THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG DÂY CHÊM

Trong bài tập lớn nhiệm vụ của nhóm em là phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm và 2 dây chêm cho đường truyền tại tần số 7.5 ?ℎ?.. Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm hở mạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN

NGUYỄN QUANG MINH 20162738 KTĐTTT 05 – K61

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN KHẮC KIỂM

Hà Nội, 10 - 2019

LỜI NÓI ĐẦU

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 và giảm suy hao công suất trên đường truyền Việc phối hợp trở kháng với nhiều lợi ích và với nhiều cách phối hợp khác nhau, thường tập trung phối hợp trở kháng sao cho thuận tiện, dễ điều chỉnh và phù hợp với đường truyền đó Trong bài tập lớn nhiệm vụ của nhóm em là phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm và 2 dây chêm cho đường truyền tại tần số 7.5 𝐺ℎ𝑧 Dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Khắc Kiểm, nhóm em đã hoàn thành bài tập lớn, tuy nhiên trong quá trình thực hiện tính toán và mô phỏng, nhóm em vẫn còn nhiều sai sót và mong muốn nhận được sự góp ý của thầy để có thể thực hiện bài tập lớn tốt hơn cũng như học hỏi được nhiều kiến thức hơn trong học phần Kỹ thuật siêu cao tần

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

PHẦN I: LÝ THUYẾT PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG 1

1.1 Phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm 2

1.2 Phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm 2

PHẦN II: BÀI TẬP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG DÂY CHÊM 4

2.1 Trường hợp 1 dây chêm 4

2.2 Trường hợp 2 dây chêm 7

PHẦN III: MÔ PHỎNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS 12

3.1 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm hở mạch tại d1 13

3.2 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm ngắn mạch tại d1 14

3.3 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm hở mạch tại d2 15

3.4 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm ngắn mạch tại d2 16

3.5 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm hở mạch tại d1 17

3.6 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm ngắn mạch tại d1 18

3.7 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm hở mạch tại d2 19

3.8 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm ngắn mạch tại d2 20

PHẦN IV: KẾT LUẬN 21

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Sơ đồ khối của mạch PHTK 1

Hình 1 2 PHTK sử dụng 1 dây chêm song song (trên) và nối tiếp (dưới) 2

Hình 1 3 PHTK sử dụng 2 dây chêm song song 3

Hình 2 1 Đồ thị Smith PHTK 1 dây chêm cho chiều dài từ tải đến dây chêm 5

Hình 2 2 Đồ thị Smith PHTK 1 dây chêm cho chiều dài dây chêm tại điểm d1 6

Hình 2 3 Đồ thị Smith PHTK 1 dây chêm cho chiều dài dây chêm tại điểm d2 7

Hình 2 4 Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 tại d1 8

Hình 2 5 Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L1 tại d2 9

Hình 2 6 Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 tại d1 10

Hình 2 7 Đồ thị Smith PHTK 2 dây chêm cho chiều dài dây chêm L2 tại d2 11

Hình 3 1: Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1 13

Hình 3 2 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1 13

Hình 3 3 Layout cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1 13

Hình 3 4 Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d1 14

Hình 3 5 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d1 14

Hình 3 6 Layout cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d1 14

Hình 3 7 Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d2 15

Hình 3 8 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d2 15

Hình 3 9 Layout cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d2 15

Hình 3 10 Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d2 16

Hình 3 11 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d2 16

Hình 3 12 Layout cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d2 16

Hình 3 13 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d1 17

Hình 3 14 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d1 17

Hình 3 15 Layout cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1 17

Hình 3 16 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d1 18

Hình 3 17 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d1 18

Hình 3 18 Layout cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d1 18

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

Hình 3 20 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2 19

Hình 3 21 Layout cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2 19

Hình 3 22 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2 20

Hình 3 23 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2 20

Hình 3 24 Layout cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2 20

1

PHẦN I: LÝ THUYẾT PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG

Tầm quan trọng của phối hợp trở kháng (PHTK):

• Công suất cực đại được phân phối tới tải khi tải phối hợp trở kháng với đường truyền

• Công suất tổn hao trên đường truyền được tối thiểu

• Cải thiện tỷ số SNR, thông qua việc điều khiển sự phối hợp trở kháng, bộ khuếch đại có thể hoạt động ở điểm có tạp âm nhỏ nhất

• Giảm sự sai pha và biên độ

Các yếu tố khi lựa chọn mạng phối hợp trở kháng:

• Biến đổi ¼ bước sóng

• Phương pháp sử dụng 1 dây chêm và 2 dây chêm

• Sử dụng phần tử tập trung L, C

• Bộ biến đổi nhiều đoạn (Multisection)

Nội dung bài tập lớn này tập trung vào kỹ thuật phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm và 2 dây chêm

2

1.1 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 𝑅𝐿 thành 𝑍0 và phần ảo 𝑋𝐿 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 định 𝑦𝑑 và 𝑦𝑙

• Đảm bảo dẫn nạp tổng 𝑦𝑡𝑜𝑡 = 𝑦𝑑+ 𝑦𝑙 = 1

Hình 1 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 𝑍𝑁𝐿

Bước 2: Vẽ đường tròn |Γ𝐿|𝑒𝑗𝜃𝑟 và xác định 𝑌𝑁𝐿

Bước 3: Di chuyển theo chiều kim đồng hồ (WTG) dọc theo đường tròn

|Γ𝐿|𝑒𝑗𝜃𝑟 giao với 1 ± 𝑗𝐵 → giá trị của 𝑦𝑑 Bước 4: Chiều dài từ 𝑌𝑁𝐿 tới 𝑦𝑑 sẽ xác định được 𝑑

Bước 5: Xác định 𝑦𝑙 tại điểm ∓ 𝑗𝐵

Bước 6: Phụ thuộc vào dây chêm ngắn mạch hay hở mạch di chuyển tới 𝑦𝑙

(WTG), khoảng cách di chuyển sẽ xác định được độ dài dây chêm 𝑙

1.2 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:

3

• 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 |Γ𝐿|𝑒𝑗𝜃𝑟 để xác định điểm 𝑌𝑁𝐿 = 𝑔𝐿 + 𝑗𝑏𝐿

Bước 2: Tìm giao điểm của đường tròn đẳng 𝑔𝐿 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 1 3 PHTK sử dụng 2 dây chêm song song

4

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 7,5 Ghz sử dụng phương pháp:

a) Một dây chêm mắc song song

b) 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:

2.1 Trường hợp 1 dây chêm

• Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa:

Có Γ = 0.4𝑒𝑗70𝜊 ⇒ 𝑍𝑁𝐿 = 0.95 + 𝑗0.85 ⇒ 𝑌𝑁𝐿 = 0.58 − 𝑗0.52

Có giá trị 𝑌𝑁𝐿 tại vị trí 0.403 𝜆

Vị trí giao giữa đường tròn Γ = 0.4𝑒𝑗70𝜊 với đường tròn 1 + 𝑗𝐵 tại 𝑦𝑑1 = 1 + 𝑗0.9 tại vị trí 0.16 𝜆 và 𝑦𝑑2 = 1 − 𝑗0.9 tại vị trí 0.342 𝜆

• Chiều dài từ tải đến dây chêm

Khi đó chiều dài từ tải đến dây chêm tại điểm d1 là:

D1 = (0.5𝜆 − 0.403𝜆) + 0.16𝜆 = 0.257𝜆

Khi đó chiều dài từ tải đến dây chêm tại điểm d2 là:

D2 = (0.5𝜆 − 0.403𝜆) + 0.342𝜆 = 0.439𝜆

5

Hình 2 1 Đồ thị Smith PHTK 1 dây chêm cho chiều dài từ tải đến dây chêm

• Chiều dài dây chêm

Đối với trường hợp tại d1:

−𝑗𝐵 = −𝑗0.9 tại vị trí 0.383 𝜆

- Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ 𝐿11 = 0.383𝜆 − 0.25𝜆 = 0.133𝜆

- Hở mạch: 𝑌𝐿 = 0 ⇒ 𝐿12 = 0.383𝜆

6

Hình 2 2 Đồ thị Smith PHTK 1 dây chêm cho chiều dài dây chêm tại điểm d1

Đối với trường hợp tại d2:

𝑗𝐵 = 𝑗0.9 tại vị trí 0.117𝜆

- Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ 𝐿21 = 0.117𝜆 + 0.25 𝜆 = 0.367𝜆

- Hở mạch: 𝑌𝐿 = 0 ⇒ 𝐿22= 0.117𝜆

7

Hình 2 3 Đồ thị Smith PHTK 1 dây chêm cho chiều dài dây chêm tại điểm d2

2.2 Trường hợp 2 dây chêm

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:

9

Hình 2 5 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

10

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

11

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

12

PHẦN III: 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 2𝜆

13

3.1 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm hở mạch tại d1

Hình 3 1: Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1

Hình 3 2 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1

Hình 3 3 Layout cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1

14

3.2 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm ngắn mạch tại d1

Hình 3 4 Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d1

Hình 3 5 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d1

Hình 3 6 Layout cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d1

15

3.3 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm hở mạch tại d2

Hình 3 7 Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d2

Hình 3 8 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d2

Hình 3 9 Layout cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d2

16

3.4 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm ngắn mạch tại d2

Hình 3 10 Mạch đi dây cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d2

Hình 3 11 Mô phỏng ADS PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d2

Hình 3 12 Layout cho PHTK 1 dây chêm ngắn mạch tại d2

17

3.5 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm hở mạch tại d1

Hình 3 13 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d1

Hình 3 14 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d1

Hình 3 15 Layout cho PHTK 1 dây chêm hở mạch tại d1

18

3.6 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm ngắn mạch tại d1

Hình 3 16 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d1

Hình 3 17 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d1

Hình 3 18 Layout cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d1

19

3.7 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm hở mạch tại d2

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

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

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

20

3.8 Trường hợp phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây chêm ngắn mạch tại d2

Hình 3 22 Mạch đi dây cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2

Hình 3 23 Mô phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2

Hình 3 24 Layout cho PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2

số phản xạ trong mô phỏng khi phối hợp trở kháng vẫn không được tối ưu về 0

Hướng giải quyết việc sai số này là kết hợp sử dụng đồ thị Smith và lý thuyết về phối hợp trở kháng 1 dây chêm và 2 dây chêm, đồng thời sử dụng tune điều chỉnh để phát hiện sai số trong quá trình mô phỏng để biên độ hệ số phản xạ tối ưu hơn

Thông qua việc tính toán và mô phỏng phối hợp trở kháng sử dụng 1 dây chêm song song và 2 dây chêm song song, chúng em đã được thực hành và xử lý bài toán phối hợp trở kháng cho đường truyền siêu cao tần là một phần kiến thức quan trọng trong học phần Kỹ thuật siêu cao tần Đồng thời việc thao tác và sử dụng phần mềm mô phỏng ADS giúp bản thân em có cách nhìn và thực hành trực quan hơn về phối hợp trở kháng cho đường truyền siêu cao tần để từ đó học tập và hoàn thiện tốt hơn nữa các bài tập và kiến thức cho bản thân