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
Lý thuyết cơ bản
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.
− Công suất cực đại được phân phối tới tải khi tải PHTK với đường truyền.
− Công suất tổn hao trên đường truyền được tối thiểu hóa.
− Cải thiện tỷ số tín hiệu/ tạp âm (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.
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:
Mục đích phối hợp trở kháng
− Đường truyền được xem là PHTK khi Z0=ZL và không có phản xạ trên đường truyền.
− Mục đích của mạng PHTK là chuyển đổi trở kháng tải Z L thành trở kháng vào Z¿ bằng với trở kháng đặc tính đường truyền Z0.
Các kỹ thuật phối hợp trở kháng
− 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 phỏp trờn, ta chỳ trọng phương phỏp PHTK dựng biến đổi ẳ bước súng và phương pháp sử dụng 1 dây chêm song song trong bài báo cáo này.
Biến đổi ẳ bước súng
1.1.4.1 Đặc điểm bộ biến đổi
− Bộ biến đổi ẳ bước súng chỉ sử dụng khi trở khỏng 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 ẳ bước súng.
1.1.4.2 Xác định trở kháng nhìn vào đường truyền trở kháng đặc tính Z 1
− Để xỏc định trở khỏng nhỡn vào đường truyền trở khỏng đặc tớnh Z , độ dài ẳ bước súng 1 nối tải thuần trở Z , sử dụng công thức:L
− Hệ số phản xạ trên đường truyền chính: Γ =Z¿−Z0
− Biên độ của hệ số phản xạ: ¿Γ∨¿ ¿Z L −Z 0 ∨ ¿
− Giả sử tần số khảo sát lân cận f , khi đó phương trình (*) trên trở thành: 0 ¿Γ∨≃¿Z L −Z 0 ∨ ¿
HInh 1.1.3 Băng thụng của bộ biến đổi ẳ bước súng.
− Với sóng TEM, độ rộng băng thông tương đối ∆ f f 0 được xác định như sau:
HInh 1.1.4 Băng thông tương đối phụ thuộc tỷ lệ giữa Z và Z L 0
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 L 0 L ⟹ 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 yd l
− Đảm bảo dẫn nạp tổng y = y + y = 1tot d l a) b)
HInh 1.1.6 PHTK sử dụng 1 dây chêm song song hở mạch (a) hoặc ngắn mạch (b)
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 n si u cao t:n, l* t
s8 d ng cho đ ng truy/n kh6ng t?n hao C% hai d(ng biAu diBn l* tr+ kh-ng chuCn h%a t(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 ch%ng đ c bi n đG, g%c pha, h s! ph'n x(
Đề tài thiết kế
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: a Dây chêm độ dài λ
4 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 trung tâm (Ghz)
Hệ số phản xạ Điện môi trên ADS và HFSS
Bảng 1.2.2 Thông số thiết kế mạch phối hợp trở kháng
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm song song
3.2.1.1 Trường hợp hở mạch a Mô phỏng mạch PHTK thiết kế lý tưởng
HInh 3.2.1.1 Mạch PHTK thiết kế lý tưởng sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 1 (mô phỏng ADS)
Kết quả đạt được như sau:
Băng thông cho S11 < -10 dB : 11.38% b Mô phỏng mạch PHTK sử dụng dạng đường truyền vi dải
HInh 3.2.1.2 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 1 (mô phỏng ADS)
Kết quả đạt được như sau:
HInh 3.2.1.3 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 1 (mô phỏng HFSS)
Kết quả đạt được như sau:
Băng thông cho S11 < -10 dB : 5.49% c So sánh kết quả
PHTK lý tưởng PHTK sử dụng đường truyền vi dải trên ADS
PHTK sử dụng đường truyền vi dải trên HFSS Băng thông cho
Biên độ hệ số phản xạ tại tần số trung tâm ¿Γ∨¿min¿
Bảng 3.2.1.1 So sánh kết quả mô phỏng
3.2.1.2 Trường hợp ngắn mạch a Mô phỏng mạch PHTK thiết kế lý tưởng
HInh 3.2.1.5 Mạch PHTK thiết kế lý tưởng sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trường hợp 1 (mô phỏng ADS)
Kết quả đạt được như sau:
Băng thông cho S11 < -10 dB : 6.15% b Mô phỏng mạch PHTK sử dụng dạng đường truyền vi dải
HInh 3.2.1.6 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trường hợp 1 (mô phỏng ADS)
Kết quả đạt được như sau:
HInh 3.2.1.7 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trường hợp 1 (mô phỏng HFSS)
Kết quả đạt được như sau:
Băng thông cho S11 < -10 dB : 6.36% c So sánh kết quả
PHTK lý tưởng PHTK sử dụng đường truyền vi dải trên ADS
PHTK sử dụng đường truyền vi dải trên HFSS Băng thông
Biên độ hệ số phản xạ tại tần số trung tâm ¿Γ∨¿ min ¿
Bảng 3.2.1.2 So sánh kết quả mô phỏng
3.2.2 Trường hợp 2: Tại điểm yd 2
3.2.2.1 Trường hợp hở mạch a Mô phỏng mạch PHTK thiết kế lý tưởng
HInh 3.2.2.1 Mạch PHTK thiết kế lý tưởng sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 2 (mô phỏng ADS)
Kết quả đạt được như sau:
Băng thông cho S11 < -10 dB : 10.77% b Mô phỏng mạch PHTK sử dụng dạng đường truyền vi dải
HInh 3.2.2.2 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 2 (mô phỏng ADS)
Kết quả đạt được như sau:
HInh 3.2.2.3 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song hở mạch trường hợp 2 (mô phỏng HFSS)
Kết quả đạt được như sau:
Băng thông cho S11 < -10 dB : 8.74% a So sánh kết quả
PHTK lý tưởng PHTK sử dụng đường truyền vi dải trên ADS
PHTK sử dụng đường truyền vi dải trên HFSS Băng thông cho
Biên độ hệ số phản xạ tại tần số trung tâm ¿Γ∨¿ min ¿
Bảng 3.2.2.1 So sánh kết quả mô phỏng
Tương tự với mạch PHTK sử dụng dây chêm song song ngắn mạch TH2, kết quả mô phỏng thu được: a Mô phỏng mạch PHTK thiết kế lý tưởng
HInh 3.2.2.5 Mạch PHTK thiết kế lý tưởng sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trường hợp 2 (mô phỏng ADS)
Kết quả đạt được như sau:
Băng thông cho S11 < -10 dB : 38.15% b Mô phỏng mạch PHTK sử dụng dạng đường truyền vi dải
HInh 3.2.2.6Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trường hợp 2 (mô phỏng ADS)
Kết quả đạt được như sau:
HInh 3.2.2.7 Mạch PHTK đường truyền vi dải sử dụng dây chêm song song ngắn mạch trường hợp 2 (mô phỏng HFSS)
Kết quả đạt được như sau:
Băng thông cho S11 < -10 dB : 37.43% a So sánh kết quả
PHTK lý tưởng PHTK sử dụng đường truyền vi dải trên ADS
PHTK sử dụng đường truyền vi dải trên HFSS Băng thông cho
Biên độ hệ số phản xạ tại tần số trung tâm ¿Γ∨¿ min ¿
Bảng 3.2.2.2 So sánh kết quả mô phỏng
Tổng kết và nhận xét
Sau khi thực hiện tính toán và mô phỏng, nhóm thực hiện nhận thấy:
- Chú thích của kết quả được chỉ thị rõ ràng.
- Điểm dấu đặt đúng vị trí nhằm cho việc tính toán xem PHTK là tốt hay không Điểm dấu (marker) đặt trong HFSS đã được đặt khá chính xác tại các điểm có S11=-10dB – freq=3.25GHz (đồ thị dB(S11)) và điểm có biên độ phản xạ thấp nhất ¿Γ∨¿ min ¿ (đồ thị mag(S11)) Tuy nhiên, trong mô phỏng ADS marker có sai số khi đặt ( Kết quả phù hợp
- Vùng băng thông cho S11
