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

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.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 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 Trần Văn Hội Trường Đại học Thủy lợi, email: hoitv@tlu.edu.vn Tháng năm 2021 ba nhà mạng Viettel, VNPT, Mobifone triển khai thử nghiệm thương mại hệ thống di động 5G tỉnh, thành phố Tốc độ trung bình đạt 500600 Mbps, nhanh gấp 10 lần so với tốc độ truy cập mạng 4G [1] Để đáp ứng vùng phủ sóng 5G với bán kính rộng vùng ngoại trạm phát sóng (BTS) 5G cần phải có khuếch đại cơng suất Để làm chủ cơng nghệ 5G, có số tập đoàn trường đại học nước nghiên cứu chế tạo thiết bị 5G, tập đồn viễn thơng qn đội Viettel đầu nghiên cứu sản xuất thành công trạm thu phát 5G Có nhiều nghiên cứu thiết kế chế tạo khuếch đại công suất lớn thực dải tần số khác [1-3] Để giải vấn đề tăng công suất mà đảm bảo tiêu kỹ thuật độ méo, băng thông, hiệu suất mạch, nhà khoa học đưa hướng giải như: Sử dụng mạch khuếch đại nhiều tầng ghép nối tiếp [1]; Sử dụng khuếch đại công suất song song kết hợp với chia / cộng công suất [2]; Sử dụng đèn cơng suất lớn [3] Mục đích báo trình bày trình nghiên cứu, thiết kế mạch khuếch đại công suất siêu cao tần làm việc băng tần S với dải tần 2.48–2.78GHz sử dụng khuếch đại công suất song song kết hợp với chia/cộng công suất Wilkinson Mạch khuếch đại công suất (PA) ứng dụng cho hệ thống di động 4G; 5G hệ thống thông tin vô tuyến dải tần 2.5 - 2.8GHz 2.1 Thiết kế sơ đồ khối Để đạt công suất phát 90W, báo đề xuất giải pháp thiết kế hai khuếch đại công suất sở 45W kết hợp chia / cộng công suất Wilkinson Đầu vào chia 2:1 đầu cộng công suất 2:1 Trong thiết kế này, chia công suất 1:2 cộng cơng suất 2:1 có tính chất đối xứng sử dụng chia/cộng Wilkinson Sơ đồ khối mạch khuếch đại thể Hình Đầu vào Bộ cộng cơng suất 2:1 THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG MẠCH Bộ chia công suất 1:2 GIỚI THIỆU CHUNG PA PA Đầu Hình Sơ đồ khối mạch khuếch công suất 2.2 Thiết kế mô mạch khuếch đại công suất Mạch khuếch đại công suất đơn tầng sử dụng transistor thể Hình 270 Z0 Mạch PHTK đầu vào Mạch PHTK đầu Transistor rs ris r0l rl Hình Sơ đồ mạch khuếch đại đơn tầng Z0 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 Để thiết kế khuếch đại cơng suất 45W, nhóm tác giả chọn đèn bán dẫn thích hợp PTFA260451E cung cấp infineon Technologies Tham số tán xạ S đèn bán dẫn dùng để kiểm tra độ ổn định mạch dùng để thiết kế mạch khuếch đại Có nhiều phương pháp thiết kế mạch khuếch đại công suất lớn, thiết kế tác giả sử dụng mạch vi dải sử dụng phương pháp phối hợp trở kháng với đa đoạn dây /4 Mạch thiết kế hồn chỉnh thể Hình theo yêu cầu thiết kế cộng công suất dùng để kết hợp nhiều công suất đầu vào thành cơng suất đầu Có nhiều loại chia điện chia điện T, ghép định hướng, chia điện Wilkinson Bộ chia công suất dạng T đơn giản nhất, nhiên có độ cách ly thấp cổng đầu Để giải vấn đề cách ly, chia công suất Wilkinson (WPD) coi lựa chọn tốt Điều điện trở shunt chèn cổng đầu cung cấp khả cách ly cao Hình thể cấu tạo sơ đồ tương đương chia cơng suất WPD [3] Hình Sơ đồ ngun lý mạch PA Sử dụng phần mềm mô mạch siêu cao tần Advanced Design System (ADS) với tham số tán xạ S để mô mạch khuếch đại Kết mơ thể Hình Hình Mơ tham số S Kết mơ Hình cho thấy độ lợi mạch khuếch đại lớn 10 dB dải 2.48 - 2.78 GHz đạt giá trị lớn 14 dB tần số trung tâm 2.65 GHz Hệ số phản xạ đầu vào S11 đầu S22 có giá trị tương đối tốt 2.3 Thiết kế mô chia/cộng công suất Wikinson Bộ chia công suất thiết bị dùng để chia công suất đầu vào thành nhiều công suất đầu Hình a Bộ chia Wilkinson dạng vi dải b Mạch đường truyền tương đương Bộ chia công suất Wilkinson chiều sử dụng mạch vi dải phần tư bước sóng (λ/4) để phối hợp trở kháng Zo đầu vào với trở kháng 2*Zo kết nối hai đầu Khi trở kháng đoạn λ/4 Z/4 = √2*Z0 Dải phân cách đạt dải tần hẹp Để đạt chia/bộ kết hợp băng rộng, báo đề xuất phương pháp kết hợp trở kháng nhiều đoạn với phân đoạn λ/4 tần số trung tâm 2,65GHz Phân cách phân doạn trở kháng Z0 = 50 , ZL = 100 Ω Các đặc tính trở kháng tính tốn thiết kế WPD nhiều phần thể bảng Bảng Trở kháng đặc đính WPD Số đoạn Zo Z1 Z2 50 84.09 59.46 WPD sử dụng mạch dải FR4 với chiều cao h = 1,5mm phụ với chất điện môi 4,34 độ dày 0,035mm, chiều dài chiều rộng đường microstrip tính tốn phần mềm Advance Design System, sơ đồ mạch WPD thể Hình 271 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 đầu vào 37dBm Giá trị tương đương công suất mạch 90W Hình Mạch ngun lý WPD Kết mơ mạch WPD thể Hình Hình Công suất đầu mạch PA KẾT LUẬN Hình Kết mơ mạch WPD Từ hình cho thấy hệ số truyền từ cổng sang cổng đạt giá trị 3,3dB, hệ số phản xạ S11 nhỏ 25dB hệ số cách ly cổng nhỏ 19,0dB băng tần 2GHz đến 3GHz 2.4 Kết mô mạch khuếch đại kết hợp chia/ cộng Wilkinson Sau mô mạch đạt tham số theo yêu cầu thiết kế, nhóm tác giả tiến hành ghép mạch khuếch đại mạch chia/cộng công suất Kết mô cơng suất mạch thể hình Để đạt công suất đầu tối đa, giá trị đầu vào khuếch đại phải đạt 33dBm, tín hiệu trước chia 36dBm, điều đạt nhờ tiền khuếch đại phía trước Kết đo cơng suất đầu hình cho thấy công suất đầu đạt 49.3dBm với Bài báo trình bày trình nghiên cứu, thiết kế mô mạch khuếch đại công suất sở 45W mạch chia/cộng công suất Wilkinson 2:1 Kết mô cho thấy mạch đạt công suất đầu 49.3dBm với mức công suất đầu vào 37 dBm Mạch khuếch đại hoạt động dải tần 2.48GHz đến 2.78GHz ứng dụng hệ thống thơng tin di động 4G, 5G hệ thống thông tin vô tuyến 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 272 ... 2:1 Kết mô cho thấy mạch đạt công suất đầu 49.3dBm với mức công suất đầu vào 37 dBm Mạch khuếch đại hoạt động dải tần 2.48GHz đến 2.78GHz ứng dụng hệ thống thông tin di động 4G, 5G hệ thống thông. .. thiết kế mạch khuếch đại Có nhiều phương pháp thiết kế mạch khuếch đại công suất lớn, thiết kế tác giả sử dụng mạch vi dải sử dụng phương pháp phối hợp trở kháng với đa đoạn dây /4 Mạch thiết kế. .. khuếch đại phía trước Kết đo cơng suất đầu hình cho thấy cơng suất đầu đạt 49.3dBm với Bài báo trình bày trình nghiên cứu, thiết kế mô mạch khuếch đại công suất sở 45W mạch chia /cộng công suất Wilkinson