Thu gọn kích thước và cải thiện băng thông mạch wilkinson

ii Lời cảm ơn Sau một thời gian học tập và nghiên cu tại trờng, nay học viên đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp cao học ca mình. Để có đợc thành quả này, học viên đã nhận đợc rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bứ. Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phan Hồng Phơng, ngời đã tận tình và trực tiếp hớng dẫn học viên thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô Trờng Đại Học S Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên những kiến thc rất bổ ích, quý báu để học viên tiến hành nghiên cu đề tài này. Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn quí Thầy, Cô Trờng Trung Cấp Kinh Tế Kỹ Thuật Long An đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập cũng nh trong thời gian làm luận văn. Và xin gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bứ đã giúp đỡ cho học viên rất nhiều, đã tạo cho học viên niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn. Xin chân thành cảm ơn! iii Mục Lục Trang Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục Lục iii Tóm tắt luận văn vi Danh sách các hình viii Danh sách các bảng xiv Danh sách các chữ viết tắt xv Chơng 1 Tổng quan 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 2 1.3. Mục tiêu và giới hạn của đề tài 9 1.4. Phương pháp nghiên cứu 10 1.5. Nội dung luận văn 10 Chơng 2 Cơ sở lý thuyết 12 2.1. Lý thuyết đưng truyền vi dải và ứng dụng của đưng truyền cộng hưng 12 2.1.1. Cấu trúc đờng vi dải đơn 12 2.1.2 ng dụng ca đờng truyền cộng hởng 14 iv 2.2. Mạch Wilkinson 19 2.2.1 Mô hình và cấu trúc mạch Wilkinson 19 2.2.2 Ma trận tán xạ [S] mạch Wilkinson 19 2.2.3 Nguyên lý hoạt động 24 2.2.4 u khuyết điểm ca mạch 24 2.2.5 ng dụng thực tế 25 Chơng 3 Thiết kế và mô phỏng cải tiến kích thớc mạch Wilkinson 26 3.1. Giới thiệu sơ lược về mạch Wilkinson truyền thống 26 3.2. Thiết kế và mô phỏng mạch Wilkinson truyền thống 27 3.2.1 Phần mềm hỗ trợ và yêu cầu 27 3.2.2 Các bớc thiết kế và mô phỏng 28 3.3. Thiết kế và mô phỏng mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật 30 3.3.1 Cơ sở lý thuyết ca việc rút gọn chiều dài 30 3.3.2 Phần mềm hỗ trợ và yêu cầu 33 3.3.3 Các bớc thiết kế và mô phỏng 34 3.4. Thiết kế và mô phỏng mạch Wilkinson dùng delta stub 36 3.4.1 Chng minh sự tơng đơng giữa delta stub với stub chữ nhật 36 3.4.2 Phần mềm hỗ trợ và yêu cầu 39 3.4.3 Các bớc thiết kế và mô phỏng 39 3.5. So sánh các thông số ma trận tán xạ của mạch Wilkinson 41 Chơng 4 Thiết kế và mô phỏng cải tiến băng thông mạch Wilkinson 47 4.1. Cơ s lý thuyết 47 4.1.1 Phân tích mode chẵn, mode lẻ 48 v 4.1.2 Tính toán các tham số ca ma trận tán xạ 50 4.1.3 Thiết kế thực nghiệm và các trờng hợp đặc biệt 51 4.2. Phần mềm hỗ trợ và yêu cầu 55 4.3. Các bước thiết kế và mô phỏng 56 4.3.1 Tính toán thiết kế và mô phỏng 56 4.3.2 Kết quả mô phỏng 56 4.3.3 Nhận xét 57 Chơng 5 Thi công, đo đạc và đánh giá 60 5.1. Thi công 60 5.2. Đo đạc 61 5.2.1 So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng mạch Wilkinson truyền thống 64 5.2.2 So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng Mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật 65 5.2.3 So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng mạch Wilkinson dùng delta stub 66 5.3. So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng mạch Wilkinson ghép hai tầng 70 5.4 Đánh giá 72 Chơng 6 Kết luận và hớng phát triển ca đề tài 73 6.1. Kết luận 73 6.1.1. Các kết quả đã đạt đợc trong đề tài 73 6.1.2. Hạn chế 73 6.2. Hướng phát triển của đề tài 74 Tài liệu tham khảo 75 vi Tóm tắt luận văn Luận văn này mô tả phương pháp cải tiến để thiết kế mạch chia công suất Wilkinson. Mạch Wilkinson tồn tại hai vấn đề chính cần nghiên cứu đó là rút gọn kích thước và tăng băng thông của mạch. Việc cải tiến kích thước dựa trên sự rút ngắn chiều dài của đưng truyền vi dải khi sử dụng stub và delta stub (tại tần số f 0 =2.4GHz) mà vẫn đáp ứng được tần số mong muốn. Luận văn cũng đưa ra phương pháp để m rộng băng thông của bộ chia công suất hoạt động  hai tần số f 1 =1.5GHz; f 2 =3.3GHz. Các mạch được thiết kế và tối ưu bằng phần mềm CST, sau đó được chế tạo sử dụng dải dẫn đồng với chất nền FR4 có hằng số điện môi 4.6 bằng phương pháp ăn mòn mạch in, rồi được đo đạc bằng máy ZVB8 Vector Network Analyzer và được so sánh với kết quả mô phỏng. Các kết quả mô phỏng và đo đạc cũng như các cải tiến phát triển được mô tả chi tiết trong luận văn. vii Abstract This thesis describes an improved methodology for designed Wilkinson power divider. Wilkinson power divider has two key issues for study: reducing size and increasing bandwidth of the divider. The improvements based on shortening length of the microstrip line using the stub and delta stub (at frequency f 0 =2.4GHz) that was maintained frequency response. This thesis also provides a method for bandwidth extension of the power divider (- 3dB) operating both 1.5GHz and 3.3 GHz. These dividers were designed and optimized using CST Microwave studio software, then fabricated using copper microstrip lines with a FR4 substrate (dielectric constant  r =4.6) by etching printed circuit boards, then measured with a Vector Network Analyzer ZVB8 and these experimental results were compared to the CST simulation. The results of simulation and measurement as well as the details of these development improvements are described. . viii Danh sách các hình Hình 1.1: Mô hình và bản phác thảo của mạch Wilkinson truyền thống 2 Hình 1.2: Bộ ghép với cấu trúc đồng trục cân bằng và mạch tương đương 3 Hình 1. 3: Đáp ứng bộ ghép công suất với cấu trúc đồng trục cân bằng 3 Hình 1. 4: Mạch thực tế cùng kết quả đo và mô phỏng của S 11 , S 21 , S 31 4 Hình 1. 5: Thiết kế Wilkinson mới theo đề xuất của Stephen Horst 5 Hình 1. 6: Mạch rút gọn dạng đối xứng – tất cả các tr kháng đã được chuẩn hóa 5 Hình 1. 7: Mạch tương đương của một mạch tích hợp 5 Hình 1. 8: Mạch chia sử dụng tapped line 6 Hình 1. 9: Các kết quả mô phỏng 6 Hình 1. 10: Mạch đề xuất của B. Zhou 7 Hình 1. 11: Thi công thực tế của mạch sử dụng delta stub 7 Hình 1. 12: Các kết quả mô phỏng 7 Hình 1. 13: Mạch thi công thực tế 8 Hình 1. 14: Kết quả mô phỏng các tham số S 8 Hình 1. 15: Mạch thiết kế bằng phần mềm ADS 9 Hình 1. 16: Tham số S 21 của mạch thiết kế  hai dải tần số 9 Hình 2. 1: Cấu trúc đưng vi dải đơn 12 Hình 2. 2: Đưng truyền /4  17 Hình 2. 3: Mạch chia công suất Wilkinson 19 ix Hình 2. 4: Mạch tương đương của mạch chia công suất Wilkinson 19 Hình 2. 5: Mạch tương đương Wilkinson để phân tích mode chẵn, lẻ 20 Hình 2. 6: Phân tích mode chẵn 20 Hình 2. 7: Phân tích mode lẻ 22 Hình 2. 8: Mạch gắn tải phối hợp  cửa 1,2 và nguồn tín hiệu  cửa 3 23 Hình 2. 9: H mạch điện tr nối đất giữa cửa 1 và 2 23 Hình 2. 10: Mặt trước - ứng dụng của mạch Wilkinson trong antenna dãy 64 thành phần 25 Hình 2. 11: Mặt sau - mạch Wilkinson trong antenna dãy 64 thành phần 25 Hình 3. 1: Tính toán vi dải với công cụ linecal 28 Hình 3. 2: Kích thước mạch Wilkinson truyền thống sau khi cân chỉnh 28 Hình 3. 3: Kết quả mô phỏng mạch Wilkinson truyền thống 29 Hình 3. 4: Đưng truyền /4  cần rút gọn 30 Hình 3. 5: Vi dải sau khi rút gọn 30 Hình 3. 6: Phân tích mode lẻ của đưng truyền /4  30 Hình 3. 7: Mạch tương đương khi phân tích mode lẻ 31 Hình 3. 8: Đưng truyền với tải Z L 31 Hình 3. 9: Mạch tương đương khi phân tích mode chẵn 32 Hình 3. 10: Tụ điện với mạch vi dải tương đương 33 Hình 3. 11: Rút ngắn đưng truyền /4  bằng cách dùng tụ điện 34 Hình 3. 12: Tụ điện tương đương với vi dải 34 Hình 3. 13: Mô hình tương đương của đưng truyền /4  khi dùng stub chữ nhật 34 x Hình 3. 14: Kích thước mạch Wilkinson sử dụng stub chữ nhật sau khi tối ưu 35 Hình 3 .15: Kết quả mô phỏng mạch Wilkinson sử dụng stub chữ nhật 35 Hình 3. 16: Mô hình mạch Wilkinson sử dụng delta stub 37 Hình 3. 17: Hình dạng của delta stub 37 Hình 3. 18: Mạch tương đương của delta stub 37 Hình 3. 19: Kích thước mạch Wilkinson sử dụng delta stub sau khi tối ưu 39 Hình 3. 20: Kết quả mô phỏng mạch Wilkinson sử dụng delta stub 40 Hình 3. 21: Hệ số phản xạ S 11 42 Hình 3. 22: Hệ số truyền đạt S 21 =S 31 43 Hình 3. 23: Hệ số cách ly S 23 =S 32 43 Hình 3. 24: Hệ số phản xạ S 22 =S 33 43 Hình 3. 25: Hệ số VSWR 44 Hình 3. 26: Mạch Wilkinson truyền thống với chất nền FR4 có  r =4.5 44 Hình 3. 27: Mạch Wilkinson truyền thống với chất nền FR4 có  r =4.6 44 Hình 3. 28: Mạch Wilkinson truyền thống với chất nền FR4 có  r =4.7 45 Hình 3. 29: Mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật với chất nền FR4 có  r =4.5 45 Hình 3. 30: Mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật với chất nền FR4 có  r =4.6 45 Hình 3. 31: Mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật với chất nền FR4 có  r =4.7 45 Hình 3. 32: Mạch Wilkinson dùng delta stub với chất nền FR4 có  r =4.5 46 Hình 3. 33: Mạch Wilkinson dùng delta stub với chất nền FR4 có  r =4.6 46 Hình 3. 34: Mạch Wilkinson dùng delta stub với chất nền FR4 có  r =4.7 46 Hình 4. 1: Mạch ghép tầng bộ chia công suất Wilkinson băng kép 47 xi Hình 4. 2: Phân tích mạch chia công suất dạng (a) mode chẵn (b) mode lẻ 48 Hình 4. 3: Mạch thiết kế thực nghiệm đã đơn giản hóa 52 Hình 4. 4: Mạch ghép tầng với trưng hợp θ=0.25π; Z 1e =Z 2e ; Z 1o =Z 2o =Z 0 52 Hình 4. 5: Mạch ghép tầng với trưng hợp Z 0 =1; Z 2o =Z 1o   2 tan  53 Hình 4. 6: Mạch ghép tầng với trưng hợp Z 0 =1; Z 1o =Z 1e =Z a ; Z 2e =Z be ; Z 2o =Z bo và 3 2 2 cot 0 bo a bo bo a Z Z Z Z Z    54 Hình 4. 7: Mạch ghép tầng với trưng hợp Z 1o =Z 1e =Z 1 ; Z 2o =Z 2e =Z 2 54 Hình 4. 8: Mạch Wilkinson hoạt động tại hai tần số f 1 =1.5GHz và f 2 =3.3GHz sau khi tinh chỉnh 56 Hình 4. 9: Kết quả mô phỏng mạch Wilkinson hai tầng 56 Hình 4. 10: Các tham số tán xạ của mạch Wilkinson hai tầng với f 1 =1.5GHz 57 Hình 4. 11: Các tham số tán xạ của mạch Wilkinson hai tầng với f 2 =3.3GHz 58 Hình 4. 12: Hệ số VSWR của mạch Wilkinson hai tầng với f 1 =1.5GHz 58 Hình 4. 13: Hệ số VSWR của mạch Wilkinson hai tầng với f 2 =3.3GHz 58 Hình 4. 14: Mạch Wilkinson ghép hai tầng với chất nền FR4 có  r =4.5 59 Hình 4. 15: Mạch Wilkinson ghép hai tầng với chất nền FR4 có  r =4.6 59 Hình 4. 16: Mạch Wilkinson ghép hai tầng với chất nền FR4 có  r =4.7 59 Hình 5. 1: Thi công thực tế mạch Wilkinson truyền thống 60 Hình 5. 2: Thi công thực tế mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật 60 Hình 5. 3: Thi công thực tế mạch Wilkinson dùng delta stub 60 Hình 5. 4: Thi công thực tế mạch Wilkinson ghép hai tầng 61 Hình 5. 5: Máy đo Rohde and Schwarz ZVB8 61 [...]... nâng cao chất lượng mạch Wilkinson như: làm tăng băng thông của mạch, cải tiến kiểu dáng của mạch nhằm làm tăng hệ số cách ly giữa hai cổng ra, rút gọn kích thước của mạch và đặc biệt là có thể thi công được trong điều kiện hiện tại Việt Nam Vì vậy học viên đã lựa chọn đề tài của mình là Thu gọn kích th ớc và cải thiện băng thông mạch Wilkinson Mô hình và bản phác thảo của mạch Wilkinson truyền thống... Hình 1 16: Tham số S21 c a mạch thiết kế ở hai dải tần số 1.3 Mục tiêu và giới hạn c a đề tài Mục tiêu của đề tài là tập trung vào phân tích, thiết kế, cải tiến và mô phỏng mạch Wilkinson vì tính ứng dụng cao của nó trong nhiều lĩnh vực kỹ thu t Mạch Wilkinson tồn tại hai vấn đề chính cần nghiên cứu đó là cải tiến kích thước mạch và băng thông của mạch Cải tiến kích th ớc: Mạch Wilkinson sử dụng các đoạn... Thiết kế và mô phỏng cải tiến băng thông mạch Wilkinson: Tìm hiểu cơ s lý thuyết và tính toán để cải thiện băng thông Trên cơ s đó, thiết kế cải tiến mạch Wilkinson hai tầng nhằm làm tăng băng thông của mạch (mạch hoạt động ở hai tần số f1=1.5GHz, f2=3.3GHz) Ch ơng 5 Thi công, đo đạc và đánh giá Sau khi thi công mạch, tiến hành đo đạc, so sánh và đánh giá các kết quả Ch ơng 6 Kết luận và h ớng phát triển... hiểu các nội dung lý thuyết về đặc tính, phương pháp tính toán mạch Nghiên cứu cấu trúc, đặc tính của đư ng truyền vi dải, các phương pháp giảm kích thước và tăng băng thông của mạch Wilkinson Sử dụng phần mềm ADS Agilent 2009 tính toán đư ng truyền vi dải và mô phỏng các mẫu thiết kế như là: mạch Wilkinson truyền thống; thu gọn kích thước mạch sử dụng stub, delta stub; cải thiện băng thông bằng phương... phát từ thực tiễn này, đề tài tập trung vào phân tích, thiết kế, cải tiến và mô phỏng mạch Wilkinson vì tính ứng dụng cao của nó trong nhiều lĩnh vực kỹ thu t Học viên dựa trên ý tư ng của mạch Wilkinson truyền thống [1] để thực hiện Do kích thước của mạch Wilkinson truyền thống còn lớn, khó tích hợp vào những thiết bị yêu cầu kích thước nhỏ gọn và băng thông của mạch còn hẹp Nên trong quá trình thực... việc thiết kế mạch Wilkinson hoạt động hai kênh tần số và băng thông rộng là sử dụng một cấu trúc mạch cải tiến dựa trên mạch Wilkinson cũ Mạch cải tiến này sẽ có đầy đủ những 9 1 Tổng quan tính chất của mạch Wilkinson và hoạt động tương đối hai tần số f 1, f2 (th ờng ta sẽ chọn f1 và f2 đối x ng qua f0 ) Nh đó ta sẽ có được mạch hoạt động hai kênh tần số và m rộng được băng thông của mạch Trong đó,... tốt, mạch có kích thước nhỏ gọn, độ gợn khoảng 0.2 dB trên băng tầng từ 3.2 Ghz‚10 Ghz và độ cách ly giữa các cổng đạt khoảng -15dB hình 1.9 Hình 1 8: Mạch chia sử dụng tapped line Hình 1 9: Các kết quả mô phỏng 6 1 Tổng quan B Zhou, H Wang và W.-X Sheng [11] đưa ra cấu trúc mạch Wilkinson cải tiến bằng cách gắn thêm các stub có dạng tam giác như hình 1.10 nhằm làm tăng băng thông và thu gọn kích thước. .. mạch Wilkinson nhằm làm tăng băng thông của mạch bằng cách sử dụng phương pháp phân tích kích thích mode chẵn và mode lẻ của đầu ra và sử dụng tiệm cận hàm mũ nhằm làm tăng băng thông Nhóm tác giả thiết kế mạch cho 2 dải tần số 2Ghz‚13.8Ghz và 3Ghz‚18Ghz Các hệ số phản xạ và cách ly đạt được đều nhỏ hơn -15dB và kích thước mạch khá gọn (45 mm x 15 mm) 8 1 Tổng quan Hình 1 15: Mạch thiết kế bằng phần mềm... và tổn hao thấp Hai băng tần đã được chứng minh Tại một băng tần, tổn hao 0.3dB; độ cách ly 19dB và 50% băng thông; Tại một băng tần, tổn hao 0.75dB; độ cách ly 24dB và 39% băng thông Hình 1 5: Thiết kế Wilkinson mới theo đề xuất c a Stephen Horst Hình 1 6: Mạch rút gọn dạng đối x ng – tất cả các trở kháng đã đ ợc chuẩn hóa Mạch trên có 5 ẩn số đó là tr kháng đặc tính và chiều dài mạch điện của các đoạn... Cơ sở lý thuyết: Chương này trình bày sơ lược lý thuyết đư ng truyền vi dải, ứng dụng của đư ng truyền cộng hư ng, mạch Wilkinson và tìm ra ma trận tán xạ [S] của mạch làm cơ s thiết kế và mô phỏng để có mạch hoạt động tốt tại đúng tần số mong muốn Ch ơng 3 Thiết kế và mô phỏng cải tiến kích th ớc mạch Wilkinson: 10 1 Tổng quan Sử dụng phần mềm ADS 2009 tính toán các đư ng truyền vi dải của mạch rồi . pháp cải tiến để thiết kế mạch chia công suất Wilkinson. Mạch Wilkinson tồn tại hai vấn đề chính cần nghiên cứu đó là rút gọn kích thước và tăng băng thông của mạch. Việc cải tiến kích thước. của mình là Thu gọn kích thớc và cải thiện băng thông mạch Wilkinson . Mô hình và bản phác thảo của mạch Wilkinson truyền thống được thể hiện trên Hình 1.1. Hình 1.1: Mô hình và bản phác. và mô phỏng cải tiến kích thớc mạch Wilkinson 26 3.1. Giới thiệu sơ lược về mạch Wilkinson truyền thống 26 3.2. Thiết kế và mô phỏng mạch Wilkinson truyền thống 27 3.2.1 Phần mềm hỗ trợ và