Thiết kế mạch khuếch đại công suất băng S ứng dụng cho hệ thống thông tin di động 5G

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.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT BĂNG S ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G Ngô Thị Lành1, Trần Văn Hội2 Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải Trường Đại học Thủy lợi, email: hoitv@tlu.edu.vn 1 GIỚI THIỆU CHUNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hiện hệ thống thông tin di động 5G quốc gia nghiên cứu triển khai thực tế Ở Việt Nam nhà mạng Viettel, Mobifone triển khai thử nghiệm thành công hệ thống di động 5G dải tần 2.6GHz với tốc độ lên đến 2,2Gbps [1] Mạch khuếch đại công suất siêu cao tần PA (power amplifier) thành phần thiếu trạm thu phát gốc vô tuyến Mạch khuếch đại công suất thực khuếch đại tín hiệu điều chế tần số cần phát lên mức công suất phù hợp để cung cấp cho anten phát Có nhiều nghiên cứu thiết kế, chế tạo khuếch đại công suất thực dải tần số khác [2], [3], 4] giải vấn đề khác như: tăng công suất, tăng hiệu suất mạch [2], khuếch đại băng thông rộng giảm méo xuyên điều chế [3] Để mở rộng băng thông mạch khuếch đại tăng cơng suất phát sử dụng phương pháp khác như: Sử dụng mạch khuếch đại nhiều tầng ghép nối tiếp [3]; sử dụng khuếch đại công suất song song kết hợp với chia/cộng công suất [4]; sử dụng đèn cơng suất lớn [1] Mục đích báo trình bày trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại công suất siêu cao tần làm việc băng tần S với dải tần 2.5 - 2.8GHz sử dụng đèn công suất lớn 130W Mạch khuếch đại cơng suất ứng dụng cho hệ thống thông tin di động 4G; 5G hệ thống thông tin vô tuyến dải tần 2.5-2.8GHz Nhóm tác giả sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu phân tích, tổng hợp lý thuyết phương pháp thực nghiệm khoa học để thiết kế tiến hành chế tạo, đo đạc thử nghiệm THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH PA 3.1 Thiết kế mạch PA Mạch khuếch đại công suất đơn tầng sử dụng transistor thể (hình 1), mạch phối hợp trở kháng đầu vào thực phối hợp trở kháng nguồn ZS với trở kháng vào Transistor; mạch phối hợp trở kháng thực phối hợp trở kháng transistor với trở kháng tải ZL Hình Sơ đồ mạch khuếch đại đơn tầng Để thiết kế khuếch đại cơng suất 130W, nhóm tác giả chọn đèn bán dẫn thích hợp PTFA261301F cung cấp infineon Technologies Đây đèn bán dẫn sử dụng công nghệ LDMOS FETs công suất tăng cường nhiệt với công suất đầu lớn 130W hoạt động tần số 2,6GHz, nguồn cấp 28V hiệu suất 47% Thông qua tham số tán xạ S đèn bán dẫn PTFA261301F thực kiểm tra tính ổn định mạch khuếch đại Bộ khuếch đại 257 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 phải ổn định phạm vi dải tần thiết kế Một phương pháp sử dụng để xác định độ ổn định PA kiểm tra tham số K  K  S11  S 22   S 21 S12 3.2 Kết mô thực nghiệm Sau mô mạch đạt tham số theo yêu cầu thiết kế, nhóm tác giả tiến hành chế tạo đo tham số mạch (1)   S11S22  S12S21 (2) Sử dụng phần mềm ADS (Advanced Design System) file tham số tán xạ fpta.s2p để mô hệ số ổn định K Kết mô tham số K thể hình Hình Mạch khuếch đại PA hoàn thiện Kết đo máy phân tích mạng Vector network analyzer 37369D kết mơ thể hình [5-9] Hình Hệ số ổn định K Từ hình cho thấy hệ số K > dải tần khuếch đại, điều chứng tỏ hệ số khuếch đại ổn định không điều kiện phạm vi dải tần hoạt động Để thực thiết kế mạch khuếch đại nhóm tác giả sử dụng phương pháp phối hợp trở kháng dải rộng dùng ghép đa đoạn dây /4 Với tham số đèn Z11 = 5.8 + 0.4*j Z22 = 1.4 – 3*j mạch thiết kế hồn chỉnh thể hình Hình Hệ số khuếch đại mạch S21 Kết mơ đo hình cho thấy hệ số khuếch đại mạch lớn 12,55 dB dải khuếch đại 2.5 - 2.7GHz Hệ số khuếch đại mô lớn đạt 14 dB tần số 2.65GHz so với kết đo 13.4dB tần số 2.625GHz Hình Sơ đồ nguyên lý mạch PA Hình Hệ số khuếch đại ngược (S12) 258 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 Kết hình cho thấy hệ số khuếch đại ngược S12 có giá trị nhỏ 21 dB dải tần công tác kết đo phù hợp với kết mô Hệ số phản xạ đầu thể hình cho kết đo có giá trị tương đối tốt có dạng tương đương với kết mô phỏng, nhiên giá trị phản xạ đầu nhỏ 11dB, đạt giá trị nhỏ 18.2 dB Kết đo cơng suất đầu hình cho thấy công suất đầu đạt 50.6dBm với đầu vào 39dBm Giá trị tương đương công suất mạch 130W KẾT LUẬN Hình Hệ số phản xạ đầu vào S11 Hệ số phản xạ đầu vào S11 hình cho thấy kết đo có giá trị nhỏ -10 dB dải tần công tác đạt giá trị nhỏ -25 dB tần số 2,62 GHz Bài báo trình bày trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo thử nghiệm mạch khuếch đại công suất băng S Kết đo cho thấy đặc tính kỹ thuật: hệ số khuếch đại lớn 13.4dB lớn 12.55dB dải tần 2.5GHz đến 2.7GHz; hệ số phản xạ đầu vào nhỏ 10dB, công suất đầu đạt 50.6dBm Mạch khuếch đại ứng dụng hệ thống thông tin di động 5G hoạt động băng tần 2.6Ghz TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Hệ số phản xạ đầu S22 [1] http://ictvietnam.vn/viet-nam-di-som-vatrien-khai-nhanh-5g-020050818335758.htm [2] Keigo N., Toshio I 2015 “A 2.4 GHzBand 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) Hình Cơng suất đầu mạch PA 259 ... cơng suất đầu đạt 50.6dBm Mạch khuếch đại ứng dụng hệ thống thông tin di động 5G hoạt động băng tần 2.6Ghz TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Hệ s? ?? phản xạ đầu S2 2 [1] http://ictvietnam.vn/viet-nam -di- som-vatrien-khai-nhanh -5g- 020050818335758.htm... nghiên cứu, thiết kế chế tạo thử nghiệm mạch khuếch đại công suất băng S Kết đo cho thấy đặc tính kỹ thuật: hệ s? ?? khuếch đại lớn 13.4dB lớn 12.55dB dải tần 2.5GHz đến 2.7GHz; hệ s? ?? phản xạ đầu... Với tham s? ?? đèn Z11 = 5.8 + 0.4*j Z22 = 1.4 – 3*j mạch thiết kế hồn chỉnh thể hình Hình Hệ s? ?? khuếch đại mạch S2 1 Kết mơ đo hình cho thấy hệ s? ?? khuếch đại mạch lớn 12,55 dB dải khuếch đại 2.5