TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Tiến Thường (2000), Giáo trình mạch điện tử 2, NXB Đại Học Quốc Gia TPHCM. 2. Giáo trình điện tử cơ bản 12, NXB Đai Học Sư Phạm Kĩ Thuật TPHCM. 3. Ths Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Đại học Bách Khoa TP.HCM. 4. Giáo trình kĩ thuật số, NXB Đai Học Sư Phạm Kĩ Thuật TPHCM. 5. Ths Phạm Quốc Phương (2016), Kỹ thuật vi xử lý, Học viện Hàng không Việt Nam.
Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Mục Lục Phần 1: Cơ sở lý thuyết .2 Tính tốn khuếch đại với hệ số khuếch đại lớn .2 Tính tốn khuếch đại với hệ số khuếch đại định Bộ chia công suất Wilkinson .9 Phần : Tính tốn thiết kế mạch theo u cầu tốn 12 Tính toán thiết kế mạch khuếch đại 12 Tính tốn thiết kế mạch chia công suất 15 Phần 3: Sơ đồ kết mô 17 Sơ đồ kết mô mạch khuếch đại 17 Kết mô mạch chia công suất .18 Tài liệu tham khảo 20 Phụ lục: Bảng tham số [S] NE960R275 21 -1- Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Phần 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong hệ thống mạch điện khuếch đại công suất c mạch phổ biến, ứng dụng nhiều thực tế Khuếch đại công suất phần thiếu hệ thống thiết bị phát thanh, truyền tin tức, tín hiệu…Mạch khuếch đại cơng suất có nhiều loại, hoạt động nhiều tần số khác nhau, từ tần số thấp (cỡ vài Hz) đến siêu cao tần (cỡ vài GHz, vài chục GHz, chí vài trăm GHz) Về nguyên lý, chức mạch điện hệ thống siêu cao tần tương tự mạch điện tần số thấp Tuy vậy, cấu trúc, nguyên lý cách hoạt động cụ thể loại mạch siêu cao tần có nhiều điểm khác so với mạch tần số thấp Ở mạch điện tần số thấp đường truyền xem ngắn mạch, suy hao không đáng kể, không cần quan tâm đến sóng phản xạ, khơng cần phải phối hợp trở kháng đầu vào, đầu Tuy nhiên mạch điện siêu cao tần yếu tố cần xem xét tính tốn cách cụ thể,rõ ràng Trong khuôn khổ tập lớn (BTL) này, em xin đề xuất mơ hình thiết kế khuếch đại (bộ kích) siêu cao tần hoạt động tần số 4,5 GHz, với công suất đầu vào Pin = 1W, công suất đầu Pout = W, chia cho khối công suất Như vậy, hệ số khuyếch đại tổng cổng là: G = 10 log (Pout/Pin) = 10 log (8/1) ≈ 9(dB) Tính tốn khếch đại với hệ số khuếch đại lớn Xét mạng khuếch đại sử dụng transistor hình dưới, với tham số tán xạ [S] cho trước tần số công tác, điện trở nguồn Z S, điện trở tải ZL Trước hết ta cần xem xét ổn định mạch để xác định xem mạch cung cấp khuếch đại ổn định hay dao động -2- Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Ta biết hệ số phản xạ phía tải: L Z L Z0 Z L Z0 (1) Hệ số phản xạ nhìn phía nguồn: (2) Theo định nghĩa tham số S : U LU ta có : U1 S11U1 S12U 2 S11U1 S12 LU 2 (3) U 2 S21U1 S22U 2 S 21U1 S 22 LU 2 (4) Từ phương trình ta có : in S11 S12 S 21 L Z in Z o S 22 L Zin Z o out S 22 S12 S 21 S S11 S (5) (6) Chia điện áp U1 thành thành phần : -3- Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 U1 U1 U1 U1 (1 in ) U S Z in Z S Z in (7) Mặt khác ta có : Z in Z in in (8) Thay Γin (5) vào (7) kết hợp với (8) ta tìm U1+ : U1 U S S S in (9) Với giả thiết điện áp mạch điện áp đỉnh cơng suất qua mạch : | U g | |1 S |2 Pin | U1 | (1 | L | ) (1 | S |2 ) 2Zo 8Z o |1 S in | (10) Công suất tải mạch : | U1 |2 PL (1 | L |2 ) 2Z o (11) Từ (4) ta tìm U 2 thay vào (11) sử dụng U1 biểu thức (9) ta có : | U1 |2 | S21 |2 (1 | L |2 ) | U S |2 | S21 |2 (1 | L |2 ) |1 S |2 PL 2ZO |1 S 221 |2 Z O |1 S 22 L |2 |1 S in |2 Bộ khuếch đại cơng suất có hệ số khuếch đại : -4- (12) Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 PL | S 21 |2 (1 | L |2 ) G Pin (1 | in |) |1 S 22 L |2 (13) Ta có cơng suất lấy từ nguồn đạt cực đại bằngP Smax trở kháng vào phối hợp trở kháng với trở kháng nguồn PS max | U S |2 (1 S ) Pin | * in S 8Z O (1 | S |2 ) (14) Công suất tải đạt giá trị cực đại P Rmax trở kháng tải phối hợp phức với mạch PR max | U S |2 (1 | out |2 ) |1 S |2 PL | * | * L out 8Z O |1 S22 *out ||1 S in |2 L out (15) Từ biểu thức (5) & (6) ta có : |1 S11 S |2 (1 | out |2 ) |1 S in | | * L out |1 S22 out |2 (16) Thay vào biểu thức (15) ta có : PR max | U S |2 | S 21 |2 |1 S |2 8Z O |1 S11 S |2 (1 | out |2 ) (17) Độ khuếch đại công suất nhận (Độ khuếch đại công suất sau đầu vào đầu phối hợp trở kháng với nguồn tải) : PR max | S 21 |2 (1 | S |2 ) GA PS max |1 S11 S |2 (1 | out |2 ) -5- (18) Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Để đơn giản tính tốn người ta đưa đại lượng độ khuếch đại công suất xuyên (Độ khuếch đại công suất đầu vào phối hợp trở kháng với nguồn) Từ (12) (14) Ta có độ khuếch đại cơng suất xun : | S21 |2 (1 | S |2 )(1 | L |2 ) PL GT PS max |1 S in |2 |1 S 22 L |2 (19) Trường hợp đặc biệt cửa đầu vào phối hợp trở kháng Khi hệ số khuếch đại công suất xuyên: GT = |S21|2 (20) Bộ khuếch đại tầng cơng suất transistor mơ hình hóa sau: Hình Mơ hình mạch khếch đại transistor Mạch phối hợp đầu vào biến đổi trở kháng vào thành trở kháng nguồn ZL ZS Có thể sử dụng độ khuếch đại công suất xuyên không phối hợp tải nguồn Ta định nghĩa độ khuếch đại đầu vào (nguồn) mạch phối hợp Độ khuếch đại thân transistor độ khuếch đại đầu (tải ) mạch phối hợp: -6- Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 GT = |S21|2 Hệ số khuếch đai toàn bộ: GTmax = Go + GL + Gs Tính tốn khuếch đại với hệ số khuếch đại định Để có hệ số khuếch đại mong muốn ta cần tính tốn để giảm Gs GL Phương pháp thiết kế đánh dấu đường tròn có độ khuếch đại cố định cho giá trị Gs GL chọn cố định Trong nhiều trường hợp bỏ qua |S 12| nhỏ tính tốn đơn giản Ta có Các khuếch đại đạt cực đại khi: Ta định nghĩa hệ số khuếch đại chuẩn hóa: -7- Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Ta thấy ≤ gs ≤ ; ≤ gL ≤ Với giá trị cố định gs gL đường tròn mặt phẳng Γ s ΓL Để biểu thị điều ta xét: gs|1 – S11 ΓS|2 = (1 - |ΓS|2)(1 - |S11|2) gs |S11|2 + - |S11|2)|Γs|2 – gs (S11Γs + S11* Γs *) = 1- |S11|2 – gs Tâm đường tròn có Gs GL số: Cs = gsS11 /(1- (1 - gs)|S11|2) (21) CL = gL S22* /(1- (1 – gL)|S22|2)) (22) Bán kính: (23) (24) Với việc xác định hai đường tròn cho ta hệ số khuếch đại định đầu vào đầu Ta chọn hệ số ΓS ΓL mong muốn Việc lựa chọn ΓS ΓL , ta thường chọn điểm thích hợp nằm gần tâm đồ thị Smith để tối thiều hóa việc khơng phối hợp đạt dải thông lớn -8- Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Bộ chia công suất Wilkinson: Trong mạch siêu cao tần mạch chia công suất mạch phổ biến, ứng dụng nhiều thực tế Có nhiều loại mạch chia công suất khác thông thường mạch chia công suất thường kèm với chức mạch cộng cơng suất Chúng ta kể đến số loại hay gặp thực tiễn : - Bộ chia cộng công suất mạch cầu ghép định hướng 3dB Các chia cộng công suât kiểu mạng Gysel Các chia cộng cơng suất Wilkinson Trong tập lớn này, nhóm chúng em đề xuất sử dụng chia công suất Wilkinson, chia có tổn hao, phối hợp trở kháng tất cửa đảm bảo phân cách cửa Bộ chia công suất Wilkinson có hệ số chia cơng suất (chia 3dB) Dưới mơ hình mạch chia - ghép cơng suất Wilkinson dạng đường vi dải mạch điện tương đương: Hình Mạch ghép - chia công suất Wilkinson a) dạng đường vi dải b) mạch điện tương đương -9- Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Chiều dài nhánh thiết kế λ/4, mạch hoạt động ứng với tần số tín hiệu định Với mạch ta dùng làm ghép cơng suất đưa tín hiệu vào cửa cửa 2; tín hiệu lấy cửa Khi ta có sơ đồ mạch tương đương : Hình Bộ cộng công suất Wilkinson Tại cửa điện trở R0 tải cộng đường vẽ lại thành điện trở mắc song song với 2R0 Còn điện trở hấp thụ cách ly R tách thành điện trở mắc nối tiếp với R/2 Nếu đưa tín hiệu cao tần vào cửa 3, tín hiệu lấy cửa cửa ta có chia công suất Lúc điện trở hấp thụ R = 2R0 khơng có dòng điện chạy qua Do điểm điện trở 2R0 coi bị hở mạch, ta vẽ lại mạch điện tương đương chia đường hình 4: - 10 - Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Hình Bộ chia cơng suất Wilkinson Cuối cùng, ta có giá trị tham số S chia Wilkinson sau: S11 S 22 S23 ( Zin 3) (cửa phối hợp trở kháng ) S32 S 23 j (đối xứng thuận nghịch) S13 S31 j (đối xứng cửa cửa 2) S12 S21 (do ngắn mạch hở mạch tách đơi) Phần 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH THEO YÊU CẦU BÀI TOÁN - 11 - Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Tính tốn thiết kế mạch khuếch đại: Yêu cầu: Pin = 1W, Pout = 8W, tần số f = 4.5GHz => hệ số khuếch đại tổng cộng G = 10 log(8/1) ≈ 9(dB) Lựa chọn linh kiện: Với yêu cầu độ khuếch đại trên, nhóm chúng em tìm hiểu định sử dụng transistor trường GaAs MES FET NE960R275 NEC Corporation làm khuếch đại chính, với tham số ma trận tán xạ 4,5 GHz (tại VDS = 9V, IDset = 80mA) là: Tần số S11 S21 S12 S22 (Ghz) 4.5 0.845 -1390 2.14 580 0.057 8.5020 Tính tốn: Ta có = /(1 – 0.8452) = 3.5 = 5.4 dB = 1/( – 0.422) =1.21 = 0.8 dB G0 = |S21|2 = 2.142 = 4.5796 = 6.6 dB Độ khuếch đại xuyên đơn hướng: - 12 - 0.42 -1020 Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 GTU = 0.8 + 5.4 + 6.6 = 12.8 dB Ta thấy độ khuếch đại lớn mong muốn 3.8 dB Ta lựa chọn Gs = 2,4 dB GL = 0dB G0 = 6.6 dB Sử dụng cơng thức (21), (22), (23), (24) ta tính số liệu đường tròn có độ khuếch đại cố định đồ thị Smith: Cs = 0,496 0,845∟1390 / ( – (1 – 0,496) 0,8452) = 0.655∟1390 CL = 0,826 0,42∟101,9920 /(1 – (1 – 0,826) 0,422) = 0,358∟101,9920 RS = 0,32 RL = 0,35 Lần lượt dựng đường tròn tâm (CS ;RS) (CL ; RL) ta xác định được: ΓS = 0,33∟1390 ΓL =0,008∟101,9920 Phối hợp đầu vào phía nguồn Sử dụng phương pháp dây chêm song song hở mạch, ta có: Γin = ΓS* = 0,33∟1390 Từ Γin ta xác định Zin , đường tròn có Γ = const, ta xác định điểm dẫn nạp Yt = Yin cách lấy đối xứng với Zin qua tâm đường tròn,từ Yt quay theo chiều kim đồng hồ tới vị trí cắt đường tròn có r = điểm – j0,7 Vậy ta tính chiều dài từ đầu vào transistor tới điểm mắc dây - 13 - Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 chêm song song hở mạch 0,158ƛ Để triệt tiêu phần điện kháng – j0,7 cần mắc thêm dây chêm hở mạch song song có giá trị j0,7 Chiều dài dây chêm 0,152ƛ Phối hợp đầu phía tải Γout = ΓL* = 0.008∟101,9920 Tương tự, ta tính Gs = 2,4 dB gs = 0,496 Cs = 0,655 / 139º Rs = 0,32 GL = dB gs = 0,826 CL = 0.358 / 102º RL = 0.35 Trên đường tròn này, ta chọn Γs ΓL để giảm khoảng cách tới tâm đồ thị ( vị trí Γs ΓL nằm bán kính 139º 102º) Vậy Γs = 0,355 / 139º ΓL = 0,008 / 102º mạch ghép thiết kế với dây chêm song song, hình Ngồi ra, để có VDS = 9V, ID = 80mA, ta tính toán chế độ chiều để cấp thiên áp cho transistor với giá trị điện trở sau: R2 = 67 Ohm R1 = 650 Ohm R3 = 100 Ohm Như vậy, ta có sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại yêu cầu sau: - 14 - Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Tính tốn thiết kế mạch chia Wilkinson: Ta có mơ hình mạch chia công suất Wilkinson tương đương sau: Trong trường hợp tổng quát, với chia N ta có: L = N1/2 x Z0 / ω - 15 - Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 C = 1/(N1/2 ω Z0) Ở tốn này, ta có N = Ta tính được: C = / (2 * π * 4,5E9 *50) = 0.35368 pF L = (2 * 50) / (2π * 4,5E9) = 3.5368 nH Điện trở tải phối hợp: R1 = R2 = R3 = R4 = R0 = 50 Ohm Do ta thiết kế mạch chia Wilkinson sau: Ta thấy cửa hoàn toàn đối xứng => mạch phối hợp trở kháng đảm bảo độ cách ly cửa - 16 - Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Phần 3: SƠ ĐỒ VÀ CÁC KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Để vẽ mạch mơ mạch điện siêu cao tần, nhóm chúng em sử dụng phần mềm chuyên dụng ADS (Advance Design System) version 2008 update2 Sơ đồ kết mô mạch khuếch đại: Nhóm chúng em sử dụng sơ đồ sau để mô mạch khuếch đại thiết kế Trong sơ đồ này, phần tử S2P mạng cửa thông số [S] Các thông số [S] nhập vào tương ứng với thông số [S] transistor NE960R275 mà - 17 - Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 nhóm lựa chọn Các cuộn cảm L1 L2 tương đương với đoạn dây 0,152λ 0.13λ thiết kế Kết mô sau: Ta thấy, độ khuếch đại tổng cộng tần số 4,5 GHz đạt cỡ 9,1dB => thoả mãn yêu cầu toán đặt Kết mô mạch chia công suất Wilkinson: Với mạch chia công suất Wilkinson thiết kế trên, kết mô đạt sau: - 18 - Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Ta thấy độ tổn hao ngược (S11), độ tổn hao xen (S21 ) độ cách ly (S23, S34, S45 ) tần số 4,5GHz đạt yêu cầu toán đặt - 19 - Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Tài liệu tham khảo: [1] Phạm Minh Việt, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học kỹ thuật, 2002 [2] Vũ Đình Thành, Mạch Siêu Cao Tần, NXB khoa học kỹ thuật, 1999 [3] Liang-Hung Lu and Chung-Ru Wu, A Miniaturized Wilkinson power divider with CMOS active inductors [4] NEC Corporation, Preliminary data sheet NE960R2 series, Printed in Japan, 1999 - 20 - Kĩ thuật siêu cao tần anten Nhóm 09 - Điện tử - K51 Phụ lục: Bảng tham số [S] NE960R275 - 21 -