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

1.1.1 Mục đích của ph i hợp trở kháng ố• Công suất cực đ i đưạ ợc phân phố ới t i tải khi t i ph i hả ố ợp tr kháng vở ới đường truyền • Công suất tổn hao trên đư ng truyờ ền được tối th

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN

Hà Nội, 12 20/22

a Đường truy n đ dài ề ộ 𝜆/4

b Một dây chêm mắc song song (Shunt Stub) c Phần tử L,C

o Kiểm tra thi t kế ở ế bước 1 sử dụng ph n mầ ềm Advanced Design System (ADS) với giả thiết đây là các đư ng truy n vi dờ ề ải (Microstrip line) cụ thể: ü Mô phỏng để xác đ nh các tham sị ố của m ch PHTK trên vùng băng thông ạ

1 GHz

ü Vẽ mạch in c a m ch PHTK và đưủ ạ ờng truyền với phương pháp 1.(a), 1.(b) cho biết đường truy n có t ng chi u dài tề ổ ề ừ đầu vào tới t i là ả 2,5𝜆

MỤC LỤC

YÊU CẦU ĐỀ BÀI 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 3

1.1 Phối hợp trở kháng 3

1.1.1 Mục đích của phối hợp trở kháng 3

1.1.2 Các tiêu chí phối hợp trở kháng 3

1.1.3 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng 3

1.1.4 Phối hợp trở kháng bằng phương pháp phần tử tập trung (L, C) 3

1.1.5 Phối hợp trở kháng dùng biến đổi ¼ bước sóng 4

1.1.6 Phối hợp trở kháng dùng một dây chêm song song 5

1.2 Giải thích vấn đề thiết kế được giao 5

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 7

2.1 Phương pháp thiết kế mạch phối hợp trở kháng 7

2.1.1 Phối hợp trở kháng sử dụng phần tử LC 7

2.1.2 Sử dụng bộ biến đổi ¼ bước sóng 8

2.1.3 Sử dụng một dây chêm song song 8

1.1.1 Mục đích của ph i hợp trở kháng ố

• Công suất cực đ i đưạ ợc phân phố ới t i tải khi t i ph i hả ố ợp tr kháng vở ới đường truyền

• Công suất tổn hao trên đư ng truyờ ền được tối thiểu

• Cải thiện tỷ số SNR (Signal to Noise Ratio), thông qua vi c điều khi n sự phốệ ể i hợp tr kháng, bở ộ khuếch đại có thể hoạt động ở điểm có tạp âm nhỏ nhất • Giảm sự sai pha và biên độ

• Biến đối 1 4⁄ bước sóng

• Phương pháp 1 dây chêm hoặc 2 dây chêm • Sử dụng ph n tầ ử tập trung L; C

• Bộ biến đổi nhiều đoạn

Nội dung BTL này tập trung vào kỹ thuật ph i hố ợp tr kháng sở ử dụng bộ biến đổi ¼ bước sóng; sử dụng ph n tầ ử tập trung; phương pháp 1 dây chêm song song

1.1.4 Phối hợp trở kháng b ng phương pháp ph n tằầ ử tập trung (L, C)

• Phương pháp thường đư c sử dụợ ng với vùng tần số < 3 GHz• Gây ra sai số lớn khi t n sầ ố hoạt động cao

• Mạng hình 1.1a PHTK khi trở kháng tải chuẩn hóa 𝑧# = 𝑍#/𝑍" nằm trong vòng tròn 16 + 6𝑗𝑋 trên đồ thị Smith, ngược lại mạng hình 1 b PHTK khi 1 𝑧# nằm ngoài vòng tròn 16 + 6𝑗𝑋

• Một t i phả ức có thể được chuyển thành tải thuần trở bởi việc sử dụng một đoạn đường truy n có chi u dài thích h p giề ề ợ ữa tải và bộ phối hợp, hoặc dùng đoạn dây chêm nối tiếp hoặc song song phù hợp

Kỹ thuật này thường d n tẫ ới thay đ i sổ ự ụ ph thuộc tần số của tải tương đương và gây ra giảm độ rộng băng của sự phối hợp trở kháng

Hình 1.2 Mạch PHTK dùng bi n đế ổi ¼ bước sóng

5

1.1.6 Phối hợp trở kháng dùng m t dây chêm song song ộ

• Phối hợp tr kháng b ng 1 đo n dây chêm là phương pháp sở ằ ạ ử dụng một đoạn dây chêm ng n mắ ạch ho c hặ ở mạch kết n i song song hoố ặc nối tiếp với đường truyền chính ở một kho ng cách nh t đả ấ ịnh kể từ tả Ở i đây ta ch xét đo n dây ỉ ạsong song như hình bên dưới M t mộ ạch điều ch nh như vỉ ậy rất thuận ti n nhìn ệtừ khía c nh chạ ế tạo mạch cao tần Đặc biệt dây chêm điều ch nh song song rỉ ất dễ chế tạo dưới dạng đư ng truy n vi dờ ề ải hoặc đường truy n mề ạch dải Hơn nữa, phương pháp phối hợp này dễ điều ch nh và có dỉ ải tần hoạt động khá lớn • Trong mạch phối hợp trở kháng một dây chêm, hai tham số có thể điều ch nh ỉ

được là khoảng cách d từ tải t i v trí dây chêm và trớ ị ị số của điện n p hay điạ ện kháng t o ra bạ ởi dây chêm song song Ý tưởng cơ b n là ch n ả ọ 𝑑 sao cho dẫn n p ạ𝑌nhìn vào đư ng dây ờ ở khoảng cách 𝑑 tính từ phía t i ph i có dả ả ạng 𝑌 = 0 + 𝑗𝐵 Khi đó dẫn n p do dây chêm t o ra đưạ ạ ợc chọn là −𝑗𝐵, ta được trạng thái phối hợp trở kháng

Hình 1.3 Mạch phối hợp tr kháng một dây chêm song song ở 1.2 Giải thích v n đề ấ thiết k được giao ế

Đường truy n có ề trở kháng đặc tính 50 Ω đư c nối v i t i Hợ ớ ả ệ số phản xạ của tải được cho trước Г#= 0,72 𝑒&'()) Tổng chi u dài tề ừ đầu vào tới t i là ả 2,5𝜆 Tần số trung tâm 3,5 GHz

ü Yêu cầu 1: Sử dụng đồ ị th Smith đ tính toán, thi t kể ế ế mạch phối hợp tr kháng ở tại tần số 𝑓 đã cho ở trên, sử dụng phương pháp:3

• Phương pháp 1: Sử dụng các phần tử tập trung L,C để phối hợp trở kháng Cần tính toán đ xác đ nh giá trể ị ị của L, C trong cả hai trư ng hờ ợp • Phương pháp 2: Sử dụng m t đoạộ n đư ng truyờ ền có chi u dài thích h p ề ợ

𝑑 giữa tải và bộ ối hợph p, chuy n một t i phứể ả c thành tải thu n tr do bầ ở ộ ghép ¼ ch dùng cho tỉ ải thuần trở

• Phương pháp 3: Sử dụng 1 dây chêm song song có đ dài ộ 𝑙, dây chêm cách tải m t đoộ ạn 𝑑 để phối hợp tr kháng C n tính toán đở ầ ể xác đ nh giá ịtrị của 𝑙 và 𝑑 trong 2 trường h p ng n mợ ắ ạch và hở mạch

ü Yêu cầu 2: Sau khi thiết kế xong theo yêu c u 1, ta sầ ử dụng ph n mầ ềm ADS để mô phỏng, kiểm tra lại bước tính toán, thiết kế ở yêu c u 1 Giầ ả thiết đây là đường truyền vi dải và mô phỏng trên băng thông 1 GHz Sau khi mô ph ng, vỏ ẽ mạch in của m ch phạ ối hợp tr kháng và đưở ờng truyền

7

2.1 Phương pháp thiết kế mạch phối hợp tr khángở

2.1.1 Phối hợp trở kháng sử dụng ph n tầ ử LC

• Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa 𝑧*#

o Nếu 𝑧*# nằm trong đường tròn 1 + 𝑗𝑋, ta dùng mô hình sau:

o Sau đó, ta áp dụng công thức sau để tính : Điều ki n phệ ối hợp trở kháng :

𝑍"= 𝑗𝑋 + 1𝑗𝐵 +𝑅 + 𝑗𝑋1

: Suy ra

• Nếu 𝑧*# nằm ngoài đường tròn 1 + 𝑗𝑋, ta dùng mô hình sau :

Sau đó áp dụng công thức sau để tính giá trị của L và C.Điều ki n phệ ối hợp trở kháng :

𝑍"= 𝑗𝑋 + 1𝑗𝐵 +𝑅 + 𝑗𝑋1

: Suy ra

𝑋 = ±D𝑅#(𝑍"− 𝑅#) − 𝑋#

• Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa 𝑧*#

• Di chuyển điểm tả ề vị i v trí có giá trị tải là s thực, m t 1 khoảng có đ dài ố ấ ộ 𝑑 • Độ dài kho ng cách điả ểm đặt dây chêm so v i tớ ải là 𝑑

• Ở tại tần s trung tâm ố 𝑓":

o Trở kháng của dây chêm là: 𝑍(= 𝑍# 𝑍"

𝛽𝑙6 =2𝜋𝜆 𝜆4 =2𝜆

2.1.3 Sử dụng một dây chêm song song

• Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa 𝑧*#

• Vẽ đường tròn và xác đ nh d n n p chu n hóa cị ẫ ạ ẩ ủa tải 𝑦*# (đối xứng với 𝑧*# qua tâm)

• Di chuyển theo chi u kim đ ng hề ồ ồ (WTG) dọc theo đường tròn giao với 1 ± 𝑗𝐵 suy ra giá trị của 𝑦+

• Xác định 𝑑 = chiều dài từ 𝑦*# đến 𝑦+ • Xác định 𝑦, tại điểm ∓𝑗𝐵

• Phụ thuộc dây chêm ngắn mạch hay hở mạch di chuyển tới 𝑦, (theo WTG) • Độ dài dây chêm 𝑙 = khoảng cách di chuyển

9 𝛤#=𝑍#− 𝑍"

𝑍#+ 𝑍"6 ⇒ 6𝑍#

𝑍"= 0,2111+ 0,5353𝑗 Điểm t i trên đồ thị Sả mith:

𝐴(0,2111 5353 ; 0, )⇒ 𝑍#= 10 556 26 765, + , 𝑗6(Ω)

2.2.1 Phương pháp ần tử phL,C

• Bước 1: Xác định vị trí của hệ số phản xạ ứng v i điớ ểm tải trên đồ thị và vẽ đường tròn hệ số ản xạ ph

Điểm t i ả ứng với giá trị trở kháng tải chuẩn hóa:

Vì 𝑧*# nằm ngoài đường tròn 1 + 𝑗𝑋 nên ta sử dụng mô hình sau:

• Bước 2: Áp dụng công thức đã nêu ở trên:o Trường h p 1:ợ

𝑋 = D𝑅#(𝑍"− 𝑅#) − 𝑋#= D10 556, (50 10 556− , ) − 26 765,= −6.36

⇒ 𝑥 = −0.127 𝐵 =C𝑍

"− 𝑅#

𝑍" =C50 10 556− ,10 556,

⇒ 𝑏 = 1.935 Suy ra:

𝐶(=2𝜋𝑓 𝑍𝑏

"=2 𝜋 3,5.10 501.935- = 1,76(𝑝𝐹) 𝐶)=2𝜋𝑓 𝑥 𝑍−1

"=2𝜋 3,5.10-−1.(−0.127) 50 = 7,1616(𝑝𝐹)o Trường h p 2:ợ

𝑋 = −D𝑅#(𝑍"− 𝑅#) − 𝑋#= −D10 556, (50 10 556− , ) − 26 765,= −47 17

⇒ 𝑥 = −0,943 𝐵 = −C𝑍

"− 𝑅#

𝑍" = −C50 10 556− ,10 556,

Suy ra : 𝐶 =2𝜋𝑓 𝑥 𝑍−1

"=2𝜋 3,5.10-.−1(−0,943) 50 = 0,96446(𝑝𝐹)𝐿 = −𝑍"

2𝜋𝑓𝑏 =2𝜋𝑓𝐵 =−1 2 𝜋 3,5.10−1- (−0,0387) = 1.1756(𝑛𝐻)

2.2.2 Phương pháp sử dụng dây chêm song song

Với 𝑧*#= 0,2111+ 0,5353𝑗 Từ 𝑧*# kẻ đừng th ng qua tâm đẳ ồ ị cắth t đường tròn SWR, ta được 𝑦*#= 0.61− 1 𝑗 tạ ị 66 i v trí 0,329 𝜆

Quay điểm này quanh đường tròn SWR tới khi gặp điểm có phần thực bằng 1, ta tìm được điểm d n n p ẫ ạ 𝑦′*#= 1 − 2 𝑗15

• Dây chêm song song ngắn m ch ạ

Trường hợp 1: V trí giao điị ểm thứ nhất giữa đường tròn SWR với đường tròn 1 + 𝑗𝑏 là 𝑦(= 1 + 𝑗2.15 tạ ị i v trí 0,1 𝜆91

o Chiều dài từ tải đ n dây chêm khi đó ế là chiều dài từ tải đ n dây chêm t i ế ạđiểm 𝑦( là 𝑑(= (0,5𝜆 − 0,329 ) + 0,191𝜆 = 0,𝜆 362 𝜆

o Chiều dài dây chêm −𝑗𝑏 = −𝑗2.15 tạ ị i v trí 0,319 , nên chiều dài dây 𝜆chêm là 𝑙(= 0,319𝜆 − 0,25𝜆 = 0,069 𝜆

11 Trường hợp 2: Vị trí giao điểm giữa đường tròn SWR với đường tròn 1 + 𝑗𝑏 tại 𝑦)= 1 − 𝑗2.15 tạ ị i v trí 0,309 𝜆

o Chiều dài từ tải đ n dây chêm khi đóế là chiều dài từ tải đ n dây chêm t i ế ạđiểm 𝑦) là 𝑑)= (0,5𝜆 − 0,329 ) + 0.309 = 0, 𝜆𝜆 48

o Chiều dài dây chêm −𝑗𝑏 = 𝑗0,9 tại vị trí 0,181 , nên chiều dài dây chêm 𝜆là 𝑙)= 0,5𝜆 − 0,25𝜆 + 0,181𝜆 = 0,431𝜆

• Dây chêm song song hở mạch:

Trường hợp 1: V trí giao điị ểm thứ nhất giữa đường tròn SWR với đường tròn 1 + 𝑗𝑏 là 𝑦(= 1 + 𝑗2,15 tạ ị i v trí 0,191 𝜆

o Chiều dài từ tải đến dây chêm khi đó chiều dài từ tải đ n dây chêm t i ế ạđiểm 𝑦( là 𝑑(= (0,5𝜆 − 0,329 ) + 0,191𝜆 = 0,𝜆 362 𝜆

o Chiều dài dây chêm −𝑗𝑏 = −𝑗0,9 tạ ị i v trí 0,319 , nên chiều dài dây 𝜆chêm là 𝑙(= 0,319𝜆

Trường hợp 2: Vị trí giao điểm giữa đường tròn SWR với đường tròn 1 + 𝑗𝑏 tại 𝑦)= 1 − 𝑗2,15 tạ ị i v trí 0,309 𝜆

o Chiều dài từ tải đến dây chêm khi đó chiều dài từ tải đ n dây chêm t i ế ạđiểm 𝑦) là 𝑑)= (0,5𝜆 − 0,329 ) + 0,309𝜆 = 0, 𝜆𝜆 48

o Chiều dài dây chêm −𝑗𝑏 = 𝑗0,9 tại vị trí 0,181 , nên chiều dài dây chêm 𝜆là 𝑙)= 0,181𝜆

Hình 3.3 Mạch đi n mô ph ng PHTK dùng ph n tệ ỏ ầ ử LC-2 Kết quả mô phỏng:

16 Hình 3.4 Kết quả mô phỏng cho PHTK dùng m ch ph n tạ ầ ử LC-2

Nhận xét:

• Kết quả mô phỏng cho th y điấ ểm tối ưu cho PHTK nằm tạ ần số 3,5 GHz i t• Tham số S11 tại tần s 3,5 GHz xuống đ n ố ế -61,527 dB và biên độ hệ số phản xạ

là 8,388 10 '0

3.2 Mô phỏng PHTK b ng bằ ộ biến đổi ¼ bước sóng

3.2.1 Trường h p 1:ợ

Sơ đồ mô phỏng:

Hình 3.5 Mạch điện mô phỏng PHTK dùng bộ biến đổi ¼ bước sóng - 1

Kết quả mô phỏng:

18 Hình 3.6 Kết quả mô phỏng cho PHTK dùng bộ biến đổi ¼ bước sóng - 1

Hình 3.8 Mạch điện mô phỏng PHTK dùng b biến đổi ¼ bước sóngộ Kết quả mô phỏng:

20 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng cho PHTK dùng bộ biến đổi ¼ bước sóng

Sơ đồ mạch layout:

Hình 3.10 Sơ đồ mạch layout khi PHTK dùng bộ biến đổi ¼ bước sóng

Nhận xét:

• Biên độ hệ số phản x có giá tr 0.041, Sạ ị 11 đạt -27,82 dB

3.3 Mô phỏng PHTK b ng m t đo n dây chêm song song ằ ộ ạ

22 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng cho PHTK dùng dây chêm song song hở mạch(1) Sơ đồ mạch layout:

Hình 3.13 Sơ đồ mạch layout khi PHTK dùng dây chêm song song hở mạch(1)Nhận xét k t quả: ế

• Kết quả mô phỏng cho th y điấ ểm tối ưu cho PHTK nằm tại tần số 3,5 GHz • Biên độ hệ số phản x là 0,0 ; Sạ 42 11 đạt -27,63 dB6

b) Dây chêm ngắn m ch: ạ

Sơ đồ mô phỏng:

Hình 3.14 Mạch điện mô phỏng PHTK dùng dây chêm ngắn mạch(1)Kết quả:

24 Hình 3.15 Kết quả mô phỏng cho PHTK dùng dây chêm song song ng n mắ ạ (1) chSơ đồ mạch layout:

Hình 3.16 Sơ đồ mạch layout khi PHTK dùng dây chêm song song ngắn mạch(1)Nhận xét k t quả ế mô phỏng:

• Biên độ hệ số phản x có giá tr 0.035, Sạ ị 11 đạt -29,225dB

26 Hình 3.18 Kết quả mô phỏng cho PHTK dùng dây chêm song song hở mạch (2)Sơ đồ mạch layout:

Hình 19 3 Sơ đồ mạch layout khi PHTK dùng dây chêm song song hở mạch (2)Nhận xét kết quả mô phỏng:

• Biên độ hệ số phản x có giá tr 0.028, Sạ ị 11 đạt -30,927dB

b) Dây chêm ngắn m ch ạ

Sơ đồ mô phỏng:

Hình 3.20 Mạch điện mô phỏng PHTK dùng dây chêm ngắn mạch(2)Kết quả mô ph ng:ỏ

28 Hình 3.21 Kết quả mô phỏng cho PHTK dùng dây chêm song song ng n mắ ạch (2)Sơ đồ mạch layout:

Hình 3.22 Sơ đồ mạch layout khi PHTK dùng dây chêm song song hở mạch (2)

Nhận xét k t quả ế mô phỏng:

• Biên độ hệ số phản x có giá tr 0.029, Sạ ị 11 đạt -30,787dB

KẾT LUẬN

Sau khi thực hiện tính toán sử dụng đồ ị th Smith và kiểm chứng mô ph ng trên ỏADS, em nhận th y k t qu tính toán qua đấ ế ả ồ thị Smith khá chính xác, nhưng do tính toán thủ công nên trong quá trình th c hiự ện v n có nh ng sai sẫ ữ ố nhưng không ảnh hư ng ởlớn đ n kế ết quả mô phỏng

Thông qua việc tính toán trên đồ thị Smith và mô ph ng phỏ ối hợp trở kháng trên phần mềm ADS, em đã được th c hành và xự ử lý bài toán ph i hố ợp trở kháng cho đư ng ờtruyền siêu cao t n là một ph n ki n thầ ầ ế ức khá quan tr ng trong họ ọc phần Kỹ thuật siêu cao tần Đ ng thồ ời việc thao tác và sử dụng ph n mầ ềm mô phỏng ADS giúp b n thân ảem có cách nhìn và th c hành tr c quan hơn vự ự ề phối hợp tr kháng cho đư ng truy n ở ờ ềsiêu cao tần để từ đó học tập và hoàn thi n tệ ốt hơn nữa các bài tập và ki n thế ức cho bản thân

Do thời gian và kiến thức có hạn nên trong quá trình tính toán và mô ph ng ỏkhông tránh khỏi những sai sót Em mong nh n đưậ ợc nhiều đánh giá của thầy về bài t p ậlớn để em có thể hoàn thi n làm tệ ốt hơn trong những bài sau này Em chân thành cảm ơn thầy