BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THIẾT KẾ RF

30 HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ BÀI TẬP LỚN MÔN THIẾT KẾ RF Giáo viên hướng dẫn Thầy Lương Duy Mạnh Nhóm sinh viên thực hiện Nhóm 5 Hà Nội, 112020 Bài 1 Thiết kế một bộ lọc thông d.

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ - BÀI TẬP LỚN MÔN THIẾT KẾ RF Giáo viên hướng dẫn: Thầy Lương Duy Mạnh Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm Hà Nội, 11/2020 Bài 1: Thiết kế lọc thơng dải có độ gợn dB dải thông với tần số trung tâm f0 , độ rộng dải tần tương đối 5% Tín hiệu bị suy giảm 20 dB tần số 1GHz 1.2GHz Biết trở tải trở nguồn 50  Bước 1: Xây dựng tiêu kỹ thuật: - Độ gợn: La1 = dB Tiêu hao chèn: La = 20 dB Dải tần: f-t = GHz đến ft = 1.2 GHz, tần số trung tâm: f0 = 1.1 GHz Trở tải, trở nguồn: Rt = R0 = 50 Ω Δw 2Δf t t - Độ rộng dải tần tương đối là: 5% → ηt = w = f =0,05 0 f −f Δw - Độ rộng dải tần: η= w = f =0,1818 0 Bước 2: Xác định loại lọc: - Đây lọc thơng dải có dạng Chebyshev độ gợn La1 Bước 3: Tính bậc lọc: - Theo dạng Chebyshev ta có cơng thức tính bậc lọc sau: 100,1 La −1 100,1.20−1 arch 10 0,1La −1 100,1.1 −1 = =1.8659 η 0.1818 arch arch ηt 0.05 arch n≥ √ √ ( ( ) - ) Do trở kháng tải trở kháng nguồn → Chọn n lẻ → Chọn n = Bước 4: Chọn sơ đồ lọc mẫu thông thấp chuẩn hóa: a Chọn sơ đồ điện cảm nối tiếp: L 50Ÿ - L C Sơ đồ tương đương với sơ đồ mạch điện sau: 50Ÿ C1 L1 L3 C2 50Ÿ C3 L2 50Ÿ b Chọn sơ đồ điện dung song song: L C Ÿ C Ÿ - Sơ đồ tương đương với sơ đồ mạch điện sau: L2 C1 50Ÿ C2 L1 C3 L3 50Ÿ Bước 5: Tính giá trị linh kiện chuẩn hóa gk: - Ta có: g0 = a k =sin ( g1 = [ (2 k −1) π 2n β=ln coth a1 γ ] , (k = 1, 2, 3, …, n) La1 β , γ=sinh 2n 17,37 ) ( ) gk = ak−1 a k , b k−1 gk−1 (k =2,3,….n) ( kπn ) , k = 1, 2, 3, …, n b k =γ +sin - Thay số ta được: a1 =sin ⁡¿) = 0.5 , ( β=ln coth γ=sinh a2=sin ⁡¿) = a3=sin ⁡¿) = 0.5 =2.856 17,37 ) =0,494 ( 2.856 2.3 ) π b1 = 0.4942 + sin2 ( ) = 0.994 2π b2= 0.4942 + sin2 ( ) = 0.994 3π b3= 0.4942 + sin2 ( ) = 0.244 g0=1 g1=g3 = g2 = a1 = 2.024 γ a1 a2 = 0.994 b1 g1 Bước 6: Tính giá trị linh kiện L, C lý tưởng a Sơ đồ điện cảm nối tiếp: - Tại nhánh song song: L2 = C 2= R0 ∆ w t g2 w = 50∗0.055 =363.899 nH 0.994∗2 π∗1.12∗109 g2 0.994 = =57.527 pF R ∆ wt 50.2 π∗0.055∗109 - Tại nhánh nối tiếp: L1=L3= R0 g1 50∗2.024 = =292.845nH ∆ w t π∗0.055∗10 C 1=C3 = ∆ wt R g1 w = 0.055 =71.485 fF 50∗2.024∗2 π∗1.12 ¿ 109 [Với w 02 = (2 π f ¿ ] - Sau tính tốn, ta có sơ đồ mạch điện sau: C1 L1 292.845 nH71.485 fF C2 57.527 pF 50Ÿ C3 L3 292.845 nH71.485 fF L2 363.899 nH 50Ÿ b Sơ đồ điện dung song song: - Tại nhánh nối tiếp: L2 = C 2= R g2 50∗0.994 = =143.830203 nH ∆ wt π∗0.055∗109 ∆ wt R g2 w = 0.055 =145.559085 fF 50∗0.994∗2 π∗1.12 ¿ 10 - Tại nhánh song song: L1=L3= R0 ∆ w t C 1=C3 = g1 w = 50∗0.055 =178.756639 pH 2.024∗2 π∗1.12∗109 g1 2.024 = =117.118966 pF R ∆ w t 50.2 π∗0.055∗109 [Với w 02 = (2 π f ¿ ] C2 L2 143.830203 nH 145.559085 fF C1 117.118966 pF L1 178.756639 pH Bước 7: Kiểm tra kết tính tốn ADS a Sơ đồ điện cảm nối tiếp: C3 117.118966 pF 75 Ω L3 178.756639 pH - Sơ đồ nguyên lí: L L1 L=292.845 nH R=1e-12 Ohm TermG TermG1 Num=1 Z=50 Ohm L L3 L=292.845 nH R=1e-12 Ohm C C1 C=71.485 fF L L2 L=363.89 pH R=1e-12 Ohm C C3 C=71.485 fF TermG TermG2 Num=2 Z=50 Ohm C C2 C=57.527 pF S-PARAMETERS S_Param SP1 Start=0 GHz Stop=5 GHz Step=1.0 MHz - Hàm truyền đạt (S21) tiêu hao chèn (La): b Sơ đồ điện dung song song: - Sơ đồ nguyên lí: L L2 L=143.830203 nH R=1e-12 Ohm TermG TermG1 Num=1 Z=50 Ohm L L1 L=178.756639 pH R=1e-12 Ohm C C1 C=117.118966 pF C C2 C=145.559085 fF L L3 L=178.756639 pH R=1e-12 Ohm C C3 C=117.118966 pF TermG TermG2 Num=2 Z=50 Ohm - Hàm truyền đạt (S21) tiêu hao chèn (La): m4 freq=1.114GHz dB(S(2,1))=-1.000 m3 freq=1.086GHz dB(S(2,1))=-0.999 m1 m2 freq=1.000GHz freq=1.200GHz dB(S(2,1))=-40.614 dB(S(2,1))=-38.163 m3 m4 m7 freq=1.086GHz -dB(S(2,1))=0.999 m8 freq=1.114GHz -dB(S(2,1))=1.000 m5 freq=1.000GHz -dB(S(2,1))=40.614 m6 freq=1.200GHz -dB(S(2,1))=38.163 0.000 50.000 -8.333 41.667 -16.667 33.333 -25.000 25.000 -33.333 m6 16.667 m2 m1 m5 -41.667 8.333 -50.000 0.000 m7 m8 0.80 0.87 0.94 1.01 1.08 1.15 1.22 1.29 1.36 1.43 1.50 0.80 0.87 0.94 1.01 freq, GHz 1.08 1.15 1.22 1.29 1.36 freq, GHz Nhận xét: - Độ gợn dải thông đạt tiêu thiết kế - Suy giảm ngồi dải thơng tần số GHz 1.2 GHz tốt yêu cầu đặt Bài 2: Thiết kế lọc chắn dải có độ gợn dB dải thơng Bộ lọc chặn tất tín hiệu có tần số từ 1.2 GHz đến 1.3 GHz cho qua tín hiệu có tần số ngồi dải Tín hiệu bị suy giảm 30 dB tần số 1.23 GHz 1.25 GHz Biết trở tải trở nguồn 75  Bước 1: Xây dựng tiêu kỹ thuật: - Độ gợn: La1 = 1dB Tiêu hao chèn: La = 30 dB Dải tần: f-ch = 1.2 GHz đến fch = 1.3 GHz, tần số trung tâm f0 = 1.249 GHz Trở tải, trở nguồn: Rt = R0 = 75 Ω Δw 2Δf 0.1 ch ch - ηch = w = f = f 0 f −f Δw 0.02 - η= w = f = f 0 Bước 2: Xác định loại lọc: - Đây lọc thơng dải có dạng Chebyshev độ gợn La1 Bước 3: Tính bậc lọc: - Theo dạng Chebyshev ta có cơng thức tính bậc lọc sau: 1.43 1.50 100,1 La −1 100,1.30−1 arch arch 10 0,1La −1 100,1.1 −1 n≥ = =2.103 ηch 0.1 arch arch 0.02 η √ √ ( ) ( ) - Do trở kháng tải trở kháng nguồn → Chọn n lẻ → Chọn n = Bước 4: Chọn sơ đồ lọc mẫu thơng thấp chuẩn hóa: a Chọn sơ đồ điện cảm nối tiếp L L 75Ÿ 75Ÿ C - Sơ đồ tương đương với sơ đồ mạch điện sau L1 Ÿ L3 L2 C1 C3 Ÿ C2 b Chọn sơ đồ điện dung song song: L Ÿ C C - Sơ đồ tương đương với sơ đồ mạch điện sau: Ÿ L2 C2 L3 L1 Ÿ C3 C1 Bước 5: Tính giá trị linh kiện chuẩn hóa gk: - Ta có: g0 = 1, a k =sin g1 = [ a1 , γ gk = ak−1 a k , b k−1 gk−1 ( k−1 ) π , k = 1,2,3, n 2n ] β=ln coth ( La1 β , γ=sinh 2n 17,37 b k =γ +sin ( kπn ), k = 1,2,3, n ) ( ) - Thay số ta được: a1 =sin ⁡¿) =0.5, ( β=ln coth γ=sinh a2 =sin ⁡¿) =1, =2.856 17,37 ) =0,494 ( 2.856 2.3 ) π b1 = 0.4942 + sin2 ( ) = 0.994 2π b2 = 0.4942 + sin2 ( ) = 0.994 3π b3 = 0.4942 + sin2 ( ) = 0.244 g0 =1 a3 =sin ⁡¿) =0.5 (k = 2, 3, …, n) Ÿ 10 g1=g3 = g2= a1 = 2.024 γ a1 a2 = 0.994 b1 g1 Bước 6: Tính giá trị linh kiện L, C lý tưởng a Chọn sơ đồ điện cảm nối tiếp: - Tại nhánh song song L1=L3= ∆ w ch R g1 w C 1=C3 = = 75∗2.024∗0.1 =1.548 nH π∗1.56∗10 1 = =10.485 pF R g1 ∆ wch 75∗2.024∗2 π∗0,1∗109 - Tại nhánh nối tiếp L2 = C 2= R0 75 = =120.086 nH g2 ∆ w ch 0.994∗2 π∗0.1.109 ∆ wch g R0w = 0.1∗0.994 =135.214 fF 75∗2 π∗1.56 ¿ 109 [Với w 02 = (2 π f ¿ = (2 π ¿2 f ch f −ch] - Sau tính tốn, ta có sơ đồ mạch điện sau: L1 L1 548 nH Ÿ C1 10.485 pF 1.548 nH L2 120.086 nH C3 10.485 pF C2 135.214 fF b Chọn sơ đồ điện dung song song: - Tại nhánh song song: L1=L3= R0 75 = =58.985003 nH g1 ∆ w ch 2.024∗2 π∗0.1.109 Ÿ 18 S-PARAMETERS S_Param SP1 Start= Stop= Step= Freq=10 GHz TLIN TL2 Z=50.0 Ohm E=21.72 {t} F=10 GHz TermG TermG1 Num=1 Z=50 Ohm TermG TermG2 Num=2 Z=50 Ohm TLIN TL1 Z=50.0 Ohm E=166.38 {t} F=10 GHz Mạch OMN Bước 8: Kiểm tra kết tính tốn ADS a PHTK vào m2 m1 freq=10.00GHz freq=10.00GHz PHTKvao_bai3 S(2,2)=0.836 / 117.014 S(1,1)=0.120 / 53.468 impedance = Z0 * (0.122 + j0.606) impedance = Z0 * (1.131 + j0.222) m2 5.0 0.2 10 m1 20 -20 -10 -0.2 -5.0 freq (10.00GHz to 10.00GHz) b Hệ số khuếch đại freq dB(S(1,1)) 10.00 GHz dB(S(2,1)) -8.357 dB(S(2,2)) 15.372 9.352 19 Nhận xét: Có sự sai khác giữa tính tốn lí thuyết thực tế mô phỏng: - Do sai số tính tốn - Thiết kế HSKD G = 15.5(dB) kết mô phỏng G = 15.372(dB) tổn hao sai số tính tốn tinh chỉnh - Do thiết kế mạch chế độ song hướng nên S11 hệ số suy giảm đầu vào nhỏ S22  Kết đạt yêu cầu đề Bài 4: Thiết kế khuếch đại công suất RF tần số trung tâm f với công suất Pout mức suy giảm (dB) so với Popt đạt hệ số khuếch đại công suất tín hiệu nhỏ lớn mà ổn định Bộ KĐCS thiết kế chế độ F sử dụng bóng bán dẫn GaN HEMT Với C0=1.5 pF, L0=1.5 nH ma trận tán xạ S cho bảng sau: freq 2.9 GHZ S(1,1) 0.641/150.355 S(1,2) S(2,1) S(2,1) 0.060/-29.268 2.654/-11.923 0.285/125.24 Bước 1: Xây dựng tiêu kỹ thuật - Dải tần f1 = 2.9GHz - Công suất Pout = Popt/2 (W) - Giá trị tụ cuộn cảm: C0 = 1.5 pF, L0 = 1.5 nH Bước 2: Lựa chọn bóng bán dẫn, sơ đồ mạch điện, chọn góc thơng - Sử dụng bóng bán dẫn GaN HEMT hãng KEYSIGHT - Chế độ hoạt động: chế độ F chế độ phát triển từ chế độ B, có góc thơng 1800, góc cắt 900 - Sơ đồ mạch điện SC (không hồi tiếp) 20 Mạch Mạch vào FET - Từ đặc tuyến truyền đạt ta xác định thông số sau: Biên độ dòng cực đại: Imax ≈ 6,5A Điện áp cắt: Vk ≈ 0V Điện áp cực đại: Vmax ≈ 120V Điện áp ngưỡng: VT = 3V = VGS ΔI 6,5 DS Độ dốc: gm = tanα = ΔV = =2,167( A /V ) GS Bước 3: Tính tốn cơng suất - Cơng śt cực đại: 1 Popt = U I 1= 60.3,25=97,5 (W ) 2 - Điện trở tối ưu: ... cầu đề Bài 4: Thiết kế khuếch đại công suất RF tần số trung tâm f với công suất Pout mức suy giảm (dB) so với Popt đạt hệ số khuếch đại cơng suất tín hiệu nhỏ lớn mà ổn định Bộ KĐCS thiết kế chế... tính tốn - Thiết kế HSKD G = 15.5(dB) kết mô phỏng G = 15.372(dB) tởn hao sai số tính tốn tinh chỉnh - Do thiết kế mạch chế độ song hướng nên S11 hệ số suy giảm đầu vào nhỏ S22  Kết đạt yêu... GHz Nhận xét: - Độ gợn dải thông đạt tiêu cần thiết kế - Suy giảm tần số 1.23 GHz 1.25 GHz tốt yêu cầu đặt 1.500 14 Bài 3: Thiết kế khuếch đại RF đạt hệ số khuếch đại G = 15 dB dùng bóng bán