Thu gọn kích thước và cải thiện băng thông mạch wilkinson

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN LONG ĐIỀN

THU GỌN KÍCH THƯỚC VÀ CẢI THIỆN
BĂNG THÔNG MẠCH WILKINSON

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S K C0 0 3 6 1 1

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN LONG ĐIỀN

THU GỌN KÍCH THƯỚC VÀ CẢI THIỆN BĂNG THÔNG
MẠCH WILKINSON

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN LONG ĐIỀN

THU GỌN KÍCH THƯỚC VÀ CẢI THIỆN BĂNG THÔNG
MẠCH WILKINSON

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270
Hướng dẫn khoa học:
TS. PHAN HỒNG DƯƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2012


Lời cam đoan

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 09 năm 2012

Trần Long Điền

i

Lời cảm ơn
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay học viên đã hoàn thành đề
tài tốt nghiệp cao học của mình. Để có được thành quả này, học viên đã nhận được
rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè.
Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phan Hồng Phương,
người đã tận tình và trực tiếp hướng dẫn học viên thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên những kiến thức rất bổ ích, quý
báu để học viên tiến hành nghiên cứu đề tài này. Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn
quí Thầy, Cô Trường Trung Cấp Kinh Tế Kỹ Thuật Long An đã tạo điều kiện thuận
lợi và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời
gian làm luận văn.
Và xin gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã giúp đỡ cho học viên
rất nhiều, đã tạo cho học viên niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!

ii


Mục Lục
Trang
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học
Lời cam đoan .............................................................................................................. i
Lời cảm ơn ................................................................................................................. ii
Mục Lục .................................................................................................................... iii
Tóm tắt luận văn ....................................................................................................... vi
Danh sách các hình................................................................................................ viii

Danh sách các bảng ................................................................................................ xiv
Danh sách các chữ viết tắt ....................................................................................... xv
Chương 1 Tổng quan ................................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................1
1.2. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu...........................................................2
1.3. Mục tiêu và giới hạn của đề tài ...........................................................................9
1.4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................10
1.5. Nội dung luận văn .............................................................................................10
Chương 2 Cơ sở lý thuyết ......................................................................................12
2.1. Lý thuyết đường truyền vi dải và ứng dụng của đường truyền cộng hưởng ....12
2.1.1. Cấu trúc đường vi dải đơn .......................................................................12
2.1.2 Ứng dụng của đường truyền cộng hưởng ................................................14

iii


2.2. Mạch Wilkinson ................................................................................................19
2.2.1 Mô hình và cấu trúc mạch Wilkinson .......................................................19
2.2.2 Ma trận tán xạ [S] mạch Wilkinson .........................................................19
2.2.3 Nguyên lý hoạt động .................................................................................24
2.2.4 Ưu khuyết điểm của mạch ........................................................................24
2.2.5 Ứng dụng thực tế ......................................................................................25
Chương 3 Thiết kế và mô phỏng cải tiến kích thước mạch Wilkinson ................26
3.1. Giới thiệu sơ lược về mạch Wilkinson truyền thống ........................................26
3.2. Thiết kế và mô phỏng mạch Wilkinson truyền thống.......................................27
3.2.1 Phần mềm hỗ trợ và yêu cầu ....................................................................27
3.2.2 Các bước thiết kế và mô phỏng ................................................................28
3.3. Thiết kế và mô phỏng mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật ............................30
3.3.1 Cơ sở lý thuyết của việc rút gọn chiều dài ...............................................30
3.3.2 Phần mềm hỗ trợ và yêu cầu ....................................................................33

3.3.3 Các bước thiết kế và mô phỏng ................................................................34
3.4. Thiết kế và mô phỏng mạch Wilkinson dùng delta stub ..................................36
3.4.1 Chứng minh sự tương đương giữa delta stub với stub chữ nhật ..............36
3.4.2 Phần mềm hỗ trợ và yêu cầu ....................................................................39
3.4.3 Các bước thiết kế và mô phỏng ................................................................39
3.5. So sánh các thông số ma trận tán xạ của mạch Wilkinson ...............................41
Chương 4 Thiết kế và mô phỏng cải tiến băng thông mạch Wilkinson ...............47
4.1. Cơ sở lý thuyết ..................................................................................................47
4.1.1 Phân tích mode chẵn, mode lẻ .................................................................48

iv


4.1.2 Tính toán các tham số của ma trận tán xạ ...............................................50
4.1.3 Thiết kế thực nghiệm và các trường hợp đặc biệt ....................................51
4.2. Phần mềm hỗ trợ và yêu cầu .............................................................................55
4.3. Các bước thiết kế và mô phỏng ........................................................................56
4.3.1 Tính toán thiết kế và mô phỏng ................................................................56
4.3.2 Kết quả mô phỏng ....................................................................................56
4.3.3 Nhận xét ..................................................................................................57
Chương 5 Thi công, đo đạc và đánh giá ................................................................60
5.1. Thi công ............................................................................................................60
5.2. Đo đạc ...............................................................................................................61
5.2.1 So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng mạch Wilkinson truyền thống .......64
5.2.2 So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng Mạch Wilkinson dùng stub chữ
nhật

..................................................................................................................65

5.2.3 So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng mạch Wilkinson dùng delta stub ...66

5.3. So sánh kết quả đo đạc và mô phỏng mạch Wilkinson ghép hai tầng ..............70
5.4 Đánh giá ............................................................................................................72
Chương 6 Kết luận và hướng phát triển của đề tài ...............................................73
6.1. Kết luận .............................................................................................................73
6.1.1. Các kết quả đã đạt được trong đề tài .......................................................73
6.1.2. Hạn chế ....................................................................................................73
6.2. Hướng phát triển của đề tài ...............................................................................74
Tài liệu tham khảo ...................................................................................................75

v


Tóm tắt luận văn

Luận văn này mô tả phương pháp cải tiến để thiết kế mạch chia công suất
Wilkinson. Mạch Wilkinson tồn tại hai vấn đề chính cần nghiên cứu đó là rút gọn
kích thước và tăng băng thông của mạch.
Việc cải tiến kích thước dựa trên sự rút ngắn chiều dài của đường truyền vi dải khi
sử dụng stub và delta stub (tại tần số f0=2.4GHz) mà vẫn đáp ứng được tần số mong
muốn. Luận văn cũng đưa ra phương pháp để mở rộng băng thông của bộ chia công
suất hoạt động ở hai tần số f1=1.5GHz; f2=3.3GHz. Các mạch được thiết kế và tối
ưu bằng phần mềm CST, sau đó được chế tạo sử dụng dải dẫn đồng với chất nền
FR4 có hằng số điện môi 4.6 bằng phương pháp ăn mòn mạch in, rồi được đo đạc
bằng máy ZVB8 Vector Network Analyzer và được so sánh với kết quả mô phỏng.
Các kết quả mô phỏng và đo đạc cũng như các cải tiến phát triển được mô tả chi
tiết trong luận văn.

vi

Abstract
This thesis describes an improved methodology for designed Wilkinson power
divider. Wilkinson power divider has two key issues for study: reducing size and
increasing bandwidth of the divider.
The improvements based on shortening length of the microstrip line using the stub
and delta stub (at frequency f0=2.4GHz) that was maintained frequency response.
This thesis also provides a method for bandwidth extension of the power divider (3dB) operating both 1.5GHz and 3.3 GHz. These dividers were designed and
optimized using CST Microwave studio software, then fabricated using copper
microstrip lines with a FR4 substrate (dielectric constant εr=4.6) by etching printed
circuit boards, then measured with a Vector Network Analyzer ZVB8 and these
experimental results were compared to the CST simulation.
The results of simulation and measurement as well as the details of these
development improvements are described.
.

vii


Danh sách các hình

Hình 1.1: Mô hình và bản phác thảo của mạch Wilkinson truyền thống....................2
Hình 1.2: Bộ ghép với cấu trúc đồng trục cân bằng và mạch tương đương ...............3
Hình 1. 3: Đáp ứng bộ ghép công suất với cấu trúc đồng trục cân bằng ....................3
Hình 1. 4: Mạch thực tế cùng kết quả đo và mô phỏng của S11, S21, S31 ....................4
Hình 1. 5: Thiết kế Wilkinson mới theo đề xuất của Stephen Horst ..........................5
Hình 1. 6: Mạch rút gọn dạng đối xứng – tất cả các trở kháng đã được chuẩn hóa ...5
Hình 1. 7: Mạch tương đương của một mạch tích hợp ...............................................5
Hình 1. 8: Mạch chia sử dụng tapped line ..................................................................6
Hình 1. 9: Các kết quả mô phỏng ................................................................................6
Hình 1. 10: Mạch đề xuất của B. Zhou .......................................................................7

Hình 1. 11: Thi công thực tế của mạch sử dụng delta stub .........................................7
Hình 1. 12: Các kết quả mô phỏng ..............................................................................7
Hình 1. 13: Mạch thi công thực tế..............................................................................8
Hình 1. 14: Kết quả mô phỏng các tham số S .............................................................8
Hình 1. 15: Mạch thiết kế bằng phần mềm ADS ........................................................9
Hình 1. 16: Tham số S21 của mạch thiết kế ở hai dải tần số .......................................9

Hình 2. 1: Cấu trúc đường vi dải đơn........................................................................12
Hình 2. 2: Đường truyền  / 4 .................................................................................17
Hình 2. 3: Mạch chia công suất Wilkinson ...............................................................19

viii


Hình 2. 4: Mạch tương đương của mạch chia công suất Wilkinson .........................19
Hình 2. 5: Mạch tương đương Wilkinson để phân tích mode chẵn, lẻ .....................20
Hình 2. 6: Phân tích mode chẵn ................................................................................20
Hình 2. 7: Phân tích mode lẻ .....................................................................................22
Hình 2. 8: Mạch gắn tải phối hợp ở cửa 1,2 và nguồn tín hiệu ở cửa 3 ....................23
Hình 2. 9: Hở mạch điện trở nối đất giữa cửa 1 và 2 ................................................23
Hình 2. 10: Mặt trước - ứng dụng của mạch Wilkinson trong antenna dãy 64 thành
phần ...........................................................................................................................25
Hình 2. 11: Mặt sau - mạch Wilkinson trong antenna dãy 64 thành phần ................25

Hình 3. 1: Tính toán vi dải với công cụ linecal .........................................................28
Hình 3. 2: Kích thước mạch Wilkinson truyền thống sau khi cân chỉnh ..................28
Hình 3. 3: Kết quả mô phỏng mạch Wilkinson truyền thống ...................................29
Hình 3. 4: Đường truyền

 / 4 cần rút gọn ...............................................................30

Hình 3. 5: Vi dải sau khi rút gọn ..............................................................................30
Hình 3. 6: Phân tích mode lẻ của đường truyền

 / 4 .............................................30

Hình 3. 7: Mạch tương đương khi phân tích mode lẻ ...............................................31
Hình 3. 8: Đường truyền với tải ZL ...........................................................................31
Hình 3. 9: Mạch tương đương khi phân tích mode chẵn ..........................................32
Hình 3. 10: Tụ điện với mạch vi dải tương đương ....................................................33
Hình 3. 11: Rút ngắn đường truyền  / 4 bằng cách dùng tụ điện ...........................34
Hình 3. 12: Tụ điện tương đương với vi dải .............................................................34
Hình 3. 13: Mô hình tương đương của đường truyền  / 4 khi dùng stub chữ nhật 34

ix


Hình 3. 14: Kích thước mạch Wilkinson sử dụng stub chữ nhật sau khi tối ưu ......35
Hình 3 .15: Kết quả mô phỏng mạch Wilkinson sử dụng stub chữ nhật ..................35
Hình 3. 16: Mô hình mạch Wilkinson sử dụng delta stub ........................................37
Hình 3. 17: Hình dạng của delta stub ........................................................................37
Hình 3. 18: Mạch tương đương của delta stub ..........................................................37
Hình 3. 19: Kích thước mạch Wilkinson sử dụng delta stub sau khi tối ưu ............39
Hình 3. 20: Kết quả mô phỏng mạch Wilkinson sử dụng delta stub ........................40
Hình 3. 21: Hệ số phản xạ S11 ...................................................................................42
Hình 3. 22: Hệ số truyền đạt S21=S31 ........................................................................43
Hình 3. 23: Hệ số cách ly S23=S32 .............................................................................43
Hình 3. 24: Hệ số phản xạ S22=S33 ............................................................................43
Hình 3. 25: Hệ số VSWR ..........................................................................................44
Hình 3. 26: Mạch Wilkinson truyền thống với chất nền FR4 có εr=4.5 ...................44

Hình 3. 27: Mạch Wilkinson truyền thống với chất nền FR4 có εr=4.6 ...................44
Hình 3. 28: Mạch Wilkinson truyền thống với chất nền FR4 có εr=4.7 ...................45
Hình 3. 29: Mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật với chất nền FR4 có εr=4.5 .........45
Hình 3. 30: Mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật với chất nền FR4 có εr=4.6 .........45
Hình 3. 31: Mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật với chất nền FR4 có εr=4.7 .........45
Hình 3. 32: Mạch Wilkinson dùng delta stub với chất nền FR4 có εr=4.5 ...............46
Hình 3. 33: Mạch Wilkinson dùng delta stub với chất nền FR4 có εr=4.6 ...............46
Hình 3. 34: Mạch Wilkinson dùng delta stub với chất nền FR4 có εr=4.7 ...............46

Hình 4. 1: Mạch ghép tầng bộ chia công suất Wilkinson băng kép..........................47

x


Hình 4. 2: Phân tích mạch chia công suất dạng (a) mode chẵn (b) mode lẻ .............48
Hình 4. 3: Mạch thiết kế thực nghiệm đã đơn giản hóa ............................................52
Hình 4. 4: Mạch ghép tầng với trường hợp θ=0.25π; Z1e=Z2e; Z1o=Z2o=Z0 .............52
Hình 4. 5: Mạch ghép tầng với trường hợp Z0=1; Z2o=Z1o tan 2   .........................53
Hình 4. 6: Mạch ghép tầng với trường hợp Z0=1; Z1o=Z1e=Za; Z2e=Zbe; Z2o=Zbo và
3
Zbo
 Za Zbo2  cot 2 Zbo  Z a  0 .....................................................................................54

Hình 4. 7: Mạch ghép tầng với trường hợp Z1o=Z1e=Z1; Z2o=Z2e=Z2 ......................54
Hình 4. 8: Mạch Wilkinson hoạt động tại hai tần số f 1 =1.5GHz và f 2 =3.3GHz sau
khi tinh chỉnh.............................................................................................................56
Hình 4. 9: Kết quả mô phỏng mạch Wilkinson hai tầng ...........................................56
Hình 4. 10: Các tham số tán xạ của mạch Wilkinson hai tầng với f 1 =1.5GHz ......57
Hình 4. 11: Các tham số tán xạ của mạch Wilkinson hai tầng với f 2 =3.3GHz ......58
Hình 4. 12: Hệ số VSWR của mạch Wilkinson hai tầng với f1=1.5GHz .................58

Hình 4. 13: Hệ số VSWR của mạch Wilkinson hai tầng với f2=3.3GHz .................58
Hình 4. 14: Mạch Wilkinson ghép hai tầng với chất nền FR4 có εr=4.5 ..................59
Hình 4. 15: Mạch Wilkinson ghép hai tầng với chất nền FR4 có εr=4.6 ..................59
Hình 4. 16: Mạch Wilkinson ghép hai tầng với chất nền FR4 có εr=4.7 ..................59

Hình 5. 1: Thi công thực tế mạch Wilkinson truyền thống .......................................60
Hình 5. 2: Thi công thực tế mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật ............................60
Hình 5. 3: Thi công thực tế mạch Wilkinson dùng delta stub ..................................60
Hình 5. 4: Thi công thực tế mạch Wilkinson ghép hai tầng .....................................61
Hình 5. 5: Máy đo Rohde and Schwarz ZVB8 .........................................................61

xi


Hình 5. 6: Các đại lượng đo được của máy Rohde and Schwarz ZVB8 ..................62
Hình 5. 7: Sơ đồ kết nối để đo đạc mạch Wilkinson truyền thống ...........................64
Hình 5. 8: So sánh hệ số phản xạ S11 của mạch Wilkinson truyền thống .................64
Hình 5. 9: So sánh hệ số truyền đạt S21 của mạch Wilkinson truyền thống .............64
Hình 5. 10: So sánh hệ số cách ly S32 của mạch Wilkinson truyền thống ...............64
Hình 5. 11: So sánh hệ số phản xạ S22 của mạch Wilkinson truyền thống ...............65
Hình 5. 12: Sơ đồ kết nối để đo đạc mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật ...............65
Hình 5. 13: So sánh hệ số phản xạ S11 của mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật .....65
Hình 5. 14: So sánh hệ số truyền đạt S21 của mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật 65
Hình 5. 15: So sánh hệ số cách ly S32 của mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật ......66
Hình 5. 16: So sánh hệ số phản xạ S22 của mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật .....66
Hình 5. 17: Sơ đồ kết nối để đo đạc mạch Wilkinson dùng delta stub .....................66
Hình 5. 18: So sánh hệ số phản xạ S11 của mạch Wilkinson dùng delta stub ...........66
Hình 5. 19: So sánh hệ số truyền đạt S21 của mạch Wilkinson dùng delta stub ......67
Hình 5. 20: So sánh hệ số cách ly S32 của mạch Wilkinson dùng delta stub ...........67
Hình 5. 21: So sánh hệ số phản xạ S22 của mạch Wilkinson dùng delta stub ...........67

Hình 5. 22: Hệ số phản xạ S11 ...................................................................................69
Hình 5. 23: Hệ số truyền đạt S21 = S12 = S13 = S31 ....................................................69
Hình 5. 24: Hệ số cách ly S32 = S23 ...........................................................................69
Hình 5. 25: Hệ số phản xạ S22 = S33 ..........................................................................70
Hình 5. 26: Sơ đồ kết nối để đo đạc mạch Wilkinson ghép hai tầng ........................70
Hình 5. 27: So sánh hệ số phản xạ S11 của mạch Wilkinson ghép hai tầng ..............70
Hình 5. 28: So sánh hệ số truyền đạt S21 của mạch Wilkinson ghép hai tầng .........71

xii


Hình 5. 29: So sánh hệ số cách ly S32 của mạch Wilkinson ghép hai tầng ..............71
Hình 5. 30: So sánh hệ số phản xạ S22 của mạch Wilkinson ghép hai tầng ..............71

xiii


Danh sách các bảng

Bảng 1. Các thông số ma trận tán xạ của mạch Wilkinson truyền thống ................29
Bảng 2. Các thông số ma trận tán xạ của mạch Wilkinson dùng stub chữ nhật ......36
Bảng 3. Các thông số ma trận tán xạ của mạch Wilkinson sử dụng delta stub .......40
Bảng 4. So sánh các thông số ma trận tán xạ của mạch Wilkinson một tầng ..........41
Bảng 5. Các thông số ma trận tán xạ của mạch Wilkinson hai tầng ........................57
Bảng 6. Bảng các loại hiệu chỉnh của máy ZVB8 ...................................................62
Bảng 7. Bảng so sánh các tham số tán xạ của mạch Wilkinson một tầng ...............68
Bảng 8. Bảng so sánh các tham số tán xạ của mạch Wilkinson ghép hai tầng ........72

xiv

Danh sách các chữ viết tắt
ADS:

Advanced Design System

CST:

Computer Simulation Technology

DCS:

Digital Communication System

GSM:

Global System for Mobile Communications

GPS:

Global Positioning System

PCS:

Personal Communication Services

TEM:

Transverse ElectroMagnetic

UMTS:

Universal Mobile Telecommunications System

VSWR:

Voltage Standing Wave Ratio

WLAN:

Wireless Local Area Network

xv


1. Tổng quan

Chương 1

Tổng quan
1.1. Đặt vấn đề
Trong xu hướng bùng nổ của kỹ thuật viễn thông trên thế giới, nhất là các kỹ thuật
mới về thông tin vệ tinh, vi ba, quang học,… và siêu cao tần là vấn đề cơ sở rất
quan trọng để các nhà nghiên cứu: phân tích, thiết kế các thiết bị hoặc khảo sát các
hiện tượng ghép nối và đặc tính chọn lọc theo tần số của các thiết bị hoạt động ở tần
số siêu cao, đồng thời cũng là công cụ đắc lực hỗ trợ cho việc nghiên cứu sâu về
linh kiện và mạch, nhất là công nghệ vi mạch siêu cao tần.
Trong các hệ thống viba, mạch chia (hoặc kết hợp)_coupler là một trong những
thành phần quan trọng. Mạch coupler dùng để chia một tín hiệu thành nhiều tín hiệu
khác có năng lượng yếu hơn, hoặc kết hợp nhiều tín hiệu thành một tín hiệu có năng

lượng lớn hơn. Người ta thường sử dụng các coupler trong hệ thống thu vệ tinh
hoặc trong các hệ thống của máy dao động ký quang điện tử…
Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của các chuẩn thông tin di động,
dẫn đến nhu cầu lớn về việc thiết kế các thiết bị vừa có kích thước nhỏ vừa có băng
thông rộng và có thể làm việc ở các chuẩn thông tin GSM khác nhau, gồm có:
GSM850 (824-894MHz), GSM900 (880-956MHz), GPS (1564 – 1583MHz), DCS
(1710-1880MHz), PCS (1850-1990MHz), UMTS (1920- 2170MHz), WLAN (24002484MHz)…. Các yêu cầu này là động lực cho việc nghiên cứu mạch ghép và chia
công suất. Tuy nhiên, chúng ta biết rằng một mạch có kích thước nhỏ thì băng
thông không thể rộng, và ngược lại. Do đó, chúng ta phải hài hòa theo mục đích
thiết kế để có được mạch tương đối nhỏ và băng thông tương đối rộng. Một phương
pháp khác là dùng loại vật liệu đặc biệt hoặc nghiên cứu để tìm ra cấu trúc đặc
biệt, tuy nhiên phương pháp này cũng có một số khó khăn trong quá trình mô
phỏng và chế tạo.

1


1. Tổng quan
Xuất phát từ thực tiễn này, đề tài tập trung vào phân tích, thiết kế, cải tiến và mô
phỏng mạch Wilkinson vì tính ứng dụng cao của nó trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật.
Học viên dựa trên ý tưởng của mạch Wilkinson truyền thống [1] để thực hiện. Do
kích thước của mạch Wilkinson truyền thống còn lớn, khó tích hợp vào những thiết
bị yêu cầu kích thước nhỏ gọn và băng thông của mạch còn hẹp. Nên trong quá
trình thực hiện học viên đã đề ra các ý tưởng để nâng cao chất lượng mạch
Wilkinson như: làm tăng băng thông của mạch, cải tiến kiểu dáng của mạch nhằm
làm tăng hệ số cách ly giữa hai cổng ra, rút gọn kích thước của mạch và đặc biệt là
có thể thi công được trong điều kiện hiện tại ở Việt Nam. Vì vậy học viên đã lựa
chọn đề tài của mình là “Thu gọn kích thước và cải thiện băng thông mạch
Wilkinson”.
Mô hình và bản phác thảo của mạch Wilkinson truyền thống được thể hiện trên Hình

1.1.

Hình 1.1: Mô hình và bản phác thảo của mạch Wilkinson truyền thống
1.2. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Bộ ghép và chia công suất được sử dụng rộng rãi trong bộ khuếch đại cao tần, bộ
khuếch đại vi sóng tuyến tính, các mạch kiểm tra và các hệ thống cao tần khác.
Năm 1960, Wilkinson mô tả một bộ kết hợp công suất N-way lai được thực hiện với
đường dây truyền tải như đường dây đồng trục. Tuy nhiên băng thông của nó hẹp,
băng thông hữu ích là ít hơn 20% trong khi VSWR ≤ 1.1 và cách ly > 20dB vì thế

2


1. Tổng quan
nó không đáp ứng cho nhiều ứng dụng.
Hai bài báo của Taub đã mô tả hiệu suất về mặt lý thuyết của bộ kết hợp công suất
lai này [2], [3]. Nhiều phương pháp đã được trình bày để mở rộng băng thông của
bộ kết hợp công suất thông thường này, Sidney David đã thảo luận về một phương
pháp làm tăng băng thông của loại thiết bị này đó là hở mạch đường dây truyền tải
1/4 bước sóng tại một vị trí đặc biệt trong thiết bị [4]. Những năm sau, Cohn đã giới
thiệu một kỹ thuật đa phần làm tăng đáng kể băng thông của bộ kết hợp này, đưa ra
công thức thiết kế chi tiết và các bảng chia đôi [5], đồng thời Tetarenko đã đề nghị
sử dụng các đường truyền dẫn giảm dần theo cấp số nhân và phân bố một cách
tuyến tính các điện trở dọc theo chiều dài của côn [6].
Qingxin Guo,Yanjun Ma and Jilong Ju đã giới thiệu một bộ ghép/chia công suất
lớn với mạch bù. Điện trở cách ly giữa hai cổng chia trong bộ chia công suất
Wilkinson được thay bằng một cấu trúc đồng trục cân bằng. Với cấu trúc đồng trục
này, băng thông của nó sẽ rộng hơn ba lần [7]. Các thành phần này rất hữu ích có
thể được sử dụng bộ kết hợp công suất của máy phát hình băng UHF với các dải tần
số từ 470MHz đến 860MHz.

Hình 1.2: Bộ ghép với cấu trúc đồng trục cân bằng và mạch tương đương

Hình 1. 3: Đáp ứng bộ ghép công suất với cấu trúc đồng trục cân bằng

3


S

K

L

0

0

2

1

5

4