THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG DÂY CHÊM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN NHÓM 23 Đề tài : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG DÂY CHÊM Sinh viên thực hiện: LƯU NGỌC MINH 20162712 KTĐTTT 06 – K61 NGUYỄN QUANG MINH 20162738 KTĐTTT 05 – K61 Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN KHẮC KIỂM Hà Nội, 10 - 2019 LỜI NÓI ĐẦU Khi làm việc với đường truyền tần số cao, đường truyền vi dải, việc phối hợp trở kháng cho đường truyền vi dải cần thiết để tăng công suất tải giảm suy hao công suất đường truyền Việc phối hợp trở kháng với nhiều lợi ích với nhiều cách phối hợp khác nhau, thường tập trung phối hợp trở kháng cho thuận tiện, dễ điều chỉnh phù hợp với đường truyền Trong tập lớn nhiệm vụ nhóm em phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm dây chêm cho đường truyền tần số 7.5 𝐺ℎ𝑧 Dưới hướng dẫn thầy Nguyễn Khắc Kiểm, nhóm em hồn thành tập lớn, nhiên q trình thực tính tốn mơ phỏng, nhóm em cịn nhiều sai sót mong muốn nhận góp ý thầy để thực tập lớn tốt học hỏi nhiều kiến thức học phần Kỹ thuật siêu cao tần Chúng em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC PHẦN I: LÝ THUYẾT PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG 1.1 Phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm 1.2 Phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm PHẦN II: BÀI TẬP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG DÂY CHÊM 2.1 Trường hợp dây chêm 2.2 Trường hợp dây chêm PHẦN III: MÔ PHỎNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS 12 3.1 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm hở mạch d1 13 3.2 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm ngắn mạch d1 14 3.3 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm hở mạch d2 15 3.4 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm ngắn mạch d2 16 3.5 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm hở mạch d1 17 3.6 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm ngắn mạch d1 18 3.7 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm hở mạch d2 19 3.8 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm ngắn mạch d2 20 PHẦN IV: KẾT LUẬN 21 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Sơ đồ khối mạch PHTK Hình PHTK sử dụng dây chêm song song (trên) nối tiếp (dưới) Hình PHTK sử dụng dây chêm song song Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài từ tải đến dây chêm Hình 2 Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm điểm d1 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm điểm d2 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 d1 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 d2 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 d1 10 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 d2 11 Hình 1: Mạch dây cho PHTK dây chêm hở mạch d1 13 Hình Mô ADS PHTK dây chêm hở mạch d1 13 Hình 3 Layout cho PHTK dây chêm hở mạch d1 13 Hình Mạch dây cho PHTK dây chêm ngắn mạch d1 14 Hình Mơ ADS PHTK dây chêm ngắn mạch d1 14 Hình Layout cho PHTK dây chêm ngắn mạch d1 14 Hình Mạch dây cho PHTK dây chêm hở mạch d2 15 Hình Mơ ADS PHTK dây chêm hở mạch d2 15 Hình Layout cho PHTK dây chêm hở mạch d2 15 Hình 10 Mạch dây cho PHTK dây chêm ngắn mạch d2 16 Hình 11 Mơ ADS PHTK dây chêm ngắn mạch d2 16 Hình 12 Layout cho PHTK dây chêm ngắn mạch d2 16 Hình 13 Mạch dây cho PHTK dây chêm hở mạch d1 17 Hình 14 Mơ ADS PHTK dây chêm hở mạch d1 17 Hình 15 Layout cho PHTK dây chêm hở mạch d1 17 Hình 16 Mạch dây cho PHTK dây chêm ngắn mạch d1 18 Hình 17 Mơ ADS PHTK dây chêm ngắn mạch d1 18 Hình 18 Layout cho PHTK dây chêm ngắn mạch d1 18 Hình 19 Mạch dây cho PHTK dây chêm hở mạch d2 19 Hình 20 Mơ ADS PHTK dây chêm hở mạch d2 19 Hình 21 Layout cho PHTK dây chêm hở mạch d2 19 Hình 22 Mạch dây cho PHTK dây chêm ngắn mạch d2 20 Hình 23 Mơ ADS PHTK dây chêm ngắn mạch d2 20 Hình 24 Layout cho PHTK dây chêm ngắn mạch d2 20 PHẦN I: LÝ THUYẾT PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG Tầm quan trọng phối hợp trở kháng (PHTK): • Cơng suất cực đại phân phối tới tải tải phối hợp trở kháng với đường truyền • Cơng suất tổn hao đường truyền tối thiểu • Cải thiện tỷ số SNR, thông qua việc điều khiển phối hợp trở kháng, khuếch đại hoạt động điểm có tạp âm nhỏ • Giảm sai pha biên độ Các yếu tố lựa chọn mạng phối hợp trở kháng: • • • • Sự phức tạp Băng thơng Tính khả thi Khả điều chỉnh Đường truyền xem phối hợp trở kháng 𝑍0 = 𝑍𝐿 khơng có phản xạ đường truyền Mục đích mạng phối hợp trở kháng chuyển đổi trở kháng tải 𝑍𝐿 trở thành trở kháng vào 𝑍𝑖𝑛 với trở kháng đặc tính đường truyền 𝑍0 Hình 1 Sơ đồ khối mạch PHTK Các kỹ thuật phối hợp trở kháng: • • • • Biến đổi ¼ bước sóng Phương pháp sử dụng dây chêm dây chêm Sử dụng phần tử tập trung L, C Bộ biến đổi nhiều đoạn (Multisection) Nội dung tập lớn tập trung vào kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm dây chêm 1.1 Phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm Mạng phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm song song chuyển đổi phần thực tải 𝑅𝐿 thành 𝑍0 phần ảo 𝑋𝐿 thành → Sử dụng tham số điều chỉnh Do mục đích dây chêm song song: • Xác định 𝑑 𝑙 từ xác định 𝑦𝑑 𝑦𝑙 • Đảm bảo dẫn nạp tổng 𝑦𝑡𝑜𝑡 = 𝑦𝑑 + 𝑦𝑙 = Hình PHTK sử dụng dây chêm song song (trên) nối tiếp (dưới) Các bước xác thực phối hợp trở kháng dây chêm: Bước 1: Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa 𝑍𝑁𝐿 Bước 2: Vẽ đường tròn |Γ𝐿 |𝑒 𝑗𝜃𝑟 xác định 𝑌𝑁𝐿 Bước 3: Di chuyển theo chiều kim đồng hồ (WTG) dọc theo đường tròn |Γ𝐿 |𝑒 𝑗𝜃𝑟 giao với ± 𝑗𝐵 → giá trị 𝑦𝑑 Bước 4: Chiều dài từ 𝑌𝑁𝐿 tới 𝑦𝑑 xác định 𝑑 Bước 5: Xác định 𝑦𝑙 điểm ∓ 𝑗𝐵 Bước 6: Phụ thuộc vào dây chêm ngắn mạch hay hở mạch di chuyển tới 𝑦𝑙 (WTG), khoảng cách di chuyển xác định độ dài dây chêm 𝑙 1.2 Phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm Trong trường hợp trở kháng tải thay đổi, sử dụng dây chêm việc điều chỉnh để phối hợp trở kháng khó khăn Sử dụng dây chêm để phối hợp trở kháng: • Khi vị trí nối dây chêm cố định • Khơng tính tổng qt, coi dây chêm thứ nối tải khoảng cách dây chêm cho trước • Khi thay đổi trở kháng tải, cần điều chỉnh độ dài dây chêm để thực phối hợp trở kháng Các bước thưc phối hợp trở kháng dây chêm: Bước 1: Tìm điểm trở kháng chuẩn hóa, lấy đối xứng qua đường tròn |Γ𝐿 |𝑒 𝑗𝜃𝑟 để xác định điểm 𝑌𝑁𝐿 = 𝑔𝐿 + 𝑗𝑏𝐿 Bước 2: Tìm giao điểm đường tròn đẳng 𝑔𝐿 với đường tròn ảnh → xác định nghiệm → xác định giá trị độ dài dây chêm thứ 𝑙1 Bước 3: Quay đường ảnh đường tròn 𝑔 = → xác định giá trị dây chêm thứ hai 𝑙2 Hình PHTK sử dụng dây chêm song song PHẦN II: BÀI TẬP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG DÂY CHÊM Đường truyền trở kháng đặc tính 50 𝛺 nối với tải, hệ số phản xạ tải có biên độ 0.4, pha độ 70 độ Thiết kế mạch phối hợp trở kháng (sử dụng đồ thị Smith) tần số 7,5 Ghz sử dụng phương pháp: a) Một dây chêm mắc song song b) Hai dây chêm với khoảng cách hai dây 𝜆/8 (giả thiết dây nối vị trí tải) Bài làm Theo đồ thị Smith: 2.1 Trường hợp dây chêm • Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa: 𝜊 Có Γ = 0.4𝑒 𝑗70 ⇒ 𝑍𝑁𝐿 = 0.95 + 𝑗0.85 ⇒ 𝑌𝑁𝐿 = 0.58 − 𝑗0.52 Có giá trị 𝑌𝑁𝐿 vị trí 0.403 𝜆 𝜊 Vị trí giao đường tròn Γ = 0.4𝑒 𝑗70 với đường tròn + 𝑗𝐵 𝑦𝑑1 = + 𝑗0.9 vị trí 0.16 𝜆 𝑦𝑑2 = − 𝑗0.9 vị trí 0.342 𝜆 • Chiều dài từ tải đến dây chêm Khi chiều dài từ tải đến dây chêm điểm d1 là: D1 = (0.5𝜆 − 0.403𝜆) + 0.16𝜆 = 0.257𝜆 Khi chiều dài từ tải đến dây chêm điểm d2 là: D2 = (0.5𝜆 − 0.403𝜆) + 0.342𝜆 = 0.439𝜆 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài từ tải đến dây chêm • Chiều dài dây chêm Đối với trường hợp d1: −𝑗𝐵 = −𝑗0.9 vị trí 0.383 𝜆 - Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ 𝐿11 = 0.383𝜆 − 0.25𝜆 = 0.133𝜆 Hở mạch: 𝑌𝐿 = ⇒ 𝐿12 = 0.383𝜆 Hình 2 Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm điểm d1 Đối với trường hợp d2: 𝑗𝐵 = 𝑗0.9 vị trí 0.117𝜆 - Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ 𝐿21 = 0.117𝜆 + 0.25 𝜆 = 0.367𝜆 Hở mạch: 𝑌𝐿 = ⇒ 𝐿22 = 0.117𝜆 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm điểm d2 2.2 Trường hợp dây chêm Đường tròn ảnh (A) đường tròn g = + 𝑗0 dịch đoạn 𝜆/8 (xoay góc 90° ) • Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa: 𝜊 Có Γ = 0.4𝑒 𝑗70 ⇒ 𝑍𝑁𝐿 = 0.95 + 𝑗0.85 ⇒ 𝑌𝑁𝐿 = 0.58 − 𝑗0.52 ⇒ 𝑔𝐿 = 0.58 Giao đường tròn 𝑔𝐿 với (A) hai điểm 𝑌𝐿1 = 0.58 + 𝑗0.08 ⇒ Độ dịch: 𝑌𝐿1 − 𝑌𝑁𝐿 = 0.58 + 𝑗0.08 − (0.58 − 𝑗0.52) = 𝑗0.6 𝑌𝐿2 = 0.58 + 𝑗1.9 ⇒ Độ dịch: 𝑌𝐿2 − 𝑌𝑁𝐿 = 0.58 + 𝑗1.9 − (0.58 − 𝑗0.52) = 𝑗2.42 • Xác định chiều dài dây chêm 𝐿1 Với 𝑌𝐿1 = 0.58 + 𝑗0.08 độ dịch 𝑗0.6 0.086𝜆 - Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L1NM = 0.25 𝜆 + 0.086𝜆 = 0.336𝜆 Hở mạch: 𝑌𝐿 = ⇒ L1HM = 0.086 𝜆 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 d1 Với 𝑌𝐿2 = 0.58 + 𝑗1.9 độ dịch 𝑗2.42 0.188 𝜆 - Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L1NM= 0.25 𝜆 + 0.188𝜆 = 0.438𝜆 Hở mạch: 𝑌𝐿 = ⇒ L1HM = 0.188 𝜆 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 d2 • Xác định chiều dài dây chêm 𝐿2 Quay đường tròn ảnh đường (A) Với 𝑌𝑀1 = + 𝑗0.55 lấy đối xứng 𝑗0.55 có - 𝑗0.55 0.42 𝜆 - Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L2NM= 0.42 𝜆 − 0.25𝜆 = 0.17𝜆 Hở mạch: 𝑌𝐿 = ⇒ L2HM= 0.42 𝜆 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 d1 Với 𝑌𝑀2 = − 𝑗2.4 lấy đối xứng −𝑗2.4 có 𝑗2.4 0.187 𝜆 - Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L2NM= 0.25 + 0.187𝜆) = 0.437𝜆 Hở mạch: 𝑌𝐿 = ⇒ L2HM= 0.187 𝜆 10 Hình Đồ thị Smith PHTK dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 d2 11 PHẦN III: MÔ PHỎNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS Kiểm tra thiết kế bước sử dụng Advanced Design System (ADS) với giả thiết đường truyền vi dải (mô vùng băng thông 1Ghz) Vẽ mạch in mạch phối hợp trở kháng đường truyền cho biết đường truyền có tổng chiều dài từ đầu vào tới tải 2𝜆 12 3.1 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm hở mạch d1 Hình 1: Mạch dây cho PHTK dây chêm hở mạch d1 Hình Mô ADS PHTK dây chêm hở mạch d1 Hình 3 Layout cho PHTK dây chêm hở mạch d1 13 3.2 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm ngắn mạch d1 Hình Mạch dây cho PHTK dây chêm ngắn mạch d1 Hình Mô ADS PHTK dây chêm ngắn mạch d1 Hình Layout cho PHTK dây chêm ngắn mạch d1 14 3.3 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm hở mạch d2 Hình Mạch dây cho PHTK dây chêm hở mạch d2 Hình Mô ADS PHTK dây chêm hở mạch d2 Hình Layout cho PHTK dây chêm hở mạch d2 15 3.4 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm ngắn mạch d2 Hình 10 Mạch dây cho PHTK dây chêm ngắn mạch d2 Hình 11 Mơ ADS PHTK dây chêm ngắn mạch d2 Hình 12 Layout cho PHTK dây chêm ngắn mạch d2 16 3.5 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm hở mạch d1 Hình 13 Mạch dây cho PHTK dây chêm hở mạch d1 Hình 14 Mơ ADS PHTK dây chêm hở mạch d1 Hình 15 Layout cho PHTK dây chêm hở mạch d1 17 3.6 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm ngắn mạch d1 Hình 16 Mạch dây cho PHTK dây chêm ngắn mạch d1 Hình 17 Mơ ADS PHTK dây chêm ngắn mạch d1 Hình 18 Layout cho PHTK dây chêm ngắn mạch d1 18 3.7 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm hở mạch d2 Hình 19 Mạch dây cho PHTK dây chêm hở mạch d2 Hình 20 Mơ ADS PHTK dây chêm hở mạch d2 Hình 21 Layout cho PHTK dây chêm hở mạch d2 19 3.8 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm ngắn mạch d2 Hình 22 Mạch dây cho PHTK dây chêm ngắn mạch d2 Hình 23 Mơ ADS PHTK dây chêm ngắn mạch d2 Hình 24 Layout cho PHTK dây chêm ngắn mạch d2 20 PHẦN IV: KẾT LUẬN Sau thực tính tốn sử dụng đồ thị Smith mơ phỏng, nhóm em nhận thấy kết tính mơ có lệch, kết hệ số phản xạ nhỏ rơi vào tần số mà nhóm định thực Trong q trình tính tốn mơ phỏng, việc sử dụng đồ thị Smith giúp cho việc tính toán nhanh đồng thời gây sai số trình thực hệ số phản xạ mô phối hợp trở kháng không tối ưu Hướng giải việc sai số kết hợp sử dụng đồ thị Smith lý thuyết phối hợp trở kháng dây chêm dây chêm, đồng thời sử dụng tune điều chỉnh để phát sai số q trình mơ để biên độ hệ số phản xạ tối ưu Thơng qua việc tính tốn mô phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm song song dây chêm song song, chúng em thực hành xử lý toán phối hợp trở kháng cho đường truyền siêu cao tần phần kiến thức quan trọng học phần Kỹ thuật siêu cao tần Đồng thời việc thao tác sử dụng phần mềm mô ADS giúp thân em có cách nhìn thực hành trực quan phối hợp trở kháng cho đường truyền siêu cao tần để từ học tập hồn thiện tốt tập kiến thức cho thân 21