Thiết kế mô phỏng và chế tạo bộ chia công suất wilkinson

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN Đề tài: Thiết kế, mô chế tạo chia công suất wilkinson (chia 2) dải tần 3.5 GHz sử dụng công nghệ mạch vi dải GVHD: GS.TS Vũ Văn m Nhóm sinh viên: MSSV Lớp Ngơ Thị Hương 20172601 ĐTVT 07 – K62 Hà Mạnh Tiến 20172845 ĐTVT 05 – K62 Nguyễn Văn Toàn 20172856 ĐTVT 05 – K62 Họ tên Hà Nội, 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN Đề tài: Thiết kế, mô chế tạo chia công suất wilkinson (chia 2) dải tần 3.5 GHz sử dụng công nghệ mạch vi dải GVHD: GS.TS Vũ Văn m Nhóm sinh viên thực hiện: MSSV Lớp Ngơ Thị Hương 20172601 ĐTVT 07 – K62 Hà Mạnh Tiến 20172845 ĐTVT 05 – K62 Nguyễn Văn Toàn 20172856 ĐTVT 05 – K62 Họ tên Hà Nội, 2021 LỜI NÓI ĐẦU Việc khuếch đại tín hiệu để có cơng suất lớn băng tần S gặp nhiều khó khăn Vì thường thực cách sử dụng nhiều khuếch đại cơng suất có cơng suất nhỏ sau kết hợp lại để đạt công suất mong đợi Muốn thực điều người ta nghiên cứu kỹ thuật chia cộng công suất Bộ chia/cộng công suất thành phần hệ thống siêu cao tần có nhiệm vụ chia/cộng cơng suất tín hiệu lối vào thành nhiều tín hiệu lối đồng pha ngược lại Trong thực tế, chia/cộng công suất kiểu cầu Wilkinson hay dùng cấu trúc có đặc tính khơng tổn hao tất cổng lối phối hợp trở kháng với lối vào cách ly cổng tốt Bộ chia/cộng công suất WPD phương pháp chia công suất đồng pha đồng biên độ Đề tài “Thiết kế, mô chế tạo chia công suất wilkinson (chia 2) dải tần 3.5 GHz sử dụng công nghệ mạch vi dải” đưa tập lớn môn Kỹ thuật Siêu cao tần ý tưởng hay giúp sinh viên dễ dàng tìm hiểu thực hành Chính nhóm em mạnh dạn triển khai Nhóm em xin cảm ơn dẫn thầy GS.TS Vũ Văn m giúp nhóm hồn thiện tập lớn mơn học Kỹ thuật Siêu cao tần Q trình tìm hiểu cịn nhiều thiếu sót, mong thầy thơng cảm bỏ qua Nhóm em xin chân thành cảm ơn PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC Họ tên Cơng việc Ngơ Thị Hương Thiết kế, mô tối ưu chia Hà Mạnh Tiến Thiết kế, layout mạch qua Altium chế tạo Nguyễn Văn Toàn Nghiên cứu lý thuyết chế tạo MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH i CHƯƠNG LÝ THUYẾT VỀ BỘ CHIA WILKINSON 1.1 Định nghĩa 1.2 Cấu trúc chia điện Wilkinson 1.3 Phân tích chế độ chẵn lẻ 1.3.1 Chế độ chẵn 1.3.2 Chế độ lẻ 1.3.3 Xác định tham số tán xạ 1.4 Kết luận chương CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ CHIA CÂN BẰNG WILKINSON 2.1 Bài toán thiết kế 2.1.1 Đề 2.1.2 Mục tiêu thiết kế 2.2 Tính tốn thơng số kỹ thuật mô 2.3 Mô ADS 2.3.1 Mô theo lý thuyết 2.3.2 Tối ưu 11 2.4 Layout mạch 13 2.5 Layout qua Altium 14 2.6 Đặt mạch 15 2.7 Kết luận chương 16 KẾT LUẬN 17 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Bộ chia điện Wilkinson (a) Cấu trúc dạng mạch dải (b) Mạch đường truyền tương đương [1] Hình 1.2: Mạch chia nguồn Wilkinson dạng chuẩn hóa đối xứng [1] Hình 1.3: Chế độ chẵn Hình 1.4: Chế độ lẻ .5 Hình 2.1: Bộ chia Wilkinson 1:2 Hình 2.2: Tính tốn cơng cụ LineCalc cho đường truyền 50 Ohm .8 Hình 2.3 Tính tốn công cụ LineCalc cho đường truyền 70.71 Ohm Hình 2.4 Mạch tương đương chia Wilkinson theo lý thuyết .9 Hình 2.5: Kết mô theo lý thuyết Hình 2.6: Pha hệ số truyền dẫn S(1,2), S(1,3) 10 Hình 2.7: Hệ số cách ly cổng cổng 10 Hình 2.8: Sơ đồ tương đương sau tối ưu 11 Hình 2.9: Kết mơ sau tối ưu .12 Hình 2.10: Pha hệ số truyền dẫn S(1,2), S(1,3) 12 Hình 2.11: Hệ số cách ly cổng cổng 13 Hình 2.12: Mạch layout từ ADS 13 Hình 2.13: Mạch layout qua Altium (mặt trước) 14 Hình 2.14: Mạch layout qua Altium (mặt trước) 14 Hình 2.15: Hình ảnh mạch sau chế tạo (mặt trước) 15 Hình 2.16: Hình ảnh mạch sau chế tạo (mặt sau) 15 i CHƯƠNG LÝ THUYẾT VỀ BỘ CHIA WILKINSON 1.1 Định nghĩa Bộ chia công suất Wilkinson chia hoạt động chế độ chia Bộ chia loại sử dụng kết hợp cấu trúc đường truyền với điện trở (là phần tử tiêu hao lượng) nên có tính chất:  Cấu trúc mạng tổn hao có chứa phần tử tiêu hao lượng  Được phối hợp trở kháng tất cổng  Cách ly tốt hai cổng lối  Đối xứng lối vào lối nên mạng thuận nghịch 1.2 Cấu trúc chia điện Wilkinson Bộ chia cơng suất Wilkinson thực với phân chia công suất tùy ý, trước tiên xem xét trường hợp chia (3 dB) Dải phân cách thường làm dạng đường vi dải mạch dải, mô tả Hình 1.1a; mạch đường truyền tương ứng cho Hình 1.1b Phân tích mạch cách biến thành hai mạch đơn giản điều khiển nguồn đối xứng không đối xứng cổng đầu (a) (b) Hình 1.1: Bộ chia điện Wilkinson (a) Cấu trúc dạng mạch dải (b) Mạch đường truyền tương đương [1] 1.3 Phân tích chế độ chẵn lẻ Để đơn giản, chuẩn hóa tất trở kháng thành trở kháng đặc tính Z0, vẽ lại mạch Hình 1.1b với tạo điện áp cổng Hình 1.2 Mạng vẽ dạng đối xứng qua mặt phẳng ngang; hai điện trở nguồn có giá trị chuẩn hóa kết hợp song song để tạo điện trở có giá trị chuẩn hóa 1, đại diện cho trở kháng nguồn phù hợp Các đường phần tư sóng có trở kháng đặc tính chuẩn hóa Z điện trở có giá trị chuẩn hóa r; rằng, chia công suất chia đều, giá trị phải 𝑍 = √2 r = 2, cho Hình 1.1 Hình 1.2: Mạch chia nguồn Wilkinson dạng chuẩn hóa đối xứng [1] Với chế độ chẵn Vg2 = Vg3 = 2V0, chế độ lẻ Vg2 = -Vg3 = 2V0 Do mạch có tính chất đối xứng, xét riêng mạch chế độ mode chẵn mode lẻ Bằng cách xếp chồng hai mạch này, ta xác định tham số tán xạ S mạch tổng hợp điện áp kích thích Vg2 = 4V0 Vg3 = 1.3.1 Chế độ chẵn Đối với kích thích chế độ chẵn, 𝑉𝑔2 = 𝑉𝑔3 = 2𝑉0 , 𝑉2𝑒 = 𝑉3𝑒 khơng có dịng điện chạy qua điện trở r/2 ngắn mạch đầu vào hai đường truyền cổng Khi chia đơi mạng Hình 1.2 với mạch hở điểm để thu mạng Hình 1.3 (mặt nối đất đường λ/4 không hiển thị) Trở kháng nhìn từ cổng là: Hình 1.3: Chế độ chẵn 𝑒 = 𝑍𝑖𝑛 𝑍2 (1.1) Vì đường truyền trông giống máy biến áp phần tư sóng Do đó, 𝑒 = Z = √2, cổng so khớp để kích thích chế độ chẵn; sau 𝑉2𝑒 = 𝑉0 𝑍𝑖𝑛 Điện trở r/2 thừa trường hợp đầu bị hở mạch Nếu cho x = cổng x = −λ/4 cổng 2, điện áp đoạn đường dây tải điện là: 𝑉 (𝑥) = 𝑉 + (𝑒 −𝑗𝛽𝑥 + 𝛤𝑒 𝑗𝛽𝑥 ) (1.2) λ 𝑉2𝑒 = 𝑉 (− ) = j𝑉 + (1 − 𝛤) = 𝑉0 (1.3) 𝛤+1 𝑉1𝑒 = 𝑉(0) = j𝑉 + (1 + 𝛤) = 𝑗𝑉0 𝛤−1 (1.4) Sau đó: Hệ số phản xạ nhìn thấy cổng nhìn phía điện trở giá trị chuẩn hóa 2, vậy: 𝛤= − √2 (1.5) + √2 𝑉1𝑒 = −𝑗𝑉0 √2 (1.6) 1.3.2 Chế độ lẻ Hình 1.4: Chế độ lẻ Đối với kích thích chế độ lẻ, 𝑉𝑔2 = −𝑉𝑔3 = 2𝑉0 , 𝑉20 = −𝑉30 , có điện áp rỗng dọc theo mạch Hình 1.2 Sau đó, chia đơi mạch cách nối đất hai điểm mặt phẳng để tạo mạng Hình 1.4 Trở kháng nhìn vào cổng r/2 đường truyền kết nối song song dài λ/4 bị ngắn mạch cổng 1, trơng giống mạch hở cổng Do đó, cổng kết hợp cho kích từ chế độ lẻ chọn r = Khi 𝑉20 = 𝑉0 𝑉10 =0; chế độ kích thích này, tất công suất chuyển đến điện trở r/2, khơng có điện trở đến cổng Cuối cùng, tìm trở kháng đầu vào cổng chia Wilkinson cổng kết thúc tải phù hợp Mạch kết thể Hình 1.3, nơi ta thấy điều tương tự chế độ kích thích V2 = V3 Khơng có dịng điện chạy qua điện trở có giá trị chuẩn hóa nên rút ra, để lại mạch điện Hình 1.4 Sau đó, chúng tơi có kết nối song song hai máy biến áp phần tư sóng kết thúc tải thống (chuẩn hóa) Trở kháng đầu vào là: 𝑍𝑖𝑛 = (√2)2 = (1.7) 1.3.3 Xác định tham số tán xạ Tóm lại, thiết lập tham số tán xạ sau cho chia Wilkinson: 𝑆11 = 0, 𝑍𝑖𝑛 = cổng phối hợp trở kháng (1.8) 𝑆22 = 𝑆33 = 0, Cổng cổng phối hợp trở kháng (1.9) 𝑆12 = 𝑆21 = 𝑒 𝑉1 + 𝑉1 𝑉2𝑒 + 𝑉20 = −𝑗/√2 , Đối xứng thuận nghịch (1.10) 𝑆13 = 𝑆31 = −𝑗/√2, Đối xứng cổng (1.11) 𝑆23 = 𝑆32 = , Do cách ly cổng cổng (1.12) 1.4 Kết luận chương Chương cung cấp lý thuyết tổng quan chia công suất Wilkinson: định nghĩa, cấu trúc, chế độ chẵn lẻ, tham số tán xạ Bộ chia công suất Wilkinson sử dụng rộng rãi ăng-ten mạch công suất vi ba, thiết kế đơn giản đó, dễ chế tạo so với mạch vi ba nhỏ gọn khác Để có nhìn cụ thể hơn, Chương trình bày chi tiết bước thiết kế chia cân Wilkinson (chia 2) dải tần 3.5 GHz sử dụng công nghệ mạch vi dải CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ CHIA CÂN BẰNG WILKINSON 2.1 Bài toán thiết kế 2.1.1 Đề Thiết kế, mô chế tạo chia công suất wilkinson (chia 2) dải tần 3.5 Ghz sử dụng công nghệ mạch vi dải 2.1.2 Mục tiêu thiết kế Hình 2.1: Bộ chia Wilkinson 1:2 Dựa lý thuyết chia điện Wilkinson để phù hợp với chương trình học, nhóm em thiết kế chia điện Wilkinson cân với tiêu kỹ thuật sau:  Bộ chia Winkinson 1:2, đầu vào 50 Ohm, đồng pha, chia công suất, hoạt động tần số 3.5GHz  Sử dụng vật liệu điện môi FR4 dày 0.8mm với hệ số điện môi 𝜀𝑟 = 4.5 hệ số tổn hao 𝑡𝑎𝑛𝐷 = 0.02 2.2 Tính tốn thơng số kỹ thuật mơ Dựa vào Hình 2.1 tiêu thiết kế, dùng cơng cụ hỗ trợ tính tốn Linecalc phần mềm ADS, tính tốn được:  Với đường trở kháng 50 Ohm: độ rộng 1.5mm, chiều dài 11.8mm  Với đường trở kháng 70.71 Ohm: độ rộng 0.8 mm, chiều dài 12 mm  Trở kháng dùng 100 Ohm Hình 2.2: Tính tốn cơng cụ LineCalc cho đường truyền 50 Ohm Hình 2.3 Tính tốn cơng cụ LineCalc cho đường truyền 70.71 Ohm 2.3 Mô ADS 2.3.1 Mô theo lý thuyết Sau tính tốn, nhóm em mơ ADS để đưa kết Trước tiên nhóm mơ theo mơ hình lý tưởng sau đưa mơ hình thực tế Hình 2.4 mạch tương đương chia Wilkinson theo lý thuyết mô ADS Hình 2.4 Mạch tương đương chia Wilkinson theo lý thuyết  Kết mơ phỏng: Hình 2.5: Kết mơ theo lý thuyết Hình 2.6: Pha hệ số truyền dẫn S(1,2), S(1,3) Hình 2.7: Hệ số cách ly cổng cổng Nhìn đồ thị thấy mạch cộng hưởng tần số 3.5 GHz tần số mong muốn Hệ số tổn hao ngược S(1,1) tốt, đạt băng thông rộng 𝑆(1,1) < −10 𝑑𝐵 đạt từ – GHz tần số 3.5 GHz nhỏ -100 dB Hệ số truyền dẫn S(1,2), S(1,3) nhỏ -3dB thỏa mãn lý thuyết chia Wilkinson Hệ số cách ly mạch đạt – 106,384 dB Hai cổng đầu đồng pha với 10 2.3.2 Tối ưu Hình 2.8: Sơ đồ tương đương sau tối ưu Dựa vào mơ hình lý thuyết mơ phỏng, nhóm tiến hành tối ưu mạch theo thực tế Bộ chia thực tế có hình dạng mơ cắt vát điểm gấp khúc Do tần số cộng hưởng tỷ lệ nghịch với kích thước chia nên ta tập trung vào tối ưu chiều dài đường truyền Cụ thể tần số cộng hưởng lớn 3.5GHz tăng chiều dài đường truyền ngược lại Lưu ý khoảng cách điện trở nối hai đường vi dải cố định khoảng 1.5 mm đến 2mm khoảng cách hai đường vi dải hai đầu nhỏ 30 mm để phục vụ cho việc chế tạo hàn cáp Sau tối ưu, thu kết Hình 2.9 Hình 2.10 Kết sau tối ưu nhìn chung giống lý thuyết, cịn sai lệch khơng ảnh hưởng nhiều Các thơng số kích thước đường vi dải sau tối ưu thể Hình 2.8  Kết tối ưu 11 Hình 2.9: Kết mơ sau tối ưu 𝑆(1,1) < −10 𝑑𝐵 đạt băng thông rộng từ GHz đến GHz, cộng hưởng tần số 3.5 GHz tần số 3.5 GHz 𝑆(1,1) < −40 𝑑𝐵 Các hệ số truyền dẫn 𝑆(1,2), 𝑆(1,3) = −3.416 𝑑𝐵 thay đổi khơng đáng kể so với mơ hình lý thuyết Các cổng đầu khơng có khác biệt pha Hình 2.10 Hình 2.10: Pha hệ số truyền dẫn S(1,2), S(1,3) 12 Hình 2.11: Hệ số cách ly cổng cổng Hệ số cách ly cổng cổng tần số 3.5 GHz đạt -31,234 dB thể Hình 2.11 2.4 Layout mạch Sau mơ xác, nhóm e tiến hành layout mạch từ ADS Hình 2.12 hình dạng layout Mạch layout có hình dạng xác, mục tiêu thiết kế Khoảng cách hai đường vi dải nối điện trở 2mm Khoảng cách hai đầu 35mm Hình 2.12: Mạch layout từ ADS 13 2.5 Layout qua Altium Layout mạch qua Altium để phục vụ chế tạo Kích thước mạch sau layout 60 × 30 × 0.8 𝑚𝑚 Những miếng đồng vias xung quanh đầu đường vi dải chia thêm vào để phục vụ cho việc chế tạo dễ dàng Hình 2.13: Mạch layout qua Altium (mặt trước) Hình 2.14: Mạch layout qua Altium (mặt trước) 14 2.6 Đặt mạch Sau layout qua Altium, chúng em tiến hành đặt mạch chế tạo Ba đầu đường vi dải hàn cáp đồng trục có giá trị đầu vào 50 Ohm Điện trở dùng mạch trở dán 100 Ohm Hình 2.15: Hình ảnh mạch sau chế tạo (mặt trước) Hình 2.16: Hình ảnh mạch sau chế tạo (mặt sau) 15 2.7 Kết luận chương Chương trình bày mơ bước thiết kế để tạo chia cân Wilkinson thực tế cuối tới chế tạo sản phẩm thực Các vấn đề hệ số tổn hao ngược, hệ số truyền dẫn, pha đường truyền cách thức tối ưu thơng số nhiệm vụ kỹ thuật minh họa chương Các mô thực phần mềm mơ ADS Tuy nhiên q trình thiết kế thiếu bước quan trọng đo đạc Do đề tài thực tình hình dịch COVID 19 phức tạp, nên nhóm khơng thể hồn thành đề tài cách hoàn chỉnh 16 KẾT LUẬN Để hồn thiện đề tài lĩnh vực siêu cao tần phải trải qua nhiều công đoạn khác từ việc nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, đưa giải pháp tối ưu cho việc thiết kế tính tốn mơ phỏng, đến việc tiến hành triển khai áp dụng gia công chế tạo sản phẩm thực tiễn, tiến hành đo đạc kiểm tra, đánh giá kết đưa hiệu chỉnh quay lại khâu thiết kế để chế tạo sản phẩm đạt yêu cầu đề Bài báo cáo trình bày khái quát tổng quan chia cơng suất Wilkinson, để từ có tiến hành nghiên cứu chế tạo sản phầm dùng cho hệ thống siêu cao tần Để thiết kế sản phẩm q trình thực đề tài nhóm chúng em cần phải sử dụng đến công cụ mô ADS số cơng cụ, tiện ích khác Qua đề tài nhóm sinh viên mong muốn nắm bắt tảng kiến thức chia công suất Wilkinson sử dụng công nghệ vi dải, đặc biệt ứng dụng lĩnh vực kỹ thuật Cơng nghệ ln ln phát triển khơng ngừng có tính kế thừa, việc nghiên cứu, cập nhật kiến thức để làm chủ thiết bị cần thiết 17 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] David M Pozar, “Microwave Engineering”, New Jersey, Nhà xuấtbản John Wiley & Sons, 2012 [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Power_dividers_and_directional_couplers, truy nhập cuối ngày 18/05/2021 18 ... sử dụng công nghệ mạch vi dải CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ CHIA CÂN BẰNG WILKINSON 2.1 Bài toán thiết kế 2.1.1 Đề Thiết kế, mô chế tạo chia công suất wilkinson (chia 2) dải tần 3.5 Ghz sử dụng công nghệ... sau chế tạo (mặt trước) 15 Hình 2.16: Hình ảnh mạch sau chế tạo (mặt sau) 15 i CHƯƠNG LÝ THUYẾT VỀ BỘ CHIA WILKINSON 1.1 Định nghĩa Bộ chia công suất Wilkinson chia hoạt động chế độ chia. .. Mục tiêu thiết kế Hình 2.1: Bộ chia Wilkinson 1:2 Dựa lý thuyết chia điện Wilkinson để phù hợp với chương trình học, nhóm em thiết kế chia điện Wilkinson cân với tiêu kỹ thuật sau:  Bộ chia Winkinson