Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu và thiết kế bộ truyền video tầm xa băng tần 2.4 GHz

Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch khuếch đại công suất dùng transistor T2G6000528-Q3 tại băng tần 2.4GHz để tăng khoảng cách truyền thông mở rộng vùng phủ sóng cho mo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2014

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: Tiến sĩ Đỗ Hồng Tuấn

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: Tiến sĩ Lương Vinh Quốc Danh

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 07 tháng 01 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch: Tiến sĩ Lưu Thanh Trà

2 Thư ký: Phó giáo sư Tiến sĩ Phạm Hồng Liên 3 Ủy viên PB1: Tiến sĩ Đỗ Hồng Tuấn

4 Ủy viên PB2: Tiến sĩ Lương Vinh Quốc Danh 5 Ủy viên: Tiến sĩ Hà Hoàng Kha

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phạm Đình Nguyên MSHV: 13141119 Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1984 Nơi sinh: Kiên Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số : 60520208

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu và thiết kế bộ truyền video tầm xa băng tần 2.4GHz II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết kế và chế tạo mạch khuếch đại công suất

dùng tại băng tần 2.4GHz để tăng khoảng cách truyền thông (mở rộng vùng phủ sóng) cho module truyền video có công suất tối đa 10mW

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18 /8/2014 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/12/2014 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Huỳnh Phú Minh Cường

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến công ty TriQuint (Texas – Hoa Kỳ), đặc biệt là Mr Kim Tran đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi rất nhiều về các vấn đề kỹ thuật có liên quan đến mạch khuếch đại công suất sử dụng FET T2G6000528-Q3 Với sự giúp đỡ quý báu từ TriQuint và riêng Mr Kim tôi đã có được những chú ý giá trị về thực hành Tôi sẽ luôn nhớ sự giúp đỡ quý báu này và xem đây là trách nhiệm với thế hệ đi sau nếu có cơ hội Ngoài ra, sự giới thiệu từ công ty TriQuint cũng giúp tôi có được sự hỗ trợ về model của transistor T2G6000528-Q3 từ Modelithics và board mạch in IS680-345DK từ Isola-Group, đây là những thành phần không thể thiếu để chế tạo mạch khuếch đại công suất Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Modelithics và Isola-Group

Tôi cũng xin cảm ơn quý thầy cô khoa Điện- Điện tử, đặc biệt là thầy cô Bộ môn Viễn thông đã dành thời gian về Cần Thơ cung cấp cho tôi kiến thức nền tảng và những kinh nghiệm nghiên cứu học thuật để tôi có thể thực hiện thành công đề tài luận văn này Xin cảm ơn những hy sinh từ ba mẹ dù ở xa và sức khỏe không ổn định nhưng luôn tạo cho tôi an tâm làm việc, nghiên cứu và học tập Cuối cùng, xin cảm ơn sự đoàn kết và chia sẻ của tất cả thành viên lớp tôi trong suốt quá trình học tập

TP Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2014

PHẠM ĐÌNH NGUYÊN

Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch khuếch đại công suất dùng transistor T2G6000528-Q3 tại băng tần 2.4GHz để tăng khoảng cách truyền thông (mở rộng vùng phủ sóng) cho module truyền video AWM651-TX của AIRWARE có công suất tối đa 10dBm (10mW) Hai mạch được thiết kế thành công theo hai phương pháp khác nhau: phương pháp thiết kế băng thông rộng và phương pháp cực đại độ lợi ngõ vào Mạch được thiết kế và chế tạo trên board mạch in IS680-345DK của Isola Group

mạch khuếch đại được thiết kế dùng phương pháp băng rộng đạt độ lợi 13dB, điểm nén

trên 42.17dBm ở tần số trung tâm 2.41GHz, băng thông 100MHz với hệ số phản xạ

nghiệm Viễn thông, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh

ABSTRACT

The thesis focus on researching, designing and fabricating a power amplifier (PA) circuit using T2G6000528-Q3 FET at 2.4GHz band to increase communication distance (extend operation zone) for video transmitter module AWM651-TX that has maxima output power 10mW Two circuits are designed successfully with two difference methods: designing broadband and designing maximum input power gain Two PA circuits are designed and fabricated on PCB IS680-345DK of Isola Group that

on fabricated PA circuit using broadband method gets gain 13dB, output power at 1dB

frequency 2.45GHz, 900MHz bandwith (2.0GHz to 2.9GHz) with input reflection

All measurement results are carried out at Telecommunication laboratory, Ho Chi

Đề tài "Nghiên cứu và thiết kế bộ truyền video tầm xa băng tần 2.4 GHz” dưới sự hướng dẫn của Thầy-Tiến sĩ Huỳnh Phú Minh Cường Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và chưa có phần nội dung, hay kết quả nào của luận văn này được công bố trên tạp chí, hoặc đã nộp để lấy bằng trên các trường đại học nào đó, ngoại trừ các kết quả tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn

TP HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2014

Người thực hiện

Phạm Đình Nguyên

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ1

3.4 THÔNGSỐSPHẦNTỬTHỤĐỘNGVÀMODELCỦATRANSISTOR 43

4.2.1 Kiểm tra tính ổn định 48

THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT61

5.5.1 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng ngõ vào và ngõ ra 68

5.6.4 Mô phỏng thông số S khi ngõ ra được phối hợp trở kháng 83

5.7.2 Kết quả đo phổ tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại công suất 93

TỪ VIẾT TẮT

FET Field Effect Transistor

HEMT High Electron Mobility Transistor

IP3 Third-order intercept point

P1dB 1 dB compression point

Danh mục hình Trang

Hình 2.2: Bộ trộn tần (Nguồn: http://micro.apitech.com/mixer.aspx#) 22 Sự tương đương giữa các đường dây stripline và các phần tử thụ động

(Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Distributed_element_filter)

23

Hình 2.5: Công suất tại các khoảng cách khác nhau [2] 28

Hình 3.3: Dạng hình học và cấu hình trường của microtrip line Ở hình (b) đường elip biểu diễn từ trường và các đường còn lại biểu diễn điện trường [4]

(a) |𝑆11| < 1 (b) |𝑆11| > 1

51 Hình 4.4: Định nghĩa điểm nén 1 dB cho mạch khuếch đại không tuyến tính 54 Hình 4.5: Giản đồ điểm chắn bậc ba của một thành phần không tuyến tính 56 Hình 4.6: Minh họa dải động tuyến tính (LDR) và dải động phát xạ tự do

(SFDR)

57 Hình 4.7: Các đường đẳng độ lợi, đẳng công suất ngõ ra và đẳng PAE 59

Hình 5.2: Kết quả mô phỏng đặc tuyến I-V để tìm giá trị VGS= -2.635V 64 Hình 5.3: Hệ số ổn định µ a) các đường tròn ổn định ngõ vào b), các đường

Hình 5.7: Đa giác xác định vùng có công xuất ngõ ra lớn hơn hoặc bằng 41dBm trong dải tần từ 2.2GHz đến 2.6GHz

Hình 5.13: Kết quả đo thông số S (đường đậm nét) được so sánh với kết quả mô phỏng

và kết quả mô phỏng thông số S của mạch dùng kết quả từ mô phỏng điện từ trường b)

Hình 5.26: Kết quả mô phỏng loadpull với các đường đẳng hiệu suất PAE (đường đậm nét) và các đường công suất ngõ ra

82

Hình 5.27: Mạch phối hợp trở kháng ngõ ra dùng microtrip line với 83

Zout = 22.61+ j14.4 a) và kết quả mô phỏng hệ số phản xạ b) Hình 5.28: Mạch thiết lập mô phỏng thông số S với ngõ ra được phối hợp trở kháng

b)

85

Hình 5.32: Kết quả mô phỏng độ lợi a) và công suất ngõ ra b) 86 Hình 5.33: Mạch thiết lập mô phỏng EM dùng microtrip line 86 Hình 5.34: Các kiểu thiết lập hiệu chỉnh (calibration) port 87 Hình 5.35: Thiết lập tần số mesh và mật độ cell/wavelengh mô phỏng EM 87 Hình 5.36: Kết quả mô phỏng hệ số ổn định µ a) và thông số S b) 88 Hình 5.37: Kết quả mô phỏng công suất ngõ ra a) và độ lợi b) 88

Hình 5.39: Kết quả đo thông số S (đường đậm nét) so sánh với kết quả mô phỏng

89 Hình 5.40: Kết quả tính toán hệ số ổn định μ (đường đậm nét), được so sánh

với kết quả mô phỏng

90

Hình 5.44:Module truyền video AWM651TX được hoàn thiện trên board FR492

Hình 5.46: Phổ tín hiệu ngõ ra của module truyền video AWM651Tx (suy hao

Hình 5.47: Phổ tín hiệu ngõ ra của module truyền video và mạch khuếch đại công suất dùng phương pháp băng rộng (độ lợi 13dB, suy hao 53dB) 94 Hình 5.48: Phổ tín hiệu ngõ ra của module truyền video và mạch khuếch đại

công suất dùng phương pháp cực đại độ lợi ngõ vào (độ lợi 18 dB, suy hao 53dB)

94 Hình 5.49: Kết quả đo thử nghiệm khoảng cách truyền thông (máy phát được

đặt tại hành lang phòng thí nghiệm Viễn thông khu B1 và máy thu được đặt tại Khoa Môi trường và Tài nguyên)

95

bão và nhiều ngư dân không bao giờ được quay về đất mẹ đã là thống kê thường niên sau mỗi mùa mưa bão của Ủy ban Phòng chống lụt bão và tìm kiếm cứu nạn quốc gia Đất liền cũng chịu mất mát không kém khi nhà cửa bị đổ sập hoặc tốc mái Tại các vùng trũng nhà cửa lại bị cuốn trôi do lũ quét hoặc bị cô lập trong biển nước Hình ảnh người dân ngồi trên các nóc nhà, toàn thân bị ướt, lạnh và đói chờ đợi được cứu hộ trong vô vọng khi nước đang tiếp tục dâng cao và chảy siết xung quanh, là hình ảnh mà gần như mỗi người Việt Nam đã từng được nhìn thấy hoặc từng được trải nghiệm Mảnh đất miền Trung nửa năm nắng gió khô hạn nửa năm mưa bão lũ lụt làm cuộc sống con người ở đây luôn khổ cực và mất mát Nhưng con người không thể chống lại thiên nhiên, do đó bên cạnh việc chuẩn bị phòng tránh để đảm bảo an toàn cho người và tài sản trước bão, công tác cứu hộ sau bão cũng rất quan trọng vì thiệt hại về người và vật chất sẽ giảm nếu công tác cứu hộ được thực hiện nhanh chóng, kịp thời và hiệu quả Tuy nhiên, công tác cứu hộ thường gặp rất nhiều khó khăn do vùng thiệt hại rộng và phức tạp trong điều kiện bị ngập sâu không thể tiếp cận bằng đường bộ Trong khi các phương tiện hỗ trợ tìm kiếm là thuyền và ca nô thường không đủ và bị hạn chế về khả năng quan sát Còn việc tìm kiếm trực tiếp bằng mắt thường thông qua trực thăng chở người do quân đội thực hiện mang lại hiệu quả cao nhưng rất tốn kém và hạn chế về số lượng Hiện tại, vẫn chưa có các hệ thống có thể quan sát và tìm kiếm từ trên cao có vùng phủ rộng được phát triển và ứng dụng để đặt trên các máy bay không người lái (ngoài các máy bay mô hình cỡ nhỏ đang được bán thương mại có tầm hoạt động dưới 1km) để nâng cao khả năng tìm kiếm cứu nạn tại Việt Nam Xuất phát từ nhu cầu này, đề tài đặt ra mục tiêu nghiên cứu và phát triển một bộ truyền video có khả năng hoạt động trong tầm bán kính khoảng 10km đặt trên các máy bay điều khiển từ xa để có thể quan sát tốt hơn và hiệu quả hơn dùng trong công tác tìm kiếm cứu nạn và có thể cho nhiều mục đích khác nhau như: giám sát cháy rừng, trắc địa và nghiên cứu khoa học Bộ truyền video không dây tầm xa đã được các nước tiên tiến áp dụng rất nhiều và cho hiệu quả cao trong lĩnh vực quan sát và cứu nạn, đặc biệt khi kết hợp thêm các phương pháp xử lý ảnh để tăng khả năng quan sát chính xác đối tượng mong muốn Tuy nhiên, cho đến thời điểm cuối năm 2013 trên thị trường Việt Nam chỉ có các bộ

thu phát tín hiệu video không dây cự lý ngắn (công suất phát dưới 10dBm) sử dụng băng tần 2.4GHz và 5.8GHz (băng tần quy hoạch cho Wifi) cho vùng phủ dưới 1km tùy thuộc vào địa hình Còn các bộ truyền video không dây tầm xa vẫn chưa phổ biến trên thế giới và hiện chưa có mặt tại Việt Nam Do đó, đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một bộ truyền video tầm xa tại băng tần 2.4GHz sẽ là bước khởi đầu để các ứng dụng trên được sớm phát triển tại Việt Nam do giảm được giá thành thiết bị và tăng tính chủ động trong thiết kế hệ thống phù hợp với đặc điểm từng ứng dụng

Luận văn sử dụng băng tần 2.4GHz nhằm mục đích tận dụng các bộ truyền video khoảng cách gần tại băng tần này Việc nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm thành công bộ truyền video tầm xa tại băng tần 2.4GHz sẽ là tiền đề trong nghiên cứu và phát triển ứng dụng tại các băng tần khác nhau phù hợp với quy hoạch băng tần của Việt Nam trong tương lai Đồng thời, đây cũng là tiền đề để nghiên cứu và tiến đến làm chủ công nghệ chế tạo các hệ thống thu phát siêu cao tần, một lĩnh vực mà Việt Nam vẫn còn phụ thuộc khá nhiều vào nguồn cung cấp từ nước ngoài do vẫn chưa hoàn toàn chủ động chế tạo được Làm chủ công nghệ chế tạo không chỉ đơn thuần mang lợi ích về mặt kinh tế mà còn mang nhiều ý nghĩa quan trọng khác dù cho Việt Nam vẫn là nước đi sau trong lĩnh vực này Một số những vấn đề cần quan tâm bao gồm: tính bảo mật dữ liệu cần truyền, tính bảo mật của dự án, tính chủ động về thời gian và chủ động lựa chọn công nghệ sẽ không được đảm bảo khi phải phụ thuộc vào nguồn cung cấp từ nước ngoài Vì vậy, làm chủ công nghệ truyền thông không dây trong lĩnh vực siêu cao tần sẽ mang đến nhiều lợi ích thiết thực Đây cũng là tính khoa học trong nghiên cứu đề tài

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Trong thời đại bùng nổ của công nghệ thông tin và truyền thông, ngày càng có nhiều ứng dụng mới ra đời yêu cầu sử dụng một dải tần số băng thông rộng Trong khi đó, tần số vô tuyến điện là hữu hạn, các băng tần HF, VHF/UHF đã được sử dụng hết do có nhiều ưu điểm về mặt kỹ thuật và có giá trị kinh tế lớn Ở băng tần cao hơn, các công nghệ đã được thương mại hóa như: viba, thông tin vệ tinh, 3G,

LTE, Wimax, Wifi,… đang sử dụng bằng tần số từ 1 GHz đến 30 GHz hoặc cao hơn Còn trên thế giới, các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã đạt đến ứng dụng truyền thông tại băng tần trên 60 GHz Nên việc sử dụng các tần số siêu cao tần cho các ứng dụng truyền thông không dây đang là xu hướng bắt buộc của công nghệ viễn thông trong hiện tại và tương lai

Lĩnh vực chế tạo các loại mạch tại các tần số siêu cao tần là một phần quan trọng trong nghiên cứu và phát triển các hệ thống truyền thông không dây Một hệ thống truyền thông sẽ không thể hoạt động nếu thiếu phần xử lý tín hiệu tại các tần số siêu cao tần để chuyển tín hiệu baseband lên các thành phần tần số cao hơn phù hợp với quy hoạch băng tần của quốc gia và truyền đi trong không gian mà không gây can nhiễu và không gây ảnh hưởng đến các hệ thống khác hiện có Một đặc điểm của các loại mạch xử lý tín hiệu siêu cao tần là tính không thể sao chép hoặc làm lại dựa trên các hình mẫu và linh kiện ở các board mạch có sẵn được mua từ nước ngoài Để chế tạo thành công các loại mạch này phải có những nghiên cứu và hiểu biết chuyên sâu trên từng loại mạch đồng thời có thời gian nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch đủ dài mới có thể đảm bảo sự thành công Hiểu rõ lý thuyết về các mạch siêu cao tần là chưa đủ để có thể chế tạo mạch thành công, vì sự ảnh hưởng và tác động qua lại của các thành phần điện từ trường trên các phần tử mạch thực tế là rất phức tạp và thay đổi không theo quy luật Do đó, cần phải có thời gian để tích lũy kinh nghiệm, đặc biệt là kinh nghiệm chế tạo mạch

Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện tại lĩnh vực chế tạo các loại mạch xử lý tín hiệu siêu cao tần vẫn chưa phát triển mạnh Nước ta vẫn chưa có một tổ chức có thể chủ động thiết kế và chế tạo các loại mạch xử lý tín hiệu tại các tần số siêu cao tần đáp ứng cho các nhu cầu phát triển kỹ thuật viễn thông trong nước Vì vậy, luận văn đặt mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch khuếch đại công suất siêu cao tần nhằm nắm rõ lý thuyết về mạch khuếch đại tại các tần số siêu cao tần, đồng thời nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch để tích lũy các kinh nghiệm thực nghiệm quan trọng Đây là những bước đi nhỏ nhưng sẽ góp phần vào sự phát triển chung của lĩnh vực chế tạo các mạch xử lý tín hiệu tại các tần số siêu cao tần, qua đó góp phần đưa Việt

Nam làm chủ các công nghệ chế tạo mạch siêu cao tần trong tương lai bên cạnh nhu cầu cấp thiết về một bộ truyền video mà đề tài đặt ra để áp dụng vào thực tế

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ yêu cầu nghiên cứu chuyên sâu và hiểu vấn đề mang tính học thuật nên luận văn chỉ tập trung nghiên cứu chế tạo mạch khuếch đại công suất tại băng tần 2.4GHz Phần module xử lý tín hiệu video có công suất ngõ ra 10dBm tại băng tần 2.4GHz, sử dụng module có sẵn trên thị trường Do đó, luận văn chỉ nghiên cứu và trình bày sơ bộ về hệ thống máy phát tín hiệu vô tuyến điện, làm rõ chức năng của từng khối chính trong hệ thống và tầm quan trọng của bộ khuếch đại công suất Qua đó nêu bật được lý do tại sao lựa chọn nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch khuếch đại công suất

Chi tiết hơn luận văn đã nghiên cứu các thành phần cấu tạo nên mạch khuếch đại công suất như: các đặc điểm của transistor công suất cụ thể là transistor hiệu ứng

trường (FET: Field Effect Transistor) dùng công nghệ Gallium Nitride (GaN),

microtrip line và các thành phần thụ động như: tụ điện, điện trở và cuộn cảm Việc thiết kế và chế tạo mạch sẽ không thành công nếu các đáp ứng phi tuyến của các thành phần này không được nghiên cứu, khảo sát kỹ và được lựa chọn phù hợp Đồng thời, các thông số liên quan đến mạch khuếch đại công suất như: độ ổn đinh, độ lợi, hiệu xuất, công suất ngõ ra, đặc điểm tín hiệu lớn của trasistor, hiện tượng méo phi tuyến, hệ số phản xạ ngõ vào,… cũng được nghiên cứu để đánh giá mạch khi thiết kế và đo đạc thực tế

Để thiết kế được một mạch khuếch đại công suất với các yêu cầu về độ lợi, hiệu suất và công suất ngõ ra cụ thể sẽ có nhiều phương pháp khác nhau tùy thuộc vào cách tiếp cận vấn đề của từng cá nhân Đặc biệt, trong khuôn khổ thời gian giới hạn và yêu cầu chế tạo mạch đòi hỏi rất nhiều thời gian và chi phí để thực hiện, cũng như thời gian và công sức để kiểm tra, đo đạc, hiệu chỉnh và chế tạo lại mạch nhằm đạt được yêu cầu đặt ra Do đó, luận văn không đi sâu trình bày lại các lý thuyết liên quan đến mạch siêu cao tần đã được đề cập nhiều và chi tiết trên các sách của nhiều tác giả Luận văn chỉ tập trung làm rõ các vấn đề có liên quan đến việc chế tạo một

mạch khuếch đại công suất cụ thể Trình bày phương pháp thực hiện, đi sâu làm rõ từng bước thiết kế, đưa ra các chú ý dựa trên các kinh nghiệm trong quá trình thiết kế, chế tạo và kiểm tra đo đạc Giải thích cụ thể các kết quả thu được và so sánh với kết quả mô phỏng nhằm có những nhìn nhận đánh giá mạch trên thực tế

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Do chọn phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu nên luận văn tập trung vào các vấn đề có liên quan để chế tạo thành công mạch khuếch đại công suất với các yêu cầu cụ thể đề ra Luận văn đã xem xét cẩn thận các vấn đề có liên quan đến mạch khuếch đại công suất, tham khảo, tìm hiểu các phương pháp chế tạo một loại mạch khuếch đại công suất cụ thể, tìm kiếm, tập hợp các linh kiện cần thiết và chế tạo mạch Bên cạnh đó cũng có sự giản lược các mô phỏng và các tính toán trên nhiều phương pháp chế tạo khác nhau nhằm tập trung tối ưu hướng chế tạo mạch đã chọn dù có thể đây không phải là phương pháp cho ra kết quả tốt nhất, điều này nhằm giảm thiểu thời gian tính toán mô phỏng để tập trung vào chế tạo mạch Vì như đã đề cập ở phần trên trong lĩnh vực chế tạo mạch khuếch đại siêu cao tần có một khoảng cách rất xa giữa kết quả tính toán mô phỏng và mạch chế tạo thực tế Việc thành công trong tính toán mô phỏng với những kết quả tốt nhất thường phải trả giá bằng sự phức tạp trong thiết kế, có thể không đảm bảo được sự thành công trong chế tạo mạch Quá trình nghiên cứu có thể chia thành hai giai đoạn như sau:

- Giai đoạn mô phỏng mạch: Nghiên cứu nắm vững các lý thuyết về mạch khuếch đại đồng thời tập trung tìm kiếm và tham khảo các bài báo khoa học và các luận văn đã thiết kế thành công mạch khuếch đại công suất Đề ra các yêu cầu về độ lợi, hiệu suất, công suất ngõ ra cụ thể, phù hợp với yêu cầu thực tế và gần tối ưu nhất với mục tiêu của đề tài luận văn Tìm kiếm và chọn lựa được transistor phù hợp Dùng model transistor để mô phỏng, qua đó tính toán mạch phối hợp trở kháng ngõ vào và ngõ ra, đồng thời tính toán thiết kế mạch phân cực transistor So sánh các kết quả thu được và các yêu cầu đề ra nếu chưa đạt thì tiến hành mô phỏng lại bằng việc thay đổi các thông số mạch có mối quan hệ tương quan với nhau sao cho đạt được gần tối ưu nhất với yêu cầu đặt ra

- Giai đoạn thi công mạch, đo đạc và hiệu chỉnh: Tập hợp các linh kiện để chế tạo mạch với các thông số đã được mô phỏng thành công Tiến hành đo đạc và kiểm tra hoạt động của mạch thực tế từng bước như quá trình mô phỏng So sánh các kết quả đạt được với kết quả mô phỏng để đánh giá

Trường hợp mạch không hoạt động hoặc kết quả thu được có sự sai khác quá lớn với kết quả mô phỏng, không đáp ứng được các yêu cầu đặt ra thì tiến hành mô phỏng và chế tạo lại theo các bước đã thực hiện ở mạch trước Cuối cùng, khi mạch đã hoạt động ổn định và các kết quả có thể chấp nhận được theo các yêu cầu đề ra thì tiến hành thử nghiệm mạch với bộ truyền video để đánh giá khả năng hoạt động của mạch trên ứng dụng thực

1.5TÓM TẮT CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN

Có thể tìm thấy các luận văn và bài báo nghiên cứu, chế tạo mạch khuếch đại siêu cao tần trên các băng tần và mức công suất khác nhau Tuy nhiên, do tính phi tuyến của các thành phần cấu tạo mạch theo tần số và sự tương tác điện từ trường phức tạp giữa các thành phần mạch, chỉ cần có sự thay đổi về yêu cầu thiết kế hoặc kỹ thuật thiết kế mạch cũng sẽ dẫn đến sự khác nhau trong thiết kế, mô phỏng và chế tạo mạch Vì vậy, luận văn lựa chọn một số bài báo và luận văn có liên quan đến việc chế tạo mạch khuếch đại dùng transistor được chế tạo trên công nghệ GaN hoặc các công trình có liên quan đến việc chế tạo mạch khuếch đại có công suất từ 1W (30dBm) đến 10W (40 dBm) để tham khảo và tìm hướng đi thích hợp cho luận văn như các công trình tiêu biểu sau đây:

- Luận văn thạc sĩ: “Design of a wide band 10W GaN power amplifier” của Muhammed Hakan Yilmaz, năm 2011: Thiết kế và chế tạo mạch khuếch đại công suất có băng thông hoạt động từ 1.5GHz đến 3GHz dùng transistor GaN-HEMT CGH4010F của Cree

- Bài báo: “2.4GHz Microwave Power Amplifier” của các tác giả Adrian Borja, Bill Hermann và Brian Standley năm 2009 Bài báo miêu tả các bước thiết kế mô phỏng mạch khuếch đại công suất tại tần số 2.4GHz dùng MOSFET chip MRF6S23140H

- Luận văn tiến sĩ: “RF Power Amplifier for Wireless Communication”, Manuel Yarlequé, 2008 Tập trung nghiên cứu chế tạo mạch khuếch đại Doherty (kỹ thuật tải động) và mạch khuếch đại lớp E hiệu suất cao cho Wimax băng tần 3.5GHz

1.6 KẾT LUẬN

Bộ truyền video không dây tầm xa đang cần được áp dụng tại Việt Nam để tăng hiệu quả trong công tác tìm kiếm cứu nạn sau thiên tai Trên thế giới các robot bay không người lái có khả năng quan sát và tìm kiếm trên vùng phủ rộng đang dần được áp dụng và cho hiệu quả rất cao trong công tác tìm kiếm cứu nạn Hiện tại, ở Việt Nam các máy bay không người lái có tích hợp các bộ thu phát tín hiệu video không dây chỉ có tầm hoạt động dưới 1km và thường được xem như các trò chơi giải trí Công suất phát của các thiết bị dạng này khoảng dưới 10dBm Từ việc nghiên cứu sơ đồ phần RF của máy phát có thể thấy sự khác biệt giữa hai máy phát có tầm hoạt động khác nhau nằm ở bộ khuếch đại công suất Các phần xử lý tín hiệu baseband thường sử dụng mức tín hiệu rất thấp để tiết kiệm năng lượng và có cấu trúc gần tương tự nhau Tuy nhiên, các bộ khuếch đại công suất ở các tần số siêu cao tần có công suất trên 30dBm (1W) hiện chưa sẵn có tại Việt Nam mà vẫn phải mua từ nước ngoài với giá thành cao Ngay cả linh kiện dùng cho chế tạo mạch ở lĩnh vực siêu cao tần như: điện trở, tụ điện, cuộn dây, connector, board mạch in và transistor, cũng không có trên thị trường Việt Nam Do đó, đề tài chỉ tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ khuếch đại công suất tại băng tần 2.4GHz để mở rộng vùng phủ cho module truyền video tầm ngắn, nhằm tập trung nghiên cứu chuyên sâu vào lĩnh vực chế tạo mạch khuếch đại siêu cao tần Việc chế tạo thành công mạch khuếch đại công suất tại băng tần 2.4GHz để tăng khoảng cách truyền thông cho module truyền tín hiệu video sẽ mang nhiều ý nghĩa học thuật và thực tế

2

CHƯƠNG

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT VÀ SUY HAO TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN

Tóm tắt: Sơ đồ nguyên lý máy phát và nguyên lý hoạt động của phần RF (Radio

Frequency) trong một máy phát vô tuyến là tương tự nhau ở các dải tần số khác nhau, nhưng nắm rõ các vấn đề này sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo của đề tài Chế tạo các thành phần RF trong một máy phát siêu cao tần sẽ khó khăn hơn khi kích thước mạch có thể so sánh với bước sóng của tần số thiết kế, do sự phi tuyến và sự tương tác điện từ trường rất phức tạp của các thành phần mạch Do đó, chương này chỉ trình bày sơ lược cấu tạo các khối chức năng trong phần RF của một máy phát siêu cao tần để có cái nhìn tổng quan về tầm quan trọng và đặc điểm của từng khối Thông qua sự trình bày sơ lược này, cũng có thể thấy được vai trò nổi bật của bộ khuếch đại công suất trong phần RF của một hệ thống máy phát vô tuyến Đây là mục tiêu đầu tiên trong nghiên cứu về hệ thống máy phát vô tuyến siêu cao tần mà chương này muốn trình bày

Bên cạnh đó, chương này cũng dành thời gian nghiên cứu phương pháp tính toán suy hao trên đường truyền không gian tự do giữa máy phát và máy thu để có cái nhìn cơ bản về sự tương quan của các yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách truyền thông Các công thức tính toán được trình bày có thể dự đoán được phần nào độ lợi cần thiết trên mạch thực tế Đồng thời một lần nữa nêu bật được tầm quan trọng của mạch khuếch đại công suất, một trong những thông số quan trọng của máy phát vô tuyến Tuy nhiên, sự suy hao tín hiệu vô tuyến điện trong không gian là rất phức tạp, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: môi trường, địa hình, thời tiết, dải tần số,

kiểu điều chế Vỡ vậy, luận văn khụng đi sõu nghiờn cứu mà chỉ trỡnh bày sơ lược vấn đề này để tập trung nghiờn cứu, thiết kế và chế tạo mạch khuếch đại cụng suất tại băng tần 2.4 GHz, nhằm đảm bảo tớnh chuyờn sõu của luận văn

2.1 SƠ ĐỒ NGUYấN Lí MÁY PHÁT

Dự cú nhiều mụ hỡnh trong thực tế nhưng sơ đồ nguyờn lý của phần RF ở hầu hết cỏc hệ thống truyền thụng khụng dõy ngày nay cú nhiều điểm giống nhau [1] Sơ đồ

khối phần RF của một mỏy phỏt vụ tuyến được minh họa ở Hỡnh 2.1

Hỡnh 2.1: Sơ đồ nguyờn lý mỏy phỏt [1]

Dữ liệu (data) ngừ vào cú thể là õm thanh, video hay những thụng tin khỏc Những

dữ liệu này thường được xem như là tớn hiệu baseband Chức năng cơ bản của mỏy

phỏt vụ tuyến là điều chế (modulate), hay mó húa thụng tin baseband thành tớn hiệu

súng sin tần số cao để cú thể được phỏt đi bởi anten Điều chế tớn hiệu baseband thành tớn hiệu súng sin tần số cao là do ở tần số cao hơn cú thể phỏt xạ và dựng phổ tần số vụ tuyến điện hiệu quả hơn [1] Đầu tiờn mỏy phỏt dựng dữ liệu baseband

điều chế thành một tớn hiệu súng sin trung tần (IF: Intermediate Frequency), bước

này cú thể bao gồm cả hai phương phỏp điều chế số và tương tự với chức năng thay đổi biờn độ, tần số hay pha của một súng sin Ngừ ra của bộ điều chế là tớn hiệu trung tần trong khoảng từ 10MHz đến 100MHz Tớn hiệu trung tần sau đú được biến

đổi lờn tới tần số truyền mong muốn dựng một bộ trộn tần (mixer) Bộ lọc dải thụng

(BPF: Band Pass Filter) cho phộp tần số mong muốn đi qua và loại bỏ cỏc thành

phần tần số khỏc Thụng thường tớn hiệu tại ngừ ra của bộ lọc dải thụng thường rất nhỏ, do đú để cú thể truyền đi được, tớn hiệu này cần phải được khuếch đại đủ lớn để cú thể đạt được khoảng cỏch mong muốn Bộ khuếch đại cụng suất được dựng để

AntenBộ khuếch

đại công suấtBộ lọc

dải thôngBộ trộn

tầnBộ lọc

trung tần(IF)Bộ điều

chếDữ

liệungõvào

Bộ daođộng nội

tăng công suất của tín hiệu tại ngõ ra của máy phát Cuối cùng, anten biến đổi tín hiệu sóng mang đã được điều chế từ máy phát thành một sự lan truyền trường điện từ sóng phẳng

Bộ dao động (Oscillator) được sử dụng trong hệ thống máy thu phát không dây để

cung cấp sự biến đổi tần số và để cung cấp nguồn tín hiệu sin cho điều chế Máy phát tiêu chuẩn dùng từ bốn đến sáu bộ dao động, với những dải tần từ vài KiloHertz đến vài GigaHertz Thường những nguồn này phải có thể điều chỉnh được trên dải tần số thiết lập và phải cung cấp tần số ngõ ra rất chính xác [1]

Bộ dao động đơn giản dùng một transistor với một mạng LC để điều khiển tần số dao động Tần số có thể được điều chỉnh bằng việc tinh chỉnh giá trị của mạng LC Những bộ dao động LC khá đơn giản và rẻ tiền, nhưng không ổn định do sự thay đổi nguồn cung cấp, trở kháng tải hoặc nhiệt độ Điều khiển tần số tốt hơn có thể đạt được bằng việc thay thế bộ cộng hưởng LC bằng bộ dao động tinh thể thạch anh Một bộ dao động điều khiển thạch anh có thể cung cấp tần số ngõ ra rất chính xác nếu thạch anh được đặt trong môi trường nhiệt độ kiểm soát được Tuy nhiên, bộ dao động thạch anh không dễ để điều chỉnh tần số Một giải pháp cho vấn đề này

là vòng khóa pha (phase-locked loop), dùng một mạch điều khiển hồi tiếp và một

nguồn tham khảo chính xác để cung cấp một ngõ ra có thể điều chỉnh được với độ chính xác rất cao Vòng khóa pha, những mạch cung cấp độ chính xác và những tần

số điều chỉnh ngõ ra được gọi là bộ tổng hợp tần số (frequency synthesizer)

Bộ trộ tần (Mixer) là một thành phần 3-port với hình thức lý tưởng là sự tổng hợp

và sai khác tần số từ hai ngõ vào sin Đây là chức năng quan trọng để biến đổi tín hiệu baseband đến tần số cần truyền ra không gian Đối với máy phát, tín hiệu baseband đã điều chế được biến đổi lên tần số cao hơn bằng việc trộn với tín hiệu của bộ dao động nội tần số cao Bộ lọc được sử dụng để chọn lựa tần số mong muốn và loại bỏ các thành phần tần số không mong muốn

Việc tính toán thiết kế và chế tạo bộ trộn tần ở các tần số siêu cao tần rất phức tạp

và thường không thể được chế tạo như ở các tần số HF (High Frequency) Bộ trộn tần ở các tần số siêu cao tần thực tế như Hình 2.2

Hình 2.2: Bộ trộn tần (Nguồn: http://micro.apitech.com/mixer.aspx#)

Bộ lọc (Filter) là thành phần hai port được dùng để chọn lựa (cho qua hay loại bỏ) những tín hiệu trên tần số cơ bản Một bộ lọc thông thấp lý tưởng (LPF: Low Pass

Filter) sẽ cho qua tất cả các thành phần tần số bên dưới tần số cắt (cutoff) của nó, và

loại bỏ thành phần tần số cao Tương tự, một bộ lọc thông cao (HPF: High Pass

Filter) sẽ cho qua thành phần tần số trên tần số cắt của nó và loại bỏ thành phần tần

số thấp Một bộ lọc dải thông BPF cho qua các thành phần tần số trong một dải thông hẹp và loại bỏ thành phần tần số ngoài dải thông

Bộ lọc ở các dải tần số siêu cao tần thường không dùng các thành phần thụ động như tụ điện, điện trở và cuộn dây do tính phi tuyến của các thành phần này Giá trị các của các thành phần thụ động thông thường sẽ thay đổi không tuyến tính ở các tần số siêu cao tần Hiện nay, trong lĩnh vực chế tạo mạch siêu cao tần mới chỉ có tụ điện được dùng phổ biến do công nghệ chế tạo đáp ứng được các yêu cầu trong thiết kế mạch Do đó, thiết kế bộ lọc siêu cao tần thường dùng các đường dây stripline bằng cách dựa vào các mô hình tương đương như một vài trường hợp được minh

họa ở Hình 2.3 Việc tính toán, thiết kế và chế mạch tuy không phải dùng các thành

phần tích cực như ở mạch khuếch đại nhưng cũng rất phức tạp và yêu cầu độ chính xác rất cao do tương tác điện từ trường giữa các phần tử mạch theo cả chiều ngang

(horizontal) lẫn chiều đứng (vertical)

Hình 2.3: Sự tương đương giữa các đường dây stripline và các phần tử thụ động

(Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Distributed_element_filter)

Bộ khuếch đại công suất (PA: Power Amplifier), được đặt tại ngõ ra anten của máy

phát để tăng công suất phát Những đặc điểm quan trọng của bộ khuếch đại công

suất bao gồm: độ lợi công suất (power gain), điểm chắn (intercept point), điểm nén 1dB (1dB compression point) và hiệu suất Vì transistor không tuyến tính, bộ

khuếch đại dùng transistor sẽ cho ảnh hưởng không tuyến tính Hai hiện tượng quan

trọng xuất hiện trong bộ khuếch đại do những ảnh hưởng này là sự bão hòa

(saturation) và méo hài (harmonic distortion) Tại mức tín hiệu thấp công suất ngõ

ra của một bộ khuếch đại cân bằng tuyến tính với công suất ngõ vào Nhưng vì điện thế ngõ vào của bộ khuếch đại không thể vượt quá mức điện thế phân cực, công suất ngõ ra dần dần đạt đến điểm bão hòa khi công suất ngõ vào tăng

Một vấn đề phổ biến của bộ khuếch đại công suất là hài của tín hiệu ngõ vào được phát tại ngõ ra của một bộ khuếch đại, và trong trường hợp có nhiều tần số, tín hiệu

ngõ vào của một vài hài này sẽ thuộc tần số cho qua của bộ khuếch đại Những hài này sẽ dẫn đến méo hài Thông thường mức công suất của những méo hài này rất thấp nhưng mức công suất của một vài sản phẩm méo này tăng lũy thừa ba theo mức tín hiệu ngõ vào, do đó khi tín hiệu ngõ vào tăng thì sản phẩm này tăng rất nhanh Trong thực tế mức méo thấp dưới 50 dBc đến 80 dBc so với mức tín hiệu ngõ vào là có thể chấp nhận được [1]

Đặc trưng của máy phát vô tuyến là bộ khuếch đại công suất, hầu hết các thành phần RF của máy phát sẽ được sử dụng lại tại máy thu trừ bộ khuếch đại công suất

tại máy phát sẽ được thay thế bằng bộ khuếch đại tạp nhiễu thấp (LNA: Low Noise

Amplifier) tại máy thu Bộ khuếch đại công suất sẽ quyết định khoảng cách truyền

thông của máy phát thông qua công suất phát Tùy vào yêu cầu sử dụng và quy định công suất phát của từng quốc gia trên từng băng tần mà máy phát sẽ có công suất từ vài chục mW đến vài chục kW Việc cần nhiều năng lượng để lan truyền sóng điện từ trong không gian làm cho bộ khuếch đại công suất tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong một hệ thống máy phát vô tuyến Trong xu hướng truyền thông di động như hiện tại thì vấn đề hiệu suất của một hệ thông máy phát cũng là một vấn đề quan trọng cần xem xét Tần số càng cao đồng nghĩa với việc suy hao trong không gian càng lớn Tuy nhiên, tại các tần số siêu cao tần khi bước sóng giảm xuống chỉ còn vài cm thì việc thiết kế thành công các bộ khuếch đại có công suất lớn, hiệu suất cao là rất khó khăn và đắt tiền Vì vậy, có thể nói bộ khuếch đại công suất là thành phần quan trọng trong một hệ thống máy phát vô tuyến thương mại ngày nay

Chế tạo mạch khuếch đại công suất yêu cầu độ phức tạp cao do phải kết hợp phần tử tích cực (transistor) với các phần tử thụ động và các đường stripline để phối hợp trở kháng Sự tương tác điện từ trường cùng tính không tuyến tính của các phần tử mạch làm cho sự sai lệch giữa kết quả tính toán mô phỏng với kết quả đo mạch thực tế là không thể dự đoán Sự sai khác này có thể là nguyên nhân dẫn đến sự bất ổn định hoặc mạch không hoạt động Do đó, đòi hỏi cần phải có nhiều kinh nghiệm trong chế tạo và đo đạc mạch để giảm thiểu các sai khác so với mô phỏng nhằm đảm bảo mạch được thiết kế thành công

2.1.5 Anten

Chức năng của anten là chuyển đổi một tín hiệu RF từ máy phát thành sóng điện từ truyền đi hay ngược lại chuyển đổi sóng lan truyền trong không gian thành một tín hiệu RF ở máy thu Một đặc tính quan trọng của tất cả anten là những quan hệ ràng buộc giữa tần số hoạt động, kích thước và độ lợi của anten Do bản chất hoạt động điện từ của một anten, hiệu suất phát xạ của một tín hiệu yêu cầu anten phải có kích thước vật lý nhỏ nhất tương ứng với bước sóng (λ = c/f) tại tần số hoạt động Điều này nghĩa là kích thước anten giảm khi tần số tăng, vì thế anten tại tần số thấp có kích thước lớn, trong khi anten tại những tần số siêu cao tần và cao hơn có thể rất nhỏ Tuy nhiên, độ lợi của anten lại cân bằng với vùng mặt cắt ngang của nó chia cho λ2, vì thế độ lợi anten cao yêu cầu một anten có diện tích tính điện lớn [1] Một anten độ lợi thấp dùng cho GPS tại tần số 1.575,42 MHz có thể chỉ một vài inche

vuông như Hình 2.4, trong khi đó một anten parabol độ lợi cao dùng cho truyền

thông viba băng tần 1.427 – 1.530 MHz có thể có đường kính vài mét

Hình 2.4: Anten GPS phổ biến trên thị trường

2.2 SUY HAO TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN

Tính toán suy hao trên đường truyền để dự đoán công suất phát là một lĩnh vực phức tạp do sự tác động của nhiều yếu tố không theo một quy luật nhất định và phụ thuộc vào đặc điểm của từng khu vực khảo sát cụ thể Các kết quả tính toán thường cần thêm các kết quả đo thực nghiệm để hiệu chỉnh Khuyến nghị ITU-R P.1546-5

tháng 9/2013 “Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30MHz to 3000MHz”, là một trong những tài liệu đang được dùng ở Việt Nam để khảo sát dự đoán vùng phủ của các hệ thống truyền thông không dây Tuy nhiên, việc nghiên cứu và khảo sát các phương pháp tính toán theo khuyến nghị ITU P.1546-5 đòi hỏi nhiều thời gian và kết quả khảo sát thực nghiệm, điều này nằm ngoài mục tiêu nghiên cứu của luận văn Do đó, luận văn chỉ nghiên cứu và trình bày các công thức tổng quát để dự đoán phần nào độ lợi cần thiết kế của hệ thống và bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng do môi trường, địa hình, thời tiết

Phương trình Friis không gian tự do được cho bởi biểu thức:

2

d là khoảng cách giữa máy thu và máy phát λ là chiều dài bước sóng tính bằng met

Phương trình Friis không gian tự do cung cấp sự dự đoán cường độ tín hiệu nhận được khi giữa máy phát và máy thu không có vật cản Phương trình Friis ngụ ý rằng để tăng khoảng cách truyền giữa máy phát và máy thu có thể tăng công suất phát hoặc tăng độ lợi anten hoặc giảm tần số phát Tuy nhiên, trên thực tế không thể điều chỉnh tất cả các giá trị này cùng lúc để tăng khoảng cách truyền thông mà luôn phải có sự cân nhắc cẩn thận để có sự hài hòa giữa các giá trị nhằm đạt được yêu cầu khoảng cách đề ra Một số vấn đề thực tế đặt ra như sau:

Thứ nhất, hiện tại phổ tần số vô tuyến điện đang rất khan hiếm Các băng tần số được phân bố và sử dụng ở Việt Nam đặc biệt là các băng tần HF và VHF/UHF đã không còn chỗ trống Bên cạnh đó, tại các tần số VHF/UHF thì băng thông phân bổ cho các nghiệp vụ thường nhỏ điều này sẽ hạn chế rất nhiều đến tốc độ truyền nếu không muốn nói là không thể được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi truyền thông

tốc độ cao băng thông rộng hiện nay như truyền video chất lượng cao Do đó, xu hướng nghiên cứu và ứng dụng trên các dải tần số siêu cao tần là tất yếu trong hiện tại và tương lai

Thứ hai, tần số càng cao đồng nghĩa với việc thiết kế các bộ khuếch đại có công suất lớn càng khó khăn Tại các tần số siêu cao tần có bước sóng vài cm thì công việc lại càng khó khăn phức tạp và tốn nhiều chi phí Sự lan truyền sóng điện từ trên bo mạch và giữa các phần tử mạch là không thể dự đoán Có thể nói việc tăng công suất máy phát tại các tần số siêu cao tần cũng cần cân nhắc kỹ lưỡng để có thể đạt được hiệu quả tốt nhất với chi phí hợp lý

Thứ ba, tăng độ lợi anten phát là một giải pháp có thể xem xét khi tần số càng cao thì kích thước anten càng nhỏ và là một thuận lợi cho các thiết bị di động yêu cầu kích thước nhỏ gọn Tuy nhiên, độ lợi anten lại tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt tính điện, vì vậy tăng độ lợi anten đồng nghĩa với việc tăng kích thước anten Như vậy, việc tăng độ lợi anten chỉ phù hợp cho các trạm thu phát sóng cố định còn gần như không được áp dụng cho các thiết bị đòi hỏi tính linh động cao

Các phân tích ở trên có thể cho thấy khó khăn trong việc thiết kế và xây dựng các hệ thống truyền thông không dây tầm xa tại các tần số siêu cao tần Tùy thuộc vào yêu cầu xây dựng hệ thống và đặc điểm riêng của từng ứng dụng cụ thể mà người thiết kế sẽ xây dựng hệ thống phù hợp trên cơ sở xem xét và tính toán kỹ lưỡng để kết hợp các ưu điểm và nhược điểm của từng yếu tố Ngoài ra, bên cạnh các yêu cầu xây dựng hệ thống về mặt kỹ thuật cũng cần xem xét đến các yếu tố về giá thành và hiệu suất hoạt động của hệ thống để đảm bảo sự thành công của mạch khi được áp dụng thực tế

Ngoài các phân tích ở trên, dựa vào phương trình Friis có thể suy ra rằng để tăng khoảng cách giữa máy thu và máy phát có thể tăng độ nhạy tại máy thu Tuy nhiên, việc tăng công suất tại máy phát sẽ mang tính chủ động hơn tăng độ nhạy máy thu Đối với máy thu, thông thường các nhà sản suất luôn chủ đông tích hợp các mạch khuếch đại tạp nhiễu thấp nhằm tăng độ nhạy máy thu vì chi phí chế tạo khá rẻ và mức công suất tiêu thụ của mạch khuếch đại tạp nhiễu thấp thường không ảnh

hưởng nhiều đến mức công suất tiêu thụ của toàn mạch Từ những phân tích trên có thể thấy việc chọn lựa mạch khuếch đại công suất để tăng khoảng cách truyền thông sẽ đảm bảo tính chủ động và đảm bảo khoảng cách truyền thông theo yêu cầu

Luận văn trình bày suy hao trên đường truyền để có thêm cái nhìn về tương quan giữa công suất phát và khoảng cách truyền thông Như đã trình bày, luận văn không đi sâu nghiên cứu và phân tích phần này Các công thức được trình bày mang tính chung nhất cho mọi trường hợp Vì vậy, chỉ có thể cho các kết quả mang tính dự đoán tương đối

Xét Hình 2.4 với nguồn được đặt tại khoảng cách tham khảo d = 0 Công suất tại

khoảng cách d0, d1, và d2 được ký hiệu theo thứ tự P0, P1, và P2 Nếu d0 là trong trường xa, khi đó với bất kỳ khoảng cách lớn hơn d0, công suất nhận được có thể là:

2

Hình 2.5: Công suất tại các khoảng cách khác nhau [2]

Suy hao trên đường truyền theo dB từ d1 đến d2 là

tõ nguånPt

P1

hay

thường 2 ≤ 𝑛 ≤ 6 Giá trị n thường dựa vào các tính toán và khảo sát thực nghiệm trên các địa hình và môi trường thực tế Ngoài trường hợp n = 2 tương đương với suy hao trong không gian tự do, các trường hợp 2 < n < 6 sẽ phải tính toán thống kê rất phức tạp trên số liệu đo đạc thực tế tại một khu vực nhất định và không thể được nhân rộng Vì vậy, luận văn chỉ dừng lại ở phần nghiên cứu sơ lược để thấy rõ tính phức tạp của vấn đề nhằm dành thời gian để nghiên cứu theo mục tiêu đã đặt ra

2.3 KẾT LUẬN

Chương này đã trình bày sơ lược về nguyên lý hoạt động của các khối chức năng thuộc phần RF trong hệ thống máy phát cao tần và sự suy hao của tín hiệu vô tuyến điện trên đường truyền không gian tự do Chức năng của từng khối trong phần RF của hệ thống máy phát và cách thức một tín hiệu baseband được xử lý qua từng khối chức năng đã được khảo sát Thông qua đó nêu bật được vai trò quan trọng của bộ khuếch đại công suất trong một hệ thống máy phát vô tuyến Ngoài ra, việc khảo sát sự suy hao của tín hiệu vô tuyến điện nhằm dự đoán độ lợi cần thiết theo yêu cầu đề tài đặt ra và có cái nhìn tổng quát về các yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách truyền thông Đây là những kiến thức nền tảng cần nghiên cứu trước khi đi sâu vào nghiên cứu và thiết kế chi tiết mạch khuếch đại công suất siêu cao tần

3

CHƯƠNG

TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG VÀ CÁC PHẦN TỬ THỤ ĐỘNG

Tóm tắt: Không giống như các mạch khuếch đại tần số thấp, mạch khuếch đại siêu

cao tần có yêu cầu về linh kiện nghiêm ngặt hơn rất nhiều Do tính phi tuyến của transistor và các phần tử thụ động như tụ điện, điện trở, cuộn dây và các đường stripline ở các tần số siêu cao tần, nên để đơn giản đáp ứng của mỗi phần tử này được thay bằng bộ thông số tán xạ S đặc trưng cho đặc tính ngõ vào và ngõ ra Các bộ thông số S này là kết quả đo trên linh kiện và đặc trưng cho từng dòng linh kiện riêng biệt cho dù về mặt lý tưởng chúng cùng loại và có cùng giá trị Một điểm đáng chú ý ở linh kiện siêu cao tần là tần số hoạt động vì mỗi dòng linh kiện chỉ có một dải tần số hoạt động nhất định Kinh nghiệm thiết kế và chế tạo mạch cho thấy cần phải lựa chọn được các loại linh kiện phù hợp và tìm đủ các bộ thông số S của các linh kiện này, trước khi tiến hành thiết kế mạch để tránh những sai lệch không thể kiểm soát, có thể là nguyên nhân thiết kế lại từ đầu gây tốn kém và mất nhiều thời gian Do đó, cần phải xem xét và lựa chọn thật kỹ linh kiện trước khi bắt tay vào thiết kế và chế tạo mạch thực tế

Ngoài ra, trong điều kiện các linh kiện siêu cao tần không sẵn có ở Việt Nam cũng như trên thực tế các transistor cao tần công suất cao (trên 5 W) đôi khi không thể mua trực tuyến từ nước ngoài do nhà cung cấp không hỗ trợ vận chuyển đến Việt Nam Do đó, luận văn nghiên cứu và trình bày các vấn đề liên quan đến đặc điểm của FET, microtrip line và các thành phần thụ động như là phần thứ hai trong quá trình nghiên cứu mạch khuếch đại siêu cao tần Đây là yếu tố đầu tiên và tiên quyết góp phần vào sự thành công của luận văn cũng như đảm bảo được tiến trình nghiên cứu và chế tạo mạch

Bên cạnh đó, chương này đề cập sơ lược các công thức tính toán phối hợp trở kháng dùng single stub Phối hợp trở kháng là một trong những phần quan trọng trong thiết kế mạch nhằm tối ưu hóa công suất tín hiệu tại ngõ vào transistor và tại ngõ ra của mạch khuếch đại Tuy nhiên, do phương pháp dùng đồ thị Smith cho kết quả tốt và được phần mềm mô phỏng Advance Design System (ADS) hỗ trợ Vì vậy, luận văn không đi sâu trình bày vấn đề này mà sẽ áp dụng trực tiếp trên phần mềm ADS để lựa chọn phương án tối ưu tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế mạch

3.1 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG

Transistor hiệu ứng trường là đơn cực, với chỉ một kênh mang lỗ trống hay mang electron cung cấp dòng điện qua transistor: FET kênh-n mang electron, trong khi FET kênh-p chứa lỗ trống Thêm vào đó, FET là thiết bị điều khiển bằng điện thế,

dòng điện từ cực S (Source) đến cực D (Drain) được điều chỉnh thông qua việc thay đổi điện thế cực G (Gate) Khi hoạt động đúng, FET phải được phân cực tại một

điểm hoạt động với dòng phù hợp Điện thế phân cực DC phải được áp vào cả hai cực G và cực D, mà không được làm nhiễu loạn đường tín hiệu RF Điều này có thể được thực hiện với mạch phân cực và mạch điện tách rời nguồn cung cấp lưỡng

cực, như Hình 3.1 Cuộn dây L cung cấp một điện trở DC rất nhỏ khi phân cực, và

một trở kháng rất cao tại những tần số RF để cô lập tín hiệu đến nguồn phân cực Tương tự, tụ điện C tách rời ngõ vào và ngõ ra để ngăn DC đi vào ngõ vào hoặc ngõ ra của mạch trong khi vẫn cho phép tín hiệu RF đi qua Đây yêu cầu chung của mạch phân cực transistor cần được quan tâm để sử dụng đúng

+VD

Transistor hiệu ứng trường có nhiều dạng, bao gồm Metal Semiconductor FET

(MESFET), Metal Oxide Semiconductor FET (MOSFET), High Electron Mobility Transistor (HEMT), và Pseudomorphic HEMT (PHEMT) Công nghệ transistor

FET đã phát triển hơn 50 năm – mối nối FET đầu tiên được phát triển vào những năm 1950 và HEMT được đề suất vào đầu những năm 1980 Gallium Arsenide (GaAs) MESFET là transistor được dùng chung nhiều nhất cho siêu cao tần và các ứng dụng sóng cực ngắn có bước sóng hàng milimet, tần số lên đến 60GHz Thậm chí có thể đạt được tần số hoạt động cao hơn với GaAs HEMT GaAs MESFET và HEMT đặc biệt được dùng cho mạch khuếch đại nhiễu thấp vì những transistor này có chỉ số nhiễu rất thấp (dưới 1dB) [4] Gần đây sự phát triển của GaN rất phù hợp cho mạch khuếch đại yêu cầu công suất cao tại các tần số siêu cao tần Công nghệ Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) FET đang được sử dụng rất nhiều cho mạch tích hợp RF, cung cấp mức tích hợp cao với chi phí thấp và ít tiêu

thụ công suất cho các ứng dụng không dây thương mại Bảng 3.1 tóm tắt đặc tính

hoạt động của một số loại transistor siêu cao tần phổ biến nhất

Bảng 3.1: Những đặc tính hoạt động của transistor siêu cao tần [4]

Loại transistor BJT

Si

HBT SiGe

CMOS Si

MESFET GaAs

HEMT GaAs

HEMT GaN

Chỉ số nhiễu (dB) (tần số, GHz)

2.0 (2)

0.6 (8)

1 (4)

1 (10)

0.5 (12)

1.6 (6)

Trung bình

Khuếch đại công suất tại tần số siêu cao tần yêu cầu transistor có điện thế đánh thủng cao hay khả năng chịu dòng cao Trước đây, người ta đặt nhiều transistor song song để tăng tổng độ rộng của transistor hay dùng Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor (LDMOS) [5] Tuy nhiên, do sự giới hạn trong công nghệ và cấu trúc, dải tần số LDMOS bị giới hạn xấp xỉ 5GHz [5] Ở tần số cao hơn GaN là

lựa chọn hoàn hảo cho yêu cầu điện thế đánh thủng cao Được đề xuất đầu những năm 1990, cấu trúc của GaN được chế tạo như một transistor HEMT

Trong vật lý học chất bán dẫn, bandgap có liên quan đến năng lượng được yêu cầu để cho phép các electron tự do, từ quỹ đạo của nó xung quanh hạt nhân di chuyển qua cấu trúc lập thể Bandgap là thông số vật liệu quan trọng để cuối cùng xác định khối lượng electron di chuyển tự do và trường tính điện mà cấu trúc lập thể có thể chịu được, bandgap càng lớn các đặc tính này càng cao GaN có bandgap 3.4eV, là một giá trị khá lớn Điều này giải thích tại sao GaN được gọi là “chất bán dẫn bandgap rộng” GaAs có bandgap 1.4eV và Si chỉ có bandgap 1.1eV GaN trên SiC kết hợp khả năng cho mật độ công suất cao của GaN với tính dẫn nhiệt cao hơn và giảm mất mát RF của SiC GaN trên Si có hoạt động nhiệt yếu hơn và suy hao RF cao hơn nhưng có giá thành rẻ hơn [6]

Luận văn lựa chọn sử dụng GaN FET T2G6000528-Q3 của TriQuint có công suất tối đa 10W Tần số hoạt động đến 6GHz, với độ lợi tuyến tính tại 3.3GHz đạt 17dB Điện thế hoạt động 28V Công suất ngõ ra tại điểm nén 3dB đạt 9.2W (39.6dBm) với độ lợi 15.5dB

Cấu trúc hình học của một GaN FET như Hình 3.2.

Hình 3.2: Cấu trúc hình học của một GaN FET [6]

Cực G (Gate): là tầng kim loại dùng để điều khiển đặc tính điện của kênh electron

thông qua sự thay đổi điện thế

Hàng rào (Barrier): tầng bán dẫn ngăn cách cực G và kênh (channel) vì thế dòng

giữa kênh và cực G rất thấp Hàng rào điển hình được làm từ AlGaN, với độ tập trung Al từ 15% đến 28 % Độ tập trung Al càng cao, hàng rào cao hơn và khả năng

ChÊt b¸n dÉn

Hµng rµoKªnh§ÖmChÊt nÒnChÊt b¸n dÉn

tích điện từ kênh sẽ cao hơn Tích điện cao làm tăng dòng giữa cực D và cực S Tuy nhiên, tăng cấu tạo Al cũng làm tăng sức căng bên trong transistor, dẫn đến giảm độ tin cậy [6]

Kênh (Channel): là vùng nơi electron di chuyển từ cực G đến cực D Kênh điển

hình được làm từ GaN chất lượng cao với tính di động lớn và tốc độ bão hòa cao Tính di động và tốc độ bão hòa là hai thông số miêu tả độ nhanh của electron di chuyển bên trong khối lập thể Tính di động và tốc độ bão hòa cao hơn, dòng giữa cực D và cực S sẽ lớn hơn [6]

Đệm (buffer): vai trò của đệm là để ngăn chặn sự di chuyển của electron trong kênh

Nói cách khác, đệm hoạt động như một hàng rào ngăn chặn electron di chuyển “lang thang” bên trong chất nền Ở GaN FET, đệm thường được làm từ GaN được pha thêm tạp chất là cacbon (C) hay sắt (Fe)

Chất nền (Substrate): là tầng dưới cùng và dày nhất của cấu trúc theo chiều đứng

Chất nền cung cấp sự hỗ trợ mang tính cơ học, phát tán nhiệt và giam hãm điện tử GaN FET dùng chất nền là Si hoặc SiC mà không phải là GaN Do chất nền không phải là GaN nên lưới tinh thể mắt cáo khác hơn tầng đệm Điều này tạo ra sự hỗn loạn trong vật liệu và cuối cùng giảm sự cô lập điện tử giữa cực G và kênh Cấu trúc FET GaN trên SiC cũng có tính dẫn nhiệt cao hơn (vào khoảng 330W/mC so với xấp xỉ 145W/mC trên Si và 52W/mC với GaAs), cho phép GaN FET tiêu tán nhiều công suất hơn mà không tăng nhiệt độ transistor [6] Tuy nhiên, sự cô lập cực G sẽ thấp hơn do có một số lượng lớn sự hỗn độn trong vật liệu

Với đặc tính bandgap rộng, một transistor GaN có trường đánh thủng và có thể chịu đựng nhiệt độ hoạt động cao Trường đánh thủng của GaN (3.5MV/cm) cao hơn khoảng sáu lần của Si (0.6MV/cm) và GaAs (0.65MV/cm) [6] Điều này nghĩa rằng transistor GaN có thể chịu đựng điện thế lớn hơn để cung cấp công suất ngõ ra cao hơn trên cùng chu vi Hơn nữa, bandgap rộng hơn, nhiệt độ tới hạn cao hơn, do đó những transistor này có thể hoạt động tại nhiệt độ cao hơn so với Si và GaAs cùng loại Cùng với điện thế đánh thủng cao, mật độ công suất ngõ ra lớn cũng là một đặc điểm của transistor GaN Với giá trị tiêu biểu 10W/mm độ rộng cực G [6]

Transistor GaN HEMT được chế tạo bằng sự lắng đọng của tầng thụ động hóa

DC lớn tại cực D Sự đo đạc với ngõ vào RF lớn cho thấy sự giảm đáng kể dòng cực

D Điều này dẫn tới một sự tăng của điện trở và vì thế điện thế khuỷu (knee voltage)

Vknee bị nén tại ngõ ra Ảnh hưởng phân tán này được gọi là sự hạ dòng nhanh chóng hay sự đổ sụp dòng [5]

3.2 MICROSTRIP LINE

Microstrip line được dùng nhiều để chế tạo mạch siêu cao tần vì dễ dàng được chế

tạo bằng kỹ thuật in trực tiếp mạch lên board mạch in (PCB: Printed Circuit Board)

và linh kiện có thể dễ dàng lắp đặt trên bề mặt kim loại của nó Những đặc tính hoạt động vượt trội của microstrip line làm cho nó là một trong những trung gian quan trọng nhất cho sự truyền sóng trong công nghệ mạch siêu cao tần [4] Microstrip line được định nghĩa là một đường dây truyền sóng gồm có một dải dẫn sóng và

một mặt mass được ngăn cách bởi một điện môi ở giữa Hình 3.6 minh họa dạnh hình học của microstrip line Vật liệu điện môi dùng như là chất nền (substrate) và

được kẹp giữa dải dẫn sóng và mặt mass Quan hệ hằng số điện môi của chất nền εr, và ε bởi công thức ε = εrε0, với ε0 = 8,854.10-12F/m

Hình 3.3: Dạng hình học và cấu hình trường của microtrip line Ở hình (b) đường elip

biểu diễn từ trường và các đường còn lại biểu diễn điện trường [4]

Những vật liệu chất nền khác nhau sẵn có cho thiết kế và chế tạo microstrip line, có giá trị thực tế của εr trong dải từ 2 đến 10 Hai mặt của chất nền là hai tấm đồng

GroundChÊt nÒn®iÖn m«i

D¶i dÉn®iÖn

h

w

t

Chiều dày điển hình của tấm đồng từ ½ oz đến 2 oz (1oz = 35µm = 1.378mil) Giá trị của εr và độ dày điện môi (h) xác định độ rộng của microstrip line với một trở kháng Z0 cho trước Những thông số này cũng xác định tốc độ lan truyền sóng trên đường dây, và vì thế quyết định độ dày của đường dây Độ dày điện môi phổ biến là 20mil, 32mil và 60mil

Các tia điện từ trường trong microstrip line không đi hoàn toàn trong chất nền Nên các chế độ lan truyền sóng trong microstrip line không hoàn toàn là chế độ lan

truyền điện từ trường ngang (TEM: Transverse Electromagnetic mode) Khi giả sử gần TEM không còn hiệu lực, εff và Z0 là hàm của tần số và vì vậy, microstrip line trở nên phân tán [4] Vận tốc pha của microstrip line giản khi tần số tăng Vì thế,

và theo đó độ rộng hiệu dụng Weff(f) giảm Một biểu thức cho thấy ảnh hưởng của sự phân tán trong εff(f) là:

(3.3) với

Một đặc tính khác của microstrip line là sự suy hao Suy hao là hàm theo hình dạng của microstrip line, các thuộc tính điện của điện môi chất nền, chất dẫn điện và tần số Có hai loại suy hao trong một đường dây microstrip line: suy hao điện môi chất nền và suy hao bề mặt Ohm của mặt dẫn điện [4] Suy hao có thể được biểu diễn là sự mất mát trên đơn vị chiều dài dọc theo microstrip line trong các số hạng của thừa số suy hao α Ta có:

là thừa số phát xạ Luận văn lựa chọn sử dụng board mạch in IS680-345DK của Isola Group với hằng số điện môi εr = 3.45 và độ dày lớp chất nền 20 mil, tần số hoạt động lên đến 20GHz được Isola Group tài trợ cho mục đích nghiên cứu Thông số của board mạch in này có nhiều ưu điểm hơn so với board mạch in RO40003C của Rogers có độ dày chất nền 60 mil và hằng số điện môi εr = 3.55 mà luận văn lựa chọn ban đầu