Bài viết Bộ khuếch đại tín hiệu hai đường ra ứng dụng trong hệ thống thu phát vô tuyến 5G đề xuất thiết kế và thử nghiệm mô-đun khuếch đại tín hiệu hai đường ra ứng dụng trong các hệ thống máy thu vô tuyến của mạng thông tin di động 5G. Bộ khuếch đại tín hiệu được thiết kế bao gồm mạch khuếch đại hai đường và bộ chia công suất Wilkinson 3 dB. Kết quả đo được mô-đun khuếch đại tích hợp bộ chia công suất 2 đầu ra có độ khuếch đại xấp xỉ 18.2 dB tại tần số 2,6 GHz với hệ số tạp âm khoảng 5 dB. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1BỘ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU HAI ĐƯỜNG
RA ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THU
PHÁT VÔ TUYẾN 5G
Lê Trọng Hiếu, Phạm Trọng Hoan, Nguyễn Lê Cường*
Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Điện lực Email: hieult@epu.edu.vn, hoanpt@epu.edu.vn, cuongnl@epu.edu.vn*
Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất thiết kế
và thử nghiệm mô-đun khuếch đại tín hiệu hai đường ra
ứng dụng trong các hệ thống máy thu vô tuyến của mạng
thông tin di động 5G Bộ khuếch đại tín hiệu được thiết
kế bao gồm mạch khuếch đại hai đường và bộ chia công
suất Wilkinson 3 dB Kết quả đo được mô-đun khuếch
đại tích hợp bộ chia công suất 2 đầu ra có độ khuếch đại
xấp xỉ 18.2 dB tại tần số 2,6 GHz với hệ số tạp âm
khoảng 5 dB
Keywords- Khuếch đại tín hiệu, bộ chia công suất
Wilkinson, máy thu phát vô tuyến
I GIỚITHIỆU Trong những năm gần đây, cùng với nhu cầu ngày
càng tăng của người tiêu dùng về truyền thông không
dây băng rộng hoặc đa băng tần, việc nghiên cứu và
phát triển các hệ thống thu phát vô tuyến luôn là lĩnh
vực nghiên cứu được quan tâm chú trọng Để đáp ứng
các yêu cầu này, cần có các công nghệ tiên tiến, bao
gồm các sơ đồ điều chế mức cao, ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao (OFDM) và các kỹ thuật MIMO,
và băng thông kênh ít nhất phải là 100 MHz [1-4]
Trong thiết kế RF front-end, thiết bị khuếch đại tín hiệu
(RF Amplifiers) là một phần không thể thiếu, đặc biệt
trong các máy thu phát vô tuyến [5-6]
Trên cơ sở nghiên cứu công nghệ mạch vi dải, bài
báo này đề xuất một thiết kế mô-đun khuếch đại tín
hiệu hai đường ra ứng dụng trong các hệ thống máy thu
vô tuyến của mạng thông tin di động 5G Bộ khuếch
đại được thiết kế có ưu điểm là có thể đồng thời cung
cấp tín hiệu cho cả đường phát và đường thu Kết quả
đo được mô-đun khuếch đại tích hợp bộ chia công suất
2 đầu ra có độ khuếch đại xấp xỉ 18.2 dB tại tần số 2,6
GHz với hệ số tạp âm khoảng 5 dB
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau:
trong phần II, chúng tôi miêu tả thiết kế mô phỏng bộ
chia công suất Wilkinson Trong phần III, chúng tôi mô
tả thiết kế mô phỏng mạch khuếch đại băng rộng Phần
IV cung cấp các kết quả chế tạo và đo lường thực tế
mô-đun khuếch đại thiết kế Cuối cùng, chúng tôi kết
luận bài báo trong phần V
II THIẾTKẾBỘCHIACÔNGSUẤT
WILKINSON
Bộ chia công suất là các phần tử siêu cao tần thụ động không chứa ferrit dùng để chia một tín hiệu sóng cao tần thành 2 hoặc nhiều tín hiệu thành phần có công suất nhỏ hơn
Bộ chia công suất Wilkinson [7] là bộ chia hoạt động ở chế độ chia đều Bộ chia loại này sử dụng kết hợp cấu trúc đường truyền với điện trở (là phần tử tiêu hao năng lượng) nên nó có tính chất: Cấu trúc là mạng tổn hao vì có chứa phần tử tiêu hao năng lượng, Được phối hợp trở kháng tại tất cả các cổng; Cách ly tốt giữa các cổng lối ra; Đối xứng giữa lối vào và lối ra
Hình 1 Sơ đồ bộ chia công suất Wilkinson với 2 cổng đầu
ra
Thông thường:
R = 100Ω
R0 = 50 Ω Công suất đầu ra ở 2 cổng 1, 2 nhỏ hơn công suất đầu vào ở cổng 3 là 3dB
Trang 2Hình 2 Cấu trúc mạch nguyên lý cơ bản của bộ chia công
suất Wilkinson 1:2
Hình 3 Thiết kế mô phỏng bộ chia công suất Wilkinson trên
ANSYS HFSS
Hình 4 Kết quả mô phỏng S11, S21, S23, S31 bộ chia công
suất
Việc thiết kế và mô phỏng bộ chia công suất 3 dB
Wilkinson được thực hiện bằng phần mềm mô phỏng
trường điện từ toàn sóng ANSYS HFSS Hình 3 và
Hình 4 lần lượt mô tả cấu trúc thiết kế và kết quả mô
phỏng tham số S của bộ chia công suất 3 dB
Wilkinson Chi tiết kích thước của bộ chia công suất
được mô tả trong Bảng I Để cải thiện hệ số sóng phản
xạ của các cổng đầu vào và đầu ra, thiết kế của đường
vát cong được sử dụng trong mối nối chạc chữ T và
tăng trở kháng cách ly của bộ chia công suất công nghệ
vi dải, mức độ cách ly giữa các cổng đầu ra được cải
thiện bằng phương pháp tối ưu hóa các tham số S
Bảng I THAM SỐ CỦA BỘ CHIA CÔNG SUẤT
WILKINSON
Tham số Kích thước (mm)
Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của bộ chia công suất nhỏ hơn -22 dB trong dải tần số 2,2 GHz đến 2,7 GHz
và độ cách ly đạt được giữa các cổng là hơn 21 dB Suy hao chèn của hai cổng đầu ra so với cổng đầu vào cơ bản là nhỏ hơn 3,2 dB, cho thấy mô phỏng đạt kết quả tốt
III THIẾTKẾMẠCHKHUẾCHĐẠIBĂNG
RỘNG Sau khi hoàn thành thiết kế bộ chia công suất 3 dB, khối khuếch đại RF được thiết kế, chúng tôi lựa chọn chip vi xử lý ADL5611 của nhà sản xuất ANALOG DEVICES ADL5611 hoạt động trong dải tần từ 30 MHz đến 6 GHz, cung cấp độ khuếch đại 22,2 dB, với tạp âm thấp là 2,1 dB và điểm cắt bậc 3 (OIP3) rất cao 40,0 dBm Với các ưu điểm này, mạch khuếch đại được thiết kế sẽ đảm bảo cung cấp mức công suất đủ cho đường tín hiệu nội tại các bộ tạo tạo dao động
Hình 5 Sơ đồ mô phỏng mạch nguyên lý bộ khuếch đại ADL 5611 trên phần mềm ADS 2011
Trang 3Hình 6 Kết quả mô phỏng tham số S tại tần số 2,630 GHz
Kết quả mô phỏng các tham số S của bộ khuếch đại
ADL5611 trong Hình 6 cho thấy độ lợi của bộ khuếch
đại khoảng 20 dB trong phạm vị từ 200 MHz đến 4
GHz Trong đó, tại tần số 2.63 GHz, độ khuếch đại đạt
được xấp xỉ 20.8 dB
IV CHẾTẠOVÀKẾTQUẢTHỬNGHIỆM
Hình 7 Hình ảnh của mô-đun khuếch đại tích hợp bộ chia
công suất được chế tạo
Mô-đun bộ khuếch đại tích hợp bộ chia công suất
được chế tạo trên chất nền Taconic TLY trên bảng
mạch thương mại với hằng số điện môi là 2,2, độ dày
tấm điện môi là 0,508mm và tổn hao tương đương là
0,0022 Diện tích hiệu dụng của mô-đun là 60 × 40
(mm2)
Hình 8 Kết nối mô-đun khuếch đại tín hiệu với máy phân
tích tạp âm Agilent N8975A
Hình 9 Kết quả đo độ khuếch đại và tạp âm tại các tần số
2,3GHz, 2,6 GHz và 2,8GHz
Hình 8 và Hình 9 mô tả kết quả đo hệ số khuếch đại và tạp âm của bộ khuếch đại đề xuất trên máy phân tích tạp âm Agilent N8975A Kết quả đo thực tế cho thấy, mô-đun khuếch đại tích hợp bộ chia công suất 2 đầu ra
có độ khuếch đại xấp xỉ 18,2 dB trong dải tần từ 2 GHz đến 3 GHz (bao gồm cả suy hao dây cáp, đầu đo SMA, và môi trường đo) Hệ số tạp âm của bộ khuếch đại trong khoảng 5,7 đến 6 dB, nguyên nhân một phần
là do ảnh hưởng của các phần tử trong mô-đun, phần khác là do bộ khuếch đại chưa được đặt trong hộp bảo
vệ cách ly với môi trường đo Như vậy, bộ khuếch đại được thiết kế đã hoạt động ổn định, hệ số khuếch đại, tạp âm cơ bản đạt yêu cầu đề ra và có thể ứng dụng tích hợp vào các hệ thống thu phát vô tuyến 5G
V KẾTLUẬN Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm mô-đun khuếch đại tín hiệu hai đường
ra tích hợp bộ chia công suất Wilkinson Mô-đun khuếch đại được chế tạo có ưu điểm nhỏ gọn, độ khuếch đại cao trong dải tần rộng và có khả năng ứng dụng trong các hệ thống máy thu phát vô tuyến của mạng thông tin di động 5G
TÀILIỆUTHAMKHẢO
[1] Z.Q Yu, J.Y Zhou, J.N Zhao, T Zhao, and W Hong,
“Design of a Broadband MIMO RF Transmitter for Next-generation Wireless Communication Systems,” Microwave Journal, vol 53, no 11, pp 22-26, Nov 2010
[2] A Hashimoto, H Yoshino, and H Atarashi, “Roadmap of IMT-advanced development,” IEEE Microwave Magazine, vol 9, pp 80-88, 2008
[3] Martin Sauter, “Beyond 3G -Bringing Networks, Terminals, and the Web Together: LTE, WiMAX, IMS, 4G Devices, and the Mobile Web 2.0” Wiley, New York, 2009
[4] Zhe Chen, Wei Hong, Jianyi Zhou, Jixin Chen, and Chen Yu,
“Design of Miniature RF Transceivers for Broadband MIMO Systems in Ku-Band,” Microwave Journal, vol 55, no 11, pp 108-112, Nov 2012
[5] Qizheng Gu, “RF System Design of Transceivers for Wireless Communications”, Nokia Mobile Phones 2005
[6] Dean Banerjee, “PLL Performance, Simulation and Design Handbook”, Fourth edition CA: National Semiconductor, Sunnyvale, 2006
Khuếch đại ADL5611
Bộ chia công suất Wilkinson
Trang 4[7] Pozar D M, “Microwave engineering”, Fourth edidtion New
York: John Wiley & Sons, 2009