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

ề đ ệ ầ ố ớ ế ị ậ Khi làm việc với các đường truyền ở tần số cao, như các đường truyền vi dải,việc phối hợp trở kháng cho đường truyền vi dải là cần thiết để tăng công suất trên tải vàgi

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

Sinh viên thực hiện: Nhóm 3

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thế giới thông tin ngày càng phát triển một cách đa dạng và phong phú.Nhu cầu về thông tin liên lạc trong cuộc sống càng tăng cả về số lượng và chất lượng, đòihỏi các dịch vụ của ngành viễn thông cần mở rộng Trong những năm gần đây thông tin

vệ tinh trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đưa conngười nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoa học kỹ thuật Sự ra đời của nhiều loạiphương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi 1 kỹ thuật mà các hệ thống cũ khôngthể đáp ứng được đó là định vị trong không gian ba chiều, và như vậy hệ thống định vịtoàn cầu- GPS (Global Positioning System) ra đời

Hệ GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thông tin toàncầu và được xử lí bởi các trạm điều khiển trên mặt đất Ngày nay khó hình dung rằng cómột máy bay, m t con tàu hay ph ng ti n thám hi m trên b nào l i không l p tộ ươ ệ ể ộ ạ ắ đặ thi t b nh n tín hi u t v tinh H GPS là h th ng d n ế ị ậ ệ ừ ệ ệ ệ ố ẫ đườ ng b ng v tinh do ằ ệ Hoa K ki m soát và duy trì ho t ng Nh ng v tinh tr giá nhi u t USD này bay ỳ ể ạ độ ữ ệ ị ề ỷ phía trên trái t cao 20.200km, v i t c ch ng11.200km/h, có nhi m v đấ ở độ ớ ố độ ừ ệ ụ truy n i các tin hi u t n s cao t i các thi t b thu nh n ề đ ệ ầ ố ớ ế ị ậ

Khi làm việc với các đường truyền ở tần số cao, như các đường truyền vi dải,việc phối hợp trở kháng cho đường truyền vi dải là cần thiết để tăng công suất trên tải vàgiảm suy hao công suất trên đường truyền Việc phối hợp trở kháng với nhiều lợi ích vàvới nhiều cách phối hợp khác nhau, thường tập trung phối hợp trở kháng sao cho thuậntiện, dễ điều chỉnh và phù hợp với đường truyền đó Trong bài tập lớn nhiệm vụ của nhóm

em là tìm hiểu về phối hợp trở kháng trong hệ thống GPS

Được sự giảng dạy và hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Nam Phong, nhóm em

đã hoàn thành bài tập lớn, tuy nhiên trong quá trình thực hiện tính toán và mô phỏng chắcchắn không thể tránh khỏi sai sót Chúng em mong nhận được sự góp ý của thầy để có thểkhắc phục được những kiến thức còn hạn chế cũng như lĩnh hội được nhiều kiến thứchơn trong học phần Điện tử tương tự II

Hà Nội, ngày 1 tháng 6 năm 2021

MỤC LỤC

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG 6

1.1 Khái quát về GPS 6

1.2 Lý thuyết phối hợp trở kháng 7

1.2.1 Phối hợp trở kháng(PHTK) là gì? Mục đích PHTK 7

1.2.2 Một số phương pháp PHTK hiện nay 7

1.2.3 Thiết lập công thức tính toán cho PHTK cho mạch sử dụng dây chêm 8

PHẦN II: BÀI TẬP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG DÂY CHÊM 10

Phần III: MÔ PHỎNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS 16

3.1 Vẽ mạch và tính toán các thông số bằng LineCalc 16

3.1.1 Tạo một Workspace mới 16

3.1.2 Tạo một Schematic mới 17

3.1.3 Vẽ mạch và tính toán bằng LineCalc 18

3.2 Kết quả mô phỏng 21

3.3 Vẽ layout 22

3.4 Nhận xét và kết luận 23

Phần IV: KẾT LUẬN 24

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO, MINH CHỨNG 24

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu 6

Hình 2 Sơ đồ chung của PHTK 7

Hình 3 PHTK sử dụng 1 dây chêm song song (trên) và nối tiếp (dưới) 8

Hình 4 PHTK sử dụng 2 dây chêm song song 10

Hình 5 Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 tại d1 12

Hình 6 Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 tại d2 13

Hình 7 Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 tại d1 14

Hình 8 Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 tại d2 15

Hình 9 Hộp thoại New Workspace 17

Hình 10 Hộp thoại New Schematic 18

Hình 11 Hộp thoại LineCalc/Untitled 19

Hình 12 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2 20

Hình 13 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2 21

Hình 14 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2 21

Hình 15 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2 21

Hình 16 Layout cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2 22

Hình 17 Layout cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2 22

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Bảng phân chia nhiệm vụ 5

Bảng 2: Bảng tổng hợp kết quả tính toán 15

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT GPS: Global Positioning System

PHTK: Phối hợp trở kháng

ADS: Advanced Design System

Bảng 1: Bảng phân chia nhiệm vụ

Tìm tài liệu

Tính toán

Môphỏng

Làm báo cáo

Làm mạch

Vẽ Layout

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Khái quát về GPS

GPS là hệ thống định vị toàn cầu do Mỹ phát triển và vận hành GPS là tên viết tắtcủa cụm từ “Global Positioning System” Nó là một hệ thống bao gồm nhiều vệ tinh baytrên 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):

 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 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 làphần 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 rộngdãi.

+) 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 hệthống 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 dànanten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khiphân chia công suất

Hình 2 Sơ đồ chung của PHTK

1.2.2 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 caotần)( 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.

1.2.3 Thiết lập công thức tính toán cho PHTK cho mạch sử dụng dây chêm

1.2.3.1 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 củatải 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 3 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 giaovới 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

1.2.3.2 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 4 PHTK sử dụng 2 dây chêm song song

PHẦN II: 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:

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 mộtgóc 90°)

• Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa:

Hình 5 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 6 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 7 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 8 Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 tại d2

Bảng 2: Bảng tổng hợp kết quả tính toán

Hở mạch Ngắn mạch

L1 tạid1

0.086λ 0.336λ

L2 tạid1

0.42λ 0.17λ

L1 tạid2

0.188λ 0.438λ

L2 tạid2

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 9 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 10 Hộp thoại New Schematic

3.1.3 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 12 Hộp thoại LineCalc/Untitled

Hình 13 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2

Hình 14 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2

3.2 Kết quả mô phỏng

Hình 15 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2

Hình 16 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn 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 17 Layout cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2

Hình 18 Layout cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2

Các trường hợp còn lại làm tương tự

Phần IV: KẾT LUẬN

Thông qua quá trình làm bài tập lớn, chúng em đã biết cách áp dụng những kiến thức đã được học thông qua việc mô phỏng và xử lý bài toán phối hợp trở kháng cho GPSvới sự trợ giúp của phần mềm ADS

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Nam Phong đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu cùng các kiến thức cần thiết và tạo điều kiện về mọi mặt để chúng em có thể hoàn thành bài tập lớn này!

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO, MINH CHỨNG

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

143i8iprQc4l2cER6hYgxnWdgekGVjOKS?usp=sharing

- ADS Tutorial.zip