kl nguyen bach ninh 910545d

LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập trường, em tiếp thu học hỏi dược nhiều kiến thức vơ bổ ích Từ chương trình đại cương đến chuyên ngành, kiến thức làm hành trang cho em bước vào đời Tuy nhiên, để kết thúc khóa học với kết tốt vấn đề quan trọng, thơng qua “ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ”, đánh giá khả kiến thức em tiếp thu thời gian vừa qua Luận văn đúc kết lại kiến thức đồng thời qua nêu nên ý tưởng, ý kiến vấn đề xã hội Em xin chân thành cảm ơn TS Phan Hồng Phương Trong suốt thời gian làm luận văn cô ln tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em tham khảo tài liệu cung cấp kiến thức, thông tin giải khúc mắc để em hồn thành luận văn cách tốt Em xin chân thành cảm ơn tất quý thầy cô khoa Điện- Điện Tử thấy cô giáo trường Đại Học Tôn Đức Thắng suốt thời gian qua truyền đạt giảng dạy, giúp em tích lũy kiến thức, học tập nên người Sau cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè thân hữu ln đồng hành động viên em sống, suốt q trình học tập thời gian hồn thành luận văn TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2010 Sinh viên Nguyễn Bách Ninh LỜI NÓI ĐẦU Trong xu hướng bùng nổ kỹ thuật viễn thông giới kỹ thuật thông tin vệ tinh, thông tin vi ba, thông tin di động…thì vấn đề kỹ thuật siêu cao tần lĩnh vực quan trọng, phức tạp ứng dụng nhiều Siêu cao tần lĩnh vực đặc thù Điện Tử Viễn Thông, dùng để khảo sát tượng truyền sóng, phân tích thiết kế mạch điện với linh kiện thụ động tích cực khác khó đạt đáp ứng tần số mong muốn Vì mạch siêu cao tần thường sử dụng mạch lọc để khắc phục điều Ở tần số siêu cao, linh kiện siêu cao tần có giá trị nhỏ gây khó khăn nhiều cho việc tính tốn, thiết kế, chế tạo linh kiện có giá trị nhỏ Tuy nhiên dù khó khăn với vai trị quan trọng kỹ thuật siêu cao tần người ta nghiên cứu tìm tịi cơng nghệ đường truyền vi dải mô hình tương đương loại mạch lọc tần số siêu cao phần mềm để thiết kế mạch cách xác dễ dàng CST, APLAC, ADS…đặc biệt phần mềm ADS Do vai trò quan trọng mạch lọc kỹ thuật siêu cao tần, với nhu cầu thực tế mạch lọc Để có tần số mong muốn cách tốt loại bỏ tần số không mong muốn môi trường siêu cao phải cần giải pháp,và mạch lọc vi dải giải tốt vấn đề nên em chọn đề tài “ Thiết kế mạch lọc vi dải sử dụng phần mềm ADS “ để đáp ứng nhu cầu Vì lĩnh vực tương đối phức tạp nên không tránh khỏi sai lầm thiếu sót mong người dẫn thêm để hoàn thiện Trong nội dung luận văn chúng em trình bày số lý thuyết sở kỹ thuật siêu cao tần phương pháp thiết kế mạch lọc, ứng dụng mạch lọc thu phát thơng tin vệ tinh quy trình thiết kế mạch lọc với mơ hình tương đương dạng mạch lọc chuyền sang vi dải phần mềm ADS Dù em cố gắng lỗ lực nhiều trình độ thời gian có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi sai lầm thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến, bảo thông cảm quý Thầy Cô bạn để hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Lọc Vi Dải GVHD: T.S Phan Hồng Phương MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG VÀ TỪ VIẾT TẮT PHẦN 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ MẠCH SIÊU CAO TẦN CHƯƠNG 1: ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SÓNG 1.1 Phương Trình Truyền Sóng Và Các Thơng Số Trên Đường Truyền 1.1.1 Mô Số Tập Trung Hình Mạch Điện Thơng Của Đường Truyền 1.1.2 Phương Trình Truyền Sóng Và Nghiệm 1.1.3 Các Thông Số Thứ Cấp Của Đường Dây 1.1.4 Trở Kháng Đặc Tính Của Đường Dây 1.2 Hiện Tượng Phản Xạ Và Trở Kháng Của Đường Dây 1.2.1 Hệ Số Phản Xạ 1.2.2 Trở Kháng Của Đường Dây 10 1.2.3 Sóng Đứng Và Hệ Số Sóng Đứng 11 1.3 Các Đường Truyền Sóng Thực Tế 12 1.3.1 Đuờng Truyền Dải-Strip Line 12 1.3.2 Đường Truyền Vi Dải - Microstrip Line 14 1.3.3 Đuờng Truyền Ghép 15 CHƯƠNG : MẠNG HAI CỬA 18 2.1 Thông Số Trở Kháng 18 2.2 Thông Số Dẫn Nạp 19 2.3 Thông Số Truyền 20 2.4 Thông Số Tán Xạ 21 CHƯƠNG : CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH LỌC 25 3.1 Cấu Trúc Tuần Hoàn 25 3.2 Phương Pháp Thông Số Ảnh Trong Thiết Kế Mạch Lọc 27 3.2.1 Trở Kháng Ảnh Và Hàm Truyền Của Mạng Hai Cửa: 28 3.2.2 Mạch Lọc Hằng Số K 29 3.2.3 Mạch Lọc Cải Biên Hệ Số M 32 3.2.4 Mạch Lọc Hỗn Hợp 34 3.3 Phương Pháp Tổn Hao Trong Thiết Kế Mạch Lọc: 35 3.3.1 Mạch Lọc Có Đáp ứng Phẳng Tối Đa (Butterworth) 35 3.3.2 Mạch Lọc Có Đáp ứng Đẳng Độ Gợn 37 3.3.3 Mạch Lọc Pha Tuyến Tính 40 3.4 Các Phép Biến Đổi Trong Thiết Kế Mạch Lọc 40 3.4.1 Phép Giải Trở Kháng Và Tần Số 40 3.4.2 Chuyển Đổi Mạch Lọc Thông Thấp Sang Thông Cao: 41 3.4.3 Chuyển Đổi Mạch Lọc Thông Thấp Sang Thông Dải: 42 3.4.4 Phép Biến Đổi Mạch Lọc Thông Thấp Sang Dải Chắn: 43 3.4.5 Phép Biến Đổi Richard: 44 3.4.6 Phép Đồng Dạng Kuroda 45 3.5 Mạch Lọc Thông Thấp Trở Kháng Bước 46 3.6 Mạch Lọc Đường Truyền Ghép Song Song 47 3.6.1 Đặc Tính Chọn Lọc Tần Số Của Đường Truyền Ghép Song Song 47 3.6.2 Thiết Kế Mạch Lọc Dùng Đường Truyền Ghép 50 SVTH: Nguyễn Bách Ninh Trang Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Lọc Vi Dải GVHD: T.S Phan Hồng Phương 3.7 Mạch Lọc Thông Dải Hoặc Chắn Dải Sử Dụng Stub Phần Tư Bước Sóng 52 CHƯƠNG 4: MẠCH LỌC TRONG THÔNG TIN VỆ TINH CÙNG MỘT SỐ LƯU Ý KHI THIẾT KẾ MẠCH LỌC 54 4.1 Các Băng Tần Thường Được Sử Dụng Trong Thông Tin Vệ Tinh 54 4.2 Mạch Lọc Trong Thiết Bị Thu Trong Thông Tin Vệ Tinh 54 4.3 Một Số Vấn Đề Khi Thiết Kế Mạch Lọc 56 4.3.1 Lựa Chọn Cấu Thành Mạch Lọc 57 4.3.2 Giới Hạn Hệ Số Phẩm Q 58 4.3.3 Khả Năng Chịu Tác Động Của Môi Trường 58 PHẦN2 : GIỚI THIỆU VỀ ADS, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 60 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ADS 60 1.1 Giới Thiệu ADS ( Advanced Design System ) 60 2.1 Các Linh Kiện Được Sử Dụng Để Thiết Kế 60 3.1 Công Cụ Linecalc 62 3.1.1 Sử Dụng Linecalc Để Tính Tốn Đường Truyền Microstrip Lines 62 3.1.2 Sử Dụng Linecalc Để Tính Tốn Đường Truyền Ghép Microstrip Coupled Lines 63 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 64 2.1 Mạch Lọc Hỗn Hợp Thông Thấp 64 2.1.1 Mạch Lọc Hỗn Hợp Nguyên Mẫu 64 2.1.2 Mạch Lọc Hỗn Hợp Trở Kháng Buớc 66 2.2 Mạch Lọc Thông Thấp Đáp Ứng Phẳng Tối Đa 68 2.2.1 Mạch Lọc Butterworth Trở Kháng Bước 69 2.2.2 Mạch Lọc Butterworth Sử Dụng Các Stub Song Song 71 2.3 Mạch Lọc Đường Truyền Ghép Song Song 75 2.4 Mạch Lọc Dùng Các Stub Phần Tư Buớc Sóng 80 2.4.1 Mạch Lọc Thông Chặn Dùng Stub Phần Tư Bước Sóng 80 2.4.2 Mạch Lọc Thông Dải Dùng Stub Phần Tư Bước Sóng 82 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 87 3.1 Kết Luận 87 3.2 Hướng Phát Triển Của Đề Tài 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 SVTH: Nguyễn Bách Ninh Trang Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Lọc Vi Dải GVHD: T.S Phan Hồng Phương DANH MỤC HÌNH PHẦN Hình 1.1: Mạch điện sử dụng đường truyền sóng Hình 1.2: Mạch điện tương đương đoạn truyền vi phân Hình 1.3: Quỹ tích hệ số phản xạ Hình 1.4: Dạng hình học đuờng truyền dải 12 Hình 1.5: Mặt cắt đuờng truyền vi dải 14 Hình 1.6: Mode chẵn mạch điện tuơng đuơng 16 Hình 1.7: Mode lẻ mạch điện tuơng đuơng 17 Hình 2.1: Mạng hai cửa tuyến tính 18 Hình 2.2: Sóng tới sóng phản xạ mạng hai cửa 21 Hình 3.1: Cấu trúc tuần hoàn 25 Hình 3.2: Mạng hai cửa với đặc trưng ma trận [ABCD] 28 Hình 3.3: Khảo sát hàm truyền 28 Hình 3.4: Mạch lọc thơng thấp hình T hình π 29 Hình 3.5: Đáp ứng tần số α, β 31 Hình 3.6: Mạch lọc thơng cao hình T hình π 31 Hình 3.7: Mạch lọc thơng thấp hình T cải biên hệ số m 32 Hình 3.8: Mạch lọc thơng thấp hình T π cải biên hệ số m 32 Hình 3.9: Sự biến thiên Ziπ theo ω m 34 Hình 3.10: Mạch lọc hình π cắt đơi 34 Hình 3.11: Hai dạng mạch lọc thơng thấp 36 Hình 3.12: Suy hao theo tần số chuẩn hóa mạch lọc đáp ứng phẳng tối đa 37 Hình 3.13: Suy hao theo tần số chuẩn hóa mạch lọc chebyshev 39 Hình 3.14: Suy hao theo tần số chuẩn hóa mạch lọc chebyshev 39 Hình 3.15: Đáp ứng tần số cho mạch lọc thông thấp biến đổi đáp ứng cho mạch lọc thông cao 41 Hình 3.16: Sự biến đổi từ thơng thấp sang thơng dải chặn dải 43 Hình 3.17: Phép biến đổi Richard cho cuộn cảm tụ điện 45 Hình 3.18: Mạng T đối xứng tương đuơng mạch điện hình T tuơng đuơng 46 Hình 3.19: Đường truyền ghép song song với nguồn dòng ngõ vào 48 Hình 3.20a: Đường truyền ghép có điện trở mode chẵn 48 Hình 3.20b: Đường truyền ghép có điện trở mode lẻ 48 Hình 3.21: Mạng hai cửa đường truyền ghép hở mạch cửa cửa 49 Hình 3.22: Mạch tương đương đoạn đường truyền ghép 50 Hình 3.23: Mạch lọc thơng dải N + đoạn ghép 51 Hình 3.24: Chuyển đổi đường truyền sóng 2θ sang mạch LC song song 51 Hình 3.25: Chuyển đổi từ mạng nghịch đảo dẫn nạp 51 Hình 3.26: Mạch điện tương đương mạch lọc đường truyền ghép 52 Hình 3.27: Cấu trúc mạch lọc thơng dải chắn dải dùng stub λ/4 52 Hình 3.28: Mạch điện tương mạch lọc chắn dải dùng stub λ/4 53 Hình 4.1: Sơ đồ khối máy phát siêu cao tần 55 Hình 4.2: Sơ đồ khối máy thu siêu cao tần 56 PHẦN Hình 2.1: Mạch lọc hỗn hợp phần tử tập trung 65 Hình 2.2: Đáp ứng tần số mạch lọc hỗn hợp nguyên mẫu 65 SVTH: Nguyễn Bách Ninh Trang Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Lọc Vi Dải GVHD: T.S Phan Hồng Phương Hình 2.3: Mạch lọc hỗn hợp trở kháng buớc 67 Hình 2.4: Đáp ứng tần số mạch hỗn hợp trở kháng buớc 67 Hình 2.5: Layout mạch lọc hỗn hợp trở kháng buớc 68 Hình 2.6: Đáp ứng tần số mạch hỗn hợp trở kháng buớc layout 68 Hình 2.7: Mạch lọc thơng thấp butterworth nguyên mẫu 69 Hình 2.8: Mạch lọc đáp ứng phẳng tối đa trở kháng buớc 70 Hình 2.9: Đáp ứng tần số mạch Butterworth trở kháng bước 70 Hình 2.10: Layout mạch Butterworth trở kháng bước 70 Hình 2.11: Đáp ứng tần số mạch Butterworth trở kháng buớc layout 71 Hình 2.12: Mạch lọc Butterworth dùng stub song song 74 Hình 2.13: Đáp ứng tần số mạch lọc Butterworth sử dụng stub song song 74 Hình 2.14: Layout mạch Butterworth dùng stub song song 74 Hình 2.15: Đáp ứng tần số mạch Butterworth dùng stub layout 75 Hình 2.16: Mạch lọc thơng dải chebyshev sử dụng đường truyền song song 77 Hình 2.17: Đáp ứng tần số mạch lọc thông dải chebyshev sủ dụng đường truyền ghép song song 77 Hình 2.18: Tối ưu cho mạch lọc đường truyền ghép song song 78 Hình 2.19: Đáp ứng tần số mạch lọc đường truyền ghép tối ưu 78 Hình 2.20: Layout mạch đường truyền ghép song song 79 Hình 2.21: Đáp ứng tần số mạch đường truyền ghép layout 79 Hình 2.22: Mạch lọc chắn dải Chebyshev sử dụng stub λ/4 81 Hình 2.23: Đáp ứng tần số mạch lọc chắn dải Chebyshev sử dụng stub λ/4 81 Hình 2.24: Layout mạch lọc chắn dải Chebyshev dùng stub λ/4 81 Hình 2.25: Đáp ứng tần số mạch thông dải stub λ/4 layout 82 Hình 2.26: Mạch thơng dải Butterworth dùng stub λ/4 83 Hình 2.27: Đáp ứng cho mạch thơng dải dùng stub λ/4 84 Hình 2.28: Tối ưu cho mạch lọc thơng dải có stub λ/4 85 Hình 2.29: Đáp ứng mạch thơng dải có stub λ/4 sau tối ưu 85 Hình 2.30: Layout mạch thơng dải có stub λ/4 sau tối ưu 86 Hình 2.31: Đáp ứng play out mạch thơng dải có stub λ/4 sau tối ưu 86 SVTH: Nguyễn Bách Ninh Trang Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Lọc Vi Dải GVHD: T.S Phan Hồng Phương DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Mạng cửa đối xứng thông số đặc trưng 31 Bảng 3.2: Giá trị chuẩn hóa gi mạch lọc đáp ứng phẳng tối đa 36 Bảng 3.3: Các giá trị gi mạch lọc thông thấp, đáp ứng đẳng độ gợn với độ gợn 0.5dB 38 Bảng 3.4: Các giá trị gi mạch lọc thông thấp, đáp ứng đẳng độ gợn với độ gợn dB 38 Bảng 3.5: Các giá trị gi mạch lọc thông thấp, đáp ứng pha tuyến tính 40 Bảng 3.6: Biến đổi từ mạch thơng thấp sang dạng cịn lại 44 Bảng 3.7: Bốn phép đồng dạng Kuroda 45 Bảng 4.1: Các băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh 54 Bảng 4.2: Dải tần số vật liệu 57 Bảng 4.3: Khả chịu tác động môi trường số chất 59 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADS : Advanced Design System IL : Insertion Loss FM : Frequence Modulation LNA : Low Noise Amplifier OSC : Oscillator IF : Intermediate Frequence RF : Ratio Frequence EM : Engineering Model AMP: Amplifier SVTH: Nguyễn Bách Ninh Phần mềm thiết kế Tổn hao Điều chế tần số Khuếch đại nhiễu thấp Bộ dao động Tần số trung gian Tần số vơ tuyến Mơ hình kỹ thuật Bộ khuếch đại Trang Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Lọc Vi Dải GVHD: T.S Phan Hồng Phương PHẦN 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ MẠCH SIÊU CAO TẦN CHƯƠNG 1: ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SĨNG Xét nhiều khía cạnh lý thuyết đường truyền làm cầu nối cho cách biệt phép phân tích trường lý thuyết mạch sở, quan trọng phân tích mạch siêu cao tần Như thấy, tượng lan truyền sóng đường dây tiếp cận từ mở rộng lý thuyết mạch, từ biến đổi đặc biệt từ phương trình Maxwell Trong khn khổ luận văn trình bày cách tiếp cận từ quan điểm mạch sở lan truyền sóng mơ tả phương trình sóng cho thấy lan truyền sóng Khi khoảng cách từ nguồn đến tải mạch điện có chiều dài so sánh lớn nhiều lần so với bước sóng tín hiệu phải khoảng thời gian để đến tải Ta gọi tượng truyền sóng đường dây có hệ như: có trễ pha tín hiệu thu với tín hiệu phát, có suy hao tín hiệu lan truyền, có tượng phản xạ tải nguồn gây nên tượng sóng đứng đường dây 1.1 Phương Trình Truyền Sóng Và Các Thông Số Trên Đường Truyền Trong phần tìm cách thiết lập phương trình nêu lên mối quan hệ điện áp dòng điện điểm đường dây truyền sóng, từ rút đặc tính đường truyền Vì khảo sát việc truyền sóng khơng gian nhỏ có định hướng nên ta sử dụng hệ phương trình điện áp dịng điện, điện áp thay cho điện trường E dòng điện thay cho từ trường H 1.1.1 Mơ Số Tập Trung Hình Mạch Điện Thông Của Đường Truyền Sự khác lý thuyết mạch lý thuyết đường truyền kích thước mạch Trong phân tích mạch điện ta thường giả thiết kích thước mạch nhỏ nhiều so với bước sóng, độ dài đường truyền sóng so sánh với bước sóng Vì đường truyền mạch phân bố với điện áp dịng điện thay đổi biên độ pha độ dài SVTH: Nguyễn Bách Ninh Trang Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Lọc Vi Dải GVHD: T.S Phan Hồng Phương Hình 1.1: Mạch điện sử dụng đường truyền sóng Một đường truyền thường biển diễn đường hai dây hình 1.1 đường truyền ( cho sóng TEM ) ln có hai dây Giả sử đường truyền có chiều dài ℓ lớn nhiều chiều dài bước sóng nên coi mạch có thơng số phân bố Tại điểm có tọa độ z đường truyền xét đoạn dây chiều dài vi phân Δz, nhiên Δz