Thiết kế và thi công mạch cộng vi dải băng tần wifi

i

I HC QUC GIA THÀNH PH H CHÍ MINH
I HC BÁCH KHOA
N - N T
B MÔN VIN THÔNG
o0o





LUT NGHIP

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
MẠCH CỘNG VI DẢI BĂNG TẦN WIFI












TP. HCM, Tháng 1-2011

iii


LỜI CẢM ƠN

Trong sut thi gian hi hc t HCM, vi s
nhit tình, ng dng, sáng to, các tho nhiu
kin thun l chúng em hoàn thành t
a mình.

u tiên chúng em xin gi ti thy Nguy Nhân li c
thành. Trong quá trình thc hin luc ting dn và góp ý
rt nhi chúng em có th c tiêu, k ho ra. Qua quá
trình làm vic vi thc c  thy nhiu, nht là cách thc
nghiên ct v, x lý v mt cách khoa hc.

Tip theo, chúng em xin gi li cn tt c các thng
 c bit là các thn-n T, nhng
i trc tip ging dy và truyt kin thc cho chúng em trong sut thi gian
hc tng.

Kính chúc quý thy cô di dào sc kh có th ng th h trong
 thành nhà k thung, sáng tc cho s
nghip xây dc ngày càng giàu mnh.
TP. H Chí Minh, Tháng 1/2011



iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN


B cng tín hic ng dng rng rãi trong nhit
-band, truyn hình cáp, v tinh, h th
là mt b phn không th thiu trong các b thu phát sóng cao tn.
Lu trình bày v lý thuyn ca các mng hai ca và bn ca
siêu cao tn, v nguyên tc hong mt b cng tín hiu khác tn s 
phân tích các thành phn ca mt b cng tín hiu.
Thit k và thi công mch cng tín hin Wi-Fi (2.4 Ghz và 5 Ghz) 
hai tn s c th là 2.437 GHz (kênh 6) và 5.32 GHz (kênh 60). S d thut vi
di  thi công vng truyn có chiu dày ln môi là 0.95 mm, hng s n
môi 4.6
Thc hin tính toán các thông s và mô phng bng phn mm ADS
(Advanced Design System) và c trên máy ZVB8.



v


MỤC LỤC
Đề mục: Trang
Trang bìa i
Nhim v lu ii
Li c iii
Tóm tt lu iv
Mc lc v

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1
1.1 ng truyn vi di 1
1.2 B cng (Combiner ) 3

CHƢƠNG 2: SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 7
2.1  khi 7
2.2 Nguyên lý hong 7

CHƢƠNG 3: MẠCH GHÉP HỖN HỢP (HYBRID) 

9
3.1 Mng 4 ca 9
3.2 Gii thiu mch ghép hn hp (hybrid) 

14
3.3 Phân tích mch ghép hn hp (hybrid) 

16
t m và ng dng ca mch 22
ng ca mch 23




vi

CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH HYBRID 26
4.1 Thit k mch hybrid1 26
4.2 Gii thi dng dây chêm tr c 34

4.3 Thit k mch hybrid2 38

CHƢƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH LỌC 51
5.1 C s lý thuyt mch lc 51
5.1.1 Ma trn S ca mch lc 51
ng Chebyshev 53
5.2 Mch lc thông di s dng dây chêm. 58
ng truyn mt phc sóng 58
5.2.2 Các dây chêm h mch và ngn mch 59
5.2.3 B lc thông di vi dây chêm ngn mch 

 60
5.2.4 B lc thông di vi dây chêm h mch 

 65
5.3 Kho sát s ng ca mch li vi vii
c mch

CHƢƠNG 6: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH CỘNG VI DẢI 75

CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 94

Tài liu tham kho 95
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 1
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đƣờng truyền vi dải:

ng truyn vi di là mt dng cng truyn sóng hai dây dn, có cu
trúc  ng truyn gm mt di dn chính và mt mt dc dùng làm
mt pht.
c to thành bi quá trình ph kim loi (metallization) trên 2 b mt
ln môi có hng s n môi 




Hình 1.1:Cấu trúc microtrip

Lý thuyng minh rng: nu s khác bit gia
r

và
0

=1 (hng s n
môi ca không khí) là không nhiu và tng dây d thì
n t lan dng vi di là sóng cnTEM (quasi  TEM).



Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 2
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM
Các công thc áp dng g vi chiu dày t ca lp ng nh:



=












 

 

 











 

  





(1.1)


















 




 (1.2)








(1.2)












  




(1.3)









(1.4a)








 (1.4b)

Với:


: là h s i hiu dng (effective relative permittivity).
h : là chiu dày ln môi.
W : là chiu rng ca di dn.


:  t thm ca ln môi.





:  t thm và hng s n môi ca không khí.
t : là chiu dày di d).


: là tr kháng cng truyn vi di.


c sóng cng truyn.

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 3
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM
1.2 Bộ cộng (combiner):

Wi-Fi Wireless Fidelity hay mạng 802.11 
dây ,  và radio.
sân bay, quán café,  khách
Internet 


TêIEEE (Institute of Electrical and Electronics
 


Wi- 2.4 



-Fi:
-


(complimentary code keying).

-

mã OFDM (orthogonal frequency-


Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 4
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM
-



-a,





-
--band). 
-- GHz vào

4 GHz cho các



--

B








Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 5
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM





Hình 1.2: Các kênh Wi-Fi dải tần 5 Ghz
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 6

SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM



Hình 1.3: Các kênh Wi-Fi ở dải tần 2.4 Ghz

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 7
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM
CHƢƠNG 2: SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÝ
HOẠT ĐỘNG

2.1 Sơ đồ khối:

Hình 2.1
Mt b combiner bao gm:
- Mch hybrid 3db/

hong  tn s 

(5.32 GHz)
- Hai b lc thông di có tn s trung tâm là 


1GHz)
- Mch hybrid 3db/

hong  tn s 


và 



2.2 Nguyên lý hoạt động:
Vì b combiner kt hp 2 tín hiu có tn s khác nhau nên tín hiu này s
không n tín hi xét riêng tng tín hiu.

Tín hiu th nh vào ca 1 ca mch hybrid
 ca 2 và 3 (hai tín hiu này bng nhau v  và l). Hai tín hiu
ch lc và tip tc truyn ti ca 1 và 4 ca mch hybrid2. Vì hai b
lc là ging pha  

 lc, hai tín
hiu này vn l.

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 8
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM
Mch hybrid th 2 có chc li mu, tng hp hai tín
hiu, tín hiu tng s xut hin  ca 3 ca hybrid2. Tín hiu tng 
bng vi tín hiu, ch khác nhau v y tín hic truyn
t cn ca Output.

Tín hiu th hai a 2 ca hybrid2c
chia thành hai tín hiu (l)  ca 1 và 4 ca hybrid2 ti hai b lc.
Di thông ca hai b lc thit k sao cho tn s 


u
này b phn x c tr li ti ca 1 và 4 ca hybrid2 (hai tín hiu vn lch pha 90
).
Lúc này m cng tín hiu, tín hiu tng có cùng
 vi tín hiu xut hin  ca 3 ca hybrid2. y tín hi
c truyn t cn ca Output.

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 9
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM
CHƢƠNG 3: MẠCH GHÉP HỖN HỢP (HYBRID)




3.1. Mạng 4 cửa (mạch ghép định hƣớng hoặc hỗn hợp):

Mch hybrid1 là mt mng 4 ca:




Vi mt mng 4 ca thun nghch







c phi hp tr kháng ti các
ca











, ma trn tán x [S] có dng sau:




Nu mng 4 ca là không tu kin Kronecker (bo toàn công sut) cho
phép ta vi thc lp tuyn tính ca các h s 

.
Chng hn, chúng ta xét tích s ca lien hip phc hàng 1 vi hàng 2 và tích s ca
liên hip phc hàng 3 vi hàng 4:






 




 (3.1a)





 




 (3.1b)

Nhân (3.1) vi 


và (3.2) vi 


, ri tr 

















 3.2)

 













44434241
34

24
14
333231
232221
131211
SSSS
S
S
S
SSS
SSS
SSS
S
 













0
0
0

0
342414
34
24
14
2313
2312
1312
SSS
S
S
S
SS
SS
SS
S
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 10
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM
, tích s ca liên hip phc hàng 1 vi hàng 3 và tích s ca liên hip phc
hàng 4 vi hàng 2 :





 





 (3.3a)





 




 (3.3b)

Nhân (3.3a) vi 

và (3.3b) vi 

, ri tr 
















 (3.4)

Mt b nghim c




 (3.5)


Hình 3.1a


Hình 3.1b
Hình 3.1a và 3.1b minh ho mng 4 ca tho mãn (3.5), chúng ta có b ghép
ng (tín hiu vào ca 1 và ra ti ca 2 và ca 3, không ra ti ca 4).
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 11
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM

Lúc u kin bo toàn công sut áp dng cho mi hàng ca ma trn [S]













 (3.6a)











 (3.6b)












 (3.6c)











 (3.6d)

T (3.6a) và (3.6b), ta suy ra:









(3.7)

T (3.6a) và (3.6b), ta suy ra:









(3.8)

Bng cách chm gc v pha phù hp, ta có th gi thit rng:




 (3.9a)




(3.9b)




(3.9c)
 và  là các s thc.
 và  là góc lch pha gia các ca, cn phnh.

Mt khác, tích s ca liên hip phc hàng 2 vi hàng 3 cu kin (3.5)
là:





 




 (3.10)

Kt hp gia (3.9) và (3.10), suy ra:
   (3.11)

Nu b qua thành phn , ta có th ng hp ca mnh
ng gp:

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 12
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM

Ghép định hƣớng đối xứng:
ng hp này, (3.9) cho:





 (3.12a)




 (3.12b)




 (3.12c)
Mt khác, t u ki 

(3.13)

n [S] ca mi xng là:







Ghép định hƣớng phản đối xứng:
ng hp này, (3.9) cho:





 (3.14a)


 (3.14b)




 (3.14c)
Kt hp vi (3.13).ta có th vit ma tr

 
2
2
2
2
0 1 0
0 0 1
1 0 0
0 1 0


















S
 
2
2
2
2
0 1 0
0 0 1
1 0 0
0 1 0


















j
j
S
j
j
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 13
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM


Trong c ng hng trên, so vi mô hình mch ghép 
hình 3.1a, ta nhn thy công suc ghép sang ca 2 vi h s ghép







c ghép sang ca 3 vi h s ghép








  

. Ca 4
hoàn toàn cách ly vi ca 1 (

.








Mch ghép hn hng hp riêng ca mng
vu kiên h s ghép là 

 (ghép 3dB). Có hai dng mch ghép hn
hp:
- Mch ghép hn hp 

: To lch pha tín hiu 

gia ca 2 và c
hiu vào ti ca 1 (  ng hp mi

xng 3dB, có ma tr




1
4 3
2
Input
Through
CoupledIsolated
 













010
1
0
00
001

10
2
1
j
j
j
j
S
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 14
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM


- Mch ghép hn hp 

(còn gi là mch ghép T-magic hoc rat-race).
To lch pha tín hiu 

gia ca 2 và cu vào ca 4 và
không to lch pha tín hiu vào ca 1 (ng
hp mng phi xng 3dB, có ma tr






3.2 Mạch ghép hỗn hợp (hybrid) 


:
Có nhiu dng m ng truyng hay mch
ghép Lange t dng ca mch ghép hn hp 

u ra ti
ca 2 và ca 3 luôn luôn vuông pa vi nhau.

Hình 3.2a
 
0 1 1 0
1 0 0 1
1
1 0 0 1
2
0 1 1 0









S
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 15

SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM

Hình 3.2b

Tuy nhiên, hai cc s dng khi có yêu cu h s
ghép 3dB t tín hiu vào ca 1) vì khó thc hin trong thc t.
Mch ghép hn hp 

(quadrature hybrid) là mt mng 3dB có
ca 1 là ca vào (input), các tín hiu ra ti ca 2 là ca xuyên (through) và ti ca 3
là ca ghép (coupled) là luôn luôn bng nhau v  và vuông pha vi nhau.
Không có tín hiu ra ti ca 4 là ca cách ly (isolated).

Cu trúc mch ghép ng dùng c v  hình sau:

Hình 3.3
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 16
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM
Ma trn tán x [S] ca mt mch ghép hn hp 

có dng sau:

Các h s 

th hin s phi hp tr kháng ti mi ca, s vuông pha ca hai
tín hiu ra ti ca 2 và ca 3 và s cách ly ca ca 4 so vi ca vào 1.

m ca mch ghép hn hp 

là ci xng gia các
ca vi nhau, bt k c c s da tín hiu vào, còn ca
xuyên và ca ghép luôn luôn  mt phía ca mch, ca cách ly luôn luôn  dung
phía vi ca vào. Các dòng ca ma trn [S] chính là s hoán v các ct cu
tiên. t rt quan tr ta chn mch làm thành phn ca b cng.

Chú ý rng ma trn [S] ko mâu thun vi phn lý thuyt  trên (các h s âm)
 cn phn lý thuyt tng quát ca mch 4 ca, vì thc cht chúng ch khác
nhau do ta chm gc pha ca tín hiu ti ca vào là khác nhau.

3.3 Phân tích mạch ghép hỗn hợp (hybrid) 

:
Ma trn [S]  trên có th c kim chng bng cách phân tích thành mode
chn và mode l ca tín hit vào mch ghép hn hp (hybrid) 

. Tht vy, gi
s t tín hiu vào ca 1, ti cn tr chun phi hp tr kháng


.

 

0 1 0
0 0 1
1
1 0 0
2
0 1 0
j
j
S
j
j








Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 17
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM
Ta có th v li cu trúc mn tr ti theo 

.
Tín hiu vào ti ca 1 là 

trong khi tín hiu ra ti các ca lt là 


, 

, 

và




Hình 3.4

Chúng ta s lt phân tích tín hiu  hình 3.4 thành mode chn và mode l.
Hệ thống mode chẵn:

Hình 3.5a

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 18
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM

Hình 3.5b

Vi mode chn, ta coi rng có hai tín hing pha 

 t vào ca
1 và ca 4. Do tính chi xng ca cu trúc, có th t mt phân cách
i xng chm chm  hình 3.5a), mà tn tri

m h mch. Kt qu, ta có th tách mch ghép hn hp 

 mode chn
thành hai phn riêng bit cha các stub  u cui h m hình
3.5b

Hình 3.6

Xét riêng tn  mi phn gm 3 mng 2 ca
ghép liên tip nhau (hình 3.6). Hai mu và cui là ca stub  u cui h
mch, có ma trn




là:
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 19
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM





 
 
 (3.15)
, mng 2 ca  gia là mng truyu dài ,

n tr n hoá) 

 , có ma trn




là:





 




 
 (3.16)

Kt qu, ma trn




ca mode chn c suy ra t vic ghép liên tip 3 mng
2 c hình 3.6):




















 
 

 




 

 

 





 
 
 (3.17)

Dùng công thc chuyi t [ABCD] sang [S], vn hoá
theo 

c:

H s phn x ti ca 1 cho mode chn:





























 (3.18a)

H s truyn t ca 1 sang ca 2 cho mode chn:
























   (3.18b)

Hệ thống mode lẻ:
Vi mode l, ta xem rng có hai tín hic pha 

/2 và 

/2 lt
t vào ca 1 và ca 4.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Dương Thế Nhân


________________________________________________________________________________ 20
SVTH: Nguyễn Xuân Thọ, Nguyễn Anh Tuấn ĐH Bách Khoa HCM
n ca mch ghép hn hp 

phân cách nhau bi
mt mt phi xng, tn th tín hiu là trit tiêu (nt v n th
c trình bày  hình 3.7a.
Ta có th tách mch ghép hn hp 


 mode l thành hai phn riêng bit
cha các stub  u cui nc v  hình 3.7b.

Hình 3.7a


Hình 3.7b

Phân tích mi phn thành ba mng hai ca ghép liên tip nhau.