Thiết kế mạch khuếch đại công suất 6W hoạt động ở tần số 2,6 GHz ứng dụng cho mạng 5G

Bài viết Thiết kế mạch khuếch đại công suất 6W hoạt động ở tần số 2,6 GHz ứng dụng cho mạng 5G trình bày thiết kế một mạch khuếch đại công suất sử dụng cho trạm BTS mạng 5G hoạt động ở băng tần trên.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 6W HOẠT ĐỘNG Ở TẦN SỐ 2,6 GHz ỨNG DỤNG CHO MẠNG 5G Đoàn Hữu Chức Trường Đại học Quản lý Cơng nghệ Hải Phịng, email: chucdh@hpu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Năm 2016, Bộ Thông tin truyền thông ban hành “Quy hoạch băng tần 2500 - 2690 MHz cho hệ thống thông tin di động IMT” Việt Nam Hiện nay, số nhà cung cấp dịch vụ thử nghiệm mạng 5G băng tần Mục tiêu báo thiết kế mạch khuếch đại công suất sử dụng cho trạm BTS mạng 5G hoạt động băng tần Sơ đồ khối mạch khuếch đại siêu cao tần cho (hình 1) Chúng ta sử dụng mơ hình mạng cổng dùng tham số S transistor (IC) cho việc thiết kế mạch khuếch đại cơng suất[1,3,5] Hình Sơ đồ mạch khuếch đại siêu cao tần Trong kỹ thuật siêu cao tần áp dụng trực tiếp kỹ thuật mạch thông thường mà phải sử dụng lý thuyết trường điện từ biết tới phương trình Maxwell Điều có nghĩa việc thiết kế khác với trường hợp tần số thấp Kỹ thuật gọi kỹ thuật phối hợp trở kháng (PHTK) Có nhiều cách thực phối trở kháng sử dụng linh kiện L, C thụ động, đoạn dây chêm v.v Trong báo này, tác giả sử dụng phương pháp thiết kế phối hợp trở kháng kiểu /4 giải pháp nâng cao dải thông khuếch đại Cần thực phương pháp di chuyển trở kháng vào linh kiện tích cực làm phần tử khuếch đại ta đạt trở kháng thực có giá trị nhỏ Ta thấy trở kháng cần phối hợp có chênh lệch cao dải tần hoạt động thiết bị phối hợp hẹp Vì muốn mở rộng dải tần phải dùng nhiều đoạn biến đổi mắc nối tiếp thành chuỗi để đoạn phối hợp với tỷ số trở kháng thấp mà thơi [2] Đó ý tưởng phương pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trưng mà tác giả áp dụng thiết kế Từ lý thuyết phản xạ nhỏ [2,4] chọn N = (bậc mở rộng thang trở kháng đặc trưng hay số phân đoạn) ta đạt được: 3/4 Z1  Z 1/4 (1) L Z0 ZL Z2  Z0 (2) Z1 Trong đó: ZL - trở kháng tải; Z1, Z2 trở kháng phân đoạn Từ thực việc phối hợp trở kháng theo giá trị Z1, Z2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để đạt mục tiêu nghiên cứu, tác giả sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp, phương pháp mơ hình hóa mơ phần mềm chun ngành THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 6W Trong phần này, tác giả sử dụng linh kiện CGH40006P hãng Cree chế tạo để thực thiết kế mô mạch khuếch đại công suất Linh kiện RF Power GaN HEMT 218 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 CGH40006P có cơng suất mặc định nhà sản xuất W, đặc tính RF quan trọng linh kiện trình bày đây: - Dải tần hoạt động đến GHz; - Hệ số khuếch đại: 13dB @ GHz; 11dB @ GHz; - Công suất W Pin =32 dBm tần số trung tâm f0 = 2,0 GHz; - Nguồn nuôi 28 V Từ datasheet CGH40006P tần số 2,6 GHz ta đạt thông số trở kháng vào trở kháng linh kiện Theo đó, trở kháng vào có giá trị là: Zv = 4.9+4.1*j Zr = 26.5-23.8*j Bảng tổng hợp số thông số thiết kế mạch khuếch đại công suất nêu Lần lượt ta có giá trị Z1 = 27.768Ω Z2 = 8.564Ω Sử dụng công cụ LineCalc đạt mạch phối hợp trở kháng lối vào hình Hình Mạch PHTK lối vào Kết mơ tham số S mạch ADS2016 (hình 3) Bảng Thông số thiết kế Tần số trung tâm 2,6 GHz Độ rộng dải thông +/- 5% Trở kháng lối vào 50 Trở kháng lối 50 FR4 CGH40006P Phíp đồng thiết kế Transistor Trong báo sử dụng FR4 làm vật liệu thiết kế Các thông số chi tiết phíp đồng cung cấp bảng Theo đó, S11 đạt giá trị nhỏ, nhỏ 48dB tần số thiết kế 2,6 GHz Điều chứng tỏ mạch phối hợp trở kháng tốt Hơn nữa, hệ số S21 xấp xỉ dB, nghĩa lượng sóng siêu cao tần truyền qua mạch gần khơng có suy hao Bảng Các thơng số FR4 Các thơng số FR4 Giá trị Hằng số điện mơi 4.34 Hệ số tổn hao 0.0015 Độ dày vật liệu 1.6mm Độ dày lớp đồng dẫn điện 0.035 mm Hình Các tham số S 3.2 Mạch phối hợp trở kháng lối Từ đây, tác giả thực thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào cho mạch khuếch đại công suất 3.1 Mạch phối hợp trở kháng lối vào Từ giá trị trở kháng lối vào, giản đồ Smith, di chuyển đoạn dây chêm giá trị thực, ta đạt giá trị ZL = 4.75631 Ω Sử dụng giá trị phối hợp trở kháng theo phương pháp mở rộng dải thông Tương tự mạch phối hợp trở kháng lối vào, từ giá trị trở kháng lối CGH40006P giản đồ Smith di chuyển đoạn dây chêm để trở kháng ZL giá trị thực, áp dụng phương pháp đoạn dây chêm /4 cho phân đoạn mạch PHTK lối Theo ZL = 10,1916Ω, với N = ta đạt Z1 = 33.596 Ω Z2 = 15.1678 Ω Sử dụng cơng cụ LineCalc ta có mạch phối hợp trở kháng lối hình 219 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 KẾT LUẬN Hình Mạch PHTK lối Kết mô tham số S mạch PHTK lối ADS2016 hình Hình Các tham số S S11 hình đạt giá trị nhỏ 63dB S21 xấp xỉ dB Như mạch phối hợp trở kháng tốt suy hao lượng nhỏ Hình đưa sơ nguyên lý đầy đủ bao gồm mạch cấp nguồn thành phần phối hợp trở kháng mạch khuếch đại công suất thiết kế Một mạch khuếch đại công suất sử dụng CGH40006P hãng Cree chế tạo theo công nghệ GaN HEMT thiết kế mô phần mềm ADS2016 Phương pháp phối hợp trở kháng kiểu /4 kết hợp phương pháp thay đổi trở kháng đặc trưng để mở rộng băng thông mạch áp dụng Kết đạt mạch phối hợp trở kháng có hệ số phản xạ nhỏ  48 dB hệ số truyền đạt gần đạt dB Như mạch thiết kế phối hợp trở kháng có hệ số truyền đạt tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Abrie, Pieter L.D.2009 Design of RF and Microwave Amplifiers and Oscillators Artech House [2] David M.Pozar.2012 Microwave Engineering John Willey & Son, INC, 4rd Edition [3] Ivan Boshnakov, Anna Wood, Simon Taylor.2012 RF and microwave solid-state power amplifiers design is a speciality Reprinted from Proceedings of the Automated Radio Frequency and Microwave Measurement Society Conference, Oxfordshire, United Kingdom [4] Robert E Collin(2000), Foundations for Microwaves Engineering, IEEE Press, John Willey & Son, INC, 2nd Edition [5] Seyed Reza Motahari, Hamid Pahlevaninezhad, Dawood Shekari Beyragh 2010 Design and Implementation of a High Power S-Band Solid-State Pulsed Amplefier for LINAC Proceedings of International Symposium on Signals, Systems and Electronics (ISSSE2010), pp.1-4 Hình Sơ đồ nguyên lý đầy đủ 220 ... bao gồm mạch cấp nguồn thành phần phối hợp trở kháng mạch khuếch đại công suất thiết kế Một mạch khuếch đại công suất sử dụng CGH40006P hãng Cree chế tạo theo công nghệ GaN HEMT thiết kế mô phần... Các tham số S 3.2 Mạch phối hợp trở kháng lối Từ đây, tác giả thực thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào cho mạch khuếch đại công suất 3.1 Mạch phối hợp trở kháng lối vào Từ giá trị trở kháng... cơng suất mặc định nhà sản xuất W, đặc tính RF quan trọng linh kiện trình bày đây: - Dải tần hoạt động đến GHz; - Hệ số khuếch đại: 13dB @ GHz; 11dB @ GHz; - Công suất W Pin =32 dBm tần số trung