Bài viết Thiết kế mạch khuếch đại công suất băng S ứng dụng cho hệ thống thông tin di động 5G trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại công suất siêu cao tần làm việc ở băng tần S với dải tần 2.5 - 2.8GHz sử dụng đèn công suất lớn 130W.
Trang 1THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT BĂNG S ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G
Ngô Thị Lành1, Trần Văn Hội2
1 Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải
2 Trường Đại học Thủy lợi, email: hoitv@tlu.edu.vn
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Hiện nay hệ thống thông tin di động 5G
đang được các quốc gia nghiên cứu và triển
khai trong thực tế Ở Việt Nam các nhà mạng
Viettel, Mobifone đã triển khai thử nghiệm
thành công hệ thống di động 5G trên các dải
tần 2.6GHz với tốc độ lên đến 2,2Gbps [1]
Mạch khuếch đại công suất siêu cao tần
PA (power amplifier) là một trong những
thành phần không thể thiếu trong trạm thu
phát gốc vô tuyến Mạch khuếch đại công
suất thực hiện khuếch đại tín hiệu đã được
điều chế ở tần số cần phát lên mức công suất
phù hợp để cung cấp cho anten phát
Có nhiều nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ
khuếch đại công suất được thực hiện ở các dải
tần số khác nhau [2], [3], 4] và giải quyết các
vấn đề khác nhau như: tăng công suất, tăng
hiệu suất của mạch [2], khuếch đại băng thông
rộng và giảm méo xuyên điều chế [3]
Để mở rộng băng thông của mạch khuếch
đại cũng như tăng công suất phát có thể sử
dụng các phương pháp khác nhau như: Sử
dụng mạch khuếch đại nhiều tầng ghép nối
tiếp [3]; sử dụng các bộ khuếch đại công suất
song song kết hợp với bộ chia/cộng công
suất [4]; sử dụng đèn công suất lớn [1]
Mục đích của bài báo này là trình bày quá
trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch
khuếch đại công suất siêu cao tần làm việc ở
băng tần S với dải tần 2.5 - 2.8GHz sử dụng
đèn công suất lớn 130W Mạch khuếch đại
công suất có thể được ứng dụng cho hệ thống
thông tin di động 4G; 5G và các hệ thống
thông tin vô tuyến trên dải tần 2.5-2.8GHz
2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nhóm tác giả sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu phân tích, tổng hợp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm khoa học để thiết kế tiến hành chế tạo, đo đạc thử nghiệm
3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH PA 3.1 Thiết kế mạch PA
Mạch khuếch đại công suất đơn tầng sử dụng transistor được thể hiện ở (hình 1), trong đó mạch phối hợp trở kháng đầu vào thực hiện phối hợp trở kháng nguồn ZS với trở kháng vào của Transistor; mạch phối hợp trở kháng ra thực hiện phối hợp trở kháng ra của transistor với trở kháng tải ZL
Hình 1 Sơ đồ mạch khuếch đại đơn tầng
Để thiết kế bộ khuếch đại công suất 130W, nhóm tác giả chọn đèn bán dẫn thích hợp là PTFA261301F được cung cấp bởi infineon Technologies Đây là một đèn bán dẫn sử dụng công nghệ LDMOS FETs công suất được tăng cường nhiệt với công suất đầu
ra lớn nhất 130W và hoạt động ở tần số 2,6GHz, nguồn cấp 28V và hiệu suất 47% Thông qua tham số tán xạ S của đèn bán dẫn PTFA261301F thực hiện kiểm tra tính
ổn định của mạch khuếch đại Bộ khuếch đại
Trang 2phải ổn định trong phạm vi của dải tần thiết
kế Một trong những phương pháp được sử
dụng để xác định độ ổn định của PA là kiểm
tra tham số K và
12 21
2 2 22
2 11
2
1
S S
S S
21 12 22
11S S S
S
Sử dụng phần mềm ADS (Advanced Design
System) và file tham số tán xạ fpta.s2p để mô
phỏng hệ số ổn định K Kết quả mô phỏng
tham số K thể hiện trên hình 2
Hình 2 Hệ số ổn định K
Từ hình 2 cho thấy hệ số K > 1 trong dải
tần khuếch đại, điều này chứng tỏ hệ số
khuếch đại ổn định không điều kiện trong
phạm vi dải tần hoạt động
Để thực hiện thiết kế mạch khuếch đại
nhóm tác giả sử dụng phương pháp phối hợp
trở kháng dải rộng đó là dùng bộ ghép đa
đoạn dây /4 Với tham số của đèn Z11 = 5.8
+ 0.4*j và Z22 = 1.4 – 3*j mạch thiết kế hoàn
chỉnh thể hiện trên hình 3
Hình 3 Sơ đồ nguyên lý mạch PA
3.2 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
Sau khi mô phỏng mạch đạt các tham số theo yêu cầu thiết kế, nhóm tác giả tiến hành chế tạo và đo các tham số của mạch
Hình 4 Mạch khuếch đại PA hoàn thiện
Kết quả đo trên máy phân tích mạng Vector network analyzer 37369D và kết quả
mô phỏng được thể hiện ở các hình [5-9]
Hình 5 Hệ số khuếch đại của mạch S 21
Kết quả mô phỏng và đo trên hình 5 cho thấy hệ số khuếch đại của mạch lớn hơn 12,55 dB trong dải khuếch đại 2.5 - 2.7GHz
Hệ số khuếch đại mô phỏng lớn nhất đạt 14
dB tại tần số 2.65GHz so với kết quả đo là 13.4dB tại tần số 2.625GHz
Hình 6 Hệ số khuếch đại ngược (S 12)
Trang 3Kết quả trên hình 6 cho thấy hệ số khuếch
đại ngược S12 có giá trị nhỏ hơn 21 dB
trong dải tần công tác và kết quả đo phù hợp
với kết quả mô phỏng
Hình 7 Hệ số phản xạ đầu vào S 11
Hệ số phản xạ đầu vào S11 trên hình 7 cho
thấy kết quả đo được có giá trị nhỏ hơn -10
dB trong dải tần công tác và đạt giá trị nhỏ
nhất là -25 dB tại tần số 2,62 GHz
Hình 8 Hệ số phản xạ đầu ra S 22
Hình 9 Công suất đầu ra của mạch PA
Hệ số phản xạ đầu ra thể hiện trên hình 8 cho kết quả đo có giá trị tương đối tốt và có dạng tương đương với kết quả mô phỏng, tuy nhiên giá trị phản xạ đầu ra đều nhỏ hơn
11dB, đạt giá trị nhỏ nhất là 18.2 dB Kết quả đo công suất đầu ra trên hình 9 cho thấy công suất đầu ra đạt 50.6dBm với đầu vào là 39dBm Giá trị này tương đương công suất của mạch là 130W
4 KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm mạch khuếch đại công suất băng S Kết quả đo cho thấy các đặc tính kỹ thuật: hệ số khuếch đại lớn nhất là 13.4dB và lớn hơn 12.55dB trong dải tần 2.5GHz đến 2.7GHz; hệ số phản xạ đầu vào và ra nhỏ hơn 10dB, công suất đầu ra đạt 50.6dBm Mạch khuếch đại có thể được ứng dụng trong hệ thống thông tin di động 5G hoạt động ở băng tần 2.6Ghz
5 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] http://ictvietnam.vn/viet-nam-di-som-va-trien-khai-nhanh-5g-020050818335758.htm [2] Keigo N., Toshio I 2015 “A 2.4 GHz-Band 100W GaN-HEMT High-Efficiency Power Amplifier for Microwave Heating”,
Journal of electromagnetic engineering and science, vol 15, no 2, pp 82-88
[3] Pei Jia,Fei You, Songbai He 2020 ”A 1.8–3.4-GHz Bandwidth - Improved Reconfigurable Mode Doherty Power Amplifier Utilizing Switches”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol 30, Issue 1, pp 102 – 105 [4] Sumit Bhardwaj, Jennifer Kitchen 2019
”Broadband Parallel Doherty Power Amplifier in GaN for 5G Applications”,
2019 IEEE Topical Conference on RF/Microwave Power Amplifiers for Radio and Wireless Applications (PAWR)
