Thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) tại tần số 9 GHz dùng cho máy thu radar

Nguyễn Trần Tuấn, Bạch Gia Dương , Nguyễn Đức Thủy
Tạp chí KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
Số 2 (CS.01) 2016 35
THIẾT kẾ, CHẾ TẠO BỘ kHUẾCH ĐẠI SIêU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) 
TẠI TẦN SỐ 9 GHZ DÙNG CHO MÁY THU RADAR 
Nguyễn Trần Tuấn1, Bạch Gia Dương2, Nguyễn Đức Thủy1 
1 Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 
2 Trung tâm Nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
Tóm tắt: Trong bài báo này, thực hiện nghiên cứu 
thiết kế, chế tạo một bộ khuếch đại siêu cao tần tạp 
âm thấp (LNA) hoạt động ở tần số 9 GHz của băng 
tần X (từ 8 GHz đến 12 GHz) có khả năng đáp ứng 
các yêu cầu sử dụng trong máy thu radar với hệ số 
khuếch đại: > 10dB, hệ số tạp âm < 0,8 và hệ số 
phản xạ lối vào thấp hơn -20dB. Mạch thiết kế sử 
dụng SPF-3043, là một transistor trường pHEMT 
GaAs, được sử dụng khá phổ biến trong các thiết 
kế LNA do giá thành rẻ nhưng hiệu suất và hệ số 
khuếch đại cao, với tần số có khả năng mở rộng lên 
đến 10 GHz.
Từ khóa: LNA, phối hợp trở kháng, băng tần X, 
radar.1
I. MỞ ĐẦU
Radar là một hệ thống vô tuyến phổ biến dùng để 
phát hiện và xác định vị trí của mục tiêu so với 
trạm radar. Từ khi ra đời cho đến nay, radar không 
ngừng được cải tiến và ngày càng hoàn thiện. Cùng 
với sự phát triển của các ngành khoa học, được ứng 
dụng thành tựu về tự động hóa, kỹ thuật điện tử, 
cùng với sự phát triển về vô tuyến điện, tính năng 
kỹ thuật, khai thác và hoạt động của radar được 
nâng cao không ngừng và ngày càng đi sâu vào 
phục vụ đời sống như giao thông hàng không, giám 
sát thời tiết và đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự 
với khả năng phát hiện mục tiêu nhanh chóng và 
giám sát bảo vệ biển. Các radar hiện đại ngày nay 
sử dụng anten mảng pha băng X nhằm đạt được độ 
phân giải cao ảnh quét trên màn hình radar. 
Tác giả liên hệ: Nguyễn Trần Tuấn 
Email: tuannt.0408@gmail.com
Đến tòa soạn: 23/7/2016, chỉnh sửa: 30/8/2016, chấp nhận đăng: 
03/9/2016. 
Chính vì vậy, trong các hệ thống radar, máy thu 
luôn đóng vai trò quan trọng, có nhiệm vụ nhận tín 
hiệu phản xạ từ mục tiêu về, qua anten, biến thành 
tín hiệu điện rồi khuếch đại đưa sang thiết bị chỉ 
báo hiển thị điểm dấu mục tiêu [4].
Bộ 
hạn 
chế
LNA
Bộ trộn
IF
Bộ tách 
sóng
Bộ dao động nội
Bộ khuếch đại 
xung ảnh
Bộ khử 
nhiễu
Màn hình 
hiển thị
~
Ống TR
Bộ bảo vệ máy thu
Tín hiệu 
thu
Hình 1. Sơ đồ khối máy thu radar
Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) thể hiện trong 
Hình 1 là bộ khuếch đại tầng đầu vào của máy thu 
radar, được đặt gần anten, có vai trò quan trọng 
nhằm tăng tín hiệu thu mong muốn và giảm tạp 
âm gây ra trên tuyến anten và feeder. Thiết kế, chế 
tạo thiết bị LNA làm việc ở băng tần X (8 GHz - 
12 GHz) là một thử thách rất khó khăn do tần số 
làm việc rất cao nhưng thiết bị chế tạo được sẽ trở 
nên thiết thực trong xu hướng ngày càng nhiều ứng 
dụng kỹ thuật vào đời sống.
Mục đích chính của bài báo là nhằm đưa ra một 
thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) có cấu 
trúc đơn giản, sử dụng transistor trường là pHEMT 
GaAs SPF - 3043 có chi phí thấp nhưng hoạt động 
hiệu quả ở tần số cao. Một số tham số được lưu ý 
và khảo sát bao gồm hệ số khuếch đại, hệ số tạp âm 
và độ ổn định để qua đó tối ưu tại tần số cao, 9GHz 
thuộc băng tần X (8GHz - 12GHz) [6].
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 
A. Bộ khuếch đại cao tần tạp âm thấp
Mục tiêu thiết kế và chế tạo thành công bộ khuếch 
đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) hoạt động ở 
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) TẠI TẦN SỐ 9 GHZ DÙNG... 
Tạp chí KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG36 Số 2 (CS.01) 2016
băng tần X có khả năng đáp ứng các yêu cầu sử 
dụng trong máy thu radar. Dải tần làm việc: băng X 
(từ 8 GHz đến 12 GHz). Hệ số khuếch đại: > 10dB.
S
Zin
SPF-3043
Z0 ZL
Phối 
hợp trở 
kháng 
lối vào
Phối 
hợp trở 
kháng 
lối ra
Zout ZS ZL 
Hình 2. Sơ đồ khối mạch khuếch đại tạp âm thấp
Sơ đồ bộ khuếch đại cao tần tạp âm thấp, như thể 
hiện trong Hình 2 sử dụng cho thiết kế bao gồm 
phần phối hợp trở kháng lối vào, lối ra và linh kiện 
khuếch đại transistor trường cho các ứng dụng tần 
số cao.
B. Transistor trường SPF-3043
Linh kiện transistor được lựu chọn trong thiết kế, 
chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp 
băng X dùng cho máy thu radar là SPF-3043 của 
Stanford [5]. Đây là transistor trường pHEMT 
GaAs được sử dụng khá phổ biến trong các thiết 
kế LNA do hiệu suất và hệ số khuếch đại cao, có 
khả năng mở rộng tần số lên đến 10 GHz. Một số 
tham số kỹ thuật của SPF-3043 được đưa ra theo 
Hình 3, theo đó trong băng tần X (từ 8 GHz đến 10 
GHz), SPF-3043 có thể khuếch đại tín hiệu từ 10 
dB đến 15 dB đảm bảo các yêu cầu cho việc thiết 
kế LNA ở băng tần X có hệ số khuếch đại đạt yêu 
cầu đối với một hệ thống anten cỡ nhỏ đến trung 
bình, trong khi chi phí lại không quá cao.
Hình 3. Hệ số khuếch đại của SPF-3043
C. Khảo sát một số tham số chính
1) Khảo sát độ ổn định
Tại tần số mong muốn thiết kết (9 GHz), ta sẽ khảo 
sát độ ổn định của transistor trường SPF-3043. Độ 
ổn định được tính theo hai hệ số K và ΔS theo 2 
công thức sau [6]: 
ΔS = |S11S22 – S21S12| (1)
2112
22
2
2
1
2
1
SS
SSS
K
∆+−−
= (2) 
Với hệ số K > 1, ΔS < 1, khi thiết kế mạch với 
transistor SPF-3043 tại 9GHz, mạch ổn định vô 
điều kiện.
2) Khảo sát hệ số phẩm chất
Mục đích của việc khảo sát hệ số phẩm chất U 
nhằm đơn giản hóa việc thiết kế và đánh giá sai 
số khi thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp [3]. 
Trước tiên ta xét theo công thức:
2
max
2 )1(
1
)1(
1
UG
G
U TU
T
−
<<
+
 (3) 
Trong đó: U được gọi là hệ số phẩm chất đơn 
hướng.
)1)(1( 222
2
11
22112112
SS
SSSS
U
−−
= (4)
Giá trị U thể hiện sai số khi xem xét hệ số công suất 
truyền ngược S
12
 đủ nhỏ dần tới 0. Với giá trị U đủ 
nhỏ dần tới 0, ta có thể coi S
12
 ≈ 0.
3) Ước lượng hệ số khuếch đại
Hệ số khuếch đại tối đa của mạch thiết kế có thể 
ước lượng thông qua các tham số tán xạ của SPF-
3040, do đã coi S
12
 ≈ 0, nên ta có thể ước lượng 
hệ số khuếch đại mạch thiết kế đạt tới theo công 
thức [3]:
2
22
2
212
11
max
1
1
1
1
S
S
S
GTU
−−
= (5)
D. Tính toán lý thuyết nhánh lối vào và lối ra
Từ các tham số S-Parameter của SPF-3043 theo file 
.S2P, ta có các tham số quan trọng: S11 = 0,50602∠
146,318 và S
22
 = 0,13321∠ -152,768 cho việc tính 
toán phối hợp trở kháng lối vào và lối ra tần số 9 
GHz.
Nguyễn Trần Tuấn, Bạch Gia Dương , Nguyễn Đức Thủy
Tạp chí KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
Số 2 (CS.01) 2016 37
Vì ta xem như S
12
 ≈ 0 nên ta có hệ số phản xạ lối 
vào và lối ra tương ứng:
 Γ
in
 = S
11
, Γ
out
 = S22 (6)
Khi đó, việc xác định trở kháng lối vào và lối ra 
mạch phối hợp trở kháng của linh kiện SPF-3043 
với đường truyền Z
0
 = 50 Ω được thực hiện theo 
công thức như sau [2]:
in
in
in ZZ Γ−
Γ+
=
1
1
0 
out
out
out ZZ Γ−
Γ+
=
1
1
0 (7)
Thay các giá trị vào hai công thức trên, ta tính được:
Z
in 
= 17,75 + j*13,35; Z
out
 = 39,15 – j*4,85 (8)
Phương thức phối hợp trở kháng cho mạch thiết kế 
này là sử dụng đoạn dây có độ dài λ/4, do phương 
pháp này dễ thực hiện cả trong tính toán lý thuyết 
và chế tạo mạch thực tế. Vì phương pháp này chỉ 
có thể dùng để phối hợp trở kháng thuần trở với 
đường truyền, trong khi giá trị trở kháng lối vào Z
in
và lối ra Z
out
 có thành phần phức nên ta phải đưa 
điểm kháng phức này về giá trị trở kháng thuần trở 
bằng cách sử dụng đoạn đường truyền giữa tải và 
đoạn dây λ/4.
Sử dụng công cụ giản đồ Smith, vẽ đường tròn qua 
điểm trở kháng phức sẽ cắt đường đẳng x = 0 (trục 
thực) tại hai điểm, tương ứng 2 nghiệm thực (trở 
kháng thuần trở). Từ hai điểm này, khi đi về tâm 
(Z
0
 = 50 Ω) sẽ thực hiện phối hợp trở kháng, ta xác 
định được độ dài của đoạn đường truyền giữa tải 
và đoạn dây λ/4.
Đối với Z
in
 = 17,75 + j*13,35, ta xác định được 2 
bộ nghiệm sau:
 Nghiệm 1 Nghiệm 2
d
1
 = 0,20329 λ d2 = 0,45329 λ
Z(d
1
) = 152,2112 Ω Z(d
1
) = 16,4245 Ω
Z
λ/4
 = 87,2385 Ω Z
λ/4
 = 28,6571 Ω 
Tương tự, đối với Z
out
 = 39,15 ‒ j*4,85, ta cũng xác 
định được hai bộ nghiệm sau: 
 Nghiệm 1 Nghiệm 2
d
1
 = 0,033778 λ d2 = 0,28778 λ
Z(d
1
) = 38,2524 Ω Z(d
1
) = 65,3554 Ω
Z
λ/4
 = 43,7335 Ω Z
λ/4 = 57,1644 Ω 
III. MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Công cụ mô phỏng được thực hiện bằng công cụ 
ADS 2009. Sử dụng công cụ LineCalc trong ADS 
2009, ta xác định giá trị W và L của đường truyền 
vi dải [1].
Sơ đồ mạch phối hợp trở kháng được sử dụng trong 
thử nghiệm mô phỏng thể hiện trong Hình 4:
Hình 4. Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp lối vào 
và lối ra sử dụng trong mô phỏng
Mạch thiết kế gồm hai nhánh, lối vào và lối ra. Đối 
với mỗi nhánh sẽ gồm 2 đường truyền vi dải theo 
tính toán lý thuyết trong mục II.F. Đối với việc cấp 
nguồn cho nhánh lối vào và lối ra, sử dụng đoạn 
dây có trở kháng Z
0
 = 50 Ω (W = 3,30375 mm và 
L = 4,44541 mm) và một điện trở cao R = 5600 Ω 
nhằm đảm bảo cường độ dòng lối vào transistor đủ 
nhỏ, cùng hệ thống các tụ từ 2 - 3 pF để tránh làm 
hỏng transistor.
Hình 5. Tham số S11, S21 và VSWR
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) TẠI TẦN SỐ 9 GHZ DÙNG... 
Tạp chí KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG38 Số 2 (CS.01) 2016
Tại 9 Ghz (như thể hiện trong Hình 5): 
- Hệ số S11 = -24,337 dB (đồ thị giảm sâu) cho 
thấy hệ số phản xạ lối vào thấp đảm bảo yêu 
cầu thiết cầu thiết kế sao cho không gây mất 
mát công suất lối ra do phản xạ lối vào.
- Hệ số S
21
 = 11,068 dB là công suất khuếch đại 
lối ra, đảm bảo theo yêu cầu thiết kế > 10dB.
- Hệ số sóng đứng VSWR = 1,129 đảm bảo yêu 
cầu xấp xỉ bằng 1, cho thấy hệ số phản xạ thấp 
(lý tưởng khi hệ số sóng đứng bằng 1, không 
có phản xạ). 
Hình 6. Hệ số tạp âm
Hệ số tạp âm của mạch thiết kế nf = 0,638 < 0,8 đủ 
nhỏ nhằm đảm bảo hệ số khuếch đại lối ra đủ lớn 
cho việc chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA 
(Hình 6).
Hình 7. Hệ số K và ΔS
Theo kết quả mô phỏng Hình 7, tại tần số 9 GHz, 
hệ số K = 1,207 > 1 và ΔS = 0,479 < 1. Do đó, 
mạch thiết kế đạt độ ổn định vô điều kiện, đảm bảo 
cho việc chế tạo LNA.
IV. CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TRONG 
THỰC TẾ
Thiết kế layout của mạch mô phỏng [1]:
Hình 8. Layout của LNA băng X sử dụng SPF-3043
Từ mạch mô phỏng [1], xây dựng thiết kế mạch 
layout cho phù hợp với kích thước từng linh kiện 
như transistor SPF-3043, tụ điện, điện trở,... thực 
tế. Mạch layout sau khi hoàn thiện sẽ đưa vào hệ 
thống máy phay để cắt và tạo đường trên một tấm 
phíp đồng FR-4.
Hình 9. Đo kiểm tra với máy Anritsu 37369D
Kết quả chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA 
đưa ra với kích thước 4 × 4 (cm) và thực hiện đo 
đánh giá mạch LNA sử dụng SPF-3043 bằng máy 
đo chuyên dụng Anritsu 37369D (Hình 9).
Cấp nguồn cho lối ra trước với giá trị thiết lập điện 
áp = 6V, cường độ dòng = 0,03A. Đối với nguồn 
cấp cho lối vào, cường độ dòng = 0,03A và thay 
đổi điện áp tăng dần từ 0V cho đến khi màn hình 
hiện thị phối hợp trở kháng (xuất hiện S
21
) tại điện 
áp 0,68V.
Nguyễn Trần Tuấn, Bạch Gia Dương , Nguyễn Đức Thủy
Tạp chí KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
Số 2 (CS.01) 2016 39
Hình 10. Tham số S21 và S11 trên máy Anritsu 37369D
Kết quả đo mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA 
có thể thấy tại 10 GHz, hệ số khuếch đại lối ra 
cao S
21
 = 12,646 dB và hệ số phản xạ lối vào 
S11 = ‒ 2,753 dB.
V. KẾT LUẬN
Thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp 
âm thấp LNA làm việc ở băng X (từ 8GHz đến 12 
GHz) là một thử thách vô cùng khó khăn do tần số 
làm việc rất cao. Mạch khuếch đại chế tạo bị lệch 
tần so với mạch thiết kế, mô phỏng (9 GHz so với 
10 GHz). Nguyên nhân là do:
- Mạch chế tạo không thể đạt độ chính xác tuyệt 
đối như mạch mô phỏng (sai số về chiều dài L 
và độ rộng W của đường truyền).
- Kỹ thuật chế tạo bao gồm phay mạch, hàn, linh 
kiện sử dụng chưa đảm bảo đủ tốt dẫn đến phát 
sinh nhiễu ký sinh gây ảnh hưởng đến mạch 
chế tạo.
- Điều kiện chưa cho phép thực hiện mô phỏng 
và đo thực tế sóng TEM điện từ trường nhằm 
thấy được sự phân bố đường sức điện từ trường 
trên đường truyền dẫn sóng. Qua đó, xác định 
và điều chỉnh các vấn đề gây ảnh hưởng tới 
mạch.
Tuy nhiên, với mục tiêu ban đầu đặt ra, mạch LNA 
chế tạo vẫn đảm bảo điều kiện làm việc trong băng 
tần X (8 GHz đến 12 GHz) của máy thu radar.
Hệ số khuếch đại của mạch cao 12,646 dB (tại tần 
số 10 GHz), chưa xét đến suy hao do dây đo (2-3 
dB). Mạch chế tạo có khả năng đáp ứng trong các 
máy thu radar cỡ nhỏ đến trung bình với các ứng 
dụng như giám sát thời tiết, bề mặt sân bay hay trên 
các tàu giám sát biển. Bộ LNA được thiết kế chế 
tạo như đã trình bày cần được tích hợp với bộ hạn 
chế bảo vệ LNA khi lắp vào tuyến thu của radar 
băng X [1].
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Trần Tuấn, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo 
bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) 
băng X dùng cho máy thu radar, Luận văn Thạc 
sỹ, Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia, Hà 
Nội, (2015).
[2]. Bạch Gia Dương, Trương Vũ Bằng Giang, Kỹ 
thuật siêu cao tần, Nhà xuất bản Đại học Quốc 
Gia, Hà Nội, (2013).
[3]. David.M.Pozar, Microwave Engineering, John 
Wiley & Son, Fourth Edition, (2012).
[4]. Merrill I.Skolnik, Introduction to Radar 
Systems, McGraw-Hill, Second Edition, 
(1981).
[5]. SPF-3043 Datasheet – Stanford Microdevices.
[6]. Mohammed Lahsaini, Lahbib Zenkouar, 
Seddik Bri, Design of a Wide Band Low Noise 
Amplifier 9,5 - 12,5 GHz, International Journal 
of Microwaves Applications, Volume 2, No.1, 
January – February 2013, tr.1-2.
THE STUDY DESIGN, FABRICATION OF 
A 9GHz LOW-NOISE AMPLIFIER (LNA) 
USING FOR THE RADAR’S RECEIVER
Abstract: This paper performs the study design, 
fabrication of a low-noise amplifier (LNA) 
operating at 9GHz of X-band (8GHz to 12GHz) that 
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) TẠI TẦN SỐ 9 GHZ DÙNG... 
Tạp chí KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG40 Số 2 (CS.01) 2016
be able to meet requirements using for the radar’s 
receiver with gain greater than 10dB, noise figure 
less than 0,8 and reflection coefficient at the input 
(S11) lower than -20dB. The design circuit uses a 
common SPF-3043 in LNA design that is pHEMT 
GaAs transistor with low cost but high gain and 
performance, potentially extended frequency up to 
10GHz.
Keywords: LNA, impedance matching, X-band, 
radar.
ThS. Nguyễn Trần Tuấn, tốt 
nghiệp đại học và cao học vào 
năm 2011 và 2015 tại Đại học 
Công nghệ, ĐHQG, Hà Nội. Hiện 
công tác tại Viện Khoa học Kỹ thuật 
Bưu điện. Lĩnh vực nghiên cứu: Lý 
thuyết thông tin, truyền thông vô 
tuyến.
PGS.TS. Bạch Gia Dương, tốt 
nghiệp đại học năm 1972 tại Đại 
học Tổng hợp Hà Nội và làm luận 
án Tiến sĩ chuyên ngành Điện tử - 
Viễn thông năm 1990 tại Đại học 
Tổng hợp Lê-nin-grat. Hiện công 
tác tại Trung tâm nghiên cứu Điện 
tử - Viễn thông, Đại học Công nghệ, 
ĐHQG Hà Nội. Lĩnh vực nghiên 
cứu: Xử lý tín hiệu số, điều khiển tự 
động, công nghệ và kỹ thuật radar, 
thiết kế chip. 
TS. Nguyễn Đức Thủy, tốt nghiệp 
đại học chuyên ngành Điện tử - 
Viễn thông Đại học Bách khoa, Hà 
Nội, học cao học tại Đại học Hàn 
Quốc và bảo vệ luận án Tiến sĩ tại 
Học viện Công Nghệ Bưu chính 
Viễn thông. Hiện công tác tại Viện 
Khoa học Kỹ thuật Bưu điện. Lĩnh 
vực nghiên cứu: Lý thuyết thông 
tin, truyền thông vô tuyến, công 
nghệ truyền thông thế hệ mới và 
Internet of Things.