Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Thiết kế, chế tạo và đo đạc mạch điều khiển Phase Shifter ứng dụng vào Beamforming và đề xuất cấu trúc vi mạch Phase Shifter dựa trên công nghệ 0.18 µm RF CMOS

Da số những hệ thống hoặc thiết bi ứng dụng IoT hiện nay chỉ sử dụngnhững antenna thông thường mang nhiều hạn chế về độ lợi và khả năng điều khiển hướng truyền/nhận, nên sẽ làm sự suy ha

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TINH

TRAN MINH KHUONG

LE VAN NGỌC DOAN

KHOA LUAN TOT NGHIEP

Design, Fabrication, And Measurement Of Phase Shifter Controller

For Beamforming Application And A Proposal Of Phase Shifter IC

Structure Based On 0.18 um RF CMOS Process

KY SU NGANH KY THUAT MAY TINH

TP HO CHÍ MINH, 2021

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

TRAN MINH KHUONG - 17520656

LE VĂN NGỌC DOAN - 17520349

KHOA LUAN TOT NGHIEP

THIET KE, CHE TAO VA DO DAC MACH DIEU KHIEN

PHASE SHIFTER UNG DUNG VAO BEAMFORMING

VA DE XUAT CAU TRUC VI MACH PHASE SHIFTER

DUA TREN CÔNG NGHỆ 0.18 pm RF CMOS

Design, Fabrication, And Measurement Of Phase Shifter Controller

For Beamforming Application And A Proposal Of Phase Shifter IC

Structure Based On 0.18 um RF CMOS Process

KY SU NGANH KY THUAT MAY TINH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS TRINH LE HUY

TP HO CHI MINH, 2021

THONG TIN HOI DONG CHAM KHÓA LUẬN TOT NGHIỆP

Hội đồng cham khóa luận tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số 466/QD-DHCNTT

ngày 23 tháng 07 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Dai học Công nghệ Thông tin.

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướngdẫn TS Trịnh Lê Huy đã tận tình hướng dẫn về nội dung, cung cấp các trang thiết bịcần thiết, cũng như dành nhiều thời gian chỉnh sửa, góp ý dé nhóm chúng em có théhoàn thành đề tài khóa luận này một cách tốt đẹp Đồng thời, chúng em cũng xin gửilời cảm ơn đến ThS Nguyễn Minh Thiện — giảng viên trường Dai học Quốc Tế,ĐHQG TPHCM đã giúp đỡ chúng em trong quá trình nghiên cứu và đo đạc sản phẩm

Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các quý Thầy/Cô và bạn bè khoa Kỹ

thuật máy tính nói riêng và trường Đại học Công nghệ thông tin nói chung đã tận tình

giảng dạy, truyền đạt các kiến thức vô cùng bổ ích, đồng hành và hỗ trợ lẫn nhau

trong quá trình học tập trên suốt quãng đường 4 năm học tại trường Đại học Côngnghệ thông tin Nhờ thế, chúng em được trang bị đầy đủ kiến thức và tích lũy nhiềukinh nghiệm dé có thé hoàn thành đề tài khóa luận này Ngoài ra, chúng em cũng vôcùng biết ơn đến gia đình vì đã luôn sát cánh, động viên và làm chỗ dựa tinh thần trên

con đường học tập đại học của chúng em.

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài khóa luận, chúng em không thê tránhkhỏi những khó khăn và sai sót vì một số giới hạn liên quan đến chuyên ngành vàđiều kiện thi công, đo đạc sản pham Vì thế, chúng em mong các quý Thay/Cé và cácbạn thông cảm và có thé đóng góp ý kiến dé đề tài khóa luận này được phát triển và

hoàn thiện hơn trong tương lai.

Một lân nữa chúng em xin chân thành cam ơn.

Tran Minh Khương — Lê Văn Ngọc Doan

MỤC LỤC

Chương 1 = TONG QUAN -52- 2 E2 2E EEE1211211211211 2111111111 c0 4

1.1 Lý do chọn để tài 5s Set SE EEEEEEEEEEE11011211211 2111111111 1c cye 4

1.1.1 _ Động lực phát triển của kỹ thuật Beamforming trong IoT 4

1.1.2 Động lực nghiên cứu và phát triển vi mach Phase Shifter 6

1.2 Tinh hình nghiên cứu trong và ngoai nƯỚC - - 5 55+ £+++sssesrrs 7

1.2.1 Tinh hình nghiên cứu ngoai HƯỚC - - 55555 *+++v++eeseeeeeeess 7 1.2.2 Tinh hình nghiên cứu trong HƯỚC s6 +5 ++sk£+s£se+eeeseeseees 8

1.2.3 _ Tính mới của để tài cccccccrrkiirrrrriirrrrrirrrrrriirrree 9

1.3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu -2- 2 2s s£s+zs+zszs+ 10

1.3.1 Mục tiêu của để tài csccritrriirrrririrrrirrrrirerrio 101.3.2 _ Đối tượng nghiên COU eececeecccccecsseesseseesessessessessessessesesseesessessessesseeees 11

1.4 Phương pháp nghiên CỨU - G22 E221 83518 EESEEEEEeeEerekreeskrreeeree 11 1.5 Thuận lợi, khó khăn 6 + + 21112113 119111 111 1 1 11g ng ng ren 12

1.5.1 Thuận lỢI - Ặ- Ăn HH TH HH ru 12 1.5.2.0 KAO aM oe d + ,ÔỎ 13

Chuong2 CO SO LY THUYET AP DUNG VAO MACH DIEU KHIENPHASE SHIFTER UNG DUNG VÀO BEAMFORMING .c.ssesssesssesseessesssessses 14

2.1 Phased Array v2 18 14

2.1.1 _ Khái quát về antenna -¿©-2++s+Ek+EE++E+EEEEEeEErrkrrkerkerree 14

2.1.2 Nhu cầu sử dung antenna có độ 101 CaO - -. 55s << +sseesssess 142.1.3 Đặc điểm và lợi ích của Phased Array Anftenna -««+- 152.2 Kỹ thuật Beamforming s1 HT ng nghệ 16

2.2.1 Định nghĩa về Beamforming - - 2-2 2 2 £+Ee+Ee£xerxersxez 16

2.2.2 Mục đích của BeamfOrming 5 «se 16

2.2.3 Cơ chế hoạt động của Beamforming -: -¿s¿©++cs++cs+2 17

2.3 Power IDIVIC€T HH HH Tu HH nh Hệ 18

2.4 Thông số RSSI ¿5+ ©St2E<2EEEE1E212112212711112112111111.211 11 11x, 19

Chương3 | THIET KE, CHE TAO MACH DIEU KHIÊN PHASE SHIFTER 20

3.1 Sơ đồ khối của một mạch điều khiển Phase Shifter - 203.2 Danh sách IC sử dụng s3 HT ng Hệ 20

3.3 Thiết kế đường tín hiệu cao tần trên PCB - 2-2 2+sz+cs+rxerxeee 23

3.4 Phương pháp điều khiển các IC cao tan - 2 + sz+s+zsezxerseee 243.5 Sơ đỗ thiết kế schematiC ¿- ¿552522 ++EE‡EEEEESEEEEEEEEEEEErErrrkerkerreee 253.6 Sơ đồ thiết Kế layOU - - 52222 222 2E E121 1EE1511211211211 1111111111, 263.7 Kết quả đo đạc của mạch điều khiển Phase Shifter -525+: 26Chương4 THIẾT KE, CHE TẠO VÀ ĐO DAC MACH DIEU KHIEN

;).9/139):9)10/921 ồồỖồỖ.Ẽ 30

4.1 Ý tưởng phát trién mạch điều khiển Beamforming 5-5-2 304.2 Thiết kế Power Divider 1X8 o cccccccscsssesssesssessesssesssecssssecssecssecsssesesssecsseess 314.3 Thiết kế Phased Array Antenna 1X8 ccccccccscssessessessessesessesesessessessessesseaee 314.4 Thiết kế Tracked Node ứng dụng do đạc Beamforming .- 32

4.4.1 Cong nghé sử dụng - c1 ng kg ngư, 32

4.4.2 Mạch hiển thị tín hiệu RSSI 2-©22©22+2+ccxccxcvreereerxerseee 334.4.3 Thiết kế Track Node - +5 c+22SEEeEkrrErrrrerrerkerrees 354.5 Lắp ráp mạch điều khiển Beamforming - 2 2 22+ £x+zx+zxzsez 36

4.6 Kết quả đo đạc của từng thành phan trong mạch điều khiển Beamforming

4.6.1 Kết quả đo của Power Divider ©2¿©7sc2ccccscersesrxrrrxees 374.6.2 Kết quả đo của antenna -¿-++©c++cx++zx+rxrrrxerkesrkrrrres 384.7 Kết quả đo đạc BeamfOrming - 2 2 +SE+EE+EE£EEEEE2EE£EerEerkerkerkrree 39

4.7.1 Kết quả mô phỏng trên công cụ HESS -22©52+cs+cxecsce: 394.7.2 Kết quả đo đạc thực tế lần mỘT -¿- - tt vEEEEEeErkekerrxererrre 414.7.3 Kết quả đo đạc thực tế lần hai 2: 252+S++£+EczEerxerxerxereee 42

Chuong 5 CO SỞ LÝ THUYET ÁP DỤNG VÀO CẤU TRÚC VI MACH

PHASE SHIFTER - 2: 2© ¿+EE+SEE£EEEEEEEEEE221221127112112117112112211211 11.11 xe 46

5.1 Lý thuyết cơ bản về Phase Shifter -2- 2-52 52+S2+E£2E2EecEerterxerxerxee 46

3.1.1 _ Pha giữa hai tín hiệu 5 5S Si, 46 5.1.2 | Hiện tượng Phase Shift trong mạch Analog/RE - ««- 475.1.3 _ Giới thiệu về Phase Shifter -2-©52+5<+c++£xccxzrevrxerxerree 415.1.4 Kiến trúc Varactor-Loaded Transmission Line của vi mach Phase

Shifter A a eae ee ce facssssssseseessssssssseseessssssesveneenssassessess 49

5.2 Khái quát về single-stage LNA o.sccescesscsssesssesssesssssseessecssecssecsecssecssecssseseasecs 52

5.2.1 Giới thiệu về LNA cecceccccccscscsssesssessssssssssecssessssssscasecssecssecsesasecsneesecsses 525.2.2 _ Cấu trúc single-stage của mạch khuếch đại - 55-552 53

5.3 Công nghệ RF CMOS va thư viện GPDKTI8O_ v3.2 «<++<<<+++ 54

5.3.1 _ Công nghệ RF CMOS o eccssccssessesssessessesssssessecsecsucssecsecsesssesseesecsecaes 54

5.3.2 _ Thư viện GPDKI8O_ v3.2 ¿-¿- s2++2E++2++EEerxerxrzrxerxerxerree 56

5.4 Lý thuyết về các thành phan linh kiện của thư viện GPDK180_v3.2 57

5.4.1 NMOS “TTañnSISfOT 001111222111 11 1110011111 ng 1v ng ưyy 57

5.4.2 MOOS Junction VaraCfOr - + - 1 SE SE S223 1 vs ve 59 5.4.3 Square Spiral ÏndUCOT - - 2 + +1 1E EE**EEEEsEEseerseeeeeseeereere 61

5.4.4 MIMCAP LH HH KH HH 63 5.4.5 Poly RÑ€SIS(OT Là HH HH HH HH HH 63

5.5 Quy trình thiết kế vi mạch Analog/RE 2 2 2+ £+xe£xerxerxersrrszrs 65

5.5.1 Giai đoạn Front-End - 21 111112231111 119333111 kg vn 65

5.5.2 Giai doan 80:00 G0 66

5.6 Một số hiệu ứng trong layout Analog/RF và giải pháp khắc phục 67

5.6.1 _ Hiện tượng coupling do Square Spiral Inductor 67

5.6.2 Các thành phan ký sinh trên các đường metal -zs+ 69

Chuong 6 THIẾT KE VÀ MÔ PHONG CÁU TRÚC VI MACH PHASESHIFTER (oieeccicccecssssscsecseeseeesceeesessececsesseceeseacessesscesesseesesaessesaesseseeseessaeeaeeaes 72

6.1 Tổng quan về cấu trúc vi mach Phase Shifter - 2 5¿©55+£: 72

6.1.1 Những yêu cầu cần đáp ứng -©++s+cx+rxerxezresrxerxerree 726.1.2 Sơ đồ khối của cấu trúc vi mach Phase Shifter -: 726.2 Thiết kế khối Cascading Low-pass NetWOrKs ¿5© cscecrseceee 73

6.2.1 Sơ d6 schematic c.cccccccsessesssessessessesssessessessesssessecsessesssessessessessseeseeseess 736.2.2 Xác định số lượng mang lưới Low-pass kết nối cascading 74

6.2.3 Khảo sát sự suy hao va Noise FIEUT€ - 55c SSSs+sseeeesrs 77

6.3 Thiết kế khối Single-stage LÌNA -:-©22©52+2E+EEt2ECEEEEEEEEECEErrkerkerreee 79

6.4 Kết quả mô phỏng pre-layout cấu trúc vi mach Phase Shifter hoàn chỉnh 856.5 Layout câu trúc vi mach Phase Shifter - 2-2 2 2+s+Ee£xe£xeExerxsrsee 88

6.5.1 _ Tiến hành layOUI -. ¿- 2 2+2 +E+EE£EESEEEEEEEEEEEEEEEEEkerkerkrree 896.5.2 Kiểm tra layOut -5c St EkEEEEEEEE1121121 1111 1E cte 93

6.5.3 Chuan bị mô phỏng sau layOut ¿s¿©+s+2++z++zx++zxe+zxe+ 93

6.6 So sánh với những công trình nghiên cứu liên quan - s5 95

Chuong 7 KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHAT TRIEN -: 96

7.1 KẾt luận -©cc 2c 2E k2 221 710211211211011211211 21111111 96

7.1.1 Những kinh nghiệm tích lũy - - <5 3E EEseesesereeserrse 96

7.1.2 Các van dé tồn động - ++St2E2ESEEEEECEEEErrkerkerreee 967.2 Hướng phát triỀn ¿+ %©k+EE+EE+EE+EEEEEEEEEEEEEEE1112112111171 2111 c0 97TÀI LIEU THAM KHẢO ¿2-52 5S£2S£2SE‡EEEEE2EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEkErkrrrrerrerkrree 98

PHU LUC I DON VỊ DECIBEL - 2-22 5¿22E£2EE+EEE2EE+2EEtEEEtEEeerxrrrrrrreee 103

PHU LUC II THONG SỐ S-PARAME.TER 2-5 Ss+Et+E‡EE2EEEESEEEerrkerxzee 106

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Ảnh hưởng của NLOS đến tín hiệu sóng 2 ¿5c + ++£z+£zxzez 4

Hình 1.2: Biểu đồ tăng trưởng của thị trường RFIC (2012 — 2022) - 6

Hình 2.1: Một số loại antenna độ lợi cao hiện 0 eeseeesceeenceeseeeseeceeecsaeeeeaeceseeesaes 15 Hình 2.2: Sự khác biệt của antenna đa hướng va Phase Array Antenna 16

Hình 2.3: Sự ảnh hưởng của số lượng va phase của các phan từ phát tín hiệu 17

Hình 2.4: Hình ảnh giải thích những kí hiệu dùng trong công thức 18

Hình 2.5: Một thiết bi Power Divider 1 x 8 trên thi {TƯỜN - S2 sssess 19 Hình 3.1: Sơ đồ khối của một mạch điều khiển Phase Shifter - - 5-5 5s 20 Hinh 3.2: IC MAPS-O10144 1 21

Hình 3.3 IC HMC327MSSGETTIR - - 6 c3 19T HH HH nh rệt 21 Hình 3.4: IC MAMIE-OT [1 [ - 2c c1 1 912312 1H Hàn HH ng nh gà 22 Hinh 3.5: (03.©á6cx<x 0 4 22

Hinh 3.6: IC NCV8170 22 23

Hình 3.7: Mạch nguồn XL6019, ccescsssessessesssessessessssssessessecsssssessecsucsussseeseeseessseseeseees 23 Hình 3.8: Trang web tính toán đường tín hiệu cao tần -¿-s¿-+=5+ 24 Hình 3.9: Sơ dé schematic điều khién bằng công tắc switch 8 -:- 25

Hình 3.10: Sơ đồ schematic của IC trên mạch điều khiển Phase Shifter 25

Hình 3.11: Thiết kế một mạch điều khiển Phase Shifter - -:-:-: 26

Hình 3.12: Sơ đồ Soi(phase) của một mạch điều khiển Phase Shifter 27

Hình 3.13: Kết quả đo công suất ở ngõ Rx :- +52+SE+Ez+E2EEEeEEerkerkerkrree 28 Hình 3.14: Kết quả đo công suất ở ngõ TX - 2: 22 5¿22++2++£x++rxezrxrrreeree 29 Hình 4.1: Sơ đồ khối tông quát về thiết kế và đo đạc Beamforming 30

Hình 4.2: Hình anh mô phỏng trên công cu HESS 5255 c+++ssesssers 31 Hình 4.3: Hình anh mạch Power Divider thực tẾ - - - ss+s+c£s+x+EeEztzEerzezxee 31 Hình 4.4: Antenna mô phỏng trên công cụ HFSS eee eeeeeeseeeseeeeeeneeeseeeneeeeeeaeees 32 Hình 4.5: Mạch Power Divider thực tẾ - - s5: Et+ESEEEESESEEEEEESEEEkrkerrrereeree 32 Hinh 500i03.692 0011557 33 Hình 4.7: IC Atmega328p cọ TH HH nh 33

Hình 4.8: Thiết kế mạch hiền thị RSSI trên EasyEDA 2- ¿55552 34 Hình 4.9: Mạch hiện RSST sau khi hoàn thành . << 5+2 2+ ++++<<sssc+essss 34 Hình 4.10: Sơ đồ thiết kế schematic của TN . -cc¿c5+vcsccxvrrrrvrrsrrrerrre 35 Hình 4.11: Thiết kế layout PCB của node 'TN -2- ¿2+ ©5++2x++zx2zxvzxesrxz 35 Hình 4.12: Node TN slave sau khi hoàn thành - 55s sskesesee 36

Hình 4.13: Node TN master phát tín hiệu LoRa 2.4 — 2.48 GHZ 36

Hình 4.14: Mạch điều khiển Beamforming hoàn thiện thực VẾ QC nnterterekrree 37 Hình 4.15: Kết qua đo công suất phát ra của một công oufput - - 38

Hình 4.16: Phương pháp do anfenna -.- - s23 333 EEirerrrrrerrkrerkrree 38 Hình 4.17: Kết quả do Si; tám phan tử của Phased Array Antenna 39

Hình 4.18: Kết quả mô phỏng với pha bằng 0° trên công cu HFSS 40

Hình 4.19: Kết quả mô phỏng với pha bằng -90° trên công cụ HFSS 40

Hình 4.20: Kết quả mô phỏng với pha bằng -135° trên công cụ HESS 40

Hình 4.21: Cách bố trí đo đạc lần một : :¿c5++2cxvvsrtxvvrrrrrvrrrrrrrrre 4I Hình 4.22: Power Divider 1x4 từ Power Divider Ï2 .- 5s «<< csse 43 Hình 4.23: Cách bố trí đo đạc lần hai -¿ 55cccc+etecrkerrrrkrrrrrtrrrrrrrrrre 43 Hình 4.24: Mach phát dùng antenna đa hướng từ bài báo [1] - 45

Hình 4.25: Mạch phát dùng antenna đăng hướng - 2 2 2+ +x+£xzs+zszse2 45 Hình 5.1: Mối quan hệ về pha giữa hai tín hiệu -.2 -¿- 5: ©5+2©5+22x2z++zs+srsz 46 Hình 5.2: Ứng dụng của Phase Shifter trong Phased Array Antenna 47

Hình 5.3: Khác biệt về dịch pha giữa hai loại Phase Shifter 5- 49 Hình 5.4: Một mạng lưới LOW-DASS c2 1S 331 19 111111111111 errkrrer 50 Hình 5.5: Kiến trúc VLTL cơ bản của Phase Shifter 2-55 ©5¿25s+cxczxccsz 50 Hình 5.6: Ảnh hưởng của tỉ lệ rc lên khoảng dịch pha tối đa của kiến trúc VLTL .51 Hình 5.7: Lợi ích khuếch đại và khử noise cho tín hiệu output của LNA 52

Hình 5.8: Hai cấu trúc cơ bản của mạch khuếch đại -: 555cc: 54 Hình 5.9: Cấu tạo của hai loại bán dẫn ¿- - + +EEEEk SE EkeEEEeErrkrkrkres 55 Hình 5.10: Thứ tự các lớp (layer) của thư viện GPDK180_ v3.2 56

Hình 5.11: Cấu trúc cơ bản của một NMOS TransistOr - ¿2 + 5s+x+£ezzszxez 58

Hình 5.12: Hai mạng lưới Transistor Biasing cơ bản . - -«<+<<<sx+se+ses 59

Hình 5.13: Cấu tao của MOS Junction Varactor, c.ccccsccscsssssessssesessecssceesesseeesseeeees 60 Hình 5.14: Top view cua layout MOS Junction araCtOT 5 5< << <£<sc<se 60

Hình 5.15: Sự tương đương giữa diode phân cực nghịch và tu điện 61

Hình 5.16: Cấu trúc của một Square Spiral InducfOr - 2 2s s£szs+z+zs+2 62 Hình 5.17: Cau tạo của một MIMCAP - ¿2x EE+E+EEEE+ESEEEEEEeEeEErkerrrerkrree 63 Hình 5.18: Cấu tạo của Poly ResiStOr -2¿-©5¿©5+22+22E+2Ex2EEtEEverkrrrkrrrreree 64 Hình 5.19: Quy trình thiết kế vi mạch Analog/RF -:- ¿+ 5z+zx++z++zx+zz+z 65 Hình 5.20: Năng lượng điện từ trường sản sinh từ Square Spiral Inductor 68

Hình 5.21: Guard Ring cho Square Spiral [ndUCfOr - -. <5 + *+£++s+seeese 69 Hình 5.22: Các yêu tố ký sinh trên đường metal - 2 2 2+ +++£x+z++zszse2 70 Hình 5.23: Multiplier của các tụ điỆn .- -. c5 3+3 ESeeEseeeeeereeesre 71 Hình 5.24: Tac dung giảm kích thước NMOS Transistor từ Finger 71

Hình 6.1: Sơ đồ khối của cau trúc vi mach Phase Shifter csecsescsseeeseeeseee 72 Hình 6.2: Sơ dé schematic của khối Cascading Low-pass Networks 73

Hình 6.3: So đồ thiết lập khảo sát tỉ lệ rc của biến tụ C ¿5c + s+cs+csss2 75 Hình 6.4: Kết quả khảo sát tỉ lệ rc biẾn tụ C 2-55 ++£2+£+E£+kerxerxerxerseree 75 Hình 6.5: Sơ đồ thiết lập khảo sát một mạng lưới Low-pass -. -5: 5-52 76 Hình 6.6: Kết quả khảo sát Characterisitc length của một mạng lưới Low-pass 77

Hình 6.7: Sơ đồ thiết lập khảo sát khối Cascading Low-pass Networks 78

Hình 6.8: Kết quả khảo sát độ lợi khối Cascading Low-pass Networks 78

Hình 6.9: Kết quả khảo sát Noise Figure khối Cascading Low-pass Networks .79

Hình 6.10: Sơ đồ schematic của khối Single-stage LNA - 5c 52 s52 s2 80 Hình 6.11: Kết quả khảo sát Voiasing khối Single-stage LNA -. 5 5- 81 Hình 6.12: Sơ đồ thiết lập khảo sát khối Single-stage LNA - . - 82

Hình 6.13: Kết quả khảo sát matching network khối Single-stage LNA 82

Hình 6.14: Trường hop shorting giữa Veưị và GND .- ccxcscseessssssee 83 Hình 6.15: Kết quả khảo sát độ lợi khối Single-stage LNA -5¿ 83 Hình 6.16: Kết quả khảo sát Noise Figure khối Single-stage LNA - - 84

Hình 6.17:

Hình 6.18:

Hình 6.19:

Hình 6.20:

Hình 6.21:

Hình 6.22:

Hình 6.23:

Hình 6.24:

Hình 6.25:

Hình 6.26:

Hình 6.27:

Hình 6.28:

Hình 6.29:

Hình 6.30:

Hình 6.31:

Sơ đồ mô phỏng của cấu trúc vi mach Phase Shifter hoàn chỉnh 86

Kết quả mô phỏng khoảng dịch pha ⁄1„z¡ cấu trúc vi mạch Phase Shifter H 86

Kết quả mô phỏng Return Loss cấu trúc vi mach Phase Shifter 87

Kết quả mô phỏng độ lợi cau trúc vi mach Phase Shifter 87

Kết quả mô phỏng Noise Figure cau trúc vi mạch Phase Shifter 88

Sơ đồ schematic của cấu trúc vi mach Phase Shifter trên Virtuoso 89

Layout của một mạng lưới LOW-pass . cà sscssssessrs 90 Layout của khối Cascading Low-pass Networks -cs-c5+: 90 Layout của khối Single-stage LNA -©2¿- +c2ccccxevrxeerxerrsees 91 Layout của các thành phan linh kiện của khối Single-stage LNA 91

Layout hoàn chỉnh của cấu trúc vi mach Phase Shifter 92

Các lớp (layer) được dùng dé đi dây kết nồi 2-55-5552 93 Kết qua DRC và LVS của layout cấu trúc vi mach Phase Shifter 93

Thông tin xuất Stream out trên Virtuoso .cceccsscecseeseesesseeseeseeseeeeseene 94 Layout của cau trúc vi mach Phase Shifter sau khi import trên ADS .94

Bang 1.1:

Bang 3.1:

Bang 3.2:

Bang 3.3:

Bang 3.4:

Bang 3.5:

Bang 3.6:

Bang 3.9:

Bang 4.1:

Bang 4.2:

Bang 4.3:

Bang 4.4:

Bang 4.5:

Bang 4.6:

Bang 4.7:

Bang 4.8:

Bang 5.1:

Bang 5.2:

Bang 6.1:

Bang 6.2:

Bang 6.3:

Bang 6.4:

Bang 6.5:

Bang 6.6:

Bang 6.7:

Bang 6.8:

DANH MUC BANG

So sánh ưu nhược điểm giữa các antenna thông thường trong IoT 5

Thông số kỹ thuật của MAPS-010144 ¿-©-¿©c+c2ccvcxerxesrxee 21 Thông số kỹ thuật của HMC327MS8GETTR -2- 25s s+zxezez 21 Thông số kỹ thuật MAMF-011119 cccccececssesseesessesesesseseeseesesesseaees 22 Thông số kỹ thuật của IC SKY 13377-313LF -¿ -¿©sc5zc5+¿ 22 Thông số kỹ thuật NCV§70 2-2 £+sSE+EE£EE+EE2EE2EEEeEEerkerkerkee 23 Thông số kỹ thuật mạch nguồn XL6010 -2 5¿©+2©5++cs++cs+2 23 Kết quả đo khả năng dịch pha của tám mạch điều khién Phase Shifter 28

Thông số kỹ thuật IC SXX1280 2-2 52 +¿22££x+2£x2Exerxeerxesrxee 33 Thông số kỹ thuạt IC Atmega328p - 2 2 2++x+x+£x+rssrxee 33 Kết quả đo độ lệch pha giữa các output -¿-s¿©cs+c<+csecseez 37 Tổng hợp thông số của các trường hợp đo đạc Beamforming 41

Kết quả đo RSSI ở các node TN slave lần một -: - 42

Tổng hợp các trường hợp cần do trong lần hai 2-5555 552552 44 Kết quả đo RSSI ở các node TN slave lần hai 2 2-55-5525: 44 So sánh mạch điều khiển Beamforming với các loại antenna khác 45

So sánh ưu nhược điểm giữa Digital và Analog Phase Shifter 48

Thông số ohm/square của từng lớp trong thư viện GPDK180_ v3.2 64

Thông số cuộn cảm L của khối Cascading Low-pass Networks 74

Thông số biến tụ C của khối Cascading Low-pass Networks 74

Thông số NMOS Transistor M1 của khối Single-stage LNA 84

Thông số các cuộn cảm của khối Single-stage LNA -: 84

Thông số các tụ điện của khối Single-stage LNA -¿5 85 Thông số các điện trở của khối Single-stage LNA -: - 85

So sánh hai trường hop của cau trúc vi mach Phase Shifter 88

So sánh giữa các Analog Phase Shifter 00.0.0 eeceesseceseeeseeceseeeeteeeeaeeees 95

DANH MỤC TỪ VIET TAT

Viết tắt Viết day du Y nghia

AC Alternating Current Dong dién xoay chiéu

Phan mềm của mô phỏng cao tanADS Advanced Design System ;

Keysight

CLAP | Coupled-Lines All-Pass Kiến trúc của vi mach Phase Shifter

CMOS Conplementary Metal Oxide Công nghệ dùng đề chế tạo vi mạch

Semiconductor tich hop

DC Direct Current Dong điện một chiều

Bước kiểm tra quy tắc layout viDRC Design Rule Check

mạch

EM Electromagnetic Điện từ trường

Định dạng file thiết kế layout vi

GDS Graphic Design System

vo Input/Output Kết nối ngoại vi

IC Integrated Circuit Vi mach tich hop

IoT Internet of Things Internent van vat

LoRa | Long Range Céng nghé truyén thong tam xa

LNA Low-noise Amplifier Bộ khuếch đại kháng nhiễu thấp

Bước kiêm tra tương quan schematic

LVS Layout versus Schematic ;

va layout vi mach

MCU _ | Microcontroller Unit Vi diéu khién

MIMO_ | Massive Input Massive Output | Hệ thông đa kết nối ngoại vi

Metal Oxide Semiconductor ; ; MOSFET Transistor hiệu ứng trường

Field-Effect Transistor

N/A _ | Not Available Không có san

NF Noise Figure Hé sé nhiéu

NLOS_ | Non-Line of Sight Tâm nhìn không thang, có vật can

PA Power Amplifier Mach khuéch dai cong suất lớn

PCB Printed Board Circuit Bo mach in

RF Radio Frequency Tan số vô tuyên

Radio Frequency Integrated ` RFIC Vi mach cao tan

RTPS | Reflective Type Phase Shifter | Kiến trúc của vi mach Phase Shifter

TN Tracked Node Node dinh vi

VAC Voltage Alternating Current Điện áp xoay chiều

Varactor-Loaded , VLTL Kiên trúc của vi mạch Phase Shifter

Transmission Line

tạo tám mạch điều khiển Phase Shifter giống nhau để kết hợp với một mạch Power

Divider 1x8, một Phased Array Antenna 1x8 và một transceiver là node TN (Tracked

Node) master hoạt động tai băng tan LoRa 2.4 — 2.48 GHz dé hình thành một mạchdiéu khién Beamforming Ngoài ra, các node TN slave được sử dụng cho việc hiệnthi thông số RSSI dé tiến hành đo đạc và đánh giá tính năng Beamforming của mạch

Kết quả đo đạc cho thấy, thông số RSSI gia tăng ở các góc nhận Beamforming và

giảm ở các góc không nhận Beamforming Trong đó, góc phủ của Beamforming khi

nhận quét được các vị trí -45°, -30°, 0°, 30° và 45° theo phương nhìn thăng phía trước

Nội dung thứ hai của đề tài khóa luận hướng đến đề xuất cấu trúc vi mạch

Phase Shifter dựa trên công nghệ 0.18 um, mang tính năng dịch pha tương tự IC

Phase Shifter thị trường sử dụng trong nội dung thứ nhất Cấu trúc bao gồm hai khốicấu tạo chính trên cùng một chất nền: khối Single-stage LNA và khối Cascading Low-pass Networks Kết quả mô phỏng pre-layout tại băng tần hoạt động 2.4 — 2.48 GHzvới điện áp điều khiển 4 — 24 V dat các giá trị tối ưu như sau: khoảng dịch pha liêntục 0° — 300°, độ lợi là 8.4 + 0.4 dB, giá trị Return Loss tại input va output đều nhỏhơn -15 dB, và Noise Figure giữ ở mức thấp là 1.8 — 2.8 dB Thiết kế layout được

hoàn thành với kích thước 4.4x3.4 mm” và đạt các công đoạn kiểm tra DRC và LVS.

Hai nội dung của khóa luận này hy vọng góp phan phổ biến lợi ích của kỹthuật Beamforming, và đồng thời đề xuất các bước tiếp cận thiết kế một vi mạchPhase Shifter nói riêng cũng như các thiết kế RFIC nói chung nhằm đóng góp vàolĩnh vực phát triển vi mạch của đất nước Việt Nam

1

sóng là không lý tưởng với nhiều vật cản như tường hoặc các tòa nhà xung quanh.Điều này sẽ tạo ra sự suy hao, giảm băng thông và mắt đi hướng phát tối ưu của tín

hiệu sóng Da số những hệ thống hoặc thiết bi ứng dụng IoT hiện nay chỉ sử dụngnhững antenna thông thường mang nhiều hạn chế về độ lợi và khả năng điều khiển

hướng truyền/nhận, nên sẽ làm sự suy hao tín hiệu sóng thêm tram trong hon, dan dén suy giam dang ké hiéu suat hoat động giữa SỐ lượng lớn các đối tượng IoT giao

tiép với nhau.

Từ thực trạng được nêu trên ta thấy được sự cấp thiết trong việc nâng cấp bộ

phận truyền/nhận tín hiệu của các thiết bị IoT để khắc phục những hạn chế mà môi

trường không lý tưởng mang lại Một trong những giải pháp tối ưu được đề xuất chính

là sử dung mạch điều khiển Phase Shifter ứng dụng vào Beamforming Với khả năngkhông chỉ tạo ra một búp sóng có cường độ tập trung cao nhất mà còn có thê đượcđiều khiển góc truyền/nhận búp sóng, mạch điều khién Phase Shifter ứng dụng vàoBeamforming sẽ góp phan thay thế những antenna thông thường cho các thiết bị loT

dé truyền tín hiệu sóng một cách tối ưu và linh hoạt hơn

Kỹ thuật Beamforming của mạch điều khiển Phase Shifter được hiện thực

chính là nhờ thành phần cốt lõi IC Phase Shifter Đây là một IC được điều khiển để

tạo cơ chế dịch pha tín hiệu, giúp hình thành và điều khiển búp sóng Beamforming

Vì thế, việc nghiên cứu và phát triển vi mạch Phase Shifter cũng là một đề tài mangđến nhiều tiềm năng, không chỉ trong việc nâng cao tính năng của Beamforming, màcòn đóng góp vào xu hướng phát triển RFIC hiện nay trên thị trường

2

Từ những phân tích trên, nhóm chúng em dé xuất đề tài khóa luận mang tên

“THIẾT KE, CHE TẠO VÀ DO DAC MẠCH DIEU KHIEN PHASE SHIFTERUNG DUNG VAO BEAMFORMING VA DE XUAT CAU TRUC VI MACH

PHASE SHIFTER DUA TREN CONG NGHỆ 0.18 um RF CMOS”, bao gồm hainội dung chính Nội dung thứ nhất hướng đến việc thiết kế mạch điều khiển PhaseShifter ứng dụng vào Beamforming Sau đó, nhóm sẽ thi công tám mạch điều khiểnPhase Shifter giống nhau để kết hợp với một Power Divider, một Phased Array

Antenna và một transceiver là node TN master hoạt động tai băng tần LoRa 2.4 —

2.48 GHz đề hình thành một mạch điều khiển Beamforming hoàn chỉnh phục vụ cho

đo đạc Trong đó, mạch điều khiển Phase Shifter sử dụng IC Phase Shifter

MAPS-010144 trên thị trường được điều khiển dé hiện thực Beamforming Mục đích của nộidung này là hiện thực hóa lợi ích của ứng dụng Beamforming nhằm đề xuất một giảipháp khắc phục những hạn chế về suy hao tín hiệu trong những ứng dụng được triểnkhai trong môi trường không lý tưởng Nội dung thứ hai hướng đến đề xuất thiết kếmột cấu trúc vi mạch Phase Shifter dựa trên công nghệ 0.18 um RF CMOS và hoạtđộng tại băng tần 2.4— 2.48 GHz tương tự như IC Phase Shifter MAPS-010144 Mụcđích của nội dung này hướng đến việc tiếp cận thiết kế một IC Phase Shifter hỗ trợvào Beamforming nói riêng, cũng như tiếp cận thiết kế RFIC nói chung nhằm đóng

góp cho sự phát triển vi mạch cao tần tại Việt Nam

Nội dung của đề tài khóa luận bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết áp dụng vào mạch điều khiển Phase ShifterChương 3: Thiết kế, chế tạo và đo đạc mạch điều khiển Phase ShifterChương 4: Thiết kế, chế tao và đo đạc mạch điều khiển Beamforming

Chương 5: Cơ sở lý thuyết áp dụng vào cấu trúc vi mạch Phase Shifter

Chương 6: Thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi mạch Phase ShifterChương 7: Kết luận — Hướng phát triển

Chương 1 TONG QUAN

1.1 Ly do chọn đề tài

1.1.1 Động lực phát triển của kỹ thuật Beamforming trong IoT

Hiện nay, hệ sinh thái loT đang chiếm một số lượng rat lớn người dùng khi

ngày càng có nhiều công nghệ và ứng dụng không dây hữu ích phục vụ cho đời sống,

có thể kể đến như: ứng dụng định vị trong nhà sử dụng công nghệ WiFi/BLE/LoRa,

ứng dụng radar để xác định vật thể trong giao thông, và mới nhất ứng dụng mạng diđộng không dây 5G với tốc độ truyền tai dit liệu có thé lên đến 20 Gbps Tuy nhiên,liệu hoạt động truyền tải tín hiệu sóng điện từ RF cua các ứng dụng này luôn đạt hiệuquả cao khi được áp đặt trong cuộc sống hiện đại ngày nay?

Tốc độ đô thị hóa trong cuộc song hiện đại luôn có chiều hướng gia tăng tạimột số quốc gia trên thé giới [2] Cụ thé như tại Việt Nam, theo ước tính thì tỷ lệ đô

thị hóa tăng nhanh từ 19,6% với 629 đô thị năm 2009 lên khoảng 39,3% với 833 đô

thị năm 2020 [3] Điều này đang đặt ra rất nhiều thách thức lên hiệu suất hoạt động

của số lượng lớn các thiết bị loT không dây, khi mà môi trường triển khai ứng dụng

luôn tồn tại điều kiện NLOS từ các vật thé chan xung quanh như các nhà cao tang,các tầng lầu hoặc tường nhà, kể cả khi triển khai các ứng dụng ngoài trời lẫn trongnhà Điều kiện NLOS sẽ làm tín hiệu sóng điện từ RF dễ bị suy hao trên đường truyền

và có thé bị phản xạ ngược lại khi gặp các vật thé chắn như trong Hình 1.1

) soe B

Pla

Hình 1.1: Ảnh hưởng của NLOS đến tín hiệu sóng

(Nguồn: Internet)

Bên cạnh đó, việc sử dụng những antenna thông thường - thành phần đóng vai

trò không thể thiếu trong truyền/nhận tín hiệu sóng điện từ RF, van còn tồn đọngnhiều van đề nhất định Một hệ thống hay thiết bị ứng dụng IoT thường sử dụng duynhất một antenna, hoặc nhiều hơn một antenna lắp đặt xung quanh Tuy nhiên, điềunày lại mang đến nhiều hạn chế như được mô tả trong Bảng 1.1

Bảng 1.1: So sánh ưu nhược điểm giữa các antenna thông thường trong IoT

Sw dụng mot antenna da huong

-Tién loi va nho gon.

-Tin hiệu sóng điện từ RF bức xạ xung quanh.

- Độ lợi thấp (thông thường khoảng

0 dB đến 3 dB), dẫn đến khoảngcách truyền bị giới hạn [4]

- Hoạt động kém trong môi trường

NLOS làm cho tín hiệu sóng điện

từ RF dé bị suy hao và dé bị tác động bởi nhiễu.

Su dụng một antenna định

Tín hiệu sóng điện từ RF chi tập

trung bức xạ theo một hướng duy

LPhức tạp và tốn chỉ phí

L Dễ gặp hiện tượng mutual

coupling khi đặt các antenna gần

nhau, ảnh hưởng lên chất lượng

thế, nhằm khắc phục triệt dé nhất hiện trạng này, một giải pháp được đề xuất chính

là áp dụng kỹ thuật Beamforming vào chức năng truyền tín hiệu Với khả năng tạo ra

một búp sóng hẹp có cường độ tập trung cao nhất và điều khiến được hướng truyền

búp sóng một cách linh hoạt, kỹ thuật Beamforming góp phan cải thiện đáng ké độlợi tín hiệu và tăng sự tối ưu trong hướng truyền đến các đối tượng giao tiếp IoT [7]

1.1.2 Động lực nghiên cứu và phát triển vi mach Phase Shifter

Đối với bất kỳ một công nghệ giao tiếp không dây hoặc một kỹ thuật nhưBeamforming, thì cốt lõi cho sự hoạt động chính là nhờ các thành phần vi mạch xử

lý tín hiệu cao tần, được gọi là RFIC Chính vì thế, khi mà kỷ nguyên hiện đại ngàynay luôn đặt ra những yêu cầu khắt khe về cải tiến và nâng cao tính năng hoạt độngcủa các ứng dụng IoT, thì động lực thúc day sự đa dạng hóa của RFIC là một điều tat

yếu Điều này được chứng minh từ Hình 1.2 qua sự tăng trưởng liên tục của thị trường

RFIC trên thế giới, với lợi nhuận là 34.2 ti đô la trong năm 2015 và dự đoán sé tăngkhoảng 6.7% đến năm 2022, theo khảo sát của công ty Prescient & Strategic

Intelligence Private Limited.

us (dl |

esliiee me: bùng

| 2012! 2013 ' 2014' 2015' =} !201á ' 2017 | 2018! 2019! 2020' 2021 ' 2022

B North America Km Europe E1 Asia-Pacific s&s Rest of the World

Hình 1.2: Biểu đồ tăng trưởng của thị trường RFIC (2012 — 2022)

(Nguon: Trích dẫn từ [8])

Do đó, việc nghiên cứu về thiết kế cau trúc vi mach Phase Shifter, thành phầnRFIC quan trọng nhất dé hiện thực tác vụ Beamforming, không những góp phan nâng

cao tính năng hoạt động của kỹ thuật Beamforming nói riêng, mà còn đóng góp vào

xu hướng phát triển lĩnh vực thiết kế RFIC nói chung trên toàn cầu

1.2 Tinh hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Về kỹ thuật Beamforming, những nhu cầu về tăng cường hiệu quả truyền tínhiệu sóng dé phục vụ cho những công nghệ tiên tiến hiện nay đã thúc đây rất nhiềubài báo nghiên cứu khoa học phát triển kỹ thuật Beamforming trên thế giới

Trong bài báo [9] năm 2015, nhóm tác giả đã xây dựng một mạng lưới Analog

Beamforming Network ứng dụng vào Beamforming giao tiếp giữa vệ tinh và cácphương tiện giao thông Mạng lưới này hoạt động tại băng tan Ka-band 26.5 — 40GHz, với thành phan cốt lõi Analog Phase Shifter dựa trên cau trúc I/Q mixers, tạo

ra khoảng dịch pha 09— 360° cho tín hiệu gồm ra 4 đầu output dé truyền đến mộtmảng antenna Kết quả đo đạc cho thấy mạng lưới Beamforming này đạt được góc

phủ búp sóng là ở bề mặt ngang là + 900 với độ lợi từ 10 dB đến 48 dB

Tại bài báo [10] năm 2018, nhóm tác giả đã chế tạo một thiết bị transceiverứng dụng vào Beamforming hệ thống di động cellular milim-wave 5G Thiết bi gồm

64 kênh MIMO từ một mảng 16x4 antenna hoạt động tại tần số 28 GHz với băng

thông 500 MHz, được cầu tạo từ khối chức năng: IF & Baseband Sub-system va

mmWave Transceiver Front-End Trong đó, khối mmWave Transceiver Front-End

sử dụng thành phan Digital Phase Shifter 6-bit, có khoảng dịch pha 0°— 360°, step5.60, là yếu tố chính hiện thực kỹ thuật Beamforming Kết qua do đạc cho thay manglưới Beamforming này đạt được góc phủ búp sóng là ở bề mặt ngang là + 67° với độlợi lên đến 29 dB

Về thiết kế cấu trúc vi mach Phase Shifter, sự phát triển kỹ thuậtBeamforming ứng dụng vào các ứng dụng IoT cũng đã thúc đây sự đa dạng hóa của

các cấu trúc vi mach Phase Shifter, thành phần cốt lõi của kỹ thuật Beamforming Vì

thế, rất nhiều công trình nghiên cứu khoa học trên thế giới về vi mạch Phase Shifter

đã được đầu tư phát triển nhăm đáp ứng sự nâng cao tính năng Beamforming nói

riêng và xu hướng phát triển của thị trường RFIC nói chung

Nhóm tác giả của bài báo [11] năm 2019 đã thiết kế một loại vi mạch

Coupled-Lines All-Pass Phase Shifter trên công nghệ 65 nm CMOS, có băng tần hoạt động 24

— 28 GHz dé hỗ trợ Beamforming cho những ứng dụng 5G Các đặc tính của PhaseShifter bao gồm: dùng tín hiệu điều khiển Analog, có khoảng dịch pha 09— 55°,

reflection coefficient < -11.4 dB và độ lợi tín hiệu bằng -5+0.7dB.

Trong khi đó mới nhất, nhóm tác giả của bài báo [12] năm 2021 đã thiết kế

một loại vi mach Reflective Type Phase Shifter trên công nghệ 0.13 um SiGe

BiCMOS, có băng tần hoạt động 36 — 38 GHz dé hỗ trợ Beamforming cho ứng dụng

đo lường chỉ số độ âm dat đai Các đặc tính bao gồm: dùng tín hiệu điều khiển Analog,

có khoảng dịch pha 0°— 2530, reflection coefficient < -12 dB và độ lợi tín hiệu bằng-12 +2 dB.

1.2.2 Tinh hình nghiên cứu trong nước

Về kỹ thuật Beamforming, Việt Nam là một trong những quốc gia có tốc độ

đô thị hóa nhanh và cũng là động lực thúc đây các tác giả trong nước có những bài

báo khoa học nghiên cứu về Beamforming đóng góp tại những hội nghị, tạp chí quốc

đạc cho thay được góc phủ búp sóng Beamforming là + 450

Tương tự, trong bai báo [14] năm 2019, nhóm tác gia đã chế tạo một mảng

antenna 1x4 ESAA được điều khiển cho ứng dụng Beamforming trong hệ thống định

vị trong nhà Với băng tần hoạt động 2.3 - 2.7 GHz cho ca LTE và WiFi, va được cấu

tạo từ các thành phần như RE Switch SP4T và Phase Shifter dựa trên ma trận 4 x 4

Butler Matrix, kết quả đo đạc thé hiện góc phủ búp sóng Beamforming là + 35°

Về thiết kế cầu trúc vi mach Phase Shifter, tuy Việt Nam đang trên đà tiếp

cận lĩnh vực thiết kế vi mạch nhưng những đề tài nghiên cứu về phát triển vi mạch

cao tần RFIC vẫn còn rất nhiều hạn chế Qua quá trình khảo sát trên công cụ Internet,

những bài báo về thiết kế cấu trúc vi mạch Phase Shifter trong nước dường như đếnnay vẫn chưa xuất hiện rộng rãi Điều này sẽ là một thiếu sót rất lớn cho việc tiếp cậnlĩnh vực nghiên cứu và chế tạo vi mạch cao tần tại Việt Nam, khi đây đang là xuhướng mang tính cấp thiết trên thế giới hiện nay

1.2.3 Tính mới của đề tài

Từ những bài báo khoa học nêu trên, ta có thể thấy được sự đa dạng trong việcphát triển những thiết bị, hệ thong phan cung chuyén biét dé hiện thực kỹ thuậtBeamforming cho rất nhiều ứng dụng hữu ích Tính cấp thiết của kỹ thuậtBeamforming cùng với xu hướng phát trién của RFIC cũng tạo nhiều động lực dé cáctác giả ngoài nước có những đóng góp về đề tài phát triển cấu trúc vi mạch PhaseShifter Bên cạnh đó, sự khan hiếm về những đề tài nghiên cứu vi mạch cao tần trongnước cũng là một điều rất đáng quan tâm trong sự phát trién của lĩnh vực thiết kế vi

mạch của nước Việt Nam.

Vì thế, với mong muốn đa dạng hóa, hiện thực hóa lợi ích của kỹ thuậtBeamforming và đóng góp các bước tiếp cận thiết kế cau trúc vi mach Phase Shifternói riêng và thiết kế REIC nói chung, nhóm chúng em dé xuất đề tài khóa luận với

hai nội dung chính như sau:

e Nội dung I: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch điều khiển Phase Shifter

ứng dụng vào Beamforming hoạt động tại băng tan LoRa 2.4 — 2.48 GHz dé

khắc phục những hạn chế về suy hao tín hiệu trong những ứng dụng được

triển khai trong nhà

e Nội dung 2: Đề xuất cau trúc vi mach Phase Shifter dựa trên công nghệ 0.18

um RF CMOS mang tính năng tương tự như các IC Phase Shifter có trên thi

trường nhằm góp phần đóng góp cho sự phát triển thiết kế vi mạch cao tần

tại Việt Nam.

1.3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của nội dung 1:

Thiết kế và chế tạo thành công mạch điều khiển Phase Shifter hoạt động taibăng tan LoRa 2.4 — 2.48 GHz, với số lượng tám mạch điều khiển Phase Shifter để

có thể mở rộng góc phủ búp sóng Beamforming

Sử dụng các thành phần RFIC trên thị trường như Digital Phase Shifter, RF

Switch, PA và LNA tích hợp trên mạch điều khiển Phase Shifter để có thé tạo ra

khoảng dịch pha 0° - 360° và khuếch đại tín hiệu nhằm tăng cường hiệu qua

Beamforming.

Kết hợp tám mạch điều khiển Phase Shifter với một Power Divider 1x8, một

Phased Array Antenna 1x8 và một transceiver phát là node TN master dé hình thànhmột mạch điều khién Beamforming hoàn chỉnh, phục vụ cho việc hiện thực hóa ứng

Mục tiêu của nội dung 2:

Thiết kế thành công cau trúc vi mach Phase Shifter dựa trên kiến trúc VLTL

có tích hợp single-stage LNA dé đạt tinh năng dich pha liên tục, đồng thời tăng cường

độ lợi và tính kháng noise của tín hiệu.

Đáp ứng những kết quả mô phỏng S-parameter ở mức pre-layout tại băng tan

hoạt động 2.4- 2.48 GHz như: khoảng dịch pha liên tục trên 200°, Return Loss S¡¡ và

S22 < -10 dB, độ lợi > 0 dB với mức độ dao động độ lợi thấp hon + 0.5 dB, va NoiseFigure < 4 dB.

Hoàn chỉnh thiết kế layout, và đạt các bước kiêm tra DRC va LVS

10

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu

Đôi với nội dung 1, các đôi tượng cân tập trung nghiên cứu chính bao gôm:

Các cơ sở lý thuyết về Phased Array Antenna, Beamforming, Power Divider

và thông số RSSI dé làm nền tang cho việc nghiên cứu mạch điều khiểnPhase Shifter.

Thiết kế mạch điều khiển Phase Shifter, thiết kế Power Divider, thiết kếPhased Array Antemna, và thiết kế các node TN (master và slave) dé hìnhthành mạch điều khiển Beamforming hoàn chỉnh

Các bước hoàn thiện việc lắp ráp và đo đạc mạch điều khiển Beamforming

Lập trình cho node TN master dé thuc hién viéc truyén tín hiệu cần được

Beamforming và cho các node slave dé hién thi thông số RSSI

Đôi với nội dung 2, các đôi tượng được đâu tư nghiên cứu bao gôm:

Các cơ sở lý thuyết về thiết kế cau trúc vi mach Phase Shifter dựa trên công

nghệ 0.18 um RF CMOS, bao gồm các nội dung: khái quát về Phase Shifter,cấu trúc single-stage LNA, đặc tính các linh kiện sử dụng trong thiết kế, vàcác yêu cầu về layout trong thiết kế Analog/RF

Thư viện GPDK180_v3.2 thuộc 0.18 um RF CMOS cung cấp bởi hãng

Keysight Technology được sử dụng vào thiết kế.

Kiến trúc VLTL được áp dụng vào thiết kế schematic và layout của cấu trúc

vi mạch Phase Shifter.

Các anh hưởng của các thông số của những linh kiện trong thiết kế

Các bước đánh giá DRC, LVS sau khi hoàn thành layout.

Phương pháp nghiên cứu

Đối với nội dung 1, phương pháp nghiên cứu được chia làm bốn phan:

Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết trên Internet về những đối tượng được áp

dụng vào thiết kế mạch điều khiển Phase Shifter, Power Divider, PhasedArray Antenna và các node TN (master va slave).

11

e Sử dụng công cụ EasyEDA để thiết kế schematic và layout PCB cho các bản

vẽ thiết kế nêu trên Sau đó tiễn hành đặt mạch va thi công mạch

e©_ Kết hợp tat cả các thiết kế sau khi thi công dé hình thành mạch điều khiển

Beamforming dé tiến hành đo đạc Beamforming ở môi trường trong nhà

e Dựa vào giá trị RSSI trên các node TN slave để đo đạc góc quét

Beamforming.

Đối với nội dung 2, phương pháp nghiên cứu được thê hiện như sau:

e Nghién cứu về cơ sở lý thuyết trên Internet về các đối tượng sẽ được áp dung

vào thiết kế cấu trúc vi mạch Phase Shifter, làm cơ sở cho việc lựa chọn kiếntrúc dé tiếp cận là VLTL

e Sử dụng phần mềm ADS của Keysight Technologies và thư viện

GPDK180_ v3.2 dé thiết kế cấu trúc vi mạch Phase Shifter

e Khao sát và mô phỏng các thành phan sử dụng trong thiết kế dé tìm ra giá trị

tối ưu nhất cho ra kết quả như mong đợi (ở mức pre-layout)

e Str dụng công cụ Virtuoso của Cadence dé thiết kế layout cho cấu trúc vi

mạch và đánh giá DRC, LVS sau khi layout.

1.5 Thuận lợi, khó khăn

1.5.1 Thuận lợi

Đối với nội dung 1, sự có mặt đầy đủ của những thành phần RFIC có thé được

tìm thấy trên thị trường và dịch vụ gia công mach PCB ngoài nước góp phan thúc daythời gian hoàn thành dé tài Các node TN đã được nhóm phat triển từ Đồ án 1 và 2nên giúp tiết kiệm nhiều thời gian hơn cho khóa luận

Đối với nội dung 2, nhờ sự cung cấp sẵn công cụ phan mềm ADS và Cadencetrong máy ảo đến từ khoa Kỹ thuật máy tính đã hỗ trợ nhóm chúng em có môi trường

dé thiết kế cau trúc vi mạch Ngoài ra, tính tương thích của thư viện GPDK180_v3.2

với công cụ ADS, Cadence đã tạo thuận lợi cho nhóm chúng em sử dụng, nghiên cứu

và phát triển nội dung thiết kế vi mach

12

Hơn nữa, với sự giúp đỡ tận tình từ thầy hướng dẫn TS Trịnh Lê Huy, từ bạn

bè và thầy/cô, nhóm chúng em được cung cấp những hỗ trợ cần thiết về phòng làm

việc, các thiết bị đo, khóa học online, và cả những kiến thức chia sẻ quý báu Tĩnh

thần trách nhiệm của các thành viên trong nhóm cũng là một động lực lớn cho sựhoàn thành đề tài khóa luận

1.5.2 Khó khăn

Bên cạnh những thuận lợi, nhóm cũng gặp không ít khó khăn trong quá trình

thực hiện đề tài khóa luận

Đối với nội dung 1, vì các mạch thiết kế hoạt động ở tần số cao lên đến GHz,nên rất khó dé đáp ứng kết quả thực tế tương ứng với mô phỏng bởi đặc tính matching

trên transmission line cua mạch Cũng chính vì mang đặc thù là hoạt động với tin

hiệu tần số cao, các thành phần RFIC rất nhạy cảm với tác động từ bên ngoài, nên rất

dễ hư hỏng nếu không giữ trên tay cần thận Nhóm đã phải trải qua nhiều lần đặt hàng

và thi công lại mạch điều khién Phase Shifter cũng chính vì lý do các thành phan

RFIC dễ hư hỏng.

Đối với nội dung 2, sự hạn chế về kiến thức chuyên môn thiết kế vi mạch cao

tần đã gây không ít khó khăn cho việc nghiên cứu của nhóm Ngoài ra, quá trình tìm

kiếm nguồn thư viện GPDK180_ v3.2 dé tương thích với công cu ADS va Cadencecũng là một thách thức lớn về thời gian tìm kiếm vì tính khan hiếm và phải trải quanhiều lần thử nghiệm Thêm vào đó, một sé giới hạn khách quan của thư viện sử dụng

GPDK180_v3.2 cũng ảnh hưởng đến sự tối ưu của cấu trúc vi mach Phase Shifter

Bên cạnh đó, tình hình dịch bệnh Covid-19 diễn ra trong năm 2021 đã ảnh

hưởng nhiều đến tiến độ làm đề tài khóa luận của nhóm chúng em Vì điều kiện giãn

cách xã hội, nên việc lên trường đo đạc mạch, gap nhau dé bàn bạc và trao đôi trong

nhóm đôi lúc không thé diễn ra, dẫn đến việc chưa hoàn thiện một cách hoàn chỉnh

một số kết quả đo đạc Beamforming như đo khoảng cách tín hiệu truyền trong bao

Xa.

13

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYET AP DỤNG VÀO MACH DIEU KHIỂN

PHASE SHIFTER UNG DỤNG VÀO BEAMFORMING

2.1 Phased Array Antenna

2.1.1 Khai quat vé antenna

Antenna là bộ phận quan trọng không thé thiếu của bat kỳ hệ thống vô tuyếnđiện nào Một hệ thống liên lạc vô tuyến bao gồm một thiết bi transceiver và một

antenna Trong đó, thiết bị transceiver đóng vai trò làm bộ phận máy phát và máy thu,

còn antenna giữ vai trò làm antenna phát và antenna thu Máy phát có nhiệm vụ tạo

ra dao động điện cao tần, dao động điện sẽ được truyền tới antenna dưới dạng sóngđiện từ ràng buộc Antenna phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc thànhsóng điện từ tự do bức xạ ra không gian Cấu tạo của antenna sẽ quyết định khả năngbiến đổi và bức xạ năng lượng điện từ nói trên Antenna thu có nhiệm vụ ngược vớiantenna phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biếnđổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc

2.1.2 Nhu cầu sử dụng antenna có độ lợi cao

Antenna có độ lợi cao (High Gain Antenna — HGA) là antenna định hướng có

búp sóng hẹp và tập trung, cho phép hướng tín hiệu tới nơi thu hoặc mục tiêu với độ

chính xác hơn Với cùng một công suất phát, antenna độ lợi cao cho phép hệ thống

có thê truyền được nhiều năng lượng hơn và đi xa hơn, đến hướng cho trước, so vớiantenna đăng hướng; cũng như khi thu tín hiệu, loại antenna này cho phép hệ thốngthu nhận được tín hiệu với cường độ lớn hơn Do đó, hệ thống thu phát tín hiệu sẽ

làm việc hiệu quả hơn, công suất phát có thé giảm, vì thé giảm được chi phí duy trì,

nâng cao hiệu năng hệ thống Hơn thế nữa, HGA có độ định hướng cao, chỉ phát vàthu tại các hướng nhất định tùy theo hướng của búp sóng chính nên sử dụng antennaloại này có thể giảm can nhiễu Có rất loại antenna có độ lợi cao đã được nghiên cứu,chế tạo phô biến như: antenna chảo parabol, antenna helix, antenna yagi, antenna hình

nón conical, và antenna mảng pha hay còn được gọi là Phased Array Antenna.

14

Hình 2.1: Một số loại antenna độ lợi cao hiện nay.

(Nguồn: Internet)

So với các loại antenna có độ lợi cao còn lại, Phased Array Antenna là loại

được sử dụng nhiều nhất trong hệ sinh thái IoT cũng như trong các công nghệ truyền

tai dir liệu cao tiên tiễn hiện nay như 5G, nhờ vào khả năng ứng dụng vàoBeamforming.

2.1.3 Đặc điểm và lợi ích của Phased Array Antenna

Phased Array Antenna là mảng các antenna có khả năng thay đổi hình dạng và

hướng của sóng tín hiệu mà không cần di chuyền antenna một cách vật lý Các phần

tử trong một Phased Array Antenna được đặt theo cách mà sao cho các tín hiệu được

truyền bởi các antenna riêng lẻ tổng hợp lại và cung cấp độ lợi, định hướng và hiệu

suất tốt hơn theo một hướng cụ thể Điều này đạt được bang cach truyén các tín hiệu

có cùng tần số từ tất cả các phần tử riêng lẻ trong mảng nhưng với độ lệch pha nhấtđịnh giữa mỗi phần tử antenna trong mang Độ lệch pha được tính toán dé cung cấp

giao thoa xây dựng theo hướng mong muốn trong khi giao thoa triệt tiêu có thể xảy

ra theo các hướng khác Việc xác định độ lệch pha phù hợp với hướng mong muốncủa định dạng chùm liên quan đến các phép tính toán học

15

2.2 Ky thuật Beamforming

2.2.1 Định nghĩa về Beamforming

Beamforming là một kỹ thuật ứng dụng một Phase Array Antenna có thê điềukhiển để truyền tín hiệu vô tuyến theo một hướng cu thé Beamforming có thé xácđịnh hướng tín hiệu và gử1/nhận chùm tín hiệu mạnh hơn theo hướng cu thê đó như

mô tả trong Hình 2.2.

Trong kỹ thuật này, mỗi phần tử antenna được cấp tín hiệu được chia ra từPower Divider Trong đó, pha và biên độ của mỗi tín hiệu được điều chỉnh nhờ vàomột thiết bị diều chỉnh pha Từ đó các tín hiệu giao thoa và triệt tiêu tạo ra bức xa tin

hiệu theo một hướng.

2.2.2 Muc dich cia Beamforming

Beamforming kiém soat hướng truyền hoặc nhận tín hiệu trên một mảngantenna Beamforming cải thiện hiệu quả giao tiếp bằng cách cung cấp tỷ lệ tín hiệu

trên tín hiệu nhiễu tốt hơn Có thể định dạng chum giúp tăng phạm vi và cường độ tin

hiệu Điều đó có nghĩa là người dùng thiết bị di động nhận được tín hiệu mạnh hơn,

rõ ràng hơn Beamforming mang lại cơ hội băng thông lớn cho truyền thông di động,

có thê hỗ trợ không chỉ tốc độ dit liệu cao hon mà còn có độ trễ cực thấp Vì việc

truyền sóng diện rộng ở tần số cao dễ bị suy hao đường truyền hơn đáng kể và dễ bị

tắc nghẽn hơn so với truyền tần số thấp, nên các phương pháp antenna diện rộng đã

16

không được sử dụng cho thông tin di động áp dụng cho công nghệ 5G Do đó,

Beamforming là một trong những kỹ thuật quan trọng thay thế các antenna diện rộng

được sử dụng dé phát triển công nghệ 5G

2.2.3 Cơ chế hoạt động của Beamforming

Hình 2.3 mô tả ảnh hưởng của thông số pha trên số lượng phần tử phát tín hiệulên hình dạng bức xạ của tín hiệu Sự thay đổi pha giữa các phần tử phát tín hiệu cóthê làm thay đổi hướng của bức xạ Thay vì dùng một hệ thống xoay vật lý mộtantenna dang hướng, hệ thống này thay đổi hướng của tín hiệu bang cách thay đổi

pha khác nhau và có thé thay đổi bằng tín hiệu điều khiến điện tử thông qua mạch

điều khiển Phase Shifter Có thể thấy hướng của tín hiệu được định hình rõ ràng hơnkhi thay đôi số lượng các phần tử phát tín hiệu

vuông, có góc vuông cạnh ngắn hơn năm trên chùm tia đặt là x Cạnh huyền là khoảng

cách giữa hai mạch Phase Shifter kí hiệu là d Cạnh còn lại là đường vuông góc với chùm tia của mạch Phase Shifter trước.

17

Hình 2.4: Hình ảnh giải thích những kí hiệu dùng trong công thức.

(Nguôn: Internet)

Các công thức dé tính toán thông số pha trong điều khiển hướng búp sóng

của Beamforming như sau:

Trong đó: 2 là bước sóng tại tan số f (Hz) của tín hiệu với A = (3x10°)/(f), Ag

là độ lệch pha giữa hai phan tử antenna kề nhau; d là khoảng cách giữa các phần tử

bức xa, va Os là búp lái.

2.3 Power Divider

Power Divider là thiết bi RF thụ động chia tín hiệu đầu vào thành nhiều tínhiệu đầu ra có hình dạng như Hình 2.5 Power Divider được sử dụng rộng rãi trong

các hệ thống không dây dé phân chia công suất đồng đều trên toàn hệ thống Các tín

hiệu đầu ra được tạo ra bởi bộ chia công suất thường có biên độ, cường độ và phabằng nhau

18

Hình 2.5: Một thiết bị Power Divider 1 x 8 trên thi trường.

(Nguôn: Internet)

Trong trường hop lý tưởng, một Power Divider có thé được coi là không cósuy hao, nhưng trong thực tế luôn có một số suy hao tín hiệu

Power Divider được ứng dụng trong hệ thống Beamforming Power Divider

có nhiệm vụ chia tín hiệu cùng công suất, cùng pha từ transceiver ra các Phase Shifter

Từ đó các Phase Shifter thay đôi pha của tín hiệu dé tạo ra búp sóng

là lý tưởng tuyệt đối

Trong Beamforming, các bức xạ tín hiệu sẽ được trỏ đến nhiều hướng khácnhau Nếu thiết bị nhận nam đúng hướng tín hiệu thi giá trị RSSI này sẽ cao, còn kháchướng thì giá trị này sẽ thấp hơn

> Sau khi tim hiểu day đủ về các cơ sơ lý thuyết can thiết về Phased Array

Antenna, cơ chế hoạt động cua Beamforming, Power Divider và thông số RSSI, côngđoạn tiếp theo là thiết kế mạch điều khiến Phase Shifter, trong đó mạch sử dụng IC

Phase Shifter thị trường dé điều khiển cơ chế dịch pha tín hiệu, thành phan chủ chốtcủa một mạch điều khiển Beamforming Toàn bộ quy trình thiết kế, chế tạo va do đạc

mạch điều khiển Phase Shifter sẽ được trình bày trong chương tiếp theo

19

Chuong 3 THIET KE, CHE TAO MACH DIEU KHIỂN PHASE

SHIFTER

3.1 So đồ khối của một mach điều khiến Phase Shifter

Mỗi mạch điều khién Phase Shifter đều được thiết kế với cau trúc giống nhau,

sẽ bao gồm hai ngõ tín hiệu: Tx — truyền tín hiệu, Rx — nhận tín hiệu Cấu trúc của

mạch được mô tả trong Hình 3.1 dựa trên “Figure 4 - RE front end of a phased array

antenna” của nghiên cứu [17] Trong đó, thành phần IC Phase Shifter thị trườngMAPS-010144 đóng vai trò quan trọng nhất trong việc thay déi pha tín hiệu dé hìnhthành cơ chế Beamforming như đã được trình bày trong mục 2.2.3 của Chương 2

Mạch điều khiên Phase Shiter Rx

Hình 3.1: Sơ đồ khối của một mạch điều khién Phase Shifter

(Nguôn: Tác giả tự tổng hợp)Bởi vì tín hiệu qua IC PA chỉ theo một chiều từ input sang output nhưng ICPhase Shifter cho phép tín hiệu vừa nhận và truyền nên sẽ có cơ chế phân luồng tínhiệu bằng IC RE Switch 2

3.2 Danh sách IC sử dung

IC Digital Phase Shifter MA PS-010144

IC có chức năng dich pha cua tín hiệu input lên đến 360° IC có hai chức năngđiều khiến là parallel va serial băng tín hiệu điều khiến Digital

Ở chế độ serial, IC giao tiếp thông qua chuẩn giao tiếp SPI

Ở chế độ parallel, IC được điều khiển thông qua mức cao và thấp của bốn chân

D6 D5 D4 D3 Nhóm sử dụng công tắc switch 8 dé điều khiển nên sẽ chọn chế độ

parallel.

20

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của MAPS-010144.

Dé có thé tao búp sóng tir Phase Array Antenna cần có một IC giúp tăng cường

công suất của tín hiệu đề có thể tạo ra sự giao thoa, triệt tiêu giữa các tín hiệu phát ra

từ các mạch điều khiển Phase Shifter khác

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của HMC327MS8GETR

IC được tích hợp một IC switch 2 bên trong giúp phục vụ vào việc phân luồng

tín hiệu hai chế độ Rx và Tx góp phần giảm kích thước của mạch điều khiển Phase

Shifter.

21

Bang 3.3: Thông số kỹ thuật MAMF-011119.

IC có thông số Noise Figure thấp, hạn chế việc nhiễu tín hiệu

Công dụng của IC switch 2 là phân luồng tín hiệu giữa hai ngõ Tx và Rx

IC không cần nguồn cung cấp, IC sẽ sử dụng nguồn từ tín hiệu điều khiển ở

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật NCV8170.

Thông số kỹ thuật

- Điện áp đầu vào: +2.2 ~ +5.5 VDC

- Điện áp đầu ra: 3.3 VDC

- Điện áp đầu vào: +4.8 ~ +35 VDC

- Điện áp đầu ra: + 5 VDC

- Kích thước: 65x28x12.5 mm.

- Dong ra: 660 mA.

- Hiéu suat: 88% (dau vao 24 V tai

Vin).

- Tải tối thiểu: 30 mA

Hình 3.7: Mạch nguồn XL6019

(Nguồn: Internet)

3.3 Thiết kế đường tín hiệu cao tần trên PCB

Thiết kế đường tín hiệu cao tần trên PCB là xác định chiều rộng và chiều dài

của lớp kim loại trên mạch cho trở kháng đạt yêu cầu dé có thể truyền dẫn tín hiệu

cao tân Các thông sô điện môi và chiêu dày được cung câp từ nhà sản xuât mạch.

23