Thiết kế bộ trộn tần chống nhiễu ảnh ứng dụng cho mô-đun thu phát băng tần X

Bài viết thực hiện việc hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại và làm giảm mất cân bằng tham số giữa hai nhánh I/Q của bộ trộn tần. Bộ cộng lai 90 độ (hybrid coupler) cấu trúc 2 tầng được sử dụng để đáp ứng dải thông và độ cân bằng giữa hai nhánh tín hiệu.

TNU Journal of Science and Technology 225(09): - 10 THIẾT KẾ BỘ TRỘN TẦN CHỐNG NHIỄU ẢNH ỨNG DỤNG CHO MÔ-ĐUN THU PHÁT BĂNG TẦN X Phạm Cao Đại*, Lê Đại Phong, Phạm Việt Anh, Lưu Văn Tuấn Trường Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn TĨM TẮT Một trộn tần chống nhiễu ảnh (image rejection mixer - IRM) thiết kế ứng dụng cho thiết bị vô tuyến băng tần X dựa cấu trúc Hartley Bộ trộn tần sử dụng suy hao số phân giải cao chia/cộng tín hiệu để thực chức xoay pha kết hợp suy hao phân giải cao Do đó, thực việc hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại làm giảm cân tham số hai nhánh I/Q trộn tần Bộ cộng lai 90 độ (hybrid coupler) cấu trúc tầng sử dụng để đáp ứng dải thông độ cân hai nhánh tín hiệu Kết thiết kế, mô trộn tần IRM đề xuất dải tần 9,1÷9,7 GHz với tần số trung tần (intermediate frequency – IF) 90 MHz, băng thông 10 MHz cho tỷ số chống nhiễu ảnh (image rejection ratio – IRR) đạt mức lớn 36 dB Từ khóa: Bộ trộn tần chống nhiễu ảnh - IRM; băng tần X; tỷ số chống nhiễu ảnh - IRR; cộng lai 90 độ cấu trúc tầng; suy hao số - DSA Ngày nhận bài: 24/6/2020; Ngày hoàn thiện: 17/7/2020; Ngày đăng: 31/8/2020 DESIGN OF IMAGE REJECTION MIXER FOR APPLICATION IN X-BAND RF TRANSCEIVERS Pham Cao Dai*, Le Dai Phong, Pham Viet Anh, Luu Van Tuan Le Quy Don Technical University ABSTRACT An image rejection mixer (IRM) based on the Hartley structure is designed for application in Xband RF transceivers This mixer includes a high-resolution digital attenuator and coupler to combine the functionality of phase shifting and attenuating Hence, it can perform phase and gain corrections, I/Q imbalance reduction in the mixer The 90 degrees 2-section hybrid coupler is used to meet the requirements of bandwidth and I/Q signal balance The simulation results of the proposed IRM in the frequency band of 9.1÷9.7 GHz with the intermediate frequency of 90 MHz, bandwidth of 10 MHz show that the image rejection ratio (IRR) of more than 36 dB was achieved Keywords: Image rejection mixer; X-band frequency; image rejection ratio; 90 degree 2-section hybrid coupler; digital Step Attenuator Received: 24/6/2020; Revised: 17/7/2020; Published: 31/8/2020 * Corresponding author Email: daipc.isi@lqdtu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phạm Cao Đại Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Giới thiệu Sự phát triển hệ thống vô tuyến thúc đẩy nghiên cứu thiết kế mô-đun thu phát vô tuyến theo mục tiêu giảm giá thành, giảm cơng suất, hệ thống đơn chíp Trong đó, có đánh đổi tính đơn giản tính phức tạp có hiệu suất cao Trong nhiều hệ thống vơ tuyến, tín hiệu thu cao tần RF thường trộn xuống tần số thấp trước thực bước xử lý tuyến thu Do đó, trộn tần thành phần quan trọng hệ thống vô tuyến Khi thực trộn tín hiệu thu cao tần RF với tín hiệu dao động chủ (local oscillator – LO), thu tín hiệu trung tần IF có tần số hiệu tần số hai tín hiệu Ở trộn tần thơng thường, khơng có khác biệt tín hiệu thu cao tần RF tín hiệu nhiễu ảnh (image interference signal - IM) có tần số cách tần số LO lượng với tần số IF mong muốn hình 225(09): - 10 cao, khoảng 15 đến 30 dB [1], [2] Tuy vậy, [3], [4] rằng, trộn tần IRM kỹ thuật thời đại để chống nhiễu ảnh cải thiện hiệu suất Trong báo này, dựa trộn tần IRM cấu trúc Hartley, xoay pha, suy hao tín hiệu có độ phân giải cao sử dụng cộng tín hiệu suy hao số thêm vào hai nhánh tín hiệu IF sau trộn tần để điều chỉnh, làm giảm độ cân tham số pha hệ số khuếch đại hai nhánh, qua cải thiện làm tăng hệ số chống nhiễu ảnh trộn tần IRM Đề xuất cấu trúc trộn tần IRM 2.1 Bộ trộn tần IRM cấu trúc Hartley Cấu trúc Hartley trộn tần IRM mô tả hình A LPF 00 RF LPF 00 900 IF 50 Ω B 900 LO 50 Ω IF RF LO IM Hình Bộ trộn tần IRM cấu trúc Hartley[4] Hình Tín hiệu cao tần RF, nhiễu ảnh IM Để chống nhiễu ảnh, phương pháp thường áp dụng sử dụng trộn tần lần kết hợp với lọc thông dải sử dụng trộn tần IRM Bộ trộn tần IRM cho phép lựa chọn băng tần (upper side band – USB) băng tần (lower side band – LSB) so với tín hiệu LO, giảm nhiễu ảnh khơng mong muốn Tuy có nhiều kỹ thuật chống nhiễu ảnh đề xuất cấu trúc Hartley Weave hai cấu trúc phổ biến Về lý tưởng, trộn tần IRM cấu trúc Hartley cho phép loại bỏ hoàn toàn nhiễu ảnh Tuy nhiên, thực tế trộn IRM cấu trúc Hartley khó đạt hiệu cao cân pha hệ số khuếch đại nhánh tín hiệu IF [1], [2] Tỷ số chống nhiễu ảnh IRR trộn tần IRM cấu trúc Hartley thường khơng Trong hình 2, tín hiệu RF đầu vào chia thành hai nhánh mơ tả sau: (1) Trong đó, thành phần tín hiệu cao tần thu mong muốn, thành phần tín hiệu cao tần nhiễu ảnh Tín hiệu dao động LO có dạng: (2) Xét mối quan hệ tần số ta có: (3) Ở nhánh phía trên, tín hiệu RF trộn với tín hiệu LO, có dạng Ở nhánh phía dưới, tín hiệu RF trộn với tín hiệu LO xoay pha 90 độ, có dạng Các đầu hai trộn tần đưa qua lọc thông thấp để loại bỏ thành phần có tần số tổng tín hiệu RF tín hiệu LO mà giữ lại thành phần hiệu tần số hai tín hiệu Tín hiệu thu điểm A, B sau http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phạm Cao Đại Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN triển khai lượng giác thu sau: (4) (5) Sau cộng hybrid coupler 90 độ đầu ra, thành phần nhiễu ảnh bị loại bỏ thành phần trung tần IF tín hiệu thu mong muốn: (6) Hiệu chống nhiễu ảnh trộn tần IRM đánh giá qua tỷ số chống nhiễu ảnh IRR, tính tỷ số cơng suất nhiễu ảnh tín hiệu đầu trộn tần IRM Công thức tính IRR theo dB cho sau [4]: (7) đó, độ cân hệ số khuếch đại pha hai nhánh Trong trường hợp độ cân pha hệ số khuếch đại hai nhánh nhỏ, công thức tính gần sau: (8) đó, Theo đó, để tăng mức chống nhiễu ảnh trộn tần IRM, cần giảm đồng thời sai số pha hệ số khuếch đại hai nhánh 2.2 Cấu trúc đề xuất Để tăng hiệu chống nhiễu ảnh trộn tần IRM, báo đề xuất trộn tần IRM dựa cấu trúc Hartley có điều chỉnh với việc thêm hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại hai nhánh tín hiệu sau trộn tần mơ tả hình LPF Hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại A 00 IF RF LPF 00 900 Hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại 900 B 50 Ω 50 Ω LO Hình Cấu trúc đề xuất trộn tần IRM http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 225(09): - 10 Trong đó, hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại sử dụng xoay pha kết hợp suy hao tín hiệu có độ phân giải cao sử dụng suy hao số chia/cộng tín hiệu Cấu trúc xoay pha kết hợp suy hao tín hiệu dùng để hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại hai nhánh mơ tả hình 00 Input DSA Output 900 50 Ohm DSA Hình Bộ xoay pha kết hợp suy hao sử dụng suy hao số chia/cộng tín hiệu [5] Trong hình 4, giả thiết tín hiệu đầu vào hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại cho công thức (9) Sau biến đổi lượng giác, tín hiệu đầu hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại tính theo cơng thức 10 (10) Trong đó, , biên độ pha đầu (góc xoay pha so với tín hiệu đầu vào) tín hiệu đầu xác định theo công thức 11, 12 Ở đây, , (11) (12) cho công thức 13, 14: (13) (14) Trong công thức 13 14, , , biên độ đầu vào, hệ số suy hao góc xoay pha theo hệ số suy hao nhánh trên; , , biên độ đầu vào, hệ số suy hao góc xoay pha theo hệ số suy hao nhánh sơ đồ hình Theo cơng thức 10 đến 14, trường hợp tín hiệu chia cân bằng, suy hao thiết lập chế độ khơng suy hao tín hiệu góc xoay pha tín hiệu đầu 45 độ Theo [5], sử dụng suy hao số bít (độ phân giải 0,25 dB), ln có khả lựa Phạm Cao Đại Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN chọn cặp giá trị hệ số suy hao hai nhánh để thiết lập góc xoay pha mức suy hao tín hiệu mong muốn với độ phân giải cao (1 độ với góc xoay pha 0,25 dB với mức suy hao tần số 3,4÷4,2 GHz) Điều cho phép ứng dụng để hiệu chuẩn pha hệ số khuếch đại hai nhánh, nâng cao chất lượng chống nhiễu ảnh trộn tần IRM Thiết kế trộn tần IRM băng X Áp dụng cấu trúc đề xuất vào thiết kế trộn tần IRM băng X với yêu cầu tham số bảng Ngoại trừ trộn tận I/Q, thành phần khác trộn tần IRM bao gồm: lọc thông thấp LPF, chia/cộng công suất wilkinson chia/cộng công suất hybrid coupler 90 độ làm việc tần số trung tần Do đó, để giảm kích thước mà đảm bảo tham số, thành phần thiết kế linh kiện tham số tập trung R, L, C có sai số nhỏ 5% tần số làm việc cao không thấp 300 MHz 225(09): - 10 số RF từ 9,1÷9,7 GHz, hệ số chống nhiễu ảnh IRR (tương ứng với độ cân pha, biên độ hai nhánh I, Q) cơng bố nằm khoảng từ 20 ÷ 30 dB 3.2 Bộ lọc thơng thấp Tín hiệu sau trộn tần đưa qua lọc thông thấp LPF để loại bỏ thành phần RF Băng thông lọc phải đảm bảo dải tần số IF (tần số 90 MHz, băng thông 10 MHz) qua đặc tuyến biên tần có độ phẳng tốt Sử dụng cấu trúc lọc chebyshev bậc 5, kết thiết kế mô sau layout ADS mơ tả hình Bảng u cầu trộn tần IRM thiết kế Tên tham số Giá trị yêu cầu Tần số RF ( ) Tần số IF ( ) Tần số LO ( ) Băng thơng IF (BW) Hệ số IRR 9,1 ÷ 9,7 GHz 90 MHz 6a) Sơ đồ thiết kế lọc LPF 10 MHz > 36 dB 3.1 Bộ trộn tần I/Q Bài báo sử dụng trộn tần I/Q HMC521LC4 hãng Analog Devices hoạt động dải tần số từ 8,5 GHz đến 13,5 GHz để trộn tín hiệu cao tần RF tần số trung tần 90 MHz Bộ trộn tần HMC521LC4 có sơ đồ khối hình Hình Sơ đồ cấu trúc trộn tần IQ HMC521LC4 Analog Devices Theo tài liệu nhà sản xuất, dải tần Tần số (MHz) 6b) Kết mơ lọc LPF Hình Sơ đồ thiết kế (a) kết mô sau layout (b) lọc LPF Theo hình 6, dải tần hoạt động tín hiệu IF (từ 85÷95 MHz), lọc LPF thiết kế phối hợp trở kháng tốt có sai lệch mức suy hao theo tần số không 0,05 dB 3.3 Bộ chia/cộng wilkinson hybrid 90 độ Bộ chia/cộng wilkinson dùng hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch cộng tín hiệu đầu Bộ chia/cộng hybrid 90 độ dùng hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại cộng http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phạm Cao Đại Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN tín hiệu IF đầu cuối trộn tần IRM Băng thông chia/cộng phải đảm bảo dải tần số từ 85÷95 MHz độ cân hai nhánh tốt Do tần số hoạt động thấp nên trình thiết kế, đoạn mạch dải thay mạch LC tương đương hình λ/4 Hình Sơ đồ tương đương mạch dải [6] Các giá trị L, C hình tính tốn, 8a) Sơ đồ thiết kế nguyên lý Tần số (MHz) 225(09): - 10 theo công thức 15 [6] (15) Ở đây, trở kháng đặc trưng đoạn mạch dải; tần số làm việc trung tâm Kết thiết kế mô sau layout chia/cộng wilkinson R, L, C mơ tả hình Theo đó, dải tần hoạt động tín hiệu IF, suy hao tín hiệu từ cổng P1 đến cổng P2 P3 cân độ suy hao chèn chia/cộng wilkinson khoảng 0,35÷0,37 dB Sai lệch pha tín hiệu nhỏ 8b) Sơ đồ thiết kế layout Tần số (MHz) 8c) Các hệ số truyền đạt S21 S31 8d) Sai lệch pha hai cổng P2, P3 Hình Sơ đồ thiết kế kết mô sau layout chia/cộng wilkinson Để tăng độ cân pha hệ số truyền cổng, báo lựa chọn sử dụng chia/cộng hybrid 90 độ cấu trúc tầng (two-section branch-line hybrid coupler) [7] có băng thông hiệu suất tốt so với chia cộng hybrid thông thường Kết thiết kế mô sau layout chia/cộng hybrid 90 độ L, C mơ tả hình http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phạm Cao Đại Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 9a) Sơ đồ thiết kế nguyên lý 225(09): - 10 9b) Sơ đồ thiết kế layout Tần số (MHz) Tần số (MHz) 9c) Các hệ số truyền đạt S21 S31 9d) Sai lệch pha hai cổng P2, P3 Hình Sơ đồ thiết kế kết mô sau layout chia/cộng hybrid 90 độ Xét tín hiệu từ cổng tổng P1 tới cổng nhánh P2 P3 chia/cộng, kết hình cho thấy, sai lệch mức suy hao hai nhánh lớn 0,15 dB 90 MHz) Sự biến thiên mức suy hao tín hiệu tồn dải tần hoạt động 0,26 dB Mất cân pha lớn hai nhánh (so với độ lệch pha 90 độ) toàn dải tần 1,26 độ 3.4 Thiết kế layout trộn tần IRR băng X Kết thiết kế trộn tần IRR băng X mơ tả hình 10 gồm bo mạch trộn tần HMC521LC4 thiết kế layout tổng hợp phần tín hiệu IF Trong đó, linh kiện L, C lựa chọn sử dụng hãng Murata với độ xác tốt ±5% Hình 10 Bộ trộn tần HMC521LC4 Bo mạch thiết kế phần tín hiệu IF 3.5 Khảo sát hiệu hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại Các tham số tín hiệu qua chia/cộng wilkinson hybrid coupler sử dụng làm tham số đầu vào để đánh giá hiệu CPG Bộ suy hao số sử dụng vi mạch RFSA3714 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phạm Cao Đại Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Qorvo với bít điều khiển bước thay đổi suy hao 0,25 dB Với mục đích hiệu chuẩn cân hai nhánh trộn tần IRM nên khảo sát hiệu hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại phạm vi góc pha từ 35 ÷ 55 độ độ suy hao từ -5÷-2 dB (tương ứng bù sai lệch pha phạm vi ±10 độ, hệ số khuếch đại phạm vi ±1,5 dB) Hình 11 cho biết số lượng cặp hệ số suy hao hai vi mạch RFSA3712 lựa chọn theo góc xoay pha mong muốn mà đảm bảo giới hạn hệ số suy hao độ xác pha độ Theo đó, góc xoay pha phạm vi từ 35 ÷ 55 độ, có 24 cặp hệ số lựa chọn để áp dụng Hình 11 Khả lựa chọn theo góc pha 225(09): - 10 phân giải theo độ suy hao, thực khảo sát cụ thể với góc xoay pha 43 độ (có số lượng cặp hệ số lựa chọn thấp 24 cặp) Hình 12 kết mô thay đổi góc xoay pha mức suy hao tín hiệu theo số cặp hệ số suy hao sử dụng xếp theo thứ tự mức suy hao tăng dần Trên hình 12a cho thấy, sai số pha lớn so với góc xoay pha mong muốn phạm vi ±0,5 độ với tất cặp hệ số suy hao lựa chọn Hình 12b thể thay đổi mức suy giảm tín hiệu bước nhảy mức suy giảm qua theo số cặp hệ số Theo đó, dải suy hao hiệu chuẩn giới hạn từ -5÷-2 dB, ln tìm cặp hệ số suy hao để đạt độ suy hao mong muốn với sai số nhỏ 0,15 dB Theo công thức tính tỷ số IRR, độ phân giải độ xác xoay pha kết hợp suy hao đủ để hiệu chuẩn pha hệ số khuếch đại hai nhánh, bảo đảm cho trộn tần IRM thiết kế có tỷ số IRR lớn 38 dB, tốt nhiều so với mức IRR từ 20 ÷ 30 dB trộn tần I/Q sử dụng Suy hao tín hiệu tăng lên hiệu chuẩn pha, hệ số khuếch đại nằm dải từ -5÷-2 dB, ảnh hưởng tới tham số SNR tín hiệu Kết luận 12a) Biến thiên góc xoay pha Một giải pháp nâng cao chất lượng trộn tần IRM dựa cấu trúc Hartley đề xuất Kết thiết kế, mô khảo sát hiệu thành phần làm việc tần số IF trộn tần IRM băng X cho thấy giải pháp cho phép cải thiện đáng kể tỷ số chống nhiễu ảnh IRR trộn tần I/Q hoàn toàn đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES 12b) Độ suy hao tín hiệu Hình 12 Biến thiên góc xoay pha (a) độ suy hao tín hiệu (b) góc xoay 43 độ Để đánh giá sai số góc xoay pha khả http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn [1] D Varun, T Mazumdar, and G R Kadambi, “Design and development of a novel architecture for multistage rf downconversion with improved image rejection and nonlinearity corrections for 1-10 GHz range,” SasTech Journal, vol 10, no 1, pp 43-51, May 2011 Phạm Cao Đại Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN [2] F E Idachaba, and H E Orovwode, “Analysis of a Weaver, Hartley and SawFilter Based, Image Reject Architectures for Radio Receiver Design,” Advanced Materials Research, vol 367, pp 199-204, Oct 2011 [3] B Razavi, RF Microelectronics Upper Saddle River: Prentice Hall, 1998 [4] S A Maas, Microwave Mixers ArtechHouse Publishers, Antennas and Propagation Library, First Edition, 1993 [5] C D Pham, D P Le, V T Luu, and H Le, “High Resolution Phase Shifter, Attenuator Based on Combination of Coupler and Digital 10 225(09): - 10 Step Attenuator in 3.4-4.2GHz Frequency Range,” 2019 3rd International Conference on Recent Advances in Signal Processing, Telecommunications & Computing (SigTelCom), 2019, pp 145-148 [6] D M Pozar, Microwave Engineering Wiley, 2004 [7] M Palomba, A Bentini, D Palombini, W Ciccognani, and E Limiti, “A Novel Hybrid Active Quasi-Circulator for L-Band Applications,” 19th International Conference on Microwave Radar and Wireless Communications, MIKON 2012, May 2012 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... lượng chống nhiễu ảnh trộn tần IRM Thiết kế trộn tần IRM băng X Áp dụng cấu trúc đề xuất vào thiết kế trộn tần IRM băng X với yêu cầu tham số bảng Ngoại trừ trộn tận I/Q, thành phần khác trộn tần. .. Bộ trộn tần IRM cấu trúc Hartley[4] Hình Tín hiệu cao tần RF, nhiễu ảnh IM Để chống nhiễu ảnh, phương pháp thường áp dụng sử dụng trộn tần lần kết hợp với lọc thông dải sử dụng trộn tần IRM Bộ. .. độ lệch pha 90 độ) toàn dải tần 1,26 độ 3.4 Thiết kế layout trộn tần IRR băng X Kết thiết kế trộn tần IRR băng X mơ tả hình 10 gồm bo mạch trộn tần HMC521LC4 thiết kế layout tổng hợp phần tín