Thiết kế và thực hiện bộ khuếch đại công suất VHF 300W

Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 177 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT VHF 300W Nguyễn Tấn Nhân* Tóm tắt: Bài viết này trình bày phương pháp thiết kế và thực hiện một bộ một bộ khuếch đại công suất VHF sử dụng MOSFET hoạt động ở chế độ push-pull nhằm thay thế cho các module công suất nhập ngoại. Qua đó, tác giả trình bày cách chọn linh kiện, chế tạo biến thế dải rộng, cân bằng bù nhiệt, tiến trình thiết kế với sự hỗ trợ của các phần mềm cùng phương pháp đo thử để đánh giá các tham số căn bản. Từ khóa: Bộ khuếch đại công suất VHF, Bộ khuếch đại RF LDMOS. 1. GIỚI THIỆU Tầng công suất cao tần thường nằm ở cuối cùng của một hệ thống máy phát vô tuyến, trước các bộ lọc và bộ cộng công suất. Tuy nhiên, trước đây để có công suất lớn từ vài kW trở lên thường sử dụng một đèn điện tử duy nhất. Phương pháp này có một vài ưu điểm, nhưng nhược điểm lớn nhất là khi đèn hỏng thì cả hệ thống ngưng hoạt động hoàn toàn. Trong khi đó, ngày nay để tạo ra công suất cao tần lớn người ta thường cộng công suất từ các module được chế tạo đồng nhất. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này độ tin cậy rất cao vì việc hỏng hóc đồng thời của các module có xác suất rất thấp. Nếu có hỏng một vài module thì công suất ra của hệ thống chỉ giảm một ít nhưng hệ thống vẫn hoạt động bình thường. Trong bài này trình bày phương pháp thiết kế và thực hiện một module khuếch đại công suất hoạt động ở chế độ ‘đẩy-kéo’ dải rộng bằng MOSFET trong dải VHF. Module này có thể sử dụng đơn lẽ hoặc kết hợp với nhau để cho công suất theo yêu cầu trong thiết bị phát thanh FM stereo hoặc những ứng dụng khác. 2. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 2.1. Chọn transistor Bảng 1. Gemini Transistor điển hình. Transistor Hãng Nguồn Công suất Độ lợi Hiệu suất BLF368 Philips 32V 300W 14dB 62% BLF369 Philips 50V 500W 16dB 60% MRF151G Motorola 48V 300W 18dB 55% Việc chọn transistor cho thiết kế phụ thuộc nhiều yếu tố, nhưng chủ yếu là nguồn cung cấp cho hệ thống hoạt động; đồng thời với cách ráp đẩy kéo, chúng ta cũng có thể chọn hai transistor độc lập. Tuy nhiên, cần thận trọng trong lựa chọn để có hệ số khuếch đại bằng nhau. Cách tốt nhất là sử dụng loại 2 transistor có tham số giống nhau đóng chung trong một vỏ, loại này gọi là Gemini transistor tuy giá thành có cao hơn. Sau đây là vài loại transistor điển hình như vậy được cho trên bảng 1. Trong bài này ta chọn transistos MRF151G có sẵn, sử dụng nguồn 48V vì nó có độ lợi cao và méo IMD thấp nếu phân cực đúng. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Nguyễn Tấn Nhân, “Thiết kế và thực hiện bộ khuếch đại công suất VHF 300W.” 178 2.2. Chọn cấu hình mạch Để thực hiện mạch khuếch đại ‘đẩy kéo’ ta chọn mô hình mạch như trong hình 1 dưới đây: Hình 1. Mô hình bộ khuếch đại đẩy kéo. Như trên hình 1, nguồn tín hiệu kích thích có nội trở 50inZ   kích thích hai vế transistor qua biến áp 4:1 bất đối xứng sang đối xứng. Thông thường mạch này sử dụng biến thế dải rộng bằng ferrite hay cáp đồng trục có trở kháng đặc tính: 50 2 25balanceZ R     (1) Hay: 12.5R   (2) Tuy nhiên, trong thiết kế này, vì dải tần hoạt động trãi rộng từ 54MHz đến 68MHz (nhỏ hơn một octave nhiều), do đó, giá trị biến đổi của đường tải tối ưu không lớn [1]. Đồng thời, để có kích thước nhỏ gọn thiết kế sử dụng biến áp 4:1 cân bằng chế tạo từ cáp đồng trục có trở kháng đặc tính 0 25Z   [2] cho cả ngõ vào và ngõ ra. Như trên ta thấy, mạng cân bằng cáp đồng trục tự thân nó tạo cho tổng trở nguồn và tải của bộ khuếch đại thấp xuống từ 50 12,5  . Trên hình 1, pZ là tổng trở ký sinh giữa các điểm thả nổi của mạch cân bằng và đất. Tổng trở này được giữ càng cao so với 12,5 càng tốt để tránh ảnh hưởng đến sự cân bằng của mạng. 2.3. Tổng trở vào và ra của transistor và mạng phối hợp Tần số thiết kế được chọn: 0 min max 54 68MHz 60,6MHzf f f     (3) Từ số liệu của nhà sản xuất [3], ta có tổng trở vào: (1,5 2)inZ j   ; và ra (6, 2 2)outZ j   . Như vậy, tổng trở vào và ra tương ứng cần được biến đổi đến 50 nhìn qua biến áp có tỷ số 4:1 cho thiết kế: / 2 (0,75 1)inh inZ Z j    và (3,1 1)outhZ j   [4]. Hình 2 trình bày toán đồ Smith mạng phối hợp trở kháng ngõ vào [5] và hình Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 179 3 là sơ đồ mạch của nó. Hình 2. Toán đồ Smith mạng phối hợp ngõ vào. Hình 3. Sơ đồ mạng phối hợp ngõ vào. Tương tự, hình 3a và 3b cho toán đồ Smith và sơ đồ mạch ngõ ra. Mạch khuếch đại hoàn chỉnh trình bày trên hình 4: Hình 4. Mạch khuếch đại công suất VHF 300W. 2.4. Mạch phân cực và bù nhiệt Vì hoạt động trong chế độ tín hiệu lớn, bộ khuếch đại phải được phân cực thế nào để hệ số chuyển dẫn tín hiệu nhỏ (độ dốc mg ) khi không có tín hiệu cao tần bằng một nửa hệ số chuyển dẫn tín hiệu lớn để không gây méo tại điểm giao nhau của đặc tuyến hai vế như trình bày trên hình 5. Đồng thời dòng DI của MOSFET thay đổi theo nhiệt độ nên phải bù nhiệt bằng điện trở có hệ số nhiệt âm nhằm giữ cho nó không thay đổi khi hệ thống hoạt động. Vì dòng này sẽ tăng 15mA khi nhiệt độ tăng 1oC [4]; Do đó, khi nhiệt độ tăng giá trị điện trở nhiệt sẽ giảm làm điện áp rơi trên nó cũng giảm theo, kết quả DI giữ không đổi. Ngoài ra trong mạch phân cực trong hình 6 còn có mạch bảo vệ cho transistor khi tỷ số sóng đứng quá cao. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Nguyễn Tấn Nhân, “Thiết kế và thực hiện bộ khuếch đại công suất VHF 300W.” 180 Hình 5. Méo tín hiệu nhỏ tại điểm gm nhỏ. 1000pF VCC 12V t 10k 100uF TO BIASLM317 2 1 3 VOUT A D J VIN Zener 6,2V CONTROL 100 1k 2SK2369 0.1uF 390 2SK2369 1N4001 500 POT C3 Hình 6. Mạch phân cực có bù nhiệt và bảo vệ. 3. THỰC NGHIỆM VÀ ĐO THỬ 3.1 Sơ đồ thí nghiệm Trên hình 7 trình bày sơ đồ bố trí thực hiện các phép đo thử và kiểm tra tham số của bộ khuếch đại như dải tần, công suất ra theo công suất vào, hiệu suất. Hình 7. Sơ đồ phép đo bộ khuếch đại. V A Nguồn Bộ khuếch đại Máy đo công suất Tải RF Máy phát FM Máy đo công suất Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 181 Trong đó:  Máy phát FM có thể thiết lập tần số trong dải 54 68MHz MHz và công suất từ 2W – 25W.  Máy đo công suất ra và công suất phản xạ [7] đặt ở ngõ vào và ngõ ra bộ khuếch đại.  Nguồn 48VDC có chỉ thị dòng và áp cấp cho bộ khuếch đại, tải giả RF 50 800W. 3.2. Kỹ thuật đo 3.2.1. Đo độ lợi Nối tải giả đến ngõ ra máy đo công suất 1, mở máy phát FM và thiết lập công suất máy phát ở giá trị 2W ở tần số 60,6MHz; Tắt máy phát và nối thiết bị như hình 8. Mở nguồn cho bộ khuếch đại công suất trước và máy phát sau, ghi lại công suất ngõ ra. Tăng công suất máy phát từng Watt một và ghi lại công suất ngõ ra bộ khuếch đại, kết quả được cho trên hình 8. Qua phép đo, độ lợi của tầng khuếch đại khoảng 15dB và tỷ số sóng đứng ngõ vào VSWR = 1,2 [7]. Hình 8. Công suất ngõ ra theo công suất ngõ vào. 3.2.2. Đo dải tần và hiệu suất Bây giờ giữ công suất ngõ ra máy phát FM ở 12W, giảm tần số đến 54MHz, ghi lại công suất ngõ ra bộ khuếch đại, dòng tải của nguồn DC; Tuần tự tăng từng bước 2MHz và ghi lại số liệu như trên cho đến cuối băng (68MHz) ta được kết quả như trên bảng 2. Theo kết quả trên ta thấy, hiệu suất của bộ khuếch đại trong dải điển hình 55%. Bảng 2. Công suất ngõ ra và hiệu suất bộ khuếch đại theo tần số. Tần số (MHz) Công suất ra (W) Dòng Amp Công suất DC (W) Hiệu suất (%) 54 308 11.3 544 56,6 56 310 11,3 543,86 57 58 307 11,2 538,60 57 60 301 10,63 510,67 59 62 298 10,5 505 59 64 298 10,5 505 59 66 297 10,86 521 57 68 294 11,14 534,5 55 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Nguyễn Tấn Nhân, “Thiết kế và thực hiện bộ khuếch đại công suất VHF 300W.” 182 4. KẾT LUẬN Bài viết trình bày phương pháp thiết kế và thực hiện mạch khuếch đại công suất cao tần VHF băng rộng dùng transistor dạng Gemini MRF151G công suất 300W cho nhiều ứng dụng khác nhau. Trong quá trình tính toán và thực hiện bộ khuếch đại VHF có sử dụng nhiều phần mềm khác nhau để mô phỏng; Tùy theo cấp độ chính xác của phần mềm mà sai số của kết quả nhận được phù hợp với phần mềm đó. Ngoài ra, đây là lần đầu thiết kế bộ khuếch đại công suất siêu cao tần công suất lớn trong điều kiện rất hạn chế nên các mạch phụ trợ nhằm nâng cao phẩm chất mạch chưa được chú ý nhiều; Tuy vậy, tác giả cũng cố gắng thực hiện mạch bù nhiệt cho mạng phân cực để hệ thống hoạt động đúng chế độ khi nhiệt độ tăng kết hợp với bộ lọc hài Tchebychev bậc chín [6] không được trình bày. Trong tương lai sẽ tiếp tục hoàn thiện để sủ dụng có hiệu quả cao hơn. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông trong đề tài mã số 01-HV-2016-RD_VT2. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Dan Moline, “RF Application Reports”, Motorola page 174; Printed in USA 1995. [2]. Chris Trask, “Designing Wide-Band Transformers for HF and VHF Power Amplifiers”, QEX, Mar/Apr 2005, pp. 3-15. [3]. Datasheet, “MRF151G”, RF Power FET MACOM Technology Solutions. [4]. H. O. Granberg, “Building push-pull multioctave, VHF power amplifiers”, Motorola Application note, page 420; Printed in USA 1995. [5]. Fritz Dellsperger, “Smith V2.03”, Berne University of Applied sciences, 2004. [6]. Stewart Hyde, “RFSim99 version 1.05”, www.Hydesign.co.uk. UK 1999. [7]. “Thruline Wattmeter model 43”, Bird Electronic Corp. Cleveland, Ohio, USA. ABSTRACT DESIGN and IMPLEMENTATION of 300 Watt VHF POWER AMPLIFIER In this paper, we design and implement a 300 Watt VHF power amplifier that uses MOSFET operating on the push-pull mode, in order to replace the imported modules. In particular, this paper presents the method to select the devices; design a wide-range transformer and temperature compensation equalizer and a design process based on computer solfwares. Keywords: VHF Power amplifier, RF LDMOS amplifier. Nhận bài ngày 16 tháng 08 năm 2016 Hoàn thiện ngày 06 tháng 11 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 12 năm 2016 Địa chỉ: Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Cơ sở tại Thành Phố Hồ Chí Minh; * Email: tannhan2000@yahoo.com