Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
282
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI
TẠP ÂM THẤP CHO BỘ THU SÓNG WIFI 5G
Đoàn Hữu Chúc, Trần Văn Hội
Trường Đại học Thủy lợi, email: chucdh@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Ngày nay, hệ thống truyền thông sử dụng
sóng siêu cao tần đóng vai trò quan trọng
trong sự phát triển của việc truyền thông tin.
Trong hệ thống siêu cao tần, bộ khuếch đại là
thành phần cơ bản và phổ biến. Các transistor
trong bộ khuếch đại có thể hoạt động trong
khoảng tần số rất rộng lên tới 100 GHz ở
những ứng dụng yêu cầu kích thước nhỏ gọn,
hệ số tạp âm NF thấp, dải thông rộng và tiêu
hao năng lượng thấp. Kỹ thuật thiết kế mạch
khuếch đại sử dụng BJT và FET dựa trên các
khái niệm được nghiên cứu về đường truyền
sóng siêu cao tần, mạng hai cổng và giản đồ
Smith. Trong lĩnh vực siêu cao tần, lý thuyết
mạch thông thường không thể sử dụng trực
tiếp để giải quyết các vấn đề của mạng siêu
cao tần. Trong trường hợp đó, lý thuyết mạch
thông thường được gần đúng hoặc sử dụng lý
thuyết trường điện từ được mô tả bằng các
phương trình Maxwell. Điều đó có nghĩa cách
thức thiết kế ở mạch siêu cao tần khác biệt so
với khi thiết kế mạch ở tần số thấp. Điều này
được gọi là kỹ thuật phối hợp trở kháng [1,2].
Khi thiết kế mạch khuếch đại dùng transistor
chúng ta phải dựa trên tham số S. Khối xử lý
tín hiệu đầu tiên của bộ thu trong hệ thống
truyền thông sau anten là bộ khuếch đại tạp
âm thấp (Low Noise Amplifier viết tắt là
LNA). Mạch LNA sẽ khuếch đại tín hiệu thu
được với hệ số khuếch đại hợp lý và có tạp
nhiễu nhỏ nhất có thể.
Tiêu chuẩn IEEE 802.11 ac được xem là
tiêu chuẩn dành cho thế hệ mạng Wifi thứ 5,
thường gọi tắt là mạng Wifi 5G[3]. Công
nghệ phát sóng wifi hiện đại sử dụng các tần
số là 2,4 GHz và 5 GHz[3]. Thiết kế mạch
khuếch đại tín hiệu tạp âm thấp LNA là
nhiệm vụ quan trọng nhất trong bộ thu. Mạch
LNA phải đảm bảo có hệ số khuếch đại tín
hiệu đủ lớn và tạp nhiễu nhỏ nhất. Việc thiết
kế mạch LNA cần cân bằng giữa các thông
số như hệ số khuếch đại, các hệ số phản xạ,
nhiễu và công suất tiêu thụ.
Hình 1. Sơ đồ khối bộ thu tín hiệu siêu cao tần
Bài báo này trình bày việc thiết kế và mô
phỏng một mạch LNA sử dụng cho mạng
wifi 5G. Mạch có hệ số khuếch đại đạt 18dB,
hệ số phản xạ lối vào là -19.2 dB, hệ số phản
xạ lối ra là -10.88 dB, tỷ số sóng đứng điện
áp (Voltage Standing Wave Ratio viết tắt là
VSWR) bằng 1.244 và nhiễu hình (Noise
Figure viết tắt là NF) nhỏ nhất NFmin nhỏ
hơn 0.6 tại tần số thiết kế 5GHz.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả
sử dụng các phương pháp như phân tích, tổng
hợp, phương pháp mô hình hóa và phương
pháp thực nghiệm để kiểm chứng kết quả.
3. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
Mạch khuếch đại Transistor đơn tầng với
mạch phối hợp trở kháng đầu vào và ra được
biểu diễn như ở hình 2[1-3]. Mạch khuếch đại
LNA hoạt động ở tần số 5GHz, sử dụng
transistor SPF3043 được thiết kế và mô phỏng
trên phần mềm ADS. Quá trình thiết kế các
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
283
mạch phối hợp trở kháng, hệ số khuếch đại
cũng như hệ số tạp âm NF, được thực hiện dựa
trên các tham số S của SPF3043. Các tham số
S của transistor được tra cứu từ nhà sản xuất.
Với mục đích thiết kế mạch LNA sử dụng cho
bộ thu tín hiệu mạng Wifi 5G, tác giả chọn tần
số mạch hoạt động có giá trị là 5 GHz.
Hình 2. Sơ đồ khối mạch khuếch đại
tạp âm thấp
Từ các tham số S tra cứu được, ta lần lượt
có được trở kháng lối và và trở kháng lối ra
của SPF3043 tại tần số trung tâm f = 5 GHz là:
Z
in = 20.9 - j*23.9 ()
Z
out = 54.8 - j*36.35 ()
trong đó:
Zin là trở kháng lối vào, Zout là trở kháng
lối ra và j là đơn vị phức.
Có nhiều phương pháp thực hiện thiết kế
mạch phối hợp trở kháng cho LNA. Trong
trường hợp này, để giảm kích thước của
mạch và tăng tính lựa chọn tần số chúng ta sử
dụng phương pháp sử dụng đoạn dây chêm
hở mạch. Chi tiết các thông số thiết kế của
mạch LNA được đưa ra ở bảng 1 dưới đây.
Bảng 1. Các thông số thiết kế
STT Thông số Đơn vị
1 Tần số trung tâm 5 GHz
2 Dải thông ± 5%
3 Tạp nhiễu NF < 2dB
4 Hệ số khuếch đại > 15 dB
5 Trở kháng nguồn 50
6 Trở kháng tải 50
7 Transistor SPF3043
Sử dụng công cụ LineCal xác định được
kích thước của mạch phối hợp trở kháng khi
sử dụng loại phíp đồng FR4 có hằng số điện
môi =4,34; độ dày H=1,6mm và độ dày lớp
dẫn điện T=0,035mm. Sơ đồ nguyên lý mạch
phối hợp trở kháng lối vào và lối ra cho LNA
thiết kế trên phần mềm ADS 2020 được đưa
ra ở hình 3 dưới đây.
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý chi tiết mạch
khuếch đại tạp âm thấp dùng SPF3043
Từ các giá trị trở kháng vào và trở kháng
ra chúng ta thực hiện tính toán các đoạn dây
chêm cho mạch phối hợp trở kháng lối vào và
lối ra của LNA. Trên cơ sở công cụ phỏng
phỏng của phần mềm ADS2020 ta hiệu chỉnh
để được kết quả mô phỏng một cách tối ưu
nhằm cân bằng các giá trị đạt được.
Kết quả mô phỏng các giá trị tham số S
được đưa ra ở hình 4. Theo đó hệ số khuếch
đại lớn hơn 17.8 dB trong dải tần từ 4,95 GHz
đến 5,05 GHz. Đây là giá trị lớn đối với mạch
khuếch đại đơn tầng. Giá trị này thỏa mãn yêu
cầu thiết kế đặt ra. Kết quả mô phỏng hệ số
sóng đứng, hệ số ổn định và nhiễu hình nhỏ
nhất đưa ra trên các hình 5, 6 và 7.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
284
Hình 4. Kết quả mô phỏng các tham số S
Hình 5. Kết quả mô phỏng VSWR
Hình 6. Kết quả mô phỏng hệ số ổn định
Hình 7. Kết quả mô phỏng nhiễu hình
Hệ số phản xạ lối vào S11< -15 dB trong
dải tần 4,95 GHz đến 5,05 GHz. Điều đó có
nghĩa là mạch được phối hợp trở kháng rất
tốt. Hệ số phản xạ lối ra S22 < -10 dB cũng
trong dải tần như trên. Do đó mạch phối hợp
trở kháng lối ra cũng được thiết kế tốt.
Hệ số sóng đứng như thể hiện ở hình 5
bằng 1,244 dB gần đạt tới giá trị bằng 1 vì
vậy hệ số phản xạ thấp. Giá trị lý tưởng bằng
1 tức hệ số phản xạ bằng 0. Hệ số ổn định
K<1 trong khoảng dải tần từ 4,9 GHz đến 5,1
GHz cho thấy mạch khuếch đại đạt điều kiện
ổn định vô điều kiện.
Một thông số quan trọng nữa là hệ số
nhiễu hình. Theo hình 7 kết quả mô phỏng
nhiễu hình nhỏ nhất NFmin =0,54, điều này
nghĩa là hệ số khuếch đại lối ra đủ lớn đảm
bảo cho việc chế tạo mạch LNA.
Sau khi thiết kế và mô phỏng chúng ta thực
hiện thiết kế mạch in. Sơ đồ thiết kế mạch in
của LNA được đưa ra ở hình 8. Từ sơ đồ
nguyên lý mạch in này chúng ta có thể tiếp tục
thực hiện chế tạo và đo kiểm thực nghiệm.
Hình 8. Sơ đồ mạch in
4. KẾT LUẬN
Một mạch LNA sử dụng SPF3043 hoạt
động ở tần số trung tâm 5GHz đã được thiết
kế và mô phỏng với hệ số khuếch đại lớn hơn
18 dB, hệ số phản xạ lối vào nhỏ hơn -19 dB,
hệ số phản xạ lối ra nhỏ hơn -10 dB. Mạch
cũng có hệ số sóng đứng và tạp âm nhỏ đáp
ứng yêu cầu của một mạch khuếch đại LNA.
Do đó có thể ứng dụng mạch cho hệ thống
wifi 5G cũng như cho các hệ thống thu phát
siêu cao tần khác.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] David M. Pozar (2012), Microwave
Engineering, Fourth Edition, John Wiley &
Sons, Inc.
[2] T. V. Hoi, et al., “Design and Fabrication of
High Gain Low Noise Amplifier at 4Ghz,”
International Journal of Engineering and
Innovation Technology (IJEIT), vol/issue:
4(7), 2015.