Bài viết Nghiên cứu, thiết kế mạch khuếch đại công suất 90W sử dụng bộ cộng Wilkinson ứng dụng cho hệ thống thông tin di động 5G trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế mạch khuếch đại công suất siêu cao tần làm việc ở băng tần S với dải tần 2.48–2.78GHz sử dụng bộ khuếch đại công suất song song kết hợp với bộ chia/cộng công suất Wilkinson.
Trang 1NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
90W SỬ DỤNG BỘ CỘNG WILKINSON ỨNG DỤNG
CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G
Trần Văn Hội
Trường Đại học Thủy lợi, email: hoitv@tlu.edu.vn
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Tháng 5 năm 2021 ba nhà mạng Viettel,
VNPT, Mobifone đã triển khai thử nghiệm
thương mại hệ thống di động 5G tại 6 tỉnh,
thành phố Tốc độ trung bình hiện đạt
500-600 Mbps, nhanh hơn gấp 10 lần so với tốc
độ truy cập của mạng 4G [1]
Để đáp ứng được vùng phủ sóng 5G với
bán kính rộng ở các vùng ngoại ô thì các trạm
phát sóng (BTS) 5G cần phải có bộ khuếch
đại công suất Để làm chủ công nghệ 5G, đã
có một số tập đoàn và các trường đại học
trong nước đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị
5G, trong đó tập đoàn viễn thông quân đội
Viettel đã đi đầu trong nghiên cứu và sản
xuất thành công trạm thu phát 5G
Có nhiều nghiên cứu thiết kế và chế tạo
các bộ khuếch đại công suất lớn được thực
hiện ở các dải tần số khác nhau [1-3] Để giải
quyết vấn đề tăng công suất mà vẫn đảm bảo
các chỉ tiêu kỹ thuật về độ méo, băng thông,
hiệu suất của mạch, các nhà khoa học đã đưa
ra các hướng giải quyết như: Sử dụng mạch
khuếch đại nhiều tầng ghép nối tiếp [1]; Sử
dụng các bộ khuếch đại công suất song song
kết hợp với bộ chia / cộng công suất [2]; Sử
dụng đèn công suất lớn [3]
Mục đích của bài báo này là trình bày quá
trình nghiên cứu, thiết kế mạch khuếch đại
công suất siêu cao tần làm việc ở băng tần S
với dải tần 2.48–2.78GHz sử dụng bộ khuếch
đại công suất song song kết hợp với bộ
chia/cộng công suất Wilkinson Mạch khuếch
đại công suất (PA) có thể được ứng dụng cho
hệ thống di động 4G; 5G và các hệ thống
thông tin vô tuyến trên dải tần 2.5 - 2.8GHz
2 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MẠCH 2.1 Thiết kế sơ đồ khối
Để đạt được công suất phát 90W, bài báo
đề xuất giải pháp thiết kế hai bộ khuếch đại công suất cơ sở 45W kết hợp bộ chia / cộng công suất Wilkinson Đầu vào là bộ chia 2:1
và đầu ra là bộ cộng công suất 2:1 Trong thiết kế này, bộ chia công suất 1:2 và bộ cộng công suất 2:1 có tính chất đối xứng và sử dụng bộ chia/cộng Wilkinson Sơ đồ khối của mạch khuếch đại được thể hiện trong Hình 1
Hình 1 Sơ đồ khối mạch khuếch công suất
2.2 Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại công suất
Mạch khuếch đại công suất đơn tầng sử dụng transistor được thể hiện ở Hình 2
Hình 2 Sơ đồ mạch khuếch đại đơn tầng
Đầu vào
PA 2
PA 1
Đầu ra
Mạch PHTK đầu vào
Mạch PHTK đầu ra Transistor
Z 0
Z 0
r s r is r0l rl
Trang 2Để thiết kế bộ khuếch đại công suất 45W,
nhóm tác giả chọn đèn bán dẫn thích hợp là
PTFA260451E được cung cấp bởi infineon
Technologies Tham số tán xạ S của đèn bán
dẫn dùng để kiểm tra độ ổn định của mạch và
dùng để thiết kế mạch khuếch đại Có nhiều
phương pháp thiết kế mạch khuếch đại công
suất lớn, trong thiết kế này tác giả sử dụng
mạch vi dải và sử dụng phương pháp phối
hợp trở kháng với đa đoạn dây /4 Mạch
thiết kế hoàn chỉnh thể hiện trên Hình 3
Hình 3 Sơ đồ nguyên lý mạch PA
Sử dụng phần mềm mô phỏng mạch siêu
cao tần Advanced Design System (ADS) với
tham số tán xạ S để mô phỏng mạch khuếch
đại Kết quả mô phỏng thể hiện trên Hình 4
Hình 4 Mô phỏng tham số S
Kết quả mô phỏng trên Hình 4 cho thấy độ
lợi của mạch khuếch đại lớn hơn 10 dB trong
dải 2.48 - 2.78 GHz và đạt giá trị lớn nhất là
14 dB ở tần số trung tâm 2.65 GHz Hệ số
phản xạ đầu vào S11 và đầu ra S22 có giá trị
tương đối tốt
2.3 Thiết kế và mô phỏng bộ chia/cộng
công suất Wikinson
Bộ chia công suất là thiết bị dùng để chia
công suất đầu vào thành nhiều công suất đầu
ra theo yêu cầu thiết kế và bộ cộng công suất dùng để kết hợp nhiều công suất đầu vào thành công suất đầu ra Có nhiều loại bộ chia điện như bộ chia điện T, bộ ghép định hướng,
bộ chia điện Wilkinson Bộ chia công suất dạng T là đơn giản nhất, tuy nhiên nó có độ cách ly thấp giữa các cổng đầu ra Để giải quyết vấn đề cách ly, bộ chia công suất Wilkinson (WPD) được coi là một lựa chọn tốt Điều này là do điện trở shunt được chèn giữa các cổng đầu ra cung cấp khả năng cách
ly cao Hình 5 thể hiện cấu tạo và sơ đồ tương đương bộ chia công suất WPD [3]
Hình 5 a Bộ chia Wilkinson dạng vi dải
b Mạch đường truyền tương đương
Bộ chia công suất Wilkinson 2 chiều sử dụng mạch vi dải một phần tư bước sóng (λ/4)
để phối hợp trở kháng Zo đầu vào với trở kháng 2*Zo kết nối hai đầu ra Khi đó trở kháng của đoạn λ/4 sẽ là Z/4 = √2*Z0 Dải phân cách này đạt được dải tần hẹp Để đạt được bộ chia/bộ kết hợp băng rộng, bài báo này
đề xuất phương pháp kết hợp trở kháng nhiều đoạn với các phân đoạn λ/4 tại tần số trung tâm 2,65GHz Phân cách giữa 2 phân doạn là một trở kháng Z0 = 50 , và ZL = 100 Ω Các đặc tính trở kháng được tính toán của thiết kế WPD nhiều phần được thể hiện trong bảng 1
Bảng 1 Trở kháng đặc đính của bộ WPD
WPD sử dụng mạch dải FR4 với chiều cao
h = 1,5mm phụ với chất nền điện môi là 4,34
và độ dày 0,035mm, chiều dài và chiều rộng của đường microstrip được tính toán bằng phần mềm Advance Design System, sơ đồ mạch WPD thể hiện trong Hình 6
Trang 3Hình 6 Mạch nguyên lý WPD
Kết quả mô phỏng mạch WPD được thể
hiện trên Hình 7
Hình 7 Kết quả mô phỏng mạch WPD
Từ hình 7 cho thấy hệ số truyền từ cổng 1
sang cổng 2 và 3 đạt giá trị 3,3dB, hệ số
phản xạ S11 nhỏ hơn 25dB và hệ số cách ly
cổng 2 và 3 nhỏ hơn 19,0dB trên băng tần
2GHz đến 3GHz
2.4 Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại
kết hợp bộ chia/ cộng Wilkinson
Sau khi mô phỏng mạch đạt các tham số
theo yêu cầu thiết kế, nhóm tác giả tiến hành
ghép mạch khuếch đại và mạch chia/cộng
công suất Kết quả mô phỏng công suất của
mạch thể hiện trên hình 8
Để đạt được công suất đầu ra tối đa, giá trị
đầu vào của bộ khuếch đại phải đạt 33dBm, do
đó tín hiệu trước bộ chia là 36dBm, điều này
đạt được nhờ các bộ tiền khuếch đại phía trước
Kết quả đo công suất đầu ra trên hình 8
cho thấy công suất đầu ra đạt 49.3dBm với
đầu vào là 37dBm Giá trị này tương đương công suất của mạch là 90W
Hình 8 Công suất đầu ra của mạch PA
3 KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại công suất cơ sở 45W và mạch chia/cộng công suất Wilkinson 2:1 Kết quả mô phỏng cho thấy mạch đạt công suất đầu ra 49.3dBm với mức công suất đầu vào 37 dBm Mạch khuếch đại hoạt động trong dải tần 2.48GHz đến 2.78GHz có thể được ứng dụng trong hệ thống thông tin di động 4G, 5G và hệ thống thông tin vô tuyến
4 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] MS Khan, et al., "A Novel Two-Stage Broadband Doherty Power Amplifier for Wireless Applications," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol 28,
no 1, pp 40-42, 2018
[2] Mussa Mabrok, et al., “Wideband power amplifier based on Wilkinson power divider for S-band satellite communications”, Bulletin of Electrical Engineering and Informatics, Vol 8, No 4, pp 1531-1536 Dec 2019
[3] J Tan, et al., “Design of a High Power, Wideband Power Amp lifier using AlGaN/GaN HEMT”, 2017 IEEE 18th Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON), 2017
