- Trang Chủ
- Kĩ thuật Viễn thông
- Nghiên cứu, thiết kế mạch khuếch đại công suất 90W sử dụng bộ cộng Wilkinson ứng dụng cho hệ thống thông tin di động 5G
Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
90W SỬ DỤNG BỘ CỘNG WILKINSON ỨNG DỤNG
CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G
Trần Văn Hội
Trường Đại học Thủy lợi, email: hoitv@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG 2. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MẠCH
Tháng 5 năm 2021 ba nhà mạng Viettel, 2.1. Thiết kế sơ đồ khối
VNPT, Mobifone đã triển khai thử nghiệm Để đạt được công suất phát 90W, bài báo
thương mại hệ thống di động 5G tại 6 tỉnh, đề xuất giải pháp thiết kế hai bộ khuếch đại
thành phố. Tốc độ trung bình hiện đạt 500- công suất cơ sở 45W kết hợp bộ chia / cộng
600 Mbps, nhanh hơn gấp 10 lần so với tốc công suất Wilkinson. Đầu vào là bộ chia 2:1
độ truy cập của mạng 4G [1]. và đầu ra là bộ cộng công suất 2:1. Trong
Để đáp ứng được vùng phủ sóng 5G với thiết kế này, bộ chia công suất 1:2 và bộ cộng
bán kính rộng ở các vùng ngoại ô thì các trạm công suất 2:1 có tính chất đối xứng và sử
phát sóng (BTS) 5G cần phải có bộ khuếch dụng bộ chia/cộng Wilkinson. Sơ đồ khối của
đại công suất. Để làm chủ công nghệ 5G, đã
mạch khuếch đại được thể hiện trong Hình 1.
có một số tập đoàn và các trường đại học
trong nước đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị
Bộ cộng công suất 2:1
Bộ chia công suất 1:2
5G, trong đó tập đoàn viễn thông quân đội PA 1
Viettel đã đi đầu trong nghiên cứu và sản
xuất thành công trạm thu phát 5G. Đầu vào Đầu ra
Có nhiều nghiên cứu thiết kế và chế tạo
các bộ khuếch đại công suất lớn được thực
PA 2
hiện ở các dải tần số khác nhau [1-3]. Để giải
quyết vấn đề tăng công suất mà vẫn đảm bảo
các chỉ tiêu kỹ thuật về độ méo, băng thông, Hình 1. Sơ đồ khối mạch khuếch công suất
hiệu suất của mạch, các nhà khoa học đã đưa
ra các hướng giải quyết như: Sử dụng mạch 2.2. Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch
khuếch đại nhiều tầng ghép nối tiếp [1]; Sử đại công suất
dụng các bộ khuếch đại công suất song song Mạch khuếch đại công suất đơn tầng sử
kết hợp với bộ chia / cộng công suất [2]; Sử dụng transistor được thể hiện ở Hình 2.
dụng đèn công suất lớn [3].
Mục đích của bài báo này là trình bày quá Z0
trình nghiên cứu, thiết kế mạch khuếch đại
công suất siêu cao tần làm việc ở băng tần S Mạch Mạch
với dải tần 2.48–2.78GHz sử dụng bộ khuếch PHTK Transistor PHTK Z0
đại công suất song song kết hợp với bộ đầu vào đầu ra
chia/cộng công suất Wilkinson. Mạch khuếch
đại công suất (PA) có thể được ứng dụng cho rs ris r0l rl
hệ thống di động 4G; 5G và các hệ thống
thông tin vô tuyến trên dải tần 2.5 - 2.8GHz. Hình 2. Sơ đồ mạch khuếch đại đơn tầng
270
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
Để thiết kế bộ khuếch đại công suất 45W, ra theo yêu cầu thiết kế và bộ cộng công suất
nhóm tác giả chọn đèn bán dẫn thích hợp là dùng để kết hợp nhiều công suất đầu vào
PTFA260451E được cung cấp bởi infineon thành công suất đầu ra. Có nhiều loại bộ chia
Technologies. Tham số tán xạ S của đèn bán điện như bộ chia điện T, bộ ghép định hướng,
dẫn dùng để kiểm tra độ ổn định của mạch và bộ chia điện Wilkinson. Bộ chia công suất
dùng để thiết kế mạch khuếch đại. Có nhiều dạng T là đơn giản nhất, tuy nhiên nó có độ
phương pháp thiết kế mạch khuếch đại công cách ly thấp giữa các cổng đầu ra. Để giải
suất lớn, trong thiết kế này tác giả sử dụng quyết vấn đề cách ly, bộ chia công suất
mạch vi dải và sử dụng phương pháp phối Wilkinson (WPD) được coi là một lựa chọn
hợp trở kháng với đa đoạn dây /4. Mạch tốt. Điều này là do điện trở shunt được chèn
thiết kế hoàn chỉnh thể hiện trên Hình 3. giữa các cổng đầu ra cung cấp khả năng cách
ly cao. Hình 5 thể hiện cấu tạo và sơ đồ
tương đương bộ chia công suất WPD [3].
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý mạch PA
Sử dụng phần mềm mô phỏng mạch siêu Hình 5. a. Bộ chia Wilkinson dạng vi dải
cao tần Advanced Design System (ADS) với b. Mạch đường truyền tương đương
tham số tán xạ S để mô phỏng mạch khuếch
Bộ chia công suất Wilkinson 2 chiều sử
đại. Kết quả mô phỏng thể hiện trên Hình 4.
dụng mạch vi dải một phần tư bước sóng (λ/4)
để phối hợp trở kháng Zo đầu vào với trở
kháng 2*Zo kết nối hai đầu ra. Khi đó trở
kháng của đoạn λ/4 sẽ là Z/4 = √2*Z0. Dải
phân cách này đạt được dải tần hẹp. Để đạt
được bộ chia/bộ kết hợp băng rộng, bài báo này
đề xuất phương pháp kết hợp trở kháng nhiều
đoạn với các phân đoạn λ/4 tại tần số trung tâm
2,65GHz. Phân cách giữa 2 phân doạn là một
trở kháng Z0 = 50 , và ZL = 100 Ω. Các đặc
tính trở kháng được tính toán của thiết kế WPD
nhiều phần được thể hiện trong bảng 1.
Hình 4. Mô phỏng tham số S
Bảng 1. Trở kháng đặc đính của bộ WPD
Kết quả mô phỏng trên Hình 4 cho thấy độ
lợi của mạch khuếch đại lớn hơn 10 dB trong Số đoạn Zo Z1 Z2
dải 2.48 - 2.78 GHz và đạt giá trị lớn nhất là 2 50 84.09 59.46
14 dB ở tần số trung tâm 2.65 GHz. Hệ số
phản xạ đầu vào S11 và đầu ra S22 có giá trị WPD sử dụng mạch dải FR4 với chiều cao
tương đối tốt. h = 1,5mm phụ với chất nền điện môi là 4,34
2.3. Thiết kế và mô phỏng bộ chia/cộng và độ dày 0,035mm, chiều dài và chiều rộng
công suất Wikinson của đường microstrip được tính toán bằng
Bộ chia công suất là thiết bị dùng để chia phần mềm Advance Design System, sơ đồ
công suất đầu vào thành nhiều công suất đầu mạch WPD thể hiện trong Hình 6.
271
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
đầu vào là 37dBm. Giá trị này tương đương
công suất của mạch là 90W.
Hình 6. Mạch nguyên lý WPD
Kết quả mô phỏng mạch WPD được thể
hiện trên Hình 7.
Hình 8. Công suất đầu ra của mạch PA
3. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày quá trình nghiên cứu,
thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại công
suất cơ sở 45W và mạch chia/cộng công suất
Wilkinson 2:1. Kết quả mô phỏng cho thấy
mạch đạt công suất đầu ra 49.3dBm với mức
công suất đầu vào 37 dBm. Mạch khuếch đại
hoạt động trong dải tần 2.48GHz đến
2.78GHz có thể được ứng dụng trong hệ
Hình 7. Kết quả mô phỏng mạch WPD thống thông tin di động 4G, 5G và hệ thống
thông tin vô tuyến.
Từ hình 7 cho thấy hệ số truyền từ cổng 1
sang cổng 2 và 3 đạt giá trị 3,3dB, hệ số 4. TÀI LIỆU THAM KHẢO
phản xạ S11 nhỏ hơn 25dB và hệ số cách ly
[1] MS. Khan, et al., "A Novel Two-Stage
cổng 2 và 3 nhỏ hơn 19,0dB trên băng tần Broadband Doherty Power Amplifier for
2GHz đến 3GHz. Wireless Applications," IEEE Microwave
2.4. Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại and Wireless Components Letters, vol. 28,
kết hợp bộ chia/ cộng Wilkinson no. 1, pp. 40-42, 2018.
[2] Mussa Mabrok, et al., “Wideband power
Sau khi mô phỏng mạch đạt các tham số amplifier based on Wilkinson power divider
theo yêu cầu thiết kế, nhóm tác giả tiến hành for S-band satellite communications”,
ghép mạch khuếch đại và mạch chia/cộng Bulletin of Electrical Engineering and
công suất. Kết quả mô phỏng công suất của Informatics, Vol. 8, No. 4, pp. 1531-1536
mạch thể hiện trên hình 8. Dec 2019.
Để đạt được công suất đầu ra tối đa, giá trị [3] J. Tan, et al., “Design of a High Power,
đầu vào của bộ khuếch đại phải đạt 33dBm, do Wideband Power Amp lifier using
đó tín hiệu trước bộ chia là 36dBm, điều này AlGaN/GaN HEMT”, 2017 IEEE 18th
đạt được nhờ các bộ tiền khuếch đại phía trước. Wireless and Microwave Technology
Kết quả đo công suất đầu ra trên hình 8 Conference (WAMICON), 2017.
cho thấy công suất đầu ra đạt 49.3dBm với
272
nguon tai.lieu . vn
