Thiết kế và thực hiện bộ khuếch đại công suất VHF 300W

Bài viết này trình bày phương pháp thiết kế và thực hiện một bộ một bộ khuếch đại công suất VHF sử dụng MOSFET hoạt động ở chế độ push-pull nhằm thay thế cho các module công suất nhập ngoại. Qua đó, tác giả trình bày cách chọn linh kiện, chế tạo biến thế dải rộng, cân bằng bù nhiệt, tiến trình thiết kế với sự hỗ trợ của các phần mềm cùng phương pháp đo thử để đánh giá các tham số căn bản.

Thông tin khoa học công nghệ THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT VHF 300W Nguyễn Tấn Nhân* Tóm tắt: Bài viết trình bày phương pháp thiết kế thực một khuếch đại công suất VHF sử dụng MOSFET hoạt động chế độ push-pull nhằm thay cho module công suất nhập ngoại Qua đó, tác giả trình bày cách chọn linh kiện, chế tạo biến dải rộng, cân bù nhiệt, tiến trình thiết kế với hỗ trợ phần mềm phương pháp đo thử để đánh giá tham số Từ khóa: Bộ khuếch đại công suất VHF, Bộ khuếch đại RF LDMOS GIỚI THIỆU Tầng công suất cao tần thường nằm cuối hệ thống máy phát vô tuyến, trước lọc cộng công suất Tuy nhiên, trước để có cơng suất lớn từ vài kW trở lên thường sử dụng đèn điện tử Phương pháp có vài ưu điểm, nhược điểm lớn đèn hỏng hệ thống ngưng hoạt động hồn tồn Trong đó, ngày để tạo cơng suất cao tần lớn người ta thường cộng công suất từ module chế tạo đồng Ưu điểm lớn phương pháp độ tin cậy cao việc hỏng hóc đồng thời module có xác suất thấp Nếu có hỏng vài module cơng suất hệ thống giảm hệ thống hoạt động bình thường Trong trình bày phương pháp thiết kế thực module khuếch đại công suất hoạt động chế độ ‘đẩy-kéo’ dải rộng MOSFET dải VHF Module sử dụng đơn lẽ kết hợp với công suất theo yêu cầu thiết bị phát FM stereo ứng dụng khác PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 2.1 Chọn transistor Bảng Gemini Transistor điển hình Transistor Hãng Nguồn Cơng suất Độ lợi Hiệu suất BLF368 Philips 32V 300W 14dB 62% BLF369 Philips 50V 500W 16dB 60% MRF151G Motorola 48V 300W 18dB 55% Việc chọn transistor cho thiết kế phụ thuộc nhiều yếu tố, chủ yếu nguồn cung cấp cho hệ thống hoạt động; đồng thời với cách ráp đẩy kéo, chọn hai transistor độc lập Tuy nhiên, cần thận trọng lựa chọn để có hệ số khuếch đại Cách tốt sử dụng loại transistor có tham số giống đóng chung vỏ, loại gọi Gemini transistor giá thành có cao Sau vài loại transistor điển cho bảng Trong ta chọn transistos MRF151G có sẵn, sử dụng nguồn 48V có độ lợi cao méo IMD thấp phân cực Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 177 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 2.2 Chọn cấu hình mạch Để thực mạch khuếch đại ‘đẩy kéo’ ta chọn mơ hình mạch hình đây: Hình Mơ hình khuếch đại đẩy kéo Như hình 1, nguồn tín hiệu kích thích có nội trở Z in  50 kích thích hai vế transistor qua biến áp 4:1 bất đối xứng sang đối xứng Thông thường mạch sử dụng biến dải rộng ferrite hay cáp đồng trục có trở kháng đặc tính: Z balance  50   R  25 (1) R  12.5 Hay: (2) Tuy nhiên, thiết kế này, dải tần hoạt động trãi rộng từ 54MHz đến 68MHz (nhỏ octave nhiều), đó, giá trị biến đổi đường tải tối ưu không lớn [1] Đồng thời, để có kích thước nhỏ gọn thiết kế sử dụng biến áp 4:1 cân chế tạo từ cáp đồng trục có trở kháng đặc tính Z  25 [2] cho ngõ vào ngõ Như ta thấy, mạng cân cáp đồng trục tự thân tạo cho tổng trở nguồn tải khuếch đại thấp xuống từ 50  12, 5 Trên hình 1, Z p tổng trở ký sinh điểm thả mạch cân đất Tổng trở giữ cao so với 12,5 tốt để tránh ảnh hưởng đến cân mạng 2.3 Tổng trở vào transistor mạng phối hợp Tần số thiết kế chọn: f  f  f max  54  68MHz  60, 6MHz (3) Từ số liệu nhà sản xuất [3], ta có tổng trở vào: Z in  (1,5  j 2) ; Z out  (6,  j 2) Như vậy, tổng trở vào tương ứng cần biến đổi đến 50 nhìn qua biến áp có tỷ số 4:1 cho thiết kế: Z inh  Z in /  (0, 75  j1) Z outh  (3,1  j1) [4] Hình trình bày toán đồ Smith mạng phối hợp trở kháng ngõ vào [5] hình 178 Nguyễn Tấn Nhân, “Thiết kế thực khuếch đại công suất VHF 300W.” Thông tin khoa học công nghệ sơ đồ mạch Hình Tốn đồ Smith mạng phối Hình Sơ đồ mạng phối hợp ngõ vào hợp ngõ vào Tương tự, hình 3a 3b cho tốn đồ Smith sơ đồ mạch ngõ Mạch khuếch đại hồn chỉnh trình bày hình 4: Hình Mạch khuếch đại công suất VHF 300W 2.4 Mạch phân cực bù nhiệt Vì hoạt động chế độ tín hiệu lớn, khuếch đại phải phân cực để hệ số chuyển dẫn tín hiệu nhỏ (độ dốc g m ) khơng có tín hiệu cao tần nửa hệ số chuyển dẫn tín hiệu lớn để không gây méo điểm giao đặc tuyến hai vế trình bày hình Đồng thời dòng I D MOSFET thay đổi theo nhiệt độ nên phải bù nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm nhằm giữ cho khơng thay đổi hệ thống hoạt động Vì dòng tăng 15mA nhiệt độ tăng 1oC [4]; Do đó, nhiệt độ tăng giá trị điện trở nhiệt giảm làm điện áp rơi giảm theo, kết I D giữ khơng đổi Ngồi mạch phân cực hình có mạch bảo vệ cho transistor tỷ số sóng đứng cao Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 179 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình Méo tín hiệu nhỏ điểm gm nhỏ VCC 12V 1N4001 LM317 2SK2369 VOUT ADJ VIN 100 TO BIAS POT 500 C3 100uF Zener 6,2V 1000pF 0.1uF 10k 390 t 1k 2SK2369 CONTROL Hình Mạch phân cực có bù nhiệt bảo vệ THỰC NGHIỆM VÀ ĐO THỬ 3.1 Sơ đồ thí nghiệm Trên hình trình bày sơ đồ bố trí thực phép đo thử kiểm tra tham số khuếch đại dải tần, công suất theo công suất vào, hiệu suất Bộ khuếch đại Máy phát FM Máy đo công suất Máy đo công suất Tải RF V A Nguồn Hình Sơ đồ phép đo khuếch đại 180 Nguyễn Tấn Nhân, “Thiết kế thực khuếch đại công suất VHF 300W.” Thơng tin khoa học cơng nghệ Trong đó:  Máy phát FM thiết lập tần số dải 54 MHz  68MHz công suất từ 2W – 25W  Máy đo công suất công suất phản xạ [7] đặt ngõ vào ngõ khuếch đại  Nguồn 48VDC có thị dòng áp cấp cho khuếch đại, tải giả RF 50 800W 3.2 Kỹ thuật đo 3.2.1 Đo độ lợi Nối tải giả đến ngõ máy đo công suất 1, mở máy phát FM thiết lập công suất máy phát giá trị 2W tần số 60,6MHz; Tắt máy phát nối thiết bị hình Mở nguồn cho khuếch đại công suất trước máy phát sau, ghi lại công suất ngõ Tăng công suất máy phát Watt ghi lại công suất ngõ khuếch đại, kết cho hình Qua phép đo, độ lợi tầng khuếch đại khoảng 15dB tỷ số sóng đứng ngõ vào VSWR = 1,2 [7] Hình Cơng suất ngõ theo công suất ngõ vào 3.2.2 Đo dải tần hiệu suất Bây giữ công suất ngõ máy phát FM 12W, giảm tần số đến 54MHz, ghi lại công suất ngõ khuếch đại, dòng tải nguồn DC; Tuần tự tăng bước 2MHz ghi lại số liệu cuối băng (68MHz) ta kết bảng Theo kết ta thấy, hiệu suất khuếch đại dải điển hình 55% Bảng Công suất ngõ hiệu suất khuếch đại theo tần số Tần số (MHz) Công suất (W) Dòng Amp Cơng suất DC (W) Hiệu suất  (%) 54 56 58 60 62 64 66 68 308 310 307 301 298 298 297 294 11.3 11,3 11,2 10,63 10,5 10,5 10,86 11,14 544 543,86 538,60 510,67 505 505 521 534,5 56,6 57 57 59 59 59 57 55 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 181 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử KẾT LUẬN Bài viết trình bày phương pháp thiết kế thực mạch khuếch đại công suất cao tần VHF băng rộng dùng transistor dạng Gemini MRF151G công suất 300W cho nhiều ứng dụng khác Trong trình tính tốn thực khuếch đại VHF có sử dụng nhiều phần mềm khác để mơ phỏng; Tùy theo cấp độ xác phần mềm mà sai số kết nhận phù hợp với phần mềm Ngồi ra, lần đầu thiết kế khuếch đại công suất siêu cao tần công suất lớn điều kiện hạn chế nên mạch phụ trợ nhằm nâng cao phẩm chất mạch chưa ý nhiều; Tuy vậy, tác giả cố gắng thực mạch bù nhiệt cho mạng phân cực để hệ thống hoạt động chế độ nhiệt độ tăng kết hợp với lọc hài Tchebychev bậc chín [6] khơng trình bày Trong tương lai tiếp tục hồn thiện để sủ dụng có hiệu cao Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông đề tài mã số 01-HV-2016-RD_VT2 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dan Moline, “RF Application Reports”, Motorola page 174; Printed in USA 1995 [2] Chris Trask, “Designing Wide-Band Transformers for HF and VHF Power Amplifiers”, QEX, Mar/Apr 2005, pp 3-15 [3] Datasheet, “MRF151G”, RF Power FET MACOM Technology Solutions [4] H O Granberg, “Building push-pull multioctave, VHF power amplifiers”, Motorola Application note, page 420; Printed in USA 1995 [5] Fritz Dellsperger, “Smith V2.03”, http://www.fritz.dellsperger.net Berne University of Applied sciences, 2004 [6] Stewart Hyde, “RFSim99 version 1.05”, www.Hydesign.co.uk UK 1999 [7] “Thruline Wattmeter model 43”, Bird Electronic Corp Cleveland, Ohio, USA ABSTRACT DESIGN and IMPLEMENTATION of 300 Watt VHF POWER AMPLIFIER In this paper, we design and implement a 300 Watt VHF power amplifier that uses MOSFET operating on the push-pull mode, in order to replace the imported modules In particular, this paper presents the method to select the devices; design a wide-range transformer and temperature compensation equalizer and a design process based on computer solfwares Keywords: VHF Power amplifier, RF LDMOS amplifier Nhận ngày 16 tháng 08 năm 2016 Hoàn thiện ngày 06 tháng 11 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 12 năm 2016 Địa chỉ: Học Viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, Cơ sở Thành Phố Hồ Chí Minh; * Email: tannhan2000@yahoo.com 182 Nguyễn Tấn Nhân, “Thiết kế thực khuếch đại công suất VHF 300W.” ... phát FM Máy đo công suất Máy đo công suất Tải RF V A Nguồn Hình Sơ đồ phép đo khuếch đại 180 Nguyễn Tấn Nhân, Thiết kế thực khuếch đại công suất VHF 300W. ” Thông tin khoa học công nghệ Trong... bảo vệ THỰC NGHIỆM VÀ ĐO THỬ 3.1 Sơ đồ thí nghiệm Trên hình trình bày sơ đồ bố trí thực phép đo thử kiểm tra tham số khuếch đại dải tần, công suất theo công suất vào, hiệu suất Bộ khuếch đại Máy... vào [5] hình 178 Nguyễn Tấn Nhân, Thiết kế thực khuếch đại công suất VHF 300W. ” Thông tin khoa học công nghệ sơ đồ mạch Hình Tốn đồ Smith mạng phối Hình Sơ đồ mạng phối hợp ngõ vào hợp ngõ vào