Forprosjektrapport. Gruppe 9. Intermodulasjon i RF LNA. Ett prosjekt fra Kongsberg Seatex AS

Transkript

1 Forprosjektrapport Gruppe 9 Intermodulasjon i RF LNA Ett prosjekt fra Kongsberg Seatex AS Utarbeidet av: Torstein Buan Ibrahim Karaga Richard Veland

2 Sammendrag På oppdra fra Kongsberg Seatex AS skal vi studere hvordan intermodulasjon genereres i en LNA, hvordan en karakteriserer intermodulasjonsegenskapene, og hvordan en ved riktig design og valg av komponenter kan oppnå gode intermodulasjonsegenskaper. Basert på teorien skal en designe og bygge en RF forsterker for 162MHz og gjøre målinger av intermodulasjonsegenskaper for å se hvordan teori og praksis stemmer overens. Forskjellige teknikker for linearisering og reduksjon av IM skal vurderes og testes. Det skal lages to forsterkere, en med vanlige bipolare transistorer og en med felteffektransistorer. Teori og målinger for de to forsterkerne skal sammenlignes. I dette forprosjektet har vi sett på problemstillinger, beskrevet hvordan vi vil organisere prosjektet og satt opp de målene vi ønsker å nå. Endret: Side 2 av 11

3 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Institutt for elektroteknikk 7004 TRONDHEIM Forprosjekt Oppgavens tittel: Intermodulasjon i RF LNA (Intermodulasjon i maritim VHF-forsterker) Project title: Intermodulation for RF LNA Gruppedeltakere: Torstein Buan torsteib@yahoo.no Ibrahim Karaga ibrahimk@broadpark.no Richard Veland rveland@rocketmail.com Institutt/studieretning: Institutt for elektroteknikk Studieretning teleknikk Dato: Antall sider/bilag: Veileder (navn/ /tlf.): Ingrid Kvakland (internt: 735) ingrid@iet.hist.no Prosjektnummer: 9 Oppdragsgiver: Kongsberg Seatex AS Kontaktperson hos oppdragsgiver (navn/tlf.): Per Chr. Berntsen per.christian.berntsen@kongsberg.com Fritt tilgjengelig Tilgjengelig etter avtale med oppdragsgiver Rapporten frigitt etter X Endret: Side 3 av 11

4 Innholdfortegnelse Sammendrag... 2 Innholdfortegnelse... 4 Vedlegg Bakgrunn Definisjoner TEKNISK DEL Problemstilling Prosjektmål Effektmål Resultatmål Prosessmål Prosjektbeskrivelse Problemområder ARBEIDSPAKKER Valg av løsninger og avgrensing av prosjektomfang Forsterker Dokumentere prosjektet forløpende Innhenting av teori og kompetanse Bestilling Simulering/utvikling av krets Konstruksjon Testing Presentasjon av prosjektet Fullføring av prosjektrapport PROSJEKTORGANISERING Prosjektdeltakere Utstyr og ressurser Prosjektleveranser Tids- og kostnadsplan Kvalitetssikring Vedlegg Ghant diagram CV Torstein Buan CV Ibrahim Karaga 3 CV Richard Veland 4 S-diagram for timeforbruk..5 Endret: Side 4 av 11

5 1. INNLEDNIG 1.1 Bakgrunn Dette er et hovedprosjekt ved HiST - Avdeling for Teknologi der Kongsberg Seatex AS er oppdragsgiver. Kongsberg Seatex er blant en av få (pr dags dato) som jobber med systemer som skal kunne forbedre sikkerheten til havs for skip og båter. I denne forbindelse skal vi som sluttprodukt ha konstruert ideelt sett to forsterkere innenfor det maritime frekvensbåndet. Det skal henholdsvis bygges en forsterker med vanlige bipolare transistorer og en med felteffekttransistorer. Dette for å kunne sammenligne de to forsterkerne. Hovedmålet med prosjektet er å studere hvordan intermodualsjon genereres i en RF forsterker (LNA- Low Noise Amplifier), hvordan en karakteriserer intermodulasjonsegenskapene, og hvordan en ved riktig design og valg av komponenter kan oppnå gode intermodulasjonsegenskaper. Konsberg Seatex AS er i første omgang ute etter en RF forsterker som en frittstående enhet, men som også eventuelt kan knyttes sammen med andre enheter dersom det viser seg at prosjektet fører frem til en løsning som er aktuell å bake inn i deres systemer. 1.2 Definisjoner Intermodulasjon (IM): Uønsket signal, grunnet ulinearitet i forsterker LNA: Low Noise Amplifier RF: Radio Frequency VHF: Very High Frequency. Frekvensbåndet som brukes er MHz, til maritim VHF radiokommunikasjon ligger i området fra 156 til 174 MHz Endret: Side 5 av 11

6 2. TEKNISK DEL Denne delen inneholder teknisk informasjon som vi har tilgjengelig på nåværende tidspunkt for å forstå prosjektforslaget. 2.1 Problemstilling I dagens situasjon viser det seg at intermodulasjon er et uønsket fenomen. Vi skal i denne forbindelse tilegne oss teori om intermodulasjon og dets problemområder, for å kunne konstruere en forsterker der intermodulasjon skal prøve å undertrykkes. Vi skal se på hvordan andre lignende forsterkere er bygd opp, og sette oss inn i hvordan disse fungerer. På denne måten kan vi se på hvordan vi kan konstruere forsterkerne, og eventuelt gjøre forbedringer. Basert på teorien skal vi designe og bygge en RF forsterker for 162Mhz og gjøre målinger av intermodulasjonsegenskaper for å se hvordan teori og praksis stemmer overens. Forskjellige teknikker for linearisering og reduksjon av intermodulasjon skal vurderes og testes. 2.2 Prosjektmål Effektmål Beskrive teoretisk og vise praktisk hvordan man oppnår gode intermodulasjonegenskaper Resultatmål Konstruere to RF forsterkere. En med vanlige bipolare transistorer og en med felteffekttransistorer. Teori og målinger for de to forsterkerne skal sammenlignes Prosessmål Gjennom hovedprosjektet skal vi lære å få mer innblikk i hvordan prosjektarbeid foregår. Vi får også innblikk i viktigheten av et rimelig tett samarbeid for å kunne ferdigstille et bra produkt. Vi ser på prosjektet som en viktig del av måten å lære på, da vi får jobbe selvstendig, og der vi har både en teoretisk og praktisk del som fører til det ferdigstilte resultatet. De erfaringer vi tar med oss i dette prosjektet, vil kunne være svært nyttig når vi etter hvert skal ut i arbeidslivet, og kanskje jobbe med prosjektrelaterte emner. Når det gjelder målsetting for karaktersettingen, ser vi for oss en karakter som ligger rundt B. Endret: Side 6 av 11

7 2.3 Prosjektbeskrivelse Dette skal være en beskrivelse av alt arbeid som skal utføres for å sikre at prosjektmålsettingen blir oppfylt. I hovedsak skal dette være en oppsummering av aktivitetene som er beskrevet i arbeidspakkene i kapittel 3. Vi skal tilegne oss nok kunnskap om intermodulasjon, slik at vi har grunnlag til å kunne bygge to RF forsterkere som undertrykker intermodulasjon for maritim VHF frekvens i hovedsak rundt 162MHz. De to forsterkerne skal henholdsvis konstrueres med bipolare transistorer og med felteffekttransistorer. Prosjektet består i hovedsak av to hovedpunkter; teoretisk og praktisk del. I Den teoretiske delen skal vi tilegnes oss informasjon som skal brukes for å kunne velge gunstige løsninger. I den praktiske delen vil det være viktig å konstruere en krets som tilfredsstiller de normer som gjelder for å få best mulig intermodulasjonsegenskaper. 2.4 Spesifikasjoner Vi har følgende spesifikasjoner tilgjengelig på nåværendes tidspunkt av prosjektet: o Forsterkerens båndbredde: kHz o Driftsspenning: 12-24V o Frekvensområde: VHF maritim frekvens o Inngangsfilter: LC, bør være så smalt som mulig. o Tilkoblingspunkter, for test tilkobling På grunn av at vi ikke har noe mer eksakte spesifikasjoner på nåværende tidspunkt, vil en god del av prosjektet være å finne ut hva som er fornuftig å sette som spesifikasjoner. Det vil også være hensiktsmessig å sjekke hvilke krav som bør/skal overholdes i forhold til internasjonal standard. 2.5 Problemområder Kunnskapsnivå: Det er ingen i gruppen som har jobbet noe med denne type problemstilling. Vi er derfor svært avhengig i å hente informasjon fra andre kilder, som internett, faglitteratur og personer med kompetanse innenfor dette fagområdet. Det vil derfor være en stor del av prosjektet å innhente nødvendig kompetanse før vi kan begynne med konstruksjonsdelen. Tidsforbruk: Siden ingen av prosjektdeltakerne har jobbet med et prosjekt med denne størrelsen som dette, vil det bli en utfordring å kunne sette opp en fornuftig tidsforbruk plan (Ghant diagram), se vedlegg 1. Det vil derfor ikke nødvendigvis bli helt samsvar med planlagt tidsforbruk og reelt tidsforbruk. Vi vil derfor prøve å bruke en del tid på å sette opp en slik plan, for å få den mest mulig realistisk. Vi ser ikke for oss tidsforsinkelser på grunn av andre grupper, da oppgaven ikke er knyttet opp mot andre oppgaver. Det vil derimot være viktig å være klar over at det kan ta noe tid å skaffe alle komponenter som vi er avhengige av. Når det gjelder testutsyr og annet utstyr som ikke skolen har til rådighet, vil oppdragsgiver behjelpelig. Vi regner derfor med at vi ikke vil få noen store forsinkelser når det gjelder anskaffelse av testutstyr og annet nødvendig utstyr. Endret: Side 7 av 11

8 3. ARBEIDSPAKKER 3.1 Valg av løsninger og avgrensing av prosjektomfang Vi må så tidlig som mulig i prosjektet prøve å avgrense oppgaven til en fornuftig skala. Oppgaven er rimelig åpen, men vi har en viss oversikt over hva oppdragsgiver Seatex er ute etter. Vi vil derfor prøve å definere dette i forprosjektet i den grad dette er mulig. På grunn av at vi må sette oss grundig inn i hvordan Intermodulasjon påvirker kretser og forsterkeren vi skal bygge, har vi ikke mulighet til å begynne med bestillinger av komponenter før et stykke ut i prosjektet. Dette er også på grunn av at vi må designe og finne ut hvordan kretsen skal være. Det er derfor naturlig at bestillinger vil komme noe ut i prosjektperioden og til noe forskjellige tidspunkt. Vi vil derfor heller ikke kunne komme med noe kostnadsoverslag før den tid. Beløpet vi har tilgengelig fra HiST ligger på kr 1000,- Det ser ut til at vi har rimelig god tid på dette prosjektet, jfr Seatex, men vi må likevel være bevisste på å få fordelt oppgaver inn i fornuftige blokker, og fordelt disse jevnbyrdige på hver enkelt gruppedeltaker Forsterker Vi skal konstruere to forsterkere, der den ene er konstruert ved hjelp av vanlige bipolare transistorer, og den andre blir konstruert ved hjelp av felteffekttransistorer. Disse vil vi sette inn i en boks, med tilkoblinger for å kunne forenkle tilkoblingene ved testing 3.2 Dokumentere prosjektet forløpende Vi ser det som svært viktig å kunne klare å dokumentere prosjektet underveis. Dette gjelder både rapportskriving, dokumentasjon av teori del, konstruksjons del og test del av prosjektet. På denne måten vil vi kunne klare å jobbe strukturert, samtidig som dette vil lette rapportskrivingen i lengden og vi vil få en mye mer oversiktlig arbeidsform. I tillegg vil vi prøve å legge ut mest mulig av det som blir gjort på prosjektets hjemmeside: Disse sidene vil bli oppdatert jevnlig. Noe av innholdet vil her bli passordbelagt. 3.3 Innhenting av teori og kompetanse På grunn av at ingen i gruppen har jobbet noe nevneverdig innenfor temaet intermodulasjon, vil det være et stort behov for å tilegne oss kompetanse. En stor del av prosjektet vil derfor gå med til dette. Hovedpunkter på denne delen vil være å skaffe teori om intermodulasjon, og teknikker for reduksjon av intermodulasjon. Vi må også skaffe oss bakgrunnsstoff for standarder for målinger, krav og spesifikasjoner. I tillegg vil det være aktuelt å innhente spesifikasjoner og kretsløsninger fra andre leverandører. Internett vil bli et meget viktig verktøy for oss under denne delen, samt vår veileder Ingrid Kvakland. Det vil også være behov for å hente litteratur fra faglitteratur som finnes blant annet på bibliotek. I tillegg har vi allerede under forprosjektet vært i kontakt med flere ressurspersoner (gamle lærere) innenfor fagfeltet, som har sagt seg villige til å være behjelpelige dersom vi har behov for dette. Endret: Side 8 av 11

9 3.4 Bestilling Bestillinger vil vi prøve å få gjort så raskt som mulig. Men på grunn av at vi må sette oss inn i mye teori kan ikke dette skje med en gang. Vi har satt av tid slik at bestilling av komponenter og utstyr trekker seg ut i tid, dette er på grunn av at vi sannsynligvis kan bli nødt til å etterbestille noe. 3.5 Simulering/utvikling av krets Hovedutfordringen vil være å utvikle/forbedre en krets slik at vi får best mulig undertrykking av intermodulasjon. Dette skal være en LNA (Low Noise Amplifier), det vil derfor være en del ting vi må ta hensyn til for å få minst mulig støy. Det vil være viktig å simulere den valgte kretsen før vi lager den fysisk. Ved fysisk testing vil vi bruke den tilegnede kunnskapen vi har fått til å finjustere kretsen, slik at vi får best mulig intermodulasjonsegenskaper. 3.6 Konstruksjon Vi vil prøve å komme fram til et selvstendig forslag til kretsutlegg for RF forsterkeren, men vi vil samtidig sammenligne lignende konstruksjoner fra andre leverandører. Ved å sammenligne lignende kretser fra forskjellige produsenter, vil vi kunne bruke disse til å sette sammen en optimalisert versjon av RF forsterkerne Under selve konstruksjonen skal vi bygge to RF forsterkere. Vi må her være bevisste på å designe kretskort slik at vi får et så optimalisert utlegg med hensyn på støy og andre ytre påvirkende kilder best mulig. Krav til print utlegg: Jordplan og spenningstilførsel bør ha stort areal Avstand mellom jordplan og spenningstilførsel bør være så små som mulig Korte lednings baner Riktig dimensjonering av loddepunkt 3.7 Testing For å kunne få en strukturert og fornuftig test av de to forsterkerne, vil det være lurt å sette opp en testplan hvor vi definerer hva og hvordan vi skal teste. På grunn av at resultatene skal vurderes og sammenlignes, vil det være et poeng å utføre testene så likt som mulig. Vi skal også måle på de to forsterkerne for å sjekke at vi har fått de spesifikasjoner som kreves. 3.8 Presentasjon av prosjektet Det skal være en obligatorisk presentasjon av prosjektet, dette vil foregå i 19., 20. og 21. april. I tillegg vil det være en muntlig framføring med sensor til stede i uke 21/22. Vi vil sette av tid til forberedelse for presentasjonen av prosjektet. 3.9 Fullføring av prosjektrapport Det vil kontinuerlig bli skrevet i rapporten etter hvert som vi har progresjon, dette har samtlige gruppedeltakere ansvar for. Ferdigstilt rapport skal senest leveres prosjektveileder 13. mai Endret: Side 9 av 11

10 4. PROSJEKTORGANISERING 4.1 Prosjektdeltakere Ibrahim Karaga Klasse: 3ET Alder: 26 Forkortelse: IK Tlf.: Torstein Buan Klasse: 3ET Alder: 25 Forkortelse: TB Tlf.: Richard Veland Klasse: 3ET Alder: 25 Forkortelse: RV Tlf.: Se vedlegg 2, 3 og 4 for CV for hver enkelt gruppedeltaker. Organisering av gruppa Prosjektleder; Holder oversikt over prosjektets fremgang, ressursforbruk, kalle inn til møter og sette agenda for møtene. Samt skrive 14 dagers rapport. Sekretær; Ansvar for skriving av møtereferat, sende ut til de involverte partene. Påse at referatet blir lagt ut på hjemmesiden Prosjektmedarbeider; Gjennomføre sine oppgaver og bidra til progresjon i prosjektet samt rapportere til prosjektleder om avvik som kan få følger for fremdriften av prosjektet Prosjektlederrollen, og de andre rollene, byttes på etter hvert to-ukers møte. På møtene gjennomføres oppsummering av siste periode, og kommende periodes oppgaver videreføres til ny prosjektleder og medarbeiderne. Sekretær påser at endringer og avvik blir notert i møtereferatet, samt hvem som gis ansvar for at aktuelle gjøremål blir notert. Turnus for gruppeleder er som følger: Richard, Torstein, Ibrahim Turnus for Sekretær fra første to-ukersmøte: Ibrahim, Richard, Torstein Endret: Side 10 av 11

11 4.2 Utstyr og ressurser Gruppa disponerer utstyr som skolen har. I tillegg er det muligheter for å få lånt utstyr fra Seatex dersom det viser seg at det blir behov for dette. Vi disponerer i tillegg datautstyr på datasaler/lab.rom i tillegg til private bærbare datamaskiner. Vi har fått tildelt arbeidsrom 308B Utstyr vi vet vi trenger: Dataverktøy og internett tilgang Test/måleutstyr: Multimeter, oscilloskop, spektrumanalysator, nettverksanalysator. Strømforsyning(er), signalgeneratorer Utstyr for printkort tilvirking, loddeutstyr og annet tilgjengelig utstyr tilgjengelig via HiST. 4.3 Prosjektleveranser Det skal leveres to-ukers rapporter, disse vil da bli levert annen hver uke til både oppdragsgiver og veileder. I tillegg skal møteinnkalling og møtereferater sendes ut til de som er involvert i det aktuelle møtet. Til slutt skal hovedprosjektrapporten leveres veileder og oppdragsgiver (papir versjon og på elektronisk form) sammen med de ferdige RF forsterkerne. 4.4 Tids- og kostnadsplan Vi har satt opp ett Ghant-diagram som skisserer hvordan vi ser for oss tids- og ressursforbruket i løpet av hovedprosjektperioden. Hvert enkelt gruppemedlem har hovedansvar for forskjellige emner, men det vil være flere som kan/vil jobbe med samme emne. Dette vil være litt avhengig av emnets størrelse. Hver student skal bruke ca 450 timer på hovedprosjektet. Ut fra vårt oppsett havner hele oppgaven opp med et tidsforbruk på 1435 timer totalt. Vi har satt opp S-diagram, se vedlegg 4, som viser planlagt tidsforbruk i prosjektperioden. 4.5 Kvalitetssikring For å kunne kvalitetssikre at prosjektet blir ferdigstilt til rett tid, vil følgende være med å sikre dette: Det skal holdes status møter hver 14 dag, der det kommer frem hva vi har gjort foregående to uker, og hva som skal skje de neste to ukene. Her skal eventuelle avvik kommenteres, og hva grunnen til avviket, samt hvilke tiltak som skal iverksettes. Det skal i tillegg leveres to-ukers rapporter der dette dokumenteres. På bakgrunn av Ghant-diagrammet (vedlegg 1) som er satt opp, har vi en bra oversikt på hvordan vi ligger an tidsmessig i prosjektet. Det skal også utarbeides en dokumentplan i starten av hovedprosjektet. Denne skal angi hvilke dokumenter som skal lages i løpet av prosjektet. Det skal også lages en plan for hvordan hovedprosjektrapporten skal settes opp. Dette for å sikre hvilke opplysninger og vedlegg som skal genereres og innhentes under prosjektet. Det skal settes opp en plan for test prosedyre, det vil bli prøvd å innhentet testprosedyre fra standardiseringsorgan som skal følges. Endret: Side 11 av 11