BÁO cáo bài tập lớn kỹ thuật siêu cao tần đề tài thiết kế mạch phối hơp trở kháng

5 Kết quả hệ số phản xạ trên đồ thị tuyến tính và đồ thị Smith khi PHTK sử dụng một dây chêm song song hở mạch của trường hợp 1...18 Hình 4.. 8 Kết quả hệ số phản xạ trên đồ thị tuyến tí

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Kỹ Thuật Siêu Cao Tần

Đề tài: Thiết kế mạch phối hơp trở kháng

Trang 2

Mục Lục

PHẦN 1: NỘI DUNG CÔNG VIỆC 4

PHẦN 2: LÝ THUYẾT PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG 5

2.1 LÝ THUYẾT 5

2.1.1 Đồ thị Smith 5

2.1.2 Các phương pháp phối hợp trở kháng 5

2.2 GIỚI THIỆU VỀ HAI PHƯƠNG PHÁP PHTK TRONG BÀI TẬP 6

2.2.1 Phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền độ dài 1/4 bước sóng 7

2.2.2 Phối hợp trở kháng sử dụng một dây chêm song song 8

PHẦN 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN 10

3.1 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC THÔNG SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN 10

3.1.1 Bài toán sử dụng đường truyền độ dài λ /4 10

3.1.2 Bài toán sử dụng một dây chêm mắc song song 11

PHẦN 4: MÔ PHỎNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADVANCED DESIGN SYSTEM (ADS) 15

4.1 SỬ DỤNG ĐƯỜNG TRUYỀN λ /4 15

4.2 SỬ DỤNG MỘT DÂY CHÊM SONG SONG 17

4.2.1 Trường hợp 1 17

4.2.2 Trường hợp 2 19

PHẦN 5: KẾT LUẬN 21

2

Trang 3

Mục lục hình ảnh

PHẦN 2: Lý thuyết phối hợp trở kháng

Hình 2 1 Sơ đồ phối hợp trở kháng 6

Hình 2 2 Mô hình mạch PHTK sử dụng đường truyền độ dài 1/4 bước sóng 7

Hình 2 3 Mô hình mạch PHTK sử dụng một dây chêm song song 8

PHẦN 3: Thiết kế và tính toán Hình 3 1 Đồ thị Smith sử dụng để tính toán PHTK sử dụng đường truyền λ /4 10

Hình 3 2 Trường hợp 1: PHTK với dây chêm ngắn mạch 12

Hình 3 3 Trường hợp 1: PHTK với dây chêm hở mạch 12

Hình 3 4 Trường hợp 2: PHTK với dây chêm ngắn mạch 13

Hình 3 5 Trường hợp 2: PHTK với dây chêm hở mạch 13

PHẦN 4: Mô phỏng phối hợp trở kháng sử dụng phần mềm ADVANCED DESIGN SYSTEM (ADS Hình 4 1 Sơ đồ mô phỏng phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền λ /4 15

Hình 4 2 Kết quả hệ số phản xạ trên đồ thị tuyến tính và đồ thị Smith khi PHTK sử dụng đường truyền λ /4 16

Hình 4 3 Mô hình mạch layout khi PHTK sử dụng đường truyền λ /4 16

Hình 4 4 Sơ đồ mô phỏng PHTK sử dụng một dây chêm song song hở mạch của trường hợp 1 17

Hình 4 5 Kết quả hệ số phản xạ trên đồ thị tuyến tính và đồ thị Smith khi PHTK sử dụng một dây chêm song song hở mạch của trường hợp 1 18

Hình 4 6 Mô hình mạch layout khi PHTK sử dụng một dây chêm song song hở mạch của trường hợp 1 18

Hình 4 7 Sơ đồ mô phỏng PHTK sử dụng một dây chêm song song hở mạch của trường hợp 2 19

Hình 4 8 Kết quả hệ số phản xạ trên đồ thị tuyến tính và đồ thị Smith khi PHTK sử dụng một dây chêm song song hở mạch của trường hợp 2 20

3

download by : skknchat@gmail.com

Trang 4

Hình 4 9 Mô hình mạch layout khi PHTK sử dụng một dây chêm song song hởmạch của trường hợp 2 20

4

Trang 5

PHẦN 1: Nội dung công việc

Bài toán: Đường truyền trở kháng đặc tính 50 Ohms nối với tải, hệ số phản xạ tại tải

được cho trong bảng dưới

B ng 1: Thông số của bài tập

STT Tần số trung Hệ số phản xạ Điện môi trên ads

nhóm tâm (GHz) Biên độ Pha εrr H

Thiết kế mạch phối hợp trở kháng sử dụng đồ thị Smith Chart tại tần số đã cho sử

dụng phương pháp:

o Một dây chêm mắc song song

Kiểm tra thiết kế ở bước 1 sử dụng ADS với giả thiết đây là các dường truyền vi

dải Vẽ mạch in của mạch PHTK và đường truyền cho biết đường truyền có tổng

chiều dài từ đầu vào tới tải là 2λ

Phân Công Công Việc

5

Trang 6

PHẦN 2: Lý thuyết phối hợp trở kháng2.1 Lý thuyết

2.1.1 Đồ thị Smith

Trong thiết kế mạch siêu cao tần, việc tính toán các tham số tốn nhiều thời gian, việc sử dụng đồ thị Smith giúp nhanh cóng xác định được các tham số và mang tính trực quan

Đồ thị Smith giúp ta xác định nhanh chóng được biên độ, góc pha, hệ số phản xạ …

Đồ thị Smith được giới thiệu năm 1930 xây dụng dựa trên mối quan hệ của hệ só phản xạ

và trở kháng đường truyền tại ví trí bất kì

Đồ thị Smith là công cụ đồ họa sử dụng cho tính toán đường truyền và mạch điện siêucao tần, là tập hợp các họ đường cong đẳng r và x và chỉ sử dụng cho đường truyền khôngtổn hao Có hai dạng biểu diễn là trở kháng chuẩn hóa tại điểm bất kì và hệ số phản xạ tạiđiểm bất kì

2.1.2 Các phương pháp phối hợp trở kháng

Trong các mạch điện siêu cao tần, phối hợp trở kháng là một thao tác bắt buộc để có thể nhận được tín hiệu, phối hợp trở kháng có tác dụng:

Công suất cực đại được phân phối tới tải khi tải PHTK với đường truyền

Công suất tổn hao trên mạch tối thiểu

Cải thiện tỉ số SNR

Giảm sự sai pha và biên độ

Các phương pháp phối hợp trở kháng

Biến đổi ¼ bước sóng

Phương pháp sử dụng một và hai dây chêm

Sử dụng các phần tử tập trung

Bộ điến đổi nhiều đoạn

Trong 4 phương pháp trên, ta chú trọng phương pháp phối hợp trở kháng dùng biến đổi ¼bước sóng và phương pháp sử dụng một dây chêm trong bài báo cáo này

6

Trang 7

2.2 Giới thiệu về hai phương pháp PHTK trong bài tập

Phối hợp trở kháng là sử dụng một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫnsóng Mạch phối hợp là một mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết

truyền Khi ấy sự phản xạ của sóng ở phía trái của mạch phối hợp về phía đường truyền dẫnkhông còn nữa, chỉ còn trong phạm vi giữa tải và mạch phối hợp, cũng có thể là phản xạqua lại nhiều lần Quá trình phối hợp cũng được coi là quá trình điều chỉnh

trở kháng vào của tầng sau), E là nguồn lý tưởng

Theo định luật Ôm, dòng điện I qua mạch là:

7

Trang 8

nhiều phần tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khi phân chia công suất.

2.2.1 Phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền độ dài 1/4 bước sóng

Bộ biến đổi 1/4 bước sóng chỉ sử dụng khi trở kháng tải chỉ tồn tại phần thực (không có thành phần ảo)

Sử dụng với băng hẹp hoặc 1 tần số

Dễ thiết kế và triển khai

Một tải phức có thể được chuyển thành tải thuần trở bởi việc sử dụng một đoạn đường truyền có chiều dài thích hợp giữa tải và bộ phối hợp, hoặc dùng đoạn dây chêm nối tiếp hoặc song song phù hợp Kỹ thuật này thường dẫn tới thay đổi sự phụthuộc tần số của tải tương đương và gây ra giảm độ rộng băng của sự phối hợp trở kháng

Hình 2 2 Mô hình mạch PHTK sử dụng đường truyền độ dài 1/4 bước sóng

Trang 9

2.2.2 Phối hợp trở kháng sử dụng một dây chêm song song

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

Hình 2 3 Mô hình mạch PHTK sử dụng một dây chêm song song

9

Trang 10

Trang 11

→ Sử dụng 2 tham số có thể điều chỉnh Do đó mục đích của dây chêm song song:

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

Bước 1: Xác định trở kháng tải chuẩn hóa trên đồ thị Smith với hệ số phản xạ

đã cho sẵn ứng với điểm (1) Lấy giá trị điện dẫn tải chuẩn hóa tương ứng yL

đối xúng với trở kháng tải chuẩn hóa (điểm (2)) và vẽ đường tròn hệ số sóng đứng

Bước 2: Xác định hai giao điểm của đường tròn hệ số sóng đứng và đường tròn 1±jB (điểm (3) và điểm (3’))

Bước 3: Với mỗi giao điểm, xác định khoảng cách d từ điện dẫn tải chuẩn hóatới điểm đó theo hướng tải về nguồn là đi từ điểm (2) đến điểm (3) và điểm (3’)

Bước 4: Từ phần ảo của 2 điểm vừa tìm được là ±jB, suy ra điện dẫn do dây chêm gây ra yl= jB (điểm (4) và (4’)) Từ đó xác định chiều dài dây chêm l từ

vị trí ngắn mạch tới vị trí yl= jB theo hướng tải về nguồn đi từ điểm (0) là điểm hở mạch đến điểm (4) và (4’)

Từ các thông số vừa tính được, ta có thể mô phỏng trên phần mềm ADS

10

Trang 12

PHẦN 3: Thiết kế và tính toán3.1 Tính toán, thiết kế các thông số đường truyền

3.1.1 Bài toán sử dụng đường truyền độ dài λ /4

Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa:

Trang 13

Hình 3 2.b Đồ thị Smith sử dụng để tính toán PHTK sử dụng đường truyền λ /4

(dmin)dmax))

3.1.2 Bài toán sử dụng một dây chêm mắc song song

Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa:

Trang 14

Trang 15

- Đối với trường hợp 1 tại d1 = 0.03053 λ :

Trang 16

Hình 3 4 Trường hợp 1: PHTK với dây chêm hở mạch

Trang 17

Hình 3 5 Trường hợp 2: PHTK với dây chêm ngắn mạch

15

Trang 18

Hình 3 6 Trường hợp 2: PHTK với dây chêm hở mạch

Tổng kết tính toán trường hợp mắc một dây chêm với trường hợp hở mạch:

16

Trang 19

PHẦN 4: Mô phỏng phối hợp trở kháng sử dụng phần mềm

ADVANCED DESIGN SYSTEM (ADS)

Kiểm tra thiết kế ở bước 1 sử dụng Advanced Design System (ADS) với giả thiết là các đường truyền vi dải.Vẽ mạch in của mạch phối hợp trở kháng và đường truyền cho biết

Sơ đồ nguyên lý khi thiết kế trên ADS:

Hình 4 1 Sơ đồ mô phỏng phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền λ /4

17

Trang 20

Kết quả mô phỏng:

Hình 4 2 Kết qu hệ số ph n x)ạ trên đồ thị tuyến tính và đồ thị Smith khi PHTK sử

dụng đường truyền λ /4

Từ đó ta có sơ đồ mạch layout như dưới đây:

Hình 4 3 Mô hình mạch layout khi PHTK sử dụng đường truyền λ /4

Trang 21

Hình 4 4 Sơ đồ mô phỏng phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền λ /4

Trang 22

Hình 4 6 Mô hình mạch layout khi PHTK sử dụng đường truyền λ /4

4.2 Sử dụng một dây chêm song song

Hình 4 7 Sơ đồ mô phỏng PHTK sử dụng một dây chêm song song hở mạch của trường

hợp 1

Trang 23

Trang 24

dụng một dây chêm song song hở mạch của trường hợp 1

Hình 4 9 Mô hình mạch layout khi PHTK sử dụng một dây chêm song song hở mạch

Trang 25

Hình 4 10 Sơ đồ mô phỏng PHTK sử dụng một dây chêm song song ngắn mạch của

trường hợp 1

dụng một dây chêm song song ngắn mạch của trường hợp 1

22

Trang 26

Hình 4 13 Sơ đồ mô phỏng PHTK sử dụng một dây chêm song song hở mạch của

Trang 27

Trang 28

dụng một dây chêm song song hở mạch của trường hợp 2

Trang 29

Hình 4 16 Sơ đồ mô phỏng PHTK sử dụng một dây chêm song song ngắn mạch của

dụng một dây chêm song song ngắn mạch của trường hợp 2

25

Trang 30

Hình 4 18 Mô hình mạch layout khi PHTK sử dụng một dây chêm song song ngắn

Ngoài ra, qua bài tập lần này, nhóm em lần đầu được biết đến phần mềm môphỏng ADS (Advances Design System) Nhóm em nhận định đây là một phần mềm

có tính hữu dụng cao và rất cần thiết trong ngành của chúng em nhờ tính năng môphỏng, tính toán các loại đường truyền Nhờ bài tập lần này, nhóm em đã sử dụngtương đối thành thạo phần mềm này

Vấn đề chúng ta có thể cải thiện ở đây là băng thông của hệ thống Để thực hiệnđược, chúng ta có thể chuyển sang phương pháp nối thêm nhiều đoạn λ/4 Phươngpháp này có độ sử dụng băng thông rất cao Như một số bài toán trên lớp đã thựchành, độ sử dụng tần số luôn cao hơn 40% Thậm chí, độ này có thể lên tới hơn100% trong trường hợp sự dụng 3 đường truyền nối tiếp Tuy nhiên, phuong phápnày có một điểm hạn chế là phải can thiệp trực tiếp vào đường truyền, điều màphương pháp phối hợp trở kháng sử dụng dây chêm ít phải làm

Do thời gian và kiến thức có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót Em mong nhận được nhiều đánh giá của thầy về bài tập lớn để chúng em có thể làm tốt hơn trong những bài sau Em xin chân thành cảm ơn thầy

26

Định dạng
Số trang	30
Dung lượng	1,08 MB