ dùng cho các
dịch vụ thông tin quốc tế, truyền hình mà còn dược dùng cho thông tin khí tượng,
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- rthur

lark 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 INT LS T.
1965-Phóng vệ tinh INTELS T - 1 (Early Bird) và MOLNYA.

3
Luận văn thạc sỹ


Hình 1.2a Hình ảnh vệ tinh
1.2 Ở Việt am
ầu năm 2008, Việt nam đã phóng vệ tinh đầu tiên Vinasat1.

Hình 1.2b Ngày 16 tháng 5 năm 2012 vệ tinh Vinasat2 đã được phóng lên quỹ đạo.

5
Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng


ùng với việc phóng vệ tinh Vinasat, các tổ chức sẽ có nhu cầu thiết lập
hàng loạt trạm mặt đất để triển khai hệ thống thông tin qua vệ tinh. Do đó việc tìm
hiểu các đặc điểm của các hệ thống vệ tinh trong các băng tần sẽ đem lại nhiều lợi
ích và phù hợp với tình hình phát triển công nghệ thông tin vệ tinh của Việt nam
hiện nay.
ác vệ tinh này hoạt động ở band

và band Ku, việc tập chung nghiên cứu

khai thác sử dụng triệt để băng tần là vấn đề hết sức quan trọng. Do tín hiệu thu
được ở mặt đất từ vệ tinh bị suy hao rất lớn, mặt khác do ảnh hưởng của môi trường
nên tín hiệu thu được bị ảnh hưởng mạnh của nhiễu.

ể giải quyết vấn đề này, các

bộ phát đáp của vệ tinh phải có phẩm chất tốt, chính xác, kích thước và khối lượng
nhỏ và sử dụng ít năng lượng.



 Vùng phủ sóng rộng, do quỹ đạo của vệ tinh có độ cao lớn so với trái đất, các vệ
tinh có thể nhìn thấy một vùng rộng của trái đất.
 Dung lượng thông tin lớn, do sử dụng băng tần công tác rộng và kĩ thuật đa truy
nhập cho phép đạt dung lượng lớn trong thời gian ngắn mà ít loại hình thông tin
khác có được.


ộ tin cậy và chất lượng thông tin cao, do liên lạc trực tiếp giữa vệ tinh và trạm

mặt đất, xác suất hư hỏng trên tuyến liên lạc rất thấp và ảnh hưởng do nhiễu và khí
quyển không đáng kể.
 Tính linh hoạt cao, do hệ thống liên lạc vệ tinh được thiết lập nhanh chóng và có
thể thay đổi linh hoạt tùy theo yêu cầu sử dụng.


ó khả năng ứng dụng trong thông tin di động là thông tin liên lạc toàn cầu.
Do có nhiều ưu điểm nổi trội so với các loại hình thông tin khác, nên hệ

thống thông tin vệ tinh có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, điện thoại, truyền hình,
thông tin di động, truyền số liệu, Internet, các dịch vụ đào tạo và y tế từ xa, truyền
tin cho ngư dân trên biển, dự báo thời tiết, đảm bảo an ninh quốc phòng...Với sự
tiến bộ nhanh chóng của công nghệ chế tạo, phóng vệ tinh và công nghệ chế tạo các
thiết bị thông tin liên lạc, thiết bị đo lường và điều khiển từ xa, nguồn điện cho vệ
tinh…đã cho phép tăng dung lượng bộ phát đáp và áp dụng nhiều kĩ thuật truyền
dẫn tín hiệu mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống.

Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu
hức năng các module trong hệ thống

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.
 Bộ tách sóng: có nhiệm vụ tách lấy
thông tin mong muốn.

9
Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng



 bộ khuếch đại thị tần, khuếch đại âm
thanh là thông tin cần truyền tải để phát ra
loa
Loa: là bộ phận dùng để phát âm thanh.


 Anten phát và anten thu

ể xây dựng hoàn chỉnh hệ thống thu phát thông tin vệ tinh cần chế tạo đầy

-

iện dung song song tính theo chiều dài đơn vị của dây dẫn

-

iện dẫn song song tính theo đơn vị dài [S/m]

[ F/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.
-

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

-

iện trở nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ /m]

11
Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng


iện áp và dòng điện là các hàm của thời gian
2.1.2 Phƣơng trình sóng v nghiệm
Ta viết phương trình Kirchoff cho mạch điện tương đương trong hình 2.1, ta

U
 GzU z  Cz z
z
t

(2.4)

Suy ra:
I z
U z 

  GU z  C

z
t 


(2.5)

Và
U z  U z  z

U z 
I
  I z  z z
z 
z

I 


U  U 0 e jt

(2.8)

Lấy vi phân phương trình trên ta có:
U
 jU 0 e jt  jU
t

(2.9)

Trong trường hợp này, (2.5) và (2.7) trở thành:
I z
 G  Cj U z
z

(2.10)

U z
 R  Lj 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  jL G  jC U z  U z
z 2

và được xác định như sau:
 

R  jLG  jC 

(2.16)

13
Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng


Ta thấy hệ số truyền sóng là hàm của tần số.
Theo phương trình (2.16) hệ số truyền sóng  chứa cả phần thực và phần ảo
nên nó được viết dưới dạng:

    j

(2.17)

Thay thế (2.17) vào nghiệm tổng quát (2.14), (2.15)
U z, t   U1e z e j t z   U 2 e z e j t  z 

(2.18a)

I z, t   I1e z e j t z   I 2 e z e j t  z 

(2.18b)


Vì tham số  của phương trình (2.18) biểu thị sự suy giảm biên độ của các
sóng, nó thường được gọi là hệ số suy giảm có đơn vị tính là dB/m hoặc np/m
(neper).
Nếu biểu thị sự suy giảm công suất W1 và W2, ta có:

N  10 log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/.
Số hạng  mô tả sự biến thiên về pha của các sóng lan truyền và được gọi là
ác đơn vị của  là radian/m hoặc độ/m.

hằng số pha.

ộ dài của một bước sóng

() khi pha có độ lệch là 2, do đó:

  2 hoặc  

2

(2.20)



Trong trường hợp dây dẫn lý tưởng và không có tổn hao (R=G= 0) thì  = 0
và    LC .
Theo (2.16) và áp dụng các phương trình điện báo (2.10) và (2.11) ta có dòng


Nguyễn Đức Hùng


Z0 

R  jL





R  jL
G  jC

(2.23)

Nếu dây dẫn không tổn hao ta có:
Z0 

L
C

(2.24)

2.1.3 Vận tốc pha v 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).

 U 0 2 cos 1
 cos
  j 2 sin 1
 cos

 2   2 
 2   2 


Vì

(2.7)

1   2
 
  c   c t và 1 2  c   c t , toàn bộ tín hiệu có thể viết
2
2

thành:
U  2U 0 cos  z e t 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
cosin. Ta sẽ tìm được các vận tốc pha và vận tốc nhóm khi xét một điểm có pha
không đổi trong sóng mang và đường bao tương ứng.
Vận tốc pha: Tại thời điểm t = t1 và vị trí z = L1 số hạng sóng mang có một pha 1.
Tại thời điểm t = t2 có thể tìm thấy pha này ở vị trí L2. Vì 1  t1  L1 =

Nguyễn Đức Hùng


ối với dây dẫn không tổn hao ta có    LC do đó

1
v  
;

LC

   
vg 


   

1



1

(2.31)

LC

Khi đó ta thấy các vận tốc pha và vận tốc nhóm bằng nhau, do đó pha sóng
mang và pha đường bao sẽ có cùng vận tốc và duy trì một mối quan hệ bất biến khi
toàn bộ tín hiệu truyền qua dây dẫn.

I z  

U f z  0
Z0

e z 

U b z  0 z
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
Z0
Z0

(2.35)

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  L

Z 0 1  L

(2.37)

Sắp xếp lại các số hạng của L, ta có:
L 

Uf
Ub



Z L'  1 Z L  Z 0

Z L'  1 Z L  Z 0

(2.38)

Ta biết rằng, điện áp và dòng điện trên đường truyền bao gồm tổng của sóng
tới và sóng phản xạ tạo thành sóng đứng. Nếu  = 0 thì không có phản xạ.

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   
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

trừ đi


U z   U f 1  e 2 jz  U f 1  e 2 ji  U f 1  e 2 j  l 

(2.42)

Trong đó l = -z, được tính chiều dương bắt đầu từ tải,  là pha của hệ số phản
xạ    e j . Kết quả cho thấy biên độ dao động tại từng điểm trên trục, giá trị cực
đại nếu số hạng pha e 2 j  l   1. Ta có:
U max  U f 1   

(2.43)

Giá trị cực tiểu khi số hạng pha e 2 j  l   1 , khi đó:
U min  U f 1   

(2.44)

Vì  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  

U min 1  

(2.45)

Ta thấy rằng SWR có giá trị 1  SWR   , và khi SWR = 1 thì tải hoàn toàn
phối hợp.
Từ phương trình (2.42) ta thấy khoảng cách hai điểm có điện áp cực đại là:



(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:







jl
 jl
U  l  U f e  e
1  e 2 jl
Z in 

Z

Z0
0
I  l  U f e jl  e  jl
1  e 2 jl

(2.47)

Ta sử dụng (2.38) vào phương trình trên ta có:


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:

22
Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng


ZL 

1 
R0
1 

(2.49)

Hay viết dưới dạng trở kháng chuẩn hoá:
zL 

1 
1 

(2.50)

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

(1  r ) 2  i2

(2.53)

23
Luận văn thạc sỹ

Nguyễn Đức Hùng


xL 

2i2
(1  r ) 2  i2

(2.54)

Sau khi biến đổi (2.56) và (2.57) ta nhận được:

r
 r  L
1  rL


2


 1
  i2  


(2.56)

Mỗi phương trình trên biểu thị một họ đường tròn trong mặt phẳng r , i
2.2.2

ọ đƣờng tròn đẳng điện trở r
Phương trình (2.58) biểu thị họ vòng tròn đẳng điện trở, có tâm nằm trên trục

hoành ( i  0 ) tại hoành độ  =

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

rằng các vòng tròn này luôn đi qua điểm r = 1 (vì   a 

rL
1

 1)
1  rL 1  rL

(hình2.3)

24
Luận văn thạc sỹ