báo cáo giữa kỳ đề tài chức năng các khối rf

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

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG



BÁO CÁO GIỮA KỲ

ĐỀ TÀI: CHỨC NĂNG CÁC KHỐI RF

MÔN HỌC: KỸ THUẬT THU PHÁT VÔ TUYẾN MÃ MÔN HỌC: TEL 1462

Giảng viên hướng dẫn: Th.S PHẠM MINH QUANG

Sinh viên thực hiện: LẠI ANH THÀNH – N20DCVT057

Thành phố Hồ Chí Minh – tháng 03/2024

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Học viện Công Nghệ Bưu Chính

Viễn Thông đã đưa môn học “Kỹ thuật thu phát vô tuyến” vào chương trình

giảng dạy Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên -

Thạc sĩ Phạm Minh Quang đã hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập vừa qua Trong thời gian tham gia lớp học của thầy, em đã có thêm cho mình nhiều kiến thức bổ ích, tinh thần học tập hiệu quả, nghiêm túc Đây chắc chắn sẽ là những kiến thức quý báu, là hành trang để em có thể vững bước sau này Đây là một môn học thú vị, vô cùng bổ ích và có tính thực tế cao, đảm bảo cung cấp đủ kiến thức, gắn liền với nhu cầu thực tiễn của sinh viên Tuy nhiên, do vốn kiến thức còn nhiều hạn chế và khả năng tiếp thu thực tế còn nhiều bỡ ngỡ Mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn

trong thời gian thực hiện đề tài với nội dung “Các khối chức năng RF” khó có

thể tránh khỏi những thiếu sót và nhiều chỗ còn chưa chính xác, kính mong quý giảng viên xem xét và góp ý để đề tài của em được hoàn thiện hơn

2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) 9

2.1 Khái niệm và nguyên lý làm việc 9

2.2 Tạp âm của mạng hai cổng (cách tiếp cận cổ điển) 10

2.3 Cấu hình LNA 12

2.3.1 Điện trở Shunt tại đầu vào – điện trở kết cuối 12

2.3.2 Shunt – hồi tiếp nối tiếp 13

2.3.3 LNA cổng chung 14

2.3.4 CS với suy giảm nguồn cảm biến 15

2.3.5 Hiệu năng tạp âm của LNA 17

3.3.1 Bộ lọc tinh thể 24

3.3.2 Bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW) 24

4 Bộ khuếch đại công suất 25

4.1 Các loại bộ khuếch đại 26

Hình 2.3 LNA có shunt hồi tiếp nối tiếp 14

Hình 2.4 LNA dựa trên cấu hình cổng chung 15

Hình 2.5 Suy giảm nguồn cảm biến và mô hình tín hiệu nhỏ của nó 15

Hình 2.6 Cascode LNA 18

Hình 3.1 Đáp ứng tần số của các bộ lọc lý tưởng: (a) LPF, (b) HPF, (c) BPF, (d) BSF 19

Hình 3.2 Đáp ứng biên độ tần số 20

Hình 4.1 Bộ khuếch đại công suất ghép cuộn cảm 28

Hình 4.2 Góc dẫn I-V của PA loại B/AB/C 29

Hình 4.3 Đường cong công suất đầu ra không đổi (kỹ thuật tải-kéo) 32

anten

1.2 Nguyên lý hoạt động

- Sóng điện từ được tạo ra bởi một anten bao gồm cả trường cảm ứng (năng lượng dự trữ) và trường bức xạ Các trường này thể hiện các đặc điểm khác nhau tùy thuộc vào khoảng cách từ anten và bước sóng hoạt động Dựa trên thuộc tính của trường, không gian xung quanh ăng ten phát thường được chia thành hai vùng

chính:

+ Vùng trường gần: trong vùng lân cận của anten, có khoảng

cách xấp xỉ 2D2/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 2D2/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 này không sắc nét và đôi khi có vùng thứ ba, được gọi là vùng trường bức xạ gần, được xác định trong đó các trường ít thụ động hơn và một lượng năng lượng nào đó được bức xạ

1.3 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)

1.3.2 Hệ số định hướng

- 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:

D(θ, φ) = [I(θ, φ)] / [I(0, 0)]

+ I(θ, φ): Cường độ bức xạ của anten theo hướng (θ, φ)

+ I(0, 0): Cường độ bức xạ của anten đẳng hướng

- Đặc điểm:

+ 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

1.3.3 Hiệu suất làm việc

- 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 𝑃𝑟𝑎𝑑 và tổng của tất cả các công suất suy hao trong ăng-ten 𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠:

1.3.4 Hệ số khuếch đại

- Định nghĩa của hệ số khuếch đại G(𝜃, 𝜑) tương tự như hệ số định

hướng, nhưng nó đề cập đến công suất đầu vào thay cho công suất

bức xạ, do đó G(𝜃, 𝜑) ≤ D(𝜃, 𝜑) Hệ số định hướng của anten

không bao gồm bất kỳ thông tin nào về hiệu suất làm việc của anten, trong khi hệ số khuếch đại của nó là một hàm của cả hệ số định hướng và hiệu suất Hệ số khuếch đại của anten thường được

tính theo thang logarit, thường được so sánh với anten vô hướng (tính theo dBi) hoặc anten chấn tử (tính theo dBd)

1.3.5 Diện tích hiệu dụng

- Hệ số khuếch đại của anten áp dụng cho cả chế độ phát và thu Tuy nhiên, sẽ thuận tiện hơn khi mô tả đặc tính của anten thu bằng diện tích hiệu dụng 𝐴𝑒 của nó, được định nghĩa là tỷ số giữa thông lượng công suất tới anten và công suất được phân phối tới tải phù hợp Hệ số khuếch đại và diện tích hiệu dụng của anten có liên quan với nhau theo công thức:

(3)

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:

(4) trong đó

(5)

- 𝑹𝒓𝒂𝒅 là điện trở bức xạ của anten đại diện cho phần hữu ích của

công suất đầu vào (cơ chế bức xạ) và 𝑹𝒍𝒐𝒔𝒔 đại diện cho suy hao

của anten

- 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

1.3.7 Độ rộng búp sóng

- 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)

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

2.2 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:

(6)

- Nó thường được đánh giá ở nhiệt độ 𝑇0 = 290O, tức là nhiễu đầu vào bằng k𝑇0B, 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 𝑍𝑠 cho trước, có một tỷ số tối ưu của 𝑣2

𝑛/ 𝑙2

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

MOSFET chỉ định đồ thị của 𝑍𝑠,𝑜𝑝𝑡, và 𝐹𝑚𝑖𝑛 là một hàm của tần số Với tần số thấp, 𝐹𝑚𝑖𝑛 được ngoại suy Mạng phối hợp trở kháng không thêm suy hao Nếu 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

(8)

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:

(9)

- 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:

(11)

- 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

2.3 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 cũng cung cấp một phối hợp liên hợp băng rộng Hình 2.3 cho thấy mạch LNA với điện trở shunt hồi tiếp nối tiếp Trong trường hợp này, một điện trở phản hồi tương đối lớn được sử dụng và thông qua hiệu ứng Miller, điện trở đầu vào được giảm xuống giá trị mong muốn, ví dụ: 50Ω Tuy nhiên, giá trị RF cao hơn có nghĩa là dòng tạp âm thấp, do đó mạch này đã cải thiện hiệu năng so với LNA có kết cuối điện trở (hình 2.2) Tuy nhiên, việc bổ sung điện trở sẽ tạo ra tạp âm bổ sung Hệ số tạp âm của LNA này được xác định theo:

(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:

(15)

Nghĩa là, kết nối cuộn cảm L với nguồn của MOSFET sẽ thêm thành phần điện trở 𝑔𝑚𝐿𝑠/𝐶g𝑠 vào trở kháng đầu vào Do đó, tại sự cộng hưởng giữa 𝐶g𝑠 và 𝐿𝑠, các thành phần thụ động bị triệt tiêu và trở kháng đầu vào 𝑍𝑖𝑛 sẽ hoàn toàn thuần trở:

trong đó 𝜔𝑇 là tần số khuếch đại dòng đơn vị của bóng bán dẫn, được cho bởi

𝜔𝑇 = gm

Cgs+Cgd và vì 𝐶g𝑠> 𝐶gd, có thể xấp xỉ 𝜔𝑇 ≈ 𝑔𝑚/ 𝐶g𝑠

- Giá trị của cuộn cảm Ls 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:

(16) 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:

và do đó

Sử dụng điều kiện phối hợp trở kháng 𝜔𝑇𝐿𝑠 = 𝑅𝑠𝑖g, ta nhận được:

(17)

- 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:

(18) trong đó 𝑍𝐿 là trở kháng tải Phương trình (18) cho thấy trở kháng đầu vào phụ thuộc vào trở kháng tải thông qua điện trở đầu ra của bóng bán dẫn Nếu 𝑟0 tương đối nhỏ, nó sẽ gây ra sự mất phối hợp trở kháng ở đầu vào và 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