Đồ thị bức xạ của anten mô tả sự phân bố công suất bức xạ của nó trong không gian, được mô tả trong không gian ba chiều 3D thường theo thang dB, không phụ thuộc vào khoảng cách từ ăng-te
Ăng-ten
Khái niệm
- Ăng-ten là một thiết bị thụ động đóng vai trò chuyển tiếp giữa dạng sóng điện từ bị ràng buộc bởi hình dạng đường truyền dẫn (ví dụ: cáp đồng trục, ống dẫn sóng) và không gian Mỗi anten có thể được sử dụng ở chế độ phát hoặc thu Ở chế độ phát, các tín hiệu từ bộ phát RF (tức là nguồn) được truyền tới anten được bức xạ vào không gian dưới dạng sóng điện từ Anten hoạt động ở chế độ thu chuyển đổi bức xạ điện từ trong không gian thành dòng điện trong mạch thu Có thể sử dụng cùng một anten trong cả chế độ phát và thu Nhiều đặc tính của anten giống nhau ở cả chế độ phát và thu Tính chất này được gọi là tính tương hỗ của anten.
Nguyên lý hoạt động
Sóng điện từ phát ra từ ăng-ten bao gồm trường cảm ứng từ (năng lượng dự trữ) và trường bức xạ Mỗi loại trường có đặc tính khác nhau tùy theo khoảng cách từ ăng-ten và bước sóng làm việc Xung quanh ăng-ten phát, dựa trên tính chất của các trường này, người ta chia thành hai vùng chính:
+ Vùng trường gần: trong vùng lân cận của anten, có khoảng cách xấp xỉ 2D 2 /𝜆, trong đó 𝐷 là kích thước tuyến tính tối đa của anten và 𝜆 là bước sóng Trong vùng này các trường chủ yếu thụ động và lệch pha, do đó không có năng lượng nào bị bức xạ
+ Vùng trường xa: ở khoảng cách lớn hơn 2D 2 /𝜆, trong đó trường bức xạ chiếm ưu thế, điện trường và từ trường cùng pha và vuông góc với nhau
Ranh giới giữa các vùng trường gần không rõ nét, thỉnh thoảng có sự xuất hiện của vùng thứ ba gọi là vùng trường bức xạ gần, tại đó các trường ít thụ động hơn và một phần năng lượng được bức xạ.
Các thông số cơ bản của Ăng-ten
1.3.1 Đồ thị bức xạ (mẫu bức xạ)
- Ăng-ten thực không bức xạ đồng đều theo mọi hướng mà thường tập trung về một hướng (hoặc nhiều hướng) nhất định Đồ thị bức xạ của anten mô tả sự phân bố công suất bức xạ của nó trong không gian, được mô tả trong không gian ba chiều (3D) (thường theo thang dB), không phụ thuộc vào khoảng cách từ ăng-ten và xác định hiệu năng định hướng của anten Đồ thị bức xạ thường
+ Mặt phẳng E chứa điện trường và hướng của bức xạ cực đại
+ Mặt phẳng H chứa từ trường và hướng của bức xạ cực đại
- Đồ thị bức xạ được phân loại thành ba loại chính:
+ Dạng bức xạ đẳng hướng: công suất như nhau theo mọi hướng + Dạng bức xạ đa hướng: bao gồm một dạng đồng nhất trong một mặt phẳng (thường là mặt phẳng nằm ngang)
+ Dạng bức xạ định hướng: gồm một búp chính dọc theo trục chính của anten
- Hình 1.1 cho thấy hai ví dụ về đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E + Hình 1.1a: Đồ thị bức xạ có hướng với một chùm tia chính và hai chùm tia phụ
+ Hình 1.1b: Đồ thị bức xạ hai hướng với hai chùm tia chính
- Các búp được phân loại là búp chính và búp phụ Búp chính của an ten là chùm xung quanh hướng bức xạ hoặc thu cực đại Các búp phụ (các búp cạnh hoặc búp ngược) là các chùm không mong muốn nhỏ hơn Mức búp cạnh là một thông số quan trọng được sử dụng để mô tả đặc tính của đồ thị bức xạ
Hình 1.1 Các ví dụ 2D về đồ thị bức xạ (a) có hướng và (b) hai hướng (mặt phẳng E)
- Hệ số định hướng là thước đo mức độ tập trung năng lượng bức xạ của anten theo một hướng nhất định so với anten đẳng hướng
- Hệ số định hướng D(θ, φ) được tính bằng tỷ số giữa cường độ bức xạ của anten theo hướng (θ, φ) và cường độ bức xạ của anten đẳng hướng:
+ I(θ, φ): Cường độ bức xạ của anten theo hướng (θ, φ)
+ I(0, 0): Cường độ bức xạ của anten đẳng hướng
+ Hệ số định hướng có giá trị dương và không có đơn vị
+ Giá trị D(θ, φ) càng lớn, năng lượng bức xạ của anten tập trung càng cao theo hướng (θ, φ)
+ Hệ số định hướng Dmax là giá trị cực đại của D(θ, φ), thể hiện mức độ tập trung năng lượng bức xạ cao nhất của anten
- Công suất trung bình ở đầu vào của ăng-ten (được biểu thị là công suất tới) được tính bằng tổng công suất bức xạ 𝑃 𝑟𝑎𝑑 và tổng của tất cả các công suất suy hao trong ăng-ten 𝑃 𝑙𝑜𝑠𝑠 :
- Hiệu suất làm việc của anten được định nghĩa là tỷ số giữa công suất bức xạ và công suất đầu vào:
- Suy hao của ăng ten bao gồm suy hao điện môi, suy hao truyền dẫn, và suy hao phản xạ Suy hao điện môi và điện dẫn dẫn đến sự tiêu tán một phần công suất tđầu vào Suy hao phản xạ là do trở kháng không phù hợp giữa anten và đường cấp nguồn của nó
Hệ số khuếch đại G(𝜃, 𝜑) là đại lượng tương tự như hệ số định hướng nhưng liên quan đến công suất đầu vào thay vì công suất bức xạ Do đó, G(𝜃, 𝜑) ≤ D(𝜃, 𝜑) Trong khi hệ số định hướng chỉ phản ánh khả năng tập trung năng lượng tín hiệu của ăng-ten, thì hệ số khuếch đại còn phụ thuộc vào cả hệ số định hướng và hiệu suất ăng-ten Hệ số khuếch đại thường được biểu diễn trên thang logarit, so với ăng-ten vô hướng (dBi) hoặc ăng-ten chấn tử (dBd).
Hệ số khuếch đại của ăng-ten có công dụng cho cả chế độ phát lẫn chế độ thu Tuy nhiên, người ta thường dùng diện tích hiệu dụng Ae để mô tả đặc tính của ăng-ten thu Diện tích hiệu dụng được định nghĩa là tỷ số giữa thông lượng công suất đến ăng-ten so với công suất được phân phối tới tải phù hợp Hệ số khuếch đại và diện tích hiệu dụng của ăng-ten liên quan với nhau theo công thức:
1.3.6 Trở kháng vào và điện trở bức xạ
- Trở kháng của anten được định nghĩa là trở kháng nhìn thấy ở các cực của nó, được xác định theo:
Điện trở bức xạ (Rr) biểu thị phần công suất đầu vào có ích (cơ chế bức xạ), còn điện trở tổn hao (Rloss) biểu thị phần công suất bị suy hao của ăng-ten.
- Để tránh phản xạ công suất từ máy phát qua đường truyền, trở kháng đầu vào của anten phải bằng trở kháng đặc trưng của đường truyền Trong thực tế, rất khó để đạt được sự phối hợp trở kháng hoàn hảo cho toàn bộ băng thông hoạt động và một lượng công suất nhất định bị phản xạ Công suất phản xạ được đo bằng tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR), được xác định duy nhất bởi độ lớn của hệ số phản xạ
- Nếu phối hợp trở kháng không tốt, chỉ một phần nhỏ công suất đầu vào được phát/thu bởi anten
- Độ rộng búp sóng của anten mô tả độ rộng góc của búp chính của nó, được định nghĩa là độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW) hoặc độ rộng búp sóng không thứ nhất (FNBW) Các ranh giới của HPBW là các góc tại đó cường độ bức xạ bằng một nửa giá trị cực đại của nó và FNBW là góc giữa hai giá trị không ở hai bên của búp chính (hình 1.2)
Hình 1.2 Độ rộng búp sóng của anten
Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA)
Khái niệm và nguyên lý làm việc
- Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) thường là tầng hoạt động đầu tiên ở mặt trước của máy thu RF đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hệ số tạp âm tổng thể của máy thu Chức năng chính của nó là khuếch đại tín hiệu RF nhận được mà không tạo ra tạp âm quá mức Nó phải có mức khuếch đại đủ lớn để ảnh hưởng của tạp âm được thêm vào bởi các tầng tiếp theo được giảm đáng kể
- Thách thức chính trong thiết kế của LNA là yêu cầu đồng thời về độ khuếch đại cao (khoảng 15 dB), độ ổn định vô điều kiện, hệ số tạp âm thấp (dưới 2 dB), phối hợp trở kháng tốt ở đầu vào và đầu ra, độ tuyến tính cao và mức tiêu thụ công suất thấp (10 mW) Các yêu cầu này phụ thuộc lẫn nhau và thường mâu thuẫn với nhau
- Một LNA bao gồm một bộ khuếch đại bóng bán dẫn, các mạng phối hợp đầu vào và đầu ra (MN), nguồn điện và tải LNA hoạt động ở loại A, thường khoảng 20% khả năng dòng điện và điện áp tối đa của thiết bị đang hoạt động Bước quan trọng nhất trong thiết kế LNA là lựa chọn thiết bị tích cực, ví dụ MOSFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại) trong các LNA CMOS Bóng bán dẫn phải có đặc tính tạp âm tốt và giá trị S21 cao ở tần số hoạt động
- Nỗ lực cải thiện hiệu năng tạp âm của máy thu RF đã được dành cho công nghệ GaAs và BJT (Bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực) trong một thời gian dài Gần đây đã có nhiều công việc phát triển LNA dựa trên công nghệ CMOS, như một giải pháp thay thế chi phí thấp đầy hứa hẹn với tất cả các ưu điểm mà công nghệ này mang lại Nói chung, FET (Bóng bán dẫn hiệu ứng trường) cho phép cân bằng tốt hơn giữa độ tuyến tính cao và tạp âm thấp so với BJT.
Tạp âm của mạng hai cổng (cách tiếp cận cổ điển)
- Tạp âm của một mạng hai cổng thực được mô hình hóa bằng một mạng không tạp âm với hai nguồn tạp âm đầu vào, như được mô tả trong hình 2.1 Các nguồn tạp âm nói chung là tương quan
Hình 2.1 Mô hình tạp âm tham chếu đầu vào trong phân tích tạp âm cổ điển
- Hệ số tạp âm của mạng hai cổng được định nghĩa là:
- Nó thường được đánh giá ở nhiệt độ 𝑇 0 = 290 O , tức là nhiễu đầu vào bằng k𝑇 0 B, trong đó K là hằng số Boltzman và B là băng thông
- Có thể chỉ ra rằng hệ số tạp âm của mạng hai cổng phụ thuộc vào trở kháng nguồn Điều này là do thực tế là cả hai bộ tạo tạp âm tương đương và điện áp tương đương đều tồn tại ở đầu vào của mô hình hai cổng tương đương (Hình 2.1) Nói chung, trong trường hợp điện áp chiếm ưu thế trở kháng cao thì tốt hơn và trong trường hợp dòng điện chiếm ưu thế trở kháng thấp sẽ dẫn đến hệ số tạp âm thấp hơn
- Đối với trở kháng nguồn 𝑍 𝑠 cho trước, có một tỷ số tối ưu của
𝑛 và đối với mạng hai cổng có trở kháng nguồn tối ưu 𝑍𝑠,𝑜𝑝𝑡, hệ số tạp âm sẽ là tối thiểu, 𝐹𝑚𝑖𝑛 𝐹𝑚𝑖𝑛 có được khi thiết bị được kết nối với mạng phối hợp trở kháng để biến đổi trở kháng nguồn (thường là 50Ω) thành 𝑍𝑠,𝑜𝑝𝑡 Bảng dữ liệu
Biểu đồ MOSFET xác định các đường cong của Zs,opt và Fmin dưới dạng hàm của tần số Ở tần số thấp, Fmin được ngoại suy với mạng phối hợp trở kháng không thêm suy hao Trong trường hợp Zs ≠ Zs,opt thì F > Fmin.
- Để có được hệ số tạp âm tối thiểu và trở kháng nguồn tối ưu, ta sử dụng phương trình (7) để tìm hệ số tạp âm của mạng hai cổng Phương trình này có thể được viết lại như sau:
(7) trong đó 𝑖𝑛𝑠 là dòng tạp âm của nguồn, 𝐺𝑠 là độ điện dẫn của nguồn và 𝑌𝑠 = 1/𝑍𝑠 là độ dẫn nạp của nguồn Vì nói chung 𝑖𝑛 và
𝑣𝑛 có thể tương quan với nhau ở một mức độ nhất định (như hình bên dưới đối với MOSFET), nên ta có thể chia in thành phần không tương quan 𝑖𝑢 và phần tương quan 𝑖𝑐: Định nghĩa 𝑌𝑐 là độ dẫn nạp tương quan sao cho 𝑖𝑐 = 𝑌𝑐 𝑣𝑛, ta có
Từ phương trình (8), ta có thể tìm thấy các giá trị tối ưu của độ điện dẫn nguồn 𝐺𝑠 và độ nhạy 𝐵𝑠, để cực tiểu hóa hệ số tạp âm:
- Giá trị nhỏ nhất tương ứng của 𝐹 được xác định bởi:
(10) và giá trị của 𝐹 cho bất kỳ với 𝑌𝑠 ≠ 𝑌𝑠,𝑜𝑝𝑡 là:
- Do đó, công suất nguồn tối ưu để cực tiểu hệ số tạp âm là 𝑌𝑠 𝑌𝑠,𝑜𝑝𝑡 , khác với yêu cầu phối hợp cần thiết để truyền công suất tối đa Cách tiếp cận này dành cho bóng bán dẫn được giới thiệu với các giá trị 𝐺𝑐, 𝑅𝑛, 𝐺𝑢 đã cho Từ bảng dữ liệu, có thể tìm thấy điện trở nguồn và điểm thiên vị mang lại 𝐹𝑚𝑖𝑛.
Cấu hình LNA
2.3.1 Điện trở Shunt tại đầu vào – điện trở kết cuối
- Trong kiến trúc này, một điện trở thuần R, bằng Rsig (hoặc trở kháng đặc trưng Z0 của kết nối TL LNA) được kết nối với cổng của bộ khuếch đại nguồn chung (CS), như trong Hình 2.2 Cấu hình này cung cấp kết hợp băng thông rộng, nhưng rõ ràng hệ số tạp âm trong trường hợp này sẽ cao hơn 𝐹𝑚𝑖𝑛, vì 𝑅 ≠ 𝑍𝑠,𝑜𝑝𝑡 và R thêm tạp âm của chính nó Có thể chỉ ra rằng hệ số tạp âm của LNA trong kiến trúc này được xác định theo:
(12) trong đó 𝛼 = 𝑔𝑚/𝑔𝑑𝑜, thường 𝛼 ≈ 1 Sử dụng các giá trị bảo toàn của 𝛾 ≈ 1, 𝛼 ≈ 1, ta nhận được 𝐹 = 9 (8 dB) cao hơn nhiều so với 𝐹𝑚𝑖𝑛 của MOSFET (𝐹𝑚𝑖𝑛 = 0,5 − 1,0) dB
Hình 2.2 LNA với kết cuối điện trở
2.3.2 Shunt – hồi tiếp nối tiếp
Kiến trúc này cung cấp tính phối hợp liên hợp băng rộng Khi sử dụng điện trở hồi tiếp nối tiếp, điện trở đầu vào được giảm xuống giá trị mong muốn Tuy nhiên, điện trở hồi tiếp cao hơn dẫn tới dòng tạp âm thấp hơn, cải thiện hiệu năng so với LNA có kết thúc điện trở Mặc dù vậy, việc bổ sung điện trở sẽ tạo ra tạp âm bổ sung.
(13) Bằng cách chọn các giá trị thích hợp của 𝑅𝐹, R1 và gm, có thể giảm hệ số tạp âm
Hình 2.3 LNA có shunt hồi tiếp nối tiếp
- Một phương pháp khác để đạt được trở kháng đầu vào có điện trở thấp là sử dụng cấu hình cổng chung (CG) Bộ khuếch đại CG có điện trở đầu vào thấp (nhìn từ phía nguồn của bóng bán dẫn) được xác định là 1/𝑔𝑚 Vì vậy, với sự lựa chọn thích hợp của dòng định thiên, ta có thể thu được giá trị 𝑍𝑖𝑛 yêu cầu, ví dụ 50Ω Hệ số tạp âm trong trường hợp này cũng cao (𝐹 > 3) so với 𝐹𝑚𝑖𝑛 của thiết bị Hình 2.4 cho thấy một mạch LNA dựa trên cấu hình CG Hệ số tạp âm của mạch này là:
(14) Phương trình (14) cho thấy rằng tăng khuếch đại (𝑔𝑚) làm giảm hệ số tạp âm Tuy nhiên, 𝑔𝑚 không thể tăng tùy ý, vì nó quyết định phối hợp trở kháng đầu vào Lấy 𝛾 ≈ 1, 𝛼 ≈ 1 hệ số tạp âm sẽ cao hơn 3dB Đây là một ước tính khá thận trọng vì đã bỏ qua cả tạp âm cổng và sự đóng góp của tạp âm Flicker Mặc dù không có điện trở nào được thêm vào mạch này, nhưng hệ số tạp âm vẫn cao Điều này có thể là do thực tế là trong các bộ khuếch đại CG, đường dẫn tín hiệu đi qua điện trở tạp âm của điện trở kênh của bóng bán dẫn
Hình 2.4 LNA dựa trên cấu hình cổng chung
2.3.4 CS với suy giảm nguồn cảm biến
- Chúng ta hãy xem xét một bộ khuếch đại nguồn phổ biến suy biến bởi một cuộn cảm và mô hình tín hiệu nhỏ của nó, như trong hình 2.5
Hình 2.5 Suy giảm nguồn cảm biến và mô hình tín hiệu nhỏ của nó
Dễ dàng chỉ ra rằng trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại này được cho bởi:
Nối cuộn cảm L với nguồn MOSFET sẽ thêm phần tử điện trở 𝑔𝑚𝐿𝑠/𝐶g𝑠 vào trở kháng đầu vào Tại cộng hưởng của 𝐶g𝑠 và 𝐿𝑠, các thành phần thụ động bị triệt tiêu, trở kháng đầu vào 𝑍𝑖𝑛 là thuần trở và bằng 𝑔𝑚𝐿𝑠/𝐶g𝑠, với 𝜔𝑇 là tần số khuếch đại dòng đơn vị của bóng bán dẫn.
Cgs+Cgd và vì 𝐶g𝑠> 𝐶gd, có thể xấp xỉ 𝜔𝑇 ≈ 𝑔𝑚/ 𝐶g𝑠
- Giá trị của cuộn cảm L s được chọn để đạt được điều kiện phối hợp trở kháng, nghĩa là 𝜔𝑇𝐿𝑠 = 𝑅𝑠𝑖g Ta cần một mức độ tự do khác để có được 𝑍𝑖𝑛 = 𝑅𝑠𝑖g và tần số cộng hưởng ở tần số hoạt động Điều này có thể đạt được bằng cách thêm một cuộn cảm 𝐿g khác ở đầu vào (nối tiếp với cổng của bóng bán dẫn) sao cho:
Do đó, 𝐿𝑠 được chọn để cung cấp trở kháng đầu vào mong muốn và 𝐿g được chọn cho tần số cộng hưởng mong muốn
- Mạch cộng hưởng nối tiếp ở đầu vào LNA dẫn đến độ dẫn điện hiệu quả cao hơn Vì khi cộng hưởng, điện áp trên tụ điện (và cuộn cảm) bằng 𝑄𝑖𝑛 nhân với điện áp đầu vào, nghĩa là 𝑉g𝑠 = 𝑄𝑖𝑛𝑉𝑖𝑛, độ dẫn điện hiệu dụng là 𝐺𝑚 = 𝑄𝑖𝑛𝑔𝑚, trong đó 𝑄𝑖𝑛 là hệ số chất lượng của mạch cộng hưởng (nối tiếp) tại đầu vào LNA được xác định theo:
Sử dụng điều kiện phối hợp trở kháng 𝜔 𝑇 𝐿 𝑠 = 𝑅 𝑠𝑖g , ta nhận được:
- Phương trình (18) hàm ý rằng 𝐺𝑚 xấp xỉ độc lập với 𝑔𝑚
- Là một hệ thống cộng hưởng, phương pháp này cung cấp LNA băng thông hẹp, được mong muốn trong nhiều trường hợp Có một số kỹ thuật để mở rộng băng thông phù hợp
Có tính đến điện trở đầu ra của bóng bán dẫn, trở kháng đầu vào ở
(16) sẽ được xác định theo:
Phương trình (18) mô tả sự ảnh hưởng của trở kháng tải (ZL) đến trở kháng đầu vào Khi điện trở ra của bóng bán dẫn (r0) nhỏ, nó có thể dẫn đến sự mất phối hợp trở kháng đầu vào, gây thay đổi tần số cộng hưởng.
2.3.5 Hiệu năng tạp âm của LNA
- Trong kiến trúc LNA này, các thành phần thụ động được thêm vào MOSFET Nếu các thành phần này không bị tổn hao thì 𝐹𝑚𝑖𝑛 của bóng bán dẫn sẽ không bị ảnh hưởng Ngược lại với sự suy giảm điện trở, sự suy giảm cảm ứng không ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu năng tạp âm, vì thành phần điện trở trong phương trình (16) không có tạp âm liên quan Do đó, tác dụng của cuộn cảm nguồn được thêm vào chỉ đơn thuần là xoay điện trở đầu vào gần hơn với 𝑍𝑠,𝑜𝑝𝑡, điều này có thể giúp thu được cả 𝐹𝑚𝑖𝑛 và suy hao phản hồi nhỏ.
- Nếu dùng tải cộng hưởng (𝑍𝐿 lớn lúc cộng hưởng) điện trở đầu vào (phần 𝑍𝑖𝑛 thực) sẽ bị giảm Tải cuộn cảm 𝐿𝐷 (tải cộng hưởng) tối đa hóa khuếch đại bằng cách cung cấp dòng điện định thiên DC lớn mà không bị sụt áp 𝐶𝐿 giúp làm đầy các điện dung ký sinh MOSFET.
- Bên cạnh hệ số tạp âm thấp, cấu hình này cung cấp hệ số khuếch đại cao, độ ổn định tốt, mức tiêu thụ năng lượng thấp và tính tuyến tính tốt Cấu hình cascode cũng cải thiện khả năng cách ly ngược của LNA
- Ở tần số cao, cuộn cảm nguồn có thể được thực hiện bằng một đường vi dải nhỏ, được kết nối trực tiếp với nguồn của MOSFET Một đường vi dải có trở kháng đặc trưng 50Ω, điện kháng khoảng 10Ω, và chiều dài 2 mm có thể là một thiết kế phù hợp.
Các bộ lọc
Thiết kế bộ lọc
- Thách thức trong thiết kế bộ lọc nằm ở sự đánh đổi giữa nhiều yêu cầu khác nhau, chẳng hạn như suy hao chèn băng thông thấp, suy hao phản hồi băng thông thấp, mức độ gợn sóng thấp, khả năng xử lý công suất cao, độ chọn lọc cao, tần số cắt được chỉ định và trễ nhóm không đổi Đối với các tần số thấp đến vài GHz, có hai phương pháp để tổng hợp các bộ lọc thụ động: phương pháp tham số ảnh và phương pháp suy hao chèn
- Phương pháp tham số ảnh dựa trên phân tầng các phần đơn giản (mạng hai cổng) để thu được các đặc tính mong muốn của LPF, BPF, v.v Đây là một phương pháp hiệu quả và là một phương pháp thiết kế tương đối đơn giản, nhưng chỉ phù hợp với các thiết kế bộ lọc đơn giản Nhược điểm chính của nó nằm ở chỗ thiết kế không dựa trên đáp ứng tần số mong muốn để tối ưu hóa đáp ứng tần số của nó đạt được thông qua các lần lặp
- Phương pháp suy hao chèn dựa trên kỹ thuật tổng hợp mạng Nó cho phép tổng hợp đáp ứng tần số mong muốn chính xác và mang lại các thành phần gộp cần thiết để thực hiện Phương pháp này được sử dụng rộng rãi (với các công cụ mô phỏng) do tính linh hoạt và độ chính xác tương đối cao Trong phương pháp này, một nguyên mẫu LPF chuẩn hóa của đáp ứng tần số mong muốn được thiết kế đầu tiên Giá trị của các thành phần trong nguyên mẫu này có thể thu được bằng cách tính toán hoặc lấy từ tài liệu được lập bảng Các giá trị này sau đó không được chuẩn hóa thành tần số và trở kháng mong muốn bằng cách thay đổi tỷ lệ tần số và biến đổi trở kháng thành mức trở kháng của dải tần số giới hạn được chỉ định Bước tiếp theo là chuyển đổi từ LPF sang loại bộ lọc mong muốn (HP, BP hoặc BS) Sử dụng các phép biến đổi bổ sung (chẳng hạn như phép biến đổi của Richard và các đặc tính của Kuroda), có thể thu được các dạng triển khai khác, chẳng hạn như các đoạn vi dải và đường truyền, dựa trên sự tương đương của các đoạn đường truyền ngắn với điện cảm hoặc điện dung.
Các loại bộ lọc
- Bộ lọc chọn trước là bộ lọc thông dải thụ động Q cao được đặt ở đầu vào của máy thu bên cạnh anten Nó xác định băng thông phía trước máy thu được giới hạn trong băng tần bao phủ tất cả các tín hiệu mong muốn và lọc ra tất cả các tín hiệu gây nhiễu mà anten nhận được Nó cung cấp độ chọn lọc bổ sung tương đối nhỏ, trong khi độ chọn lọc máy thu tổng thể chủ yếu được cung cấp bởi bộ lọc IF Bộ lọc chọn trước phải có suy hao chèn nhỏ để giảm thiểu hệ số tạp âm của nó
- Bộ ghép song công là một bộ lọc (hoặc tổ hợp các bộ lọc) cho phép máy phát và máy thu hoạt động trên một anten duy nhất trong máy thu phát FDD Mục đích của nó là để ngăn tín hiệu phát công suất cao chặn đầu vào máy thu Tín hiệu phát và thu nằm trên các dải tần số khác nhau và phải cách nhau đủ xa để bộ ghép song công có thể hoạt động bình thường Một bộ ghép song công cũng có thể được sử dụng để phát (hoặc thu) một số tín hiệu chiếm các băng tần khác nhau bằng cách sử dụng cùng một anten Bộ ghép song công dựa trên các mạch cộng hưởng được điều chỉnh sắc nét để cung cấp mức độ cách ly cao giữa phát và thu tín hiệu Bộ ghép song công có thể bao gồm sự kết hợp của các bộ lọc, thường là bộ lọc Butterworth, chẳng hạn như LPF- HPF hoặc BPF-BSF
Bộ lọc trung tần (IF), nằm sau bộ trộn đầu tiên, đóng vai trò quan trọng trong khả năng chọn lọc của máy thu Bộ lọc IF thường là bộ lọc thông dải hoặc bộ lọc thông thấp, giúp tách biệt tín hiệu băng hẹp mong muốn khỏi các kênh khác, nhiễu ngoài dải và nhiễu phi tuyến từ bộ trộn.
Bộ lọc IF có tần số trung tâm có thể thay đổi được rất cần thiết trong một số ứng dụng nhất định, vì chúng cho phép người dùng linh hoạt lựa chọn các kênh được trích xuất, đáp ứng các yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.
3.3 Các công nghệ bộ lọc
- Bộ lọc tinh thể (hoặc thạch anh) là bộ lọc chất lượng rất cao, do tần số cộng hưởng cực kỳ ổn định và giá trị cao của hệ số chất lượng
Q Tinh thể thạch anh là thiết bị cơ điện, dựa trên áp điện với tần số cộng hưởng (cơ học) chính xác và ổn định Chúng thể hiện các giá trị rất cao của yếu tố chất lượng, Q
- Bộ lọc dựa trên tinh thể thạch anh được giới thiệu vào năm 1922, trong đó một tinh thể duy nhất được sử dụng dẫn đến băng thông rất hẹp Sau đó, các bộ lọc đa tinh thể trong cấu hình bậc thang và mạng được đề xuất để sử dụng trong các hệ thống FDM (phân chia tần số-ghép kênh) Chúng được sử dụng làm bộ lọc thông dải và chặn dải Do các đặc tính Q cao của chúng, chúng cho phép thực hiện các bộ lọc có tính chọn lọc cao, đó là băng thông hẹp với độ cuộn dốc mạnh trong dải chuyển tiếp
- Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin liên lạc, đặc biệt là bộ lọc RF thông dải trong các máy thu hiệu suất cao Chúng có chi phí thấp, kích thước nhỏ và có thể được triển khai trong dải tần từ âm thanh đến VHF Bộ lọc tinh thể có nhiệt độ rất tốt và ổn định lâu dài
3.3.2 Bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW)
Bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW) là thiết bị được chế tạo dựa trên hiệu ứng áp điện của tinh thể áp điện Tinh thể này có khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành sóng âm và ngược lại Bộ lọc SAW được tạo ra bằng cách in hai đầu dò số (IDT) lên đế áp điện, với các điện cực kim loại xen kẽ gọi là ngón tay Tín hiệu RF đầu vào được truyền vào bộ lọc qua IDT đầu vào, tạo ra sóng âm truyền dọc theo bề mặt chất nền đến IDT đầu ra, nơi tín hiệu được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu RF Quá trình này tạo ra sóng dừng với hệ số chất lượng rất cao, dẫn đến các bộ lọc có tính chọn lọc cao.
Hình dạng IDT quyết định tần số trung tâm của bộ lọc Bộ lọc SAW có độ chọn lọc cao, suy hao chèn thấp và băng thông nhỏ Tuy nhiên, chúng có phản ứng pha phân tán và nhạy cảm với rung động bên ngoài Bù lại, bộ lọc SAW dễ sản xuất hàng loạt với chi phí thấp nhờ có thể chế tạo nhiều bộ lọc trên một tấm mỏng Đầu dò SAW tương tự bộ cộng hưởng thạch anh với trở kháng cộng hưởng đặc trưng Bộ lọc thông dải có thể thiết kế bằng cách sắp xếp tầng các bộ cộng hưởng này.
- Bộ lọc SAW được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động cũng như nhiều ứng dụng vô tuyến khác, dựa trên GSM, WiFi, Bluetooth, LTE và các tiêu chuẩn khác Chúng được sử dụng làm bộ lọc RF và bộ lọc IF trong máy thu RF và bộ song công, lý tưởng nhất là phải có suy hao chèn thấp, độ chọn lọc cao và kích thước rất nhỏ Mặc dù các bộ lọc gốm và dải có suy hao chèn thấp thường được sử dụng trong điện thoại di động, các bộ lọc SAW thu nhỏ được ưu tiên sử dụng trong các thiết bị cầm tay nhỏ gọn.
Bộ khuếch đại công suất
Các loại bộ khuếch đại
- Các bộ khuếch đại nói chung có thể được chia thành hai loại: các bộ khuếch đại tuyến tính cao và các bộ khuếch đại hiệu suất cao (phi tuyến tính) Trong các PA tuyến tính, thiết bị tích cực hoạt động như một nguồn dòng điện, biên độ và pha của tín hiệu (do đó hình dạng của tín hiệu) được giữ nguyên Trong các PA phi tuyến tính, bóng bán dẫn hoạt động như một công tắc và thông tin về biên độ và pha của tín hiệu không được bảo toàn Các lớp A, B, AB và
Bộ khuếch đại công suất tuyến tính là mạch Class C Đặc tính nổi bật của chúng chính là góc dẫn, tức là khoảng thời gian bóng bán dẫn ở trạng thái BẬT trong một chu kỳ.
- Bộ khuếch đại loại A, cấu hình tuyến tính nhất, có góc dẫn 360°, để bóng bán dẫn điều khiển dẫn dòng điện cho toàn bộ chu kỳ đầu vào Ở lớp B, góc dẫn là 180° và ở lớp AB, góc dẫn nằm trong khoảng từ 180°đến 360° Trong lớp C, góc nằm trong khoảng từ 0° đến 180°
- Ngoài ra còn có vô số bộ khuếch đại RF phi tuyến (loại chuyển mạch), chẳng hạn như Lớp D, E và F Hiệu suất của các PA chuyển đổi có thể đạt tới 100% Các loại PA này chủ yếu phù hợp cho các ứng dụng vệ tinh yêu cầu mức năng lượng cao
- Trong phần này sẽ tập trung vào các PA tuyến tính, thường được sử dụng trong các ứng dụng thông tin di động không dây, đặc biệt khi sử dụng điều chế đường bao không đổi và tín hiệu đa sóng mang
- Bộ khuếch đại loại A là bộ khuếch đại công suất phổ biến nhất Trong cấu hình này:
+ Bóng bán dẫn dẫn động luôn được dẫn ở trạng thái (“ON”), do đó góc dẫn là 360°
+ Tín hiệu đầu ra là một bản sao đúng của tín hiệu đầu vào
- Độ tuyến tính cao đi kèm với việc hy sinh hiệu suất công suất Độ lệch DC (điểm tĩnh) được đặt ở tâm của đường tải, sao cho đạt được sự dao động dòng điện và điện áp tối đa mà không bị méo Độ lệch
DC cao dẫn đến tổn hao điện năng cao, ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào Nếu tín hiệu RF đầu vào có tỷ số công suất đỉnh trên trung bình cao (trường hợp này xảy ra trong hầu hết các sơ đồ điều chế hiện đại), thì thiết bị sẽ làm tiêu hao hầu hết nguồn điện một chiều được cung cấp Do đó, nói chung, bộ khuếch đại loại A có hiệu suất rất kém
- Có thể chỉ ra rằng hiệu suất lý thuyết tối đa của PA loại A với tải điện trở chỉ là 25% và hiệu suất thực tế thường là khoảng 20% Tuy nhiên, sử dụng bộ khuếch đại ghép nối với máy biến áp (tải được nối với đầu ra thông qua máy biến áp), hiệu suất lý thuyết có thể tăng lên tới 50% Trong các ứng dụng RF, tốt hơn là sử dụng PA loại A được ghép nối với cuộn cảm, được thể hiện trong Hình 4.11, trong đó điện trở ống được thay thế bằng cuộn cảm RF (RFC) RFC là một cuộn cảm RF lớn để chỉ dòng điện một chiều được lấy từ nguồn điện áp RFC và tụ điện cho phép điện áp thoát dao động đến hai lần (xấp xỉ) VDD cung cấp điện áp một chiều, do đó hiệu suất lý thuyết tăng lên 50% Một mạch bể có thể được sử dụng để loại bỏ các sóng hài trong điện áp đầu ra, một mạng phù hợp có thể được sử dụng để cho phép truyền công suất tối đa tới tải Thành phần cơ bản của điện áp đầu ra là một hàm tuyến tính của điện áp đầu vào và biên độ cực đại của nó là VDD.
Hình 4.1 Bộ khuếch đại công suất ghép cuộn cảm
- Trong PA loại B, góc dẫn là 180° và rõ ràng tín hiệu đầu ra không phải là bản sao đúng của đầu vào PA loại B có mạch giống như loại A, nhưng không có độ lệch (tức là bóng bán dẫn bị lệch ở điểm giới hạn), do đó bóng bán dẫn chỉ bật khi tín hiệu đầu vào được áp dụng và không bị tiêu hao năng lượng khi không có tín hiệu đầu vào hiện tại Có thể chỉ ra rằng hiệu suất lý thuyết tối đa của PA loại B là 78,5%
- Vì bóng bán dẫn chỉ thực hiện một nửa chu kỳ của tín hiệu đầu vào, hoạt động của Lớp B tạo ra tín hiệu đầu ra có độ méo cao Hình 4.2 cho thấy các đặc tính I-V và dạng sóng của điện áp đầu vào và dòng điện của bóng bán dẫn cho PA loại B
Hình 4.2 Góc dẫn I-V của PA loại B/AB/C
- Có thể giảm méo và thu được tín hiệu đầu ra có chu kỳ đầy đủ bằng cách kết nối hai bộ khuếch đại Loại B trong một cấu hình bổ sung, được gọi là mạch đẩy-kéo Trong trường hợp này, mỗi nửa tiến hành trong một nửa chu kỳ và hoạt động bổ sung của chúng tạo ra tín hiệu đầu ra 360° đầy đủ Các sóng hài trong điện áp đầu ra được loại bỏ bằng một mạch cộng hưởng song song Thành phần cơ bản là một hàm tuyến tính của điện áp đầu vào Biên độ tối đa của điện áp đầu ra là V DD , tương tự như loại A Cần lưu ý rằng các bộ khuếch đại đẩy-kéo cũng có thể được thực hiện trong các loại khác như A, AB, và C
- Vì PA loại B có độ lệch DC bằng 0, nên bóng bán dẫn điều khiển chỉ tiến hành khi tín hiệu đầu vào lớn hơn điện áp bật (hữu hạn) của nó (của BJT hoặc bóng bán dẫn MOS) Nói cách khác, quá trình chuyển đổi giữa hai bóng bán dẫn không xảy ra tại điểm giao nhau bằng 0 và vùng “chết” được đưa vào tín hiệu đầu ra Do đó, phần tín hiệu đầu vào thấp hơn điện áp bật không được khuếch đại và điều này dẫn đến méo tín hiệu được gọi là méo chéo Cần lưu ý rằng, do vùng chết, một bộ khuếch đại loại B thực sự với góc dẫn 180° trên thực tế là không thể thực hiện được
- Một cách để cải thiện tính tuyến tính của PA loại B mà không làm giảm hiệu suất đáng kể là thỏa hiệp giữa cấu hình loại A và loại B, trong một triển khai được gọi là bộ khuếch đại loại AB Hiệu suất của các PA loại AB nằm trong khoảng giữa loại A và loại B, cụ thể là từ 25% đến 78,5%
- Để loại bỏ méo crossover trong các PA loại B, các PA loại AB phân cực các bóng bán dẫn điều khiển (ví dụ: bằng các điốt phân cực phù hợp trong trường hợp bộ khuếch đại BJT) tại một điểm hơi cao hơn điểm giới hạn của chúng, để chúng dẫn điện nhẹ, ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào Tuy nhiên, dòng tĩnh (không có tín hiệu đầu vào) ít hơn nhiều so với dòng PA loại A, dẫn đến hiệu suất được cải thiện Đối với điện áp đầu ra toàn chu kỳ, PA loại AB phải sử dụng kết nối đẩy-kéo
- Cả PA loại B và loại AB đều có thể được thực hiện bằng một bóng bán dẫn duy nhất, sử dụng bộ lọc RF để loại bỏ sóng hài bậc cao (thứ hai trở lên) tồn tại trong tín hiệu đầu ra nửa chu kỳ
Thiết kế
- Các bộ khuếch đại công suất về cơ bản là các thiết bị phi tuyến tính, chịu nén khuếch đại, tạo ra các sóng hài và xuyên điều chế, dịch pha Nói chung, trở kháng đầu ra của bóng bán dẫn công suất rất phức tạp và thay đổi theo điện áp và dòng điện tải, trong khi điện trở tải (ví dụ: trở kháng anten) thường cố định Các đặc tính của
PA phụ thuộc rất nhiều vào phối hợp trở kháng tải Để đạt được hiệu năng PA mong muốn về hiệu suất, khả năng công suất và độ tuyến tính, điều rất quan trọng là phải phối hợp trở kháng đúng cách và đưa ra mức tải tối ưu cho thiết bị đang hoạt động, trên một dải biên độ Điều này khá khó khăn và đòi hỏi các mô hình bóng bán dẫn (phi tuyến) chính xác Sự không phối hợp trở kháng có thể dẫn đến hiệu suất thấp, công suất đầu ra thấp, méo
- Phương pháp thích hợp và được sử dụng rộng rãi nhất là khớp với tín hiệu lớn, một phương pháp được gọi là tải-kéo Kỹ thuật này bao gồm việc tìm kiếm (bằng phép đo) vị trí của các trở kháng (trên biểu đồ Smith) mà bóng bán dẫn điều khiển nhìn thấy, mang lại cùng mức công suất cung cấp cho tải Công suất tải tối đa (tối ưu) là một điểm duy nhất và các quỹ tích cho mức công suất dưới mức tối ưu là các đường bao, chẳng hạn như các đường được thể hiện trong hình 4.3 Do đó, mỗi đường viền đề cập đến một công suất đầu ra nhất định Trở kháng kéo-tải đo được phụ thuộc vào độ
