Một số giải pháp thiết kế, mô phỏng đặc tuyến của bộ khuếch đại công suất cao tần dải rộng 25W

Bài viết này trình bày một phương án thiết kế và đặc tính hóa của bộ khuếch đại mạch rắn tích hợp công suất 25W dải rộng. Việc lựa chọn kiến trúc và trình tự thiết kế mạch dựa trên các mô phỏng ADS cho các khối được xây dựng như các modul: khuếch đại, ổn định, mạng phối hợp đầu vào và đầu ra.

Thông tin khoa học công nghệ MỘT SỐ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ĐẶC TUYẾN CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN DẢI RỘNG 25W Nguyễn Thanh Hà*, Nguyễn Ngọc Thái, Phùng Thị Thu Phương, Đặng Thị Thùy Biên Tóm tắt: Nghiên cứu khuếch đại tần số cao, đặc biệt dải sóng cực ngắn sử dụng cơng nghệ mạch rắn tích hợp tập trung nghiên cứu phát triển mạnh năm gần Bài báo trình bày phương án thiết kế đặc tính hóa khuếch đại mạch rắn tích hợp cơng suất 25W dải rộng Việc lựa chọn kiến trúc trình tự thiết kế mạch dựa mô ADS cho khối xây dựng modul: khuếch đại, ổn định, mạng phối hợp đầu vào đầu Các đại lượng đặc trưng cơng suất đầu ra, biến đổi hệ số tăng ích, hiệu PAE, hoạt động khuếch đại mô tả thời gian thực Đặc tính hóa mức độ linh kiện mức độ hệ thống khuếch đại liệu hữu ích cho nhà thiết kế RF làm việc lĩnh vực truyền thông, cơng nghiệp, y tế, quốc phịng,… Từ khóa: Khuếch đại cao tần; Khuếch đại mạch rắn; Mạng phối hợp trở kháng; Khuếch đại dải rộng MỞ ĐẦU Bộ khuếch đại công suất (PA) thành phần quan trọng hệ thống thông tin Bốn yêu cầu quan trọng hiệu suất, tuyến tính, nhiễu thấp đáp ứng tần số phẳng dải rộng, phải xem xét thiết kế khuếch đại công suất cao tần [1-3] Đối với khuếch đại công suất dải rộng, thách thức khó khăn nằm việc xác định làm để đạt hệ số tăng ích tín hiệu lớn mức cơng suất cao trì cơng suất tiêu tán thấp, hay nói cách khác làm để đạt hiệu suất cao Trong ứng dụng băng rộng, chế độ khuếch đại tuyến tính, chẳng hạn chế độ A, chế độ B chế độ AB, sử dụng rộng rãi chúng đáp ứng u cầu băng thơng mức tăng ích tín hiệu chấp nhận [4, 5], hiệu suất không cao chế độ phi tuyến, chế độ E chế độ F [6, 7] Hai số khó khăn việc thiết kế khuếch đại công suất cao tần hiệu suất cao dải rộng với đặc tính khuếch đại phẳng làm để phối hợp trở kháng nguồn tải thiết kế mạng phối hợp đầu vào đầu để đạt công suất lớn Một số phương án số cấu hình khác đề xuất cho công việc này, chẳng hạn tải cân - không cân [8], sử dụng san equalizer [9, 10], điều chế đường biên [11, 12], cấu trúc đẩy kéo push-pull [13], nối tầng [14, 15] cấu trúc Doherty [16, 17] Trong báo này, đề xuất phương án thiết kế khuếch đại cao tần dải rộng, hiệu suất cao với đặc tính khuếch đại phẳng dải tần cơng tác Để đạt yêu cầu trước tiên phải lựa chọn transistor xác định điểm công tác phù hợp thơng qua việc thiết kế xác mạch tạo thiên áp chiều cho transistor, sau tính tốn, thiết kế mạch phối hợp trở kháng đầu vào, đầu Sự phối hợp trở kháng tốt đảm bảo việc truyền lượng tải lớn Phương pháp thiết kế giải thích chi tiết phần PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Việc thiết kế khuếch đại công suất cao tần dải rộng hiệu suất cao trải Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 259 Kỹ thuật điện tử qua nhiều bước phải thực cẩn thận, tỉ mỉ để đạt thiết kế tối ưu Các yêu cầu thiết kế báo bao gồm: Công suất đầu 25W dải tần 30 MHz - 70 MHz; Độ biến thiên tăng ích nhỏ 1dB; Hiệu suất PAE (power added efficiency) lớn 50% méo có điều chế IMD (intermodulation distortion) nhỏ -30 dBc Trong thiết kế này, sử dụng MOSFET MRF175GV giá thành thấp, độ tin cậy cao, phù hợp với khả làm việc công suất khuếch đại theo yêu cầu, đơn giản, thuận tiện cho việc lắp đặt, sửa chữa tinh chỉnh Lưu đồ thuật toán thiết kế sau: Hình Lưu đồ thuật tốn thiết kế khuếch đại cao tần dải rộng 2.1 Chọn transistor thiên áp chiều tĩnh Một bước quan trọng thiết kế khuếch đại công suất cao tần lựa chọn điểm công tác thiên áp chiều định thiên cho transistor làm việc, phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể Để xác định xác điểm làm việc transistor phải xem xét công suất mong muốn, hệ số khuếch đại, hiệu suất,… Theo lý thuyết chế độ AB cho công suất hiệu suất cao ứng dụng băng rộng Trong trường hợp điện áp maximum cực máng cao gấp lần điện áp chiều cấp cho Vì để tránh làm hỏng transistor chọn thiên áp cấp cho cực máng nhỏ nửa điện áp đánh xuyên Ở đây, ta lựa chọn điện áp thiên áp chiều cực máng 28V điện áp đánh xuyên 65V Để hoạt động chế độ AB điện áp cực gate 2.9V, đó, dịng cực máng - cực nguồn 200mA 2.2 Thiết kế mạch ổn định Trong trình thiết kế mạch khuếch đại công suất PA yêu cầu quan trọng mạch phải làm việc ổn định khơng bị tự kích tần số 260 N T Hà, …, Đ T T Biên, “Một số giải pháp thiết kế … công suất cao tần dải rộng 25W.” Thông tin khoa học công nghệ dải tần cơng tác Việc nghiên cứu tính ổn định điều kiện ổn định nhiều nhà khoa học sâu nghiên cứu hình thành tiêu chuẩn để xét tính ổn định hệ thống cách nhanh chóng thuận tiện (các tiêu chuẩn ổn định Gurevich, Nyquitst, Mikhailov, ), tiêu chuẩn ổn định nêu dựa vào phân bố nghiệm phương trình đặc trưng hệ thống mặt phẳng phức Do đó, dải tần số khơng cao lắm, việc xét tính ổn định dựa tiêu chuẩn thuận lợi Cịn tần số cao (ở dải tần số siêu cao tần), việc xem xét vấn đề trở nên phức tạp phải dùng hệ thống ma trận tham số [S] [T] Tuy vậy, mạch điện tử nói chung hay mạch khuếch đại dùng trasistor nói riêng làm việc dải sóng siêu cao tần, việc xác định điều kiện ổn định nhờ tiêu chuẩn kinh điển phức tạp, nhiều khơng thực Điều giải thích sau: Khi xét điều kiện ổn định mạch nhờ tiêu chuẩn kinh điển trước hết ta phải thành lập ma trận đặc trưng mạch Đối với mạch điện tử nói chung, phương trình đặc trưng thành lập sở sơ đồ vật lý tương đương mạch Trong đó, transistor, đặc biệt transistor trường làm việc dải sóng siêu cao tần hồn tồn đặc trưng phần tử ma trận tán xạ [S], ma trận truyền sóng [T], mà ma trận [S] [T] lại xác định thực nghiệm điều kiện modul phối hợp hoàn toàn theo đầu vào đầu Một tiêu chuẩn sử dụng rộng rãi thiết kế  S11  S22   K 2 S12 S21 1   S11S22  S12 S21  Ở đây, Sij phần tử ma trận tán xạ, giá trị chúng lấy từ mơ hình phi tuyến cung cấp nhà sản xuất transistor Hình kết mơ mơ hình tín hiệu nhỏ hệ số K Δ transistor MRF 175GV toàn băng tần, ta thấy trường hợp K