Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại công suất dùng cho trạm BTS mạng 5g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - ISO 9001:2015 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH : ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG Sinh viên : Nguyễn Trung Đức Lớp : ĐT1901 Giảng viên hướng dẫn: TS Đoàn Hữu Chức ‘ HẢI PHÒNG – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT DÙNG CHO TRẠM BTS MẠNG 5G ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG Sinh viên :Nguyễn Trung Đức Giảng viên hướng dẫn: TS Đồn Hữu Chức HẢI PHỊNG – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Nguyễn Trung Đức MSV: 1512103006 Lớp : ĐT1901 Nghành : Điện Tử - Truyền thông Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế mô mạch khuếch đại công suất dùng cho trạm BTS mạng 5G NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1.Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về l luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ) Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn 3.Địa điểm thực tập tốt nghiệp ……………… CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ tên : Đoàn Hữu Chức Học hàm, học vị : Tiến sĩ Cơ quan công tác : Trường Đại học Quản lý Công nghệ Hải Phòng Nội dung hướng dẫn: Đề tài tốt nghiệp giao ngày 03 tháng 08 năm 2020 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày16 tháng 10 năm 2020 Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Sinh Viên Cán hướng dẫn Đ.T.T.N Nguyễn Trung Đức Đồn Hữu Chức Hải Phịng, ngày…….tháng …… năm 2020 Trưởng khoa TS Đồn Hữu Chức Cộng hịa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP Họ tên giảng viên: Đoàn Hữu Chức Đơn vị công tác: Trường Đại học Quản lý Công nghệ Hải Phòng Họ tên sinh viên: Nguyễn Trung Đức Chuyên ngành: Điện Tử - Truyền thông Nội dung hướng dẫn : Toàn đề tài Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng đồ án/khóa luận( so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T.T.N, mặt lý luận, thực tiễn, tính tốn số liệu ) Ý kiến giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp Được bảo vệ Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Giảng viên hướng dẫn Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc - PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊM CHẤM PHẢN BIỆN Họ tên giảng viên: Đơn vị công tác: Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Đề tài tốt nghiệp: Phần nhận xét giảng viên chấm phản biện Những mặt hạn chế Ý kiến giảng viên chấm phản biện Được bảo vệ Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Giảng viên chấm phản biện Mục lục Nội dung Trang Lời cảm ơn Chương Tổng quan công nghệ dịch vụ 5g 1.1 Tổng quan công nghệ 5G 1.1.1 Trải nghiệm người dùng thực tế xử lý nội dung 5G 1.1.2 Xử lý hiệu truyền tải đa phương tiện 1.1.3 Mạng toàn cầu tảng đám mây 1.1.4 Mạng thông minh tối ưu hóa mạng dựa phân tích 1.1.5 Mạng lưới vận tải linh hoạt / nhanh 1.1.6 Kiến trúc mạng 1.1.7 Hoạt động nâng cao cho Multi-cell 1.1.8 Cell nhỏ, siêu dày đặc 1.1.9 Băng tần rộng RF & chùm tia 3D 1.1.10 Tăng cường công nghệ nhiều anten Massive MIMO 1.1.11 Nâng cao IoT dạng sóng 1.2 Dịch vụ 1.2.1 Dịch vụ IoT (Internet of Things) 1.2.2 Hình ba chiều dịch vụ gọi 3D hologram 1.2.3 Dịch vụ AR / VR hấp dẫn quy mô lớn 1.2.4 Dịch vụ trễ cực thấp 1.2.5 Dịch vụ thơng minh dựa phân tích liệu 1.2.6 An tồn cơng cộng dịch vụ cứu trợ tai hoạ 1.3 Phổ 1.3.1 Các băng tần số yêu cầu 5G 1.3.2 Dự báo nhu cầu tương lai băng tần 5G Chương Phối hợp trở kháng 2.1 Khái niệm chung 2.2 Ý nghĩa việc phối hợp trở kháng 2.3 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung 2.4 Phối hợp trở kháng dải hẹp đoạn dây dẫn sóng mắc liên tiếp 2.4.1 Phối hợp trở kháng đoạn dây λ 2.4.2 Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài 2.4.3 Phối hợp trở kháng hai đoạn dây mắc nối tiếp 2 13 14 15 17 21 23 23 23 24 26 27 29 30 30 30 32 32 32 34 36 36 40 2.5 2.5.1 2.5.2 2.6 2.6.1 2.6.2 2.7 2.8 2.9 2.10 Phối hợp trở kháng hai dây nhánh Lý thuyết phản xạ nhỏ Bộ biến đổi đơn Bộ biến đổi nhiều phân đoạn Bộ phối hợp dải rộng kiểu nhị thức (có đáp ứng phẳng tối đa Bộ phối hợp kiểu chebyshev Bộ phối hợp kiểu liên tục Bộ biến đổi trở kháng dạng hàm mũ Chương Thiết kế mạch khuếch đại cho BTS mạng 5G 3.1 Giới thiệu chung 3.2 Thiết kế, mô mạch khuếch đại công suất 6w 3.2.1 Mạch phối hợp trở kháng lối vào 3.2.2 Mạch phối hợp trở kháng lối KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Ta được: A= (2.58) Bây giờ, cho phép hệ số phản xạ dải thông Γm từ (2.57) suy Γm =A Điều hiển nhiên vì: Γm = Γ(θm ) = A TN (secθm cosθm ) mà TN (secθm cosθm ) = TN (1) = Từ (2.58) ta rút biểu thức có liên quan để xác định θm: TN (secθm ) = Tiếp theo, cần áp dụng công thức (2.52b) để rút secθm:        N Khi xác định θm tính dải thơng theo cơng thức (2.50) ∆f =2− 4θ m π f0 (2.60) Các hệ số phản xạ Γn xác định nhờ hệ thức (2.57) Thật vậy, sau khai triển đa thức T N(secθmcosθ) so sánh số hạng có dạng cosθm hai vế nhận kết Vấn đề minh hoạ phần ví dụ Cuối cùng, sau tính Γn ta xác định trở kháng đặc tính theo công thức gần (2.50) Γ = ln Z n+1 n Zn (2.61) Các công thức kết gần chúng nhận dựa vào “ lý thuyết phản xạ nhỏ” Tuy nhiên, chúng cơng cụ hữu ích để thiết kế phối hợp trở 66 kháng có mức độ mấp mô tuỳ ý Γm Bảng 3.1 cho số kết biến đổi có số bậc ÷ 4, ứng với số giá trị Γm cho trước BẢNG 2.1 2.9 BỘ PHỐI HỢP KIỂU LIÊN TỤC Trong mục trước, khảo sát biến đổi trở kháng dải rộng cách dùng nhiều phân đoạn đường truyền có trở kháng đặc tính khác Khi số lượng phân đoạn tăng lên khác biệt trở kháng đặc tính chúng giảm tiến đến cấu trúc mà biến đổi trở nên liên tục (hình 2.18) 67 HÌNH 2.18 Bộ phối hợp kiểu liên tục Trong phần ta rút lí thuyết gần biến đổi liên tục, dựa “lí thuyết phản xạ nhỏ” để biểu thị phụ thuộc hệ số phản xạ theo biến đổi trở kháng đặc tính Z(z) áp dụng kết cho vài loại cấu trúc biến đổi Hình 2.18 mơ tả đoạn đường truyền liên tục giống ghép nhiều vi phân đoạn ∆z mà trở kháng đặc tính vi phân đoạn chênh lượng ∆Z (z) Khi gia số hệ số phản xạ z là: (Z + ∆Z) (Z + ∆Z)+ Z ∆Γ = Cho ∆z → , ta nhận dZ dΓ = 2Z = Lưu ý rằng: Áp dụng lý thuyết phản xạ nhỏ, hệ số phản xạ tổng z = tìm cách lấy tổng tất hệ số phản xạ riêng ,với góc dịch pha tương ứng: 1L Γ(θ)= θ = 2βl z =0 Nếu biết Z(z) tìm hàm Γ(θ ), ngược lại cho trước Γ(θ ) nguyên tắc xác định hàm Z(z) 68 Sau ta khảo sát trường hợp đặc biệt hàm biến đổi trở kháng Z(z) qua đánh giá biên độ hệ số phản xạ Γ 2.10 BỘ BIẾN ĐỔI TRỞ KHÁNG DẠNG HÀM MŨ Khảo sát biến đổi trở kháng mà Z(z) có dạng hàm mũ: Z (z ) = Z e az ≤ z ≤1 (2.65) Đồ thị hàm (2.65) vẽ hình 2.19 HÌNH 2.19 Tại z = ta có Z (0) = Z0 (giá trị mong muốn) Tại z =L, ta mong muốn Z (L) = Z L = Z eaL với ZL giá trị cần đạt Từ xác định được: (2.66) a= Áp dụng (2.65), (2.66) thay vào (2.64) ta được: (2.67) Γ=  ln (Z L Z ) ∫L e −2iβz dz 2L  ln (Z L Z )e0 −2iβz sin βL 2βL Đồ thị biên độ hệ số phản xạ vẽ hình 2.19b 69 Chương THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CHO BTS MẠNG 5G 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Năm 2016, Bộ Thông tin truyền thông ban hành “Quy hoạch băng tần 1900-2300 MHz cho hệ thống thông tin di động IMT-2000” Việt Nam Hiện nay, số nhà cung cấp dịch vụ thử nghiệm mạng 5G băng tần Mục tiêu đồ án thiết kế mạch khuếch đại công suất sử dụng cho trạm BTS mạng 5G hoạt động băng tần Sơ đồ khối mạch khuếch đại siêu cao tần cho Hình 3.1 Chúng ta sử dụng mơ hình mạng cổng dùng tham số S transistor (IC) cho việc thiết kế mạch khuếch đại công suất[1,3,5] Hình 3.1 Sơ đồ mạch khuếch đại siêu cao tần Trong kỹ thuật siêu cao tần áp dụng trực tiếp kỹ thuật mạch thông thường mà phải sử dụng lý thuyết trường điện từ biết tới phương trình Maxwell Điều có nghĩa việc thiết kế khác với trường hợp tần số thấp Kỹ thuật gọi kỹ thuật phối hợp trở kháng (PHTK) Có nhiều cách thực phối trở kháng sử dụng linh kiện L, C thụ động, đoạn dây chêm, v.v Trong đồ án này, em sử dụng phương pháp thiết kế phối hợp trở kháng kiểu λ/4 giải pháp nâng cao dải thông khuếch đại Cần thực phương pháp di chuyển trở kháng vào linh kiện tích cực làm phần tử khuếch đại ta đạt trở kháng thực có giá trị nhỏ Ta thấy trở kháng cần phối hợp có chênh lệch cao dải tần hoạt động thiết bị phối hợp hẹp Vì muốn mở rộng dải tần phải dùng nhiều đoạn biến đổi mắc nối tiếp thành chuỗi để đoạn phối hợp với tỷ số trở kháng thấp mà thơi[2] Đó ý tưởng phương pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trưng mà tác giả áp dụng thiết kế Từ lý thuyết phản xạ nhỏ [2,4] chọn N = (bậc mở rộng thang trở kháng đặc trưng hay số phân đoạn) ta đạt được: = 1/4 70 Z Z2 = L Z0 Trong ZL trở kháng tải, Z1, Z2 trở kháng phân đoạn Từ thực việc phối hợp trở kháng theo giá trị Z1, Z2 3.2 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 6W Trong phần này, tác giả sử dụng linh kiện CGH40006P hãng Cree chế tạo để thực thiết kế mô mạch khuếch đại công suất Linh kiện RF Power GaN HEMT CGH40006P có cơng suất mặc định nhà sản xuất W, đặc tính RF quan trọng linh kiện trình bày đây: - Dải tần hoạt động đến GHz; - Hệ số khuếch đại: - 13dB @ GHz; 11dB @ GHz; Công suất W Pin =32dBm tần số trung tâm f0=2,0 GHz; - Nguồn nuôi 28 V Từ datasheet CGH40006P tần số 2,1 GHz ta đạt thông số trở kháng vào trở kháng linh kiện Theo đó, trở kháng vào có giá trị là: Trở kháng lối vào: Zv=4.7-0.9*j Trở kháng lối Zr =30.7-27.1*j Bảng 3.1 tổng hợp số thông số thiết kế mạch khuếch đại công suất Bảng 3.1 Thông số thiết kế Tần số trung tâm Độ rộng dải thông Trở kháng lối vào Trở kháng lối Phíp đồng thiết kế Transistor Trong đồ án sử dụng FR4 làm vật liệu thiết kế Các thông số chi tiết phíp đồng cung cấp Bảng 3.2 71 Bảng 3.2 Các thơng số FR4 Các thơng số FR4 Hằng số điện mơi Hệ số tổn hao Độ dày vật liệu Độ dày lớp đồng dẫn điện Từ đây, tác giả thực thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào cho mạch khuếch đại công suất 3.2.1 Mạch phối hợp trở kháng lối vào Từ giá trị trở kháng lối vào, giản đồ Smith, di chuyển đoạn dây chêm giá trị thực, ta đạt giá trị Z L = 4.69931 Ω Sử dụng giá trị phối hợp trở kháng theo phương pháp mở rộng dải thơng nêu Lần lượt ta có giá trị Z 1=27.6844Ω Z2 = 8.4873Ω Sử dụng công cụ LineCalc đạt mạch phối hợp trở kháng lối vào Hình Hình 3.2 Mạch PHTK lối vào Kết mô tham số S mạch ADS2016 Hình 3.3 72 Hình 3.3 Các tham số S Theo đó, S11 đạt giá trị nhỏ, nhỏ -56dB tần số thiết kế 2,1 GHz Điều chứng tỏ mạch phối hợp trở kháng tốt Hơn nữa, hệ số S21 xấp xỉ dB, nghĩa lượng sóng siêu cao tần truyền qua mạch gần khơng có suy hao 3.2.2 Mạch phối hợp trở kháng lối Tương tự mạch phối hợp trở kháng lối vào, từ giá trị trở kháng lối CGH40006P giản đồ Smith di chuyển đoạn dây chêm để trở kháng Z L giá trị thực, áp dụng phương pháp đoạn dây chêm λ/4 cho phân đoạn mạch PHTK lối Theo ZL = 9.54397 Ω, với N=2 ta đạt Z1= 33.05 Ω Z2= 14.387 Ω Sử dụng cơng cụ LineCalc ta có mạch phối hợp trở kháng lối Hình 3.4 73 Hình 3.4 Mạch PHTK lối Kết mơ tham số S mạch PHTK lối ADS2016 Hình 3.5 Hình 3.5 Các tham số S 74 S11 Hình 3.5 đạt giá trị nhỏ -65dB S21 xấp xỉ dB Như mạch phối hợp trở kháng tốt suy hao lượng nhỏ Hình 3.6 đưa sơ nguyên lý đầy đủ bao gồm mạch cấp nguồn thành phần phối hợp trở kháng mạch khuếch đại cơng suất thiết kế Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý đầy đủ 75 KẾT LUẬN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em tìm hiểu tổng quan kỹ thuật siêu cao tần, tổng quan mạng 5G ứng dụng mạng Em sâu tìm hiểu kỹ thuật phối hợp trở kháng để thực thiết kế mạch khuếch đại cơng suất dùng cho trạm BTS mạng 5G tương lại hoạt đông tần số 2,1GHz với công suất 6W Trong chương em thực thiết kế mơ mạch Theo đó, mạch khuếch đại công suất sử dụng CGH40006P hãng Cree chế tạo theo công nghệ GaN HEMT thiết kế mô phần mềm ADS2016 Phương pháp phối hợp trở kháng kiểu λ/4 kết hợp phương pháp thay đổi trở kháng đặc trưng để mở rộng băng thông mạch áp dụng Kết đạt mạch phối hợp trở kháng có hệ số phản xạ nhỏ -50 dB hệ số truyền đạt gần đạt dB Như mạch thiết kế phối hợp trở kháng có hệ số truyền đạt tốt Thời gian làm đồ án tốt nghiệp trình học tập trường, em nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy Khoa Điện – Điện tử, qua em xin trân trọng cảm ơn thầy Khoa đặc biệt thầy Đoàn Hữu Chức trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đồ án 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Abrie, Pieter L.D.2009 Design of RF and Microwave Amplifiers and Oscillators Artech House [2] David M.Pozar.2012 Microwave Engineering John Willey & Son, INC, 4rd Edition [3] Ivan Boshnakov, Anna Wood, Simon Taylor.2012 RF and microwave solid-state power amplifiers design is a speciality Reprinted from Proceedings of the Automated Radio Frequency and Microwave Measurement Society Conference, Oxfordshire, United Kingdom [4] Robert E Collin(2000), Foundations for Microwaves Engineering, IEEE Press, John Willey & Son, INC, 2nd Edition [5] Seyed Reza Motahari, Hamid Pahlevaninezhad, Dawood Shekari Beyragh 2010 Design and Implementation of a High Power S-Band Solid-State Pulsed Amplefier for LINAC Proceedings of International Symposium on Signals, Systems and Electronics (ISSSE2010), pp.1-4 [6] Hồ Hải Hoàng (2019), 5G-Tổng quan tiêu chuẩn, thí nghiệm, thách thức, phát triển thực hiện, Đồ án tốt nghiệp Đại học quy- Ngành Điện tử - Truyền thông – Trường ĐH Dân Lập Hải Phòng 77 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT DÙNG CHO TRẠM BTS MẠNG 5G ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC... Chương Thiết kế mạch khuếch đại cho BTS mạng 5G 3.1 Giới thiệu chung 3.2 Thiết kế, mô mạch khuếch đại công suất 6w 3.2.1 Mạch phối hợp trở kháng lối vào 3.2.2 Mạch phối hợp trở kháng lối KẾT LUẬN... 1512103006 Lớp : ĐT1901 Nghành : Điện Tử - Truyền thông Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế mô mạch khuếch đại công suất dùng cho trạm BTS mạng 5G NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1.Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề