Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của các hệ thống viễn thông hiện đại, đặc biệt là các hệ thống thông tin hoạt động trong dải tần sub-6 GHz như WiFi (2.4-5 GHz), vệ tinh (2-4 GHz), mạng di động 2G, 3G, 4G (850 MHz đến 1.8 GHz) và mạng 5G mới triển khai (3.5-6 GHz), việc thiết kế các mạch khuếch đại công suất và các module điều khiển tín hiệu trở nên cấp thiết. Theo báo cáo ngành, nhu cầu băng thông rộng và hiệu suất cao đòi hỏi các thiết bị thu phát phải có công suất lớn, độ ổn định cao và khả năng tích hợp tốt trên chip. Luận văn tập trung nghiên cứu và thiết kế mạch tích hợp khuếch đại công suất 35W cho các hệ thống thông tin sub-6 GHz, nhằm giải quyết các thách thức về tạp nhiễu, suy hao tín hiệu và sai lệch pha trong hệ thống mảng pha (phase array).

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm: khảo sát ảnh hưởng của các ký sinh trong linh kiện và mạch tích hợp đến hiệu suất tín hiệu, thiết kế và mô phỏng các module suy hao và dịch pha với yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt về tần số hoạt động (2-6 GHz), công suất đầu ra (35W), và sai số pha tối thiểu. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại Việt Nam, với thời gian thực hiện từ đầu năm đến giữa năm 2020, sử dụng công nghệ GaAs 250nm và GaN 450nm. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả thiết kế mạch công suất, giảm thiểu tổn hao và sai lệch pha, góp phần phát triển các thiết bị viễn thông hiện đại, đáp ứng yêu cầu băng thông rộng và công suất cao trong các hệ thống 5G và các ứng dụng quân sự, radar.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết mạch khuếch đại phân tán (distributed amplifier theory) và lý thuyết mảng pha (phase array theory). Mạch khuếch đại phân tán sử dụng nguyên lý truyền sóng trên dây truyền dẫn nhân tạo kết hợp với transistor HEMT để đạt được băng thông rộng và công suất cao. Mảng pha là hệ thống điều khiển pha và biên độ tín hiệu nhằm tạo chùm sóng định hướng, yêu cầu các module attenuator (suy hao) và phase shifter (dịch pha) hoạt động chính xác với sai số pha nhỏ và tổn hao thấp.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Insertion Loss (IL): Tổn hao tín hiệu khi đi qua mạch suy hao, yêu cầu không vượt quá 3 dB.
  • Phase Error: Sai số pha giữa các trạng thái hoạt động của mạch dịch pha, cần được kiểm soát trong khoảng ±6 độ.
  • Return Loss (IRL, ORL): Độ phản xạ tín hiệu tại đầu vào và đầu ra, đảm bảo trên 10 dB.
  • Digital Step Attenuator (DSA): Mạch suy hao số với bước điều chỉnh 0.5 dB, phạm vi suy hao đến 31.5 dB.
  • Distributed Power Amplifier (DPA): Mạch khuếch đại phân tán giúp tăng băng thông và công suất đầu ra.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình mạch tích hợp được thiết kế và mô phỏng bằng phần mềm ADS (Advanced Design System), kết hợp với các mô phỏng điện từ (EM simulation) để trích xuất các ký sinh trong linh kiện và dây truyền dẫn. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các chip mạch suy hao và dịch pha được thiết kế trên công nghệ GaAs 250nm và GaN 450nm, với kích thước chip từ 2 mm x 4 mm đến khoảng 5 mm².

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô phỏng schematic và post-layout để đánh giá tổn hao, sai số pha và độ ổn định.
  • Trích xuất ký sinh từ mô phỏng EM để hiệu chỉnh mô hình mạch.
  • So sánh kết quả mô phỏng với kết quả đo thực tế trên wafer bằng thiết bị vector network analyzer (PNA-X) và probe station.
  • Phân tích các cấu trúc mạch khác nhau như reduced T-type, switched path, modified embedded FET để tối ưu hóa hiệu suất.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2020, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, layout, post-layout và đo kiểm thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mạch suy hao (DSA): Thiết kế mạch suy hao số đạt phạm vi điều chỉnh 31.5 dB với bước 0.5 dB, tổn hao chèn (insertion loss) không vượt quá 3 dB, sai số pha dưới 10 độ. Kết quả đo thực tế trên wafer cho thấy tổn hao tín hiệu trung bình khoảng 2.4 dB tại 2 GHz và dưới 3 dB ở toàn bộ dải tần 2-6 GHz, phù hợp với mô phỏng post-layout.

  2. Mạch dịch pha (DPS): Thiết kế mạch dịch pha kỹ thuật số với phạm vi dịch pha 360 độ, bước dịch pha 11.25 độ, sai số pha RMS dưới 6 độ. Mạch được chia thành hai băng tần 2.4-4 GHz và 4-6 GHz để giảm thiểu ảnh hưởng ký sinh, kết quả đo thực tế cho thấy sai số pha tối đa khoảng 12 độ tại 6 GHz, thấp hơn nhiều so với các thiết kế tương tự trên thị trường.

  3. Mạch khuếch đại công suất (PA): Sử dụng kỹ thuật khuếch đại phân tán kết hợp hai mạch đơn để đạt công suất bão hòa 35W, băng thông rộng từ DC đến 6 GHz. Kết quả mô phỏng và đo thực tế cho thấy công suất đầu ra ổn định, độ ổn định mạch được đảm bảo trong mọi điều kiện hoạt động.

  4. Ảnh hưởng ký sinh: Các ký sinh từ dây truyền dẫn và cuộn cảm làm tăng tổn hao và sai lệch pha, tuy nhiên việc trích xuất và bù trừ ký sinh qua mô phỏng EM giúp giảm thiểu sai số xuống dưới 5% so với mô hình lý thuyết.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của tổn hao và sai số pha là do các ký sinh trong linh kiện và dây truyền dẫn, đặc biệt là các thành phần điện dung và cảm kháng không mong muốn. So với các nghiên cứu trước đây, thiết kế mạch suy hao và dịch pha trong luận văn đã cải thiện đáng kể tổn hao chèn và sai số pha nhờ áp dụng cấu trúc mạch reduced T-type và switched path kết hợp kỹ thuật bù pha.

Kết quả đo thực tế tương đồng với mô phỏng post-layout chứng tỏ tính chính xác của phương pháp trích xuất ký sinh và mô phỏng EM. Việc chia mạch dịch pha thành hai băng tần giúp giảm thiểu ảnh hưởng ký sinh và cải thiện độ chính xác pha, phù hợp với yêu cầu ứng dụng trong các hệ thống 5G và radar.

Các biểu đồ tổn hao tín hiệu theo tần số và sai số pha RMS được trình bày rõ ràng trong luận văn, minh họa sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm. Bảng so sánh với các sản phẩm trên thị trường cho thấy thiết kế đạt hiệu suất cạnh tranh, đặc biệt về tổn hao thấp và sai số pha nhỏ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế mạch dịch pha đa băng tần: Áp dụng kỹ thuật chia mạch thành nhiều băng tần nhỏ hơn để giảm thiểu ảnh hưởng ký sinh, nâng cao độ chính xác pha, dự kiến hoàn thành trong 12 tháng tới, do nhóm thiết kế mạch đảm nhiệm.

  2. Nâng cao công nghệ trích xuất ký sinh: Phát triển mô hình mô phỏng EM chi tiết hơn, tích hợp với quy trình thiết kế để giảm sai số mô phỏng, thực hiện song song với quá trình thiết kế chip, do phòng thí nghiệm vi mạch thực hiện.

  3. Cải tiến kỹ thuật tích hợp balun-on-chip: Thiết kế balun tích hợp với mạch khuếch đại để giảm tổn hao và tăng độ ổn định, dự kiến hoàn thành trong 6 tháng, do nhóm thiết kế mạch công suất phụ trách.

  4. Phát triển quy trình đo kiểm tự động trên wafer: Xây dựng hệ thống đo kiểm tự động để tăng độ chính xác và hiệu quả kiểm tra chip, giảm sai số do thao tác thủ công, thực hiện trong 9 tháng, do phòng thí nghiệm đo kiểm đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thiết kế vi mạch RF và viễn thông: Nắm bắt kỹ thuật thiết kế mạch suy hao và dịch pha hiệu quả, áp dụng vào phát triển sản phẩm công suất cao cho hệ thống 5G và radar.

  2. Các nhà nghiên cứu công nghệ bán dẫn III-V: Hiểu rõ ảnh hưởng ký sinh và phương pháp trích xuất, từ đó cải tiến công nghệ chế tạo chip GaAs và GaN.

  3. Kỹ sư phát triển hệ thống mảng pha (phase array): Áp dụng các module mạch tích hợp để nâng cao hiệu suất và độ chính xác của hệ thống thu phát tín hiệu.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật viễn thông và vi mạch: Học hỏi quy trình thiết kế, mô phỏng và đo kiểm mạch RF công suất cao, nâng cao kiến thức thực tiễn và kỹ năng nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mạch suy hao số (DSA) có phạm vi điều chỉnh và độ chính xác như thế nào?
    Mạch DSA thiết kế có phạm vi điều chỉnh lên đến 31.5 dB với bước 0.5 dB, sai số suy hao RMS khoảng 0.3 dB và tổn hao chèn không vượt quá 3 dB, đảm bảo hiệu suất tín hiệu tốt trong dải tần 2-6 GHz.

  2. Làm thế nào để giảm sai số pha trong mạch dịch pha kỹ thuật số?
    Sai số pha được giảm bằng cách chia mạch dịch pha thành hai băng tần riêng biệt (2.4-4 GHz và 4-6 GHz), áp dụng kỹ thuật bù pha và sử dụng cấu trúc all-pass network, giúp sai số pha RMS duy trì dưới 6 độ.

  3. Ảnh hưởng của các ký sinh trong linh kiện đến hiệu suất mạch ra sao?
    Ký sinh như điện dung, cảm kháng trong dây truyền dẫn và cuộn cảm làm tăng tổn hao tín hiệu và sai lệch pha, tuy nhiên việc trích xuất và bù trừ ký sinh qua mô phỏng EM giúp giảm thiểu ảnh hưởng này, nâng cao độ chính xác thiết kế.

  4. Công nghệ GaN 450nm có ưu điểm gì trong thiết kế mạch công suất?
    GaN 450nm có khả năng chịu điện áp cao, dòng điện lớn và băng thông rộng, phù hợp cho các ứng dụng công suất cao như mạch khuếch đại 35W, giúp tăng hiệu suất và độ ổn định mạch.

  5. Quy trình đo kiểm chip trên wafer được thực hiện như thế nào?
    Sử dụng hệ thống probe station với đầu dò ground-signal-ground (GSG) kết nối với vector network analyzer (PNA-X) để đo các tham số S, tổn hao tín hiệu và sai số pha, đảm bảo kết quả đo chính xác và tương thích với mô phỏng.

Kết luận

  • Thiết kế mạch suy hao số và dịch pha kỹ thuật số cho hệ thống sub-6 GHz đạt hiệu suất cao với tổn hao chèn dưới 3 dB và sai số pha RMS dưới 6 độ.
  • Ứng dụng công nghệ GaAs 250nm và GaN 450nm giúp nâng cao công suất đầu ra đến 35W, phù hợp với yêu cầu của các hệ thống 5G và radar.
  • Phương pháp trích xuất ký sinh và mô phỏng EM hiệu quả giúp giảm thiểu sai số thiết kế, đảm bảo tính chính xác giữa mô phỏng và thực nghiệm.
  • Việc chia mạch dịch pha thành hai băng tần riêng biệt là giải pháp tối ưu để kiểm soát sai số pha và tổn hao tín hiệu.
  • Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thiết kế đa băng tần, phát triển kỹ thuật tích hợp balun-on-chip và xây dựng hệ thống đo kiểm tự động để nâng cao hiệu quả nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực vi mạch RF và viễn thông tiếp cận và áp dụng các kết quả nghiên cứu này để phát triển các thiết bị thu phát công suất cao, băng thông rộng, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường viễn thông hiện đại.