Thiết kế mạch KĐCS f=4.5g, p =2w ra 15w bộ công 4 cho công suất p =60w, z =50

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Viện Điện Tử Viễn Thông
======o0o======

Báo cáo bài tập lớn môn học kỹ thuật siêu cao tần
Đề tài: Thiết kế Mạch KĐCS f=4.5G, P =2w ra 15w bộ công 4 cho công
suất P =60w, Z =50.

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Khuyến
Nhóm sinh viên thực hiện:
Họ và tên

SHSV

Lớp

1. Nguyễn Đức Quân

20092119

ĐT 10 –K54

2. Lê Đức Phương

20092049

ĐT 09 –K54

Hà Nội 05/2014

Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

Mục lục

Phần 1: Yêu cầu đề tài .................................................................................... 2
Phần 2: Cơ sở lý thuyết ................................................................................... 2
2.1 Tính toán bộ khếch đại với hệ số khuếch đại lớn nhất. .................... 2
2.2 Tính toán bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại nhất định ..................... 6
2.3 Mạch ghép – Cộng công suất WILKINSON : ........................................ 8
2.3.1 Mode chẵn ........................................................................................ 9
2.3.2 Mode lẻ ........................................................................................... 10
Phần III :Tính toán ,thiết kế và mô phỏng mạch chia công suất trên công
cụ của ADS ..................................................................................................... 14
3.1 Tính toán và thiết kế mạch chia công suất wilkinson 1 -2 .................... 14
3.2 Tính toán và thiết kế mạch cộng công suất 4-1 ..................................... 15
Phần IV : Tính toán thiết kế mạch theo yêu cầu của đề tài ...................... 16
4.1 Tính toán thiết kế mạch khuếch đại ..................................................... 16
Phần V: Kết luận ........................................................................................... 20

1


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

Phần 1: Yêu cầu đề tài
Đề tài yêu cầu : Thiết kế Mạch KĐCS f=4.5G, P =2w ra 15w bộ công 4 cho
công suất P =60w, Z =50.
=> Như vậy, hệ số khuyếch đại tổng cổng là:
G = 10 log (Pout/Pin)
= 10 log (15/2) ≈ 8.8(dB).

Phần 2: Cơ sở lý thuyết
2.1 Tính toán bộ khếch đại với hệ số khuếch đại lớn nhất.
Xét mạng khuếch đại sử dụng transistor như hình dưới, với các tham số tán
xạ [S] cho trước ở tần số công tác, điện trở nguồn là Z S, điện trở tải ZL. Trước

2


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

hết ta cần xem xét sự ổn định của mạch để xác định xem mạch cung cấp sự
khuếch đại ổn định hay có thể dao động.

Zs
[S]

U1

E

Khối khuếch đại

Vào

Dùng transistor

U1-

U2ZL

U2

Zo

Hình 1
Ta biết hệ số phản xạ về phía tải:

L 

Z L  Z0
Z L  Z0

(1)

Hệ số phản xạ nhìn về phía nguồn:
.

(2)

Theo định nghĩa tham số S : U 2   LU 2 ta có :

U1  S11U1  S12U 2  S11U1  S12 LU 2

(3)

U 2  S21U1  S22U 2  S21U1  S22 LU 2

(4)

Từ các phương trình trên ta có :

in  S11 

S12 S21 L Zin  Z o

1  S22 L Zin  Z o

out  S22 

S12 S21 S
1  S11 S

(5)

(6)

Chia điện áp U1 thành 2 thành phần :

3


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

U1  U1  U1  U1 (1  in )  U S

Zin
Z S  Zin

(7)

Mặt khác ta có :

Zin  Z 0

1  in
1   in

(8)

Thay Γin ở (5) vào (7) và kết hợp với (8) ta tìm được U1+ :

U1 

U S 1  S
2 1   S in

(9)

Với giả thiết điện áp trên mạch là điện áp đỉnh thì công suất qua mạch là :

| U g | |1   S |2
1
2
Pin 
| U1 | (1 |  L | ) 
(1 |  S |2 )
2
2Z o
8Z o |1   S in |

(10)

Công suất ra trên tải của mạch là :

| U1 |2
PL 
(1 |  L |2 )
2Z o

(11)


Từ (4) ta tìm được U 2 thay thế vào (11) và sử dụng U1 ở biểu thức (9) ta

có :

| U1 |2 | S21 |2 (1 |  L |2 ) | U S |2 | S21 |2 (1 |  L |2 ) |1   S |2
PL 

2ZO
|1  S221 |2
8ZO |1  S22 L |2 |1   S in |2

(12)

Bộ khuếch đại công suất có hệ số khuếch đại :

PL
| S21 |2 (1 |  L |2 )

G

Pin (1 | in |)2 |1  S22 L |2

(13)

Ta có công suất lấy từ nguồn sẽ đạt cực đại bằngPSmax khi trở kháng vào phối
hợp trở kháng với trở kháng nguồn.

PS max

| U S |2 (1   S ) 2
 Pin | * 
in
S
8Z O (1 |  S |2 )

(14)

4


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

Công suất ra trên tải cũng đạt giá trị cực đại P Rmax nếu trở kháng tải được phối
hợp phức với mạch.

PR max

| U S |2 (1 | out |2 ) |1   S |2

 PL | * 
| *
L
out
8ZO |1  S22*out ||1   S in |2 L out

(15)

Từ biểu thức (5) & (6) ta có :

|1  S11 S |2 (1 | out |2 )2
|1   S in | | * 
L
out
|1  S22out |2
2

(16)

Thay vào biểu thức (15) ở trên ta có :

PR max

| U S |2
| S21 |2 |1   S |2

8ZO |1  S11 S |2 (1 | out |2 )

(17)

Độ khuếch đại công suất nhận (Độ khuếch đại công suất sau khi cả đầu vào và
đầu ra được phối hợp trở kháng với nguồn và tải) là :

PR max
| S21 |2 (1 |  S |2 )
GA 

PS max |1  S11 S |2 (1 | out |2 )

(18)

Để đơn giản trong tính toán người ta đưa ra 1 đại lượng là độ khuếch đại công
suất xuyên (Độ khuếch đại công suất khi đầu vào được phối hợp trở kháng
với nguồn).
Từ (12) và (14) Ta có độ khuếch đại công suất xuyên là :

| S21 |2 (1 |  S |2 )(1 |  L |2 )
PL
GT 

PS max
|1   S in |2 |1  S22 L |2

(19)

Trường hợp đặc biệt nếu các cửa đầu vào và ra đều phối hợp trở kháng. Khi
đó hệ số khuếch đại công suất xuyên:
GT = |S21|2

(20)

5


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

Bộ khuếch đại một tầng công suất transistor có thể được mô hình hóa như

Z0

Phối hợp

Khuếch đại
công suất
[S]
Go

Phối hợp
đầu vào
Gs

Γs

Γ in

đầu ra

Tải
Z0

GL

Γout

ΓL

sau:
Hình 2: Mô hình mạch khếch đại transistor
Mạch phối hợp đầu vào và ra biến đổi trở kháng vào và ra thành trở kháng
nguồn ZL và ZS. Có thể sử dụng độ khuếch đại công suất xuyên khi không
phối hợp giữa tải và nguồn. Ta định nghĩa độ khuếch đại tại đầu vào (nguồn)
của mạch phối hợp. Độ khuếch đại của bản thân transistor và độ khuếch đại
đầu ra (tải ) của mạch phối hợp:

GT = |S21|2
Hệ số khuếch đai toàn bộ: GTmax = Go + GL + Gs.
2.2 Tính toán bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại nhất định
Để có được hệ số khuếch đại như mong muốn thì ta cần tính toán để có
thể giảm Gs và GL. Phương pháp thiết kế là đánh dấu các đường tròn có độ
khuếch đại cố định cho giá trị Gs và GL đã chọn cố định.

6


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

Trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua |S12| vì rất nhỏ để cho tính toán
được đơn giản. Ta có

Các bộ khuếch đại trên đạt cực đại khi:

Ta định nghĩa hệ số khuếch đại chuẩn hóa:

Ta thấy 0 ≤ gs ≤ 1 ; 0 ≤ gL ≤ 1
Với giá trị cố định của gs và gL là một đường tròn trên mặt phẳng Γ s và ΓL.
Để biểu thị điều này ta xét:
gs|1 – S11. ΓS|2 = (1 - |ΓS|2)(1 - |S11|2).
gs |S11|2 + 1 - |S11|2)|Γs|2 – gs (S11Γs + S11* Γs *) = 1- |S11|2 – gs
Tâm đường tròn có Gs và GL là hằng số:
Cs = gsS11 /(1- (1 - gs)|S11|2).

(21)

CL = gL S22* /(1- (1 – gL)|S22|2)).

(22)

Bán kính:
(23)

7


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

(24)
Với việc xác định hai đường tròn này cho ta hệ số khuếch đại nhất định tại
đầu vào và đầu ra. Ta chọn được các hệ số ΓS và ΓL như mong muốn .
Việc lựa chọn ΓS và ΓL không phải là duy nhất , ta thường chọn điểm thích
hợp nằm gần tâm đồ thị Smith để tối thiều hóa việc không phối hợp và đạt

được dải thông lớn nhất.
2.3 Mạch ghép – Cộng công suất WILKINSON :
Hình 3 biểu diễn mạch ghép công suất Wilkinson :
Cửa 1
R0

l/4

Vin1

Cửa 3
R
R0

Ra

R0
Cửa 2

Vin2

Hình 3 : Sơ đồ mạch ghép và chia công suất Wilkinson với nguồn tại cửa 1 và
2
Chiều dài mỗi nhánh được thiết kế là l/4, do đó mạch ghép – chia công suất
Wilkinson chỉ hoạt động ứng với một tần số nhất định.
Mạch này có thể được sử dụng để chia công suất từ cửa 3 qua cửa 1 và 2,
ghép công suất từ cửa 1 và 2 ra cửa 3.
Cửa 1 và 2 có tính đối xứng. Do đó : S13 = S31 = S23 = S32
Mạch phối hợp trở kháng đồng thời tại 3 cửa với điện trở chuẩn R0. Do đó,
S11 = S22 = S33 = 0.

Như vậy :

8


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

S11 S12 S13

0

S12 S13

[S] = S21 S22 S23 = S12 0 S13
S31 S32 S33

S13 S13 0

Phân tích mạch hình 3 thành 2 mode : mode chẵn và mode lẻ

R0

l/4

Ra

Vin1 -Vin2

+

R
R0

R0

l/4

Vin1+Vin2

R0

2

R
R0

2

Ra

R0

-(Vin1-Vin2)

Even mode
(Common mode)

Odd mode
(Differential mode)

2

Hình 4 : Mạch ghép – chia công suất Wilkinson được chia thành 2 mode

2.3.1 Mode chẵn
Vì nguồn nối vào cửa 1 và 2 có giá trị bằng nhau (Vin1 + Vin2)/2 nên dòng điện
qua điện trở R bằng 0, do đo hở mạch đoạn nối giữa cửa 1 và 2 thông qua R.
Khi đó, Mode chẵn được chia thành 2 thành phần độc lập nhau như hình 5.
l/4
Cửa 3
2R0

Ra

Cửa 1
V1 R0

Vin1+Vin2
R/2

2

V3
Hở mạch Hở mạch Rine1

Hình 5 : Mode chẵn được chia thành 2 thành phần độc lập nhau
Trở kháng nhìn vào cửa 1 :
Rine1  Ra

2 R0  jR a tg ( 

l

)
2
4  Ra
l
2 R0
Ra  j 2 R0 tg (  )
4

( vì  

2

l

: hệ số pha

[rad/m] )
9


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

Để phối hợp trở kháng tại cửa 1 : Rine1 = R0  Ra  R0 2
Để tính S13(hoặc S31), ta phải tính V1 và V3, từ đó suy ra

V3
.

V1

Quan sát đường truyền sóng không tổn hao trên Ra, ta có biểu thức điện thế tại
điểm x bất kỳ :
V ( x)  Ve jx  Ve jx

Chọn x = 0 tại cửa 1. Khi đó hệ số phản xạ tại điểm tải 2R0 tại cửa 3 :
(l ) 

2 R0  Ra 2  2

2 R0  Ra 2  2

Ta có :
 j

l

V
V e 4  V e
S 31  3  
V1
V   V

j

l
4



 j (V  V )  jV  (1  )  j


V   V
V (1  )
2

Do tính đối xứng của mạch ta cũng suy ra S22 = 0 và S23 = S32 = S13 = S31 =
j
2

2.3.2 Mode lẻ
Vì nguồn nối vào cửa 1 và 2 là đối nhau, và do tính đối xứng của mạch chia
công suất Wilkinson nên ta có thể xem như mode lẻ gồm 2 phần đối xứng
nhau qua điểm đất.

l/4
Cửa 3
2R0

Ra

Cửa 1
R0

Vin1 -Vin2
2

R/2

Rino1

Hình 6 : Mode lẻ được chia thành 2 thành phần độc lập nhau

10


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

Đoạn truyền sóng l/4 có cửa 3 nối đất nên trở kháng đầu vào của đường
truyền tại cửa 1 là hở mạch. Do đó Rino1= R/2.
Để phối hợp trở kháng tại cửa 1(S11 = 0) : Rino1 = R0  R = 2R0
Tương tự, đối với cửa 2 ta cũng có S22 = S11 = 0
Ngoài ra, ta cũng nhận thấy rằng cửa 1 và cửa 2 luôn luôn được cách ly nhau
tại cả 2 mode chẵn và lẻ do cấu trúc hở mạch hoặc nối đất của mạch phẳng
đối xứng của mạch. Do đó :
S12 = S21 = 0

Hệ số còn lại cần tìm là S33, là hệ số phản xạ nhìn vào cửa 3 khi cửa 1 và 2
được gắn tải trở phối hợp R0.

l/4

Cửa 1
R0

Cửa 3

Vin3

R0

R
Ra

R0
Cửa 2

Hình 7 : Sơ đồ mạch ghép và chia công suất Wilkinson với nguồn tại cửa 3
Do tính đối xứng giữa cửa 1 và 2, khi đặt nguồn vào cửa 3 thì tín hiệu ra tại
cửa 1 và 2 là giống nhau, nên điện trở R = 2R0 nối giữa cửa 1 và 2 bị hở
mạch.
l/4
Cửa 3

Vin3

R0
Rin

Cửa 1
R0
Hở mạch

Ra

R0
Cửa 2

Hình 8 : Sơ đồ mạch ghép và chia công suất Wilkinson với nguồn tại cửa 3 (R

bị hở mạch)

11


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

Vì đường truyền phần tư bước sóng nên điện trở nhìn vào mỗi đường khi
đứng tại cửa 3 là :
Rin1 = Rin2 = Ra/R0 = 2R0
Suy ra điện trở nhìn vào cửa 3 : Rin = R0  S33 = 0 (phối hợp trở kháng tại
cửa 3).
Từ các phân tích ở trên, ta có thể viết ma trận tán xạ [S] của mạch chia công
suất Wilkinson như sau :
0
[S] =

0
 j/ 2

0

 j/ 2

0

 j/ 2

 j/ 2

0

0 0 1
=

j
2

0 0

1

1 1 0

Nhận xét :
 [S] đối xứng qua đường chéo
 Phối hợp trở kháng tại các cửa
 Không thỏa mãn điều kiện Kronecker. Do đó có tổn hao.
Chú ý :
 Khi dùng để ghép công suất từ cửa 1 và 2 đến cửa 3, chỉ có thành phần
mode lẻ bị tiêu tán công suất trên điện trở R = 2R0. Còn thành phần tín hiệu
trên mode chẵn không bị tiêu hao công suất.
 Khi dùng để chia công suất 3dB từ cửa 3 đến cửa 1 và 2 đều được PHTK
thì tín hiệu không bị tiêu hao công suất. Chỉ khi cửa 1 và 2 không được PHTK
thì sẽ gây sóng phản xạ tại 2 cửa này và tín hiệu bị tiêu hao công suất trên
điện trở R = 2R0.

12

Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

 Các đặc tính phân chia công suất và phối hợp trở kháng của mạch
Wilkinson chỉ đúng tại một tần số hoạt động f0 định trước (do chiều dài mỗi
đường là l/4 tại f0). Tại các tần số khác, các đặc tính này, nhất là sự phối hợp
trở kháng tại các cửa, đều thay đổi.

13


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

Phần III :Tính toán ,thiết kế và mô phỏng
mạch chia công suất trên công cụ của ADS
3.1 Tính toán và thiết kế mạch chia công suất wilkinson 1 -2
l/4

Cửa 1
R0

Cửa 3

Vin3

R0

R
Ra

R0

Cửa 2

+Với P0 là công suất đầu vào của mạch;
+P1 và p2 lần lượt là công suất đầu ra của bộ chia.
-Theo yêu cầu bài toán ta có : p1 = ½ p0;
P2 = ½ P0;
Ma trận tán xạ của mạch chia 1 -2 khi đó sẽ có dạng;

Với Ro =50 ohm,
+Kích thước đường vi dải tương ứng với Ro,tần số 4.5 Ghz theo công thức
(5.159 ktsct)
W=3.08467mm;
L = 31.4778mm;
Tại thành phần Z =70.7 và độ dài lamda/4 ta có kích thước vi dải tương ứng:
W=1.6355mm;
L=lamda(g)/4=7.88357mm;

14


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

3.2 Tính toán và thiết kế mạch cộng công suất 4-1
Ta có ma trân tán xạ của mạch cộng công suất 4-1với mức công suất đều nhau
Pi =4P0;
Sơ đồ mô phỏng mạch chia công suất trên ADS.

Hình 9: Mạch cộng công suất 4-1

15

Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

Phần IV : Tính toán thiết kế mạch theo
yêu cầu của đề tài
4.1 Tính toán thiết kế mạch khuếch đại
Yêu cầu: Pin = 2W, Pout = 15W, tần số f = 4.5GHz
=> hệ số khuếch đại tổng cộng G = 10 log(15/2) ≈ 8.8(dB).
Lựa chọn linh kiện: Với yêu cầu về độ khuếch đại như trên, nhóm chúng em
đã tìm hiểu và quyết định sử dụng transistor trường CGH40010 10W, RF
power GaN HEMT làm bộ khuếch đại chính, với các tham số của ma trận tán
xạ ở 4,5 GHz (tại VDS = 28V, IDset = 500mA) là:
Tần số

S11

S21

S12

S22

(Ghz)
0.899 131.40 2.33

4.5

1.99

0.016

-24.780

0.489

175.30

 Tính toán:
Ta có

= 1 /(1 – 0.8992) = 5.2 = 7.16 dB

= 1/( 1 – 0.4892) =1.3= 1.4 dB
G0 = |S21|2 = 2.332 = 5.4 = 7.3 dB.
Độ khuếch đại xuyên đơn hướng:
16


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

GTU = 7.16+1.4+7.3 = 15.86 dB
Ta thấy độ khuếch đại lớn hơn mong muốn là 7.06 dB
Ta lựa chọn Gs =1,5dB
GL = 0 dB
G0 = 7.3 dB.
Sử dụng công thức (21), (22), (23), (24) ta tính các số liệu của đường tròn
có độ khuếch đại cố định trên đồ thị Smith:
gs = Gs/ Gsmax = 0.252
gl = Gl / Glmax = 0.769

Cs = 0,252. 0.899∟131.4o / ( 1 – (1 – 0,252) . 0,8992) = 0.573∟131.4o
Rs = 0.42
CL = 0,769. 0,489∟175,3o /(1 – (1 – 0,769). 0,4892) = 0,398∟175,3o
RL = 0.387

Lần lượt dựng các đường tròn tâm (CS ;RS) và (CL ; RL) ta sẽ xác định được:
ΓS = 0,153∟131.4o
ΓL =0,011∟175.3o

 Phối hợp đầu vào phía nguồn.
Sử dụng phương pháp dây chêm song song hở mạch, ta có:
Γin = Γs* = 0,153∟131.4o
Từ Γin ta xác định được Zin , trên đường tròn có Γ = const, ta xác định
điểm dẫn nạp Yt = Yin bằng cách lấy đối xứng với Zin qua tâm đường
tròn,từ Yt quay theo chiều kim đồng hồ tới vị trí cắt đường tròn có r = 1

17


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

tại điểm 1 – j0,3. Vậy ta tính được chiều dài từ đầu vào transistor tới
điểm mắc dây chêm song song hở mạch là 0,138ƛ . Để triệt tiêu phần
điện kháng – j0,3 cần mắc thêm dây chêm hở mạch song song có giá trị
j0,3. Chiều dài dây chêm là 0,18ƛ
 Phối hợp đầu ra về phía tải.
Γout = ΓL* = 0.011∟175,3o
Tương tự, ta tính được
Gs = 1.5 dB gs = 0,252 Cs = 0,573 / 131.4o Rs = 0,42
GL = 0 dB gL = 0,769 CL = 0.398 / 175o RL = 0.387

Trên các đường tròn này, ta chọn Γs và ΓL để giảm khoảng cách tới tâm
đồ thị. ( các vị trí Γs và ΓL này nằm trên bán kính tại 131.4º và 175º). Vậy Γs
= 0,153/ 131.4º và ΓL = 0,011 / 175º và mạch ghép được thiết kế với dây
chêm song song, như hình 5.
Ngoài ra, để có VDS = 28V, ID = 500mA, ta tính toán được chế độ một
chiều để cấp thiên áp cho transistor với các giá trị điện trở như sau:
R2 = 67 Ohm
R1 = 650 Ohm
R3 = 100 Ohm.
Như vậy, ta có sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại yêu cầu như sau:

18


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

0,18ƛ

0,138ƛ

Hình 10: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại
Nhóm chúng em sử dụng sơ đồ sau để mô phỏng mạch khuếch đại

19


Báo cáo bài tập lớn môn kỹ thuật siêu cao tần

Phần V: Kết luận
Trên đây là toàn bộ những gì nhóm chúng em đã tìm hiểu và tính toán được

các thông số cho đề tài bài tập lớn của chúng em. Hiện tại chúng em vẫn chưa
thể mô phỏng được mạch trên phần mềm. Chúng em sẽ cố gắng hết sức để có
thể mô phỏng được mạch để có thể trình bày trong buổi báo cáo cuối cùng
vào tuần tới. Kính mong thầy giáo xem xét và cho chúng e những nhận xét,
đánh giá để chúng em có thể hoàn thành bài tập lớn của mình.
Chúng em xin chân thành cám ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện.

20