Tìm hiểu về công nghệ thông tin vệ tinh

/45,7 D2 10 Băng C (6/4) 31,7 52,2/50 E1 3,5 Băng Ku (14/11 và 12) 25 52/49,9 E2 5 - 7 Băng Ku (14/11 và 12) 29 55,5/53,5 E3 8 - 10 Băng Ku (14/11 và 12) 34 59,2/56,6 F1 4,5 - 5 Băng C (6/4) 22,7 47,7/45,5 F2 7 - 8 Băng C (6/4) 27 51,6/48,4 F3 8 - 10 Băng C (6/4) 29 53/49 G (VSAT) 0,6 - 2,4 Băng C hoặc Ku G (TVRD) 1,2 - 11 Băng C hoặc Ku Số chi tiết kỹ thuật uỷ thác Z 0,6 - 32 Băng C hoặc Ku Bảng V.1: Các tham số của các loại anten trạm mặt đất 2. ống dẫn sóng: Tại các trạm mặt đất , khi cần phải phát các tín hiệu tần số cao và công suất lớn người ta dùng hệ thống dẫn sóng. ống dẫn sóng là một ống kim loại có kích thước không đổi, mặt trong của ống phải đảm bảo dẫn điện tốt. Tuỳ theo hình dạng tiết diện của ống mà người ta chia làm ba loại: . ống dẫn sóng chữ nhật. . ống dẫn sóng tròn. . ống dẫn sóng elip. 3. Đặc điểm của ống dẫn sóng: - Tổn thất điện dẫn thấp. Với hiệu ứng mặt ngoài do kích thước ống lớn đảm bảo cho bể mặt dẫn điện rộng làm cho trở kháng giảm, độ dẫn điện tăng. Đặc biệt mặt trong của ống thường được phủ một lớp kim loại có độ dẫn điện tốt do đó làm tăng tính dẫn điện giảm tổn hao. - Mất mát trong chất điện môi thấp: Trong ống dẫn sóng không có các thanh đỡ cách điện giữa các bề mặt vật dẫn do đó mất mát trong chất điện môi là không có. - Mất mát do bức xạ: Do ống dẫn sóng là ống kim loại kín, sóng điện tử chỉ tồn tại trong ống do sóng không thể bức xạ ra ngoài. Tổn thất do bức xạ không có. - Khả năng chịu đựng công suất cao : Do bề mặt dẫn có khả năng dẫn điện tốt , không có chất điện môi vì vậy trong ống không có khả năngđánh lửa nên nó truyền được điện áp cao một cách dễ dàng. Giá thành ống dẫn sóng cao hơn nhiều so với cáp đồng trục. V.2.2 Nguyên lý truyền sóng trong ống dẫn sóng Nguyên lý truyền sóng trong ống dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần bên trong thành ống. Nguyên lý này dựa vào các quy luật chi phối đường đi của sóng điện từ, từ đó các điều kiện bờ của Maxnell. Trong một vật dẫn lý tưởng tại bờ phân giới điện trường bằng không từ đó suy ra không có sự biến thiên điện thế trong một vật dẫn lý tưởng nên không có điện trường tồn tại trong vật dẫn lý tưởng. Từ đó ta thấy điện trường không thể tồn tại trong vật dẫn lý tưởng. Từ quan hệ từ trường và điện trường vuông góc thì từ trường phải triệt tiêu khi điện trường triệt tiêu. Thành phần tiếp tuyến của từ trường tại bờ phân giới của vật dẫn lý tưởng liên quan đến dòng điện mặt. Đó là dòng điện vô cùng mỏng chảy trên bề mặt vật dẫn. Ta có thể coi ống dẫn sóng như dây song hành, trên đó gắn các đoạn dây song song ngắn mạch đường dây song hành có chiều dài đầu cuối là l/4 và sít vào nhau. Do đoạn dây ngắn mạch có chiều dài l/4 nên trở kháng vào là vô cùng lớn không ảnh hưởng gì tới chế độ làm việc của dây song hành. Như vậy ống dẫn sóng phải có tần số tương ứng với bước sógn l mà ở đó l/2 vừa bằng kích thước thành rộng của ống dẫn sóng, bước sóng ứng với l đó gọi là bước sóng tới hạn tương ứng với tần số gọi là số cắt. Với các sóng l > ltới hạn (f > fcắt) thì bề rộng của đường dẫn tăng lên và khoảng cách từ mép đường tới đầu ngắn mạch vẫn thoả mãn l/4 cho tới khi tần số công tác tăng đến một giá trị nào đó mà quá nhỏ sóng sẽ không truyền lan được, như vậy ống dẫn sóng có một băng tần giới hạn. Mỗi loại ống dẫn sóng có thể truyền lan điện trường (sóng TE) và từ trường (TM) loại sóng nào được truyền quyết định bởi tần số công tác và kích thước của ống. V.2.3 Ghép ống dẫn sóng Để đưa năng lượng cao tần vào ống dẫn sóng và lấy năng lượng ra khỏi ống dẫn sóng ta dùng bộ ghép (Coupler) - Ghép đầu dò: Đầu dò kích thích giống như anten không đối xứng đặt trong ống song song với mặt phẳng E. Mức độ kích thích điều khiển bởi chiều dài của đầu dò. - Ghép bằng vòng: Một vòng tròn nhỏ dây dẫn được đặt trên một thành ống dẫn. Khi có một dòng điện chay trong vòng dây dẫn sẽ tạo ra cường độ từ trường H trong ống dẫn sóng mức độ ghép điều chỉnh bằng cách quay vòng ở các hướng. - Ghép bằng loa: Đây là phương pháp kích thích khi cần phối hợp trở kháng sử dụng như một đường dẫn anten, năng lượng được chiếu lên bộ phản xạ qua khe hở. - Ghép bằng khe hở: Ghép bằng phương pháp này gần giống như ghép bằng loa cường độ từ trường và điện trường phụ thuộc vào vị trí khe hở trên ống dẫn sóng, mức độ ghép quyết định bởi kích thước của khe trên thành ống. - Bộ kết cuối: ở đầu cuối ống dẫn sóng thường phải phối hợp trở kháng đúng, điều này tránh cho sóng bị phản xạ trở lại gây ra can nhiễu. Đầu cuối thường dùng như là một tải giả. - Bộ lọc phân hướng (Circulator) Bộ lọc phân hướng thường sử dụng như các bộ cách ly. Hoạt động của chúng phụ thuộc vào cách trong đó năng lượng trường điện từ tác động vào một vật liệu Ferit khi chịu ảnh hưởng của một từ trường. Năng lượng điện từ có thể quay như trong các bộ phận cực hoặc chệch hướng đặc biệt. Các bộ lọc phân hướng nói chung ở trong các bộ khuếch đại công suất cao, vì ống có khả năng làm việc với công suất cao nên thường được sử dụng với anten phát. Chương VI Kỹ thuật máy thu - phát VI.1-/ Bộ khuếch đại công suất cao (HPA) VI.1.1 Đặc điểm chung của bộ khuếch đại công suất cao. Trong thông tin vệ tinh do đặc điểm cự ly thông tin ở rất xa, tín hiệu bị hấp thụ lớn nên yếu cần máy phát phải có công suất lớn (hàng trăm đến hàng nghìn W) Bộ khuếch đại công suất cao thường có hệ số khuếch đại từ 40 dB đến 60 dB. HPA kết hợp với anten tạo ra công suất đẳng hướng hiệu dụng EIRP. EIRP là tích số hệ số tăng ích của anten và bộ khuếch đại. Bộ khuếch đại công suất cao có thể sử dụng các loại đèn sóng chạy (TWT), đèn Klystron hay tranzitor hiệu ứng trường (FET) tuỳ theo công suất ra của máy phát và băng tần. VI.1.2 Bộ khuếch đại Klystron: Đèn Klystron là loại đèn điện tử, tuy nhiên nó khác với đèn điện tử thông thường. Anot, Ktot được đặt chung vào sóng điện từ, khoảng cách giữa anot và Ktot có những hốc cộng hưởng tác dụng như lưới chắn trong đèn điện tử. Klystron TWT FET Công suất ra Lớn Lớn Nhỏ Kích thước Lớn Trung bình Nhỏ Băng tần Vài chục MHz Vài trăm MHz Vài trăm MHz Trọng lượng Lớn Trung bình Nhỏ Làm lạnh Bằng không khí hoặc nước Bằng không khí hoặc nước Bằng không khí Điện áp cung cấp Trung bình Cao Thấp Bảng VI.1 - So sánh đặc tính các bộ khuếch đại công suất cao Đèn Klystron thường được cấp nguồn sợi đốt 6V với dòng điện cực đại là 10A, điện áp giữa Ktot đất thường khoảng 5KV đến 10KV, dòng điện từ khoảng 1A á 5A điện áp cấp cho Colectơ là 20KV. 1. Colectơ: Tiếp nhận và tiêu thụ các điện tử, colectơ phải được làm mát để lấy đi nhiệt lượng toả ra do sự va chạm của các điện tử vào colectơ. 2. Các hốc cộng hưởng: Để khuếch đại người ta thay các lưới chắn trong đèn điện tử bằng các hốc cộng hưởng. Tần số cộng hưởng của hốc có thể thay đổi phù hợp với tần số công tác. Độ rộng băng tần của bộ khuếch đại thường là 80 MHz. 3. Hốc cộng hưởng hội tụ. Tín hiệu vào khuếch đại RF được đưa vào qua một vòng ghép dao động trong hốc. Các dòng chạy trong hốc tạo ra điện trường làm tăng tốc hay làm chậm lại tốc độ của các điện tử khi bay qua. 4. Hốc cộng hưởng trung gian: Sau khi qua hốc cộng hưởng hội tụ các điện tử chuyển động nhanh hơn sẽ bắt đầu đuổi kịp các điện tử chậm hơn. Cường độ của một dòng điện là số điện tử đi qua một điểm trong một thời gian xác định vì các điện tử đuổi kịp nhau tập trung lại làm cho dòng điện tăng lên cùng với điện trường của nó. Các hốc đã được điều chỉnh cộng hưởng ở tần số công tác sẽ gây ra sự dao động dòng điện. Các dòng điện tạo nên trong các hốc cộng hưởng bởi các điện trường sau đó sẽ làm tăng hoạt động chụm của các chùm điện tử đi vào trong khoảng hội tụ của Klystron. 5. Hốc giữ: Là hốc cộng hưởng ra của đèn, khi chùm điện tử có mật độ cực đại chúng sẽ đi qua bộ thu nạp của hốc và gây ra một dòng xoáy và điện trường kết hợp trong hốc. Năng lượng tạo ra trong hốc cộng hưởng giữ được đưa ra ngoài qua bộ ghép ống dẫn sóng. 6. Các nam châm hội tụ: Để có được hệ số khuếch đại cao trong đèn các luồng điện từ cần phải có được độ hội tụ cao. Hội tụ thành luồng hẹp tập trung đi qua tâm của các hốc mà không có điện tử tiếp xúc với chúng, điều này đạt được là do có các nam châm bao quanh đèn có thể là nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu. 7. Điều chỉnh Việc điều chỉnh đèn Klystron thực hiện bởi việc thay đổi kích thước vật lý của hốc cộng hưởng. 8. Điều chỉnh trở lại: Khi bộ khuếch đại làm việc gần tới chế độ bão hoà lượng sóng hài trong tín hiệu tăng lên, sóng hài này lại trộn với tần số gốc điều chế trở lại tạo ra nhiễu. Mức của nhiễu điều chế này được xác định ở hệ số tăng ích cực đại do đó hệ số khuếch đại phải được điều chỉnh trở lại cho đến khi mức nhiễu điều chế ở mức độ có thể chấp nhận được. Mức điều chỉnh trở lại thường khoảng 6 dB. 9. Các cảnh báo. + Cảnh báo điện áp sợi nung: Khi điện áp nuôi vượt quá mức quy định, để tận dụng đèn giò và hỏng có thể tăng điện áp nung. + Cảnh báo làm lạnh: Khi nhiệt độ đèn vượt quá mức quy định nhiệt độ lên tới 1750C, có thể sự thông gió và hệ thống làm lạnh bị hỏng. + Làm nguội nguồn nuôi: Khi nhiệt độ nguồn nuôi vượt quá giới hạn 630C. + Bộ cảm biến tia lửa điện: được đặt trong ống dẫn sóng và được giám sát bởi một thiết bị nhạy cảm với ánh sáng phát hiện ánh sáng do đánh lửa. + Công suất bức xạ thấp: khi công suất ra của bộ bức xạ giảm tới dưới giới hạn quy định. + VSWR: chỉ thị sự không phối hợp trở kháng trong hệ thống, điều này có thể gây hư hỏng cho bộ khuếch đại. Hình VI.1 - Sơ đồ cấu tạo đèn Klystron. 10. Các mức công suất trong bộ khuếch đại Klystron Hình VI.2 - Các mức công suất của bộ khuếch đại. VI.1.3 Bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWT Hình VI.3 - Sơ đồ cấu tạo đèn sóng chạy (TWT) 1. Cấu tạo (Hình VI.3) Cấu trúc của đèn sóng chạy TWT cũng tương tự như Klystron. Cái khác nhau cơ bản là các hốc cộng hưởng ở Klystron. Cái khác nhau cơ bản là các hốc cộng hưởng ở Klystron được thay bằng cấu trúc sóng chậm ở đèn sóng chạy. Súng điện tử gồm một sợi nung,Cathode và anode làm nhiệm vụ như của Klystron. Các nam châm cũng có nhiệm vụ hội tụ luồng điện tử rơi vào trung tâm của đèn. 2. Cấu trúc sóng chậm Tín hiệu dẫn đến cấu trúc sóng chậm thường là các vòng xoắn phù hợp với bước sóng. Tín hiệu sẽ di chuyển qua cấu trúc sóng chậm ở tốc độ gần luồng tia điện tử do chiều dài của cấu trúc sóng chậm, tín hiệu đi vào sẽ mang nhiều chu kỳ khi đi suốt chiều dài của nó. Một tín hiệu được đặt trong cấu trúc sóng chậm có một điện trường được kết hợp với dòng điện của nó. Nửa chu kỳ dương và âm sẽ gia tốc hay làm chậm các điện tử khi chúng đi qua tâm của cấu trúc sóng chậm. Khi các điện tử bị cản chúng sẽ truyền năng lượng cho tín hiệu, khi tín hiệu đi qua suốt chiều dài của cấu trúc sóng chậm nó sẽ có tương tác với luồng điện tử. Vì các điện tử vừa được gia tốc và vừa bị làm chậm do đó sẽ xảy ra sự hình thành chìm trễ. Do sự tập trung điện tử, điện trường kết hợp, kết hợp với các chùm trở lên mạnh hơn. Điều này cũng làm tăng phản ứng với tín hiệu trong cấu trúc sóng chậm bởi vì tín hiệu đi dọc theo cấu trúc sóng chậm sẽ có một tác động qua lại xảy ra giữa nó và chùm điện tử. Các mức tín hiệu tăng lên với khoảng cách đi dọc theo cấu trúc sóng chậm. Năng lượng tăng cường cho mức tín hiệu thông qua sự tác động qua lại giữa tín hiệu và chùm điện tử là sự khuếch đại của đèn. Cấu trúc sóng chậm cần một vài loại suy hao dọc theo chiều dài của, nếu có sự phản xạ sóng từ đầu ra trở về đầu vào đèn sẽ dễ dàng loại trừ dao động bằng cách ngắt đường tín hiệu như vậy các tín hiệu quay về sẽ bị loại trừ. Tín hiệu đi về phía trước một khi vượt qua bộ tiêu hao thì nhanh chóng được hoàn lại bởi nhóm sóng điện từ trong chùm. Đèn sóng chạy có băng tần rộng hơn nhiều so với đèn Klystron vì chúng không sử dụng các hốc cộng hưởng. Độ rộng băng nhận được là 575 MHz nói chung với băng tần này dễ dàng phủ kín băng C của băng tần vệ tinh. 3. Bộ khuếch đại dùng đèn sóng chạy. Các cảnh bảo và điểm kiểm tra nhằm mục đích để thiết bị hoạt động đúng và an toàn. Sau đây là một số chức năng chính: + Cung cấp sợi đốt: Cung cấp điện áp cho các sợi đốt thường là 6 V xoay chiều, dòng cực đại 2A cung cấp qua một biến áp cách ly. + Cung cấp cho chùm tia điện tử: Là điện áp giữa cathode và đất khoảng 5 á 10KV dòng điện chùm tia 1 á 5A. + Dạng xoắn ốc: Là dòng do sự va đập của điện tử và dây xoắn của cấu trúc sóng chậm thường có cường độ 1 á 50mA. + Điện áp Colectơ: điện áp cung cấp cho colectơ vào khoảng 2 á 5KV. Các cảnh báo: + Các cảnh báo sẽ ngắt cao áp và ngăn sự hoạt động của chúng cho đến khi sự cố được xử lý bao gồm các cảnh báo sau: - Cảnh báo làm mát: Đèn vượt quá mức an toàn quy định đó là lúc nhiệt độ lên tới 1100C có thể do tắc nghẽn hệ thống làm lạnh colectơ, hệ thống thông gió của đèn cũng phải được kiểm tra để đảm bảo đủ luồng không khí chảy qua. - Làm mát nguồn cung cấp: Khi nhiệt độ nguồn cung cấp vượt quá giới hạn, đó là nhiệt độ 630C. Điều này có thể là do hệ thống thông gió có sự cố. - Cảm biến tia lửa: Đôi khi chúng được đặt trong ống dẫn sóng và được kiểm tra bằng một thiết bị nhạy cảm với ánh sáng phát hiện ánh sáng phát ra bởi một tia lửa do đánh xuyên. - Công suất bức xạ (RF) thấp: Khi công suất đầu ra bộ khuếch đại giảm xuống dưới mức giới hạn quy định thông báo sẽ cho biết một hoạt động không bình thường. - VSWR: Hệ số sóng đứng để chỉ thị không có sự phối hợp trở kháng trong hệ thống và có thể gây ra sự nguy hiểm cho bộ khuếch đại. - Dạng xoắn ốc: Khi dòng điện trong dây xoắn vượt quá giới hạn an toàn thường chỉ thị đèn giảm chất lượng hoặc các nam châm để hội tụ luồng điện tử bị yếu. VI.1.4 Méo do xuyên điều chế Mặc dù bộ khuếch đại công suất cao là bộ khuếch đại tuyến tính, nhưng nói chung sẽ trở thành không đường thẳng ở vùng bão hoà, ở đó điện áp đầu ra không tỷ lệ với điện áp vào. Bởi vậy, khi nhiều sóng mang được khuếch đại đồng thời, các tín hiệu tạp âm ở tần số khác được phát sinh. Điều này có thể được giải thích bằng các biểu thức sau: Giả thiết tính chất không đường thẳng được biểu thị bằng: K = C1x + C3x3 và ba sóng chưa điều chế biểu thị bằng x = A1cosw1t + A2cosw2t + A3cosw3t f1 f2 f3 Phổ tần số đầu vào 2f1-f2 f1 f2 f1-f2+f3 f3 f2:f3-f1 Đặc tuyến vào - ra 2f2-f1 2f2-f1 f1+f2-f3 Phổ tần số đầu ra Hình VI.4 - Méo do xuyên điều chế. được đưa vào đầu vào, chúng ta nhận được kết quả sau: Các thành phần tín hiệu mong muốn Các thành phần sản phẩm xuyên điều chế K = {C1 + 3/4C3 (A12 + 2A22 + 2A32)} A1cosw1t + {C1 + 3/4C3 (2A12 + 2A22 + 2A32)} A2cosw2t + {C1 + 3/4C3 (2A12 + 2A22 + 2A32)} A3cosw3t + 3/4C3 {A12A2cos (2w1 - w2)t + A1A22cos (2w2 - w1)t + A22A3cos (2w2 - w3)t + A2A32cos (2w3 - w2)t + A32A1cos (2w3 - w1)t + A3A12cos (2w1 - w3)t} + 3/4C3A1A2A3 {cos (w1 + w2 + w3)t + cos (w1 - w2 - w3)t + cos (- w1 + w2 + w3)t} Các tín hiệu tạp có tần số như là (2f1 - f2), (f1 - f2 + f3) được tạo ra từ ba tín hiệu có tần số f1, f2 và f3. Do đó một bộ khuếch đại công suất cao, khi khuếch đại nhiều sóng mang đồng thời, điểm làm việc của bộ khuếch đại được chọn sao cho mức đầu ra thấp hơn mức bão hoà khoảng 6 á 10dB, để triệt tiêu các tín hiệu tạp; điều đó được gọi là “điểm lùi”. Mặc dù loại hiện tượng này cũng xảy ra ở vệ tinh, trong trường hợp này, một phương pháp gọi là “Điều khiển công suất ra”, điều khiển đầu ra của trạm mặt đất sao cho triệt tiêu được mọi nhiễu xuyên điều chế. Có một biện pháp khác để triệt nhiễu xuyên điều chế, được gọi là “tuyến tính hoá”. Trong trường hợp này người ta chèn vào tầng trước một mạch điện với đặc tuyến bổ sung “đặc tuyến không đường thẳng của bộ khuếch đại để cải thiện tuyến tính toàn bộ. + = Đặc tính méo trước của bộ tuyến tính hoá Đặc tính phi tuyến của HPA Đặc tính của HPA sau khi bù Hình VI.5 - tuyến tính hoá VI.2-/ Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) ở trạm mặt đất bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) là rất cần thiết. Với đặc điểm của thông tin vệ tinh tín hiệu thu nhận được rất nhỏ, với mức tạp âm nhỏ nhất tín hiệu cũng có thể bị chèn lấp. Bộ khuếch đại tạp âm thấp cũng cần phải có độ rộng bằng băng tần số công tác phủ được khoảng tần số của băng tần vệ tinh. Quy định của Intelsat về tiêu chuẩn các trạm mặt đất được quyết định bởi hệ số phẩm chất của hệ thống (G/T) trong đó G/T được đánh giá đầu tiên là hệ số tăng ích của anten, hệ số tạp âm và hệ số khuếch đại tạp âm. Bộ khuếch đại tạp âm thấp cần phải được đặt càng gần đường thu càng tốt để tối thiểu hoá táp âm đưa vào hệ thống. Mặt khác phải điều chỉnh búp sóng của anten vào đúng tâm anten. Các thiết kế ban đầu về bộ khuếch đại tạp âm thấp là kỹ thuật nhiệt độ thấp để tạo ra nhiệt độ làm việc cực kỳ thấp. Nhiệt tạo ra tạp âm do công nghệ làm lạnh Peltier tiên tiến đã được áp dụng với thiết kế mới nhất được đưa vào làm lạnh truyền thống vẫn đạt kết quả hệ số tạp âm thoả mãn. VI.2.1 Hệ số tạp âm. Tầng đầu tiên của bất kỳ một máy thu nào cũng có quyết định tới tạp âm toàn máy. Các thuật ngữ dùng để biểu thị đặc tính này là hệ số tạp âm biểu thị bằng dB là một sự so sánh giữa tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu vào. Lúc nào một tín hiệu được khuếch đại thì có tạp âm đưa vào hệ thống, giá trị thực của tạp âm quyết định bởi các bộ khuếch đại tạp âm thấp. Ví dụ: Tín hiệu đầu vào là : - 100 dB Tín hiệu đầu ra là : - 40 dB Tạp âm đầu vào là : - 151 dB Tạp âm đầu ra là : - 90 dB Như vậy tạp âm tương đương sẽ là: Đầu vào: Đầu ra: Hệ số tạp âm là: ở đây: Si là mức tín hiệu đầu vào S0 là mức tín hiệu đầu ra Ni là mức tạp âm đầu vào N0 là mức tạp âm đầu ra. VI.2.2 Tạp âm, nhiệt tạp âm tương đương. 1. Tạp âm. Thuật ngữ tạp âm trong điện tử có thể được định nghĩa như bất kỳ tín hiệu nhiễu nào hoặc các tín hiệu không mong muốn khác. Có một số dạng tạp âm khác nhau, mỗi dạng có đặc tính và ảnh hưởng riêng. Các mạch điện tử có hai loại tạp âm: Tạp âm nội bộ và tạp âm bên ngoài. a, Tạp âm bên ngoài: Bao gồm tạp âm do mặt trời, tạp âm vũ trụ do các ngôi sao và các vật thể khác ngoài vũ trụ. b, Tạp âm nội bộ: Gồm các ảnh hưởng của nhiệt độ gây ra do sự chuyển động hỗn loạn của các điện tử. Cũng có tạp âm lạo xạo (Shot Noise) được phát sinh trong quá trình khuếch đại. Tạp âm nhiệt là tạp âm phát sinh từ bên trong thiết bị điện tử, chúng phụ thuộc vào nhiệt độ công tác và dải thông của thiết bị. Tạp âm nhiệt được xác định theo công thức: Pn = KTB Trong đó: Pn là công suất tạp âm K là hằng số Bônzman = 1,374 . 10-23 T là nhiệt độ ở 0K (00K ằ 273,10C) B là độ rộng băng tần Hz 2. Nhiệt tạp âm tương đương. Để thuận lợi với bộ khuếch đại tạp âm thấp, biểu thị bằng nhiệt tạp âm tương đương (Te) thay thế cho hệ số tạp ậm. Nhiệt tạp âm tương đương được xác định theo công thức: Te = (NF - 1) x T0 Trong đó: Te là nhiệt tạp âm tương đương (0K) NF là hệ số tạp âm tính bằng dB T0 là nhiệt độ công tác (0K) Ví dụ: Te = (1,19 - 1) x 290 = 55,1 (0K) Biến đổi ngược NF = (dB) Công suất tạp âm Pn của LNA ở 55,1 (0K) K = KTB Pn ở 55 (0K) = 10log (1,374 . 10-23 . 55 . 500 . 106 ) = - 124,2 DbW hoặc - 94,2 dBm Đây là tạp âm thêm vào bởi LNA. VI.2.3 Hệ thống bù. Nhiệt tạp âm hệ thống: Ts = TAE = Tfeeder = TLNA Bỏ qua tạp âm của đường dẫn sóng: Ts = TAE = TLNA Ts được đo trong quá trình kiểm tra hiệu chỉnh để quyết định G/T. Ví dụ: Đường kính đĩa phản xạ anten là 18m Hệ số khuếch đại khi thu: GTX = 56,56 dbI G/T = 38 dB/0K TAE = 280K TLNA = 430K Ts = 710K G/T = GTX - 10logTs = 56,56 - 10log71 = 38 dB/0K Số liệu này sẽ được đưa tới bộ ghi về anten của Intelsat. VI.2.4 Làm lạnh nhiệt điện (hiệu ứng Peltier) Làm lạnh nhiệt điện là một hiện tượng được Peltier phát hiện vào năm 1800, ông nhận thấy rằng ở chỗ nối của hai miếng kim loại khác nhau có một dòng điện nhỏ, nhiệt độ tăng hoặc giảm phụ thuộc vào chiều dòng điện. Hiệu ứng gần như ngược lại với một cặp nhiệt điện bằng hai miếng kim loại khác nhau sẽ phát sinh ra một dòng điện trong vòng mạch kín. Độ lớn của dòng điện phụ thuộc vào miếng kim loại sử dụng. Độ lạnh cũng phụ thuộc vào kim loại. Nói chung gần đây đã được cải tiến hoàn thiện hơn bằng cách sử dụng chất bán dẫn với nhiệt độ khoảng giữa 400C và 200C ở các trạm vệ tinh. VI.2.5 So sánh bộ khuếch đại tạp âm thấp. Sau đây là bảng so sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp. Bộ khuếch đại thông số hỗn hợp, bộ khuếch đại thông số nhiệt và bộ khuếch đại dùng FET. Thông số so sánh Bộ khuếch đại thông số nhiệt độ thấp Bộ khuếch đại thông số nhiệt điện Bộ khuếch đại FET Nhiệt tạp âm 15 35 - 50 50 - 75 Độ rộng băng (MHz) 500 600 - 800 500 - 800 Hệ số khuếch đại dB 30 (3 tầng) 26 (2 tầng) 50 (4 tầng) Đầu ra bão hoà dBm - 10 á - 5 - 10 á - 5 + 5 Hệ thống làm lạnh Thể khí Nhiệt điện Nhiệt điện hoặc bù nhiệt Bảng VI.2 - So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp. Nhiệt tạp âm là một hàm số của tần số có các dạng khác nhau. Bộ khuếch đại thông số khác nhau ở 4 GHz được cho ở đồ thị hình VI.6 Hình VI.6 - Đồ thị so sánh các loại khuếch đại tạp âm thấp với các phương pháp làm lạnh khác nhau. VI.2.6 Bộ khuếch đại thông số Bộ khuếch đại thông số sử dụng một điện kháng không đường thẳng để khuếch đại. Điện kháng được làm thay đổi sao cho bắt được tín hiệu đầu vào và tăng độ lớn của nó. Việc nạp điện tích (Q) trong một tụ điện được quyết định bởi điện dung (C) và điện áp (V) giữa hai tậm. Khi thay đổi điện dung C trong khi vẫn giữ nguyên điện tích thì điện áp sẽ thay đổi, nếu điện áp này được thay đổi vào đầu vào về pha và độ lớn thì sự khuếch đại sẽ đạt được. Nếu tụ điện là một biến dung (Varactor), các bộ khuếch đại thông số hiện đại thì không thoái hoá và tin cậy vào tần số bơm (fr) để cung cấp công suất cho bộ khuếch đại. Tần số bơm bằng nhiều lần tần số tín hiệu (Fs). Khi tín hiệu bơm và đầu vào trộn với nhau chúng tạo ra một tần số thứ ba là tần số không tải (F1). Các tần số khác tạo ra ngoài phạm vi này bị hốc cộng hưởng lọc. Các tần số bơm và tần số không tải trộn lại với nhau tạo ra một tần số giống như tín hiệu đầu vào, tín hiệu đã được khuếch đại này sau đó đưa ra ở đầu ra. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại tạp âm thấp được điều chỉnh bằng cách thay đổi công suất công bơm. Việc điều chỉnh thay đổi thiên áp của Varactor sẽ dẫn đến thay đổi dải thông. Bộ phận tạo dao động tần số bơm do nhà sản xuất quy định và nó không thay đổi được. Hình VI.7 - Bộ khuếch đại thông số VI.2.7 Điều khiển nhiệt độ của bộ khuếch đại thông số. Bộ làm lạnh: Nhiệt độ được điều khiển bởi không khí trực tiếp từ một quạt máy, bộ làm lạnh hoạt động bình thường ở nhiệt độ xấp xỉ 300C phía nóng và 200C ở phía lạnh. Bộ làm lạnh 2 Không có điều khiển nhiệt độ, làm việc ở nhiệt độ xấp xỉ 200C ở phía nóng và - 200C ở phía lạnh. Giá thông số: Làm việc ở nhiệt độ ằ - 200C và - 400C ở phía lạnh. sensor pump source fet amp 2 fet amp 1 2 paramp mount 2 cooler 1 94487 temp cont ste rect ps rect ps + 24 V DC 16 V DC 40 V DC TR1 TR2 Hình VI.8 - Sơ đồ điều khiển nhiệt độ của bộ khuếch đại thông số VI.2.8 Bộ khuếch đại Transistor hiệu ứng trường. Các tiến bộ trong công nghệ đã đưa ra phát triển của bộ khuếch đại tạp âm thấp dùng transistor hiệu ứng trường. Thiết kế chúng không phức tạp như các bộ khuếch đại tạp âm thấp khác trước đây giảm được giá thành và chúng có thể sử dụng ở các trạm mặt đất nhỏ hơn. Bộ khuếch đại FET thường là một khối điều tần. Bộ khuếch đại thứ nhất ở trong dãy thường được làm lạnh nhiệt điện với bù nhiệt được sử dụng với các phần còn lại. Kiểu mẫu đưa ra từ các nơi chế tạo khác nhau nhưng dựa vào các tiêu chuẩn thực hiện để quyết định hệ số. 3 dB Đầu vào Đầu ra ống dẫn sóng đến truyền dẫn sóng Bộ cách ly tổn hao thấp GaAs FET STAGE F1 = 85 dB G1 = 11,5 dB GaAs FET STAGE F2 = 11 dB G2 = 11,5 dB Polar bipolar amplifer F2 = 11 dB G2 = 11,5 dB Sự cách ly đầu ra Hình VI.9 - Sơ đồ khối bộ khuếch đại FET VI.3-/ Bộ biến đổi tần số VI.3.1 Khái niệm chung: Các trạm vệ tinh mặt đất phát lên vệ tinh ở tần số khoảng 6 GHz và thu từ vệ tinh xuống khoảng 4 GHz đối với băng C. Các tần số này như đã biết là tần số bức xạ (RF). Sự điều chế và giải điều chế tín hiệu được thực hiện ở tần số thấp hơn nhiều. Như đã biết tần số trung tần (IF) điển hình là 150 MHz hoặc 70 MGz phụ thuộc vào hãng sản xuất và loại hình dịch vụ. Nguyên tắc của bộ biến đổi nâng và hạ tần số là để chuyển đổi tần số trung tần lên tần số bức xạ hoặc ngược lại từ tần số bức xạ xuống tần số trung tần. Bộ nâng tần sử dụng cho đường lên còn bộ hạ tần sử dụng cho đường xuống của thiết bị tại trạm mặt đất. VI.3.2 Các bộ biến đổi nâng và hạ tần kết hợp. Trong một vài trường hợp bỏ nâng và hạ tần được kết hợp trong mỗi khối. Bộ kết hợp này thực hiện các chức năng như nhau như các bộ biến đổi nâng và hạ tần độc lập. Các bộ dao động sử dụng bên trong khối thường được khoá với nhau và sử dụng hệ thống hướng dẫn thu làm nguồn tần số. Ví dụ về bộ biến đổi này có thể thấy ở các trạm mặt đất mỗi kênh một sóng mang (SCPC). Việc sử dụng bộ biến đổi kết hợp này là lý tưởng đối với các dịch vụ băng hẹp, giá thành rẻ. VI.3.3 Các loại bộ biến đổi nâng tần và hạ tần. Các bộ biến đổi nâng tần và hạ tần có thể hoặc là đơn hoặc là đôi. Các bộ dao động