Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ thông tin, hệ thống truyền dẫn sóng vô tuyến ViBa (vi sóng) đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như phát thanh truyền hình, viễn thông và an ninh. Tại Việt Nam, đặc biệt là tỉnh Kiên Giang với địa hình phức tạp gồm núi, biển đảo và biên giới, việc truyền tải tín hiệu truyền hình đến các vùng xa xôi gặp nhiều khó khăn. Hệ thống truyền dẫn ViBa băng X (tần số từ 8 GHz đến 12 GHz) được sử dụng rộng rãi để khắc phục những hạn chế này nhờ khả năng truyền tín hiệu với khoảng cách lên đến 60 km và tính cơ động cao.

Tuy nhiên, các thiết bị truyền dẫn ViBa băng X hiện nay chủ yếu nhập khẩu với chi phí cao và thủ tục phức tạp, đồng thời chịu ảnh hưởng lớn từ điều kiện khí hậu khắc nghiệt như giông bão, sương muối, gây hư hỏng module công suất, làm gián đoạn phát sóng truyền hình. Do đó, nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại công suất cho hệ thống ViBa băng X nhằm làm chủ công nghệ, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu, nâng cao độ bền và hiệu suất của hệ thống là rất cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và chế tạo module khuếch đại công suất hoạt động ở tần số trung tâm 8.5 GHz, với công suất ngõ ra lớn hơn 20 dBm, độ lợi trên 10 dB, đáp ứng yêu cầu truyền dẫn tín hiệu khoảng cách 30 km. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi hệ thống ViBa tại tỉnh Kiên Giang, sử dụng phần mềm mô phỏng Agilent Advanced Design System (ADS) và linh kiện GaAs transistor. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả truyền dẫn ViBa, đảm bảo truyền tải thông tin liên tục, ổn định phục vụ phát thanh truyền hình và viễn thông tại các vùng địa hình phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết truyền sóng ViBa: Phân loại băng tần ViBa, đặc tính lan truyền sóng cực ngắn, phương trình cân bằng công suất trong tính toán đường truyền ViBa, bao gồm công thức tính công suất máy phát cần thiết để truyền tín hiệu đến khoảng cách mong muốn.

  • Lý thuyết đường dây truyền sóng (Transmission Line Theory): Các thông số tuyến tính của đường truyền như điện cảm, điện dung, điện trở, điện dẫn tuyến tính; trở kháng đặc tính; hệ số phản xạ và hệ số sóng đứng (VSWR); ứng dụng microstrip line trong thiết kế mạch cao tần.

  • Các thông số mạch siêu cao tần: Hệ số nhiễu (Noise Figure), méo phi tuyến (Nonlinear Effects) như hiện tượng nén độ lợi (gain compression), điểm nén 1 dB, điểm chặn bậc 3 (IP3), và các dạng méo tín hiệu AM-AM, AM-PM.

  • Mạch khuếch đại công suất (Power Amplifier - PA): Phân loại mạch khuếch đại (lớp A, B, AB, C, E, F), đặc điểm hiệu suất và độ tuyến tính của từng loại, nguyên lý phối hợp trở kháng cao tần để tối ưu công suất và hiệu suất.

  • Tính ổn định hệ thống: Hệ số ổn định K, điều kiện ổn định mạch (K > 1 và |Δ| < 1), các giải pháp nâng cao độ ổn định như mạch lọc thượng thông RC, mạch cộng hưởng RLC, và đường dây truyền sóng λ/4.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng và đo đạc thực tế:

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng transistor GaAs FSX027WF của hãng Sumitomo với đặc tính công suất ngõ ra 24.5 dBm tại điểm nén 1 dB, độ lợi 10 dB ở tần số 8 GHz; linh kiện mạch in PCB IS640-280 của hãng Isola với hệ số điện môi Dk = 2.8 và hệ số tiêu tán thấp phù hợp cho tần số băng X.

  • Phần mềm mô phỏng: Agilent Advanced Design System (ADS 2011) dùng để thiết kế, mô phỏng schematic và layout mạch khuếch đại công suất, mô phỏng EM để đánh giá trở kháng, hệ số ổn định, và các thông số S-parameter.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích các thông số tán xạ (S11, S21, S22), hệ số ổn định K, điểm nén 1 dB, hiệu suất công suất (PAE), và đo đạc thực tế trên mạch thi công để so sánh với kết quả mô phỏng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 8/2016, hoàn thành thiết kế, thi công và thử nghiệm trong vòng 10 tháng, kết thúc tháng 6/2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế mạch khuếch đại công suất băng X hoạt động ổn định ở 8.5 GHz: Mạch đạt băng thông 1 GHz (8-9 GHz), công suất ngõ ra tại điểm nén 1 dB trên 20 dBm, độ lợi trên 10 dB, hệ số phản xạ ngõ vào (S11) và ngõ ra (S22) đều dưới -7 dB, đảm bảo truyền tín hiệu hiệu quả.

  2. Hệ số ổn định K > 1 trong toàn dải tần số thiết kế: Qua mô phỏng và thực nghiệm, hệ số ổn định K duy trì trên 1, chứng tỏ mạch không dao động, hoạt động ổn định nhờ áp dụng giải pháp kết hợp mạch lọc thượng thông RC và đường dây truyền sóng λ/4.

  3. Hiệu suất công suất (PAE) đạt khoảng 50%: Mạch khuếch đại lớp A được lựa chọn phù hợp với yêu cầu công suất 100 mW, cân bằng giữa hiệu suất và độ tuyến tính, phù hợp cho ứng dụng truyền dẫn ViBa khoảng cách 30 km.

  4. Kết quả đo thực tế tương đồng với mô phỏng: Đo đạc trên mạch thi công thực tế cho thấy các thông số S-parameter, công suất ngõ ra và điểm nén 1 dB gần sát với kết quả mô phỏng, sai số trong khoảng 5-7%, đảm bảo tính khả thi của thiết kế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp mạch đạt hiệu suất và độ ổn định cao là việc lựa chọn transistor GaAs FSX027WF có đặc tính phù hợp băng X, kết hợp với thiết kế mạch phối hợp trở kháng chính xác sử dụng microstrip line trên PCB IS640-280 có hệ số điện môi thấp và tiêu tán nhỏ. Việc áp dụng các giải pháp nâng cao độ ổn định như mạch lọc RC và đường dây truyền sóng λ/4 giúp loại bỏ hiện tượng dao động không mong muốn, đảm bảo mạch hoạt động ổn định trong toàn dải tần.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, mạch khuếch đại công suất băng X trong luận văn có công suất ngõ ra và độ lợi tương đương hoặc vượt trội so với các mạch Balance Power Amplifier hoặc Multistage Power Amplifier đã được công bố, đồng thời có kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp hơn do sử dụng linh kiện trong nước và thiết kế tối ưu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tần số - công suất ngõ ra, biểu đồ S-parameter (S11, S21, S22) và bảng so sánh kết quả mô phỏng với đo thực tế để minh họa sự phù hợp và hiệu quả của thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển module khuếch đại công suất đa tầng nhằm tăng công suất ngõ ra vượt 30 dBm, mở rộng phạm vi truyền dẫn trên 50 km, thực hiện trong vòng 2 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp viễn thông chủ trì.

  2. Nâng cao độ bền và khả năng chống chịu môi trường bằng cách sử dụng vật liệu PCB và linh kiện chịu nhiệt, chống ẩm tốt hơn, áp dụng cho các trạm phát sóng tại vùng biển đảo, hoàn thành trong 1 năm.

  3. Tích hợp công nghệ GaN hoặc SiC transistor để cải thiện hiệu suất và độ ổn định mạch, giảm tiêu hao năng lượng, phù hợp cho các ứng dụng radar và y học, nghiên cứu thử nghiệm trong 18 tháng.

  4. Xây dựng quy trình sản xuất module khuếch đại công suất trong nước nhằm giảm chi phí nhập khẩu, tăng khả năng bảo trì, sửa chữa nhanh chóng, triển khai đồng bộ tại các trung tâm viễn thông trong 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và nhà thiết kế mạch viễn thông: Nắm bắt kiến thức về thiết kế mạch khuếch đại công suất băng X, áp dụng trong phát triển thiết bị truyền dẫn ViBa.

  2. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực vi sóng và viễn thông: Tham khảo phương pháp mô phỏng, phân tích và thực nghiệm mạch cao tần, phát triển công nghệ trong nước.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị viễn thông: Áp dụng kết quả nghiên cứu để sản xuất module công suất phù hợp với điều kiện khí hậu và địa hình Việt Nam, giảm chi phí nhập khẩu.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển hạ tầng viễn thông: Đánh giá và triển khai các giải pháp công nghệ mới nhằm nâng cao chất lượng truyền dẫn tín hiệu, đảm bảo thông tin liên lạc liên tục tại vùng biên giới, hải đảo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn tần số 8.5 GHz cho mạch khuếch đại công suất?
    Tần số 8.5 GHz thuộc băng X, phù hợp với hệ thống truyền dẫn ViBa hiện có, đảm bảo băng thông 1 GHz và khả năng truyền tín hiệu xa khoảng 30 km, đáp ứng yêu cầu truyền hình và viễn thông tại địa phương.

  2. Lý do sử dụng transistor GaAs FSX027WF trong thiết kế?
    Transistor GaAs FSX027WF có công suất ngõ ra 24.5 dBm, độ lợi 10 dB ở tần số 8 GHz, phù hợp với yêu cầu công suất và băng thông, đồng thời có độ ổn định và độ bền cao, thích hợp cho ứng dụng băng X.

  3. Giải pháp nào được áp dụng để nâng cao độ ổn định mạch?
    Kết hợp mạch lọc thượng thông RC với điện trở và đường dây truyền sóng λ/4 giúp tăng hệ số ổn định K trên 1, ngăn ngừa dao động không mong muốn trong toàn dải tần số thiết kế.

  4. Hiệu suất công suất (PAE) của mạch đạt bao nhiêu?
    Mạch khuếch đại lớp A đạt hiệu suất khoảng 50%, cân bằng giữa công suất ngõ ra và độ tuyến tính, phù hợp cho ứng dụng truyền dẫn ViBa với công suất 100 mW.

  5. Kết quả đo thực tế có khác biệt nhiều so với mô phỏng không?
    Kết quả đo thực tế gần sát với mô phỏng, sai số trong khoảng 5-7%, chứng tỏ thiết kế và thi công mạch đạt độ chính xác cao, đảm bảo hiệu quả hoạt động thực tế.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mạch khuếch đại công suất băng X hoạt động ổn định tại tần số 8.5 GHz với công suất ngõ ra > 20 dBm và độ lợi > 10 dB.
  • Áp dụng giải pháp nâng cao độ ổn định mạch kết hợp mạch lọc RC và đường dây truyền sóng λ/4, đảm bảo hệ số ổn định K > 1 trong toàn dải tần.
  • Kết quả mô phỏng và đo thực tế tương đồng, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của thiết kế.
  • Nghiên cứu góp phần làm chủ công nghệ thiết kế module công suất ViBa, giảm chi phí nhập khẩu và nâng cao độ bền hệ thống truyền dẫn tại vùng địa hình phức tạp.
  • Đề xuất phát triển module đa tầng, nâng cao độ bền và tích hợp công nghệ mới để mở rộng ứng dụng trong viễn thông và radar.

Hành động tiếp theo: Triển khai sản xuất thử nghiệm module khuếch đại công suất, mở rộng nghiên cứu tích hợp công nghệ GaN, đồng thời xây dựng quy trình bảo trì, sửa chữa tại các trung tâm viễn thông địa phương nhằm nâng cao hiệu quả truyền dẫn ViBa băng X.