Trong phần này, em xin trình bày một mô-đun cho thiết kế bộ khuếch đại công suất 4-W class-F nhỏ gọn. Phần tử tích cực được chọn là thiết bị chip TGF2023-01 GaN HEMT từ TriQuint với chiều dài và chiều rộng cổng lần lượt là 0,25 μm và 1,25 mm; . Điện áp cung cấp cho Drain được chọn là 28V.
TriQuint cung cấp mô hình tín hiệu lớn của TGF2023-01, được thể hiện trong Hình 3.1 Các thành phần dữ liệu tham số S ở các đầu cuối gate, nguồn và drain trong mạch tương đương tín hiệu lớn là những dữ liệu từ dữ liệu mô phỏng EM của nguồn qua, các miếng đệm drain và gate do TriQuint cung cấp. Mạch tương đương tín hiệu lớn được hiển thị trong Hình 3.1 được cấu hình bằng mô hình EEHEMT có các giá trị được yêu cầu được cung cấp ở định dạng tệp rời ADS từ TriQuint do các giá trị được nhập rất nhiều. Bảng 3.1 liệt kê các giá trị của các tham số mô hình EEHEMT.
Bảng 3.3: Các tham số của TGF2023-01 [6]
Trước khi mô phỏng kéo tải, điện áp gate cho dòng thoát tĩnh là 125 mA ở điện áp drain 28 V trong bảng 3.1 được xác định từ mô phỏng DC sử dụng mạch tương đương tín hiệu lớn. Dòng điện drain so với điện áp gate được vẽ như trong Hình 3.2 Một dòng drain DC khoảng 125 mA thu được ở điện áp gate Vgs = -3.57 V
Hình 3.20: Mô tả dòng điện drain so với điện áp gate
Điện áp gate được xác định là -3,57 V và điện áp drain 28 V được áp dụng. Mạch shunt RC được kết nối với cổng gate để đảm bảo sự ổn định của thiết bị hoạt động. Bằng cách điều chỉnh giá trị điện trở r, hệ số ổn định có thể được điều chỉnh lớn hơn 1 trong dải tần số đầy đủ. Đối với giá trị r = 55, mạch được ổn định cho dải tần số đầy đủ lên đến 10 GHz. Hình 3.4 cho thấy độ ổn định mô phỏng và độ lợi công suất tối đa. Do hệ số ổn định lớn hơn 1 đến tần số 20 GHz, thiết bị được tìm thấy ổn định và độ lợi tối đa ở tần số trung tâm 14 GHz là khoảng 20 dB.
Hình 3.22: Kết quả mô phỏng độ ổn định tại r=55 Ω
Bộ khuếch đại công suất class-F chung yêu cầu một mạch hòa hợp trở kháng đầu ra mang lại trở kháng tải thu được từ mô phỏng kéo tải ở tần số cơ bản và mạch mở cho các sóng hài lẻ và mạch ngắt cho các hài chẵn. Tuy nhiên, trong thực tế, rất khó để thực hiện mạch thỏa mãn điều kiện class-F cho số lượng sóng hài vô hạn. Do đó, mạch được thực hiện để đáp ứng hoạt động của class-F cho một số lượng sóng hài hạn chế.
Hình 3.5 (a) cho thấy mạch hòa hợp trở kháng đầu ra class-F có thể mang lại trở kháng tải xác định từ mô phỏng kéo tải. Tụ điện Cp đại diện cho điện dung tổng, được tính từ sự chuyển đổi nối tiếp song song của trở kháng tải trong Giá trị được cố định là Cp=0.35pF. Ngoài ra, GD và GL tương ứng là độ dẫn của cổng drain và độ dẫn tải.
Về cơ bản, mạch hòa hợp trở kháng đầu ra là một loại bộ lọc thông thấp cung cấp mạch ngắn cho tần số hài thứ hai và mở cho tần số hài thứ ba. Các nhánh được kết nối nối tiếp L2, C2 và L3, C3 được thiết lập để lần lượt cộng hưởng nối tiếp và trở nên ngắn mạch ở tần số hài thứ hai và thứ ba, tương ứng. Do đó, mạch trong Hình 3.5 (a) cung cấp một ngắn mạch ở sóng hài thứ hai do L2−C2, độc lập với phần còn lại của mạch tải. Để bộ khuếch đại hoạt động ở class-F, trở kháng nhìn thấy từ cổng drain phải được mở ở sóng hài thứ ba. Do trở kháng của L3−C3 là 0 tại sóng hài thứ ba, nên mạch được nhìn thấy từ cổng drain có nhánh L3−C3 bị ngắn mạch nên là mạch cộng hưởng song song. Do đó, trở kháng nhìn thấy từ cổng đầu cuối drain có thể được mở ở hài thứ ba. Vì vậy, mạch có thể được thiết lập để hoạt động trong class-F cho đến sóng hài thứ ba.
Ngoài ra, mạch nên có trở kháng tải mong muốn ở tần số cơ bản. Mạch trong 3.5 (a) trở thành mạch hòa hợp trở kháng loại π ở tần số cơ bản và mạch tương đương của hình 3.5 (a) ở tần số cơ bản được thể hiện trong 3.5 (b). Ở đây, độ dẫn vào phía cổng drain ở tần số cơ bản được ký hiệu là B2, độ dẫn vào phía tải 50Ω được ký hiệu là B3 và độ dẫn song song được ký hiệu là B1. Ngoài ra, các tỷ lệ độ dẫn của cổng drain và tải với mức tiếp nhận mạng hòa hợp trở kháng hình π được ký hiệu là n1và n2 tương ứng được xác định trong (3.1).
n1=GD
Gπ , n2=GL
Gπ (3.1)
Lưu ý rằng Gπ>GD,GL. Với Gπ cho trước, các giá trị của B1, B2 và B3 có thể được tính ở tần số cơ bản ω1 được biểu thị bằng phương trình (3.2) - (3.4).
B1= GD
n1√(1−n1)∥ GL
B2=GD√1−n1
n1 (3.3)
B3=GD√1−n2
n2 (3.4)
Giá trị của B1 trong phương trình (3.2) được chọn là âm vì B1 là độ dẫn của cuộn cảm L1. Từ giá trị tính toán của B1, giá trị của L1 có thể được tính như trong Công thức (3.5).
L1= −1
ω1B1 (3.5)
Độ dẫn của nhánh L3−C3 ở tần số cơ bản là B3, ngắn mạch ở tần số hài thứ ba, ω3. Sử dụng mối quan hệ (ω3)2=(L3C3)−1
, B3=ω1C3 1 (1−ω12 ω32) =9 8ω1C3 (3.6) Do đó, từ B3, giá trị của tụ C3 có thể được xác định bằng Công thức (3.6) và cuộn cảm L3 sau đó có thể được xác định bằng cách sử dụng (ω3)2=(L3C3)−1
.
Ngoài ra, độ dẫn nhánh nhánh drain ở tần số cơ bản là B2 và chúng ta có được phương trình (3.7).
B2=ω1Cp− 1
ω1Lp+
4
3ω1C2 (3.7) Đồng thời, độ dẫn được nhìn thấy từ cổng drain ở tần số hài thứ ba là 0 và điều này được thể hiện như sau
ω3Cp− 1 ω3LB− 1 ω3L1+ω3C2 1 (1−ω32 ω22) =0 (3.8) Do đó, bằng cách giải hệ phương trình, C2 và LB có thể được xác định như trong phương trình (3.9) và (3.10). LB= L1 −5 32− 9 32ω3L1B2+1 4ω3 2 L1Cp (3.9)
C2=3 4(B2
ω1−Cp+ 1
ω1LB) (3.10) Các giá trị của tất cả các phần tử được tính bằng cách đặt Gπ=2GD và sử dụng các phương trình (3.5)-(3.10). Các kết quả tính toán cho giá trị LB quá lớn để thực hiện. Do đó, giá trị của Cp đã tăng 0.5 pF. Ở đây, giá trị tăng 0.5 pF có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một tụ điện xuất hiện cùng với LB. Các kết quả tính toán được thể hiện trong Bảng 3.2
Bảng 3.4: Giá trị của các thành phần của mạch hòa hợp trở kháng ra
Để kiểm chứng các kết quả ở trên, mạch mô phỏng trong Hình 3.6 được thiết lập và thực hiện mô phỏng. Đặc tính truyền của thiết kế mạch tải class-F được thể hiện trong hình 3.7.. Ngoài ra, để vẽ đồ thị trở kháng nhìn thấy từ cổng drain, S11, từ các tham số S theo trở kháng tham chiếu 50 Ω, được vẽ như trong Hình 3.7. Từ hình đó, trở kháng cung cấp một kết hợp chính xác ở tần số cơ bản và cung cấp lần lượt một ngắn mạch và hở mạch ở sóng hài thứ hai và thứ ba.
Hình 3.25: Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng ra (a) đặc tính bức xạ và phản xạ (b) trở kháng nhìn từ cổng drain
Mạch phối hợp trở kháng đầu vào được thiết kế để tạo ra giá trị trở kháng nguồn 12.2 + j21.3 Ω trong Error: Reference source not foundBảng 3.2. Mạch phối hợp trở kháng đầu vào có thể được thực hiện bằng cách sử dụng mạch phối hợp trở kháng loại L. Hình 3.8 là sơ đồ mô phỏng để tính toán các giá trị phần tử của mạch phối hợp trở kháng loại L thông qua tối ưu hóa. Mạch phối hợp trở kháng loại L hoạt động như một bộ lọc thông thấp. Sau khi tối ưu hóa, thu được Ci=2,2445pF và
Li=2.722nH.
Toàn bộ mạch khuếch đại được hiển thị trong Hình 3.9. Ở đây, các mạch phối hợp trở kháng đầu vào và đầu ra được cấu hình như các mạch con. Cần lưu ý rằng vì thiết bị hoạt động bao gồm tụ điện Cp trong mạch phối hợp trở kháng đầu ra của Hình 3.6 tụ điện cổng drain đó phải bị vô hiệu hóa khi mạch phối hợp trở kháng đầu ra được cấu hình vào mạch con phối hợp trở kháng đầu ra. Mạch con phối hợp trở kháng đầu vào đại diện cho mạch khớp loại L trong Hình 3.8. Điện áp DC cổng được cung cấp thông qua điện trở 1-kΩ. Các tụ điện khối DC đầu vào và đầu ra trong Hình 3.9 được đặt thành 22 pF.
Hình 3.27: Mô phỏng bộ khuếch đại với mạch phối hợp trở kháng đầu vào và ra
Kết quả mô phỏng tham số S và độ ổn định của bộ khuếch đại công suất được thể hiện trên Hình 3.10. Trên dải tần tần số thiết kế 13.75 - 14.5 GHz, hệ số bức xạ S21 tương ứng với độ lợi công suất của bộ khuếch đại đạt cỡ 20 dB, hệ số
phản xạ S11 dưới -10 dB. Trên toàn dải tần, bộ khuếch đại công suất được thiết kế đạt độ ổn định lớn hơn 1 theo yêu cầu
Mô phỏng công suất đầu ra và PAE được biểu thị trong Hình 3.11. Như trong mô phỏng trước, công suất đầu ra là 37 dBm, PAE khoảng 60% và mức tăng có thể được nhìn thấy là khoảng 20 dB. Do đó, các mạch phối hợp trở kháng được thiết kế có thể được xem để tái tạo các đặc tính thu được từ các kết quả mô phỏng kéo tải.
Hình 3.28: Kết quả mô phỏng S11, S21 và độ ổn định của bộ khuếch đại công suất
Hình 3.29: Kết quả mô phỏng công suất đầu ra và PAE bộ khuếch đại công suất