Thiết kế mô phỏng và chế tạo bộ chia công suất wilkinson

Vì vậy chúng ta thường thực hiện bằng cách sử dụng nhiều bộ khuếch đại công suất có công su t ra nhấ ỏ hơn rồi sau đó mới k t h p lế ợ ại để đạt công suất mong đợi.. Dải phân cách này th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ N I Ộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ N I Ộ

LỜI NÓI ĐẦU

Việc khuếch đại tín hiệu để có công su t l n ấ ớ ở băng tần S gặp rất nhiều khó khăn Vì vậy chúng ta thường thực hiện bằng cách sử dụng nhiều bộ khuếch đại công suất có công su t ra nhấ ỏ hơn rồi sau đó mới k t h p lế ợ ại để đạt công suất mong đợi Muốn th c hiự ện điều này người ta đã nghiên cứu các kỹ thuật chia và c ng công su t ộ ấ

Bộ chia/cộng công su t là m t thành ph n c a hấ ộ ầ ủ ệ thống siêu cao t n và nó có nhi m v ầ ệ ụchia/cộng công su t tín hi u l i vào thành nhi u tín hi u lấ ệ ố ề ệ ối ra đồng pha hoặc ngược lại

Trong thực tế, bộ chia/c ng công ộ suất ki u c u Wilkinson haể ầ y được dùng nhất bởi đây là cấu trúc có đặc tính không tổn hao nếu như tất cả các cổng lối ra đều được phối hợp trở kháng với l i vào và s cách ly gi a các c ng r t t t Bố ự ữ ổ ấ ố ộ chia/cộng công suất WPD là một phương pháp chia công suất đồng pha và đồng biên độ

Đề tài “Thiết kế, mô ph ng và chế tạo bộ chia công su t wilkinson (chia 2) ở ỏ ấ

dải tần 3.5 GHz s d ng công ngh m ch vi dử ụ ệ ạ ải” được đưa ra trong bài tập lớn môn

Kỹ thuật Siêu cao t n là mầ ột ý tưởng r t hay giúp sinh viên d dàng tìm hi u và thấ ễ ể ực hành Chính vì vậy nhóm em đã mạnh d n tri n khai ạ ể

Nhóm em xin cảm ơn sự chỉ ẫ d n c a thủ ầy GS.TS Vũ Văn Yêm đã giúp nhóm hoàn thi n bài t p l n c a môn h c Kệ ậ ớ ủ ọ ỹ thu t Siêu cao t n Quá trình tìm hi u còn ậ ầ ểnhiều thi u sót, mong th y thông c m và bế ầ ả ỏ qua

Nhóm em xin chân thành cảm ơn

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

Ngô Thị Hương Thiết k mô phế, ỏng và tối ưu bộ chia

Hà Mạnh Ti n ế Thiết kế, layout m ch qua Altium và ch t o ạ ế ạNguyễn Văn Toàn Nghiên cứu lý thuy t và ch t o ế ế ạ

MỤC L C Ụ

DANH M C HÌNH Ụ ẢNH i

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT VỀ BỘ CHIA WILKINSON 2

1.1 Định nghĩa 2

1.2 C u trúc b chia ấ ộ điện Wilkinson 2

1.3 Phân tích ch ế độ chẵ ẻ n l 3

1.3.1 Ch ế độ chẵn 3

1.3.2 Ch l 5ế độ ẻ 1.3.3 Xác định tham số tán xạ 5

1.4 K t luế ận chương 6

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ CHIA CÂN B NG WILKINSON 7Ằ 2.1 Bài toán thi t k 7ế ế 2.1.1 Đề bài 7

2.1.2 M c tiêu thi t k 7ụ ế ế 2.2 Tính toán các thông s k thu t và mô phố ỹ ậ ỏng 7

2.3 Mô ph ng trên ADS 9ỏ 2.3.1 Mô ph ng theo lý thuy t 9ỏ ế 2.3.2 Tối ưu 11

2.4 Layout m ạch 13

2.5 Layout qua Altium 14

2.6 Đặt mạch 15

2.7 K t luế ận chương 16

KẾT LU N 17Ậ

DANH M C TÀI LI U THAM KH O 18Ụ Ệ Ả

DANH M C HÌNH Ụ ẢNH

Hình 1.1: Bộ chia điện Wilkinson (a) C u trúc d ng m ch d i (b) Mấ ạ ạ ả ạch đường truyền

tương đương [1] 2

Hình 1.2: Mạch chia ngu n Wilkinson d ng chuồ ở ạ ẩn hóa và đối xứng [1] 3

Hình 1.3: Chế độ chẵn .4

Hình 1.4: Chế l 5độ ẻ Hình 2.1: Bộ chia Wilkinson 1:2 .7

Hình 2.2: Tính toán trên công cụ LineCalc cho đường truy n 50 Ohm .8ề Hình 2.3 Tính toán trên công cụ LineCalc cho đường truy n 70.71 Ohm .8ề Hình 2.4 Mạch tương đương của bộ chia Wilkinson theo lý thuy t 9ế Hình 2.5: Kết quả mô ph ng theo lý thuy t 9ỏ ế Hình 2.6: Pha của h s truy n d n S(1,2), S(1,3) 10ệ ố ề ẫ Hình 2.7: Hệ s cách ly giố ữa cổng 2 và c ng 3 .10ổ Hình 2.8: Sơ đồ tương đương sau khi tối ưu 11

Hình 2.9: Kết quả mô ph ng sau khi tỏ ối ưu .12

Hình 2.10: Pha của h s truy n d n S(1,2), S(1,3) 12ệ ố ề ẫ Hình 2.11: Hệ s cách ly giố ữa cổng 2 và c ng 3 .13ổ Hình 2.12: Mạch layout t ừ ADS 13

Hình 2.13: Mạch layout qua Altium (mặt trước) .14

Hình 2.14: Mạch layout qua Altium (mặt trước) .14

Hình 2.15: Hình ảnh mạch sau khi được chế ạ t o (mặt trước) .15

Hình 2.16: Hình ảnh mạch sau khi được chế ạ t o (mặt sau) 15

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT V B CHIA WILKINSON Ề Ộ

1.1 Định nghĩa

Bộ chia công su t Wilkinson là b chia hoấ ộ ạt động ở chế độ chia đều B chia ộloại này s d ng kử ụ ết hợp cấu trúc đường truy n về ới điện tr (là ph n tở ầ ử tiêu hao năng lượng) nên nó có tính chất:

 Cấu trúc là m ng t n hao vì có ch a các ph n t ạ ổ ứ ầ ử tiêu hao năng lượng

 Được phối hợp tr kháng tại t t cở ấ ả các cổng

 Cách ly t t giố ữa hai cổng l i ra ở ố

 Đối xứng gi a l i vào và lữ ố ối ra nên là mạng thu n nghậ ịch

1.2 C ấu trúc bộ chia điện Wilkinson

Bộ chia công su t Wilkinson có thấ ể được th c hi n v i s phân chia công suự ệ ớ ự ất tùy ý, nhưng trước tiên chúng ta sẽ xem xét trường hợp chia đều (3 dB) Dải phân cách này thường được làm ở dạng đường vi dải hoặc mạch dải, như được mô tả trong Hình 1.1a; mạch đường truyền tương ứng được cho trong Hình 1.1b Phân tích m ch này ạbằng cách bi n nó thành hai mế ạch đơn giản hơn được điều khi n b i các nguể ở ồn đối xứng và không đối xứng ở các cổng đầu ra

Hình 1.1: Bộ chia điện Wilkinson (a) C u trúc d ng m ch d i (b) Mấ ạ ạ ả ạch đường truy ền tương đương [1]

1.3 Phân tích ch ế độ chẵn l ẻ

Để đơn giản, chuẩn hóa tất cả các tr kháng thành tr kháng đặc tính Z , và vở ở 0 ẽlại m ch ạ Hình 1.1b v i các b tớ ộ ạo điện áp ở các cổng ra như Hình 1.2 Mạng này đã được vẽ dở ạng đố ứng qua mặt phẳng ngangi x ; hai điện trở nguồn có giá tr chuẩn hóa ị

2 k t hế ợp song song để ạ t o ra một điện tr có giá trở ị chuẩn hóa 1, đại di n cho tr ệ ởkháng c a ngu n phù hủ ồ ợp Các đường m t phộ ần tư sóng có trở háng đặ k c tính chuẩn hóa Z và điện trở có giá trị chuẩn hóa là r; chúng ta sẽ chỉ ra rằng, đối với bộ chia công suất chia đều, các giá tr này phị ải là 𝑍 = √2 và r = 2, như được cho trong Hình 1.1

Hình 1.2: M ch chia ngu n Wilkinson d ng chuạ ồ ở ạ ẩn hóa và đối xứ ng [1]

Với chế độ chẵn Vg2 = Vg3 = 2V , và ch0 ế độ ẻ l Vg2 = -Vg3 = 2V Do m ch có 0 ạtính chất đố ứi x ng, chúng ta có th xét riêng t ng m ch ể ừ ạ ở chế độ mode ch n và mode ẵ

lẻ B ng cách x p ch ng hai m ch này, ta sằ ế ồ ạ ẽ xác định được tham s tán x S c a mố ạ ủ ạch tổng hợp trong đó điện áp kích thích s là V = 4V và V 0 ẽ g2 0 g3=

1.3.1 Chế độ chẵn

Đố ới v i kích thích chế chẵn, độ 𝑉𝑔2 = 𝑉𝑔3 = 2𝑉0, do đó 𝑉2 = 𝑉3 và do đó không

có dòng điện chạy qua các điện trở r/2 hoặc ngắn mạch giữa các đầu vào của hai đường truyề ạn t i cổng 1 Khi đó có thể chia đôi mạng của Hình 1.2 với các mạch hở tại các điểm này để thu được mạng của Hình 1.3 (mặt nối đấ ủa đường λ/4 không được t chiển thị) Trở kháng nhìn t c ng 2 là: ừ ổ

1.3.2 Chế độ l ẻ

Hình 1.4: Ch ế độ ẻ l

Đố ới v i kích thích chế lẻ, độ 𝑉𝑔2 = −𝑉𝑔3 = 2𝑉0, và do đó 𝑉2 = −𝑉3, và có một điện áp rỗng dọc theo giữa mạch trong Hình 1.2 Sau đó, có thể chia đôi mạch này bằng cách nối đất nó tại hai điểm trên m t ph ng gi a cặ ẳ ữ ủa nó để ạ t o ra mạng như Hình 1.4 Trở kháng nhìn vào c ng 2 là r/ổ 2 vì đường truyền được k t nế ối song song dài λ/4

và b ng n m ch cị ắ ạ ở ổng 1, và do đó trông giống như một m ch hạ ở ở ổng 2 Do đó, ccổng 2 sẽ được k t h p cho kích tế ợ ừ chế độ lẻ n u ế chọn r = 2 Khi đó 𝑉2 = 𝑉0 và 𝑉1 =0;

đố ới v i chế kích thích này, t t c công suđộ ấ ả ất được chuyển đến các điện trở r/2, không

có điện trở nào đến cổng 1

Cuối cùng, tìm trở kháng đầu vào t i c ng 1 c a b chia Wilkinson khi c ng 2 ạ ổ ủ ộ ổ

và 3 được kết thúc trong các tải phù hợp Mạch kết quả được thể hiện trong Hình 1.3, nơi ta thấy rằng điều này tương tự như một chế độ kích thích đều vì V2 = V3 Không

có dòng điện chạy qua điện trở có giá trị chuẩn hóa 2 nên có thể rút ra, để lại mạch điện Hình 1.4 Sau đó, chúng tôi có kế ối song song của hai máy biến áp một phần tư t nsóng được kết thúc trong các tải thống nhất (chu n hóa) Trẩ ở kháng đầu vào là:

sử dụng rộng rãi trong ăng-ten và m ch công su t vi ba, vì thi t k cạ ấ ế ế ủa nó rất đơn giản

và do đó, dễ chế tạo hơn so với các mạch vi ba nhỏ gọn khác Để có cái nhìn cụ thể hơn, Chương 2 sẽ trình bày chi tiết các bước thiết kế bộ chia cân bằng Wilkinson (chia 2) dở ải tần 3.5 GHz s d ng công ngh m ch vi d i ử ụ ệ ạ ả

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ CHIA CÂN B NG WILKINSON Ằ

2.1 Bài toán thi t k ế ế

 Bộ chia Winkinson 1:2, đầu vào 50 Ohm, đồng pha, chia đều công suất, hoạt động ở tần số 3.5GHz

 Sử d ng v t liụ ậ ệu điện môi là FR4 dày 0.8mm với h sệ ố điện môi 𝜀𝑟= 4.5 và

hệ số t n hao ổ 𝑡𝑎𝑛𝐷 = 0.02

2.2 Tính toán các thông s kố ỹ thu t và mô ph ng ậ ỏ

Dựa vào Hình 2.1 cùng các ch tiêu thi t k , dùng công c hỉ ế ế ụ ỗ trợ tính toán Linecalc trong phần m m ADS, ề tính toán được:

 Với đư ng tr ờ ởkháng 50 Ohm: độ ộng là 1.5mm, chiều dài là 11.8 r mm

 Với đư ng tr ờ ởkháng 70.71 Ohm: độ ộng là 0.8 mm, chiều dài là 12 r mm

 Trở kháng được dùng là 100 Ohm

Hình 2.2: Tính toán trên công c LineCalc ụ cho đường truy n 50 Ohm ề

Hình 2.3 Tính toán trên công c ụ LineCalc cho đườ ng truy n 70.71 ề Ohm

2.3 Mô ph ng trên ADS ỏ

2.3.1 Mô phỏng theo lý thuy t ế

Sau khi tính toán, nhóm em mô phỏng trên ADS để đưa ra kết quả Trước tiên nhóm mô phỏng theo mô hình lý tưởng rồi sau đó đưa ra mô hình th c t ự ế Hình 2.4 là mạch tương đương của bộ chia Wilkinson theo lý thuyết được mô ph ng trên ADS ỏ

Hình 2.4 Mạch tương đương của b chia Wilkinson theo lý thuy t ộ ế

 Kết quả mô ph ng: ỏ

Hình 2.5: K ết quả mô ph ng theo lý thuy t ỏ ế

Hình 2.6: Pha c a h s ủ ệ ố truyề n d n S(1,2), S(1,3) ẫ

Hình 2.7: H s cách ly gi a c ng 2 và c ng 3 ệ ố ữ ổ ổ

Nhìn đồ thị có thể thấy mạch cộng hưởng tần số 3.5 GHz đúng như tần s mong ốmuốn H s tệ ố ổn hao ngược S(1,1) tốt, đạt băng thông rộng 𝑆(1,1) < −10 𝑑𝐵 đạ ừ 1 t t– 6 GHz và tại tần s 3.5 GHz nh hơn -100 dB Hệ s truyền dố ỏ ố ẫn S(1,2), S(1,3) đều nhỏ hơn -3dB thỏa mãn lý thuyết của bộ chia Wilkinson H s cách ly c a mệ ố ủ ạch đạt –106,384 dB Hai cổng đầu ra 2 và 3 đồng pha với nhau

2.3.2 Tối ưu

Hình 2.8: Sơ đồ tương đương sau khi tối ưu

Dựa vào mô hình lý thuyết đã mô phỏng, nhóm ti n hành tế ối ưu mạch theo thực

tế B chia th c t có hình dộ ự ế ạng như mô phỏng và được c t vát tắ ại các điểm g p khúc ấ

Do t n s cầ ố ộng hưởng t l ngh ch vỷ ệ ị ới kích thước b chia nên ta t p trung vào tộ ậ ối ưu chiều dài các đường truyền Cụ thể là nếu tần số cộng hưởng lớn hơn 3.5GHz thì tăng chiều dài đường truyền và ngược lại Lưu ý rằng khoảng cách điện tr n i gi a hai ở ố ữđường vi dải là cố nh trong khođị ảng 1.5 mm đến 2mm và khoảng cách hai đường vi dải ở hai đầu nhỏ nhất là 30 mm để phục vụ cho việc chế tạo hàn cáp Sau khi tối ưu, thu được kết quả như Hình 2.9 và Hình 2.10 Kết quả sau khi tối ưu nhìn chung giống

lý thuy t, v n còn sai lế ẫ ệch nhưng không ảnh hưởng nhi u Các thông s ề ố kích thước c a ủcác đường vi dải sau khi tối ưu được thể hiện trong Hình 2.8

 Kết qu tả ối ưu

Hình 2.9: K ết quả mô ph ng sau khi tỏ ối ưu.

𝑆(1,1) < −10 𝑑𝐵 đạt băng thông rộng từ 1 GHz đến 6 GHz, cộng hưởng tại tần s 3.5 GHz và t i t n s 3.5 GHz ố ạ ầ ố 𝑆(1,1) < −40 𝑑𝐵 Các h s truy n dệ ố ề ẫn 𝑆(1,2 , 𝑆 1,3) ( ) = −3.416 𝑑𝐵 thay đổi không đáng kể so với mô hình lý thuyết Các cổng đầu ra không có sự khác biệt về pha như trong Hình 2.10

Hình 2.10: Pha c a h sủ ệ ố truyề n d n S(1,2), S(1,3) ẫ

Hình 2.11: Hệ s cách ly gi a c ng 2 và c ng 3 ố ữ ổ ổ

H s cách ly gi a c ng 2 và c ng 3 t i t n s 3.5 GHz ệ ố ữ ổ ổ ạ ầ ố đạt -31,234 dB được th ể

hiện trong Hình 11 2

2.4 Layout mạch

Sau khi mô ph ng chính xác, nhóm e ti n hành layout m ch t ADS ỏ ế ạ ừ Hình 2.12

là hình d ng layout M ch layout có hình dạ ạ ạng chính xác, đúng mục tiêu thi t k ế ếKhoảng cách giữa hai đường vi d i nả ối điện tr là 2mm Kho ng cách giở ả ữa hai đầu ra

là 35mm

Hình 2.12: M ch layout t ạ ừ ADS

2.5 Layout qua Altium

Layout mạch qua Altium để ph c vụ ụ chế ạ t o Kích thước c a m ch sau khi ủ ạlayout là 60 30× × 0.8 𝑚𝑚 Những miếng đồng và các vias xung quanh đầu các đường vi dải c a bộ ủ chia được thêm vào để phục v cho việc chế tạo dễ ụ dàng hơn

Hình 2.13: M ch layout qua Altium ạ (mặt trướ c)

Hình 2.14: Mạch layout qua Altium (m ặt trước)

2.6 Đặt mạch

Sau khi layout qua Altium, chúng em tiến hành đặt m ch và ch tạ ế ạo Ba đầu của đường vi dải được hàn cáp đồng trục có giá trị u vào là 50 Ohm Điện tr đầ ở được dùng trong m ch là ạ trở dán 100 Ohm

Hình 2.15: Hình nh mả ạch sau khi được chế ạ (mặt trướ t o c)

Hình 2.16: Hình ảnh m ạch sau khi được chế ạ t o (m t sau ặ ).

Tuy nhiên trong quá trình thi t k v n còn thiế ế ẫ ếu bước quan trọng là đo đạc Do

đề tài được thực hiện trong tình hình dịch COVID 19 phức tạp, nên nhóm không thể hoàn thành đề tài một cách hoàn chỉnh nhất

KẾT LU N Ậ

Để có thể hoàn thiện một đề tài trong lĩnh vực siêu cao tần phải trải qua rất nhiều công đoạn khác nhau từ việc nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, đưa ra giải pháp tối ưu cho việc thiết kế tính toán mô phỏng, đến việc tiến hành triển khai áp d ng trong gia công ch t o s n ph m th c ti n, tiụ ế ạ ả ẩ ự ễ ến hành đo đạc kiểm tra, đánh giá kết quả rồi đưa ra hiệu chỉnh và quay l i khâu thi t kạ ế ế để chế ạo được tsản phẩm đạt được yêu cầu đề ra

Bài báo cáo này trình bày khái quát t ng quan v b chia công su t Wilkinson, ổ ề ộ ấ

để từ đó có căn cứ tiến hành nghiên cứu chế tạo ra sản phầm dùng cho các hệ thống siêu cao tần Để có thể thiết kế được s n ph m thì trong quá trình th c hiả ẩ ự ện đề tài nhóm chúng em c n ph i s dầ ả ử ụng đến công c mô ph ng ADS và m t s công c , ti n ụ ỏ ộ ố ụ ệích khác

Qua đề tài này thì nhóm sinh viên mong mu n n m bố ắ ắt được n n t ng ki n thề ả ế ức của bộ chia công su t Wilkinson s d ng công ngh vi dấ ử ụ ệ ải, đặc bi t là ng d ng c a nó ệ ứ ụ ủtrong lĩnh vực kỹ thuật Công nghệ mới luôn luôn phát triển không ngừng và có tính

kế thừa, vì v y vi c nghiên c u, c p nh t ki n thậ ệ ứ ậ ậ ế ức để làm chủ thiết b là h t s c cị ế ứ ần thi t.ế

DANH M C TÀI LI U THAM KH O Ụ Ệ Ả

[1] David M Pozar, “Microwave Engineering”, New Jersey, Nhà xuấtbản John

Wiley & Sons, 2012

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Power_dividers_and_directional_couplers, truy nhập cuối cùng ngày 18/05/2021