Thiết kế mạch khuếch đại công suất băng S ứng dụng cho hệ thống thông tin di động 5G

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8

THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT BĂNG S
ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG 5G
Ngơ Thị Lành1, Trần Văn Hội2
Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải
2
Trường Đại học Thủy lợi, email:
1

1. GIỚI THIỆU CHUNG

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hiện nay hệ thống thông tin di động 5G
đang được các quốc gia nghiên cứu và triển
khai trong thực tế. Ở Việt Nam các nhà mạng
Viettel, Mobifone đã triển khai thử nghiệm
thành công hệ thống di động 5G trên các dải
tần 2.6GHz với tốc độ lên đến 2,2Gbps [1].
Mạch khuếch đại công suất siêu cao tần
PA (power amplifier) là một trong những
thành phần không thể thiếu trong trạm thu
phát gốc vô tuyến. Mạch khuếch đại công
suất thực hiện khuếch đại tín hiệu đã được
điều chế ở tần số cần phát lên mức công suất
phù hợp để cung cấp cho anten phát.
Có nhiều nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ
khuếch đại công suất được thực hiện ở các dải
tần số khác nhau [2], [3], 4] và giải quyết các
vấn đề khác nhau như: tăng công suất, tăng

hiệu suất của mạch [2], khuếch đại băng thông
rộng và giảm méo xuyên điều chế [3].
Để mở rộng băng thông của mạch khuếch
đại cũng như tăng cơng suất phát có thể sử
dụng các phương pháp khác nhau như: Sử
dụng mạch khuếch đại nhiều tầng ghép nối
tiếp [3]; sử dụng các bộ khuếch đại công suất
song song kết hợp với bộ chia/cộng công
suất [4]; sử dụng đèn công suất lớn [1].
Mục đích của bài báo này là trình bày q
trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch
khuếch đại công suất siêu cao tần làm việc ở
băng tần S với dải tần 2.5 - 2.8GHz sử dụng
đèn công suất lớn 130W. Mạch khuếch đại
cơng suất có thể được ứng dụng cho hệ thống
thông tin di động 4G; 5G và các hệ thống
thông tin vơ tuyến trên dải tần 2.5-2.8GHz.

Nhóm tác giả sử dụng kết hợp phương pháp
nghiên cứu phân tích, tổng hợp lý thuyết và
phương pháp thực nghiệm khoa học để thiết kế
tiến hành chế tạo, đo đạc thử nghiệm.
3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH PA

3.1. Thiết kế mạch PA
Mạch khuếch đại công suất đơn tầng sử
dụng transistor được thể hiện ở (hình 1),
trong đó mạch phối hợp trở kháng đầu vào
thực hiện phối hợp trở kháng nguồn ZS với
trở kháng vào của Transistor; mạch phối hợp

trở kháng ra thực hiện phối hợp trở kháng ra
của transistor với trở kháng tải ZL.

Hình 1. Sơ đồ mạch khuếch đại đơn tầng
Để thiết kế bộ khuếch đại cơng suất
130W, nhóm tác giả chọn đèn bán dẫn thích
hợp là PTFA261301F được cung cấp bởi
infineon Technologies. Đây là một đèn bán
dẫn sử dụng công nghệ LDMOS FETs công
suất được tăng cường nhiệt với công suất đầu
ra lớn nhất 130W và hoạt động ở tần số
2,6GHz, nguồn cấp 28V và hiệu suất 47%.
Thông qua tham số tán xạ S của đèn bán
dẫn PTFA261301F thực hiện kiểm tra tính
ổn định của mạch khuếch đại. Bộ khuếch đại

257


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8

phải ổn định trong phạm vi của dải tần thiết
kế. Một trong những phương pháp được sử
dụng để xác định độ ổn định của PA là kiểm
tra tham số K và .
2

K

2

1  S11  S 22  
2 S 21 S12

2

3.2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
Sau khi mô phỏng mạch đạt các tham số
theo yêu cầu thiết kế, nhóm tác giả tiến hành
chế tạo và đo các tham số của mạch.

(1)

  S11S22  S12S21
(2)
Sử dụng phần mềm ADS (Advanced Design
System) và file tham số tán xạ fpta.s2p để mô
phỏng hệ số ổn định K. Kết quả mơ phỏng
tham số K thể hiện trên hình 2.

Hình 4. Mạch khuếch đại PA hoàn thiện
Kết quả đo trên máy phân tích mạng
Vector network analyzer 37369D và kết quả
mơ phỏng được thể hiện ở các hình [5-9].

Hình 2. Hệ số ổn định K
Từ hình 2 cho thấy hệ số K > 1 trong dải
tần khuếch đại, điều này chứng tỏ hệ số
khuếch đại ổn định không điều kiện trong
phạm vi dải tần hoạt động.

Để thực hiện thiết kế mạch khuếch đại
nhóm tác giả sử dụng phương pháp phối hợp
trở kháng dải rộng đó là dùng bộ ghép đa
đoạn dây /4. Với tham số của đèn Z11 = 5.8
+ 0.4*j và Z22 = 1.4 – 3*j mạch thiết kế hoàn
chỉnh thể hiện trên hình 3.

Hình 5. Hệ số khuếch đại của mạch S21
Kết quả mơ phỏng và đo trên hình 5 cho
thấy hệ số khuếch đại của mạch lớn hơn
12,55 dB trong dải khuếch đại 2.5 - 2.7GHz.
Hệ số khuếch đại mô phỏng lớn nhất đạt 14
dB tại tần số 2.65GHz so với kết quả đo là
13.4dB tại tần số 2.625GHz.

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý mạch PA

Hình 6. Hệ số khuếch đại ngược (S12)
258


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8

Kết quả trên hình 6 cho thấy hệ số khuếch
đại ngược S12 có giá trị nhỏ hơn 21 dB
trong dải tần công tác và kết quả đo phù hợp
với kết quả mô phỏng.

Hệ số phản xạ đầu ra thể hiện trên hình 8
cho kết quả đo có giá trị tương đối tốt và có

dạng tương đương với kết quả mô phỏng, tuy
nhiên giá trị phản xạ đầu ra đều nhỏ hơn
11dB, đạt giá trị nhỏ nhất là 18.2 dB.
Kết quả đo cơng suất đầu ra trên hình 9
cho thấy công suất đầu ra đạt 50.6dBm với
đầu vào là 39dBm. Giá trị này tương đương
công suất của mạch là 130W.
4. KẾT LUẬN

Hình 7. Hệ số phản xạ đầu vào S11
Hệ số phản xạ đầu vào S11 trên hình 7 cho
thấy kết quả đo được có giá trị nhỏ hơn -10
dB trong dải tần công tác và đạt giá trị nhỏ
nhất là -25 dB tại tần số 2,62 GHz.

Bài báo đã trình bày quá trình nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo thử nghiệm mạch khuếch
đại công suất băng S. Kết quả đo cho thấy
các đặc tính kỹ thuật: hệ số khuếch đại lớn
nhất là 13.4dB và lớn hơn 12.55dB trong dải
tần 2.5GHz đến 2.7GHz; hệ số phản xạ đầu
vào và ra nhỏ hơn 10dB, công suất đầu ra
đạt 50.6dBm. Mạch khuếch đại có thể được
ứng dụng trong hệ thống thơng tin di động
5G hoạt động ở băng tần 2.6Ghz.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hình 8. Hệ số phản xạ đầu ra S22

[1] />[2] Keigo N., Toshio I. 2015. “A 2.4 GHzBand 100W GaN-HEMT High-Efficiency

Power Amplifier for Microwave Heating”,
Journal of electromagnetic engineering and
science, vol. 15, no. 2, pp. 82-88.
[3] Pei Jia, Fei You, Songbai He. 2020. ”A
1.8–3.4-GHz Bandwidth - Improved
Reconfigurable Mode Doherty Power
Amplifier Utilizing Switches”, IEEE
Microwave and Wireless Components
Letters, Vol 30, Issue 1, pp. 102 – 105.
[4] Sumit Bhardwaj, Jennifer Kitchen. 2019.
”Broadband Parallel Doherty Power
Amplifier in GaN for 5G Applications”,
2019 IEEE Topical Conference on
RF/Microwave Power Amplifiers for Radio
and Wireless Applications (PAWR).

Hình 9. Cơng suất đầu ra của mạch PA

259