Phối hợp trở kháng dải hẹp bằng những đoạn dây dẫn sóng mắc liên tiếp

Một phần của tài liệu Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tần băng x (Trang 39)

d) Hệ số tạp âm Noise Figure (NF)

2.3.2 Phối hợp trở kháng dải hẹp bằng những đoạn dây dẫn sóng mắc liên tiếp

2.3.2.1 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây một phần tư bước sóng

Một đoạn dây dẫn sóng dài sẽ thỏa mãn biểu thức: ZvàoZL = Z0

2

(2.26)

Trong đó, Z0 là trở kháng đặc tính của đường truyền, ZL là trở kháng đầu cuối, Zvào là trở kháng đầu vào. Như vậy ta mắc một đoạn dây dẫn sóng dài λ\4 có trở kháng

(2.27)

Với Za là trở kháng đặc tính của đường truyền sóng chính hoặc trở kháng của nguồn cung cấp. Kỹ thuật này thường sử dụng với các tải có trở kháng thực.

Hình 2.9 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây λ\4

Giả sử các đường truyền dẫn sóng là đường dây không tổn hao và tải đầu cuối là thuần trở:

Za = R0; Z0 = R0; ZL = RL

Ta được

Khi tần số thay đổi độ dài của đoạn dây λ\4 phối hợp sẽ khác và điều kiện phối hợp sẽ không còn thỏa mãn nữa.

2.3.2.2 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ

Dùng một dây dẫn sóng có độ dài bất kỳ mắc nối tiếp cho phép có thể phối hợp một trở kháng phức ZL với một đường có trở kháng đặc tính Z0.

Hình 2.10 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ

2.3.2.3 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp

Hình 2.11 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây nối tiếp

Trong trường hợp này, các đoạn dây phối hợp trở kháng đặc tính Z0 và Za đã biết trước cần xác định độ dài của chúng để có được trở kháng nhìn từ A-A về tải đạt được giá trị bằng Z0, nghĩa là bảo đảm không có sóng phản xạ.

2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm

Một đoạn dây chêm là một phần của đường truyền có chiều dài l và thường được kết thúc bẳng mạch hở hoặc ngắn mạch.

Hình 2.12 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây chêm đơn Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đơn tuy đơn giản về nguyên lý nhưng khó khăn khi thực hiện vì:

 Điểm mắc dây chêm (khoảng cách d) phụ thuộc vào giá trị của tải ZL nên vị trí này có thể điều chỉnh được.

Thường việc điều chỉnh vị trí mắc dây chêm hay độ dài dây nhánh được thực hiện theo cách tiếp xúc trượt. Đây là nhược điểm vì khó đảm bảo sự liên tục về trở kháng hoặc tiếp xúc kém. Để khắc phục nhược điểm này người ta dùng phương pháp phối hợp bằng dây chêm đôi đặt cách nhau khoảng cách cố định λ\8, λ\4, 3λ\8 trên đường truyền sóng. Các dây chêm có thể ở tình trạng hở mạch hoặc ngắn mạch đầu cuối.

CHƯƠNG III 3.1 Lựa chọn phần mềm mô ph

3.1.1 Lựa chọn chương trình mô ph

Luận văn thiết kế bộ LNA làm vi lựa chọn tần số làm việc là 8.5Ghz

tuyến. Do đó việc thiết kế, mô phỏng mạch cần hợp. Phần mềm mô phỏng

Agilent chuyên hỗ trợ thiết kế, mô phỏng mạch

Hình 3.1 Ph

3.1.2 Lựa chọn tranzitor hỗ

Tranzitor SPF 3043 có d hệ số nhiễu NF (Noise Figure) th

CHƯƠNG III – MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI MẠCH m mô phỏng và linh kiện

ình mô phỏng

LNA làm việc tại băng tần X có dải tần từ 8

à 8.5Ghz. Nhưđã biết mạch điện tại tần số cao tần trở n ệc thiết kế, mô phỏng mạch cần được thực hiện trên chươ

ợp. Phần mềm mô phỏng ADS2009 (Advanced Design System 2009) c ỗ trợ thiết kế, mô phỏng mạch điện cao tần đã được lựa chọn.

Hình 3.1 Phần mềm mô phỏng ADS 2009

ỗ trợ thiết kế

có dải tần hoạt động rộng từ 0 – 10 Ghz, có đ u NF (Noise Figure) thấp, phù hợp thiết kế các bộ khuếch đại t

CH

ệc tại băng tần X có dải tần từ 8-12Ghz, ở đây ện tại tần số cao tần trở nên phi ương trình thích ADS2009 (Advanced Design System 2009) của hãng

ợc lựa chọn.

, có độ lợi G (Gain), i tạp âm thấp

Hình 3.2. Sơ đồ

Hình 3.3 Từ hình 3.3 ta thấy khi ch

8.5Ghz thì việc lựa chọn chip SPF 3043 là hoàn toàn h dải tần hoạt động của chip SPF 3043.

ồ và chức năng từng chân của chip SPF 3043

Hình 3.3 Độ lợi G theo tần số của SPF 3043

y khi chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp làm vi n chip SPF 3043 là hoàn toàn hợp lý, tần số 8.5Ghz n a chip SPF 3043.

043

p làm việc tại tần số 8.5Ghz nằm trong

3.2 Thiết kế và mô phỏng m

3.2.1 Phương pháp phối hợ

Có rất nhiều phương pháp ph chêm nối tiếp, dây chêm song song, dụng λ/4 cho kết quả chính xác, các phương pháp còn lại.

Hình 3.4 S

Hình 3.5 Ph

3.2.2 Tính toán mô phỏng thi

Từ file .s2p của chip SPF 3043, dùng ADS 2009 ta có b của chip

ng mạch khuếch đại

ợp trở kháng

u phương pháp phối hợp trở kháng khác nhau: phần tử

p, dây chêm song song, λ/4…Nhưng qua thực nghiêm, phương pháp s chính xác, ổn định cho kết quả hệ số khuếch đại cao hơn so v

Hình 3.4 Sơ đồ mạch khuếch đại phối hợp trở kháng

Hình 3.5 Phương pháp phối hợp trở kháng dùng λ/4

ng thiết kế

a chip SPF 3043, dùng ADS 2009 ta có bảng thông s

ử tập trung, dây c nghiêm, phương pháp sử i cao hơn so với

kháng

Tại tần số 8.5Ghz: S11 = 0.46826 S21 = 0.16301 3.2.2.1 Phối hợp trở kháng cho l Hình 3.6 Tính toán S11Ang = 154.092 S21Ang = -137.490

kháng cho lối vào Zin

Hình 3.6 Tính toán giá trị trở kháng vào Zin

Dùng phần mềm ADS đ toán với Z0 = 50 (18.95 + j*9.9) Ω

m ADS để tính = 50 Ω Zin =

* Tính toán các tham s Dùng giản đồ Smith ta tính đư vào

* Tính toán các tham số lối vào

Smith ta tính được 2 trường hợp của phối hợp trở kháng cho

Hình 3.7 Trường hợp 1 của lối vào

Hình 3.8 Trường hợp 2 của lối vào

d1 = 0.21409λ Z(d1) = 137.922 Ohm Zλ/4 = 83.0427 Ohm d2 = 0.46409λ Z(d2) = 18.1262 Ohm Zλ/4 = 30.105 Ohm kháng cho lối Z(d1) = 137.922 Ohm = 83.0427 Ohm λ Z(d2) = 18.1262 Ohm = 30.105 Ohm

* Tính toán mô phỏng phố

Dùng công cụ LineCalc trên ph chiều dài L các đoạn dây củ

Hình 3.9 M

Hình 3.10 Kế

ối hợp trở kháng lối vào trường hợp 1 LineCalc trên phần mềm ADS 2009 ta tính được đ

ủa mạch phối hợp:

Hình 3.9 Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường hợ

ết quả tham số S11, S21 lối vào trường hợp 1

c độ rộng W và

ợp 1

* Tính toán mô phỏng phố

Hình 3.11 M

Hình 3.12 Kế

ối hợp trở kháng lối vào trường hợp 2

Hình 3.11 Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường h

ết quả tham số S11, S21 lối vào trường hợp 2 ng hợp 2

3.2.2.2 Phối hợp trở kháng cho l

Hình 3.13 Tính toán

kháng cho lối ra Zout

Hình 3.13 Tính toán giá trị trở kháng ra Zout Với Z0 = 50Ω

*Tính toán các tham số lối ra

Hình 3.14 Tr

Hình 3.15 Tr i ra

Hình 3.14 Trường hợp 1 của lối ra

Hình 3.15 Trường hợp 2 của lối ra

d1 = 0.06192λ Z(d1) = 35.9665 Ohm Zλ/4 = 42.4067 Ohm d2 = 0.31192λ Z(d2) = 69.5091 Ohm Zλ/4 = 58.953 Ohm λ Z(d1) = 35.9665 Ohm = 42.4067 Ohm λ Z(d2) = 69.5091 Ohm = 58.953 Ohm

* Tính toán mô phỏng phố

Hình 3.16 Mạ

Hình 3.17 K

ối hợp trở kháng lối ra trường hợp 1

ạch phối hợp trở kháng lối ra trường hợp 1

Hình 3.17 Kết quả tham số S11, S21 lối ra trường hợp 1 p 1

* Tính toán mô phỏng phố

Hình 3.18 Mạ

Hình 3.19 Kế

ối hợp trở kháng lối ra trường hợp 2

ạch phối hợp trở kháng lối ra trường hợp 2

ết quả tham số S11 và S21 lối ra trường hợp 2 p 2

3.2.2.3 Phối hợp trở kháng cho m

Từ kết quả tính toán m vào và lối ra, ta thấy chọn l phỏng tốt nhất. Từ đó ta có sơ đ

Hình 3.20 Sơ đ Sau khi phân cực đưa ngu đồ nguyên lý thiết kế của m

Hình 3.21 Sơ đ

kháng cho mạch khuếch đại

tính toán mạch phối hợp phối hợp trở kháng các trườ n lối vào trường hợp 2 và lối ra trường hợp 2 cho k đó ta có sơ đồ mô phỏng mạch khuếch đại:

ơ đồ nguyên lý mô phỏng mạch khuếch đạ c đưa nguồn một chiều vào mạch nguyên lý mô ph

a mạch khuếch đại:

ơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tạp âm thấ

ờng hợp của lối p 2 cho kết quả mô

ại

ch nguyên lý mô phỏng ta có sơ

Với mạch khuếch ở hình 3.21 ta có

Hình 3.22 Kế Kết quả mô phỏng: S21 của chip SPF 3043 ở băng X. S hợp với tiêu chí phối hợp trở 3.3 Chế tạo và đo đạc mạch khu

Sau khi mô phỏng thành công, ta đi ti công hoàn thiện ta được sản ph

Hình 3.23 Layout m

hình 3.21 ta có kế quả mô phỏng sau:

ết quả S11, S21, VSWR của mạch khuếch đạ

21 = 12.368 dB  hệ số khuếch đại cao, phù h

băng X. S11 = -34.750 dB và hệ số sóng đứng VSWR=1 là phù ở kháng

ch khuếch đại

ng thành công, ta đi tiến hành thiết kế layout cho m n phẩm là mạch khuếch đại thực tế:

Hình 3.23 Layout mạch khuếch đại tạp âm thấp. ại

i cao, phù hợp với độ lợi ng VSWR=1 là phù

ho mạch và gia

Hình 3.24 Sả Tiến hành đo đạc trên m

Hình 3.25 Sơ đồ

ản phẩm thực tế mạch khuếch đại tạp âm th c trên mạch thực tế ta được kết quả:

ồ bố trí đo đạc mạch khuếch đại tạp âm th p âm thấp.

Hình 3.26 Kết quả đo tham số S21(hệ số khuếch đại của mạch).

S21 = 9.876 dB  hệ số khuếch đại G = 9.876 dB chưa đạt tới kết quả mô phỏng (G = 12.368 dB) và đo tại tần số làm việc là 8.49675 Ghz bị dịch tần so với tần số làm việc mô phỏng là 8.5 Ghz do suy hao và tổn thất trên đường truyền thực nghiệm không lý tưởng như mô phỏng.

Hình 3.27 Kết quả đo thực nghiệm tham sốS11

S11 = - 7.106 dB, độ âm chưa sâu nhưng đạt chỉ tiêu phối hợp trở kháng

a)b)

Hình 3.28. Đo đạc xác định băng thông của mạch

a) Hệ số khuếch đại giảm 3dB về bên trái so với đỉnh tại tần số trung tâm. b) Hệ số khuếch đại giảm 3dB về bên phải so với đỉnh tại tần số trung tâm.

Băng thông của mạch đạt khoảng 19 Mhz là đạt yêu cầu so với mạch khuếch đại tạp âm ở băng tần X

3.4 Hạn chế trong khi đo đạc mạch thực tế - Kết quả đo thông số mạch thực tế: - Kết quả đo thông số mạch thực tế:

+ Hệ khuếch đại G = S21 = 9.876 dB

+ Băng thông của mạch: BW = 19 Mhz (8.4874 Ghz - 8.5068 Ghz) + Tham số S11 = -7.106 dB

- Về hệ số NF: do hạn chế về thiết bị đo hệ số NF nên khi đo đạc thông số mạch khuếch đại thực tế không đo được hệ số NF

KẾT LUẬN

Trong thời gian tìm hiểu và nghiên cứu dưới sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn PGS.TS Bạch Gia Dương, đến nay toàn bộ nội dung của luận văn đãđược hoàn thành đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đãđặt ra. Quá trình thực hiện đề tài thực sự là khoảng thời gian vô cùng quý báu và hữu ích cho em khi nghiên cứu, tìm hiểu về kỹ thuật siêu cao tần, cũng như sự khó khăn khi triển khai ứng dụng lý thuyết siêu cao tần vào thực tế. Hơn nữa, đây cũng sẽ là hành trang kiến thức rất quý giá cho em trong những công tác thực tiễn sau này.

Qua quá trình tìm hiểu thực hiện đề tài, em đã thu được những kết quả chính như sau:

1. Tìm hiểu tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp trong các bộ thu radar băng X.

2. Nghiên cứu, tìm hiểu về kỹ thuật siêu cao tần trong đó tìm hiểu kỹ thuật phối hợp trở kháng để đưa ra giải pháp tối ưu khi thiết kế các bộ khuếch đại tạp âm thấp băng X trong các máy thu radar.

3. Sử dụng phần mềm chuyên nghiệp ADS để thiết kế, mô phỏng các mạch siêu cao tần nói chung và trong các mạch khuếch đại tạp âm thấp nói riêng. 4. Thiết kế, chế tạo, đo đạc thành công bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu

cao tần băng X trong các ứng dụng theo dõi thời tiết, kiểm soát không lưu, kiểm soát giao thông hàng hải, radar bám mục tiêu cho quốc phòng và đo tốc độ phương tiện cho cảnh sát. Hệ số khuếch đại 9.876 dB. Dải thông đạt 19 MHz

5. Kết quả đo kiểm các tham số S phù hợp cơ bản với kết quả mô phỏng. Và hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

o Tiếp tục cải thiện các đặc tính của bộ LNA cho tốt hơn (NF nhỏ hơn, độ lợi cao hơn, độ tuyến tính tốt hơn…)

o Tìm hiểu và thiết kế được các bộ LNA hoạt động ở nhiều tần số yêu cầu khác nhau trong thực tế và có các băng thông dải rộng đến siêu rộng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] Bạch Gia Dương, Trường Vũ Bằng Giang, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB

ĐHQGHN

[2] Kiều Khắc Lâu, Cơ Sở Kỹ Thuật Siêu Cao Tần, NXB Giáo Dục

Tiếng Anh

[1] David M.Pozar, RFID AT ULTRAAND SUPER HIGHFREQUENCIES,

Roderick Riesco, MA, Member of the Instituteof Translation and Interpre ting, UK

[2] Merrill I.Skolnik,RADARHANDBOOK,Mc Graw Hill.

[3] W. Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc. [4] David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc.

Một phần của tài liệu Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tần băng x (Trang 39)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(61 trang)