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 TS Nguyễn Khắc Kiểm 20192 20163928 20161122 Hà Nội, 5/2020 download by : skknchat@gmail.com Mục Lục PHẦN 1: NỘI DUNG CÔNG VIỆC .4 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 / 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 Bng 1: Thông số tập STT nhóm 17 Tần số trung tâm (GHz) Hệ số phản xạ Biên độ Pha 0.5 142o Điện môi ads εr H 4.4 0.8  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 λ 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 Công 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 công 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 không 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 không tổn hao để tránh làm giảm công suất thiết kế cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị trở kháng Z đường truyền Khi phản xạ sóng phía trái mạch phối hợp phía đường truyền dẫn khơng cịn nữa, phạm vi tải mạch phối hợp, phản xạ qua lại nhiều lần Quá trình phối hợp coi trình điều chỉnh Gọi Rn nội trở nguồn (hay trở kháng tầng trước), trở kháng vào tầng sau), E nguồn lý tưởng Rt tải (hay Theo định luật Ơm, dịng điện I qua mạch là: (2.3) I =E / R =E/(Rn + Rt ) Công suất tải là: Rn + Rt ¿ Pt =I Ut=I I Rt =E × Rt /¿ Pt lớn (2.4) Rn=R t 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 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 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 (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 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 cơng thức: Z ¿ =Z1 ZL + j Z1 t Z 1+ j Z L t Với t=tan θ=tan βl Với ¿  2π λ π = λ , tần số trung tâm f0 Z 1=√ Z Z L Hệ số phản xạ đường truyền chính: Γ= Z ¿−Z Z ( Z L −ZO ) + jt (Z −Z O Z L ) = Z ¿ + Z Z ( Z L + ZO ) + jt (Z 2+ Z O Z L ) Do Z 12=Z O Z L Γ= nên: Z L −Z O Z L + Z O + j t √Z Z L download by : skknchat@gmail.com Biên độ hệ số phản xạ: Z 2 (¿ ¿ L+Z O ) +4 t Z O Z L ¿ ¿ ¿ ¿ Z L−Z O| | |Γ|= ¿ Giả sử tần số khảo sát lân cận f0 đó: |Γ|≅ |Z L − Z O| |cos θ| √Z Z L Gọi Γm giá trị biên độ cực đại chấp nhận độ rộng băng ghép định nghĩa là: π ∆ θ=2( −θ m) Γ m √ Z0 Z1 √ 1−Γ m2 |Z 1− Z 0| cos θn = Độ rộng băng tỉ đối ∆ f ,f0 thường biểu diễn theo ∆f f0 (100%) 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 R L thành Z phần ảo X L thành Hình Mơ hình mạch PHTK sử dụng dây chêm song song download by : skknchat@gmail.com → Sử dụng tham số điều chỉnh Do mục đích dây chêm song song:  Xác định y d y l từ xác định d l  Đảm bảo dẫn nạp tổng y tot = y d + y l=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 xúng với trở kháng tải chuẩn hóa (điểm (2)) vẽ đường trịn hệ số sóng đứng  Bước 2: Xác định hai giao điểm đường trịn 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’)  Từ thơng số vừa tính được, ta mô phần mềm ADS 10 download by : skknchat@gmail.com Hình 2.b Đồ thị Smith sử dụng để tính tốn PHTK sử dụng đường truyền (dmax) λ /4 3.1.2 Bài toán sử dụng dây chêm mắc song song  Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa: ο Có Γ=0.5 e j 142 ⇒Z NL=0.368+ 0.3 j ⇒Y NL =0.0325+ j 0.0267 Y NL có vị trí 0.098 λ WTG ο Di chuyển theo chiều kim đồng hồ (WTG) dọc theo đường tròn |Γ|=0.5 e j 142 1± jB y d 1=1+ j3 vị trí 0.2 λ y d 2=1− j vị trí 0.3 λ giao với  Chiều dài từ tải đến dây chêm - Trường hợp 1: Tại vị trí 0.2 λ Khoảng cách từ tải đến dây chêm d1: d1 = λ−0 16947 λ=0.03053 λ - Trường hợp 2: Tại vị trí 0.3 λ Khoảng cách từ tải đến dây chêm d2: d2 = λ+0.06388 λ=0.36388 λ  Chiều dài dây chêm 12 download by : skknchat@gmail.com - Đối với trường hợp d1 = y l 1=− j3 vị trí 0.03053 λ : λ o Ngắn mạch: Y L =∞ ⇒l 1=0 λ + 0.08643 λ =0.38643 λ Hình 3 Trường hợp 1: PHTK với dây chêm ngắn mạch o Hở mạch: Y L =0 ⇒l 1=0 13643 λ 13 download by : skknchat@gmail.com Hình Trường hợp 1: PHTK với dây chêm hở mạch - Đối với trường hợp d2 = y l 2= j 0.36388 λ : vị trí 0.2 λ o Ngắn mạch: Y L =∞ ⇒l 2=0.2 λ−0.08643 λ=0.11357 λ 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 toán trường hợp mắc dây chêm với trường hợp hở mạch:  Vị trí giao đường trịn ¿ Γ∨¿ 0.5 e j142 y d 1=1+ j3 ο với đường trịn 1± jB tại vị trí 0.206 λ ta có: 1=0.03053 λ d 2=0 36388 λ {dl1=0.38643 λ { l 2=0.11357 λ  Vị trí giao đường tròn ¿ Γ∨¿ 0.5 e j142 y d 2=1− j vị trí 0.293 λ ο với đường trịn 1± jB ta có: 1=0.03053 λ d 2=0.36388 λ {dl1=0.38643 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 λ (Điện môi ADS có ε r =4.4 h = 0.8 mm) 4.1 Sử dụng đường truyền λ /4  Xét trường hợp: đường truyền có Z A =150 Ω ( d V =0.1972 λ ), Z 02=86.6 Ohm 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 mơ phỏng: Hình Kết qu hệ số phn xạ đồ thị tuyến tính đồ thị Smith PHTK sử dụng đường truyền λ / 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 V =0.4472 λ ) λ /4 Z A =16.6626 Ω max  Z 02=28.86 Ohm 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 mô phỏng: Hình Kết qu hệ số phn xạ đồ thị tuyến tính đồ thị Smith PHTK sử dụng đường truyền λ / 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 vị trí 0.2 λ ¿ Γ∨¿ 0.5 e j142 Xét trường hợp hở mạch, ta có: ο với đường trịn 1± jB y d 1=1+ j3 1=0.03053 λ {dl1=0.13643 λ Sơ đồ nguyên lý thiết kế ADS: Hình Sơ đồ mô 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 vị trí 0.2 λ ¿ Γ∨¿ 0.5 e j142 ο Xét trường hợp ngắn mạch, ta có: với đường tròn 1± jB y d 1=1+ j3 1=0.03053 λ {dl 1=0.38643 λ 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 Hình 12 Mơ hình mạch layout PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 4.2.2 Trường hợp  Xét trường hợp: Vị trí giao đường trịn y d 2=1− j vị trí 0.3 λ Xét trường hợp hở mạch, ta có: ¿ Γ∨¿ 0.5 e j142 với đường tròn 1± jB 2=0.36388 λ {dl 2=0.36357 λ Sơ đồ nguyên lý thiết kế ADS: Hình 13 Sơ đồ mơ PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp Kết mô phỏng: 23 download by : skknchat@gmail.com Hình 14 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 15 Mơ hình mạch layout PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp Xét trường hợp ngắn mạch, ta có: 2=0.36388 λ {dl2=0.11357 λ Sơ đồ nguyên lý thiết kế ADS: 24 download by : skknchat@gmail.com Hình 16 Sơ đồ mơ PHTK sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trường hợp Kết mơ phỏng: Hình 17 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: 25 download by : skknchat@gmail.com ... 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. .. (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... (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