a. Chức năng
Khối ghép công suất thực hiện chức năng ghép tổng tín hiệu từ nhiều cửa để đưa ra một cửa duy nhất, ở đây là ghép tổng tín hiệu sau dịch pha từ 4 chấn tử anten để đưa vào các tầng tiếp theo. Khối ghép công suất phải đảm bảo phối hợp trở kháng tại tất cả các cửa, để tín hiệu vào và tín hiệu ra không bị phản xạ, đồng thời đảm bảo trọng số về công suất là như nhau tại cả 4 đường ghép.
b. Cơ sở lí thuyết
Khối ghép công suất được sử dụng trong hệ thống của em sử dụng công nghệ của bộ chia/ghép công suất Wilkinson. Trong hệ thống có 4 đầu vào từ 4 chấn tử anten, do vậy cần xây dựng bộ ghép công suất Wilkinson với 4 đầu vào. Tuy nhiên, để đơn giản hóa khi phân tích cơ sở lí thuyết, em chỉ tập trung vào bộ ghép công suất Wilkinson 2 đầu vào. Bộ ghép công suất 4 đầu vào sẽ được xây dựng bằng cách ghép các bộ ghép công suất 2 đầu vào.
Hình 2.27 Cấu trúc bộ ghép công suất Wilkinson 2 đầu vào
Từ Hình 2.27, ta thấy bộ ghép công suất Wilkinson 2 đầu vào chính là một mạng 3 cửa. Trong đó, đầu ra là một đường truyền siêu cao tần trở kháng Ω, nối tiếp với một nhánh 2 đường truyền siêu cao tần trở kháng Ω, chiều dài điện λ/4. Mỗi nhánh lại nối tiếp với đường truyền siêu cao tần đầu vào có trở kháng Z0 Ω. Ma trận tán xạ [S] đặc trưng cho sự phản xạ và truyền đạt của mạng 3 cửa này có dạng:
(2.9)
Trong đó, mạng 3 cửa này có các tính chất sau:
(cửa 1 phối hợp trở kháng)
(cửa 2 và cửa 3 phối hợp trở kháng) (công suất ghép đều giữa 2 cửa) (đối xứng đầu vào và đầu ra) (cách li giữa cửa 2 và cửa 3)
d. Tính toán thiết kế sơ đồ nguyên lí với các đường truyền lí tưởng
Yêu cầu kĩ thuật do em đặt ra với bộ ghép công suất Wilkinson như sau:
Bảng 2.13 Yêu cầu kĩ thuật cho bộ ghép công suất Wilkinson
Tiêu chí Yêu cầu
Số đầu vào 4
Dải tần 2,4 ~ 2,5 GHz
Trở kháng các cửa 50 Ω
Suy hao phản xạ các cửa > 12 dB
Suy hao xen < 1 dB
Lựa chọn trở kháng đầu vào và đầu ra của bộ ghép công suất Z0 = 50 Ω. Khi đó, trở kháng của đường truyền trung gian là Ω. Sơ đồ nguyên lí của mạch ghép công suất 4 đầu vào với các phần tử đường truyền siêu cao tần lí tưởng được vẽ trên phần mềm ADS như Hình 2.28. Có thể coi mạch ghép công suất Wilkinson 4 đầu vào là tổ hợp của 3 bộ ghép công suất Wilkinson 2 đầu vào.
Hình 2.28 Mạch ghép công suất Wilkinson 4 đầu vào với các phần tử lí tưởng
Từ sơ đồ nguyên lí trên, thực hiện mô phỏng thu được kết quả như Hình 2.29.
Từ kết quả mô phỏng, ta thấy bộ ghép công suất Wilkinson 4 đầu vào với các phần tử lí tưởng phối hợp trở kháng tốt tại tất cả các cửa, đồng thời trọng số ghép công suất giữa các cửa là như nhau và bằng 1.
Lựa chọn vật liệu làm PCB là FR-4 để giảm thiểu chi phí, có hệ số cách điện εr = 4,3 tại tần số 2,45 GHz, độ dày 0,6mm. Sử dụng công cụ Line Calc trong phần mềm mô phỏng ADS để tính toán trở kháng của các đường truyền mạch vi dải có trở kháng 50Ω và 70,71Ω, thu được kết quả như bảng sau.
Bảng 2.14 Kích thước các đường truyền mạch vi dải
Trở kháng Độ dài (mm) Độ rộng (mm)
50Ω 6,33 mm 3,1 mm
70,7Ω 16,27 mm 1,57 mm
Từ các kích thước này, ta thực hiện vẽ mô hình 3D trên phần mềm mô phỏng siêu cao tần CST để đánh giá đặc tính của hệ.
e. Mô phỏng, tối ưu sơ mô hình 3D bộ ghép công suất Wilkinson
Với các kích thước đã tính toán được ở phần trên, em tiến hành vẽ lại mô hình 3D trên phần mềm mô phỏng CST với dạng mô hình như sau:
Hình 2.30 Mô hình 3D bộ ghép công suất Wilkinson trên phần mềm CST
Do sơ đồ nguyên lí với các phần tử lí tưởng chưa tính đến các thành phần tương tác giữa đường truyền, do đó kết quả mô phỏng mô hình 3D lấy kết quả từ tính toán lí thuyết sẽ chưa được tốt và đúng yêu cầu. Vì vậy, cần tiến hành thêm bước tối ưu lại các kích thước đường truyền, sao cho kết quả đầu ra đạt yêu cầu và càng đẹp càng tốt. Kết quả mô phỏng cuối cùng sau tối ưu thu được như sau:
So sánh lại với yêu cầu kĩ thuật đặt ra, ta được bảng sau:
Bảng 2.15 So sánh yêu cầu kĩ thuật với kết quả mô phỏng sau tối ưu
Tiêu chí Yêu cầu Mô phỏng Đánh giá
Dải tần 2,4 ~ 2,5 GHz 2 ~ 3 GHz Đạt
Suy hao phản xạ các cửa > 12 dB > 20 dB Đạt
Suy hao xen < 1 dB 0,66 dB Đạt
Từ bảng tổng hợp trên, ta thấy kết quả mô phỏng đã đạt tất cả các yêu cầu kĩ thuật đề ra. Từ các kích thước này, em tiến hành xuất file 2D để đưa vào phần mềm vẽ mạch.