Thiết kế LNA băng tần SHF

Phần này định nghĩa thuật ngữ “vi ba” (microwaves) là sóng điện từ có bước sóng rất nhỏ, tương ứng với phạm vi tần số rất cao trong phổ tần số vô tuyến. Nó nhấn mạnh sự không thống nhất toàn cầu về định nghĩa chính xác phạm vi tần số của vi ba, với một số quốc gia coi sóng cực ngắn là sóng có tần số trên 30 MHz (bước sóng ≤ 10m), trong khi những quốc gia khác lại định nghĩa vi ba là sóng có tần số trên 300 MHz (bước sóng ≤ 1m). Sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật và việc chinh phục các băng tần cao đã và đang làm thay đổi khái niệm về phạm vi tần số của vi ba. Hình ảnh minh họa phổ tần số của sóng điện từ và phạm vi tần số của kỹ thuật vi ba được nghiên cứu trong chương này được đề cập.

Phần này tập trung vào lý thuyết đường truyền tín hiệu ở tần số cao, đặc biệt là tín hiệu siêu cao tần. Khi nghiên cứu đường truyền tín hiệu tần số thấp, ta thường coi đường dây nối là ngắn mạch, điều này chỉ đúng khi kích thước mạch nhỏ hơn bước sóng tín hiệu. Tuy nhiên, với tín hiệu cao tần và siêu cao tần, cần có nghiên cứu đặc biệt về đường truyền. Nội dung bao gồm các loại đường truyền như dây đôi, đường truyền vi dải, cáp phẳng và ống dẫn sóng. Các hiệu ứng truyền trên đường dây được phân tích dựa trên các giả thiết vật lý như xấp xỉ tĩnh (QSA), tín hiệu dải thông nhỏ và đường truyền hoạt động ở chế độ TEM. Phương trình điện báo được sử dụng để mô tả sự truyền dẫn trên một cáp đồng trục. Khái niệm trở kháng đặc trưng của đường truyền được giới thiệu, cùng với phân tích đường truyền không tổn hao và hiện tượng sóng phản xạ.

Phần này liệt kê các loại đường truyền sử dụng để truyền tín hiệu trong kỹ thuật siêu cao tần, bao gồm dây đôi, đường truyền vi dải, cáp phẳng và ống dẫn sóng. Mỗi loại đường truyền có đặc tính và ứng dụng riêng biệt, phù hợp với các yêu cầu khác nhau của hệ thống. Sự lựa chọn loại đường truyền phụ thuộc vào tần số hoạt động, tổn hao, kích thước và chi phí. Việc hiểu rõ đặc điểm của từng loại đường truyền là rất quan trọng để thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống truyền dẫn.

Phần này trình bày các hiệu ứng truyền trên đường dây trong kỹ thuật siêu cao tần. Các giả thiết vật lý được sử dụng bao gồm xấp xỉ tĩnh (Quasi-Static approximation - QSA) cho các phần tử thụ động hoặc hoạt động rời rạc, tín hiệu dải thông nhỏ và giả sử đường truyền hoạt động ở chế độ TEM. Phương trình điện báo được dùng để mô tả sự truyền dẫn trên đường dây. Khái niệm trở kháng đặc trưng được định nghĩa và phân tích cho trường hợp đường truyền không tổn hao. Hiện tượng sóng phản xạ và khái niệm độ thấm sâu của trường (độ dày lớp bề mặt mà trường tồn tại) được đề cập, đặc biệt là trong trường hợp đường truyền vi dải. Công thức tính trở kháng đặc trưng của đường truyền vi dải dựa trên các thông số hình học và điện môi được trình bày.

Phần này giải thích về cách sử dụng biểu đồ Smith để phân tích và thiết kế các mạch siêu cao tần. Biểu đồ Smith biểu diễn hệ số phản xạ và trở kháng chuẩn hóa trên hệ tọa độ cực. Nó cho phép xác định hệ số phản xạ từ trở kháng và ngược lại. Các đường đẳng trở kháng (r = const) và đẳng điện kháng (x = const) được giải thích chi tiết, cùng với cách sử dụng biểu đồ để xác định vị trí điểm ngắn mạch, hở mạch và trở kháng chuẩn hóa. Cách sử dụng biểu đồ Smith để xác định hệ số phản xạ tại một vị trí bất kỳ trên đường truyền và tính toán góc quay tương ứng với độ dịch chuyển trên đường truyền cũng được đề cập.

Phần này giới thiệu về phối hợp trở kháng, một kỹ thuật quan trọng trong kỹ thuật siêu cao tần để tối ưu hóa truyền tải công suất. Phối hợp trở kháng sử dụng một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng nhằm làm cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền bằng với trở kháng đặc trưng của đường truyền. Điều này giúp giảm thiểu sự phản xạ sóng và cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu. Phối hợp trở kháng đặc biệt quan trọng trong các hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten và bộ khuếch đại tạp âm thấp. Trong các mạng phân phối công suất siêu cao tần, phối hợp trở kháng giúp giảm sai số về biên độ và pha khi phân chia công suất.

Phần này giải thích cơ bản về phối hợp trở kháng trong kỹ thuật siêu cao tần. Phối hợp trở kháng là việc sử dụng một mạch phối hợp (mạch không tổn hao) đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng để trở kháng vào nhìn từ đường truyền bằng với trở kháng đặc trưng (Z₀) của đường truyền. Mục đích chính là để giảm thiểu sự phản xạ sóng trên đường truyền, từ đó tối đa hóa công suất truyền đến tải và giảm tổn hao. Điều này dẫn đến cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu, đặc biệt hữu ích cho các hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten và bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA). Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần, phối hợp trở kháng giúp giảm sai số về biên độ và pha khi phân chia công suất giữa các phần tử.

Phần này trình bày các kỹ thuật phối hợp trở kháng cụ thể. Điều kiện cần thiết để phối hợp trở kháng là trở kháng của máy phát và tải không đổi. Nếu tải đặt xa máy phát (cần cáp nối), sẽ cần hai đơn vị phối hợp trở kháng: một từ máy phát đến đường truyền và một từ đường truyền đến tải. Các kỹ thuật được đề cập bao gồm sử dụng các phần tử rời rạc (mắc nối tiếp hoặc song song) và đoạn dây chêm. Trong trường hợp mắc nối tiếp, mục tiêu là đạt công suất truyền đến tải cực đại và tổn hao trên đường truyền cực tiểu. Với mắc song song, điểm trên biểu đồ Smith dịch chuyển trên đường tròn có phần thực là điện dẫn chuẩn hóa không đổi. Phối hợp trở kháng với đoạn dây chêm, một phần của đường truyền có chiều dài nhất định, được giải thích. Việc tính toán chiều dài đoạn dây chêm có thể được thực hiện đơn giản hơn bằng cách sử dụng biểu đồ Smith để tránh tính toán phức tạp.

Phần này mô tả chi tiết quá trình thiết kế và mô phỏng chế tạo một bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) hoạt động ở tần số 2.45 GHz sử dụng transistor SPF-3043. Yêu cầu thiết kế đặt ra là hệ số khuếch đại lớn hơn 10 dB. Quá trình thiết kế bao gồm việc lựa chọn transistor phù hợp và áp dụng các kỹ thuật phối hợp trở kháng để tối ưu hóa hiệu suất của LNA. Phần mềm ADS (Advanced Design System) được sử dụng để mô phỏng và phân tích hiệu suất của mạch. Các thông số quan trọng như hệ số khuếch đại, tạp âm, và độ ổn định của mạch được đánh giá và tối ưu hóa trong quá trình thiết kế. Việc lựa chọn transistor SPF-3043 và phương pháp phối hợp trở kháng được giải thích.

Phần này tập trung vào phương pháp phối hợp trở kháng được sử dụng trong thiết kế LNA. Nhiều phương pháp khác nhau tồn tại, bao gồm sử dụng phần tử tập trung, dây chêm nối tiếp, dây chêm song song và đoạn dây λ/4. Tuy nhiên, phương pháp sử dụng đoạn dây λ/4 được lựa chọn do cho kết quả chính xác, ổn định và hệ số khuếch đại cao hơn so với các phương pháp khác. Phần mềm ADS và công cụ LineCalc được sử dụng để tính toán các thông số thiết kế của đoạn dây λ/4, bao gồm độ rộng (W) và chiều dài (L) dựa trên các giá trị lý thuyết. Kết quả tính toán và mô phỏng mạch thực tế bằng phần mềm ADS được trình bày, bao gồm kết quả mô phỏng tham số S11 và S21 ở đầu ra. Các thông số trở kháng vào/ra của transistor SPF3043 được sử dụng để thực hiện phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại.

Kết luận khẳng định luận văn đã hoàn thành đầy đủ các yêu cầu đề ra, nhờ sự giúp đỡ của ThS Đoàn Hữu Chức và sự nỗ lực của tác giả. Quá trình thực hiện luận văn là khoảng thời gian quý báu, giúp tác giả nghiên cứu kỹ thuật siêu cao tần và hiểu rõ khó khăn khi ứng dụng lý thuyết vào thực tế. Những kiến thức thu được sẽ là hành trang quý giá cho công tác thực tiễn sau này. Luận văn đã đạt được các kết quả chính sau: nghiên cứu kỹ thuật siêu cao tần; tìm hiểu thiết kế và mô phỏng mạch siêu cao tần bằng phần mềm ADS; và thiết kế, chế tạo thành công mô hình thu nhận năng lượng không dây trên dải sóng siêu cao tần ở tần số 2.45 GHz, bao gồm bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA).

Kết quả nghiên cứu cụ thể bao gồm việc thiết kế và chế tạo thành công bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) với tần số trung tâm 2.45 GHz, dải tần rộng 780 MHz và hệ số khuếch đại đạt từ 10.5 – 13.58 dB (có thể đạt 15 dB nếu trừ hao trên dây đo khoảng 1.5 dB). Đây là kết quả của việc nghiên cứu kỹ thuật siêu cao tần, thiết kế và mô phỏng mạch siêu cao tần bằng phần mềm ADS. Sự thành công của việc chế tạo LNA khẳng định khả năng áp dụng lý thuyết vào thực tiễn và đóng góp vào lĩnh vực kỹ thuật siêu cao tần và truyền năng lượng không dây.