Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Thiết kế mạch khuyếch đại tín hiệu wifi đồng thời ở hai băng tần 2.4 và 5GHz

Trong mạch phối hợp trở kháng, các phần tử cộng hưởng này được đặt ở giữa đoạn dây truyền sóng và đoạn dây chêm stub.. Khi ấy các thông số tuyến tính không phụ thuộc vào công suất đầu và

TỔNG QUAN

Giới thiệu

Wifi là từ viết tắt của “Wireless Fidelity” hay là chuẩn 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến Hệ thống cho phép truy cập internet ở những nơi có sóng của hệ thống này, không cần cáp kết nối Wifi có 4 chuẩn thông dụng hiện nay là 802.11a/b/g/n Sơ đồ hệ thống wifi có thể được hiểu đơn giản như hình 1.1:

Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động hệ thống wifi[1]

Truyền thông trong hệ thống wifi là truyền 2 chiều, có thể hiểu đơn giản như sau:

- Bộ chuyển đổi tín hiệu không dây trong máy tính sẽ chuyển đổi của máy tính sẽ chuyển đổi dữ liệu sang tín hiệu vô tuyến qua ănten Router wifi sẽ nhận những tín hiệu này, giải mã chúng gửi chúng và chuyển lên internet thông qua kết nối hữu tuyến

- Quá trình truyền thông tin từ internet đến máy tính cũng thực hiện tương tự theo chiều ngược lại

Sóng vô tuyến dùng cho wifi hoạt động ở tần số 2.4GHz và nay sử dụng thêm tần số 5GHz Hai tần số này cao hơn tần số dành cho điện thoại di động và truyền hình Mặc dù việc dùng thêm băng tần 5GHz thì gia tăng chi phí và tính đâm xuyên kém khi hoạt động nhưng nó lại giải được bài toán giảm tải cho băng tần 2.4GHz, hạn chế nhiễu Ưu điểm của wifi hoạt động ở tần số 5GHz: Ưu điểm lớn nhất của thiết bị wifi 5GHz so với 2.4GHz là khả năng không bị xuyên nhiễu từ các thiết bị không dây khác được sử dụng trong gia đình hoặc văn phòng Điện thoại không dây, thiết bị bluetooth, lò vi sóng, thiết bị giám sát trẻ em, hệ thống cảnh báo, loa không dây hoặc các thiết bị khác sử dụng tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4GHz có thể làm yếu mạng wifi hoạt động ở tần số này

Có thể thấy rằng, một trong những nguồn gây xuyên nhiễu điển hình nhất cho các mạng không dây là các mạng không dây gần đó Các thiết bị wifi 5GHz tránh bớt được điều này vì các thiết bị không dây hiện nay chủ yếu đang hoạt động ở tần số 2.4GHz

Tuy nhiên, chúng lại có nhược điểm là phạm vi bị hạn chế và giá thành cao

Một nguyên lý trong truyền sóng vô tuyến đó là: tần số càng cao thì độ suy hao tín hiệu theo khoảng cách càng lớn Chính vì vậy các thiết bị mạng 5GHz sẽ có phạm vi phủ sóng nhỏ hơn các thiết bị 2.4 GHz Dù điều này có thể được khắc phục một phần bằng các công nghệ anten mới, tuy nhiên nếu một thiết bị nào đó ở khá xa điểm truy cập không dây thì rất có thể nó vẫn hoạt động tốt với router 2.4GHz, nhưng với router 5GHz thì không Bên cạnh đó giá thành các thiết bị này vẫn cao, khó tiếp cận phổ biến với người dùng

Từ ưu và nhược điểm trên, ta nhận thấy việc kết hợp sử dụng wifi hai băng tần 2.4 GHz và 5GHz là một giải pháp tốt

- Chuẩn wifi đầu tiên trên thị trường là chuẩn 802.11b, đây là chuẩn có tốc độ chậm: 11Mbps, hoạt động ở 2.4GHz

- Chuẩn 802.11g có tốc độ 54Mbps, nhanh hơn chuẩn b do dùng mã hóa OFDM, hoạt động ở 2.4GHz

- Chuẩn 802.11a có tốc độ tương đương chuẩn g, nhưng hoạt động ở tần số 5GHz

- Chuẩn 802.11n có thể đạt tới tốc độ là 300Mbps, hoạt động ở 2.4GHz và 5GHz

Hiện nay, Việt Nam đang có những kế hoạch phủ sóng wifi ở những địa điểm công cộng như công viên, trường học, những địa điểm tham quan du lịch… nên việc sử dụng những thiết bị wifi hai băng tần là cần thiết đối với số lượng lớn người dùng và đòi hỏi độ rộng của vùng phủ đáp ứng được Trước tiên, mục tiêu của đề tài là tìm hiểu và thiết kế bộ khuếch đại công suất hoạt động ở hai băng tần 2.4GHz và 5GHz để tạo điều kiện phát triển thiết kế sau này là hệ thống phát wifi hai băng tần

Bộ khuếch đại công suất tín hiệu wifi hai băng tần trong đề tài có hướng nghiên cứu khác với các hệ thống khuếch đại phổ biến là không dùng từng bộ khuếch đại riêng lẻ cho từng băng tần, không cần dùng bộ chuyển đổi, mà đây là sự kết hợp chỉ còn một bộ khuếch đại dùng đồng thời cho tín hiệu cả hai băng tần 2.4 và 5GHz Đề tài sử dụng phương pháp mới phối hợp trở kháng hai băng đồng thời kết hợp với lọc những thành phần hài không cần thiết Việc khuếch đại cùng lúc hai băng mang tính tiện lợi, giảm kích thước, phù hợp với xu hướng phát triển các thiết bị trong tương lai.

Các công trình nghiên cứu liên quan

Một số công trình hiện nay có liên quan đến mạch khuếch đại hai băng tần là

“Dual-Band GaN HEMT Power Amplifier Using Resonators in Matching Networks” của tác giả Zhebin Wang và Chan-Wang Park Tác giả sử dụng các phần tử cộng hưởng (resonator) kết hợp với đoạn dây truyền sóng (microstrip line) để thiết kế mạch Trong mạch phối hợp trở kháng, các phần tử cộng hưởng này được đặt ở giữa đoạn dây truyền sóng và đoạn dây chêm (stub) Mục đích trong cùng thời điểm, cùng đoạn mạch chỉ cho phép phối hợp ở một tần số, tần số còn lại sẽ bị chặn bởi phần tử cộng hưởng như hình 1.2

Hình 1.2: Mạch phối hợp trở kháng dùng phần tử cộng hưởng[2]

Bên cạnh đó còn có bài “A High Gain CMOS LNA For 2.4/5.2GHz WLAN Application” của tác giả S Wang và B.-Z Huang Bài viết này khám phá ra thiết kế CMOS LNA với độ lợi cao bằng cách sử dụng 2 transistor đấu cascode Trong bài báo, việc phối hợp trở kháng không cần sử dụng bộ chuyển đổi (switch), chúng dựa trên việc khảo sát S 21 mà thiết kế các mạch lọc dải thông (band pass) và dải triệt

(band stop) Hai tần số hoạt động của LNA là ω 1 và ω 2 , hai điểm ω3 và ω 4 là hai điểm sẽ bị lọc ở mạch phối hợp ngõ vào và ngõ ra như hình 1.3 Trong mạch phối hợp ngõ vào, mối quan hệ giữa ω 3 và mạch cộng hưởng (L 1 và C 1 ) theo công thức:

 Tượng tự với ω 4 ở mạch phối hợp ngõ ra

Hình 1.3: S 21 đáp ứng theo tần số của mạch LNA[3]

Ngoài ra, “Dual-band Power Amplifier for Wireless Communication Base Stations” của tác giả Xin Fu và cộng sự Tác giả đề xuất sự kết hợp bộ lọc hai băng tần với sự điều chỉnh hoạt động ở lớp J để có được bộ khuếch đại dual-band ở 0.8GHz và 1.9GHz Thiết kế một bộ khuếch đại dual-band hiệu suất tốt mà không cần nhiều RF kết hợp ở điểm đầu và cuối hay bộ kết hợp (combiner) khi kết hợp các bộ khuếch đại đơn băng tần Việc phối hợp trở kháng chủ yếu dựa vào sự chuyển đổi của hai tầng khác nhau Đầu tiên là sự chuyển đổi từ hai trở kháng phức ở hai tần số khác nhau về một giá trị thực Tầng thứ hai sử dụng bộ lọc hai băng có chức năng phối hợp giá trị thực về trở kháng 50Ohm

Hình 1.4: a/ Mạch chuyển đổi hai giá trị phức ở hai tần số khác nhau về giá trị thực b/ Mạch lọc hai băng có chức năng phối hợp giá trị thực về trở kháng 50Ohm [4].

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mạch khuếch đại công suất

Mạch khuếch đại được sử dụng trong lĩnh vực radar hay các máy phát sóng nhằm tăng mức công suất phát Thông thường công suất phát đặc trưng cho thông tin thoại và data vào khoảng từ 100-500mW, đối với radar từ 1-100W

Các thông số quan trọng trong mạch khuếch đại thường là hiệu suất, độ lợi, suy hao và tác động của nhiễu nhiệt

Thường chúng ta chấp nhận rằng, những mạch khuếch đại với tín hiệu đầu vào có công suất thấp, transistor vận hành xem như tuyến tính Khi ấy các thông số tuyến tính không phụ thuộc vào công suất đầu vào và trở kháng tải đầu ra, điều này thuận tiện để áp dụng cho việc thiết kế mạch khuếch đại có độ lợi xác định hay mạch khuếch đại nhiễu thấp Đối với tín hiệu vào công suất lớn ( vào khoảng 1 dB), transistor không được xem hoạt động tuyến tính Điều này sẽ phức tạp đối với việc thiết kế

2.1.1 Hiệu suất của mạch khuếch đại

Hiệu suất của mạch khuếch đại là tỉ số công suất RF ngõ ra trên công suất mạch DC ngõ vào

Thông thường chất lượng được đề cập đến drain efficiency hay collector efficiency, nhưng để đánh giá tốt hơn người ta thường dùng:

Với G là độ lợi của bộ khuếch đại Trong mạch khuếch đại công suất, người ta thường chú ý đến hiệu suất, ngay cả khi đánh đổi về mặt độ lợi

2.1.2 Độ lợi của mạng hai cửa: Độ lợi cũng là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại G1 được định nghĩa là độ lợi của bộ khuếch đại ở điểm 1dB Cho G 0 là độ lợi tín hiệu công suất nhỏ ( tuyến tính) Ta có công thức:

Việc phi tuyến có thể tạo ra việc nhiễu xuyên kênh, gây ảnh hưởng đến việc truyền không dây, đặc biệt là các hệ thống đa sóng mang

Một vài công thức tính độ lợi:

Xét một mạng hai cửa bất kì [S] như hình 2.1, nối với nguồn và tải có trở kháng lần lượt là Z S và Z L Dựa vào thông số S thì hệ số phản xạ nguồn  S và hệ số phản xạ tải  L ta sẽ suy ra được biểu thức của ba loại độ lợi

Hệ số phản xạ nhìn từ tải :

 Hệ số phản xạ nhìn từ nguồn:

 Độ lợi đường truyền G T (transducer power gain)

P P ( với P L : công suất tải, P avs là công suất đáp ứng nguồn)

  Trong trường hợp tính bằng dB ta có:

G T (dB)=G S (dB)+G 0 (dB)+G L (dB) Với

  Độ lợi hoạt động (operating power gain)

P P ( với P L : công suất tải, P in : công suất ngõ vào mạng lưới đường truyền) Độ lợi thực tế (available power gain)

P P ( với P avn : công suất hiện hữu trên mạng lưới đường truyền, P avs : công suất đáp ứng của nguồn)

2.1.3 Các lớp của mạch khuếch đại

Mạch khuếch đại loại A thường là mạch khuếch đại tuyến tính Mạch khuếch đại loại A thường có hiệu suất tối đa là 50% Những mạch dành cho tín hiệu nhỏ và những mạch LNA nhiễu thấp thường dùng loại này

Mạch khuếch đại loại B có hiệu suất là 78% , mạch này thường được dùng một nửa chu kì đầu tín hiệu vào, 2 transistor sẽ hỗ trợ để push-pull trong toàn quá ttrình

Mạch khuếch đại loại C có hiệu suất gần 100%, transistor hoạt động gần vùng cut-off trong nửa chu kì đầu

2.1.4 Tìm hiểu về độ ổn định của mạch Độ ổn định của mạch khuếch đại luôn được quan tâm trong quá trình thiết kế mạch, nó được tính toán qua các thông số S Điều kiện ổn định của mạch khuếch đại phụ thuộc vào tần số, vì vậy với tần số này mạch ổn định nhưng với tần số khác mạch không ổn định

Mạch ổn định không điều kiện như hình 2.2 nếu   in 1 và  out  1 đối với tất cả các trở kháng của nguồn và tải   S 1 và   L 1

Mạch ổn định có điều kiện nếu   in 1 và  out  1 đối với một khoảng các giá trị trở kháng của nguồn và tải Điều kiện để mạch ổn định không điều kiện là:

Hình 2.2: Trường hợp mạch ổn định không điều kiện[5]

Trong trường hợp mạch ổn định có điều kiện thì phải xác định vùng ổn định ngõ ra và ngõ vào của mạch thông qua đường tròn ổn định ngõ ra và ngõ vào

Tâm và bán kính vòng tròn ổn định ngõ vào được tính theo công thức:

Tâm và bán kính vòng tròn ổn định ngõ ra:

Xét trường hợp: a Đối với vòng tròn ổn định ngõ ra trong mặt phẳng  L :

Nếu Z L =Z 0 (tức có phối hợp trở kháng ngõ ra) thì:

  là tâm của đồ thị Smith, cũng chính là điểm tham chiếu để xác định vùng ổn định

Trường hợp 1: Vòng tròn ổn định ngõ ra   L C L  R L không chứa tâm đồ thị Smith (  L 0 )

- Nếu S 11   in 1 nên vùng chứa tâm của giản đồ Smith là vùng ổn định

- Nếu S 11 >1 =>   in 1 nên vùng chứa tâm của giản đồ Smith là vùng không ổn định

Hai trường hợp được thể hiện như hình 2.3:

Hình 2.3: Vùng ổn định ngõ ra trong trường hợp đường tròn   L C L  R L không chứa tâm đồ thị Smith[5]

Trường hợp 2: Vòng tròn ổn định ngõ ra   L C L  R L chứa tâm của giản đồ Smith (  L 0)

Tương tự như trường hợp 1, tức là khi S 11 1) của substrate, do đó người ta định nghĩa hằng số điện môi hiệu dụng của microstrip line là ε e , với 1 < ε e < ε r Hằng số điện môi hiệu dụng ε e phụ thuộc vào tần số làm việc, ε r , độ dày t và độ rộng W

Vận tốc pha v p và hằng số lan truyền β được tính theo công thức: p e v c

 ( với c là vận tốc ánh sáng)

Một số thông số của mạch siêu cao tần

Hệ số nhiễu (Noise Figure, thường ký hiệu F hoặc NF)

Hình 2.14a: Hệ số nhiễu và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu[6]

S N S N  Đối với nhiễu nhiệt: P n = k.T.B ( với k là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ (độ K), B là băng thông

Noise Figure trong hệ ghép nối tiếp như hình 2.14b

Hình 2.14b: Hệ thống ghép nối tiếp [10]

Các linh kiện điện tử hoạt động tuyến tính trong một khoảng tần số, nhiệt độ… nếu vượt giới hạn chúng sẽ không tuyến tính Điều này có thể tác động tiêu cực đến mạch điện như làm méo tín hiệu, nén độ lợi, gây interference đến các kênh khác… Sơ đồ khối bên dưới chỉ ra một hệ thống phi tuyến với điện thế ngõ vào là V i và điện thế ngõ ra là V o

Hình 2.15: Sơ đồ khối hệ thống phi tuyến

Thiết bị hay mạng không tuyến tính V i

(2.31) Đáp ứng ngõ ra của mạch phi tuyến có thể được mô hình hóa bằng chuổi Taylor như sau: v 0  a 0  a v 1 i  a v 2 i 2  a v 3 i 3 +… với các hệ số Taylor được định nghĩa như sau: a 0 = v 0 (0), a 1 = 0 i vi 0 dv dv  a 2 2 0 2 i vi 0 dv dv 

Với a 0 là thành DC, a 1 v i là thành phần cơ bản (fundamental) với a 1 là hệ số tuyến tính, a 1 >1 mô hình là khuếch đại, a 1 1: mạch ổn định khụng điều kiện, à