Thông qua việc điều khiển sự PHTK,bộ khuếch đại có thể hoạt động ở điểm có tạp âm nhỏ nhất.Phố i hợ p t rở kh án g t ron g một m ạn g p hâ n p hố i c ông s uấ t mạ ng nu ôi antmảng sẽ g
Giải thích về vấn đề thiết kế được giao
Yêu cầu của đề tài
1 Đường truyền trở kháng đặc tính 50 Ω nối với tải, hệ số phản xạ tại tải được cho trong bảng dưới đây.
Dùng đồ thị smith để thiết kế mạch phối hợp trở kháng tại tần số đã cho sử dụng phương pháp: a Phần tử L, C b Đường truyền độ dài λ /4 c Một dây chêm mắc song song (Shunt Stub)
Hệ số phản xạ tải tải Điện môi trên ADS
Biên độ Pha (độ) ε r h(mm)
Bảng 1.1 Hệ số phản xạ tại tải
2 K i ể m t r a t h i ế t k ế ở b ư ớ c 1 s ử d ụ n g p h ầ n m ề m A d v a n c e d D e s i g n (ADS) với giả thiết đây là các đường truyền vi dải (Microstrip line) cụ thể:
- Mô phỏng để xác định các tham số của mạch PHTK trên vùng băng thông 1 GHz
- Vẽ mạch in của mạch PHTK và đường truyền với phương pháp 1.(a), 1.(b) cho b i ế t đ ư ờ n g t r u y ề n c ó t ổ n g c h i ề u
Giải thích yêu cầu
Yêu cầu 1: Sử dụng đồ thị Smith để tính toán, thiết kế mạch phối hợp trở kháng tại tần số f =1.75 GHz đã cho ở trên, sử dụng 3 phương pháp:
Phương pháp 1: Sử dụng phần tử thụ động nối tiếp hoặc phần tử tập trung L, C đ ể t h i ế t k ế m ạ n g P H T K t r o n g 2 t r ư ờ n g h ợ p t r ở k h á
ZNL nằm trong và ngoài đường tròn 1 + jx trên đồ thị Smith Mỗi trường hợp sẽ ứng với một sơ đồ mạch riêng.
Phương pháp 2: Sử dụng một đoạn đường truyền có chiều dài thích hợp d giữa tải và bộ phối hợp, chuyển một tải phức thành tải thuần trở do bộ ghộp ẳ chỉ dùng cho tải thuần trở.
Phương pháp 3: Sử dụng 1 dây chêm song song có độ dài l, dây chêm cách tải m ộ t đ o ạ n d đ ể p h ố i h ợ p t r ở k h á n g C ầ n t í n h t o á n đ ể x á c đ ị n h g i á t r l và d trong 2 trường hợp là dây chêm ngắn mạch song song và dây chêm hở mạch song song.
Yêu cầu 2: Sau khi thiết kế xong theo yêu cầu 1, ta sử dụng phần mềm ADS để mô phỏng, kiểm tra lại bước tính toán, thiết kế ở yêu cầu 1 Giả thiết đây là đường truyền vi dải và mô phỏng trên vùng băng thông 1 GHz Sau khi mô phỏng, vẽ mạch in của mạch phối hợp trở kháng và đường truyền đối với phương pháp 2 và phương pháp3.
Ba phương pháp PHTK trong yêu cầu của đề tài
PHTK bằng phương pháp phần tử tập trung (L, C)
Tần số hoạt động càng cao, PHTK cho sai số càng lớn.
Mạ n g PHT K hì n h 1-3a k h i t rở k há n g t ải c hu ẩ n h óa Z NL = Z L /Z 0 n ằ m t r on g đường tròn 1 + jx, mạng PHTK hình 1-3b khi Z NL nằm ngoài vòng tròn 1 + jx
Hình 1-3 Mạch PHTK dùng phần tử tập trung L, C
PHTK bằng phương phỏp đường truyền ẳ bước súng
B ộ b i ế n đ ổ i ẳ b ư ớ c s ú n g c h ỉ s ử d ụ n g tồn tại phần thực (không có thành phần ảo).
Sử dụng với bằng hẹp hoặc 1 tần số.
Dễ thiết kế và triển khai
Một tải phức có thể được chuyển thành tải thuần trở 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 của sự phối hợp trở kháng.
Hỡnh 1-4 Mạch PHTK dựng biến đổi ẳ bước súng
1.3.3 PHTK bằng phương pháp dùng một dây chêm mắc song song (shunt stub)
Phối hợp trở kháng bằng 1 đoạn dây chêm là phương pháp sử dụng một đoạn dây chêm ngắn mạch hoặc hở mạch kết nối song song hoặc nối tiếp với đường truyền chính ở một khoảng cách nhất định kể từ tải Ở đây ta chỉ xét đoạn dây song song như hình bên dưới Một mạch điều chỉnh như vậy rất thuận tiện nhìn từ khía cạnh chế tạo mạch cao tần Đặc biệt dây chêm điều chỉnh song song rất dễ chế tạo dưới dạng đường truyền vi dải hoặc đường truyền mạch dải Hơn nữa, phương pháp phối hợp này dễ điều chỉnh và có dải tần hoạt động khá lớn.
Trong mạch phối hợp trở kháng một dây chêm, hai tham số có thể điều chỉnh được là khoảng cách d từ tải tới vị trí dây chêm và trị số của điện nạp hay điện k h á n g t ạ o r a b ở i d â y c h ê m s o n g s o n g Ý t d sao cho dẫn nạp Ynhìn vào đường dây ở khoảng cách d tính từ phía tải phải c ó d ạ n g Y =0+ jB K h i đ ó d ẫ n n ạ p d o d â y c h ê m t ạ o r a đ ư ợ c
− jB, ta được trạng thái phối hợp trở kháng.
Hình 1-5 Mạch PHTK dùng một dây chêm song song
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN
Phương pháp thiết kế mạch phối hợp trở kháng
2.1.1 Phương pháp sử dụng phần tử L, C
2.1.1.1 Sử dụng phần tử thụ động nối tiếp
Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa Z NL , vẽ đường tròn SWR = const.
Từ điểm tải ZNL theo chiều WTG, đường tròn SWR= const giao với đường tròn đẳng r = 1 tại 2 điểm, lựa chọn điểm gần tải nhất.
Tính toán khoảng cách từ tải đến điểm nối tiếp phần tử điện kháng và tính giá trị phần tử điện kháng.
2.1.1.2 Sử dụng phần tử tập trung L,C
TH1: Điểm tải chuẩn hóa Z NL nằm trong đường tròn 1+jx
Hình 2-6 Mạch PHTK dùng phần tử tập trung L, C ứng với trường hợp
Z NL nằm trong đường tròn 1+jx
Từ các giá trị B và X vừa tìm được ta tìm được các giá trị L và C tương ứng
TH2: Điểm tải chuẩn hóaZ NL nằm ngoài đường tròn 1+jx
Hình 2-7 Mạch PHTK dùng phần tử tập trung L, C ứng với trường hợp
Z NL nằm ngoài đường tròn 1+jx
Từ các giá trị B và X vừa tìm được ta tìm được các giá trị L và C tương ứng.
2.1.2 Phương phỏp sử dụng đường truyền ẳ bước súng
Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa Z NL
Trên đường tròn SWR = const xác định trở kháng tại điểm có điện áp cực đại hoặc cực tiểu gần tải nhất.
Theo chiều WTG, tính toán khoảng cách từ tải tới điểm cực đại hoặc cực tiểu.
2.1.3 Phương pháp sử dụng 1 dây chêm song song.
Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa ZNL.
YNL (đối xứng với ZNL qua tâm)
Từ Y NL di chuyển dọc theo đường tròn SWR = const theo chiều WTG, đường tròn SWR = const giao với đường tròn tại y.
Xác định d = chiều dài từ Y NL đến y d
Xác định yl tại điểm ∓jB.
P h ụ t h u ộ c d â y c h ê m n g ắ n m ạ c h h a y y l (theo chiều WTG) Độ dài dây chêm l = khoảng cách di chuyển.
2.2 Tính toán các kết quả
Từ b ả ng s ố l iệu ta t ín h t oá n c ác g i á tr ị củ a đư ờ ng t r uy ền v ới tr ở kh án g đ ặc tr
Hệ số phản xạ tại tải là: ΓL=0.53 e j 167 ≈−0.5164+ j0.1192
Từ hệ số phản xạ ta tìm ra trở kháng tải Γ L =zL−z0 zL+ z0
Trở kháng tải chuẩn hóa:
=0.31+ j 0.103 (tại vị trí 0.02λ trên WTG) trên đồ thị Smith.
2.2.1.1 Sử dụng một phần tử thụ động nối tiếp
Từ A theo chiều WTG, đường tròn SWR=const cắt đường tròn đẳng r =1 tại điểm gần tải nhất là B(1; 1.25) tại vị trí 0.17λ trên WTG Để phối hợp trở kháng ta cần mắc nối tiếp vào đường truyền một phần tử điện kháng có giá trị điện kháng là:
Z= j∗50∗ (−1.25)=− j∗62.5 Điện kháng nối tiếp mang dấu âm nên cần mắc thêm một tụ điện có điện dung là
Và điểm mắc cuộn cảm sẽ cách tải một đoạn có độ dài l = AB l= AB=0.17 λ−0.02 λ=0.15λ
Hình 2-8 Mô tả PHTK bằng nối tiếp phần tử điện kháng trên smith
2.2.1.2 Sử dụng phần tử tập trung
D o ZNL=0.31− j 0.103 n ằ m n g o à i đ ư ờ n g t r ò n 1 + j x n ê n t a s ẽ d ù n g s ơ đ ồ h ì n h 2 để phối hợp trở kháng cho đường truyền 50 ohm.
Thay R L.54 ,X L =5.15,Z 0 P ta được các giá trị X và B:
B1=0.0297 ;B2=−0.0297 Tại tần số f = 5.50 GHz ta có:
2.2.2 Phương phỏp đường truyền ẳ bước súng
Trở kháng tải xuất hiện thành phần phần ảo nên cần xác định điểm cực đại hoặc cực tiểu gần nhất với tải để triệt tiêu phần ảo đưa tải về thuần thực
TH1: Tại điểm cực tiểu A1 gần tải nhất
Z NA1 =0.3⇒Z A 1 Ωcó d V min=0.5 λ−0.02 λ=0 48λ Trở kháng đặc tính của đường truyền PHTK:
TH2: Tại điểm cực đại A2 gần tải nhất
ZNA2=3.2⇒ZA 20 Ω d V max=0.25 λ−0.02=0 23 λ Trở kháng đặc tính của đường truyền PHTK:
Hỡnh 2-9 Mụ tả PHTK bằng phương phỏp đường truyền ẳ bước súng trờn smith
2.2.3 Phương pháp sử dụng 1 dây chêm song song
Theo hướng WTG, đường tròn SWR = const cắt đường tròn đẳng r = 1 tại 2 điểm lần lượt là yd 1=1+ j 1.25 tại vị t rí 0.17 λ trên WTG vàyd 2=1− j1.25 tại vị t rí 0.33 λ trên WTG
TH1: Xét giao điểm là y d 1 =1+ j 1.25
Vị trí mắc dây chêm sẽ cách tải một đoạn có chiều dài làd 1 d1 được xác định từ 0.268 λ đến 0.17 λ trên thước đo WTG, do đó: d1=0.5 λ−(0.268 λ−0.17 )=0.402 λλ Điểm ngắn mạch trên đồ thị Smith có Y=∞ tại vị trí 0.25λ trên WTG Điểm hở mạch trên đồ thị Smith có Y = 0 tại ví trí 0λ trên WTG
T a s ẽ d i c h u y ể n c á c đ i ể m n g ắ n m ạ c h h o ặ c h ở m ạ c h đ ế n đ i ể m y l 1=− j1.25 ( t ạ i 0.358λ trên WTG) theo chiều WTG để xác định chiều dài dây chêm, do đó
Chiều dài dây chêm hở mạch là: l1=0.358 λ−0 λ=0.358 λ Chiều dài dây chêm ngắn mạch là : l 1 =0.358 λ−0.25 λ=0.108 λ
TH2: Xét giao điểm là yd 2=1− j1.25
Vị trí mắc dây chêm sẽ cách tải một đoạn có chiều dài :d2 d 2 được xác định từ 0.268 λ đến 0.33 λ trên thước đo WTG, do đó: d 2 =0.33 λ−0.268 λ=0.062 λ
T a s ẽ d i c h u y ể n c á c đ i ể m n g ắ n m ạ c h h o ặ c h ở m ạ c h đ ế n đ i ể my l 2 = j1.25 ( t ạ i 0.145λ trên WTG) theo chiều WTG để xác định chiều dài dây chêm, do đó
Chiều dài dây chêm hở mạch là: l 2 =0 145 λ−0 λ=0.145 λ Chiều dài dây chêm ngắn mạch là : l2=0.5 λ−(0.25 λ−0.145 λ 0.395 λ) Hình 2-10 Mô tả PHTK bằng phương pháp một dây chêm song song trên smith
MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN ADS
Mô phỏng PHTK bằng phần tử L, C
3.1.1 Sử dụng phần tử thụ động nối tiếp a Sơ đồ mô phỏng:
Hình 3-11 Sơ đồ mô phỏng PHTK dùng một tụ nối tiếp b Kết quả mô phỏng :
Hình 3-12 Kết quả mô phỏng cho PHTK dùng một tụ điện
3.1.2 Dùng phần tử tập trung
TH1: B 1 =0.0297; X 1 991 a Sơ đồ mô phỏng:
Hình 3-13 Sơ đồ mô phỏng PHTK dùng phần tử tập trung b Kết quả mô phỏng:
Hình 3-14 Kết quả mô phỏng cho PHTK dùng phần tử tập trung
TH2: B2=−0.0297 ;X2=−28.21 a Sơ đồ mô phỏng: a Kết quả mô phỏng:
Mụ phỏng PHTK bằng đường truyền ẳ bước súng
Hỡnh 3-15 Sơ đồ mụ phỏng PHTK đường truyền ẳ bước súng dựng điểm cực tiểu gần tải nhất b Kết quả mô phỏng:
Hỡnh 3-16 Kết quả mụ phỏng PHTK đường truyền ẳ bước súng dựng điểm cực tiểu gần tải nhất c Sơ đồ mạch in
Hỡnh 3-17 Sơ đồ mạch in đường truyền ẳ bước súng dựng điểm cực tiểu gần tải nhất
TH2: Tại điểm cực đại A2 gần tải nhất a Sơ đồ mô phỏng
Hỡnh 3-18 Sơ đồ mụ phỏng PHTK đường truyền ẳ bước súng dựng điểm cực đại gần tải nhất b Kết quả mô phỏng:
Hỡnh 3-19 Kết quả mụ phỏng PHTK đường truyền ẳ bước súng dựng điểm cực đại gần tải nhất c Sơ đồ mạch in
Hỡnh 3-20 Sơ đồ mạch in đường truyền ẳ bước súng dựng điểm cực đại gần tải nhất
Mô phỏng PHTK bằng một đoạn dây chêm song song
TH1: Xét giao điểm là y d 1=1+ j 1.25
1 Dây chêm ngắn mạch song song a Sơ đồ mô phỏng:
Hình 3-21 Sơ đồ mô phỏng PHTK dây chêm ngắn mạch song song TH1 b Kết quả mô phỏng:
Hình 3-22 Kết quả mô phỏng PHTK dây chêm ngắn mạch song song TH1 c Sơ đồ mạch in
Hình 3-23 Sơ đồ mạch in dây chêm ngắn mạch song song TH1
2 Dây chêm hở mạch song song a Sơ đồ mô phỏng:
Hình 3-24 Sơ đồ mô phỏng PHTK dây chêm hở mạch song song TH1 b Kết quả mô phỏng:
Hình 3-25 Kết quả mô phỏng PHTK dây chêm hở mạch song song TH1 c Sơ đồ mạch in
Hình 3-26 Sơ đồ mạch in dây chêm hở mạch song song TH1
TH2: Xét giao điểm là y d 1=1− j 1.25
1 Dây chêm ngắn mạch song song a Sơ đồ mô phỏng: b Kết quả mô phỏng:
Hình 3-28 Kết quả mô phỏng PHTK dây chêm ngắn mạch song song TH2 c Sơ đồ mạch in
Hình 3-29 Sơ đồ mạch in dây chêm ngắn mạch song song TH2
2 Dây chêm hở mạch song song a Sơ đồ mô phỏng:
Hình 3-30 Sơ đồ mô phỏng PHTK dây chêm hở mạch song song TH2 b Kết quả mô phỏng:
Hình 3-31 Kết quả mô phỏng PHTK dây chêm hở mạch song song TH2 c Sơ đồ mạch in
Hình 3-32 Sơ đồ mạch in dây chêm hở mạch song song TH2
