Thiết kế mạng tiếp điện tạo 4 búp sóng dùng ma trận Butler
4.2Thiết kế 1 Bộ ghép la
4.2.1 Bộ ghép lai
Bộ ghép lai là một kiểu của bộ ghép định hướng, thực hiện nhiệm vụ chia công suất từ một đầu vào thành 2 đầu ra bằng nhau về biên độ và lệch pha nhau một góc 900, đây là phần quan trọng nhất của quá trình thiết kế trong đồ án này. Như đã đề cập trong chương 3, chúng ta đã đi xây dựng ma trận tán xạ cho một bộ ghép lai nhưng chúng ta lại chưa đề cập đến việc làm thế nào để thiết kế được nó. Việc thiết kế bộ ghép lai thường được thực hiện bằng mạch vi dải đơn lớp hoặc đa lớp. Cấu trúc của một bộ ghép lai thông thường được cho trong hình 4.2.
Hình 4.2: một kiểu của bộ ghép lai.
Hình 4.2 là cấu tạo của một bộ ghép lai cầu phương được làm từ 2 nhánh có trở kháng 50 và 2 nhánh có trở kháng 35.4 với chiều dài mỗi nhánh là một phần tư bước sóng tong đường truyền vi dải (trở kháng Z0 là 50). Bằng phương pháp phân tích phương thức chẵn-lẻ [3] chúng ta sẽ tìm được ma trận tán xạ của bộ ghép lai như đã nêu trong chương 3.
Để cải thiện băng thông, kích thước, độ phẳng của hệ số ghép, người ta đã đưa ra nhiều mô hình khác nhau của bộ ghép lai. Một số mô hình được cho trong hình 4.2.
Hình 4.3: các cấu trúc cho hệ số ghép phẳng.
Với cấu trúc kiểu đĩa tròn và đĩa elip thì cho hệ số ghép phẳng trên một băng thông tương đối rộng tuy nhiên việc lựa chọn các thông số thường phức tạp và khó khăn, ngoài ra các cấu trúc kiểu này thường có kích thước lớn.
Trên hình 4.4 là 2 kiểu cấu trúc của bộ ghép lai cho băng thông rộng, tuy nhiên hệ số ghép không phẳng. Hơn nữa các cấu trúc này khó chế tạo, vì với bộ ghép lai kiểu Lange Coupler thì có nhiều nhánh với khoảng cách giữa các nhánh rất bé, tương tự với kiểu ghép lai ba nhánh với 2 nhánh ngoài cùng có bề rộng rất bé nên không hiện thực.
Quá trình thiết kế được bắt đầu bằng việc phân tích các yêu cầu đặt ra, đó là: băng tần hoạt động, đáp ứng biên độ, lỗi pha đầu ra và trên hết là khả năng hiện thực nó trong điều kiện ở Việt Nam. Do đó, trong đồ án này tôi không đi sâu vào các công nghệ phức tạp như mạch đa lớp, hay cấu trúc siêu vật liệu mà chỉ tập trung vào thiết kế thử nghiệm các cấu trúc đơn lớp điện môi. Nhận thấy băng thông 250MHz với dải tần từ 1.92GHz tới 2.17GHz tương ứng với 12.2% giá trị tần số trung tâm là 2.045GHz, do đó đây được coi là băng thông rộng (một tín hiệu được gọi là băng thông rộng nếu dải tần hoạt động của nó lớn hơn 10% tần số trung tâm). Theo lý thuyết thì một bộ ghép lai kiểu thông thường như trên hình 4.1 chỉ cho giá trị tổn hao ngược (S11) nhỏ hơn -20dB (giá trị chuẩn) trong khoảng 10% giá trị tần số trung tâm. Trong thực tế, khi thiết kế và mô phỏng các bộ ghép lai kiểu vuông như hình 4.2 và kiểu vòng Ring như hình 4.5a bằng phần mềm HFSS tôi nhận thấy đáp ứng biên độ đầu ra không phẳng mà có chênh lệch biên độ hai đầu ra tương đối lớn (gần 0.6dB). Tôi cũng tham khảo một bài báo thiết kế ma trận Butler 4x4 dùng cho các ứng dụng UMTS dùng bộ ghép lai kiểu elíp như trên hình 4.3 và tôi nhận thấy với bộ ghép lai kiểu elíp cho kết quả tốt khi dùng lớp đế có hằng số điện môi là 3.53 và độ dày 0.81mm (không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu chịu được công suất lớn như BTS). Tuy nhiên, cũng cấu trúc đó, khi chuyển sang dùng đế FR4 có chiều dày đế 1.6mm mặc dù cho đáp úng biên độ phẳng nhưng suy hao lại lớn (gây ra do chiều dày đế), cụ thể biên độ hai đầu ra xấp xỉ -4dB. Và khi đưa vào thiết kế ma trận Butler thì biên độ các đầu ra chỉ còn -9dB (so với giá trị chính xác là -6dB). Nhược điểm khác của kiểu cấu trúc elíp là kích thước lớn, khó xác định các
thông số như độ lệch tâm, chiều dài đoạn phối hợp trở kháng, bán trục lớn của elíp. Các giá trị này hoàn toàn bắt đầu bằng sự khởi tạo sau đó tìm giá trị tối ưu.
Thiết kế trong đồ án này dựa trên kiểu cấu trúc vòng tròn được cho như trong hình 4.5. Ở đó, các cung tròn có độ dài là một phần tư bước sóng. Thiết kế này về cơ bản cũng dựa trên kiểu cấu trúc thông thường như ở hình 4.1.
a.Kiểu vòng tròn b.cấu trúc đề xuất
Hình 4.5: cấu trúc đề xuất của bộ ghép lai
Một số biểu thức toán học được sử dụng để tính chiều rộng và chiều dài của các đường truyền được cho ở bên dưới:
(4.1)
Hoặc:
(4.2)
Ở đây:
và
W là chiều rộng đường truyền vi dải, h là chiều dày lớp đế FR4, còn chiều dài của đường truyền vi dải được tính theo biểu thức:
(4.3) f là tần số hoạt động, c là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do, và là hằng số điện môi tương đối.
Hình 4.5b là cấu trúc đề xuất của bộ ghép lai mà đồ án đưa ra. Cấu trúc này có kích thước tương đối nhỏ và hệ số ghép phẳng trong toàn bộ băng thông. Các
Bảng 4.1: các tham số của bộ ghép lai Thông số Giá trị Chiều dày lớp đế Hằng số điện môi Bề rộng đường trở kháng 50Ω Bề rộng đường trở kháng 35.4Ω Bán kính cung tròn một phần tư bước sóng 1.6mm 4.4 3mm 5.1mm 12.4m m
Thiết kế ban đầu la kiểu vòng tròn như hình 4.5a với bán kính của các cung tròn là 11.2mm. kết quả mô phỏng về đáp ứng biên độ của nó được cho trong hình 4.6. So sánh kết quả này với kết quả của bộ ghép lai đề xuất như hình hình 4.5b thì rõ ràng cấu trúc đề xuất cho kết quả tốt hơn, thể hiện ở đáp úng biên độ phẳng và đều hơn.
Hình 4.7c: Mô phỏng phân bố dòng khi cổng 1 được tiếp điện
Ở hình 4.7a nhận thấy các giá trị tổn hao ngược (Return Loss) và độ cách ly giữa 2 cửa 1 và 2 (Isolated) đạt giá trị lớn nhất là -18dB (mặc dù chưa đạt giá trị chuẩn là -20dB nhưng ma trận Butler trong thiết kế này không sử dụng bộ Crossover nên khi mô phỏng nó vẫn đạt giá trị tổn hao ngược nhỏ hơn -15dB), trong khi đó hệ số ghép ở 2 đầu ra đạt mức 3.50.1 (dB). Như vậy là hệ số ghép tương đối phẳng trên toàn bộ băng thông.
Hình 4.7b là kết quả về độ lệch pha giữa 2 đầu ra 3 và 4. Nhận thấy độ lệch pha nằm trong khoảng 90010, như vậy sai pha là 10 trên toàn bộ băng thông.