báo cáo bài tập lớn nguyên lý siêu cao tần đề tài thiết kế mạch phối hợp trở kháng

PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁNHình 2.2.1 Đồ thị Smith tính toán PHTK sử dụng dây chêm có độ dài λ/4 tại vị trí điện áp cựcđại và tại vị trí điện áp cực tiểu.Hình 2.1.2 Khoảng cách giữ

Trang 1

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚNNGUYÊN LÝ SIÊU CAO TẦN

Đề tài:

Thiết kế mạch phối hợp trở kháng

Nhóm sinh viên thực hiện:

Đỗ Hữu Phước20213723Phùng Huy Phong20213721Dương Thanh Lâm20213713Nguyễn Đức Trung

Phạm Hữu Quang Khải

Giảng viên hướng dẫn: TS Tạ Sơn Xuất

Trang 2

LỜI NÓI ĐẦU

Cho đến thời điểm hiện tại không thể phủ nhận vai trò quan trọng của truyền thông vôtuyến và các thiết bị liên quan, nó gắn liền với cuộc sống hàng ngày và phủ sóng khắp toàncầu Những năm gần đây sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến đã thúc đẩy sử phát triểncủa công nghệ truyền thông vô tuyến, cùng với sự phát triển đó thì anten - thành phần khôngthể thiếu trong bất kì hệ thống viễn thông nào cũng không ngừng được quan tâm nghiên cứuphát triển để phù hợp với các thiết bị thông tin vô tuyến hiện đại

Khi làm việc với các đường truyền ở tần số cao, như các đường truyền vi dải, việcphối hợp trở kháng cho đường truyền vi dải là cần thiết để tăng công suất trên tải và giảm suyhao công suất trên đường truyền Việc phối hợp trở kháng với nhiều lợi ích và với nhiều cáchphối hợp khác nhau, thường tập trung phối hợp trở kháng sao cho thuận tiện, dễ điều chỉnhvà phù hợp với đường truyền đó Trong bài tập lớn nhiệm vụ của nhóm em là phối hợp trởkháng sử dụng biến đổi đường truyền ¼ bước sóng và 1 dây chêm song song cho đườngtruyền tại tần số 3.25 𝐺ℎ𝑧 Dưới sự hướng dẫn của thầy Tạ Sơn Xuất, nhóm em đã hoànthành bài tập lớn, tuy nhiên trong quá trình thực hiện tính toán và mô phỏng, nhóm em vẫncòn nhiều sai sót và mong muốn nhận được sự góp ý của thầy để có thể thực hiện bài tập lớntốt hơn cũng như học hỏi được nhiều kiến thức hơn trong học phần Nguyên lý siêu cao tần.

Trang 3

1.1.4 Biến đổi ¼ bước sóng 8

1.1.5 Sử dụng dây chêm (stub) 9

1.2 Đề tài thiết kế 12

1.2.1 Nội dung công việc được giao 12

1.2.2 Phân công công việc trong nhóm 12

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN 13

2.1 Biến đổi độ dài λ/4 13

2.1.1 Phương pháp thiết kế theo từng bước 13

2.1.2 Tính toán lý thuyết 13

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 17

3.1 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm 17

3.1.1 Tại điểm điện áp cực đại 18

3.1.2 Tại điểm điện áp cực tiểu 22

3.2 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm song song 26

3.2.1 Trường hợp 1: Tại điểm yd 1 26

3.2.2 Trường hợp 2: Tại điểm yd 2 34

3.3 Tổng kết và nhận xét 42

KẾT LUẬN 43

Trang 4

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

SNR Signal-to-noise ratio Tỉ số tín hiệu cực đại trên nhiễu

Trang 5

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT VÀ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ

Hình 1.1.1 Một mạng PHTK nối giữa tải bất kỳ và đường truyền.Hình 1.1.2 PHTK sử dụng bộ biến đổi ¼ bước sóng.

Hình 1.1.3 Băng thông của bộ biến đổi ¼ bước sóng.Hình 1.1.4 Băng thông tương đối phụ thuộc tỷ lệ giữa Z và Z L0

Hình 1.1.5 PHTK sử dụng 1 dây chêm song song (a) hoặc nối tiếp (b)

Hình 1.1.6 PHTK sử dụng 1 dây chêm song song hở mạch (a) hoặc ngắn mạch (b)Hình 1.7 Đồ thị Smith

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN

Hình 2.2.1 Đồ thị Smith tính toán PHTK sử dụng dây chêm có độ dài λ/4 tại vị trí điện áp cựcđại và tại vị trí điện áp cực tiểu.

Hình 2.1.2 Khoảng cách giữa các phần tử trong đường truyền PHTK sử dụng dây chêm có độdài λ/4

Hình 2.2.1 Đồ thị Smith PHTK 1 dây chêm song song xác định khoảng cách từ tải tới dâychêm

Hình 2.2.2 Đồ thị Smith PHTK 1 dây chêm song song xác định độ dài đoạn dây chêm (trườnghợp hở mạch)

Hình 2.2.3 Đồ thị Smith PHTK 1 dây chêm song song xác định độ dài đoạn dây chêm (trườnghợp ngắn mạch)

Hình 2.2.4 Khoảng cách giữa các phần tử trong đường truyền PHTK sử dụng 1 dây chêmsong song

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN

Hình 3.1.1.1 Mạch PHTK thiết kế lý tưởng sử dụng đoạn dây chêm chiều dài λ4 tại điện ápcực đại (mô phỏng ADS)

Hình 3.1.1.2 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng đoạn dây chêm chiều dài λ4 tại điện ápcực đại (mô phỏng ADS)

Hình 3.1.1.3 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng đoạn dây chêm chiều dài λ4 tại điện ápcực đại (mô phỏng HFSS)

Hình 3.1.1.4 Layout mạch in PHTK sử dụng đoạn dây chêm chiều dài λ4 tại điện áp cực đại

Trang 6

Hình 3.1.2.1 Mạch PHTK thiết kế lý tưởng sử dụng đoạn dây chêm chiều dài λ4 tại điện ápcực tiểu (mô phỏng ADS)

Hình 3.1.2.2 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng đoạn dây chêm chiều dài λ4 tại điện ápcực tiểu (mô phỏng ADS)

Hình 3.1.2.3 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng đoạn dây chêm chiều dài λ4 tại điện ápcực tiểu (mô phỏng HFSS)

Hình 3.1.2.4 Layout mạch in PHTK sử dụng đoạn dây chêm chiều dài λ4 tại điện áp cực tiểuHình 3.2.1.1 Mạch PHTK thiết kế lý tưởng sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp1 (mô phỏng ADS)

Hình 3.2.1.2 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song hở mạch trườnghợp 1 (mô phỏng ADS)

Hình 3.2.1.3 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song hở mạch trườnghợp 1 (mô phỏng HFSS)

Hình 3.2.1.4 Layout mạch in PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 1Hình 3.2.1.5 Mạch PHTK thiết kế lý tưởng sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trườnghợp 1 (mô phỏng ADS)

Hình 3.2.1.6 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song ngắn mạchtrường hợp 1 (mô phỏng ADS)

Hình 3.2.1.7 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song ngắn mạchtrường hợp 1 (mô phỏng HFSS)

Hình 3.2.1.8 Layout mạch in PHTK sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trường hợp 1Hình 3.2.2.1 Mạch PHTK thiết kế lý tưởng sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp2 (mô phỏng ADS)

Hình 3.2.2.2 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song hở mạch trườnghợp 2 (mô phỏng ADS)

Hình 3.2.2.4 Layout mạch in PHTK sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 2Hình 3.2.2.5 Mạch PHTK thiết kế lý tưởng sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trườnghợp 2 (mô phỏng ADS)

Hình 3.2.2.6 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song ngắn mạchtrường hợp 2 (mô phỏng ADS)

Hình 3.2.2.8 Layout mạch in PHTK sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trường hợp 2

Trang 8

LÝ THUYẾT VÀ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ

1.1 Lý thuyết cơ bản

1.1.1 Phối hợp trở kháng

Đường truyền siêu cao tần (UHF) là một trong các loại đường truyền có thể kể đến như các ống dẫn sóng hình chữ nhật, hình trụ, đường truyền cáp đồng trục, phẳng,… Các đường truyền siêu cao tần có dải tần hoạt động từ 300 tới 3000 MHz hoặc bước sóng từ 100 cm tới 10 cm Đường truyền cao tần truyền điện năng, năng lượng và thông tin từ máy phát tới tải với tổn hao nhỏ nhất Vì vậy, việc phối hợp trở kháng vô cùng quan trọng.

− Giảm sự sai pha và biên độ.

HInh 1.3.1 Một mạng PHTK nối giữa tải bất kỳ và đường truyền.

Các yếu tố khi lựa chọn mạng phối hợp trở kháng:− Sự phức tạp.

− Băng thông.− Tính khả thi.− Khả năng điều chỉnh.

Trang 9

− Phương pháp 1 dây chêm (song song hoặc nối tiếp, hở mạch hoặc ngắn mạch).− Phương pháp 2 dây chêm (1 dây chêm nối tải, khoảng cách giữa 2 dây chêm cố định).− Sử dụng các phần tử tập trung (C, L).

− Bộ biến đổi nhiều đoạn (Multisection).

Trong 4 phương pháp trên, ta chú trọng phương pháp PHTK dùng biến đổi ¼ bước sóng và phương pháp sử dụng 1 dây chêm song song trong bài báo cáo này.

1.1.4 Biến đổi ¼ bước sóng

1.1.4.1 Đặc điểm bộ biến đổi

− Bộ biến đổi ¼ bước sóng chỉ sử dụng khi trở kháng tải chỉ tồn tại phần thực.− Sử dụng với băng hẹp hoặc 1 tần số.

− Dễ thiết kế và triển khai.

− Một tải phức có thể được chuyển thành tải thuần trở (trở kháng tải chỉ tồn tại phần thực) bởi việc sử dụng một đoạn đường truyền có chiều dài thích hợp giữa tải và bộ phối hợp, hoặc dùng đoạn dây chêm nối tiếp hoặc song song phù hợp

− Kỹ thuật này thường dẫn tới thay đổi sự phụ thuộc tần số của tải tương đương và gây ra giảm độ rộng băng thông của sự phối hợp trở kháng.

HInh 1.1.2 PHTK sử dụng bộ biến đổi ¼ bước sóng.

1.1.4.2 Xác định trở kháng nhìn vào đường truyền trở kháng đặc tính Z1

− Để xác định trở kháng nhìn vào đường truyền trở kháng đặc tính Z , độ dài ¼ bước sóng 1

nối tải thuần trở Z , sử dụng công thức:L

Z¿=Z1ZL+ j Z t1

Z1+ j ZLtvới t =tan θ tan=Với βl=2 π

4=2 , ở tần số trung tâm f 0⟹ Z1=√Z Z0L

Trang 10

ZL+Z0+ j2 t√Z0ZL− Biên độ của hệ số phản xạ:

[(Z¿¿L+Z0)¿¿2+4 t2 ]Z0ZL

− Giả sử tần số khảo sát lân cận f , khi đó phương trình (*) trên trở thành: 0

¿Γ ∨≃¿ZL−Z0∨ ¿

∨cosθ∨¿ ¿

HInh 1.1.3 Băng thông của bộ biến đổi ¼ bước sóng.

− Với sóng TEM, độ rộng băng thông tương đối ∆ ff

được xác định như sau:

∆ ff0=

f0 =2−2 fm

f0=2−4 θm

π =2−4

Trang 11

1.1.5 Sử dụng dây chêm (stub)

− 1 dây chêm hoặc 2 dây chêm− Song song hoặc nối tiếp− Hở mạch hoặc ngắn mạch

1.1.5.1 Sử dụng 1 dây chêm song song hoặc nối tiếp

HInh 1.1.5 PHTK sử dụng 1 dây chêm song song (a) hoặc nối tiếp (b)

1.1.5.2 Sử dụng 1 dây chêm song song hở mạch hoặc ngắn mạch

Mạng PHTK chuyển đổi phần thực của tải R thành Z và phần ảo X thành 0 Sử dụng L0L ⟹hai tham số có thể điều chỉnh.

Do đó mục đích của dây chêm song song:− Xác định d và l từ đó xác định y và ydl

− Đảm bảo dẫn nạp tổng y = y + y = 1totdl

HInh 1.1.6 PHTK sử dụng 1 dây chêm song song hở mạch (a) hoặc ngắn mạch (b)

Trang 12

1.1.6 Đồ thị Smith và ứng dụng trong thiết kế

Đ th Smith đ c gi i thi u n m 1930 x y d ng d a tr n m!i quan h c#a h s% ph'n x( v* tr+ kh-ng đ ng truy/n t(i v0 tr0 b2t k3 Đ th Smith l* c6ng c đ h7a s8 d ng cho t0nh to-n đ ng truy/n v* m(ch đi nsi u cao t:n, l* t<p h p c-c h7 đ ng cong đ=ng r v* x v* ch> s8 d ng cho đ ng truy/n kh6ng t?n hao C% hai d(ng biAu diBn l* tr+ kh-ng chuCn h%at(i điAm b2t k3 v* h s! ph'n x( t(i điAm b2t k3.

Trong thiEt kE m(ch si u cao t:n, vi c t0nh to-n c-c tham s! t!n nhi/u th.i gian, vi c s8 d ng đ th Smith giFp nhanh c%ng x-c đ nh đ c c-c tham s! v* mang t0nh tr c quan Đ th Smith giFp ta x-c đ nh nhanh

Trang 13

ch%ng đ c bi n đG, g%c pha, h s! ph'n x(

HInh 1.1.7 Đồ thị Smith

1.2 Đề tài thiết kế

1.2.1 Nội dung công việc được giao

Đường truyền trở kháng đặc tính 60 Ohms nối với tải, hệ số phản xạ tại tải được cho trongBảng 1 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng (Sử dụng Smith Chart) tại tần số cho ở Bảng 1 sử dụng phương pháp:

Trang 14

a Dây chêm độ dài λ4

b Một dây chêm mắc song song (shunt stub)

Kiểm tra thiết kế ở bước 1 sử dụng Advanced Design System (ADS) và ANSYS Electronic Desktop với giả thiết là các đường truyền vi dải (microstrip line) Vẽ mạch in của mạch PHTK và đường truyền cho biết đường truyền có tổng chiều dài từ đầu vào tới tải là 2λ.

STT Tần số trungtâm (Ghz)

Hệ số phản xạ Điện môi trên ADS và HFSS

Bảng 1.2.2 Thông số thiết kế mạch phối hợp trở kháng

1.2.2 Phân công công việc trong nhóm

Họ tênMSSV

1 Đỗ Hữu Phước20213723

Lý thuyết, tính toán đồ thị Smith, phân côngcông việc, viết báo cáo và làm slide

Nhóm trưởng

2 Phạm Hữu QuangKhải20210461

Lý thuyết, tính toán đồ thị Smith,chỉnh sửa bổ sung báo cáo, slide và thuyết trình

Thành viên

3 Phùng Huy Phong20213721

Lý thuyết, tính toán thông sốmô phỏng ADS

Lý thuyết, báo cáo, slide Thành viên

Bảng 1.2.2 Phân công công việc

Trang 15

PHTK lý tưởng PHTK sử dụngđường truyền vi dải

trên ADS

PHTK sử dụngđường truyền vi dải

trên HFSSBăng thông cho

S11 <-10 dB

Biên độ hệ số phảnxạ tại tần số trungtâm ¿Γ ∨¿min¿

Bảng 3.1.1 So sánh kết quả mô phỏng

3.1.2 Tại điểm điện áp cực tiểu

a Mô phỏng mạch PHTK thiết kế lý tưởngMô phỏng trên ADS:

HInh 3.1.2.1 Mạch PHTK thiết kế lý tưởng sử dụng đoạn dây chêm chiều dài λ4tại điện áp cực tiểu (mô phỏng ADS)

Kết quả đạt được như sau:

Trang 16

Băng thông cho S11 < -10 dB : 17.85%

b Mô phỏng mạch PHTK sử dụng dạng đường truyền vi dải

Mô phỏng trên ADS:

Trang 17

HInh 3.1.2.2 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng đoạn dây chêm chiều dài λ4tại điện áp cực tiểu (mô phỏng ADS)

Trang 19

c So sánh kết quả

trên ADS

S11 <-10 dB

Bảng 3.1.2 So sánh kết quả mô phỏng

3.2 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm song song

3.2.1 Trường hợp 1: Tại điểm yd 1

3.2.1.1 Trường hợp hở mạch

a Mô phỏng mạch PHTK thiết kế lý tưởngMô phỏng trên ADS:

Trang 20

HInh 3.2.1.1 Mạch PHTK thiết kế lý tưởng sử dụng dây chêmsong song hở mạch trường hợp 1 (mô phỏng ADS)

Trang 21

b Mô phỏng mạch PHTK sử dụng dạng đường truyền vi dảiMô phỏng trên ADS

HInh 3.2.1.2 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêmsong song hở mạch trường hợp 1 (mô phỏng ADS)

Trang 22

Mô phỏng trên HFSS

HInh 3.2.1.3 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêmsong song hở mạch trường hợp 1 (mô phỏng HFSS)

Trang 23

trên ADS

S11 <-10 dB

Trang 24

Trang 25

HInh 3.2.1.6 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêmsong song ngắn mạch trường hợp 1 (mô phỏng ADS)

Trang 26

Trang 27

HInh 3.2.1.7 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêmsong song ngắn mạch trường hợp 1 (mô phỏng HFSS)

Trang 28

trên ADS

trên HFSSBăng thông

S11 <-10 dB

Trang 29

Trang 30

HInh 3.2.2.2 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêmsong song hở mạch trường hợp 2 (mô phỏng ADS)

Trang 31

HInh 3.2.2.3 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêmsong song hở mạch trường hợp 2 (mô phỏng HFSS)

a So sánh kết quả

Trang 32

trên ADS

S11 <-10 dB

Trang 33

b Mô phỏng mạch PHTK sử dụng dạng đường truyền vi dải

Mô phỏng trên ADS

HInh 3.2.2.6Mạch PHTKđường truyền vi

dải sử dụng dâychêm

Trang 34

song song ngắn mạch trường hợp 2 (mô phỏng ADS)

Trang 35

HInh 3.2.2.7 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêmsong song ngắn mạch trường hợp 2 (mô phỏng HFSS)

a So sánh kết quả

Trang 36

trên ADS

S11 <-10 dB

bằng 0 tại tần số trung tâm 3.25GHz ( lý tưởng ¿Γ ∨¿min=0 tại tần số trung tâm ¿

3.25GHz) Trong đó, mạch PHTK thiết kế lý tưởng hầu hết các trường hợp đều cho

¿Γ ∨¿min¿ là nhỏ nhất => Kết quả phù hợp

- Vùng băng thông cho S11 <-10 dB khi mô phỏng PHTK trên đường truyền vi dải bằng phần mềm ADS là rộng nhất, sau đó là mô phỏng trên đường truyền vi dải bằng phần mềm HFSS và thấp nhất là mạch lý tưởng.

Nguyên nhân dẫn đến các sự sai lệch: Các sai số trong quá trình mô phỏng sinh ra là

do sai số trong việc sử dụng đồ thị Smith, làm tròn các giá trị khi tính toán

Hướng giải quyết:

- Kết hợp sử dụng đồ thị Smith và lý thuyết về PHTK.

- Sử dụng tune điều chỉnh để phát hiện sai số trong quá trình mô phỏng để biên độ phản xạ tối ưu về 0.