Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các thiết bị không dây và nhu cầu truyền tải dữ liệu dung lượng lớn đã dẫn đến tình trạng nghẽn mạng nghiêm trọng trên dải tần vô tuyến 2.4 GHz. Chuẩn Wi-Fi IEEE 802.11n hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 300 Mbps trên cả hai dải tần 2.4 GHz và 5 GHz, vượt trội so với mức 11 Mbps của chuẩn 802.11b ban đầu. Dải tần 5 GHz sở hữu ưu thế vượt trội về khả năng triệt tiêu xuyên nhiễu từ các thiết bị gia dụng và Bluetooth, nhưng lại gặp trở ngại lớn về suy hao truyền sóng theo khoảng cách. Nhằm giải quyết bài toán suy hao mà không làm gia tăng kích thước phần cứng, đề tài nghiên cứu về thiết kế mạch khuếch đại tín hiệu Wi-Fi đồng thời ở hai băng tần 2.4 GHz và 5 GHz đã được triển khai tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM trong giai đoạn từ tháng 7 năm 2015 đến tháng 6 năm 2016.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm bộ khuếch đại công suất tín hiệu Wi-Fi hoạt động đồng thời ở hai tần số 2.4 GHz và 5 GHz. Mạch yêu cầu đạt độ lợi công suất tối thiểu 15 dB và độ rộng băng thông tín hiệu mỗi kênh không nhỏ hơn 22 MHz. Luận văn ứng dụng kỹ thuật phối hợp trở kháng hai băng đồng thời kết hợp cấu trúc lọc triệt hài, sử dụng các phần tử thụ động LC trên chất nền vi dải ISOLA IS680345DK. Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi loại bỏ hoàn toàn các bộ chuyển mạch cơ học cồng kềnh, giảm 40% diện tích bo mạch vi dải và tiết kiệm hơn 30% chi phí sản xuất khối khuếch đại đầu cuối cho các trạm phát Wi-Fi công cộng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết khuếch đại vi ba công suất chế độ lớp AB, lý thuyết mạng hai cửa tham số tán xạ và mô hình đường truyền vi dải. Trong thiết kế mạch khuếch đại cao tần, hiệu suất thoát cực máng và hiệu suất cộng thêm công suất được tính toán tối ưu nhằm đạt ngưỡng kỳ vọng thực tế trên 70%. Bốn khái niệm cốt lõi được vận dụng xuyên suốt bao gồm: hệ số ổn định định lượng Mu, điểm nén công suất 1 dB, điểm chặn giao thoa bậc ba và kỹ thuật phối hợp trở kháng đa băng đồng thời dựa trên mạng phần tử LC tương đương.

Lý thuyết phi tuyến chuỗi Taylor được sử dụng để phân tích đáp ứng điện áp ngõ ra, định lượng mức độ phát sinh sóng hài bậc hai (4.8 GHz và 10 GHz) cũng như các thành phần méo xuyên điều chế bậc ba có tần số $2\omega_1 - \omega_2$ và $2\omega_2 - \omega_1$. Mạng phối hợp trở kháng vi dải đóng vai trò biến đổi trở kháng nguồn và tải về chuẩn 50 Ohm, đồng thời triệt tiêu điện kháng ký sinh để tối đa hóa công suất truyền dẫn và tối ưu hóa hệ số phẩm chất của toàn mạch.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng phần mềm máy tính chuyên dụng và thực nghiệm chế tạo phần cứng qua 6 bước tiêu chuẩn. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 1 linh kiện bán dẫn dị hợp GaAs pHEMT mã hiệu NE3210S01 (phân cực tại điện áp máng-nguồn $V_{ds} = 2\text{V}$, dòng máng $I_d = 10\text{mA}$) và 4 mẫu bo mạch in PCB được chế tạo, đo đạc lặp lại trong điều kiện phòng thí nghiệm. Phương pháp chọn mẫu linh kiện dựa trên đặc tính hoạt động ổn định trong dải tần rộng từ 2 GHz đến 6 GHz, đi kèm bộ tham số tán xạ S chuẩn hóa do nhà sản xuất cung cấp.

Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng mạch chuyên dụng Advanced Design System (ADS) để tối ưu hóa sơ đồ nguyên lý, kiểm tra độ ổn định trên đồ thị Smith và chạy mô phỏng trường điện từ EM trên đế ISOLA IS680345DK có hằng số điện môi 3.45. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích tham số S và mô phỏng EM là nhằm phát hiện sớm các hiện tượng bức xạ ký sinh, tổn hao tiếp xúc và khớp pha giữa các đoạn đường truyền vi dải trước khi tiến hành gia công mạch in thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và đo đạc thực nghiệm đã đem lại các kết quả nổi bật sau:

  • Mạch khuếch đại hoạt động đồng thời tại hai tần số 2.4 GHz và 5 GHz đạt độ lợi công suất vượt mức 15 dB, đồng thời đáp ứng dải thông tín hiệu trên 22 MHz, thỏa mãn yêu cầu truyền dữ liệu đa sóng mang OFDM.
  • Việc bổ sung điện trở ổn định có giá trị 100 Ohm tại tầng ngõ vào đã nâng hệ số ổn định Mu từ 0.72 lên trên 1.15 trong toàn bộ dải tần 2 GHz đến 6 GHz, giúp mạch chuyển từ trạng thái ổn định có điều kiện sang ổn định tuyệt đối không điều kiện.
  • Mạng phối hợp trở kháng đa băng tích hợp cấu trúc cộng hưởng LC đã triệt tiêu hiệu quả các thành phần sóng hài bậc hai, giữ mức méo xuyên điều chế bậc ba dưới -35 dBc và duy trì hiệu suất làm việc lớp AB đạt xấp xỉ 72% ở vùng công suất bão hòa.
  • Sau 4 lần chế tạo và tinh chỉnh mạch thực tế, việc bổ sung tụ vi chỉnh 0.5 pF cùng kỹ thuật tối ưu hóa lỗ xuyên lớp đã kéo giảm độ lệch tham số truyền qua $S_{21}$ giữa mô phỏng trường điện từ EM và thực nghiệm từ 18.5% xuống dưới 4.2%, hệ số phản xạ ngõ vào $S_{11}$ tại cả hai băng tần đều đạt mức suy hao dưới -10 dB.

Thảo luận kết quả

Thành công của mạch khuếch đại bắt nguồn từ phương pháp tổng hợp mạng phối hợp trở kháng phức tại hai tần số thành một cấu trúc LC tương đương duy nhất. Thay vì sử dụng các bộ chuyển mạch RF hoặc hai nhánh khuếch đại song song như nghiên cứu của Zhebin Wang và Chan-Wang Park vốn làm tăng kích thước mạch lên 35%, giải pháp tích hợp trực tiếp giúp giảm đáng kể suy hao chèn và tiết kiệm diện tích bo mạch. So với cấu trúc khuếch đại tạp âm thấp ghép tầng cascode của tác giả S. Babayan-Mashhadi, cấu trúc trong luận văn đạt điểm nén công suất ngõ ra $OP_{1dB}$ vượt trội trên 14 dBm, đảm bảo mức độ tuyến tính cao khi phát tín hiệu công suất lớn.

Dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm được minh họa trực quan qua bảng đối chiếu tham số tán xạ 4 cửa và đồ thị Smith. Quỹ đạo phối hợp trở kháng ngõ vào và ngõ ra xoay chính xác về tâm đồ thị chuẩn 50 Ohm tại cả hai điểm tần số 2.4 GHz và 5 GHz. Việc khảo sát các thành phần ký sinh của đường truyền vi dải và lỗ xuyên đất đã giải thích rõ nguyên nhân suy giảm độ lợi ở các lần đo đầu, từ đó khẳng định tính đúng đắn của việc bù dung kháng vi dải trong thiết kế mạch siêu cao tần.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Tối ưu hóa cấu trúc lỗ xuyên lớp nối đất và kích thước chân hàn linh kiện dán SMD: Triển khai giảm điện cảm ký sinh xuống dưới 0.05 nH trong lộ trình 3 tháng tới do nhóm kỹ sư phần cứng vi sóng đảm trách nhằm triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng lệch pha ở băng tần 5 GHz.
  • Mở rộng phạm vi thiết kế sang các dải tần Wi-Fi 6E và mạng 5G Sub-6GHz: Thiết lập mục tiêu mở rộng băng tần hoạt động từ 2.4 GHz đến 6.5 GHz với độ rộng kênh lên tới 160 MHz trong vòng 12 tháng do các trung tâm nghiên cứu vô tuyến chủ trì.
  • Chuyển đổi công nghệ chế tạo bán dẫn từ GaAs sang vật liệu GaN HEMT: Đặt mục tiêu nâng công suất ngõ ra bão hòa lên trên 5W (tương đương 37 dBm) và cải thiện hiệu suất cộng thêm công suất đạt trên 75% trong thời hạn 6 tháng do nhóm phát triển vi mạch công suất thực hiện.
  • Tích hợp giải thuật tiền méo số trên chip xử lý băng cơ sở: Giảm thiểu méo phi tuyến xuyên điều chế bậc ba thêm 10 dB và cải thiện chỉ số độ lớn vector lỗi EVM xuống dưới -32 dB trong thời gian 9 tháng do đội ngũ kỹ sư xử lý tín hiệu số triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông: Nắm vững phương pháp luận thiết kế mạch siêu cao tần, kỹ thuật giải bài toán ổn định trên đồ thị Smith và phương pháp phân tích tham số tán xạ vi ba.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng vô tuyến và chuyên gia phát triển khối RF Front-End: Ứng dụng quy trình layout đường truyền vi dải, mô phỏng trường điện từ EM trên phần mềm ADS và kỹ thuật xử lý sai số linh kiện ký sinh trong chế tạo PCB thực tế.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các viện, trường đại học khối kỹ thuật: Sử dụng tài liệu làm học liệu tham khảo chuyên sâu cho các môn học Mạch siêu cao tần, Kỹ thuật vô tuyến và Thiết kế hệ thống truyền thông không dây.
  • Doanh nghiệp sản xuất thiết bị mạng và bộ phát Wi-Fi thương mại: Tiếp cận giải pháp công nghệ giúp thu gọn 40% diện tích phần cứng, giảm giá thành gia công và nâng cao hiệu suất truyền dẫn cho các dòng router Wi-Fi băng tần kép.

Câu hỏi thường gặp

Mạch khuếch đại đồng thời hai băng tần mang lại lợi thế gì so với cấu trúc hai mạch khuếch đại đơn băng riêng biệt?
Thiết kế đồng thời giúp loại bỏ hoàn toàn bộ chuyển mạch RF và bộ kết hợp công suất, giảm hơn 40% diện tích bo mạch vi dải. Giải pháp này giúp giảm tổn hao chèn từ 1.5 dB đến 2 dB trên đường truyền và tiết kiệm đáng kể chi phí linh kiện phần cứng.

Tại sao transistor NE3210S01 lại được ưu tiên lựa chọn trong nghiên cứu này?
Transistor dị biến GaAs pHEMT NE3210S01 hoạt động ổn định trong dải tần rộng từ 2 GHz đến 6 GHz, cung cấp độ lợi công suất vượt trên 15 dB tại điện áp $V_{ds} = 2\text{V}$ và dòng $I_d = 10\text{mA}$, đồng thời có sẵn mô hình tham số tán xạ chính xác hỗ trợ mô phỏng.

Điện trở ổn định 100 Ohm đóng vai trò gì trong việc cải thiện độ ổn định của bộ khuếch đại?
Việc mắc thêm điện trở 100 Ohm tại cực cổng giúp đưa hệ số ổn định định lượng Mu từ mức 0.72 lên trên 1.15 trên toàn dải từ 2 GHz đến 6 GHz. Mạch đạt trạng thái ổn định không điều kiện, ngăn ngừa hiện tượng tự kích dao động mà chỉ làm suy giảm độ lợi dưới 0.8 dB.

Nguyên nhân chính gây ra sai lệch giữa mô phỏng ADS và kết quả đo đạc thực tế trên bo mạch là gì?
Sự sai lệch xuất phát từ điện cảm ký sinh của lỗ xuyên lớp nối đất (thường lớn hơn 0.2 nH), dung sai linh kiện thụ động LC khoảng 5% và điện dung ký sinh tại các chân hàn SMD. Vấn đề đã được khắc phục triệt để bằng cách bổ sung tụ vi chỉnh 0.5 pF, đưa sai số tham số $S_{21}$ về dưới 4.2%.

Làm thế nào để mạch vừa phối hợp trở kháng tốt vừa lọc được các thành phần sóng hài không mong muốn?
Mạch sử dụng mạng LC tương đương có đặc tính cộng hưởng nối tiếp hoặc song song tại các tần số sóng hài 4.8 GHz và 10 GHz. Cấu trúc này tạo trạng thái ngắn mạch hoặc hở mạch đối với sóng hài bậc cao, giữ mức méo xuyên điều chế IMD3 dưới -35 dBc và duy trì điểm nén công suất 1 dB ở mức 14 dBm.

Kết luận

  • Thiết kế và chế tạo thành công mạch khuếch đại công suất Wi-Fi hoạt động đồng thời ở hai băng tần 2.4 GHz và 5 GHz với độ lợi công suất trên 15 dB và băng thông lớn hơn 22 MHz.
  • Làm chủ kỹ thuật phối hợp trở kháng đa băng bằng mạng phần tử LC tương đương kết hợp cấu trúc triệt sóng hài, tối ưu hóa hiệu suất làm việc lớp AB đạt xấp xỉ 72%.
  • Giải quyết triệt để vấn đề mất ổn định cao tần bằng giải pháp gắn điện trở 100 Ohm, nâng hệ số ổn định Mu lên trên 1.15 trên toàn dải tần 2 GHz đến 6 GHz.
  • Thu hẹp sai lệch giữa mô phỏng trường điện từ EM và kết quả đo kiểm thực nghiệm xuống dưới 4.2% thông qua 4 giai đoạn hiệu chỉnh bo mạch PCB vi dải ISOLA IS680345DK.
  • Đóng góp giải pháp công nghệ vi ba tiên tiến, mở ra hướng phát triển các thiết bị truyền thông không dây băng kép hiệu năng cao với chi phí sản xuất tối ưu tại Việt Nam.

Kế hoạch phát triển tiếp theo tập trung vào việc ứng dụng linh kiện bán dẫn công nghệ GaN trong vòng 6 tháng tới và mở rộng tích hợp dải tần 6 GHz trong 12 tháng. Các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp viễn thông hãy ứng dụng ngay giải pháp mạch khuếch đại hai băng đồng thời để tối ưu hóa hiệu suất và nâng cao năng lực cạnh tranh cho các sản phẩm truyền dẫn không dây thế hệ mới.