BÁO cáo bài tập lớn môn điện tử TƯƠNG tự 2 đề tài THIẾT kế, mô PHỎNG bộ PHỐI hợp TRỞ KHÁNG BĂNG tần GPS TRÊN PHẦN mềm ADS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG *****  ***** BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BĂNG TẦN GPS TRÊN PHẦN MỀM ADS Giảng viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Nam Phong Sinh viên thực hiện: Nhóm Họ tên MSSV Nguyễn Văn Tùng 20182875 Nguyễn Đình Hùng 20182555 Nguyễn Anh Đức 20182433 Trần Anh Quân 20182732 Nguyễn Tiến Dũng 20182444 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, giới thông tin ngày phát triển cách đa dạng phong phú Nhu cầu thông tin liên lạc sống tăng số lượng chất lượng, đòi hỏi dịch vụ ngành viễn thông cần mở rộng Trong năm gần thơng tin vệ tinh giới có bước tiến vượt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đưa người nhanh chóng tiếp cận với tiến khoa học kỹ thuật Sự đời nhiều loại phương tiện tiên tiến máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi kỹ thuật mà hệ thống cũ khơng thể đáp ứng định vị không gian ba chiều, hệ thống định vị toàn cầu- GPS (Global Positioning System) đời Hệ GPS hệ thống bao gồm vệ tinh bay quỹ đạo, thu thập thơng tin tồn cầu xử lí trạm điều khiển mặt đất Ngày khó hình dung có máy bay, tàu hay phương tiện thám hiểm l ại không l ắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh Hệ GPS hệ thống dẫn đường v ệ tinh Hoa Kỳ kiểm sốt trì hoạt động Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD bay phía trái đất độ cao 20.200km, với tốc độ chừng11.200km/h, có nhiệm vụ truyền tin hiệu tần số cao tới thiết bị thu nhận Khi làm việc với đường truyền tần số cao, đường truyền vi dải, việc phối hợp trở kháng cho đường truyền vi dải là cần thiết để tăng công suất trên tải và giảm suy hao công suất đường truyền Việc phối hợp trở kháng với nhiều lợi ích với nhiều cách phối hợp khác nhau, thường tập trung phối hợp trở kháng cho thuận tiện, dễ điều chỉnh phù hợp với đường truyền Trong tập lớn nhiệm vụ nhóm em tìm hiểu phối hợp trở kháng hệ thống GPS Được giảng dạy hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Nam Phong, nhóm em hồn thành tập lớn, nhiên trình thực tính tốn mơ chắn khơng thể tránh khỏi sai sót Chúng em mong nhận góp ý thầy để khắc phục kiến thức hạn chế lĩnh hội nhiều kiến thức hơn trong học phần Điện tử tương tự II Hà Nội, ngày tháng năm 2021 MỤC LỤC PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái quát GPS .6 1.2 Lý thuyết phối hợp trở kháng 1.2.1 Phối hợp trở kháng(PHTK) gì? Mục đích PHTK 1.2.2 Một số phương pháp PHTK 1.2.3 Thiết lập cơng thức tính tốn cho PHTK cho mạch sử dụng dây chêm PHẦN II: BÀI TẬP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG DÂY CHÊM 10 Phần III: MÔ PHỎNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS 16 3.1 Vẽ mạch tính tốn thơng số LineCalc .16 3.1.1 Tạo Workspace 16 3.1.2 Tạo Schematic 17 3.1.3 Vẽ mạch tính toán LineCalc 18 3.2 Kết mô 21 3.3 Vẽ layout 22 3.4 Nhận xét kết luận .23 Phần IV: KẾT LUẬN .24 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO, MINH CHỨNG 24 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu .6 Hình Sơ đồ chung PHTK Hình PHTK sử dụng dây chêm song song (trên) nối tiếp (dưới) Hình PHTK sử dụng dây chêm song song 10 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 d1 12 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 d2 13 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 d1 14 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 d2 15 Hình Hộp thoại New Workspace 17 Hình 10 Hộp thoại New Schematic 18 Hình 11 Hộp thoại LineCalc/Untitled 19 Hình 12 Mạch dây cho PHTK dây chêm hở mạch d2 20 Hình 13 Mơ ADS PHTK dây chêm ngắn mạch d2 21 Hình 14 Mơ ADS PHTK dây chêm hở mạch d2 21 Hình 15 Mơ ADS PHTK dây chêm ngắn mạch d2 21 Hình 16 Layout cho PHTK dây chêm hở mạch d2 22 Hình 17 Layout cho PHTK dây chêm ngắn mạch d2 22 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Bảng phân chia nhiệm vụ .5 Bảng 2: Bảng tổng hợp kết tính tốn 15 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT GPS: Global Positioning System PHTK: Phối hợp trở kháng ADS: Advanced Design System Bảng 1: Bảng phân chia nhiệm vụ STT Họ tên Nhiệm vụ phân cơng Tìm tài Tính Mơ Làm báo Làm Vẽ liệu toán cáo mạch Layout Nguyễn Văn Tùng X X X X X Nguyễn Đình Hùng X X X X X Nguyễn Anh Đức X X X Trần Anh Quân X X X Nguyễn Tiến Dũng X X X X PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái quát GPS GPS hệ thống định vị toàn cầu Mỹ phát triển vận hành GPS tên viết tắt cụm từ “Global Positioning System”. Nó hệ thống bao gồm nhiều vệ tinh bay quỹ đạo phía trái đất độ cao 20.200 km GPS hoạt động điều kiện thời tiết, nơi Trái Đất, liên tục suốt 24 và hồn tồn miễn phí đối với số dịch vụ GPS bao gồm mảng (xem hình 1):  Mảng người dùng: gồm người sử dụng thiết bị thu GPS  Mảng kiểm soát: bao gồm trạm mặt đất, chia thành trạm trung tâm trạm Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ Sau trạm gửi thông tin hiệu chỉnh trở lại, để vệ tinh biết vị trí chúng quỹ đạo thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy, vệ tinh đảm bảo cung cấp thơng tin xác tuyệt đối vào thời điểm  Mảng không gian: gồm vệ tinh hoạt động lượng mặt trời bay quỹ đạo Hình Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vơ tuyến cơng suất thấp dải L1 L2 (dải L phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,5 Ghz) Và báo cáo chúng em chon tần số 1.5Ghz để mơ tần số dân sử dụng rộng dãi 1.2 Lý thuyết phối hợp trở kháng 1.2.1 Phối hợp trở kháng(PHTK) gì? Mục đích PHTK -Phối hợp trở kháng việc sử dụng phần tử thụ động mạch điện hay công cụ khác (dây chêm, biến đổi ¼ bước sóng) để đưa tối đa cơng suất trở tải -Mục đích phối hợp trở kháng: +) Đưa công suất tối đa từ nguồn tải +) giảm bớt hao phí tổn hao ngược +) PHTK giúp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu (SNR)của hệ thống khác hệ thống sử dụng phần tử nhạy cảm anten, khuếch đại tạp âmthấp +Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp điện cho dàn anten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng làm giảm sai số biên độ pha phân chia cơng suất Hình Sơ đồ chung PHTK 1.2.2 Một số phương pháp PHTK • Sử dụng mạch có phần tử thụ động L C (mạch hình L , hình pi(π), mạch hình T, vv) • Sử dụng đoạn dây chêm (thường dùng cho PHTK đường truyền siêu cao tần)( Dùng dây chêm nối tiếp, song song) • Sử dụng biến đổi ¼ bước sóng Trong giới hạn mơn học điện tử tương tự nhóm chúng em dùng phương pháp phối hợp trở kháng mạch sử dụng dây chêm 1.2.3 Thiết lập cơng thức tính tốn cho PHTK cho mạch sử dụng dây chêm 1.2.3.1 Phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm Mạng phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm song song chuyển đổi phần thực tải R L thành Z phần ảo X L thành → Sử dụng tham số điều chỉnh Do mục đích dây chêm song song: • Xác định 𝑑 𝑙 từ xác định y d y l • Đảm bảo dẫn nạp tổng y tot = y d + y l = Hình PHTK sử dụng dây chêm song song (trên) nối tiếp (dưới) Các bước xác thực phối hợp trở kháng dây chêm: Bước 1: Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa Z NL Bước 2: Vẽ đường tròn | Γ L |e jθr xác định Y NL Bước 3: Di chuyển theo chiều kim đồng hồ (WTG) dọc theo đường tròn | Γ L|e jθr giao với ± jB → giá trị y d Bước 4: Chiều dài từ Y NL tới y d xác định 𝑑 Bước 5: Xác định y l điểm ∓ jB Bước 6: Phụ thuộc vào dây chêm ngắn mạch hay hở mạch di chuyển tới y l (WTG), khoảng cách di chuyển xác định độ dài dây chêm 𝑙 1.2.3.2 Phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm Trong trường hợp trở kháng tải thay đổi, sử dụng dây chêm việc điều chỉnh để phối hợp trở kháng khó khăn Sử dụng dây chêm để phối hợp trở kháng:  Khi vị trí nối dây chêm cố định  Khơng tính tổng qt, coi dây chêm thứ nối tải khoảng cách dây chêm cho trước  Khi thay đổi trở kháng tải, cần điều chỉnh độ dài dây chêm để thực phối hợp trở kháng Các bước thưc phối hợp trở kháng dây chêm: Bước 1: Tìm điểm trở kháng chuẩn hóa, lấy đối xứng qua đường trịn | Γ L|e jθr để xác định điểm Y NL = g L+ jB L Bước 2: Tìm giao điểm đường tròn đẳng g L với đường tròn ảnh → xác định nghiệm → xác định giá trị độ dài dây chêm thứ l Bước 3: Quay đường ảnh đường tròn 𝑔 = → xác định giá trị dây chêm thứ hai l Hình PHTK sử dụng dây chêm song song PHẦN II: BÀI TẬP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG DÂY CHÊM Đường truyền trở kháng đặc tính 50 𝛺 nối với tải, hệ số phản xạ tải có biên độ 0.4, pha độ 70 độ Thiết kế mạch phối hợp trở kháng (sử dụng đồ thị Smith) tần số 1.575 Ghz (Nhóm em chọn tần số tần số dân GPS) sử dụng phương pháp: Hai dây chêm với khoảng cách hai dây 𝜆/8 (giả thiết dây nối vị trí tải) Bài làm Theo đồ thị Smith: 10 Đường tròn ảnh (A) đường tròn g = + 𝑗0 dịch đoạn 𝜆/8 (xoay góc 90°) • Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa: Có Γ = 0.4𝑒𝑗70𝜊 ⇒ 𝑍𝑁𝐿 = 0.95 + 𝑗0.85 ⇒ 𝑌𝑁𝐿 = 0.58 − 𝑗0.52 ⇒ 𝑔𝐿 = 0.58 Giao đường tròn 𝑔𝐿 với (A) hai điểm 𝑌𝐿1 = 0.58 + 𝑗0.08 ⇒ Độ dịch: 𝑌𝐿1 − 𝑌𝑁𝐿 = 0.58 + 𝑗0.08 − (0.58 − 𝑗0.52) = 𝑗0.6 𝑌𝐿2 = 0.58 + 𝑗1.9 ⇒ Độ dịch: 𝑌𝐿2 − 𝑌𝑁𝐿 = 0.58 + 𝑗1.9 − (0.58 − 𝑗0.52) = 𝑗2.42  Xác định chiều dài dây chêm 𝐿1 Với 𝑌𝐿1 = 0.58 + 𝑗0.08 độ dịch 𝑗0.6 0.086𝜆  Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L1NM = 0.25 𝜆 + 0.086𝜆 = 0.336𝜆  Hở mạch: 𝑌𝐿 = ⇒ L1HM = 0.086 𝜆 11 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 d1 Với 𝑌𝐿2 = 0.58 + 𝑗1.9 độ dịch 𝑗2.42 0.188 𝜆 - Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L1NM= 0.25 𝜆 + 0.188𝜆 = 0.438𝜆 - Hở mạch: 𝑌𝐿 = ⇒ L1HM = 0.188 𝜆 12 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 d2  Xác định chiều dài dây chêm 𝐿2 Quay đường trịn ảnh đường (A) Với 𝑌𝑀1 = + 𝑗0.55 lấy đối xứng 𝑗0.55 có - 𝑗0.55 0.42 𝜆 - Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L2NM= 0.42 𝜆 − 0.25𝜆 = 0.17𝜆 - Hở mạch: 𝑌𝐿 = ⇒ L2HM= 0.42 𝜆 13 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 d1 Với 𝑌𝑀2 = − 𝑗2.4 lấy đối xứng −𝑗2.4 có 𝑗2.4 0.187 𝜆 - Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L2NM= 0.25 + 0.187𝜆) = 0.437𝜆 - Hở mạch: 𝑌𝐿 = ⇒ L2HM= 0.187 𝜆 14 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 d2 Bảng 2: Bảng tổng hợp kết tính tốn Hở mạch Ngắn mạch L1 0.086 λ 0.336 λ d1 15 L2 0.42 λ 0.17 λ 0.188 λ 0.438 λ 0.187 λ 0.437 λ d1 L1 d2 L2 d2 Phần III: MÔ PHỎNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS Kiểm tra thiết kế bước sử dụng Advanced Design System (ADS) với giả thiết đường truyền vi dải (mô vùng băng thông 1Ghz) Vẽ mạch in mạch phối hợp trở kháng đường truyền cho biết đường truyền có tổng chiều dài từ đầu vào tới tải 𝜆 3.1 Vẽ mạch tính tốn thơng số LineCalc 3.1.1 Tạo Workspace   Vào File => New=> Workspace biểu tượng công cụ Đặt tên chọn mục lưu trữ sau kích Create Workspace 16 Hình Hộp thoại New Workspace 3.1.2 Tạo Schematic   Vào File => New=> Schematic biểu tượng Đặt tên ô Cell chọn Create Schematic cơng cụ 17 Hình 10 Hộp thoại New Schematic 3.1.3 Vẽ mạch tính tốn LineCalc      Vào Tools=>LineCalc=> Start LineCalc để mở hộp thoại LineCalc/untitled Ơ Freq nhập vào 1.575 Ghz Z0 nhập 50 Ohm Ở ô E_Eff nhập vào giá trị tính tốn phần *360 Sau chọn Synthesize Nhập thơng số W L vào WLIN tương ứng 18 Hình 12 Hộp thoại LineCalc/Untitled 19 Hình 13 Mạch dây cho PHTK dây chêm hở mạch d2 Hình 14 Mạch dây cho PHTK dây chêm ngắn mạch d2 20 3.2 Kết mơ Hình 15 Mơ ADS PHTK dây chêm hở mạch d2 Hình 16 Mô ADS PHTK dây chêm ngắn mạch d2 21 3.3 Vẽ layout   Chọn Layout=>Generate/Update Layout… chọn Ok Sau chỉnh sửa để Layout ý Hình 17 Layout cho PHTK dây chêm hở mạch d2 22 Hình 18 Layout cho PHTK dây chêm ngắn mạch d2 Các trường hợp lại làm tương tự 3.4 Nhận xét kết luận Ở phần 3.2 mơ ta thấy mag(var(“S”)) nhỏ tần số 1.575Ghz bên đồ thị Smith có sai số Sai số q trình tính tốn Qua phần mô giúp chúng em hiểu phần mềm ADS tích lũy thêm kiến thức Do việc lầm gấp gáp nên có sai sót mong thầy góp ý để chúng em hồn thiện 23 Phần IV: KẾT LUẬN Thông qua trình làm tập lớn, chúng em biết cách áp dụng kiến thức học thông qua việc mơ xử lý tốn phối hợp trở kháng cho GPS với trợ giúp phần mềm ADS Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Nam Phong tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu kiến thức cần thiết tạo điều kiện mặt để chúng em hoàn thành tập lớn này! DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO, MINH CHỨNG Slide môn học điện tử tương tự thầy Nguyễn Nam Phong https://www.alldatasheet.com/ https://drive.google.com/drive/folders/ 143i8iprQc4l2cER6hYgxnWdgekGVjOKS?usp=sharing ADS Tutorial.zip 24 ... học phần Điện tử tương tự II Hà Nội, ngày tháng năm 20 21 MỤC LỤC PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái quát GPS .6 1 .2 Lý thuyết phối hợp trở kháng 1 .2. 1 Phối hợp trở kháng( PHTK)... L2 0. 42 λ 0.17 λ 0.188 λ 0.438 λ 0.187 λ 0.437 λ d1 L1 d2 L2 d2 Phần III: MÔ PHỎNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS Kiểm tra thiết kế bước sử dụng Advanced Design System (ADS) với giả thiết. .. hạn môn học điện tử tương tự nhóm chúng em dùng phương pháp phối hợp trở kháng mạch sử dụng dây chêm 1 .2. 3 Thiết lập cơng thức tính tốn cho PHTK cho mạch sử dụng dây chêm 1 .2. 3.1 Phối hợp trở kháng