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

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

Giảng viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Nam Phong
Sinh viên thực hiện:

Nhóm 3

Họ và tên

MSSV

Nguyễn Văn Tùng

20182875

Nguyễn Đình Hùng

20182555

Nguyễn Anh Đức

20182433

Trần Anh Quân

20182732

Nguyễn Tiến Dũng

20182444

1


LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, thế giới thơng 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, đòi
hỏi 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 con
người nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoa học kỹ thuật. Sự ra đời của nhiều loại
phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi 1 kỹ thuật mà các hệ thống cũ khơng
thể đáp ứng được đó là định vị trong không gian ba chiều, và như vậy hệ thống định vị
toàn cầu- GPS (Global Positioning System) ra đời.
Hệ GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thơng tin tồn
cầu và được xử lí bởi các trạm điều khiển trên mặt đất. Ngày nay khó hình dung rằng có
một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào l ại khơng l ắp đặt

thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh. Hệ GPS là hệ thống dẫn đường bằng v ệ tinh do
Hoa Kỳ kiểm sốt và duy trì hoạt động. Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay
phía trên trái đất ở độ cao 20.200km, với tốc độ chừng11.200km/h, có nhiệm vụ
truyền đi các tin hiệu tần số cao tới các thiết bị thu nhận.
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 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 hồn thành bài tập lớn, tuy nhiên trong q trình thực hiện tính tốn và mơ phỏng chắc
chắn khơng thể tránh khỏi sai sót. Chúng em mong nhận được sự góp ý của thầy để có thể
khắc phục được những kiến thức còn hạn chế cũng như lĩnh hội được nhiều kiến thức
hơn trong học phần Điện tử tương tự II.

Hà Nội, ngày 1 tháng 6 năm 2021.

2


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 cơng thức tính tốn 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 tốn các thơng 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 tốn bằng LineCalc................................................18
3.2. Kết quả mơ 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

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Cấu trúc hệ thống định vị tồn 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. Mơ phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2................................................21
Hình 14. Mơ phỏng ADS PHTK 2 dây chêm hở mạch tại d2....................................................21
Hình 15. Mơ 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 tốn....................................................................................15

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
GPS: Global Positioning System
4


PHTK: Phối hợp trở kháng
ADS: Advanced Design System

Bảng 1: Bảng phân chia nhiệm vụ
STT

Họ và tên

Nhiệm vụ đã phân cơng
Tìm tài

Tính

Mơ

Làm báo

Làm

Vẽ

liệu

tốn

phỏng

cáo

mạch

Layout

1

Nguyễn Văn Tùng

X

X

X

X

X

2

Nguyễn Đình Hùng

X

X

X

X

X

3

Nguyễn Anh Đức

X

X

X

4

Trần Anh Qn

X

X

X

5

Nguyễn Tiến Dũng

X

X

X

X

5


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 tắt
của cụm từ “Global Positioning System”. Nó là một hệ thống bao gồm nhiều vệ tinh bay
trên 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 hồn tồn 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 thơng 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 thơng 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 tồn cầu

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vơ tuyến cơng suất thấp dải L1 và L2. (dải L là
phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,5 Ghz). Và trong báo cáo này

6


chúng em sẽ chon tần số 1.5Ghz để mô phỏng vì đây là tần số dân sự được sử dụng rộng
dãi.

1.2. Lý thuyết phối hợp trở kháng
1.2.1. Phối hợp trở kháng(PHTK) là gì? Mục đích PHTK
-Phối hợp trở kháng là việc sử dụng các phần tử thụ động trong mạch điện hay các
công cụ khác (dây chêm, bộ biến đổi ¼ bước sóng) để đưa tối đa cơng suất ra trở tải
-Mục đích của phối hợp trở kháng:
+) Đưa cơng 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 hệ
thống 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 dàn
anten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khi
phân chia cơng 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 cao

tần)( Dùng dây chêm nối tiếp, song song)
•

Sử dụng bộ biến đổi ¼ bước sóng
7


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 tốn 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 của
tải R L thành Z 0 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 định y 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 giao
với 1 ± jB → giá trị của y d .
8


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.



Khơng mất tính tổng qt, 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 trịn | Γ L|e jθr để xác
định điểm Y NL = g L+ jB L.
Bước 2: Tìm giao điểm của đường trịn 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 l 1.
Bước 3: Quay đường trong ảnh về đường tròn 𝑔 = 1 → xác định các giá trị của dây
chêm thứ hai l 2.

9


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:

10


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:
Có Γ = 0.4𝑒𝑗70𝜊 ⇒ 𝑍𝑁𝐿 = 0.95 + 𝑗0.85
⇒ 𝑌𝑁𝐿 = 0.58 − 𝑗0.52
⇒ 𝑔𝐿 = 0.58
Giao của đường tròn 𝑔𝐿 với (A) tại hai điểm

𝑌𝐿1 = 0.58 + 𝑗0.08 ⇒ Độ dịch: 𝑌𝐿1 − 𝑌𝑁𝐿 = 0.58 + 𝑗0.08 − (0.58 − 𝑗0.52) = 𝑗0.6
𝑌𝐿2 = 0.58 + 𝑗1.9 ⇒ Độ dịch: 𝑌𝐿2 − 𝑌𝑁𝐿 = 0.58 + 𝑗1.9 − (0.58 − 𝑗0.52) = 𝑗2.42


Xác định chiều dài dây chêm 𝐿1
Với 𝑌𝐿1 = 0.58 + 𝑗0.08 và độ dịch 𝑗0.6 tại 0.086𝜆



Ngắn mạch: 𝑌𝐿 = ∞ ⇒ L1NM = 0.25 𝜆 + 0.086𝜆 = 0.336𝜆



Hở mạch: 𝑌𝐿 = 0 ⇒ L1HM = 0.086 𝜆

11


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

12


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

13

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

14


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 tốn

Hở mạch Ngắn mạch
L1 tại

0.086 λ

0.336 λ

d1

15

L2 tại

0.42 λ

0.17 λ

0.188 λ

0.438 λ

0.187 λ

0.437 λ

d1
L1 tại
d2
L2 tại
d2

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 𝜆.

3.1. Vẽ mạch và tính tốn các thơng 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

16


Hình 9. Hộp thoại New Workspace

3.1.2 Tạo một Schematic mới



Vào File => New=> Schematic hoặc biểu tượng
Đặt tên trong ô Cell rồi chọn Create Schematic

trên thanh công cụ

17


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.
Ơ Freq nhập vào 1.575 Ghz và ơ Z0 nhập 50 Ohm.
Ở ô E_Eff nhập vào các giá trị đã tính tốn ở phần 2 *360
Sau đó chọn Synthesize.
Nhập các thông số W và L vào các WLIN tương ứng

18


Hình 12. Hộp thoại LineCalc/Untitled

19


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

20


3.2. Kết quả mơ phỏng

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

Hình 16. Mơ phỏng ADS PHTK 2 dây chêm ngắn mạch tại d2

21

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

22


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

Các trường hợp còn lại làm tương tự.

3.4. Nhận xét và kết luận
Ở phần 3.2. mơ phỏng ta có thể thấy mag(var(“S”)) nhỏ nhất ở tần số 1.575Ghz
nhưng ở bên đồ thị Smith vẫn có sai số. Sai số đó có thể do trong q trình tính tốn.
Qua phần mô phỏng trên giúp chúng em hiểu hơn về phần mềm ADS và tích lũy
thêm kiến thức. Do việc lầm gấp gáp nên có thể có sai sót mong thầy có thể góp ý để
chúng em hồn thiện hơn.

23


Phần IV: KẾT LUẬN
Thơng qua q 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 GPS
với 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 hồn 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

24