Thiết kế, mô ph ng và chế tạo bộ chia công su t wilkinson (chia 2) ở dải tần 3 5 GHz s d ng công ngh m ch vi d ử ụ ệ ạ ải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG

BÁO CÁO

KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
Đề tài:

Thiết kế, mơ phỏ ng và chế tạ o bộ chia công suấ t wilkinson (chia 2)
ở dải tần 3.5 GHz sử dụng cơng nghệ mạch vi dải
GVHD: GS.TS Vũ Văn m
Nhóm sinh viên:
Họ và tên
Ngơ Thị Hương
Hà Mạnh Tiến
Nguyễn Văn Tồn

Hà Nội, 2021

download by :


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG

BÁO CÁO

KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
Đề tài:

Thiết kế, mơ phỏ ng và chế tạ o bộ chia công suấ t wilkinson (chia 2)
ở dải tần 3.5 GHz sử dụng cơng nghệ mạch vi dải
GVHD: GS.TS. Vũ Văn
m Nhóm sinh viên thực hiện:
Họ và tên
Ngô Thị Hương
Hà Mạnh Tiến
Nguyễn Văn Toàn

Hà Nội, 2021

download by :


download by :


LỜI NĨI ĐẦU

Việc khuếch đại tín hiệu để có cơng suất lớn ở băng tần S gặp rất nhiều khó
khăn. Vì vậy chúng ta thường thực hiện bằng cách sử dụng nhiều bộ khuếch đại
cơng suất có cơng suất ra nhỏ hơn rồi sau đó mới kết hợp lại để đạt công suất
mong đợi. Muốn thực hiện điều này người ta đã nghiên cứu các kỹ thuật chia và
cộng công suất. Bộ chia/cộng công suất là một thành phần của hệ thống siêu cao tần
và nó có nhiệm vụ chia/cộng cơng suất tín hiệu lối vào thành nhiều tín hiệu lối ra
đồng pha hoặc ngược lại.
Trong thực tế, bộ chia/cộng công suất kiểu cầu Wilkinson hay được dùng nhất bởi
đây là cấu trúc có đặc tính khơng tổn hao nếu như tất cả các cổng lối ra đều được
phối hợp trở kháng với lối vào và sự cách ly giữa các cổng rất tốt. Bộ chia/cộng công

suất WPD là một phương pháp chia công suất đồng pha và đồng biên độ.

Đề tài “Thiết kế, mô phỏng và chế tạo bộ chia công suất wilkinson (chia 2) ở
dải tần 3.5 GHz sử dụng công nghệ mạch vi dải” được đưa ra trong bài tập lớn môn
Kỹ thuật Siêu cao tần là một ý tưởng rất hay giúp sinh viên dễ dàng tìm hiểu và thực
hành. Chính vì vậy nhóm em đã mạnh dạn triển khai.
Nhóm em xin cảm ơn sự chỉ dẫn của thầy GS.TS Vũ Văn m đã giúp
nhóm hồn thiện bài tập lớn của môn học Kỹ thuật Siêu cao tần. Q trình tìm hiểu
cịn nhiều thiếu sót, mong thầy thơng cảm và bỏ qua.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn.

download by :


PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC
Họ tên

Cơng việc

Ngơ Thị Hương

Thiết kế, mơ phỏng và tối ưu bộ chia

Hà Mạnh Tiến

Thiết kế, layout mạch qua Altium và chế tạo

Nguyễn Văn Toàn

Nghiên cứu lý thuyết và chế tạo

download by :


MỤC LỤC

DANH MỤ C HÌNH ẢNH .........................................................................................................
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ BỘ CHIA WILKINSON ....................................................

1.1Định nghĩa ................................................................................

1.2 Cấu trúc bộ chia điện Wilkinson ..............................................

1.3 Phân tích chế độ chẵn lẻ ..........................................................

1.3.1Chế độ chẵn .................
1.3.2Chế độ lẻ ......................
1.3.3Xác định tham số tán xạ

1.4 Kết luận chương........................................................................
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ CHIA CÂN BẰNG WILKINSON ........................................

2.1 Bài toán thiết kế ........................................................................

2.1.1Đề bài ...........................
2.1.2Mục tiêu thiết kế ..........

2.2 Tính tốn các thơng số kỹ thuật và mô phỏng .........................
2.3 Mô phỏng trên ADS ........................................................................................................

2.3.1Mô phỏng theo lý thuyế
2.3.2Tối ưu ..........................

2.4 Layout mạch ............................................................................

2.5 Layout qua Altium ...................................................................

2.6Đặt mạch ..................................................................................

2.7 Kết luận chương.......................................................................
KẾT LUẬN .............................................................................................................................
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................

download by :


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Bộ chia điện Wilkinson. (a) Cấu trúc dạng mạch dải. (b) Mạch đường truyền
tương đương. [1]............................................................................................................................. 2

Hình 1.2: Mạch chia nguồn Wilkinson ở dạng chuẩn hóa và đối xứng. [1]................... 3
Hình 1.3: Chế độ chẵn..................................................................................................................... 4
Hình 1.4: Chế độ lẻ.......................................................................................................................... 5
Hình 2.1: Bộ chia Wilkinson 1:2.................................................................................................... 7
Hình 2.2: Tính tốn trên cơng cụ LineCalc cho đường truyền 50 Ohm........................... 8
Hình 2.3 Tính tốn trên cơng cụ LineCalc cho đường truyền 70.71 Ohm....................... 8
Hình 2.4 Mạch tương đương của bộ chia Wilkinson theo lý thuyết................................ 9
Hình 2.5: Kết quả mơ phỏng theo lý thuyết............................................................................... 9
Hình 2.6: Pha của hệ số truyền dẫn S(1,2), S(1,3)................................................................. 10

Hình 2.7: Hệ số cách ly giữa cổng 2 và cổng 3...................................................................... 10
Hình 2.8: Sơ đồ tương đương sau khi tối ưu.................................................................... 11
Hình 2.9: Kết quả mơ phỏng sau khi tối ưu............................................................................ 12
Hình 2.10: Pha của hệ số truyền dẫn S(1,2), S(1,3)............................................................... 12
Hình 2.11: Hệ số cách ly giữa cổng 2 và cổng 3.................................................................... 13
Hình 2.12: Mạch layout từ ADS.................................................................................................. 13
Hình 2.13: Mạch layout qua Altium (mặt trước)................................................................... 14
Hình 2.14: Mạch layout qua Altium (mặt trước)................................................................... 14
Hình 2.15: Hình ảnh mạch sau khi được chế tạo (mặt trước)....................................... 15
Hình 2.16: Hình ảnh mạch sau khi được chế tạo (mặt sau)............................................. 15

i

download by :


CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ BỘ CHIA WILKINSON

1.1 Định nghĩa
Bộ chia công suất Wilkinson là bộ chia hoạt động ở chế độ chia đều. Bộ chia
loại này sử dụng kết hợp cấu trúc đường truyền với điện (là phần tử tiêu hao năng
trở lượng) nên nó có tính chất:
Cấu trúc là mạng tổn hao vì có chứa các phần tử tiêu hao năng
lượng. Được phối hợp trở kháng tại tất cả các cổng.
Cách ly tốt giữa hai cổng ở lối ra.
Đối xứng giữa lối vào và lối ra nên là mạng thuận nghịch.

1.2 Cấu trúc bộ chia điện Wilkinson
Bộ chia cơng suất Wilkinson có thể được thực hiện với sự phân chia công suất
tùy ý, nhưng trước tiên chúng ta sẽ xem xét trường hợp chia đều (3 dB). Dải phân

cách này thường được làm ở dạng đường vi dải hoặc mạch dải, như được mơ tả
trong Hình 1.1a; mạch đường truyền tương ứng được cho trong Hình 1.1b. Phân
tích mạch này bằng cách biến nó thành hai mạch đơn giản hơn được điều khiển bởi
các nguồn đối xứng và khơng đối xứng ở các cổng đầu ra.

(a)

(b)

Hình 1.1: Bộ chia điện Wilkinson. (a) Cấu trúc dạng mạch dải. (b) Mạch đường
truyền tương đương. [1]

2

download by :


1.3 Phân tích chế độ chẵn lẻ
Để đơn giản, chuẩn hóa tất cả các trở kháng thành trở kháng đặc tính Z0, và vẽ
lại mạch Hình 1.1b với các bộ tạo điện áp ở các cổng ra như Hình 1.2. Mạng này đã
được vẽ ở dạng đối xứng qua mặt phẳng ngang; hai điện trở nguồn có giá trị chuẩn hóa
2 kết hợp song song để tạo ra một điện trở có giá trị chuẩn hóa 1, đại diện cho trở
kháng của nguồn phù hợp. Các đường một phần tư sóng có trở kháng đặc tính chuẩn
hóa Z và điện trở có giá trị chuẩn hóa là r; chúng ta sẽ chỉ ra rằng, đối với bộ chia công
suất chia đều, các giá trị này phải là = √2 và r = 2, như được cho trong Hình 1.1.

Hình 1.2: Mạch chia nguồn Wilkinson ở dạng chuẩn hóa và đối xứng. [1]
Với chế độ chẵn Vg2 = Vg3 = 2V0, và chế độ lẻ Vg2 = -Vg3 = 2V0. Do mạch có
tính chất đối xứng, chúng ta có thể xét riêng từng mạch ở chế độ mode chẵn và mode
lẻ. Bằng cách xếp chồng hai mạch này, ta sẽ xác định được tham số tán xạ S của

mạch tổng hợp trong đó điện áp kích thích sẽ là Vg2 = 4V0 và Vg3 = 0.

1.3.1 Chế độ chẵn
Đối với kích thích chế độ chẵn,

2

=

3

= 2 0, do đó

2

=

3

và do đó khơng

có dịng điện chạy qua các điện trở r/2 hoặc ngắn mạch giữa các đầu vào của hai
đường truyền tại cổng 1. Khi đó có thể chia đơi mạng của Hình 1.2 với các mạch
hở tại các điểm này để thu được mạng của Hình 1.3 (mặt nối đất của đường λ/4
khơng được hiển thị). Trở kháng nhìn từ cổng 2 là:

3

download by :

Hình 1.3: Chế độ chẵn.

=
Vì đường truyền trơng giống như một máy biến áp một phần tư sóng. Do đó,
nếu Z = √2, cổng 2 sẽ được so khớp để kích thích chế độ chẵn; sau đó

2

=

0

vì =

1. Điện trở r/2 là thừa trong trường hợp này vì một đầu bị hở mạch. Nếu cho x = 0
ở cổng 1 và x = −λ/4 ở cổng 2, điện áp trên đoạn đường dây tải điện là:
()=

+

(

−

+)

Sau đó:

2=

1

(−

= (0) = j +(1 + ) = 0

+1

Hệ số phản xạ được nhìn thấy ở cổng 1 nhìn về phía điện trở của giá trị
chuẩn hóa 2, vì vậy:

1

=−

0√2

4


download by :


1.3.2 Chế độ lẻ

Hình 1.4: Chế độ lẻ.
Đố i vớ i kích thích chế độ lẻ, 2 = − 3 = 2 0, và do đó

0
2

=−

0
3 ,

và có một điện

áp rỗng dọc theo giữa mạch trong Hình 1.2. Sau đó, có thể chia đơi mạch này bằng
cách nối đất nó tại hai điểm trên mặt phẳng giữa của nó để tạo ra mạng như Hình 1.4.
Trở kháng nhìn vào cổng 2 là r/2 vì đường truyền được kết nối song song dài λ/4
và bị ngắn mạch ở cổng 1, và do đó trơng giống như một mạch hở ở cổng 2. Do đó,
cổng 2 sẽ được kết hợp cho kích từ chế độ lẻ nếu chọn r = 2. Khi đó

0
2

=

0

và

0
1

=0;

đối với chế độ kích thích này, tất cả cơng suất được chuyển đến các điện trở r/2,
khơng có điện trở nào đến cổng 1.

Cuối cùng, tìm trở kháng đầu vào tại cổng 1 của bộ chia Wilkinson khi cổng 2 và
3 được kết thúc trong các tải phù hợp. Mạch kết quả được thể hiện trong Hình 1.3, nơi
ta thấy rằng điều này tương tự như một chế độ kích thích đều vì V2 = V3. Khơng có
dịng điện chạy qua điện trở có giá trị chuẩn hóa 2 nên có thể rút ra, để lại mạch điện
Hình 1.4. Sau đó, chúng tơi có kết nối song song của hai máy biến áp một phần tư sóng
được kết thúc trong các tải thống nhất (chuẩn hóa). Trở kháng đầu vào là:

=

1
2
2 (√2) = 1

(1.7)

1.3.3 Xác định tham số tán xạ
Tóm lại, có thể thiết lập các tham số tán xạ sau cho bộ chia Wilkinson:
11 =

0,

22 = 33

= 1 tại cổng 1 phối hợp trở kháng

= 0, Cổng 2 và cổng 3 phối hợp trở kháng

(1.8)
(1.9)

5

download by :


0

+

12

=

21

=

13

=

31

= − /√2, Đối xứng tại c

23

=

32

= 0 , Do cách ly giữa cổn

1

+

1
0

= − /√2 , Đối xứng

2

1.4 Kết luận chương
Chương 1 cung cấp lý thuyết tổng quan về bộ chia công suất Wilkinson: định
nghĩa, cấu trúc, chế độ chẵn lẻ, tham số tán xạ. Bộ chia công suất Wilkinson đã
được sử dụng rộng rãi trong ăng-ten và mạch cơng suất vi ba, vì thiết kế của nó rất
đơn giản và do đó, dễ chế tạo hơn so với các mạch vi ba nhỏ gọn khác. Để có cái
nhìn cụ thể hơn, Chương 2 sẽ trình bày chi tiết các bước thiết kế bộ chia cân bằng
Wilkinson (chia 2) ở dải tần 3.5 GHz sử dụng công nghệ mạch vi dải.

6

download by :


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ CHIA CÂN BẰNG WILKINSON

2.1 Bài tốn thiế t kế

2.1.1 Đề bài
Thiết kế, mơ phỏ ng và chế tạo bộ chia công suất wilkinson (chia 2) ở dải tần
3.5 Ghz sử dụ ng công nghệ mạch vi dải.
2.1.2 Mục tiêu thiết kế

Hình 2.1: Bộ chia Wilkinson 1:2.
Dựa trên lý thuyết về bộ chia điện Wilkinson cũng như để phù hợp với chương
trình học, nhóm em thiết kế bộ chia điện Wilkinson cân bằng với các chỉ tiêu kỹ thuật

như sau:
Bộ chia Winkinson 1:2, đầu vào 50 Ohm, đồng pha, chia đều công suất, hoạt

động ở tần số 3.5GHz
Sử dụng vật liệu điện môi là FR4 dày 0.8mm với hệ số điện môi = 4.5 và
hệ số tổn hao = 0.02

2.2 Tính tốn các thơng số kỹ thuậ t và mơ phỏng
Dựa vào Hình 2.1 cùng các chỉ tiêu thiết kế, dùng cơng cụ hỗ trợ tính tốn
Linecalc trong phần mềm ADS, tính tốn được:
Với đường trở kháng 50 Ohm: độ rộng là 1.5mm, chiều dài là 11.8mm
Với đường trở kháng 70.71 Ohm: độ rộng là 0.8 mm, chiều dài là 12
mm Trở kháng được dùng là 100 Ohm

7

download by :


Hình 2.2: Tính tốn trên cơng cụ LineCalc cho đường truyền 50 Ohm.

Hình 2.3 Tính tốn trên cơng cụ LineCalc cho đường truyền 70.71 Ohm.

8

download by :


2.3 Mô phỏng trên ADS
2.3.1 Mô phỏng theo lý thuyết
Sau khi tính tốn, nhóm em mơ phỏng trên ADS để đưa ra kết quả. Trước tiên
nhóm mơ phỏng theo mơ hình lý tưởng rồi sau đó đưa ra mơ hình thực tế. Hình 2.4 là
mạch tương đương của bộ chia Wilkinson theo lý thuyết được mơ phỏng trên ADS.

Hình 2.4 Mạch tương đương của bộ chia Wilkinson theo lý thuyết

Kết quả mơ phỏng:

Hình 2.5: Kết quả mơ phỏng theo lý thuyết

9

download by :


Hình 2.6: Pha củ a hệ số truyền dẫn S(1,2), S(1,3)

Hình 2.7: Hệ số cách ly giữa cổ ng 2 và cổng 3.

Nhìn đồ thị có thể thấy mạch cộng hưởng tần số 3.5 GHz đúng như tần số
mong muốn. Hệ số tổn hao ngược S(1,1) tốt, đạt băng thông rộng. (1,1) < −10 đạt từ 1

– 6 GHz và tại tần số 3.5 GHz nhỏ hơn -100 dB. Hệ số truyền dẫn S(1,2), S(1,3)
đều nhỏ hơn -3dB thỏa mãn lý thuyết của bộ chia Wilkinson. Hệ số cách ly của mạch
đạt – 106,384 dB. Hai cổng đầu ra 2 và 3 đồng pha với nhau.

10

download by :


2.3.2 Tối ưu

Hình 2.8: Sơ đồ tương đương sau khi tối ưu

Dựa vào mơ hình lý thuyết đã mơ phỏng, nhóm tiến hành tối ưu mạch theo thực
tế. Bộ chia thực tế có hình dạng như mơ phỏng và được cắt vát tại các điểm gấp khúc.
Do tần số cộng hưởng tỷ lệ nghịch với kích thước bộ chia nên ta tập trung vào tối ưu
chiều dài các đường truyền. Cụ thể là nếu tần số cộng hưởng lớn hơn 3.5GHz thì
tăng chiều dài đường truyền và ngược lại. Lưu ý rằng khoảng cách điện trở nối giữa
hai đường vi dải là cố định trong khoảng 1.5 mm đến 2mm và khoảng cách hai đường
vi dải ở hai đầu nhỏ nhất là 30 mm để phục vụ cho việc chế tạo hàn cáp. Sau khi tối ưu,
thu được kết quả như Hình 2.9 và Hình 2.10. Kết quả sau khi tối ưu nhìn chung giống
lý thuyết, vẫn cịn sai lệch nhưng khơng ảnh hưởng nhiều. Các thơng số kích thước
của các đường vi dải sau khi tối ưu được thể hiện trong Hình 2.8.

Kết quả tối ưu

11

download by :

Hình 2.9: Kết quả mơ phỏng sau khi tối ưu.

(1,1) < −10 đạt băng thông rộng từ 1 GHz đến 6 GHz, cộng hưởng tại tần
số 3.5 GHz và tại tần số 3.5 GHz (1,1) < −40 . Các hệ số truyền dẫn (1,2), (1,3) =
−3.416 thay đổi không đáng kể so với mơ hình lý thuyết. Các
cổng đầu ra khơng có sự khác biệt về pha như trong Hình 2.10.

Hình 2.10: Pha của hệ số truyền dẫn S(1,2), S(1,3)

12

download by :


Hình 2.11: Hệ số cách ly giữa cổ ng 2 và cổng 3.
Hệ số cách ly giữ a cổ ng 2 và cổ ng 3 tại tầ n số 3.5 GHz đạt -31,234 dB
được thể hiện trong Hình 2.11.

2.4 Layout mạch
Sau khi mơ phỏng chính xác, nhóm e tiến hành layout mạch từ ADS. Hình 2.12
là hình dạng layout. Mạch layout có hình dạng chính xác, đúng mục tiêu thiết kế.
Khoảng cách giữa hai đường vi dải nối điện trở là 2mm. Khoảng cách giữa hai đầu
ra là 35mm.

Hình 2.12: Mạch layout từ ADS
13

download by :

2.5 Layout qua Altium
Layout mạch qua Altium để phục vụ chế tạo. Kích thước của mạch sau khi
layout là 60 × 30 × 0.8 . Những miếng đồng và các vias xung quanh đầu các
đường vi dải của bộ chia được thêm vào để phục vụ cho việc chế tạo dễ dàng hơn.

Hình 2.13: Mạch layout qua Altium (mặt trước).

Hình 2.14: Mạch layout qua Altium (mặt trước).

14

download by :


2.6 Đặt mạch
Sau khi layout qua Altium, chúng em tiến hành đặt mạch và chế tạo. Ba đầu
của đường vi dải được hàn cáp đồng trục có giá trị đầu vào là 50 Ohm. Điện trở
được dùng trong mạch là trở dán 100 Ohm.

Hình 2.15: Hình ảnh mạch sau khi được chế tạo (mặt trước).

Hình 2.16: Hình ảnh mạch sau khi được chế tạo (mặt sau).

15

download by :

2.7 Kết luận chương
Chương 2 trình bày mơ phỏng các bước thiết kế để tạo ra một bộ chia cân bằng
Wilkinson trong thực tế và cuối cùng là đi tới chế tạo sản phẩm thực. Các vấn đề về hệ
số tổn hao ngược, hệ số truyền dẫn, pha của đường truyền cũng như cách thức tối
ưu các thơng số đó là một trong những nhiệm vụ kỹ thuật đã được minh họa trong
chương này. Các bài mô phỏng này được thực hiện trên phần mềm mô phỏng ADS.

Tuy nhiên trong q trình thiết kế vẫn cịn thiếu bước quan trọng là đo đạc.
Do đề tài được thực hiện trong tình hình dịch COVID 19 phức tạp, nên nhóm khơng
thể hồn thành đề tài một cách hoàn chỉnh nhất.

16

download by :


KẾT LUẬN

Để có thể hồn thiện một đề tài trong lĩnh vực siêu cao tần phải trải qua rất
nhiều công đoạn khác nhau từ việc nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần,
đưa ra giải pháp tối ưu cho việc thiết kế tính tốn mơ phỏng, đến việc tiến hành triển
khai áp dụng trong gia công chế tạo sản phẩm thực tiễn, tiến hành đo đạc kiểm tra,
đánh giá kết quả rồi đưa ra hiệu chỉnh và quay lại khâu thiết kế để chế tạo được

sản phẩm đạt được yêu cầu đề ra.
Bài báo cáo này trình bày khái quát tổng quan về bộ chia công suất Wilkinson,
để từ đó có căn cứ tiến hành nghiên cứu chế tạo ra sản phầm dùng cho các hệ thống
siêu cao tần. Để có thể thiết kế được sản phẩm thì trong q trình thực hiện đề tài
nhóm chúng em cần phải sử dụng đến công cụ mô phỏng ADS và một số cơng cụ,
tiện ích khác.

Qua đề tài này thì nhóm sinh viên mong muốn nắm bắt được nền tảng kiến
thức của bộ chia công suất Wilkinson sử dụng cơng nghệ vi dải, đặc biệt là ứng dụng
của nó trong lĩnh vực kỹ thuật. Công nghệ mới luôn luôn phát triển khơng ngừng và
có tính kế thừa, vì vậy việc nghiên cứu, cập nhật kiến thức để làm chủ thiết bị là hết
sức cần thiết.

17

download by :


DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]

David M. Pozar, “Microwave Engineering”, New Jersey, Nhà xuấtbản

John Wiley & Sons, 2012.
[2]

/>
s, truy nhập cuối cùng ngày 18/05/2021.

18

download by :