báo cáo bài tập lớn kỹ thuật siêu cao tần thiết kế mạch phối hợp trở kháng

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN

1.1.3 Tầm quan trọng của việc phối hợp trở kháng

1.1.4 Các yếu tố khi lựa chọn mạng PHTK

1.2 Giải thích về vấn đề thiết kế được giao 10

1.2.1 Yêu cầu của đề tài 10

1.2.2 Giải thích yêu cầu 10

1.3 Ba phương pháp PHTK trong yêu cầu của đề tài 11

1.3.1 PHTK bằng phương pháp phần tử tập trung (L, C) 11

1.3.2 PHTK bằng phương pháp đường truyền ¼ bước sóng 12

1 3 3 P H T K b ằ n g p h ư ơ n g p h á p d ù n g m ộ t d â y c h ê m m ắ c s o n g s o n gstub) 12

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN 14

2.1 Phương pháp thiết kế mạch phối hợp trở kháng 14

2.1.1 Phương pháp sử dụng phần tử L, C 14

2.1.2 Phương pháp sử dụng đường truyền ¼ bước sóng 15

2.1.3 Phương pháp sử dụng 1 dây chêm song song 15

2.2.1 Phương pháp phần tử L, C 16

2.2.2 Phương pháp đường truyền ¼ bước sóng 19

2.2.3 Phương pháp sử dụng 1 dây chêm song song 20

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN ADS 23

3.1 Mô phỏng PHTK bằng phần tử L, C 23

3.1.1 Sử dụng phần tử thụ động nối tiếp 23

3.1.2 Dùng phần tử tập trung 24

3.2 Mô phỏng PHTK bằng đường truyền ¼ bước sóng 25

3.3 Mô phỏng PHTK bằng một đoạn dây chêm song song 28

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 36

4.1 Kết quả và thảo luận 36

4.2 Kết luận 36

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Đồ thị Smith

Hình 1-2 Mô hình mạng PHTK

Hình 1-3 Mạch PHTK dùng phần tử tập trung L, C

Hình 1-4 Mạch PHTK dùng biến đổi ¼ bước sóng 10

Hình 1-5 Mạch PHTK dùng một dây chêm song song 11

H ì n h 2-1 M ạ c h P H T K d ù n g p h ầ n t ử t ậ p t r u n g L , C ứ n gZNL nằm trong đường tròn 1+jx 12

H ì n h 2-2 M ạ c h P H T K d ù n g p h ầ n t ử t ậ p t r u n g L , C ứ n gZNL nằm ngoài đường tròn 1+jx 13

H ì n h 2-3 M ô t ả P H T K b ằ n g n ố i t i ế p p hsmith 15

H ì n h 2-4 M ô t ả P H T K b ằ n g p h ư ơ n g p h á p đ ư ờ n g t r u y ề n ¼ smith 18

H ì n h 2-5 M ô t ả P H T K b ằ n g p h ư ơ n g p h á p m ộ t d â y c h ê msmith 20

Hình 3-1 Sơ đồ mô phỏng PHTK dùng một tụ nối tiếp 21

Hình 3-2 Kết quả mô phỏng cho PHTK dùng một tụ điện 22

Hình 3-3 Sơ đồ mô phỏng PHTK dùng phần tử tập trung 22

Hình 3-4 Kết quả mô phỏng cho PHTK dùng phần tử tập trung 23

Hình 3-5 Sơ đồ mô phỏng PHTK đường truyền ¼ bước sóng dùng điểm cực tiểu gầntải nhất 23

Hình 3-6 Kết quả mô phỏng PHTK đường truyền ¼ bước sóng dùng điểm cực tiểugần tải nhất 24

H ì n h 3-7 S ơ đ ồ m ạ c h i n đ ư ờ n g t r u y ề n ¼ b ư ớ c s ó n g d ù n g đ i ể m c ự c t i ể u g ầnhất 24

Hình 3-8 Sơ đồ mô phỏng PHTK đường truyền ¼ bước sóng dùng điểm cực đại gầntải nhất 25Hình 3-9 Kết quả mô phỏng PHTK đường truyền ¼ bước sóng dùng điểm cực đại gầntải nhất 25H ì n h 3-1 0 S ơ đ ồ m ạ c h i n đ ư ờ n g t r u y ề n ¼ b ư ớ c s ó n g d ù n g đ i ể m c ự c đ ạ i g ầ nnhất 26H ì n h 3-1 1 S ơ đ ồ m ô p h ỏ n g P H T K d â y c h ê m n gTH1 26H ì n h 3-1 2 K ế t q u ả m ô p h ỏ n g P H T K d â y c h ê m n g ắTH1 27Hình 3-13 Sơ đồ mạch in dây chêm ngắn mạch song song TH1 27Hình 3-14 Sơ đồ mô phỏng PHTK dây chêm hở mạch song song TH1 28H ì n h 3-1 5 K ế t q u ả m ô p h ỏ n g P H T K d â y c h ê m TH1 28Hình 3-16 Sơ đồ mạch in dây chêm hở mạch song song TH1 29H ì n h 3-1 7 S ơ đ ồ m ô p h ỏ n g P H T K d â y c h ê m n gTH2 30H ì n h 3-1 8 K ế t q u ả m ô p h ỏ n g P H T K d â y c h ê m n g ắTH2 30Hình 3-19 Sơ đồ mạch in dây chêm ngắn mạch song song TH2 31Hình 3-20 Sơ đồ mô phỏng PHTK dây chêm hở mạch song song TH2 32

H ì n h 3-2 1 K ế t q u ả m ô p h ỏ n g P H T K d â y c h ê m TH2 32Hình 3-22 Sơ đồ mạch in dây chêm hở mạch song song TH2 33

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hệ số phản xạ tại tải

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ LÝ THUYẾT

họ đường cong đẳng r và x , chỉ sử d ụng cho đườn g truyền khô ng tổn hao C ó hadạng biểu diễn là trở kháng chuẩn hóa tại điểm bất kì và hệ số phản xạ tại điểm bấtkì.

Hình 1-1 Đồ thị Smith

1.1.2 Kỹ thuật phối hợp trở kháng

Bài toán phối hợp trở kháng (PHTK) thường là một phần quan trọng của quátrình thiết kế hệ thống siêu cao tần Mạch phối hợp trở kháng thường là không tổnh a o t h e o l ý t ư ở n g M ụ c đ í c h c ủ a m ạ n g P H T K l à c h u y ể n

ZLt h à n h t r ở k h á n g v à o Z¿ b ằ n g v ớ i t r ở k h á n g đ ặ c t í n

Hình 1-2 Mô hình mạng PHTK

1.1.3 Tầm quan trọng của việc phối hợp trở kháng

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.

Cải thiện tỷ số Tín hiệu/tạp âm (SNR) 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 giảm sự sai pha và biên độ.

1.1.4 Các yếu tố khi lựa chọn mạng PHTK

Sự phức tạp: đơn giản, chi phí rẻ, dễ thực hiện, ít tổn hao.Băng thông: cần phối hợp trở kháng tốt trong 1 dải tần rộng.

Tính khả thi: tùy vào dạng đường truyền hoặc ống dẫn sóng mà quyết địnphương án phối hợp trở kháng.

Khả năng điều chỉnh: trong một số trường hợp có thể yêu cầu mạch phối hợptrở kháng hoạt động tốt khi trở kháng tải thay đổi.

1.2 Giải thích về vấn đề thiết kế được giao

1.2.1 Yêu cầu của đề tài

1 Đường truyền trở kháng đặc tính 50 Ω nối với tải, hệ số phản xạ tại tải đượccho trong bảng dưới đây.

Dùng đồ thị smith để thiết kế mạch phối hợp trở kháng tại tần số đã cho sửdụng phương pháp:

a Phần tử L, C

b Đường truyền độ dài λ /4

c Một dây chêm mắc song song (Shunt Stub)

T ầ n s ố t r u n g t â m(GHz)

Hệ số phản xạ tải tải Điện môi trên ADS

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 1GHz

- 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

2 λ.

1.2.2 Giải thích yêu cầu

Yêu cầu 1: Sử dụng đồ thị Smith để tính toán, thiết kế mạch phối hợp trở kháng tạitần 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, Cđ 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 sẽứng với một sơ đồ mạch riêng.

Phương pháp 2: Sử dụng một đoạn đường truyền có chiều dài thích hợp d giữatải và bộ phối hợp, chuyển một tải phức thành tải thuần trở do bộ ghép ¼ chỉdùng cho tải thuần trở.

Phương pháp 3: Sử dụng 1 dây chêm song song có độ dài l, dây chêm cách tải

1.3 Ba phương pháp PHTK trong yêu cầu của đề tài

1.3.1 PHTK bằng phương pháp phần tử tập trung (L, C)

P h ư ơ n g p h á p t h ư ờ n g đ ư ợ c s ử dGHz.

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 ZNL = ZL/Z0 n ằ m t r on gđường tròn 1 + jx, mạng PHTK hình 1-3b khi ZNL nằm ngoài vòng tròn 1 + jx

Hình 1-3 Mạch PHTK dùng phần tử tập trung L, C

1.3.2 PHTK bằng phương pháp đường truyền ¼ bước sóng

B ộ b i ế n đ ổ i ¼ b ư ớ c s ó n g c h ỉ s ử d ụ n gtồn 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 đoạnđường truyền có chiều dài thích hợp giữa tải và bộ phối hợp, hoặc dùng đoạndây chêm nối tiếp hoặc song song phù hợp

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

Hình 1-4 Mạch PHTK dùng biến đổi ¼ bước sóng

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 đoạndây chêm ngắn mạch hoặc hở mạch kết nối song song hoặc nối tiếp với đườngtruyền chính ở một khoảng cách nhất định kể từ tải Ở đây ta chỉ xét đoạn dâysong song như hình bên dưới Một mạch điều chỉnh như vậy rất thuận tiện nhìntừ khía cạnh chế tạo mạch cao tần Đặc biệt dây chêm điều chỉnh song songrất dễ chế tạo dưới dạng đường truyền vi dải hoặc đường truyền mạch dải Hơnnữa, 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 chỉnhđược 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

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN

2.1 Phương pháp thiết kế mạch phối hợp trở kháng

2.1.1 Phương pháp sử dụng phần tử L, C2.1.1.1 Sử dụng phần tử thụ động nối tiếp

Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa ZNL, vẽ đường tròn SWR = const.Từ điểm tải ZNL theo chiều WTG, đường tròn SWR= const giao với đường trònđẳng 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 giátrị phần tử điện kháng.

2.1.1.2 Sử dụng phần tử tập trung L,C

TH1: Điểm tải chuẩn hóa ZNL nằm trong đường tròn 1+jx

Hình 2-6 Mạch PHTK dùng phần tử tập trung L, C ứng với trường hợp

ZNL nằm trong đường tròn 1+jx

X =1B+

− Z0

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 hóaZNL nằm ngoài đường tròn 1+jx

Hình 2-7 Mạch PHTK dùng phần tử tập trung L, C ứng với trường hợp

ZNL nằm ngoài đường tròn 1+jx

X =±√RL(Z0−RL)−XL

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 pháp sử dụng đường truyền ¼ bước sóng

Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa ZNL.

Trên đường tròn SWR = const xác định trở kháng tại điểm có điện áp cực đạihoặc cực tiểu gần tải nhất.

Theo chiều WTG, tính toán khoảng cách từ tải tới điểm cực đại hoặc cực tiểu.T í n h t r ở k h á n g đ ặ c t í n h c ủ a đ

Z01=√Z0∗Zmax hoặc Z01=√Z0∗Zmin

2.1.3 Phương pháp sử dụng 1 dây chêm song song.Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa ZNL.

V ẽ đ ư ờ n g t r ò n S W R = c o n s t v à x á c đ ị n h d ẫ n n ạ p c h u

YNL (đối xứng với ZNL qua tâm)

Từ YNL di chuyển dọc theo đường tròn SWR = const theo chiều WTG, đườngtròn SWR = const giao với đường tròn 1 ±jB tại y.

Từ A theo chiều WTG, đường tròn SWR=const cắt đường tròn đẳng r =1 tại điểm gầntải 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 khángcó 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

C= 1ω∗60=

12 π∗5.50∗109

Ta có:

X =±√RL(Z0−RL)−XLB=±1

Thay RL=15.54 ,XL=5.15,Z0=50 ta được các giá trị X và B:

X1=17.991;X2=−28.21B1=0.0297 ;B2=−0.0297

Tại tần số f = 5.50 GHz ta có:

TH1: B1=0.0297; X1=17.991C1=B1

2 π∗5.50∗109=0.8594 pFL1=X1

2 π∗5.50 10∗ 9=0.5206 nH

TH2: B2=−0.0297 ;X2=−28.21C2= −1

2 π∗5.50 10∗ 9∗(−28.21)=1.0258 pFL2= −1

2 π∗5.50∗109

∗(−0.0297)=0.9743 nH

2.2.2 Phương pháp đường truyền ¼ bước sóng

Trở kháng tải xuất hiện thành phần phần ảo nên cần xác định điểm cực đạihoặc 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

Ta có:

ZNA1=0.3 ⇒ ZA 1=15 ΩcódV

max=0.25 λ−0.02=0 23 λ

Trở kháng đặc tính của đường truyền PHTK:

Z02=√Z0∗ZA2=√50∗160=89.44 (Ω)

Hình 2-9 Mô tả PHTK bằng phương pháp đường truyền ¼ bước sóng trên smith

2.2.3 Phương pháp sử dụng 1 dây chêm song song

T ừ t r ở k h á n g t ả i c h u ẩ n h ó a ZNL=0.31+ j0.103 ¿>YNL=2.8− j 1 ( t ạ i v ị t r í0.268λ trên WTG)

Theo hướng WTG, đường tròn SWR = const cắt đường tròn đẳng r = 1 tại 2 điểm lầnlượt 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 trênWTG

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 yl 1=− j1.25 ( t ạ i0.358λ 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 :

l1=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

d2 được xác định từ 0.268 λ đến 0.33 λ trên thước đo WTG, do đó:

d2=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 myl 2= j1.25 ( t ạ i0.145λ trên WTG) theo chiều WTG để xác định chiều dài dây chêm, do đó

Chiều dài dây chêm hở mạch là:

l2=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

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊNADS

3.1 Mô phỏng PHTK bằng phần tử L, C

3.1.1 Sử dụng phần tử thụ động nối tiếpa 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

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:

3.2 Mô phỏng PHTK bằng đường truyền ¼ bước sóng

TH1: Tại điểm cực tiểu A1 gần tải nhất

a Sơ đồ mô phỏng:

Hình 3-15 Sơ đồ mô phỏng PHTK đường truyền ¼ bước sóng dùng điểm cực tiểu gầntải nhất

b Kết quả mô phỏng:

Hình 3-16 Kết quả mô phỏng PHTK đường truyền ¼ bước sóng dùng điểm cực tiểu gầntải nhất

c Sơ đồ mạch in

Hình 3-17 Sơ đồ mạch in đường truyền ¼ bước sóng dùng điểm cực tiểu gần tải nhất

TH2: Tại điểm cực đại A2 gần tải nhất

a Sơ đồ mô phỏng

Hình 3-18 Sơ đồ mô phỏng PHTK đường truyền ¼ bước sóng dùng điểm cực đại gầntải nhất

b Kết quả mô phỏng:

Hình 3-19 Kết quả mô phỏng PHTK đường truyền ¼ bước sóng dùng điểm cực đại gầntải nhất

c Sơ đồ mạch in

Hình 3-20 Sơ đồ mạch in đường truyền ¼ bước sóng dùng điểm cực đại gần tải nhất

3.3 Mô phỏng PHTK bằng một đoạn dây chêm song song

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 songa 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 yd 1=1− j 1.25

1 Dây chêm ngắn mạch song songa 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 songa 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