Tổng quan nghiên cứu

Trong hạ tầng viễn thông di động thế hệ thứ tư, băng tần LTE Band 3 ở dải tần 1800 MHz đóng vai trò then chốt khi chiếm tới 246 trong tổng số 521 mạng thương mại trên toàn cầu, tương đương tỷ trọng 47% tại 110 quốc gia. Đồng thời, hệ sinh thái thiết bị đầu cuối hỗ trợ dải tần này đạt 3.889 trên tổng số 6.504 dòng sản phẩm, chiếm gần 60% thị phần toàn cầu. Tuy nhiên, việc áp dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao trên đường xuống khiến tỷ số công suất đỉnh trên trung bình tăng cao trong khoảng 6 dB đến 10 dB. Hiện tượng này buộc các bộ khuếch đại công suất truyền thống phải hoạt động ở chế độ lùi công suất sâu, dẫn đến hiệu suất giảm xuống dưới 30% và gây tổn hao năng lượng tới 70% dưới dạng nhiệt tại các trạm thu phát gốc.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa đồng thời hiệu suất năng lượng và độ tuyến tính của khối khuếch đại công suất cao tần lớp vật lý phục vụ trạm gốc LTE Band 3 trong dải tần 1805 MHz đến 1885 MHz. Mục tiêu trọng tâm là thiết kế, mô phỏng và kiểm chứng cấu trúc khuếch đại Doherty hai tầng sử dụng linh kiện bán dẫn công nghệ cao. Công trình đặt ra các chỉ số kỹ thuật cụ thể: công suất đầu ra tại điểm nén 1 dB đạt tối thiểu 40 W tương đương 46 dBm, hệ số khuếch đại công suất đạt xấp xỉ 17 dB và hiệu suất thêm công suất duy trì trên 50% trong toàn dải thông 75 MHz. Nghiên cứu được triển khai tại Viện Điện tử - Viễn thông thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 2016 - 2018, cung cấp giải pháp phần cứng RF then chốt giúp các nhà mạng cắt giảm khoảng 25% chi phí vận hành năng lượng trạm phát.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết điều chế tải chủ động của kiến trúc khuếch đại Doherty do William H. Doherty phát minh từ năm 1936, kết hợp với lý thuyết phân cực góc dẫn phi tuyến của transistor siêu cao tần. Khung phân tích vận hành dựa trên bốn khái niệm và mô hình kỹ thuật cốt lõi:

Thứ nhất, cấu trúc khuếch đại Doherty gồm hai nhánh: nhánh khuếch đại chính hoạt động ở chế độ AB với góc dẫn từ 180 độ đến 360 độ nhằm đảm bảo độ tuyến tính cao, và nhánh khuếch đại phụ hoạt động ở chế độ C với góc dẫn dưới 180 độ nhằm tiết kiệm dòng phân cực tĩnh khi mức công suất vào thấp.

Thứ hai, nguyên lý điều chế trở kháng bằng đường truyền vi dải độ dài một phần tư bước sóng đóng vai trò biến đổi trở kháng nghịch đảo. Trở kháng nhìn từ bộ khuếch đại chính thay đổi linh hoạt từ giá trị gấp đôi trở kháng tối ưu khi công suất nhỏ về đúng giá trị tối ưu khi công suất đạt đỉnh, giúp nhánh chính duy trì trạng thái bão hòa điện áp cực đại trên dải biến thiên công suất rộng.

Thứ ba, đặc tính vật lý của linh kiện bán dẫn hiệu ứng trường oxide kim loại khuếch tán ngang chuyên dụng cho dải tần siêu cao, sở hữu điện dung ký sinh thấp, trở kháng vào cao hơn transistor lưỡng cực và khả năng chịu điện áp đánh thủng cực máng lên tới 65 V.

Thứ tư, kỹ thuật phối hợp trở kháng vi dải băng rộng trên đế mạch in cao tần chuyên dụng Rogers RT/duroid 5870 có hằng số điện môi 2.33 và hệ số tổn hao điện môi cực thấp 0.0012, đảm bảo suy hao truyền dẫn tối thiểu trong dải tần số từ 1.8 GHz đến 2.0 GHz.

                  +-------------------+
                  |  Tín hiệu RF Vào  |
                  +---------+---------+
                            |
            +---------------+---------------+
            |                               |
    [Độ trễ pha 0°]                 [Độ trễ pha 90°]
            |                               |
    +-------v-------+               +-------v-------+
    | Khối Chính    |               | Khối Phụ      |
    | (Class AB)    |               | (Class C)     |
    +-------+-------+               +-------+-------+
            |                               |
    [Đường vi dải λ/4]                      |
    (Bù trễ pha 90°)                        |
            |                               |
            +---------------+---------------+
                            |
                  +---------v---------+
                  |  Tín hiệu RF Ra   |
                  +-------------------+

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật thực nghiệm từ tệp thông số tán xạ S-parameter hai cổng chuẩn định dạng S2P do nhà sản xuất linh kiện Freescale Semiconductor công bố, bao gồm 50 điểm tần số rời rạc quét từ 1.7 GHz đến 2.0 GHz. Cỡ mẫu khảo sát mô phỏng gồm 10 mức công suất đầu vào biến thiên từ 20 dBm đến 48 dBm với bước nhảy 1 dB nhằm khảo sát toàn diện đường đặc tuyến nén công suất và méo phi tuyến.

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu kỹ thuật chủ đích tập trung vào các điểm tần số hoạt động chuẩn của LTE Band 3 gồm 1805 MHz, 1845 MHz và 1885 MHz. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phi tuyến trường sóng hài kết hợp kỹ thuật quét nguồn và quét tải trên phần mềm chuyên dụng Keysight Advanced Design System 2016 là vì phương pháp này cho phép xác định chính xác trở kháng tối ưu của transistor tại điểm nén 1 dB mà không làm hỏng linh kiện thực tế. Ngoài ra, phương pháp đồng mô phỏng trường điện từ 3D Planar EM Momentum được tích hợp nhằm tính toán chính xác hiệu ứng phân tán sóng, bức xạ ký sinh và ghép điện từ trên các đường truyền vi dải thực tế. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, tính toán lý thuyết và mô phỏng lặp được tiến hành liên tục trong thời gian 24 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích mạch khuếch đại Doherty trên phần mềm Keysight ADS 2016 đã ghi nhận bốn phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Một là, công suất đầu ra bão hòa của mạch đạt mức 46.5 dBm, tương đương công suất thực tế 44.6 W tại tần số trung tâm 1.845 GHz. Chỉ số này vượt 11.5% so với yêu cầu thiết kế ban đầu là 40 W (46 dBm), đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn phát xạ vô tuyến của trạm gốc tế bào macro.

Hai là, hệ số khuếch đại công suất duy trì ở mức 17.2 dB với độ đồng đều trong toàn dải thông 1805 - 1885 MHz có độ gợn sóng nhỏ hơn 0.45 dB. So với bộ khuếch đại đơn tầng Class AB, cấu trúc Doherty cho thấy độ ổn định khuếch đại vượt trội với hệ số ổn định Rollett K luôn lớn hơn 1.15 và tham số delta nhỏ hơn 0.85, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ tự kích dao động ký sinh.

Ba là, hiệu suất cực máng đạt 53.8% tại điểm công suất bão hòa và duy trì ở mức ấn tượng 48.5% tại điểm lùi công suất 6 dB. So với bộ khuếch đại Class AB thông thường vốn chỉ đạt hiệu suất khoảng 28% đến 31% ở mức lùi công suất 6 dB, cấu trúc Doherty giúp tăng hiệu suất thực tế thêm 17.5% đến 20.5%.

Bốn là, mạng phối hợp trở kháng vi dải đầu vào và đầu ra sử dụng bộ chia công suất lai hybrid 3 dB 90 độ X3C19P2-03S đem lại hệ số phản xạ đầu vào S11 đạt dưới -18.5 dB và hệ số phản xạ đầu ra S22 đạt dưới -15.2 dB trong toàn bộ băng thông 75 MHz.

Thông số kỹ thuật Mục tiêu thiết kế Kết quả mô phỏng Doherty Bộ khuếch đại Class AB đơn
Dải tần hoạt động 1805 - 1885 MHz 1805 - 1885 MHz 1805 - 1885 MHz
Công suất bão hòa (P1dB) $\ge 40\text{ W}$ (46.0 dBm) 44.6 W (46.5 dBm) 41.2 W (46.1 dBm)
Độ lợi công suất (Gain) $\approx 17.0\text{ dB}$ 17.2 dB 16.0 dB
Hiệu suất cực máng tại đỉnh $\ge 50.0%$ 53.8% 51.2%
Hiệu suất tại lùi công suất 6 dB $\ge 40.0%$ 48.5% 29.5%
Hệ số phản xạ đầu vào ($S_{11}$) $< -10.0\text{ dB}$ $< -18.5\text{ dB}$ $< -12.0\text{ dB}$

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp hệ thống đạt hiệu suất cao tại vùng lùi công suất 6 dB nằm ở cơ chế điều chế tải tích cực. Khi công suất đầu vào ở mức thấp dưới ngưỡng bão hòa của nhánh chính, nhánh khuếch đại phụ bị khóa hoàn toàn do đặt điện áp phân cực cực cửa sâu trong vùng Class C (điện áp phân cực cực cửa xấp xỉ 1.5 V so với điện áp ngưỡng 2.7 V). Nhánh chính nhìn thấy trở kháng tải tương đương 100 Ohm, gấp đôi trở kháng chuẩn 50 Ohm, dẫn đến việc nhánh chính đạt bão hòa điện áp ngay ở mức công suất chỉ bằng một nửa công suất cực đại. Khi công suất đầu vào vượt ngưỡng chuyển đổi, nhánh phụ bắt đầu dẫn dòng và bơm dòng điện phụ vào tải, làm giảm trở kháng biểu kiến mà nhánh chính nhìn thấy xuống 50 Ohm thông qua đường truyền nghịch đảo một phần tư bước sóng.

Các dữ liệu thực nghiệm mô phỏng có thể được minh họa trực quan thông qua đồ thị Smith biểu diễn quỹ đạo dịch chuyển trở kháng nguồn và tải tối ưu, cùng biểu đồ 2D trực quan hóa mối quan hệ giữa hiệu suất thêm công suất và công suất đầu ra. So với các giải pháp nâng cao hiệu suất phức tạp khác như kỹ thuật bám sát đường bao hay kỹ thuật khuếch đại tuyến tính dùng linh kiện phi tuyến, cấu trúc Doherty đơn giản hơn rất nhiều khi không đòi hỏi các mạch xử lý số tín hiệu đường bao băng rộng đắt tiền, giúp giảm chi phí sản xuất phần cứng ước tính khoảng 35%. Tuy nhiên, sự xuất hiện của sóng hài bậc cao do nhánh Class C tạo ra đòi hỏi việc thiết kế mạch lọc bẫy hài ngõ ra phải được tính toán cẩn trọng để duy trì hệ số méo điều chế bậc ba ở mức cho phép.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và thực nghiệm mô phỏng, bốn giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm hoàn thiện và ứng dụng công trình vào thực tế sản xuất:

Thứ nhất, triển khai chế tạo mạch in mẫu thực tế trên vật liệu Rogers 5870 với quy trình phay CNC độ chính xác cao nhằm kiểm nghiệm tham số tán xạ thực tế trong vòng 6 tháng tới. Mục tiêu đạt công suất thực tế tối thiểu 42 W và hiệu suất trên 45%, do nhóm kỹ sư phần cứng RF tại các trung tâm nghiên cứu và phát triển viễn thông chủ trì thực hiện.

Thứ hai, tích hợp khối tiền méo số băng rộng kết hợp giải thuật thích nghi trên chip xử lý FPGA nhằm triệt tiêu hiện tượng méo phi tuyến do nhánh Class C gây ra. Giải pháp này đặt mục tiêu cải thiện hệ số rò rỉ kênh lân cận thêm 12 dB và giảm méo điều chế bậc ba xuống dưới -48 dBc trong lộ trình 9 tháng, do các chuyên gia xử lý tín hiệu số đảm nhiệm.

Thứ ba, nghiên cứu chuyển đổi linh kiện bán dẫn sang công nghệ Gallium Nitride trên chất nền Silicon Carbide trong giai đoạn 12 đến 18 tháng tiếp theo. Mục tiêu là nâng công suất đầu ra lên 80 W đến 100 W và mở rộng dải tần hoạt động lên 3.5 GHz phục vụ các trạm phát sóng 5G New Radio thế hệ mới, do các viện nghiên cứu chuyên ngành điện tử đảm trách.

Thứ tư, chuẩn hóa quy trình tự động hóa thiết kế tối ưu hóa hình học đường truyền vi dải bằng thuật toán di truyền tích hợp trong phần mềm mô phỏng trường điện từ 3D. Mục tiêu giảm diện tích bo mạch khoảng 20% và rút ngắn thời gian thiết kế phần cứng xuống dưới 30 ngày làm việc, do đội ngũ kỹ sư thiết kế mạch in cao tần triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho bốn nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, các kỹ sư thiết kế phần cứng vô tuyến tại các tập đoàn công nghệ và đơn vị sản xuất thiết bị viễn thông. Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình thiết kế từ tính toán lý thuyết, lựa chọn transistor LDMOS, phối hợp trở kháng vi dải đến mô phỏng kiểm tra trên phần mềm ADS cho các trạm phát sóng 4G LTE.

Thứ hai, các nhà nghiên cứu, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử và Viễn thông. Tài liệu là nguồn tham khảo chi tiết về phương pháp phân tích phi tuyến, cơ chế điều chế tải tích cực và các kỹ thuật mô phỏng trường sóng hài cho mạch siêu cao tần.

Thứ ba, các nhà quản lý kỹ thuật và chuyên gia tối ưu hóa mạng lưới tại các doanh nghiệp viễn thông di động. Công trình cung cấp luận cứ kỹ thuật rõ ràng để đánh giá và lựa chọn giải pháp nâng cao hiệu suất năng lượng, cắt giảm 20% đến 30% lượng điện tiêu thụ cho hệ thống trạm gốc BTS đang vận hành trên băng tần 1800 MHz.

Thứ tư, giảng viên và sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông tại các trường đại học kỹ thuật. Luận văn có thể được sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề, đồ án môn học hoặc bài thí nghiệm thực hành thiết kế mạch tích hợp siêu cao tần và mô phỏng thiết bị vi sóng.

Câu hỏi thường gặp

Cấu trúc khuếch đại Doherty nâng cao hiệu suất trạm gốc LTE Band 3 bằng cách nào? Cấu trúc Doherty kết hợp nhánh chính Class AB và nhánh phụ Class C thông qua đường truyền biến đổi trở kháng một phần tư bước sóng. Cơ chế này giúp nhánh chính duy trì trạng thái bão hòa điện áp và đạt hiệu suất cao trên 48% ngay tại điểm lùi công suất 6 dB, khắc phục triệt để tổn hao do tỷ số công suất đỉnh trên trung bình cao của tín hiệu điều chế đa sóng mang.

Tại sao transistor LDMOS MRF8S18120H lại được lựa chọn cho thiết kế này? Transistor LDMOS MRF8S18120H được chế tạo chuyên dụng cho dải tần 1805 - 1885 MHz với khả năng cung cấp công suất đỉnh danh định lên tới 120 W. Linh kiện này sở hữu trở kháng đầu vào cao, độ ổn định nhiệt vượt trội và hệ số khuếch đại đạt trên 17 dB, rất thuận lợi cho việc thiết kế mạng phối hợp trở kháng vi dải băng rộng.

Đường truyền vi dải độ dài một phần tư bước sóng đóng vai trò gì trong mạch? Đường truyền một phần tư bước sóng có chức năng biến đổi nghịch đảo trở kháng tải theo công thức thực nghiệm. Đồng thời, đường truyền này tạo độ lệch pha 90 độ để bù trừ chính xác góc lệch pha sinh ra từ bộ chia công suất đầu vào, đảm bảo tín hiệu công suất từ hai nhánh cộng pha đồng bộ hoàn toàn tại cổng đầu ra chung.

Vật liệu Rogers RT/duroid 5870 có ưu điểm gì so với phíp thủy tinh FR4 thông thường? Vật liệu Rogers 5870 sở hữu hằng số điện môi đồng nhất 2.33 cùng hệ số tổn hao điện môi cực thấp 0.0012 ở tần số 1.8 GHz. So với vật liệu FR4 có hệ số tổn hao lớn khoảng 0.02 và hằng số điện môi không ổn định ở tần số cao, Rogers 5870 giúp giảm thiểu suy hao truyền dẫn công suất và đảm bảo độ chính xác kích thước vi dải.

Làm thế nào để kiểm soát méo phi tuyến sinh ra từ nhánh khuếch đại phụ Class C? Nhánh Class C hoạt động với góc dẫn hẹp dưới 180 độ nên phát sinh sóng hài bậc cao. Vấn đề này được xử lý thông qua việc tính toán điểm phân cực tối ưu cho nhánh chính để triệt tiêu một phần méo tương hỗ, kết hợp thiết kế mạng phối hợp trở kháng đầu ra có tính năng lọc bẫy hài bậc hai và bậc ba, đưa hệ số méo về ngưỡng an toàn.

Kết luận

  • Hoàn thiện toàn diện cơ sở lý thuyết và quy trình thiết kế mạch khuếch đại công suất Doherty băng rộng trên chất nền vi dải cao tần Rogers 5870.
  • Ứng dụng thành công transistor LDMOS thế hệ mới MRF8S18120H cho dải tần LTE Band 3 (1805 MHz - 1885 MHz) với độ ổn định tuyệt đối.
  • Đạt công suất ngõ ra 44.6 W (46.5 dBm) và độ lợi 17.2 dB, đáp ứng vượt mức mục tiêu kỹ thuật đề ra cho trạm phát sóng di động.
  • Nâng cao hiệu suất cực máng lên 53.8% tại điểm bão hòa và duy trì 48.5% tại điểm lùi công suất 6 dB, cải thiện 18% so với mạch đơn thông thường.
  • Làm chủ phương pháp phân tích phi tuyến trường sóng hài và đồng mô phỏng điện từ trường Momentum trên nền tảng Keysight ADS 2016.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp một giải pháp phần cứng khuếch đại công suất hiệu suất cao, cấu trúc mạch gọn nhẹ và khả thi về mặt kinh tế cho trạm thu phát gốc vô tuyến 4G LTE tại Việt Nam. Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc gia công chế tạo bo mạch mẫu trong 6 tháng tới và triển khai thử nghiệm hệ thống tiền méo số trong 12 tháng tiếp theo. Quý độc giả, chuyên gia viễn thông và kỹ sư thiết kế RF quan tâm có thể tải về toàn văn tài liệu luận văn để nghiên cứu sâu hơn và ứng dụng trực tiếp vào các dự án phát triển thiết bị vô tuyến siêu cao tần.