Nghiên cứu thiết kế mạch khuếch đại công suất rf trong rru 4g

TÓM TẮT ĐỀ TÀI Hướng nghiên cứu của luận văn này là thiết kế một bộ khuếch đại công suất sử dụng cấu trúc Doherty cho hệ thống 4G ở tần số 2.3 GHz.. Nhiệm vụ chính của bộ PA là khuếch đạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ MINH THẮNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI

CÔNG SUẤT RF TRONG RRU 4G

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ MINH THẮNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI

CÔNG SUẤT RF TRONG RRU 4G

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS PHAN XUÂN VŨ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong quyển luận văn này là kết quả tìm kiếm và nghiên cứu của tôi dưới sự hỗ trợ và chỉ bảo của người hướng dẫn Các kết quả và dữ liệu trong luận văn này hoàn toàn là trung thực và rõ ràng Mọi thông tin trích dẫn đều được liệt kê đầy đủ tài liệu tham khảo

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những nội dung được trình bày trong quyển luận văn này

Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2019

Tác giả

Vũ Minh Thắng

LỜI NÓI ĐẦU

Luận văn tốt nghiệp là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu tại viện Điện

Tử - Viễn Thông, viện Đào tạo Sau Đại Học, trường đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn nghiên cứu và thiết kế một module của khối RRU trong hệ thống 4G LTE Module được nghiên cứu trong luận văn này là mạch khuếch đại công suất, khối này nằm giữa

bộ dao động Mixer và Antena Mục đích của module là khuếch đại công suất tín hiệu theo yêu cầu của thiết kế, đáp ứng tín hiệu tới đầu vào của antena Với thời gian không nhiều để thực hiện luận văn này, tôi đã gặp nhiều khó khăn trong việc làm quen kiến thức, phần mềm thiết kế, tuy nhiên với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô và các bạn trong phòng nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn của mình

Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến T.S Phan Xuân Vũ đã tận tình giúp

đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến các anh và các bạn trong phòng nghiên cứu đã chia sẻ kinh nghiệm, kiến thức cho tôi Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình mình, những người luôn bên cạnh động viên, khuyến khích để tôi hoàn thành luận văn này

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Hướng nghiên cứu của luận văn này là thiết kế một bộ khuếch đại công suất sử dụng cấu trúc Doherty cho hệ thống 4G ở tần số 2.3 GHz Mục tiêu của luận văn là thiết kế bộ khuếch đại đơn và bộ khuếch đại theo cấu trúc Doherty, sử dụng phần mềm thiết kế ADS Agilent để mô phỏng và chỉ ra những điểm tối ưu của mạch khuếch đại Doherty Tiến hành thiết kế mạch khuếch đại Doherty thỏa mãn yêu cầu thiết kế Sau

đó layout mạch, ghép nối các linh kiện tụ điện, cuộn cảm, điện trở và transistor tương ứng

Kết quả đạt được từ mô phỏng với mạch khuếch đại đơn hệ số khuếch đại 20 dB tại tần số 2.3 GHz, tổn hao đầu vào đầu ra lần lượt là -23 dB và -28 dB, điểm chịu nén P@1dB tại công suất ra là 45 dBm Trong khi đó, với mạch khuếch đại Doherty, đạt được hệ số khuếch đại 16.7 dB tại tần số 2.3 GHz, tổn hao đầu vào, đầu ra là -22 dB và -29dB, điểm chịu nén P@1dB tại công suất đầu ra lên tới 51 dBm

ABSTRACT

The thesis designes a power amplifier (PA) using Doherty structure for 4G LTE system operate at the frequency 2.3 GHz The thesis’s goal designs a single power amplifier and a power amplifier using Doherty structure Then, using ADS Agilent software to simulate and indicates the other advantage of Doherty Designing Doherty power amplifier according to requirments, then make layout, connect capacitors, inductors, resistors and transistors

The achieved results from the simulation is indicated below With the single power amplifier, gain is 20 dB at frequency 2.3 GHz, the input return loss and output return loss are -23 dB and -28 dB respectively, P@1dB is 45 dBm Meannwhile, with Doherty power amplifier, gain is 16.7 dB, the input loss and output loss are -22 dB and -29 dB but P@1dB upto 51 dBm

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 3

ABSTRACT 3

MỤC LỤC 4

DANH SÁCH HÌNH VẼ 7

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 10

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 11

PHẦN MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 - Tổng quan về hệ thống RRU 4G 14

1.1 Tổng quan về hệ thống di động 4G LTE 14

1.1.1 Các đặc tính cơ bản của 4G LTE 14

1.1.2 Kiến trúc mạng 4G 15

1.2 Tổng quan khối RRU trong hệ thống 4G LTE 17

1.2.1 Cấu trúc trạm phát BTS eNodeB 18

1.2.2 Các thành phần trong khối RRU 21

1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 22

1.4 Kết luận chương 1 23

CHƯƠNG 2 - L thuyết về khuếch đại công suất 24

2.1 Giới thiệu bộ khuếch đại công suất ở tần số vô tuyến 24

2.2 Phân loại khuếch đại công suất 26

2.2.1 Khuếch đại công suất lớp A 27

2.2.2 Khuếch đại công suất lớp AB, B 28

2.2.3 Khuếch đại công suất lớp C 29

2.2.4 Khuếch đại công suất lớp D 30

2.3 Các tham số của bộ khuếch đại công suất 31

2.3.2 Ma trận tán xạ 31

2.3.3 Hệ số khuếch đại 34

2.3.4 Hệ số ổn định của bộ khuếch đại 34

2.3.5 Dải động của bộ khuếch đại công suất 37

2.3.6 Phân cực cho transistor 37

2.3.7 Đ thị Smith 39

2.3.8 Phối hợp trở kháng 41

2.3.9 Tuyến tính 42

2.3.10 Nhiễu 45

2.3.11 Đường truyền vi dải 45

2.4 Một số công nghệ transistor sử dụng cho khuếch đại công suất 48

2.4.1 CMOS Technology 48

2.4.2 LDMOS Lateral double – diffused metal oxide semiconductor 48

2.4.3 HEMT High Electronic Mobility Transistor 49

2.5 Khuếch đại Doherty 50

2.5.1 Cấu trúc khuếch đại Doherty 50

2.5.2 Nguyên l hoạt động của Doherty 52

2.5.3 Các chế độ hoạt động của Doherty 53

2.5.3.1 Chế độ hoạt động ở mức công suất thấp 53

2.5.3.2 Chế độ hoạt động ở mức công suất trung 54

2.5.3.3 Chế độ hoạt động ở mức công suất đỉnh 56

2.5.4 Ưu điểm và nhược điểm của khuếch đại Doherty 57

2.6 Kết luận chương 2 57

CHƯƠNG 3 - Phân Tích và Thiết kế 58

3.1 Yêu cầu kỹ thuật của bộ khuếch đại công suất 58

3.2 Kiến trúc thiết kế 58

3.3 Chọn linh kiện transistor cho bộ khuếch đại công suất 60

3.4.2 Tính toán hệ số ổn định của thiết bị 62

3.4.3 Phối hợp trở kháng 63

3.4.3.1 Phối hợp trở kháng đầu vào 64

3.4.3.2 Phối hợp trở kháng đầu ra 69

3.4.4 Kết quả mô phỏng 71

3.4.5 Mô phỏng Hamonic Balance 75

3.5 Thiết kế bộ khuếch đại Doherty 77

3.5.1 Bộ chia công suất đầu vào 77

3.5.1.1 Lý thuyết bộ chia Hybrid 77

3.5.1.2 Thiết kế bộ chia Hybrid 3dB 79

3.5.2 Mô phỏng khuếch đại Doherty 81

3.5.3 Kết quả mô phỏng Harmonic Balance 84

3.6 Layout bộ khuếch đại 87

3.7 Kết luận chương 3 88

KẾT LUẬN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH 91

PHỤ LỤC 92

DANH SÁCH HÌNH VẼ

15

18

18

Hình 19

20

21

7 c u trúc c a kh i RRU 22

24

25

25

Hình 2.4:

C 27

Hình 2.5: 28

Hình 2.6: 29

7 30

Hình 2.8: M ng hai cổng 32

37

38

Hình – Base 39

39

Hình 2.13: M ã ợc ph i hợp trở kháng 41

ợ ở 42

Hình 2.15: Minh họ I dBm) 43

Hình 2.16: Ả ởng c a hài trong h th ng phi tuy n 43

Hình 2.17: Ả ởng c a các hài lên tín hi u 44

ở 46

ợ ọ 46

46

48

49

Hình 50

50

Hình 2.28: Ho ng c a DPA t i ch công su t th p 54

55

56

Hình 3.1: C u trúc khu 59

Hình 3.2: C u trúc khu i Doherty 59

mô phỏng DC 60

Hình 3.4: S ph thu c c a I DS theo V DS và V GS 61

Hình 3.5: I DS bi n thiên theo V GS 62

Hình 3.6: Kh i ph i hợp trở m ch khu i 64

7 m ch ki ổ nh c a transistor 65

Hình 3.8: K t qu mô phỏng h s K 65

Hình 3.9: K t qu mô phỏng h s 66

í c Pad c c G 67

mô phỏng Pad c c G 67

Hình 3.12: H s S 11 khi có pad G 68

Hình 3.13: Ph i hợp trở ù th Smith 68

Hình 3.14: M ch ph i hợp trở u vào cho b khu 69

í c Pad c c D 69

mô phỏng pad D 70

Hình 3.17: H s S 22 khi có pad D 70

Hình 3.18: Ph i hợp trở ù th Smith 71

Hình 3.19: M ch ph i hợp trở u ra cho b khu 71

hoàn ch nh b khu ch 72

Hình 3.21: K t qu mô phỏng h s S 21 72

Hình 3.22: K t qu mô phỏng h s S 11 73

Hình 3.23: K t qu mô phỏng h s S 22 73

Hình 3.24: Giá tr trở kháng vào và trở ê th Smith 74

Hình 3.25: H s ổ nh K c a b khu 74

Hình 3.26: Hài c a b khu 75

7 th công su t ra theo công su t vào c a khu 76

Hình 3.28: Tín hi u vào và tín hi u ra theo th i gian c a khu 76

m ch u nén P-1dB c a m ch khu 77

Hình 3.30: Hi u su t c a b khu W 77

Hình 3.31: B é ng 78

Hình 3.32: B ghép Lange 78

Hình 3.33: B ghép hybrid 3dB 78

Hình 3.35: H s truy t S 21 và S 31 c a b ghép Hybrid 3dB 80

Hình 3.36: Pha c a tín hi u ra t i cổng 2 và cổng 3 c a b ghép hybrid 3dB 81

7 m ch khu i Doherty 82

Hình 3.38: Tham s S 21 c a b khu i Doherty 82

Hình 3.39: Tham s S 11 c a b khu i Doherty 83

Hình 3.40: Tham s S 22 c a b khu i Doherty 83

Hình 3.41: H s ổ nh K c a b khu i Doherty 83

Hình 3.42: Tham s c a b khu i Doherty 84

Hình 3.43: Hài cho b khu i Doherty 85

Hình 3.44: Công su t ra ph thu c vào công su t vào c a khu i Doherty 85

m ch u nén P-1dB c a m ch khu i Doherty 85

Hình 3.46: Hi u su t c a b khu i Doherty theo Pout (W) 86

Hình 3.47: Tín hi u vào và tín hi u ra theo th i gian c a khu i Doherty 86

layout m ch khu 87

layout m ch khu i Doherty 87

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

B ng 1.1: Yêu c u thi t k c tài 23

B ng 2.1: B ng tóm tắt các thành ph n c a khu i Doherty 51

B ng 3.1: L a chọn linh ki n và ch ho ng cho b khu i 60

B ng 3.2: Giá tr V DS và V GS s d ng trong mô phỏng 61

B m ho ng c a transistor v i từng ch 62

B ng 3.4: Thông s kỹ thuật c a FR4 64

B ng 3.5: Trở kháng vào và trở kháng ra t i t n s ho ng 66

B n áp phân c c c c G c a khu i Doherty 81

B ng 3.7: Tóm tắt các thông s c a m ch khu i Doherty 88

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong hệ thống thông tin liên lạc, thì hệ thống truyền thông không dây đang được sử dụng rộng rãi Các hệ thống truyền thông không dây hiện nay như công nghệ 3G, 4G, 5G, Wifi, Wimax, vệ tinh … thì công nghệ 4G đang có xu hướng phát triển mạnh mẽ nhất, thu hút lượng khách hàng sử dụng hệ thống 4G ngày càng nhiều Các công ty công nghệ, viễn thông đang tập trung rất nhiều ngu n lực vào phát triển công nghệ 4G hiện nay Trong khi 5G vẫn còn đang thử nghiệm và chưa đưa vào hoạt động chính thức thì 4G vẫn chiếm toàn bộ thị trường truyền thông không dây hiện nay

Hệ thống 4G g m nhiều khối với các chức năng khác nhau, để hoàn thiện thành một hệ thống truyền thông không dây như hiện nay Trong đó phải kể đến khối RRU (Radio Remote Unit), chuyên xử lý các tín hiệu cao tần của hệ thống

kh i RRU trong h th ng 4G LTE

Trong khối RRU, bộ khuếch đại công suất (PA) là một thành phần quan trọng,

nó nằm ngay trước antenna Nhiệm vụ chính của bộ PA là khuếch đại tín hiệu đầu vào, đạt đến mức công suất nhất định kết hợp với hệ số tăng ích của antenna để tạo ra tín hiệu cuối cùng truyền dẫn trong không gian Hệ số khuếch đại tập trung ở bộ khuếch đại này, bởi sự giới hạn về hệ số tăng ích của antenna Trong luận văn này, tôi tập trung vào thiết kế bộ khuếch đại công suất cho băng tần S với các tham số cụ thể sau

Các tham s c n thi t k

Công suất đầu ra Pout@1 dB 40W (46 dBm)

Các nội dung của luận văn được trình bày thành các chương với các nội dung cụ thể từng chương dưới đây

Chương 1: Tổng quan về hệ thống RRU 4G

Chương 2: Lý thuyết về khuếch đại công suất

Chương 3: Phân tích và thiết kế

CHƯƠNG 1 - T ố U 4G

1.1 T ố 4G LTE

Ngày 18/01/2012 tại Geneva, phiên họp toàn thể của Hội đ ng thông tin vô tuyến (Radiocommunication Assembly - ITU-R) đã nhất trí phê chuẩn khuyến nghị ITU-R M.2012 về chuẩn giao diện IMT-Advanced hay còn được nhắc đến như là chuẩn 4G hệ thống thông tin băng rộng Nhưng định nghĩa chuẩn 4G có tốc độ lên đến 1Gb/s, tức là cao hơn gấp 500 lần chuẩn 3G IMT-Advanced sẽ cung cấp các dịch vụ băng thông rộng với chất lượng cao hơn, tốc độ lớn hơn so với những công nghệ hiện có Tốc độ

dữ liệu đường xuống cao nhất là 100Mbit/s trong trường hợp di chuyển nhanh và 1Gbit/s cho các kết nối trong khi di chuyển chậm Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện… 3GPP LTE được xem là tiền thân của hệ thống 4G, những phiên bản đầu của 3GPP LTE chưa đáp ứng được những tính năng của IMT- advanced LTE có tốc độ đường xuống là 100Mbps và 50Mbps ở đường lên với băng thông 20MHz (lý thuyết)

4G LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu Nó dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA LTE sử dụng phương thức ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) LTE sử dụng phổ tần một cách thích hợp và mềm dẻo, nó có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz cho tới 20MHz

 Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15km/h, nhưng vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển 15-120km/h, có thể lên đến 500km/h t y băng tần



o Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD

o Độ phủ sóng từ 5-100 km

 Chất lượng dịch vụ và liên kết mạng:

o Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS

o VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS

o Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo

o Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN

sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms các dịch vụ cong lại

o Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm

1.1.2 4G

Hình1.1 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc nơi chỉ có 1 E-UTRAN tham gia Hình này cũng cho thấy sự phân chia kiến trúc mạng 4G LTE thành bốn thành phần chính: thiết bị người dùng (UE), UTRAN phát triển (E-UTRAN), mạng lõi gói phát triển (EPC) và các vùng dịch vụ

ù

UE là thiết bị mà người d ng đầu cuối sử dụng để liên lạc Thông thường nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc một thẻ dữ liệu UE cũng chứa các modun nhận dạng thuê bao toàn cầu USIM Nó là một modun riêng biệt với các phần còn lại của UE, thường được gọi là thiết bị đầu cuối TE Chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông mà có tín hiệu với mạng để thiết lập Ngoài ra

UE còn cung cấp giao diện người d ng đầu cuối

Thiết bị UE được d ng để giao tiếp với người sử dụng và mạng vô tuyến Nó

Các giao diện kết nối trong UE và giữa UE với UTRAN bao g m:

 Giao diện Cu: Đây là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này tuân theo tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh

 Giao diện Uu: Đây là giao diện vô tuyến WCDMA Uu là giao diện nhờ

đó UE truy cập được với phần cố định của hệ thống, và đây có thể là phần giao diện mở quan trọng nhất trong UMTS

ậ

Nút duy nhất trên E-UTRAN là E-UTRAN NodeB hay còn gọi tắt là eNodeB ENodeB là một trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất cả các chức năng vô tuyến liên quan trong phần cố định của hệ thống Các trạm gốc eNodeB thường phân bố trên toàn khu vực phủ sóng của mạng

Mạng truy cập vô tuyến UTRAN thiết lập tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến Nó đứng ở vị trí tương ứng như hệ thống BSS ở GSM Nó g m 2 thành phần:

 Nút B: chuyển đổi dữ liệu truyền giữa giao diện Iub và Uu Nó cũng tham gia vào quản l tài nguyên vô tuyến

 Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Sở hữu và điều khiển ngu n tài

RNC là điểm truy cập dịch vụ cho tất cả các dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho mạng l i

E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở lớp kết nối Đây là một phần của hệ thống được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS) Chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP và nó được tối ưu hóa cao cho mục tiêu duy nhất Tất cả các dịch vụ được cung cấp dựa trên IP, tất cả các nút chuyển mạch và các giao diện được nhìn thấy trong kiến trúc 3GPP trước đó không có mặt ở E-UTRAN và EPC Công nghệ IP chiếm ưu thế trong truyền tải, nơi mà mọi thứ được thiết kế để hoạt động và truyền tải trên IP Các hệ thống con đa phương tiện IP (IMS) là một ví dụ tốt

về máy móc thiết bị phục vụ có thể được sử dụng trong lớp kết nối dịch vụ để cung cấp các dịch vụ dựa trên kết nối IP được cung cấp bởi các lớp thấp hơn Ví dụ, để hỗ trợ dịch vụ thoại thì IMS có thể cung cấp thoại qua IP (VoIP) và sự kết nối tới các mạng chuyển mạch cũ PSTN và ISDN thông qua các cổng đa phương tiện của nó điều khiển

Sự phát triển của E-UTRAN tập trung vào một nút, nút B phát triển (eNode B) Tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc ở đó, tức là eNB là điểm kết thúc cho tất cả các giao thức vô tuyến có liên quan E-UTRAN chỉ đơn giản là một mạng lưới của các eNodeB được kết nối tới các eNodeB lân cận với giao diện X2 Một trong những thay đổi kiến trúc lớn là trong khu vực mạng lõi là EPC không có chứa một vùng chuyển mạch-mạch, và không có kết nối trực tiếp tới các mạng chuyển mạch mạch truyền thống như ISDN và PSTN là cần thiết trong lớp này Các chức năng của EPC là tương đương với vùng chuyển mạch gói của mạng 3GPP hiện tại Tuy nhiên những thay đổi đáng kể trong việc bố trí các nút chức năng và kiến trúc phần này nên được coi như là hoàn toàn mới

1.2 T ố U ố 4G LTE

Trong UMTS, trạm gốc được gọi là node B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết nối vật l giữa đầu cuối với nó Nó nhận tín hiệu từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến Nó cũng thực hiện một số thao tác quản l tài nguyên vô tuyến cơ sở như điều khiển công suất vòng trong Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa ; nghĩa là nếu tất cả các đầu cuối đều phát c ng một công suất thì các đầu cuối gần node B nhất

sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa Node B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho node B

1.2.1 C TS N

Hình 1.2:

Hình 1.2 mô tả tổng quát cấu trúc của một nodeB Thành phần chính bao g m tủ phát sóng RBS tập trung hoặc phân tán, và anten Ngoài ra trạm còn có các bộ phận phụ nhƣ ngu n, ắc qui, truyền dẫn, chống s t, báo động, điều chỉnh nhiệt độ … Các bộ phận đƣợc lắp đặt với nhau nhƣ hình vẽ

Khối System đảm nhiệm các chức năng: điều khiển, vận hành, duy trì hệ thống,

xử l tín hiệu băng gốc, kết nối truyền dẫn, phân phối ngu n

Khối System cũng chứa bộ tạo xung clock để đ ng bộ cho các khối khác nhau của BTS, các khối quạt Nó lấy ngu n DC 48V và phân phối tới các khối RF, khối system mở rộng

Các khối chức năng của khối System

Hình 1.4:

Khối RF hoạt động độc lập nhƣ một máy thu phát có tích hợp các bộ lọc anten Mỗi khối RF khác nhau có thể hỗ trợ từ 1 đến 3 sector, có chức năng xử l tín hiệu vô tuyến, điều khiển và cấp ngu n cho anten

Khối RF có 3 loại:

 Triple RF: 3 bộ thu phát

 Dual RF:

 Single RF:

Hình 1.5:

Khối RF bao g m các khối chức năng sau:

 RF Control: Cung cấp giao tiếp kết nối quang để kết nối tới khối System Thực hiện điều khiển các khối khác và xử l tín hiệu

 TX RF: Chuyển đổi tín hiệu số sang dạng tương tự, nâng tần…

 PA Power Amplifier): Khuếch đại công suất tới mức ngưỡng công suất phát

 RX: Hạ tần số, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số

 TX, RX filter: Các bộ lọc anten cho các tín hiệu TX, RX

 Bias-T: Chống s t

 VSWR: T số sóng đứng

Hình 1.6:

RRH bao g m các khối cơ bản có chức năng tương tự khối RF

Bao g m 2 khối chính:

 Khối biến đổi AC/DC FPAA

 Khối acqui FPBA: cung cấp ngu n dự phòng cho BTS trong thời gian ngắn

1.2.2 C ố U

Khối RRU (Radio Remote Unit) là khối giao thoa giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự RRU là thành phần kết nối giữa khối BBU (Base Band Unit) và Antena Các thành phần cấu tạo nên RRU bao g m DSP, bộ chuyển đổi A/D, D/A (tín hiệu số sang tín hiệu tương tự và ngược lại), bộ tạo dao động Oscillation Generator, Mixer, bộ khuếch đại công suất PA, khuếch đại tạp âm thấp LNA, bộ lọc, …

Hình 1.7: c u trúc c a kh i RRU

Hình 1.7 thể hiện cấu trúc của khối RRU trong hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và trong hệ thống LTE nói riêng với hai chiều uplink và downlink Ta sẽ tìm hiểu tóm tắt chức năng của từng thành phần trong bộ RRU ở trên

 Interface Module: giao tiếp giữa RRU và khối BBU Tại đây cung cấp tín hiệu digital cho DSP theo chiều uplink, nhận lại từ DSP khác theo chiều downlink

Đ ng thời cung cấp tín hiệu điều khiển bộ dao động nội Oscillation Generator

để tạo ra tần số dao động cho bộ Mixer

 DSP: bộ xử lý tín hiệu số mã hóa thông tin, …)

 D/A: bộ chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự

 Mixer: đưa tín hiệu trung tần thành tín hiệu cao tần (với uplink), hoặc hạ băng tần (với downlink)

 PA: bộ khuếch đại công suất, khuếch đại tín hiệu ở tần số cao

 Filter: bộ lọc tín hiệu, loại bỏ hài, chỉ giữ lại tín hiệu ở băng tần mong muốn

 LNA: bộ khuếch đại tạp âm thấp, khuếch đại tín hiệu và loại bỏ tạp âm đầu vào

 A/D: bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

Trong phạm vi nghiên cứu, luận văn tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ khuếch đại công suất PA trong khối RRU Các thông số cũng như yêu cầu thiết kế của bộ khuếch đại công suất sử dụng trong LTE được mô tả chi tiết trong phần sau

1.3 P

Hệ thống LTE là hệ thống hoàn chỉnh bao g m nhiều khối với các chức năng khác nhau Ngay cả như khối RRU cũng g m nhiều thành phần rất phức tạp, với các yêu cầu kỹ thuật chuyên biệt để đảm bảo cả hệ thống hoạt động tốt Trong thời gian ngắn, cũng như khả năng hạn chế của mình, phạm vi của của luận văn này chỉ tập trung

nghiên cứu và thiết kế một bộ khuếch đại công suất trong khối RRU của hệ thống 4G LTE

Tóm lại, từ các thông số kỹ thuật của trạm phát ứng dụng trong hệ thống 4G LTE, luận văn lựa chọn các thông số kỹ thuật cho bộ khuếch đại công suất như bảng dưới đây

B ng 1.1: Yêu c u thi t k c tài

Công suất đầu ra Pout@1 dB 40W (46 dBm)

1.4 K t luậ ư 1

Chương 1 đã đưa ra tổng quan cấu trúc của mạng thông tin 4G LTE và các thành phần trong khối RRU của mạng 4G, đ ng thời cũng làm r vai trò của bộ khuếch đại công suất trong khối RRU của mạng 4G Chương 1 cũng chỉ ra các tham số kỹ thuật của hệ thống 4G, qua đó xác định được yêu cầu kỹ thuật cho bộ khuếch đại công suất Chương tiếp theo trình bày cơ sở lý thuyết để thiết kế một bộ khuếch đại công suất

CHƯƠNG 2 -

2.1 G ố

Sơ đ khối của bộ khuếch đại công suất đƣợc mô tả trong hình 2.1 bao g m một transistor, hệ thống mạch đầu vào, đầu ra, cuôn cảm và tụ điện cao tần Trong bộ khuếch đại công suất cao tần, transistor có thể hoạt động ở hai chế độ:

của dòng điện cực máng và điện áp cực máng là gần nhƣ t lệ với độ lớn của điện áp cực cửa nên chế độ hoạt động này phù hợp với những khuếch đại công suất tuyến tính

Hình 2.2

Khi transitor hoạt động như một chuyển mạch, transitor hoạt động trong vùng ohmic khi đóng và trong v ng khóa khi mở Để duy trì hoạt động trong vùng ohmic, transistor đòi hỏi VDS < VGS – Vt Nếu VGS được tăng tại một trở kháng tải cho trước, biên độ của VDS sẽ tăng làm cho transistor ban đầu hoạt động trong vùng bão hòa sau

đó chuyển sang vùng ohmic

Trong lớp A, góc dẫn 2 là 360 điện áp VGS phải cao hơn điện áp ngƣỡng của transistor Vt, tức là VGS > Vt Điều này đạt đƣợc bằng cách chọn thành phần một chiều của VGS lớn hơn mức ngƣỡng Vt phù hợp, VGS – Vgsm > Vt (Vgsm là biên độ của thành phần xoay chiều của của điện áp cực cửa Dòng điện cực máng một chiều ID phải lớn hơn biên độ của thành phần xoay chiều Im của dòng điện cực máng Khi đó transistor sẽ dẫn cả chu kỳ Dạng sóng của tín hiệu ra đƣợc biểu diễn trên hình 2.4 (a)

Trong lớp B, góc dẫn là 180 , thành phần một chiều VGS bằng với điện áp ngƣỡng Vt và dòng điện phân cực của cực máng ID bằng 0 Do đó, transistor sẽ dẫn một nửa chu kỳ Dạng sóng của tín hiệu ra đƣợc biểu diễn trên hình 2.4 (b)

Trong lớp AB, góc dẫn nằm giữa 1800 và 3600 Thành phần một chiều VGS lớn hơn so với Vt không đáng kể và transistor đƣợc phân cực tại một ngu n dòng điện cực máng ID nhỏ Lớp AB là lớp giữa lớp A và lớp B Dạng sóng của tín hiệu ra đƣợc biểu diễn trên hình 2.4 (c)

Trong lớp C, góc dẫn của dòng điện cực máng là nhỏ hơn 1800 Điểm hoạt động nằm trong vùng cut-off bởi vì VGS < Vt Dòng điện phân cực ID là bằng 0 Transistor dẫn nhỏ hơn một nửa chu kỳ Dạng sóng của tín hiệu ra đƣợc biểu diễn trên hình 2.4 (d)

Hình 2.4:

Đối với transistor hoạt động như một chuyển mạch, người ta phân loại khuếch đại công suất theo điểm hoạt động lớp D, E, DE trong miền tần số vô tuyến Ngoại lệ, điểm hoạt động tại lớp F có thể hoạt động hoặc là như một ngu n dòng hoặc như một chuyển mạch Tuy nhiên trong phạm tr luận văn, chúng ta chỉ xem x t điểm hoạt động của trasistor với các lớp A, AB, B, C, D và E

2.2.1 A

Khuếch đại công suất với điểm hoạt động lớp A là một bộ khuếch đại tuyến tính, góc dẫn là 360 Lớp A cho ta độ tuyến tính của tín hiệu đầu ra cao nhất trong các lớp, nó sinh ra bản sao của tín hiệu đầu vào, nhưng cũng vì lẽ đó mà nó có hiệu suất rất thấp dưới 50 )

Bộ khuếch đại công suất lớp A bao g m một transistor, một cuộn cảm kháng cao tần, một mạch L-C song song, và một tụ gh p C Điểm hoạt động nằm trong vùng

m o hài và m o liên điều chế thấp Biên độ của các hài trong điện áp đầu ra là rất thấp

Do đó, nó ph hợp cho khuếch đại tín hiệu điều biên Trong khuếch đại lớp A băng hẹp, mạch L-C song song sử dụng nhƣ là một bộ lọc thông dải để chặn các hài sinh ra

và cho phép phổ tín hiệu băng hẹp đi qua Trong khuếch đại lớp A băng rộng thì bộ lọc

Điểm hoạt động của lớp B nằm tại bờ giữa vùng khóa và vùng bão hòa Thành phần một chiều VGS = Vt Do đó, góc dẫn 2θ là 1800

Transistor hoạt động nhƣ ngu n

dòng phụ thuộc điện áp điều khiển Sơ đ mạch khuếch đại công suất lớp A, AB như trong hình 2.6 duới đây:

Hình 2.6:

2.2.3 C

Khuếch đại công suất lớp C tương tự như lớp B về sơ đ mạch, nhưng lớp C với góc dẫn cực máng trong khoảng từ 0 đến 180 Ở chế độ này, mạch khuếch đại cho hiệu suất cao nhưng ngược lại hệ số khuếch đại lại thấp Các hài ở đầu ra sẽ trở nên đáng kể hơn Với lớp C, chúng ta phải sử dụng một cặp khuếch đại và sử dụng bộ cộng tín hiệu để đưa tín hiệu về ban đầu, chính vì vậy nó thường xuyên được sử dụng để khuếch đại tín hiệu trong miền tần số vô tuyến Sơ đ mạch giống ở chế độ hoạt động lớp B và được thể hiện trong hình 2.6

2.2.4

Bộ khuếch đại công suất lớp D hay còn gọi là bộ chuyển đổi công suất DC-AC lớp D, được phát minh vào năm 1959 bới Baxandall [1 và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau để chuyển đổi năng lượng DC thành năng lượng AC Ví dụ về

bộ khuếch đại cộng hưởng trong các máy phát vô tuyến, bộ chuyển đổi cộng hưởng DC-DC, sưởi điện tần số cao áp dụng trong các máy hàn cảm ứng Trong bộ khuếch đại lớp D, tránsistor hoạt động như một chuyển mạch Bộ khuếch đại lớp D có thể được phân thành hai nhóm chính:

 Khuếch đại chuyển mạch ngu n áp lớp D

 Khuếch đại chuyển mạch ngu n dòng lớp D

Bộ khuếch đại chuyển mạch điện áp lớp D được cung cấp bởi ngu n điện áp

DC Chúng sử dụng mạch cộng hưởng nối tiếp hoặc một mạch cộng hưởng có ngu n gốc từ mạch cộng hưởng nối tiếp Nếu hệ số chất lượng của tải là tốt, dòng điện qua bộ cộng hưởng mạch là dạng hình Sin thì dòng điện qua các chuyển mạch là nửa sóng hình Sin Điện áp trên các chuyển mạch là sóng vuông

Ngược lại, bộ khuếch đại chuyển mạch dòng lớp D sử dụng mạch cộng hưởng song song hoặc có ngu n gốc từ mạch cộng hưởng song song Điện áp qua bộ cộng hưởng mạch có dạng Sin, thì dòng điện qua các chuyển mạch cũng có dạng sóng vuông

Một ưu điểm chính của khuếch đại lớp D là điện áp thấp nhất trên mỗi transistor bằng điện áp cung cấp Điều này làm cho các bộ khuếch đại này ph hợp với các ứng dụng điện áp cao Ví dụ, có thể sử dụng điện áp trực tiếp 220V hoặc 277V để cung cấp cho các bộ khuếch đại lớp D Hình 2.7 thể hiện sơ đ mạch của bộ khuếch đại lớp D

Việc tạo mạch hở và ngắn mạch đầu cuối của hệ thống mạng, cùng với việc đo điện áp và dòng điện Ta thấy rằng rất khó đạt được mạng hở và ngắn mạch với chất lượng cao ở tần số trên 1 GHz và việc đống mở thiết bị thực hiện theo cách này có thể làm hỏng thiết bị do sự phản xạ tác động lên thiết bị Một vấn đề khác nảy sinh trong quá trình đo điện áp và dòng điện ở tần số cao thông thường chỉ cho những đại lượng

có thể đo được như hệ số sóng đứng (VSWR), hệ số phản xạ, công suất… Tham số dễ

đo nhất là công suất tới và công suất phản xạ, điều kiện thử l tưởng là khi mạng hai cổng được phối hợp tải Những tham số dựa trên những điều kiện này là tham số tán xạ hay còn gọi là tham số S Sau đây sẽ tìm hiểu về các tham số tán xạ cũng như nghĩa vật lý của chúng

Tham số tán xạ hay còn gọi chung là tham số S là một bộ tham số liên hệ với các sóng lan truyền trong một mạng có n cổng Chúng ta biết rằng phần lớn các phép

đo đạc với các tham số khác nhau được thực hiện trên đầu vào và đầu ra của linh kiện

là phải ngắn mạch và hở mạch Điều này rất khó thực hiện đặc biệt là ở tần số cao nơi

mà cuộn cảm và tụ điện làm cho việc ngắn mạch và hở mạch trở nên rất khó đạt được Tại tần số cao, việc đo các tham số loại này yêu cầu phải tinh chỉnh, riêng việc chỉnh tại mỗi tần số đo để phản ánh các điều kiện ngắn mạch và hở mạch lên các cực của linh kiện không chỉ bất tiện mà còn mệt mỏi Việc mắc sơn tại đầu vào và đầu ra có thể là nguyên nhân xuất hiện các dao động làm sai lệch ph p đo

Các tham số tán xạ biểu diễn mối quan hệ của các biến (ai, bi) Các biến ai và bi

là các giá trị phức chuẩn hóa của các sóng tới và sóng phản xạ từ cổng thứ i của mạng Chúng được định nghĩa dưới dạng các điện áp Vi và dòng điện Ii trên các cực và trở kháng tùy ý Zi [4]

√

√ ( ) Phần lớn các ph p đo đạc và sự tính toán của các tham số tán xạ thích hợp với trở kháng Zi có phần thực dương Để xác định các phương trình sóng định nghĩa các tham số S chúng ta hãy xem xét một mạng hai cổng sau:

Hình 2.8: M ng hai cổng

a1 và a2 là các sóng tới b1 và b2 là các sóng phản xạ

Các biến độc lập với a1 và a2 là các sóng điện áp tới đã được chuẩn hóa:

√

√ ( )

√

√ ( ) Các biến phụ b1, b2 là các điện áp phản xạ chuẩn hóa:

√

√ ( )

√

√ ( ) Các phương trình tuyến tính biểu diễn một mạng 2 cổng có dạng như sau:

{

( ) Trong đó:

( )

Do đó:

(

) ( )

Các phương trình tính toán nói trên cho thấy được các tham số tán xạ là các đại lượng khuếch đại và các hệ số phản xạ, cả hai đại lượng này rất quen thuộc với người tính toán thiết kế mạch khuếch đại cao tần [4]

Một thuận lợi quan trọng khác của tham số tán xạ là nó cho biết mối quan hệ giữa các biến độc lập và các biến phụ thuộc với các sóng công suất khác nhau:

|a1|2: Công suất tới trên đầu vào của mạng = Giá trị công suất từ một ngu n có trở kháng Z0

|a2|2: Công suất tới trên đầu ra của mạng = Công suất phản xạ từ tải

|b1|2: Công suất phản xạ từ đầu vào của mạng = Giá trị công suất từ một ngu n

có trở kháng Z0 trừ đi công suất rơi trên đầu vào của mạng

|b2|2: Công suất phản xạ từ đầu ra của mạng = Công suất sóng tới trên tải = Công suất mong muốn rơi trên tải Z0

Bốn phương trình trên cho thấy rằng tham số S liên quan chặt chẽ đến hệ số khuếch đại và tổn hao do mất phối hợp của bộ khuếch đại, các đại lượng thường được quan tâm nhiều hơn là các phương trình điện áp tương ứng

định của nó khá phức tạp và nhiều khi không thể thực hiện được Những khó khăn này xuất phát từ hai nguyên nhân sau: Thứ nhất sơ đ tương đương của transistor trong dải siêu cao tần khá phức tạp và thường chỉ mô tả gần đúng Thứ hai trong dải siêu cao tần đối tượng đo được không phải là điện áp hay dòng điện mà là các sóng tới và sóng phản xạ Phù hợp với nó, transistor cũng được đặc trưng bằng các tham số sóng (ma trận tham số tán xạ và ma trận tham số sóng) Do đó, nên tập trung khảo sát sự ổn định của bộ khuếch đại cao tần dùng tham số tán xạ

Một mạng hai cổng có thể được mô tả một cách hoàn chỉnh bằng các tham số tán xạ của chúng (tham số S) Các tham số tán xạ cho phép tính toán sự không ổn định

về điện thế hướng dao động ngược), giá trị khuếch đại hiệu dụng lớn nhất, các trở kháng đầu vào và đầu ra, hệ số khuếch đại công suất Tham số S cũng cho ph p tính toán các trở kháng ngu n và trở kháng tải tối ưu và sự phối hợp trở kháng hoàn toàn của chúng Tham số tán xạ giúp chúng ta dễ dàng lựa chọn các trở kháng ngu n và tải cho một giá trị khuếch đại đặc biệt

Trước tiên ta xem x t trường hợp hệ số khuếch đại ngược S12 = 0 Khi |S11| < 1

và |S22| < 1, mạng hai cổng ổn định tuyệt đối Ý nghĩa vật lý ở đây cho thấy do hệ số khuếch đại ngược bằng 0, tức là không có sóng phản xạ từ đầu ra ngược trở lại đầu vào Mặt khác do |S11| < 1 và |S22| < 1 tức là sóng phản xạ nhỏ hơn sóng tới trên đầu vào và đầu ra Kết quả là bộ khuếch đại làm việc ổn định với bất kỳ tổ hợp nào của các trở kháng ngu n và tải (ứng với một giá trị bất kỳ nào của trở kháng ngu n và trở kháng tải thì bộ khuếch đại cũng làm việc ổn định) Khi |S11| > 1 và |S22| > 1 mạng 2 cổng không ổn định và chúng sẽ sinh ra các dao động ngược Bởi vì khi các hệ số phản

xạ có các giá trị lớn hơn 1 thì tổng các sóng phản xạ sẽ lớn hơn tổng của các sóng tới

Do đó các điều kiện |S11| > 1 và |S22| > 1 chỉ ra rằng các dao động có thể xuất hiện trong

bộ khuếch đại nếu chúng ta lựa chọn các trở kháng ngu n và trở kháng tải không hợp

lý

Xem xét sự ổn định của mạng 2 cổng trong trường hợp chung (S12 # 0) Một mạng 2 cổng là ổn định tuyệt đối nếu các hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra (nhìn từ đầu vào và đầu ra) có các biên độ lớn hơn 1, mà không phụ thuộc vào biên độ của các hệ số phản xạ ngu n và tải và tại các điểm đầu vào và đầu ra của mạng 2 cổng Các trở kháng nhìn từ đầu vào và đầu ra có các phần thực dương và các hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra , phụ thuộc vào các trở kháng ngu n và tải

Công thức biểu diễn hệ số phản xạ đầu vào:

( ) Biến đổi công thức trên nhận được biểu thức của hệ số phản xạ đầu vào như sau:

ra cho các điều kiện ổn định của mạng hai cổng là:

( ) Khi K lớn hơn 1 và nhỏ hơn 1, thì linh kiện ổn định tuyệt đối với bất kỳ tổ hợp của các trở kháng ngu n và các trở kháng tải Nếu khi tính toán K nhỏ hơn 1 hoặc lớn hơn 1 thì linh kiện có nguy cơ mất ổn định và sẽ phát sinh các dao động Trong trường hợp này phải rất cẩn thận trong việc lựa chọn các trở kháng ngu n và các trở kháng tải Điều kiện này không có nghĩa là linh kiện không hoạt động, nó chỉ được sử dụng khi lựa chọn trở kháng ngu n và trở kháng tải hợp l Đây là trường hợp có thể gặp trong các bộ khuếch đại Hầu hết tất cả các thiết bị đều hoạt động ở trạng thái ổn định có điều kiện, tuy nhiên nếu các bộ khuếch đại hoạt động ở trạng thái này gây ra thay đổi điểm phân cực 1 chiều hoặc có thể phá hủy transistor Nhưng người thiết kế có thể tăng hệ số ổn định của bộ khuếch đại bằng cách sử dụng những phương án sau:

Sử dụng điện trở h i tiếp ở đầu vào hoặc điện trở tải ở đầu ra của bộ khuếch đại, như vậy có thể ổn định được bộ khuếch đại Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là nó không phù hợp trong thiết kế khuếch đại tạp âm thấp bởi vì điện trở ở đầu cuối của mạch sẽ sinh ra tạp âm lớn hơn cho bộ khuếch đại Trong những trường hợp như vậy, độ ổn định được thực hiện bằng cách thêm cuộn cảm mắc vào bên cực ngu n (source) hoặc emitter bởi vì cuộn cảm có tạp âm nhỏ

2.3.5

Khi công suất đầu vào Pi tăng, công suất đầu ra đạt trạng thái bão hòa, gây ra sự nén khuếch đại công suất Tại điểm mà hệ số khuếch đại công suất của bộ khuếch đại phi tuyến lệch so với khuếch đại công suất tuyến tính l tưởng 1 dB được gọi là điểm

n n 1 dB Nó được sử dụng như một đơn vị đo khả năng điều khiển công suất Công suất đầu ra tại điểm nén 1 dB sẽ là

Dải động của một bộ khuếch đại công suất là vùng mà bộ khuếch đại đạt được

hệ số khuếch đại công suất tuyến tính Nó được định nghĩa là v ng sai khác giữa công suất đầu ra Po(1dB) và công suất đầu ra nhỏ nhất có thể phát hiện được Pomin

Hình 2.9:

2.3.6 P

qua đó ảnh hưởng đến hệ số khuếch đại, tạp âm và phối hợp trở kháng Do đó t y theo yêu cầu thiết kế ta lựa chọn các chế độ điện áp một chiều phù hợp Sau khi chọn được chế độ điện áp, ta tiến hành phân cực cho transistor hoạt động ở đúng chế độ đó Có nhiều cách phân cực khác nhau, mỗi các có những ưu điểm nhược điểm khác nhau Dưới đây là ba cách phân cực phổ biến

 Phân cực cố định

 Phân cực Collector - Base

 Phân cực phân chia điện áp

Đây được gọi là phương pháp phân cực base Trong phương pháp này, 1 điện trở Rb được nối giữa điện áp cung cấp và cực base của transistor như hình vẽ [5] Tuy nhiên phương pháp này là không ổn định về nhiệt và điểm làm việc Q có thể thay đổi,

do đó làm giảm hệ số khuếch đại và ảnh hưởng đến hệ số tạp âm của mạch

Hình 2.10:

– Base:

Phương pháp này còn được gọi là phương pháp tự phân cực, ta sử dụng điện trở

Rb để nối giữa cực Collector và cực Base của transistor Mạch tự thiên áp này giải quyết vấn đề mất ổn định về nhiệt mà phương pháp phân cực cố định ở trên gặp phải