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!
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) BỘ 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 báo này, đề xuất thiết kế thử nghiệm mơ-đun khuếch đại tín hiệu hai đường ứng dụng hệ thống máy thu vô tuyến mạng thông tin di động 5G Bộ khuếch đại tín hiệu thiết kế bao gồm mạch khuếch đại hai đường chia công suất Wilkinson dB Kết đo mơ-đun khuếch đại tích hợp chia cơng suất đầu có độ khuếch đại xấp xỉ 18.2 dB tần số 2,6 GHz với hệ số tạp âm khoảng dB II Bộ chia công suất phần tử siêu cao tần thụ động khơng chứa ferrit dùng để chia tín hiệu sóng cao tần thành nhiều tín hiệu thành phần có cơng suất nhỏ Bộ chia cơng suất Wilkinson [7] chia hoạt động chế độ chia Bộ chia loại sử dụng kết hợp cấu trúc đường truyền với điện trở (là phần tử tiêu hao lượng) nên có tính chất: Cấu trúc mạng tổn hao có chứa phần tử tiêu hao lượng, Được phối hợp trở kháng tất cổng; Cách ly tốt cổng lối ra; Đối xứng lối vào lối Keywords- Khuếch đại tín hiệu, chia cơng suất Wilkinson, máy thu phát vô tuyến I GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, với nhu cầu ngày tăng người tiêu dùng truyền thông không dây băng rộng đa băng tần, việc nghiên cứu phát triển hệ thống thu phát vô tuyến lĩnh vực nghiên cứu quan tâm trọng Để đáp ứng yêu cầu này, cần có công nghệ tiên tiến, bao gồm sơ đồ điều chế mức cao, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) kỹ thuật MIMO, băng thơng kênh phải 100 MHz [1-4] Trong thiết kế RF front-end, thiết bị khuếch đại tín hiệu (RF Amplifiers) phần thiếu, đặc biệt máy thu phát vô tuyến [5-6] Trên sở nghiên cứu công nghệ mạch vi dải, báo đề xuất thiết kế mơ-đun khuếch đại tín hiệu hai đường ứng dụng hệ thống máy thu vô tuyến mạng thông tin di động 5G Bộ khuếch đại thiết kế có ưu điểm đồng thời cung cấp tín hiệu cho đường phát đường thu Kết đo mơ-đun khuếch đại tích hợp chia cơng suất đầu có độ khuếch đại xấp xỉ 18.2 dB tần số 2,6 GHz với hệ số tạp âm khoảng dB Phần lại báo tổ chức sau: phần II, miêu tả thiết kế mô chia công suất Wilkinson Trong phần III, mô tả thiết kế mô mạch khuếch đại băng rộng Phần IV cung cấp kết chế tạo đo lường thực tế mô-đun khuếch đại thiết kế Cuối cùng, kết luận báo phần V ISBN 978-604-80-7468-5 THIẾT KẾ BỘ CHIA CƠNG SUẤT WILKINSON Hình Sơ đồ chia công suất Wilkinson với cổng đầu Thông thường: R = 100Ω R0 = 50 Ω Công suất đầu cổng 1, nhỏ công suất đầu vào cổng 3dB 62 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Bảng I THAM SỐ CỦA BỘ CHIA CƠNG SUẤT WILKINSON Hình Cấu trúc mạch nguyên lý chia công suất Wilkinson 1:2 Tham số Kích thước (mm) W1 1,52 W2 0,9 L1 4,32 L2 L3 R1 6,7 R2 R3 Kết mô hệ số phản xạ chia công suất nhỏ -22 dB dải tần số 2,2 GHz đến 2,7 GHz độ cách ly đạt cổng 21 dB Suy hao chèn hai cổng đầu so với cổng đầu vào nhỏ 3,2 dB, cho thấy mô đạt kết tốt Hình Thiết kế mơ chia cơng suất Wilkinson ANSYS HFSS III THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI BĂNG RỘNG Sau hoàn thành thiết kế chia công suất dB, khối khuếch đại RF thiết kế, lựa chọn chip vi xử lý ADL5611 nhà sản xuất ANALOG DEVICES ADL5611 hoạt động dải tần từ 30 MHz đến GHz, cung cấp độ khuếch đại 22,2 dB, với tạp âm thấp 2,1 dB điểm cắt bậc (OIP3) cao 40,0 dBm Với ưu điểm này, mạch khuếch đại thiết kế đảm bảo cung cấp mức cơng suất đủ cho đường tín hiệu nội tạo tạo dao động Hình Kết mơ S11, S21, S23, S31 chia công suất Việc thiết kế mô chia công suất dB Wilkinson thực phần mềm mô trường điện từ tồn sóng ANSYS HFSS Hình Hình mơ tả cấu trúc thiết kế kết mô tham số S chia cơng suất dB Wilkinson Chi tiết kích thước chia công suất mô tả Bảng I Để cải thiện hệ số sóng phản xạ cổng đầu vào đầu ra, thiết kế đường vát cong sử dụng mối nối chạc chữ T tăng trở kháng cách ly chia công suất công nghệ vi dải, mức độ cách ly cổng đầu cải thiện phương pháp tối ưu hóa tham số S ISBN 978-604-80-7468-5 Hình Sơ đồ mơ mạch ngun lý khuếch đại ADL 5611 phần mềm ADS 2011 63 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thơng Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) Hình Kết đo độ khuếch đại tạp âm tần số 2,3GHz, 2,6 GHz 2,8GHz Hình Hình mơ tả kết đo hệ số khuếch đại tạp âm khuếch đại đề xuất máy phân tích tạp âm Agilent N8975A Kết đo thực tế cho thấy, mô-đun khuếch đại tích hợp chia cơng suất đầu có độ khuếch đại xấp xỉ 18,2 dB dải tần từ GHz đến GHz (bao gồm suy hao dây cáp, đầu đo SMA, môi trường đo) Hệ số tạp âm khuếch đại khoảng 5,7 đến dB, nguyên nhân phần ảnh hưởng phần tử mô-đun, phần khác khuếch đại chưa đặt hộp bảo vệ cách ly với môi trường đo Như vậy, khuếch đại thiết kế hoạt động ổn định, hệ số khuếch đại, tạp âm đạt u cầu đề ứng dụng tích hợp vào hệ thống thu phát vô tuyến 5G Hình Kết mơ tham số S tần số 2,630 GHz Kết mô tham số S khuếch đại ADL5611 Hình cho thấy độ lợi khuếch đại khoảng 20 dB phạm vị từ 200 MHz đến GHz Trong đó, tần số 2.63 GHz, độ khuếch đại đạt xấp xỉ 20.8 dB IV CHẾ TẠO VÀ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM Bộ chia công suất Wilkinson V Trong báo này, nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm mơ-đun khuếch đại tín hiệu hai đường tích hợp chia cơng suất Wilkinson Mơ-đun khuếch đại chế tạo có ưu điểm nhỏ gọn, độ khuếch đại cao dải tần rộng có khả ứng dụng hệ thống máy thu phát vô tuyến mạng thông tin di động 5G Khuếch đại ADL5611 Hình Hình ảnh mơ-đun khuếch đại tích hợp chia cơng suất chế tạo Mơ-đun khuếch đại tích hợp chia cơng suất chế tạo chất Taconic TLY bảng mạch thương mại với số điện môi 2,2, độ dày điện môi 0,508mm tổn hao tương đương 0,0022 Diện tích hiệu dụng mơ-đun 60 × 40 (mm2) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] Hình Kết nối mơ-đun khuếch đại tín hiệu với máy phân tích tạp âm Agilent N8975A ISBN 978-604-80-7468-5 KẾT LUẬN 64 Z.Q Yu, J.Y Zhou, J.N Zhao, T Zhao, and W Hong, “Design of a Broadband MIMO RF Transmitter for Nextgeneration Wireless Communication Systems,” Microwave Journal, vol 53, no 11, pp 22-26, Nov 2010 A Hashimoto, H Yoshino, and H Atarashi, “Roadmap of IMT-advanced development,” IEEE Microwave Magazine, vol 9, pp 80-88, 2008 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 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 Qizheng Gu, “RF System Design of Transceivers for Wireless Communications”, Nokia Mobile Phones 2005 Dean Banerjee, “PLL Performance, Simulation and Design Handbook”, Fourth edition CA: National Semiconductor, Sunnyvale, 2006 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) [7] Pozar D M, “Microwave engineering”, Fourth edidtion New York: John Wiley & Sons, 2009 ISBN 978-604-80-7468-5 65 ... mơ-đun khuếch đại tín hiệu hai đường tích hợp chia cơng suất Wilkinson Mơ-đun khuếch đại chế tạo có ưu điểm nhỏ gọn, độ khuếch đại cao dải tần rộng có khả ứng dụng hệ thống máy thu phát vô tuyến. .. định, hệ số khuếch đại, tạp âm đạt yêu cầu đề ứng dụng tích hợp vào hệ thống thu phát vơ tuyến 5G Hình Kết mơ tham số S tần số 2,630 GHz Kết mô tham số S khuếch đại ADL5611 Hình cho thấy độ lợi khuếch. .. Hình mơ tả kết đo hệ số khuếch đại tạp âm khuếch đại đề xuất máy phân tích tạp âm Agilent N8975A Kết đo thực tế cho thấy, mô-đun khuếch đại tích hợp chia cơng suất đầu có độ khuếch đại xấp xỉ 18,2