BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN đề tài PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠCH PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN Đề tài: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠCH PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Khắc Kiểm Học kỳ: 20211 Mã học phần: ET4090 Mã lớp: 129292 Nhóm: Trần Văn Đạt 20172453 Điện tử - K62 Phạm Thị Đăng 20172447 Điện tử – K62 Hà Nội, 12/2021 MỤC LỤC CHƯƠNG NỘI DUNG CÔNG VIỆC .4 1.1 Yêu Cầu: Thiết kế mạch phối hợp trở kháng 1.2 Phân công công việc: CHƯƠNG LÝ THUYẾT PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG .5 2.1 Lý thuyết 2.1.1 Đồ thị Smith .5 2.1.2 Các phương pháp biến đổi trở kháng 2.2 Giới thiệu phương pháp PHTK yêu cầu 2.2.1 Phối hợp trở kháng sử dụng L, C 2.2.2 Phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền độ dài ¼ bước sóng .7 2.2.3 Phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm mắc song song CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ BẰNG ĐỒ THỊ SMITH .10 3.1 Phối hợp trở kháng sử dụng phần tử L, C .10 3.1.1 Phối hợp trở kháng cách mắc nối tiếp L C 10 3.1.2 Phối hợp trở kháng cách mắc song song L C 13 3.2 Phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền ¼ bước sóng .15 3.3 Phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm mắc song song .17 CHƯƠNG Thực thiết kế 21 4.1 Phối hợp trở kháng dung phần tử L,C 21 4.2 PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước song .26 4.3 PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch 30 4.4 Thảo luận 36 KẾT LUẬN 37 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 4.1 PHTK cách mắc nối tiếp phần tử C 22 Hình 4.2 Kết PHTK cách mắc nối tiếp phần tử C .23 Hình 4.3 PHTK cách mắc nối tiếp phần tử L 23 Hình 4.4 Kết PHTK cách mắc nối tiếp phần tử L 24 Hình 4.5 PHTK cách mắc song song phần tử L .24 Hình 4.6 Kết PHTK cách mắc song song phần tử L 25 Hình 4.7 PHTK cách mắc song song phần tử C .25 Hình 4.8 Kết PHTK cách mắc song song phần tử C 26 Hình 4.9 PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước sóng (1) 27 Hình 4.10 Kết PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước sóng(1) 28 Hình 4.11 Mạch in PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước sóng(1) .28 Hình 4.12 PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước sóng (2) 29 Hình 4.13 Kết PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước sóng (2) .29 Hình 4.14 Mạch in PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước sóng (2) 30 Hình 4.15 PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch (1) 31 Hình 4.16 Kết PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch (1) 32 Hình 4.17 Mạch in PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch (1) 32 Hình 4.18 PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch (3) 33 Hình 4.19 Kết PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch (3) 33 Hình 4.20 Mạch in PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch (3) 34 Hình 4.21 PHTK phương pháp mắc song song dây chêm hở mạch (4) 34 Hình 4.22 Kết PHTK phương pháp mắc song song dây chêm hở mạch (4) .35 Hình 4.23 Mạch in PHTK phương pháp mắc song song dây chêm hở mạch (4) .35 Hình 4.24 PHTK phương pháp mắc song song dây chêm hở mạch (2) .36 Hình 4.25 Kết PHTK phương pháp mắc song song dây chêm hở mạch (2) .36 Hình 4.26 Mạch in PHTK phương pháp mắc song song dây chêm hở mạch (2) .37 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Các thông số cho phương án sử dụng phần tử L,C .22 Bảng 4.2 Các thông số cho phương án sử dụng dây chêm 27 Bảng 4.3 Các thông số cho phương án sử dụng dây chêm 31 1.1.1.1 NỘI DUNG CÔNG VIỆC 1.1 Yêu Cầu: Thiết kế mạch phối hợp trở kháng Đường truyền trở kháng đặc tính 50 Ohms nối với tải, hệ số phản xạ tải cho Bảng Dùng đồ thị Smith để thiết kế mạch phối hợp trở kháng tần số cho sử dụng phương pháp: (a) Phần tử L,C (b) Đường truyền độ dài λ/4 (c) Một dây chêm mắc song song (shunt stub) STT nhóm Tần số trung tâm(GHz) Hệ số phản xạ Biên độ 1.5 0.86 Pha (độ) -71 Điện môi ADS εr 4.4 Kiểm tra thiết kế bước sử dụng Advanced Design System (ADS) với giả thiết đường truyền vi dải (microstrip line) cụ thể: - Mô để xác định tham số mạch PHTK vùng băng thông GHz - Vẽ mạch in mạch PHTK đường truyền với phương pháp mục (b), 1.(c) cho biết đường truyền có tổng chiều dài từ đầu vào tới tải 2.λ 1.2 Phân cơng cơng việc: - Lý thuyết, tính tốn, viết báo cáo: Phạm Thị Đăng - Mơ ADS: Trần Văn Đạt 2.1.1.1 LÝ THUYẾT PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG h(m) 0.80 2.1 Lý thuyết 2.1.1 Đồ thị Smith Trong thiết kế mạch siêu cao tần, việc tính toán tham số tốn nhiều thời gian, việc sử dụng đồ thị Smith giúp nhanh cóng xác định tham số mang tính trực quan Đồ thị Smith giúp ta xác định nhanh chóng biên độ, góc pha, hệ số phản xạ … Đồ thị Smith giới thiệu năm 1930 xây dụng dựa mối quan hệ hệ só phản xạ trở kháng đường truyền ví trí Đồ thị Smith cơng cụ đồ họa sử dụng cho tính tốn đường truyền mạch điện siêu cao tần, tập hợp họ đường cong đẳng r x sử dụng cho đường truyền khơng tổn hao Có hai dạng biểu diễn trở kháng chuẩn hóa điểm hệ số phản xạ điểm 2.1.2 Các phương pháp biến đổi trở kháng Trong mạch điện siêu cao tần, phối hợp trở kháng thao tác bắt buộc để nhận tín hiệu, phối hợp trở kháng nhằm mục đích:     Cơng suất cực đại phân phối tới tải tải PHTK với đường truyền Công suất tổn hao mạch tối thiểu Cải thiện tỉ số SNR Giảm sai pha biên độ Các phương pháp phối hợp trở kháng:     Biến đổi ¼ bước sóng Phương pháp sử dụng hai dây chêm Sử dụng phần tử L, C Bộ điến đổi nhiều đoạn Trong báo cáo ta trọng vào phương pháp: PHTK sử dụng biến đổi ¼ bước song, PHTK sử dụng dây chêm mắc song song, PHTK sử dụng phần tử L, C 2.2 Giới thiệu phương pháp PHTK yêu cầu Phối hợp trở kháng sử dụng mạch phối hợp đặt tải đường truyền dẫn sóng Mạch phối hợp mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất thiết kế cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị trở kháng Z0 đường truyền Khi phản xạ sóng phía trái mạch phối hợp phía đường truyền dẫn khơng cịn nữa, cịn phạm vi tải mạch phối hợp, phản xạ qua lại nhiều lần Quá trình phối hợp coi trình điều chỉnh Ý nghĩa: Khi thực phối hợp trở kháng công suất truyền cho tải đạt cực đại tổn thất đường truyền cực tiểu Phối hợp trở kháng tốt cịn chống tín hiệu "dội" phần lượng bị phản xạ (reflection), nhiễu nội mạch suy hao tín hiệu (signal absorbtion) làm giảm total cơng suất ngõ Tần số hoạt động mạch cao yêu cầu phối hợp trở kháng chặt chẽ, phối hợp trở kháng kỹ thuật xạ cao tần (RF = Radio Frequency) Cụ thể tiêu biểu phối hợp trở kháng antenna - Tx kỹ thuật cao tần, phối hợp trở kháng Ampli loa kỹ thuật truyền Phối hợp trở kháng làm cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu hệ thống khác hệ thống sử dụng phần tử nhạy cảm ăng-ten, khuếch đại tạp âm thấp … Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ: mạng tiếp điện cho dàn ăngten gồm nhiều phần tử), phối hợp trở kháng làm giảm sai số biên độ pha phân chia công suất 2.2.1 Phối hợp trở kháng sử dụng L, C Phối hợp trở kháng sử dụng mắc nối tiếp L, C Bước 1: Xác định trở kháng tải chuẩn hóa đồ thị Smith với hệ số phản xạ cho vẽ đường trịn hệ số sóng đứng Bước 2: Xác định hai giao điểm đường trịn hệ số sóng đứng đường trịn 1±jB Bước 3: Với giao điểm, xác định khoảng cách d từ trở kháng tải chuẩn hóa tới điểm theo hướng tải nguồn Bước 4: Khử phần ảo cách mắc nối tiếp phần tử điện kháng - + jB  jB: nối tiếp C  + jB: nối tiếp L Phối hợp trở kháng sử dụng mắc song song L, C Bước 1: Xác định trở kháng tải chuẩn hóa đồ thị Smith với hệ số phản xạ cho vẽ đường tròn hệ số sóng đứng Bước : Xác định dẫn nạp chuẩn hóa cách lấy đối xứng điểm tải chuẩn hóa đường trịn hệ số sóng đứng Bước 3: Xác định hai giao điểm đường trịn hệ số sóng đứng đường tròn 1±jB Bước 4: : Với giao điểm, xác định khoảng cách d từ dẫn nạp chuẩn hóa tới điểm theo hướng tải nguồn Bước 5: Khử phần ảo cách mắc song song phần tử điện kháng - + jB  jB: song song L  + jB: song song C 2.2.2 Phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền độ dài ¼ bước sóng Bộ biến đổi 1/4 bước sóng sử dụng trở kháng tải tồn phần thực (khơng có thành phần ảo)  Sử dụng với băng hẹp tần số  Dễ thiết kế triển khai  Một tải phức chuyển thành tải trở việc sử dụng đoạn đường truyền có chiều dài thích hợp tải phối hợp, dùng đoạn dây chêm nối tiếp song song phù hợp Kỹ thuật thường dẫn tới thay đổi phụ thuộc tần số tải tương đương gây giảm độ rộng băng phối hợp trở kháng Để xác định trở kháng nhìn vào đường truyền trở kháng đặc tính Z1, sử dụng công thức: Hệ số phản xạ đường truyền : Biên độ hệ số phản xạ: Giả sử tần số lân cận fo đó: 2.2.3 Phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm mắc song song Mạng phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm song song chuyển đổi phần thực tải RL thành Z0 phần ảo XL thành Sử dụng tham số điều chỉnh Do mục đích dây chêm song song:  Xác định yd yl từ xác định d l  Đảm bảo dẫn nạp tổng ytot=yd+ yl=1 Các bước xác thực phối hợp trở kháng dây chêm:  Bước 1: Xác định trở kháng tải chuẩn hóa đồ thị Smith với hệ số phản xạ cho sẵn ứng với điểm (1) Lấy giá trị điện dẫn tải chuẩn hóa tương ứng yL đối xứng với trở kháng tải chuẩn hóa (điểm (2)) vẽ đường trịn hệ số sóng đứng  Bước 2: Xác định hai giao điểm đường tròn hệ số sóng đứng đường trịn 1±jB (điểm (3) điểm (3’))  Bước 3: Với giao điểm, xác định khoảng cách d từ điện dẫn tải chuẩn hóa tới điểm theo hướng tải nguồn từ điểm (2) đến điểm (3) điểm (3’)  Bước 4: Từ phần ảo điểm vừa tìm ±jB, suy điện dẫn dây chêm gây yl=±jB (điểm (4) (4’)) Từ xác định chiều dài dây chêm l từ vị trí ngắn mạch tới vị trí yl=±jB theo hướng tải nguồn từ điểm (0) điểm hở mạch đến điểm (4) (4’) Hình 4.4 Kết PHTK cách mắc nối tiếp phần tử L Hình 4.5 PHTK cách mắc song song phần tử L 23 Hình 4.6 Kết PHTK cách mắc song song phần tử L Hình 4.7 PHTK cách mắc song song phần tử C 24 Hình 4.8 Kết PHTK cách mắc song song phần tử C 25 4.2 PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước song Bảng 4.2 Các thông số cho phương án sử dụng dây chêm Phương án Loại dây chêm Khoảng cách tới tải d Đơn vị  Đơn vị mm Ngắn mạch 0.152 16.6391 Hở mạch 0.402 44.006 Thiết kế mạc nguyên lý ADS: Hình 4.9 PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước sóng (1) 26 Hình 4.10 Kết PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước sóng(1) Hình 4.11 Mạch in PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước sóng(1) 27 Hình 4.12 PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước sóng (2) Hình 4.13 Kết PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước sóng (2) 28 Hình 4.14 Mạch in PHTK cách mắc đoạn đường truyền ¼ bước sóng (2) 29 4.3 PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch Bảng 4.3 Các thông số cho phương án sử dụng dây chêm Phương án Loại dây chêm Khoảng cách tới tải d Chiều dài dây chêm l Đơn vị  Đơn vị mm Đơn vị  Đơn vị mm Ngắn mạch 0.11 12.0414 0.043 4.70711 Hở mạch 0.11 12.0414 0.293 32.074 Ngắn mạch 0.19 20.7988 0.457 50.0267 Hở mạch 0.19 20.7988 0.207 22.6598 Thiết kế mạch nguyên lý ADS: Hình 4.15 PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch (1) 30 Hình 4.16 Kết PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch (1) Hình 4.17 Mạch in PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch (1) 31 Hình 4.18 PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch (3) Hình 4.19 Kết PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch (3) 32 Hình 4.20 Mạch in PHTK phương pháp mắc song song dây chêm ngắn mạch (3) Hình 4.21 PHTK phương pháp mắc song song dây chêm hở mạch (4) 33 Hình 4.22 Kết PHTK phương pháp mắc song song dây chêm hở mạch (4) Hình 4.23 Mạch in PHTK phương pháp mắc song song dây chêm hở mạch (4) 34 Hình 4.24 PHTK phương pháp mắc song song dây chêm hở mạch (2) Hình 4.25 Kết PHTK phương pháp mắc song song dây chêm hở mạch (2) 35 Hình 4.26 Mạch in PHTK phương pháp mắc song song dây chêm hở mạch (2) Nhận xét: Các kết gần với tính tốn lí thuyết, việc tồn sai số làm trịn q trình tính tốn 4.4 Thảo luận  Điểm dấu (marker) đặt chỗ chưa? Điểm marker đặt tần số 1.5 GHz  Kết mô phù hợp chưa? Các kết mô phù hợp  Các thích kết thị rõ ràng khơng? Các thích rõ ràng  Các vấn đề đề có giải thích rõ ràng khơng? Các vấn đề nêu đầy đủ  Các kết có đảm bảo tiêu chuẩn đề không? Các kết đảm bảo tiêu chuẩn  Nếu câu trả lời có khơng, có khảo sát lý dẫn đến kết khơng? Sau thực mơ thu kết hệ số phản xạ tải nhỏ tần số 1.5 GHz, nhóm em thử thay đổi số thơng số khoảng cách dây chêm, khoảng cách dây chêm tải, độ dài dây chêm nhận thấy mạch khơng cịn phối hợp trở kháng 36 KẾT LUẬN Qua trình học tập tìm hiểu, với dẫn dắt nhiệt tình thầy Nguyễn Khắc Kiểm nhóm em hồn thành Bài Tập Lớn theo tiến độ đề đạt kết mong muốn Sau Bài Tập Lớn thành viên hiểu rõ việc sử dụng phần mềm mô ADS nắm vững phương pháp PHTK sử dụng thành thạo đồ thị Smith Tuy cố gắng nỗ lực để hoàn thành đề tài thời gian kiến thức có hạn nên q trình thực hiện, chúng em khơng thể tránh khỏi sai sót hạn chế Vì vậy, chúng em kính mong nhận cảm thơng, ý kiến đóng góp giúp đỡ thầy để đề tài em hoàn thiện Chúng em xin trân thành cảm ơn thầy! 37 ... hoạt động mạch cao yêu cầu phối hợp trở kháng chặt chẽ, phối hợp trở kháng kỹ thuật xạ cao tần (RF = Radio Frequency) Cụ thể tiêu biểu phối hợp trở kháng antenna - Tx kỹ thuật cao tần, phối hợp... đường truyền ví trí Đồ thị Smith cơng cụ đồ họa sử dụng cho tính tốn đường truyền mạch điện siêu cao tần, tập hợp họ đường cong đẳng r x sử dụng cho đường truyền khơng tổn hao Có hai dạng biểu... chuẩn hóa điểm hệ số phản xạ điểm 2.1.2 Các phương pháp biến đổi trở kháng Trong mạch điện siêu cao tần, phối hợp trở kháng thao tác bắt buộc để nhận tín hiệu, phối hợp trở kháng nhằm mục đích: