BÁO cáo bài tập lớn môn điện tử TƯƠNG tự 2 đề tài THIẾT kế, mô PHỎNG bộ PHỐI hợp TRỞ KHÁNG BĂNG tần GPS TRÊN PHẦN mềm ADS

Báo cáo này là kết quả tìm hiểu, vận dụng các lí thuyết đã được học tại bộ môn tương tự 2 để mô phỏng thiết kế bộ phối hợp trở kháng cho băng tần GPS.. Mục đích PHTK -Phối hợp trở kháng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

*****  *****

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 2

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG

BĂNG TẦN GPS TRÊN PHẦN MỀM ADS

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện: Nhóm 12

4 Trần Anh Quân

LỜI NÓI ĐẦU

Những lời đầu tiên trong báo cáo này nhóm chúng em xin phép được gửi lời cảm

ơn đến thầy Nguyễn Nam Phong đã đồng hành, hướng dẫn chúng em trong cả một

kì học đầy khó khăn

Báo cáo này là kết quả tìm hiểu, vận dụng các lí thuyết đã được học tại bộ môn tương tự 2 để mô phỏng thiết kế bộ phối hợp trở kháng cho băng tần GPS

Nhóm 3 xin cam kết những gì được thực hiện, được viết trong báo cáo, đều là do chúng em tổng hợp, mô phỏng, thiết kế

Hà Nội, ngày 1 tháng 6 năm 2021

DANH MỤC HÌNH VẼ , DANH MỤC BẢNG BIỂU

Hình 1 :

Hình 2 :

Bảng 1 :

BẢNG PHÂN CHIA NHIỆM VỤ

1 Nguyễn Văn Tùng

2 Nguyễn Đình Hùng

3 Nguyễn Anh Đức

4 Trần Anh Quân

5 Nguyễn Tiến Dũng

CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ GPS 1.Khái quát

GPS là hệ thống định vị toàn cầu do Mỹ phát triển và vận hành GPS là tên viết tắt của cụm từ “Global Positioning System” Nó là một hệ thống bao gồm nhiều vệ tinh bay trên quỹ đạo phía trên trái đất ở độ cao 20.200 km GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, liên tục suốt 24 giờ

và hoàn toàn miễn phí đối với một số dịch vụ.

GPS bao gồm 3 mảng (xem hình 1.1):

 Mảng người dùng: gồm người sử dụng và thiết bị thu GPS

 Mảng kiểm soát: bao gồm các trạm trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm

và trạm con Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào

 Mảng không gian: gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời và bay trên quỹ đạo

Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải

L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,5 Ghz) Và trong báo cáo này chúng em sẽ chon tần số 1.5Ghz để mô phỏng vì đây là tần số dân sự được sử dụng rộng dãi

CHƯƠNG 2: LÍ THUYẾT PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG

1) Phối hợp trở kháng(PHTK) là gì? Mục đích PHTK

-Phối hợp trở kháng là việc sử dụng các phần tử thụ động trong mạch điện hay các công cụ khác( dây chêm, bộ biến đổi ¼ bước sóng) để đưa tối đa công suất ra trở tải

-Mục đích của phối hợp trở kháng:

+) Đưa công suất tối đa từ nguồn ra tải

+) giảm bớt hao phí và tổn hao ngược

+)PHTK sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu (SNR)của hệ thống khác trong

hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âmthấp +Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp điện cho dàn anten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khi phân chia công suất

Hình 2.2: Sơ đồ chung của PHTK

2) Một số phương pháp PHTK hiện nay

- Sử dụng mạch có các phần tử thụ động L C ( mạch hình L , hình pi(π), mạch hình T, vv)

- Sử dụng các đoạn dây chêm ( thường dùng cho PHTK trên đường truyền siêu cao tần)( Dùng dây chêm nối tiếp, song song)

- Sử dụng bộ biến đổi ¼ bước sóng

Trong giới hạn môn học điện tử tương tự 2 nhóm chúng em sẽ dùng phương pháp phối hợp trở kháng bằng mạch sử dụng dây chêm.

3) Thiết lập công thức tính toán cho PHTK cho mạch sử dụng dây chêm 3.1 Phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm

Mạng phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm song song chuyển đổi phần thực của tải

R L thành Z0 và phần ảo X L thành 0

→ Sử dụng 2 tham số có thể điều chỉnh

Do đó mục đích của dây chêm song song:

• Xác định 𝑑 và 𝑙 từ đó xác địnhy d và y l

• Đảm bảo dẫn nạp tổng y tot = y d + y l = 1

Hình 2.2 PHTK sử dụng 1 dây chêm song song (trên) và nối tiếp (dưới)

Các bước xác thực hiện phối hợp trở kháng 1 dây chêm:

Bước 1: Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa Z NL

Bước 2: Vẽ đường tròn |Γ L |e jθr và xác định Y NL

Bước 3: Di chuyển theo chiều kim đồng hồ (WTG) dọc theo đường tròn |Γ L|e jθr giao với 1

± jB → giá trị của y d.

Bước 4: Chiều dài từ Y NL tới y d sẽ xác định được 𝑑.

Bước 5: Xác định y l tại điểm ∓ jB.

Bước 6: Phụ thuộc vào dây chêm ngắn mạch hay hở mạch di chuyển tới y l (WTG), khoảng cách di chuyển sẽ xác định được độ dài dây chêm 𝑙.

3.2 Phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm

Trong trường hợp trở kháng tải thay đổi, khi sử dụng một dây chêm thì việc điều chỉnh để phối hợp trở kháng khó khăn.

Sử dụng 2 dây chêm để phối hợp trở kháng:

 Khi vị trí nối dây chêm là cố định.

 Không mất tính tổng quát, có thể coi dây chêm thứ nhất được nối tại tải và khoảng cách giữa 2 dây chêm là cho trước.

 Khi thay đổi trở kháng tải, chỉ cần điều chỉnh độ dài 2 dây chêm để thực hiện phối hợp trở kháng.

Các bước thưc hiện phối hợp trở kháng 2 dây chêm:

Bước 1: Tìm điểm trở kháng chuẩn hóa, lấy đối xứng qua đường tròn |Γ L|e jθr để xác định điểm Y NL =g L+ jB L.

Bước 2: Tìm giao điểm của đường tròn đẳng g L với đường tròn ảnh → xác định được 2 nghiệm → xác định được 2 giá trị của độ dài dây chêm thứ nhất l1.

Bước 3: Quay đường trong ảnh về đường tròn 𝑔 = 1 → xác định các giá trị của dây chêm thứ hai l2.

Hình 2 3 PHTK sử dụng 2 dây chêm song song

CHƯƠNG 3 : 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 tại tải có biên độ là 0.4, pha độ là 70 độ Thiết kế mạch phối hợp trở kháng (sử dụng

đồ thị Smith) tại tần số 1.575 Ghz (Nhóm em chọn tần số này vì đây là tần

số dân sự của GPS) sử dụng phương pháp:

a) Hai dây chêm với khoảng cách giữa hai dây là 𝜆/8 (giả thiết một dây nối ở

vị trí tải)

Bài làm

Theo đồ thị Smith:

Đường tròn ảnh (A) là đường tròn của g = 1 + 𝑗0 dịch đi một đoạn 𝜆/8 (xoay đi một góc 90°)

• Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa:

Có Γ = 0.4𝑒𝑗70𝜊 ⇒ 𝑍𝑁𝐿 = 0.95 + 𝑗0.85

⇒ 𝑌𝑁𝐿 = 0.58 − 𝑗0.52

⇒ 𝑔𝐿 = 0.58

Giao của đường tròn 𝑔𝐿 với (A) tại 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 và độ dịch 𝑗0.6 tại 0.086𝜆

- Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L1NM = 0.25 𝜆 + 0.086𝜆 = 0.336𝜆

- Hở mạch: 𝑌𝐿 = 0 ⇒ L1HM = 0.086 𝜆

Hình Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L1

tại d1

Với 𝑌𝐿2 = 0.58 + 𝑗1.9 và độ dịch 𝑗2.42 tại 0.188 𝜆

- Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L1NM= 0.25 𝜆 + 0.188𝜆 = 0.438𝜆

- Hở mạch: 𝑌𝐿 = 0 ⇒ L1HM = 0.188 𝜆

Hình Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L1

tại d2

• Xác định chiều dài dây chêm 𝐿2

Quay đường tròn ảnh về đường (A) khi đó

Với 𝑌𝑀1 = 1 + 𝑗0.55 và lấy đối xứng 𝑗0.55 có - 𝑗0.55 tại 0.42 𝜆

- Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L2NM= 0.42 𝜆 − 0.25𝜆 = 0.17𝜆

- Hở mạch: 𝑌𝐿 = 0 ⇒ L2HM= 0.42 𝜆

Hình 2 6 Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm

L2 tại d1

Với 𝑌𝑀2 = 1 − 𝑗2.4 và lấy đối xứng −𝑗2.4 có 𝑗2.4 tại 0.187 𝜆

- Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L2NM= 0.25 + 0.187𝜆) = 0.437𝜆

- Hở mạch: 𝑌𝐿 = 0 ⇒ L2HM= 0.187 𝜆

Hình Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 tại d2

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG

PHẦN MỀM ADS

Kiểm tra thiết kế ở bước 1 sử dụng Advanced Design System (ADS) với giả thiết là các đường truyền vi dải (mô phỏng trên vùng băng thông 1Ghz)

Vẽ mạch in của mạch phối hợp trở kháng và đường truyền cho biết đường truyền có tổng chiều dài từ đầu vào tới tải là 𝜆

3.1 Vẽ mạch và tính toán các thông số bằng LineCalc

3.1.1 Tạo một Workspace mới.

 Vào File => New=> Workspace hoặc biểu tượng trên thanh công cụ

 Đặt tên và chọn mục lưu trữ sau đó kích Create Workspace

Hình 2.1: Hộp thoại New Workspace

3.1.2 Tạo một Schematic mới

 Vào File => New=> Schematic hoặc biểu tượng trên thanh công cụ

 Đặt tên trong ô Cell rồi chọn Create Schematic

Hình 2.2: Hộp thoại New Schematic

2.1.3 Vẽ mạch và tính toán bằng LineCalc

 Vào Tools=>LineCalc=> Start LineCalc để mở hộp thoại

LineCalc/untitled.

 Ô Freq nhập vào 1.575 Ghz và ô Z0 nhập 50 Ohm.

 Ở ô E_Eff nhập vào các giá trị đã tính toán ở phần 2 *360

 Sau đó chọn Synthesize

 Nhập các thông số W và L vào các WLIN tương ứng

Hình: Hộp thoại LineCalc/untitled

Hình 3 19 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2

3.2 Kết quả mô phỏng

Hình 3 20 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2

3.3 Vẽ layout

 Chọn Layout=>Generate/Update Layout… rồi chọn Ok

 Sau đó chỉnh sửa để được Layout như ý

Hình 3 21 Layout cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2

Các trường hợp còn lại làm tương tự

3.4 Nhận xét và kết luận

Ở phần 3.2 mô phỏng ta có thể thấy mag(var(“S”)) nhỏ nhất ở tần số 1.575Ghz nhưng ở bên đồ thị Smith vẫn có sai số Sai số đó có thể do trong quá trình tính toán

Qua phần mô phỏng trên giúp chúng em hiểu hơn về phần mềm ADS và tích lũy thêm kiến thức Do việc lầm gấp gáp nên có thể có sai sót mong thầy có thể góp ý để chúng em hoàn thiện hơn

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO,MINH MINH CHỨNG

- Slide môn học điện tử tương tự 2 của thầy Nguyễn Nam Phong

- https://drive.google.com/drive/folders/

143i8iprQc4l2cER6hYgxnWdgekGVjOKS?usp=sharing