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

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

Giảng Viên Hướng Dẫn:
Học Kì:
Nhóm :
Nguyễn Tiến Thịnh
Lê Văn Thuận

Hà Nội, 5/2020

1

download by :


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 TỐN.................................................................................... 10
3.1. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CÁC THƠNG 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

download by :


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 Mơ hình mạch PHTK sử dụng đường truyền độ dài 1/4 bước sóng..............7
Hình 2. 3 Mơ hình mạch PHTK sử dụng một dây chêm song song.................................. 8
PHẦN 3: Thiết kế và tính tốn
Hình 3. 1 Đồ thị Smith sử dụng để tính tốn 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 mơ 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 Mơ 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 Mơ hình mạch layout khi PHTK sử dụng một dây chêm song song hở
mạch của trường hợp 1..................................................................................................................... 18
Hình 4. 7 Sơ đồ mơ 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 :


Hình 4. 9 Mơ hình mạch layout khi PHTK sử dụng một dây chêm song song hở
mạch của trường hợp 2..................................................................................................................... 20

4

download by :


PHẦN 1: Nội dung cơng việc
Bài tốn: Đường truyền trở kháng đặc tính 50 Ohms nối với tải, hệ số phản xạ tại tải
được cho trong bảng dưới.

STT
nhóm

Tần số trung
tâm (GHz)

17

6
Thiết kế mạch phối hợp trở kháng sử dụng đồ thị Smith Chart tại tần số đã cho sử
dụng phương pháp:
o Đường truyền độ dài
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 Cơng Cơng Việc
1. Lý thuyết, tính tốn, mơ phỏng : Nguyễn Tiến Thịnh.
2. Lý thuyết, tính tốn, viết báo cáo: Lê Văn Thuận

5

download by :


PHẦN 2: Lý thuyết phối hợp trở kháng
2.1. Lý thuyết
2.1.1. Đồ thị Smith

Trong thiết kế mạch siêu cao tần, việc tính tốn 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 cơng cụ đồ họa sử dụng cho tính tốn đường truyền và mạch điện siêu
cao tần, là tập hợp các họ đường cong đẳng r và x và chỉ sử dụng cho đường truyền khơng
tổn hao. Có hai dạng biểu diễn là trở kháng chuẩn hóa tại điểm bất kì và hệ số phản xạ tại
điểm 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 ¼
bước sóng và phương pháp sử dụng một dây chêm trong bài báo cáo này.
6

download by :


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 dẫn

sóng. Mạch phối hợp là một mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết
kế sao cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng Z0 của đường
truyền. Khi ấy sự phản xạ của sóng ở phía trái của mạch phối hợp về phía đường truyền dẫn
khơng cịn nữa, chỉ cịn trong phạm vi giữa tải và mạch phối hợp, cũng có thể là phản xạ
qua lại nhiều lần. Quá trình phối hợp cũng được coi là quá trình điều chỉnh.
Gọi Rn
trở kháng vào của tầng sau), E là nguồn lý tưởng.
Theo định luật Ơm, dịng điện I qua mạch là:

Cơng suất trên tải là:

Pt lớn nhất khi

Hình 2. 1 Sơ đồ phối hợp trở kháng
Ý nghĩa:
Khi thực hiện phối hợp trở kháng công suất truyền cho tải sẽ đạt cực đại còn tổn
thất trên đường truyền là cực tiểu. Phối hợp trở kháng tốt cịn chống được tín hiệu "dội" do
một phần năng lượng bị phản xạ (reflection), nhiễu nội mạch và suy hao tín hiệu (signal
absorbtion) làm giảm total cơng suất ngõ ra. Tần số hoạt động của mạch càng cao thì yêu
cầu phối hợp trở kháng càng chặt chẽ, nhất là phối hợp trở kháng trong kỹ thuật bức xạ cao
tần (RF = Radio Frequency). Cụ thể và tiêu biểu nhất là phối hợp trở kháng antenna - Tx
trong kỹ thuật cao tần, phối hợp trở kháng Ampli - loa trong kỹ thuật truyền thanh. Phối
hợp trở kháng làm cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu của hệ thống khác trong hệ thống sử
dụng các phần tử nhạy cảm như ăng-ten, bộ khuếch đại tạp âm thấp … Đối với mạng phân
phối cơng suất siêu cao tần (ví dụ: mạng tiếp điện cho dàn ăngten gồm
7

download by :

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 (khơng 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 phụ
thuộc tần số của tải tương đương và gây ra giảm độ rộng băng của sự phối hợp trở
kháng.

Hình 2. 2 Mơ hình mạch PHTK sử dụng đường truyền độ dài 1/4 bước sóng
Để xác định trở kháng nhìn vào đường truyền trở kháng đặc tính Z1, sử dụng cơng
thức:

, ở tần số trung tâm f0
Z1=√Z0 ZL

Hệ số phản xạ trên đường truyền chính:
Γ=

Do Z12=ZO ZL

Γ=

Z

L

+ ZO+ j 2 t

√Z0 Z L

download by :

8


Biên độ của hệ số phản xạ:
Z
2

(¿¿ L+ZO ) +4 t2 ZO Z
¿
¿

L

¿
¿

Z −Z

|Γ|=|

L

O|

¿

Giả sử tần số khảo sát lân cận f0 khi đó:
|Z L −ZO|
|cos θ|
|Γ|≅

2

√Z0 ZL

Gọi Γm là giá trị biên độ cực đại có thể chấp nhận được thì độ rộng băng của bộ ghép
được định nghĩa là:
∆

θ=2(

π

−θm)

2

cos θ =
√

n

Độ rộng băng tỉ đố
Độ rộng băng của bộ ghép tăng nếu ZL → Z0

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
RL thành Z0 và phần ảo X L thành 0.

Hình 2. 3 Mơ hình mạch PHTK sử dụng một dây chêm song song
9


download by :


→ Sử dụng 2 tham số có thể điều chỉnh

Do đó mục đích của dây chêm song song:
Xác định yd và yl
Đảm bảo dẫn nạp tổng
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 trịn hệ số sóng
đứng
Bước 2: Xác định hai giao điểm của đường trịn 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 hóa
tới 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 thơng số vừa tính được, ta có thể mô phỏng trên phần mềm ADS.

10

download by :


PHẦN 3: Thiết kế và tính tốn
3.1. Tính tốn, thiết kế các thơng số đường truyền
3.1.1. Bài tốn sử dụng đường truyền độ dài λ /4
Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa:
Có

Γ=0.5 e

j 142ο

⇒ZNL=0.368 +0.3 j

Dịch chuyển trên đường đẳng SWR để xác định trở kháng đường truyền chỉ tồn tại
phần thực được

Z
NA1

=

3 ⇒Z 150 Ω
A1

có

=

Hình 3. 1.a Đồ thị Smith sử dụng để tính tốn PHTK sử dụng đường truyền λ /4
(dmin)
Xét trường hợp:

Z

A

16.6626 Ω

2

=

(

d

V

=

max

0.4472 λ

)

Z02=√Z0 ZA 2=√50 ×16.6626=28.86(Ω)

11

download by :


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

3.1.2. Bài toán sử dụng một dây chêm mắc song song
Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa:
Có

Γ=0.5 e

Y

j 142ο

⇒ZNL=0.368+ 0.3 j ⇒Y

NL

=0.0325 + j 0.0267

có vị trí tại 0.098

NL

Di chuyển theo chiều kim đồng hồ (WTG) dọc theo đường tròn
1± jB tại yd 1=1+ j3

Chiều dài từ tải đến dây chêm
- Trường hợp 1: Tại vị trí 0.2 λ
Khoảng cách từ tải đến dây chêm là d1:
d1 = 0. 2 λ−0. 16947 λ=0.03053 λ
- Trường hợp 2: Tại vị trí 0.3 λ
Khoảng cách từ tải đến dây chêm là d2:
d2 = 0. 3 λ+0.06388 λ=0.36388 λ

Chiều dài dây chêm
12


download by :


- Đối với trường hợp 1 tại d1 =

y =− j3
l1

o

0.03053 λ :

tại vị trí 0. 3 λ
Ngắn mạch: Y L=∞ ⇒l1=0. 3 λ + 0.08643 λ=0.38643 λ

Hình 3. 3. Trường hợp 1: PHTK với dây chêm ngắn mạch
o Hở mạch:

Y L=0

⇒l1=0. 13643 λ

13

download by :


Hình 3. 4. Trường hợp 1: PHTK với dây chêm hở mạch
- Đối với trường hợp 2 tại d2 =

y

j 3

tại vị trí
o Ngắn mạch:

l 2

=

14

download by :


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

Y L=0

⇒l2=0.36357 λ

15

download by :


Hình 3. 6. Trường hợp 2: PHTK với dây chêm hở mạch
Tổng kết tính tốn trường hợp mắc một dây chêm với trường hợp hở mạch:
Vị trí giao giữa đường trịn
yd 1=1+ j3

Vị trí giao giữa đường trịn
yd 2=1− j 3

{l1=0.38643
d 1=0.03053 λ{d 2=0.36388 λ
λ l 2=0.36357 λ
16

download by :

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
đường truyền có tổng chiều dài từ đầu vào tới tải là 2

ε =
r

4.4 và h = 0.8 mm).

4.1. Sử dụng đường truyền λ /4
Xét trường hợp: đường truyền có
Z02=86.6 Ohm

Z =150 Ω
A

1

(

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

download by :


Kết quả mơ phỏng:

Hình 4. 2 Kết qu hệ số ph n xạ 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 Mơ hình mạch layout khi PHTK sử dụng đường truyền
Xét trường hợp: đường truyền có Xét trường hợp: đường truyền có
(

d

0.4472 λ

=
Z02=28.86 Ohm
V

max

Z

A

2

)

Sơ đồ nguyên lý khi thiết kế trên ADS:

18

download by :


Hình 4. 4 Sơ đồ mơ phỏng phối hợp trở kháng sử dụng đường truyền

λ /4

Kết quả mơ phỏng:

Hình 4. 5 Kết qu hệ số ph n xạ 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:
19

download by :


Hình 4. 6 Mơ hình mạch layout khi PHTK sử dụng đường truyền

λ /4

4.2. Sử dụng một dây chêm song song
4.2.1. Trường hợp 1
Vị trí giao giữa đường trịn ¿ Γ∨¿ 0.5 e
trí 0.2 λ
Xét trường hợp hở mạch, ta có:

j

142ο

với đường trịn 1± jB tại yd 1=1+ j3 tại vị

{

d 1=0.03053 λ

l=

1

0.13643

λ

Sơ đồ nguyên lý khi thiết kế trên ADS:

Hình 4. 7 Sơ đồ mơ phỏng PHTK sử dụng một dây chêm song song hở mạch của trường
hợp 1

20

download by :


Kết quả mơ phỏng:

Hình 4. 8 Kết qu hệ số ph n 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

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

Hình 4. 9 Mơ hình mạch layout khi PHTK sử dụng một dây chêm song song hở mạch
của trường hợp 1
Vị trí giao giữa đường trịn ¿ Γ∨¿ 0.5 e
tại vị trí 0.2 λ

j

142ο

Xét trường hợp ngắn mạch, ta có:
Sơ đồ nguyên lý khi thiết kế trên ADS:

21

download by :


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

trường hợp 1
Kết quả mơ phỏng:

Hình 4. 11 Kết qu hệ số ph n xạ trên đồ thị tuyến tính và đồ thị Smith khi PHTK sử
dụng một dây chêm song song ngắn mạch của trường hợp 1

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

22

download by :