Thiết kế bộ chia công suất dùng phần tử tập trung và phần tử phân tán

TỔNG QUAN: Phần này sẽ tạo một layout-based 20dB của bộ ghép định hướng tại tần số 1500MHz sử dụng mạch in chuẩn FR-4.. Một mẫu định dạng đồng bộ của bộ chia công suất đã được hiển thị,

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG



THIẾT KẾ BỘ CHIA CÔNG SUẤT DÙNG PHẦN TỬ TẬP TRUNG VÀ

PHẦN TỬ PHÂN TÁN

I THIẾT KẾ BỘ GHÉP ĐỊNH HƯỚNG DÙNG PHẦN TỬ PHÂN TÁN

1 TỔNG QUAN:

Phần này sẽ tạo một layout-based 20dB của bộ ghép định hướng tại tần số 1500MHz sử dụng mạch in chuẩn FR-4

2 BỘ GHÉP ĐỊNH HƯỚNG:

2.1 Cách tạo bộ ghép định hướng mới:

1 Chạy phần mềm Genesys

2 Chọn File → New và trang Getting Stered with Genesys sẽ xuất hiện Dưới mẫu

Synthesize a new design, chọn Signal Control và chọn OK (tham khảo ở Figure 1).

3 Khi bảng hộp thoại sau xuất hiện, chọn Factory Default Values, nhập vào tên có dạng

D_coupler và chọn OK (tham khảo ở Figure 2).

4 Một mẫu định dạng đồng bộ của bộ chia công suất đã được hiển thị, lúc này sẽ xuất hiện

Workspace Tree gồm Analysis, Dataset, Schematic và đồ thị, xem Figure 3.

5 Ở cửa sổ Signal Control Properties (Figure 4), chọn Type là Coupler (90 deg), Class chọn Backward Wave, và Subclass chọn Width Symmetric Lưu ý lúc này cửa sổ hiển thị

sơ đồ mạch sẽ được cập nhật những thay đổi trên

6 Ở thẻ Setting, thay đổi Coupling (dB) thành 20 và thay đổi các thông số còn lại như định

dạng (Figure 5)

2.2 Tạo layout

1 Trong cửa sổ Signal Control Properties, chọn Options (Figure 6) Chọn Select

Manufacturing Process Trong cửa sổ Convert Using Advanced TLINE, chọn

Microstrip và bỏ chọn Absorb Discos, preserving circuit response when possible.

2 Chọn OK Trong hộp thoại Subtrate Needed, chọn Load From Library để mở thư viện

mạch in trên thực tế (Figure 7)

3 Nhấp đôi vào FR-4 Rolled Cu@ 1000 MHz 1 oz để lựa chọn bản mạch này, hoặc nhấp

OK Một bản mạch in mới sẽ được chèn vào Workspace Tree, xem Figure 8.

4 Chọn Create a layout.

5 Kiểm tra sơ đồ mạch mới, nơi các phần tử tên đường dây truyền sóng có kích thước chính

xác Chú ý mô hình không liên tục (discos) cũng sẽ được chèn vào, xem Figure 9.

6 Ở phần trên cửa sổ sơ đồ mạch D_coupler_Design, nhấp chọn thẻ Layout để mở cửa sổ

layout của bộ ghép như Figure 10 Check chọn hồi đáp đố thị để chắc rằng hệ số của bộ ghép là xấp xỉ 20dB

2.3 Tiến hành Add Momentum Analysis

1.Ở cửa sổ Layout (nằm trong cửa sổ D_coupler_Design), ấn tổ hợp Ctrl-A để lựa chọn toàn bộ layout sau đó từ menu nhấp chọn Layout → Connect Selected Parts để liên kết

các layout lại, như Figure 11

2 Nhấp chuột phải vào thư mục D_coupler_Dir và nhấp chọn Add→Analyses→Add

Momentum Analysis để tạo mô phỏng EM, xem Figure 12

3 Trong hộp thoại Momentum Options (Figure 13), ở Frequency range, nhập Start 0.8

Ghz, Stop 2.2 GHz, và Adaptive (AFS):Max Point nhập 50 Các thông số khác để mặc

định Sau đó, nhấp chọn Calculate Now đề chạy chương trình.

Cửa sổ Momentum2 Simulation Status sẽ hiển thị tất cả các thông tin liên quan (Figure 14) Có thể xem chi tiết của mô phỏng EM bằng sử dụng phím tắt Ctrl+Shift+S để mở cửa

sổ Simulation Log.

4 Trở lại cửa sổ Layout và Momentum Mesh được tạo trên lớp kim loại Hãy chắc rằng

Drawing Option đã được mở (từ menu, nhấp Layout→Layout Properties) để xem khung

lưới

2.4 So sánh kết quả với mô phỏng mạch tuyến tính

1 Ở Workspace Tree, nhấp đôi chuột vào biểu tượng D_coupler_Response để mở đồ thị,

như Figure 15

2 Nhấp đôi chuột vào đồ thị để mở hộp thoại D_coupler_Response Properties Kế tiếp, chèn Momentum2_Data Context và vẽ S31 và S11 như Figure 16.

3 Nhấp chọn OK, đồ thị sẽ bị chồng lấn lên đồ thị cũ, xem Figure 17.

4 Lưu lại cửa sổ làm việc.

II BÀI TẬP

► Xét mô hình như hình 1.

Hình 1 Three-port resistive power divider.

► Mô hình được thiết kế bằng phần mềm Genesys như hình 2

R=16.667ΩΩ R1

R=16.667ΩΩ R2

Port_2

R=16.667ΩΩ R3

Port_3

ZO=50ΩΩ

Port_1

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý bộ chia T

► Kết quả :

Hình 3 Đồ thị biểu diễn S[1,1];S[2,2]và S[3,3]

Hình 4 Đồ thị biểu diễn S[2,1], S[3,1]

Hình 5 Đồ thị biểu diễn S[2,1],S[1,2],S[1,3]và S[3,1]

Hình 6 Đồ thị biểu diễn S[2,3] và S[3,2]

→ Kết luận :

- S 11 = S 22 = S 33 =0  Mạch có phối hợp trở kháng (hình 3)

- S 21 = S 31 = -6 dB  Mạch có suy hao (hình 4), công suất 2 ngõ ra giảm đi ¼ so với công suất vào.

- S 21 = S 12 = S 31 = S 13 = -6 dB Mạch có tính thuận nghịch ( hình 5)

- S 23 = S 32 ≠ 0 Mạch không cách ly (hình 6)

Wilkinson power divider

► Xét mô hình như hình 1.1

Hình 1.1 Bộ chia Wilkinson dùng đường dây  / 4

► Dùng Phần mềm AppCAD để có các đặc tính của các đoạn dây Chất điện môi được sử dụng là R3003 ½, 10mil

Hình A Đoạn Z 0 =50 Ohm

Hình B Đoạn  / 4, Z 0 =70.71 Ohm

► Mô hình được thiết kế bằng phần mềm Genesys như hình 2.2

L=2.7Ωmm W=0Ω.618mm

TL1

ZO=50ΩΩ

Port_1

L=24.82mm W=0Ω.3336mm

TL3

L=24.82mm W=0Ω.3336mm

TL2

R=10Ω0ΩΩ

R1

ZO=50ΩΩ

Port_2

L=2.7Ωmm W=0Ω.618mm

TL4

ZO=50ΩΩ

Port_3

L=2.7Ωmm W=0Ω.618mm

TL5

WS=0Ω.618mm W2=0Ω.3336mm W1=0Ω.3336mm

TE1

W=0Ω.3336mm

BN2

W=0Ω.3336mm

BN1

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý bộ chia Wilkinson

► Kết quả :

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn S[1,1];S[2,2]và S[3,3]

Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn S[2,1], S[3,1]

Hình 5.5 Đồ thị biểu diễn S[2,1],S[1,2],S[1,3]và S[3,1]

Hình 6.6 Đồ thị biểu diễn S[2,3] và S[3,2]

Hình 7.7 Đồ thị biểu diễn pha của các port.

→ Kết luận :

- S 11 = S 22 = S 33 =0  Mạch có phối hợp trở kháng (hình 3.3)

- S 21 = S 31 = -3 dB  Mạch không suy hao (hình 4.4), công suất 2 ngõ ra giảm đi 1/2 so với công suất vào.

- S 21 = S 12 = S 31 = S 13 = -3 dB Mạch có tính thuận nghịch ( hình 5.5)

- S 23 = S 32 = 0 Mạch có cách ly (hình 6.6)

- E 11 và E 22,33 có sự lệch pha nhau 90 0 ở đoạn dây  / 4.

 Với các thông số S được tính S 2

đặc trưng cho công suất.

Tài liệu tham khảo : Microwave Engineering- Pozar- 4th Ed