Bộ khuếch đại tín hiệu hai đường ra ứng dụng trong hệ thống thu phát vô tuyến 5G

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

BỘ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU HAI ĐƯỜNG
RA ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THU
PHÁT VÔ TUYẾN 5G
Lê Trọng Hiếu, Phạm Trọng Hoan, Nguyễn Lê Cường*
Khoa Điện tử Viễn thông,
Trường Đại học Điện lực
Email: , , *
Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất thiết kế
và thử nghiệm mơ-đun khuếch đại tín hiệu hai đường ra
ứng dụng trong các hệ thống máy thu vô tuyến của mạng
thông tin di động 5G. Bộ khuếch đại tín hiệu được thiết
kế bao gồm mạch khuếch đại hai đường và bộ chia công
suất Wilkinson 3 dB. Kết quả đo được mơ-đun khuếch
đại tích hợp bộ chia cơng suất 2 đầu ra có độ khuếch đại
xấp xỉ 18.2 dB tại tần số 2,6 GHz với hệ số tạp âm
khoảng 5 dB.

II.

Bộ chia công suất là các phần tử siêu cao tần thụ
động không chứa ferrit dùng để chia một tín hiệu sóng
cao tần thành 2 hoặc nhiều tín hiệu thành phần có cơng
suất nhỏ hơn.
Bộ chia cơng suất Wilkinson [7] là bộ chia hoạt
động ở chế độ chia đều. Bộ chia loại này sử dụng kết
hợp cấu trúc đường truyền với điện trở (là phần tử tiêu
hao năng lượng) nên nó có tính chất: Cấu trúc là mạng
tổn hao vì có chứa phần tử tiêu hao năng lượng, Được
phối hợp trở kháng tại tất cả các cổng; Cách ly tốt giữa

các cổng lối ra; Đối xứng giữa lối vào và lối ra.

Keywords- Khuếch đại tín hiệu, bộ chia cơng suất
Wilkinson, máy thu phát vô tuyến.

I.

GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây, cùng với nhu cầu ngày
càng tăng của người tiêu dùng về truyền thông không
dây băng rộng hoặc đa băng tần, việc nghiên cứu và
phát triển các hệ thống thu phát vô tuyến luôn là lĩnh
vực nghiên cứu được quan tâm chú trọng. Để đáp ứng
các yêu cầu này, cần có các cơng nghệ tiên tiến, bao
gồm các sơ đồ điều chế mức cao, ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao (OFDM) và các kỹ thuật MIMO,
và băng thông kênh ít nhất phải là 100 MHz [1-4].
Trong thiết kế RF front-end, thiết bị khuếch đại tín hiệu
(RF Amplifiers) là một phần không thể thiếu, đặc biệt
trong các máy thu phát vô tuyến [5-6].
Trên cơ sở nghiên cứu công nghệ mạch vi dải, bài
báo này đề xuất một thiết kế mơ-đun khuếch đại tín
hiệu hai đường ra ứng dụng trong các hệ thống máy thu
vô tuyến của mạng thông tin di động 5G. Bộ khuếch
đại được thiết kế có ưu điểm là có thể đồng thời cung
cấp tín hiệu cho cả đường phát và đường thu. Kết quả
đo được mô-đun khuếch đại tích hợp bộ chia cơng suất
2 đầu ra có độ khuếch đại xấp xỉ 18.2 dB tại tần số 2,6
GHz với hệ số tạp âm khoảng 5 dB.

Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau:
trong phần II, chúng tôi miêu tả thiết kế mô phỏng bộ
chia công suất Wilkinson. Trong phần III, chúng tôi mô
tả thiết kế mô phỏng mạch khuếch đại băng rộng. Phần
IV cung cấp các kết quả chế tạo và đo lường thực tế
mô-đun khuếch đại thiết kế. Cuối cùng, chúng tôi kết
luận bài báo trong phần V.

ISBN 978-604-80-7468-5

THIẾT KẾ BỘ CHIA CƠNG SUẤT
WILKINSON

Hình 1. Sơ đồ bộ chia cơng suất Wilkinson với 2 cổng đầu
ra

Thông thường:
R = 100Ω
R0 = 50 Ω
Công suất đầu ra ở 2 cổng 1, 2 nhỏ hơn công suất đầu
vào ở cổng 3 là 3dB.

62


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

Bảng I. THAM SỐ CỦA BỘ CHIA CƠNG SUẤT
WILKINSON

Hình 2. Cấu trúc mạch nguyên lý cơ bản của bộ chia công
suất Wilkinson 1:2

Tham số

Kích thước (mm)

W1

1,52

W2

0,9

L1

4,32

L2

3

L3

3

R1

6,7

R2

3

R3

3

Kết quả mơ phỏng hệ số phản xạ của bộ chia công suất
nhỏ hơn -22 dB trong dải tần số 2,2 GHz đến 2,7 GHz
và độ cách ly đạt được giữa các cổng là hơn 21 dB. Suy
hao chèn của hai cổng đầu ra so với cổng đầu vào cơ
bản là nhỏ hơn 3,2 dB, cho thấy mô phỏng đạt kết quả
tốt.
Hình 3. Thiết kế mơ phỏng bộ chia công suất Wilkinson trên
ANSYS HFSS

III.

THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI BĂNG
RỘNG

Sau khi hồn thành thiết kế bộ chia cơng suất 3 dB,
khối khuếch đại RF được thiết kế, chúng tôi lựa chọn
chip vi xử lý ADL5611 của nhà sản xuất ANALOG
DEVICES. ADL5611 hoạt động trong dải tần từ 30
MHz đến 6 GHz, cung cấp độ khuếch đại 22,2 dB, với
tạp âm thấp là 2,1 dB và điểm cắt bậc 3 (OIP3) rất cao
40,0 dBm. Với các ưu điểm này, mạch khuếch đại

được thiết kế sẽ đảm bảo cung cấp mức cơng suất đủ
cho đường tín hiệu nội tại các bộ tạo tạo dao động.

Hình 4. Kết quả mơ phỏng S11, S21, S23, S31 bộ chia công
suất

Việc thiết kế và mô phỏng bộ chia công suất 3 dB
Wilkinson được thực hiện bằng phần mềm mơ phỏng
trường điện từ tồn sóng ANSYS HFSS. Hình 3 và
Hình 4 lần lượt mơ tả cấu trúc thiết kế và kết quả mô
phỏng tham số S của bộ chia cơng suất 3 dB
Wilkinson. Chi tiết kích thước của bộ chia công suất
được mô tả trong Bảng I. Để cải thiện hệ số sóng phản
xạ của các cổng đầu vào và đầu ra, thiết kế của đường
vát cong được sử dụng trong mối nối chạc chữ T và
tăng trở kháng cách ly của bộ chia công suất công nghệ
vi dải, mức độ cách ly giữa các cổng đầu ra được cải
thiện bằng phương pháp tối ưu hóa các tham số S.

ISBN 978-604-80-7468-5

Hình 5. Sơ đồ mơ phỏng mạch nguyên lý bộ khuếch đại
ADL 5611 trên phần mềm ADS 2011

63


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022)

Hình 9. Kết quả đo độ khuếch đại và tạp âm tại các tần số

2,3GHz, 2,6 GHz và 2,8GHz

Hình 8 và Hình 9 mô tả kết quả đo hệ số khuếch đại và
tạp âm của bộ khuếch đại đề xuất trên máy phân tích
tạp âm Agilent N8975A. Kết quả đo thực tế cho thấy,
mơ-đun khuếch đại tích hợp bộ chia cơng suất 2 đầu ra
có độ khuếch đại xấp xỉ 18,2 dB trong dải tần từ 2
GHz đến 3 GHz (bao gồm cả suy hao dây cáp, đầu đo
SMA, và môi trường đo). Hệ số tạp âm của bộ khuếch
đại trong khoảng 5,7 đến 6 dB, nguyên nhân một phần
là do ảnh hưởng của các phần tử trong mô-đun, phần
khác là do bộ khuếch đại chưa được đặt trong hộp bảo
vệ cách ly với môi trường đo. Như vậy, bộ khuếch đại
được thiết kế đã hoạt động ổn định, hệ số khuếch đại,
tạp âm cơ bản đạt yêu cầu đề ra và có thể ứng dụng
tích hợp vào các hệ thống thu phát vơ tuyến 5G.

Hình 6. Kết quả mơ phỏng tham số S tại tần số 2,630 GHz

Kết quả mô phỏng các tham số S của bộ khuếch đại
ADL5611 trong Hình 6 cho thấy độ lợi của bộ khuếch
đại khoảng 20 dB trong phạm vị từ 200 MHz đến 4
GHz. Trong đó, tại tần số 2.63 GHz, độ khuếch đại đạt
được xấp xỉ 20.8 dB.
IV.

CHẾ TẠO VÀ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM

Bộ chia công suất
Wilkinson

V.

Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu thiết kế, chế
tạo thử nghiệm mơ-đun khuếch đại tín hiệu hai đường
ra tích hợp bộ chia cơng suất Wilkinson. Mơ-đun
khuếch đại được chế tạo có ưu điểm nhỏ gọn, độ
khuếch đại cao trong dải tần rộng và có khả năng ứng
dụng trong các hệ thống máy thu phát vô tuyến của
mạng thơng tin di động 5G.

Khuếch đại
ADL5611

Hình 7. Hình ảnh của mơ-đun khuếch đại tích hợp bộ chia
cơng suất được chế tạo

Mơ-đun bộ khuếch đại tích hợp bộ chia cơng suất
được chế tạo trên chất nền Taconic TLY trên bảng
mạch thương mại với hằng số điện môi là 2,2, độ dày
tấm điện môi là 0,508mm và tổn hao tương đương là
0,0022. Diện tích hiệu dụng của mơ-đun là 60 × 40
(mm2).

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

[2]

[3]

[4]

[5]
[6]

Hình 8. Kết nối mơ-đun khuếch đại tín hiệu với máy phân
tích tạp âm Agilent N8975A

ISBN 978-604-80-7468-5

KẾT LUẬN

64

Z.Q. Yu, J.Y. Zhou, J.N. Zhao, T. Zhao, and W. Hong,
“Design of a Broadband MIMO RF Transmitter for Nextgeneration Wireless Communication Systems,” Microwave
Journal, vol. 53, no. 11, pp. 22-26, Nov. 2010.
A. Hashimoto, H. Yoshino, and H. Atarashi, “Roadmap of
IMT-advanced development,” IEEE Microwave Magazine,
vol. 9, pp. 80-88, 2008.
Martin Sauter, “Beyond 3G -Bringing Networks, Terminals,
and the Web Together: LTE, WiMAX, IMS, 4G Devices, and
the Mobile Web 2.0”. Wiley, New York, 2009.
Zhe Chen, Wei Hong, Jianyi Zhou, Jixin Chen, and Chen Yu,
“Design of Miniature RF Transceivers for Broadband MIMO
Systems in Ku-Band,” Microwave Journal, vol. 55, no. 11, pp.
108-112, Nov. 2012.
Qizheng Gu, “RF System Design of Transceivers for Wireless
Communications”, Nokia Mobile Phones. 2005.

Dean Banerjee, “PLL Performance, Simulation and Design
Handbook”, Fourth edition. CA: National Semiconductor,
Sunnyvale, 2006.


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

[7]

Pozar D. M, “Microwave engineering”, Fourth edidtion. New
York: John Wiley & Sons, 2009.

ISBN 978-604-80-7468-5

65