báo cáo bài tập lớn kỹ thuật siêu cao tần thiết kế và mô phỏng mạch phối hợp trở kháng sử dụng dây

Trong bài tập lớn nhiệm vụ của nhóm em là phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm và 2 dây chêm cho đường truyền tại tần số 7.5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VI ỆN ỆN TỬ - ỄN THÔNG ĐI VI

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN

LỜI NÓI ĐẦU

Khi làm việc với các đường truyền ở tần số cao, như các đường truyền vi dải, việc phối hợp trở kháng cho đường truyền vi dải là cần thiế để tăng công suất trên tải và t giảm suy hao công suất trên đường truyền Việc phối hợp trở kháng với nhiều lợi ích và với nhiều cách phối hợp khác nhau, thường tập trung phố hợp trở kháng sao cho thuận i tiện, dễ điều chỉnh và phù hợp với đường truyền đó Trong bài tập lớn nhiệm vụ của nhóm em là phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm và 2 dây chêm cho đường truyền tại tần số 7.5 𝐺ℎ𝑧 Dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Khắc Kiểm, nhóm em đã hoàn thành bài tập lớn, tuy nhiên trong quá trình thực hiện tính toán và mô phỏng, nhóm em vẫn còn nhiều sai sót và mong muốn nhận được sự góp ý của thầy để có thể ực hiện thbài tập lớn tốt hơn cũng như học hỏi được nhiều kiến thức hơn trong học phần Kỹ thuật siêu cao tần

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

PHẦN I: LÝ THUYẾT PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG 1

1.1 Phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm 2

1.2 Phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm 2

PHẦN II: BÀI TẬP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG DÂY CHÊM 4

2.1 Trường hợp 1 dây chêm 4

2.2 Trường hợp 2 dây chêm 7

PHẦN III: MÔ PHỎNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS 12

3.1 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm hở mạch tại d1 13

3.2 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm ngắn mạch tại d1 14

3.3 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm hở mạch tại d2 15

3.4 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm ngắn mạch tại d2 16

3.5 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm hở mạch tại d1 17

3.6 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm ngắn mạch tại d1 18

3.7 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm hở mạch tại d2 19

3.8 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm ngắn mạch tại d2 20

PHẦN IV: KẾT LUẬN 21

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Sơ đồ khối của mạch PHTK 1

Hình 1 2 PHTK sử dụng 1 dây chêm song song (trên) và nối tiếp (dưới) 2

Hình 1 3 PHTK sử dụng 2 dây chêm song song 3

Hình 2 1 Đồ ị Smith PHTK 1 dây chêm cho chiều dài từ tải đến dây chêmth 5

Hình 2 2 Đồ ị Smith PHTK 1 dây chêm cho chiều dài dây chêm tại điểm d1th 6

Hình 2 3 Đồ ị Smith PHTK 1 dây chêm cho chiều dài dây chêm tại điểm d2th 7

Hình 2 4 Đồ ị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 tại d1th 8

Hình 2 5 Đồ ị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 tại d2th 9

Hình 2 6 Đồ ị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 tại d1th 10

Hình 2 7 Đồ ị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 tại d2th 11

Hình 3 1: Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1 13

Hình 3 2 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1 13

Hình 3 3 Layout cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1 13

Hình 3 4 Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d1 14

Hình 3 5 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d1 14

Hình 3 6 Layout cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d1 14

Hình 3 7 Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d2 15

Hình 3 8 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d2 15

Hình 3 9 Layout cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d2 15

Hình 3 10 Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d2 16

Hình 3 11 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d2 16

Hình 3 12 Layout cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d2 16

Hình 3 13 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d1 17

Hình 3 14 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d1 17

Hình 3 15 Layout cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1 17

Hình 3 16 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d1 18

Hình 3 17 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d1 18

Hình 3 18 Layout cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d1 18

Hình 3 19 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2 19

Hình 3 20 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2 19

Hình 3 21 Layout cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2 19

Hình 3 22 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2 20

Hình 3 23 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2 20

Hình 3 24 Layout cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2 20

PHẦN I: LÝ THUYẾT PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG

Tầm quan trọng của phối hợp trở kháng (PHTK):

• Công suất cực đại được phân phối tới tải khi tải phối hợp trở kháng với đường truyền

• Công suất tổn hao trên đường truyền được tối thiểu

• Cải thiện tỷ số SNR, thông qua việc điều khiển sự phối hợp trở kháng, bộ khuếch đại có thể hoạt động ở điểm có tạp âm nhỏ nhất

• Giảm sự sai pha và biên độ

Các yếu tố khi lựa chọn mạng phối hợp trở kháng:

• Biến đổi ¼ bước sóng

• Phương pháp sử dụng 1 dây chêm và 2 dây chêm

• Sử dụng phần tử tập trung L, C

• Bộ biến đổi nhiều đoạn (Multisection)

Nội dung bài tập lớn này tập trung vào kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm và 2 dây chêm

1.1 Phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm

Mạng phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm song song chuyển đổi phần thực của tải 𝑅𝐿 thành 𝑍0 và phần ảo 𝑋𝐿 thành 0

→ Sử dụng 2 tham số có thể điều chỉnh

Do đó mục đích của dây chêm song song:

• Xác định và từ đó xác định 𝑑 𝑙 𝑦𝑑 và 𝑦𝑙

• Đảm bảo dẫn nạp tổng 𝑦𝑡𝑜𝑡= 𝑦𝑑+ 𝑦𝑙= 1

Hình 1 2 PHTK sử dụng 1 dây chêm song song (trên) và nối tiếp (dưới)

Các bước xác thực hiện phối hợp trở kháng 1 dây chêm:

Bước 1: Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa 𝑍𝑁𝐿

Bước 2: Vẽ đường tròn |Γ𝐿|𝑒𝑗𝜃 𝑟 và xác định 𝑌𝑁𝐿

Bước 3: Di chuyển theo chiều kim đồng hồ (WTG) dọc theo đường tròn

|Γ𝐿|𝑒𝑗𝜃 𝑟 giao với 1 ± 𝑗𝐵 → giá trị của 𝑦𝑑

Bước 4: Chiều dài từ 𝑌𝑁𝐿 tới 𝑦𝑑 sẽ xác định được 𝑑

Bước 5: Xác định 𝑦𝑙 tại điểm ∓ 𝑗𝐵

Bước 6: Phụ thuộc vào dây chêm ngắn mạch hay hở mạch di chuyển tới 𝑦𝑙(WTG), khoảng cách di chuyển sẽ xác định được độ dài dây chêm 𝑙

1.2 Phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm

Trong trường hợp trở kháng tải thay đổi, khi sử dụng một dây chêm thì việc điều chỉnh để phối hợp trở kháng khó khăn

Sử dụng 2 dây chêm để phối hợp trở kháng:

• Khi vị trí nối dây chêm là cố định

• Không mất tính tổng quát, có thể coi dây chêm thứ nhất được nối tại tải và khoảng cách giữa 2 dây chêm là cho trước

• Khi thay đổi trở kháng tải, chỉ cần điều chỉnh độ dài 2 dây chêm để ực hiệth n phối hợp trở kháng

Các bước thưc hiện phối hợp trở kháng 2 dây chêm:

Bước 1: Tìm điểm trở kháng chuẩn hóa, lấy đối xứng qua đường tròn |Γ𝐿|𝑒𝑗𝜃 𝑟 để xác định điểm 𝑌𝑁𝐿= 𝑔𝐿+ 𝑗𝑏𝐿

Bước 2: Tìm giao điểm của đường tròn đẳng 𝑔𝐿 với đường tròn ảnh xác định →được 2 nghiệm → xác định được 2 giá trị của độ dài dây chêm thứ nhất

PHẦN II: BÀI TẬP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG DÂY

CHÊM

Đường truyền trở kháng đặc tính 50 nối với tải, hệ số phản xạ tại tải có biên độ 𝛺

là 0.4, pha độ là 70 độ Thiết kế mạch phối hợp trở kháng (sử dụng đồ ị Smith) tại tần th

số 7,5 Ghz sử dụng phương pháp:

a) Một dây chêm mắc song song

b) Hai dây chêm với khoảng cách giữa hai dây là 𝜆/8 (gi thiả ết một dây nố ở vị trí i tải)

Bài làm

Theo đồ ị th Smith:

2.1 Trường hợp 1 dây chêm

• Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa:

• Chiều dài từ tải đến dây chêm

Khi đó chiều dài từ tải đến dây chêm tại điểm d1 là:

D1 = (0.5𝜆 − 0.403𝜆) + 0.16𝜆 = 0.257𝜆

Khi đó chiều dài từ tải đến dây chêm tại điểm d2 là:

D2 = (0.5𝜆 − 0.403𝜆) + 0.342𝜆 = 0.439𝜆

Hình 2 1 Đồ ị Smith PHTK 1 dây chêm cho chiều dài từ tải đến dây chêmth

• Chiều dài dây chêm

Đối với trường hợp tại d1:

−𝑗𝐵 = −𝑗0.9 tại vị trí 0.383 𝜆

- Ngắn mạch: 𝑌𝐿= ∞ ⇒ 𝐿11= 0.383𝜆 − 0.25𝜆 = 0.133𝜆

- Hở mạch: 𝑌𝐿= 0 ⇒ 𝐿12= 0.383𝜆

Hình 2 2 Đồ ị Smith PHTK 1 dây chêm cho chiều dài dây chêm tại ểm d1th đi

Đối với trường hợp tại d2:

𝑗𝐵 = 𝑗0.9 tại vị trí 0.117𝜆

- Ngắn mạch: 𝑌𝐿= ∞ ⇒ 𝐿21= 0.117𝜆 + 0.25 𝜆 = 0.367𝜆

- Hở mạch: 𝑌𝐿= 0 ⇒ 𝐿22= 0.117𝜆

Hình 2 3 Đồ ị Smith PHTK 1 dây chêm cho chiều dài dây chêm tại điểm d2th

2.2 Trường hợp 2 dây chêm

Đường tròn ảnh (A) là đường tròn của g = 1 + 𝑗0 dịch đi một đoạn 𝜆/8 (xoay đi một góc 90°)

• Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa:

Hình 2 5 Đồ ị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 tại d2th

• Xác định chiều dài dây chêm 𝐿2

Quay đường tròn ảnh về đường (A) khi đó

Với 𝑌𝑀1= 1 + 𝑗0.55 và lấy đối xứng 𝑗0 có - 𝑗0.55 55 tại 0.42 𝜆

- Ngắn mạch: 𝑌𝐿= ∞ L2NM= 0.42⇒ 𝜆 − 0.25𝜆 = 0.17𝜆

- Hở mạch: 𝑌𝐿= 0 ⇒ L2HM= 0.42 𝜆

Hình 2 6 Đồ ị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 tại d1 th

Với 𝑌𝑀2= 1 − 𝑗2.4 và lấy đối xứng −𝑗2.4 có 𝑗2.4 tại 0.187 𝜆

- Ngắn mạch: 𝑌𝐿= ∞ L2NM= 0.25 +⇒ 0.187𝜆) = 0.437𝜆

- Hở mạch: 𝑌𝐿= 0 ⇒ L2HM= 0.187 𝜆

Hình 2 7 Đồ ị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 tại d2th

PHẦN III: MÔ PHỎNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG

PHẦN MỀM ADS

Kiểm tra thiết kế ở bước 1 sử dụng Advanced Design System (ADS) với giả thiết

là các đường truyền vi dải (mô phỏng trên vùng băng thông 1Ghz) Vẽ mạch in của mạch phối hợp trở kháng và đường truyền cho biế đường truyền có tổng chiều dài từ đầu vào t tới tải là 2𝜆

3.1 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm hở mạch tại d1

Hình 3 1: Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1

Hình 3 2 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1

Hình 3 3 Layout cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1

3.2 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm ngắn mạch tại d1

Hình 3 4 Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d1

Hình 3 5 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d1

Hình 3 6 Layout cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d1

3.3 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm hở mạch tại d2

Hình 3 7 Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d2

Hình 3 8 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d2

Hình 3 9 Layout cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d2

3.4 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm ngắn mạch tại d2

Hình 3 10 Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d2

Hình 3 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d211

Hình 3 12 Layout cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d2

3.5 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm hở mạch tại d1

Hình 3 13 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d1

Hình 3 14 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d1

Hình 3 15 Layout cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1

3.6 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm ngắn mạch tại d1

Hình 3 16 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d1

Hình 3 17 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d1

Hình 3 18 Layout cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d1

3.7 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm hở mạch tại d2

Hình 3 19 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2

Hình 3 20 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2

Hình 3 21 Layout cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2

3.8 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm ngắn mạch tại d2

Hình 3 22 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2

Hình 3 23 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2

Hình 3 24 Layout cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2