BÁO cáo bài tập lớn kỹ thuật siêu cao tần đề tài thiết kế mạch phối hơp 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: Thiết kế mạch phối hơp trở kháng Giảng Viên Hướng Dẫn: Học Kì: Nhóm : Nguyễn Tiến Thịnh Lê Văn Thuận Hà Nội, 5/2020 download by : skknchat@gmail.com Mục Lục PHẦN 1: NỘI DUNG CÔNG VIỆC PHẦN 2: LÝ THUYẾT PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG 2.1 LÝ THUYẾT 2.1.1 Đồ thị Smith 2.1.2 Các phương pháp phối hợp trở kháng 2.2 GIỚI THIỆU VỀ HAI PHƯƠNG PHÁP PHTK TRONG BÀI TẬP 2.2.1 Phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền độ dài 1/4 bước sóng 2.2.2 Phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm song song PHẦN 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN 10 3.1 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CÁC THÔNG SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN 10 3.1.1 Bài toán sử dụng đường truyền độ dài λ /4 10 3.1.2 Bài toán sử dụng dây chêm mắc song song 11 PHẦN 4: MÔ PHỎNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADVANCED DESIGN SYSTEM (ADS) 15 4.1 SỬ DỤNG ĐƯỜNG TRUYỀN λ /4 15 4.2 SỬ DỤNG MỘT DÂY CHÊM SONG SONG 17 4.2.1 Trường hợp 17 4.2.2 Trường hợp 19 PHẦN 5: KẾT LUẬN 21 download by : skknchat@gmail.com Mục lục hình ảnh PHẦN 2: Lý thuyết phối hợp trở kháng Hình Sơ đồ phối hợp trở kháng Hình 2 Mơ hình mạch PHTK sử dụng đường truyền độ dài 1/4 bước sóng Hình Mơ hình mạch PHTK sử dụng dây chêm song song PHẦN 3: Thiết kế tính tốn Hình Đồ thị Smith sử dụng để tính tốn PHTK sử dụng đường truyền λ /4 10 Hình Trường hợp 1: PHTK với dây chêm ngắn mạch 12 Hình 3 Trường hợp 1: PHTK với dây chêm hở mạch 12 Hình Trường hợp 2: PHTK với dây chêm ngắn mạch 13 Hình Trường hợp 2: PHTK với dây chêm hở mạch 13 PHẦN 4: Mô phối hợp trở kháng sử dụng phần mềm ADVANCED DESIGN SYSTEM (ADS Hình Sơ đồ mơ phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền λ /4 15 Hình Kết hệ số phản xạ đồ thị tuyến tính đồ thị Smith PHTK sử dụng đường truyền λ /4 16 Hình Mơ hình mạch layout PHTK sử dụng đường truyền λ /4 16 Hình 4 Sơ đồ mô PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 17 Hình Kết hệ số phản xạ đồ thị tuyến tính đồ thị Smith PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 18 Hình Mơ hình mạch layout PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 18 Hình Sơ đồ mô PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 19 Hình Kết hệ số phản xạ đồ thị tuyến tính đồ thị Smith PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 20 download by : skknchat@gmail.com Hình Mơ hình mạch layout PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 20 download by : skknchat@gmail.com PHẦN 1: Nội dung công việc Bài tốn: Đường truyền trở kháng đặc tính 50 Ohms nối với tải, hệ số phản xạ tải cho bảng STT nhóm Tần số trung tâm (GHz) 17 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng sử dụng đồ thị Smith Chart tần số cho sử dụng phương pháp: o Đường truyền độ dài o Một dây chêm mắc song song Kiểm tra thiết kế bước sử dụng ADS với giả thiết dường truyền vi dải Vẽ mạch in mạch PHTK đường truyền cho biết đường truyền có tổng chiều dài từ đầu vào tới tải 2λ Phân Cơng Cơng Việc Lý thuyết, tính tốn, mơ : Nguyễn Tiến Thịnh Lý thuyết, tính tốn, viết báo cáo: Lê Văn Thuận download by : skknchat@gmail.com PHẦN 2: Lý thuyết phối hợp trở kháng 2.1 Lý thuyết 2.1.1 Đồ thị Smith Trong thiết kế mạch siêu cao tần, việc tính tốn 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 phối hợp trở kháng Trong mạch điện siêu cao tần, phối hợp trở kháng thao tác bắt buộc để nhận tín hiệu, phối hợp trở kháng có tác dụng: 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 tập trung Bộ điến đổi nhiều đoạn Trong phương pháp trên, ta trọng phương pháp phối hợp trở kháng dùng biến đổi ¼ bước sóng phương pháp sử dụng dây chêm báo cáo download by : skknchat@gmail.com 2.2 Giới thiệu hai phương pháp PHTK tập Phối hợp trở kháng sử dụng mạch phối hợp đặt tải đường truyền dẫn sóng Mạch phối hợp mạch khơng 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 nữa, phạm vi tải mạch phối hợp, phản xạ qua lại nhiều lần Quá trình phối hợp coi trình điều chỉnh Gọi Rn trở kháng vào tầng sau), E nguồn lý tưởng Theo định luật Ơm, dịng điện I qua mạch là: Cơng suất tải là: Pt lớn Hình Sơ đồ phối hợp trở kháng 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 chống tín hiệu "dội" phần lượng bị phản xạ (reflection), nhiễu nội mạch suy hao tín hiệu (signal absorbtion) làm giảm total công 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 download by : skknchat@gmail.com 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 đường truyền độ dài 1/4 bước sóng Bộ biến đổi 1/4 bước sóng sử dụng trở kháng tải tồn phần thực (không 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 Hình 2 Mơ hình mạch PHTK sử dụng đường truyền độ dài 1/4 bước sóng Để xác định trở kháng nhìn vào đường truyền trở kháng đặc tính Z1, sử dụng công thức: , tần số trung tâm f0 Z1=√Z0 ZL Hệ số phản xạ đường truyền chính: Γ= Do Z12=ZO ZL Γ= Z L + ZO+ j t √Z0 Z L download by : skknchat@gmail.com Biên độ hệ số phản xạ: Z (¿¿ L+ZO ) +4 t2 ZO Z ¿ ¿ L ¿ ¿ Z −Z |Γ|=| L O| ¿ Giả sử tần số khảo sát lân cận f0 đó: |Z L −ZO| |cos θ| |Γ|≅ √Z0 ZL Gọi Γm giá trị biên độ cực đại chấp nhận độ rộng băng ghép định nghĩa là: ∆ θ=2( π −θm) cos θ = √ n Độ rộng băng tỉ đố Độ rộng băng ghép tăng ZL → Z0 2.2.2 Phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm song song Mạng phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm song song chuyển đổi phần thực tải RL thành Z0 phần ảo X L thành Hình Mơ hình mạch PHTK sử dụng dây chêm song song download by : skknchat@gmail.com Hình Trường hợp 1: PHTK với dây chêm hở mạch - Đối với trường hợp d2 = y j vị trí o Ngắn mạch: l = 14 download by : skknchat@gmail.com Hình Trường hợp 2: PHTK với dây chêm ngắn mạch o Hở mạch: Y L=0 ⇒l2=0.36357 λ 15 download by : skknchat@gmail.com Hình Trường hợp 2: PHTK với dây chêm hở mạch Tổng kết tính tốn trường hợp mắc dây chêm với trường hợp hở mạch: Vị trí giao đường trịn yd 1=1+ j3 Vị trí giao đường tròn yd 2=1− j {l1=0.38643 d 1=0.03053 λ{d 2=0.36388 λ λ l 2=0.36357 λ 16 download by : skknchat@gmail.com PHẦN 4: Mô phối hợp trở kháng sử dụng phần mềm ADVANCED DESIGN SYSTEM (ADS) Kiểm tra thiết kế bước sử dụng Advanced Design System (ADS) với giả thiết đường truyền vi dải.Vẽ mạch in mạch phối hợp trở kháng đường truyền cho biết đường truyền có tổng chiều dài từ đầu vào tới tải ε = r 4.4 h = 0.8 mm) 4.1 Sử dụng đường truyền λ /4 Xét trường hợp: đường truyền có Z02=86.6 Ohm Z =150 Ω A ( Sơ đồ nguyên lý thiết kế ADS: Hình Sơ đồ mô phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền λ /4 17 download by : skknchat@gmail.com Kết mô phỏng: Hình Kết qu hệ số ph n xạ đồ thị tuyến tính đồ thị Smith PHTK sử dụng đường truyền λ /4 Từ ta có sơ đồ mạch layout đây: Hình Mơ hình mạch layout PHTK sử dụng đường truyền Xét trường hợp: đường truyền có Xét trường hợp: đường truyền có ( d 0.4472 λ = Z02=28.86 Ohm V max Z A ) Sơ đồ nguyên lý thiết kế ADS: 18 download by : skknchat@gmail.com Hình 4 Sơ đồ mơ phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền λ /4 Kết mơ phỏng: Hình Kết qu hệ số ph n xạ đồ thị tuyến tính đồ thị Smith PHTK sử dụng đường truyền λ /4 Từ ta có sơ đồ mạch layout đây: 19 download by : skknchat@gmail.com Hình Mơ hình mạch layout PHTK sử dụng đường truyền λ /4 4.2 Sử dụng dây chêm song song 4.2.1 Trường hợp Vị trí giao đường trịn ¿ Γ∨¿ 0.5 e trí 0.2 λ Xét trường hợp hở mạch, ta có: j 142ο với đường trịn 1± jB yd 1=1+ j3 vị { d 1=0.03053 λ l= 0.13643 λ Sơ đồ nguyên lý thiết kế ADS: Hình Sơ đồ mơ PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 20 download by : skknchat@gmail.com Kết mơ phỏng: Hình Kết qu hệ số ph n xạ đồ thị tuyến tính đồ thị Smith PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp Từ ta có sơ đồ mạch layout đây: Hình Mơ hình mạch layout PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp Vị trí giao đường trịn ¿ Γ∨¿ 0.5 e vị trí 0.2 λ j 142ο Xét trường hợp ngắn mạch, ta có: Sơ đồ nguyên lý thiết kế ADS: 21 download by : skknchat@gmail.com Hình 10 Sơ đồ mô PHTK sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trường hợp Kết mơ phỏng: Hình 11 Kết qu hệ số ph n xạ đồ thị tuyến tính đồ thị Smith PHTK sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trường hợp Từ ta có sơ đồ mạch layout đây: 22 download by : skknchat@gmail.com ... 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. .. diễn trở kháng chuẩn hóa điểm hệ số phản xạ điểm 2.1.2 Các phương pháp phối hợp trở kháng Trong mạch điện siêu cao tần, phối hợp trở kháng thao tác bắt buộc để nhận tín hiệu, phối hợp trở kháng. .. hai phương pháp PHTK tập 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