- Thiết Kế Mạch Chia Công Suất Băng Rộng 8 Cổng Ra Kiểu Winkinson. - Abstract — Bài báo trình bày phương pháp thiết kế mạch chia công suất 8 cổng ra theo kiểu Winkinson. - Mạch thiết kế có dải tần làm việc từ 800 MHz đến 2,2 GHz. - Để đạt được dải thông đủ rộng, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp chuyển đổi Chebychev để chuyển đổi trở kháng giữa tải và đường truyền. - Kết quả mô phỏng cấp độ trường điện từ bằng phần mềm Keysight ADS trên chất nền RO4350B của Rogers, độ dày 0,762 mm cho các tham số đầu ra của mạch như sau: tổng suy hao trên các cổng nhỏ hơn 9,6 dB, mức cách ly giữa các cổng ra lớn hơn 23 dB, mức mất cân bằng biên độ và mất cân bằng pha giữa các cổng ra theo thứ tự nhỏ hơn 0,1 dB và 2 độ.. - Keywords- Mạch chia công suất Winkinson, phần mềm ADS, chuyển đổi trở kháng, hàm số Chebyshev.. - Mạch chia công suất được sử dụng phổ biến trong các mạch trộn tần, mạch khuếch đại công suất, mạch vào của anten mảng pha [1. - Hiện nay, mạch chia công suất kiểu Winkinson được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm như [6], [7]: triệt tiêu được sóng phản xạ khi các cổng ra được phối hợp trở kháng, suy hao chèn nhỏ, mức cách ly giữa các cổng lớn, băng thông khá rộng. - Bài báo trình bày kết quả thiết kế mạch chia công suất kiểu Winkinson có 1 cổng vào và 8 cổng ra dải rộngvới các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu như sau: dải tần làm việc từ 800 MHz đến 2,2 GHz, tổng suy hao trên các cổng ra nhỏ hơn 10 dB, mức cách ly giữa các cổng ra >. - 20 dB, sai lệch pha giữa các cổng ra <. - 5 0 , mức sai lệch biên độ giữa các cổng ra <. - trong phần II, chúng tôi trình bày quy trình thiết kế mạch chia công suất có 8 cổng ra. - Phần III sẽ trình bày về kết quả mô phỏng cấp độ trường điện từ của mạch.. - THIẾT KẾ MẠCH CHIA CÔNG SUẤT BĂNG RỘNG 8 CỔNG RA. - Để thực hiện mạch chia công suất kiểu Winkinson 8 cổng ra (ký hiệu W(1/8. - ta thiết kế sơ đồ khối của. - Sơ đồ khối của mạch chia công suất có 8 cổng ra Mạch W(1/2) có cấu tạo gồm các đoạn mạch dải có độ dài 1/4 bước sóng để phối hợp trở kháng giữa cổng vào và các cổng ra. - Mạch Winkinson chia đôi công suất Để đảm bảo độ cách ly giữa các cổng ta cần thêm điện trở R S giữa 2 nhánh của mạch Winkinson, giá trị của Z C và R S được xác định bằng các biểu thức [6]:. - Để đạt được mức dải thông này ta cần phải áp dụng kỹ thuật mở rộng dải thông cho các mạch thành phần W(1/2). - Một trong những phương pháp phổ biến hiện nay để mở rộng dải thông đó là chuyển đổi trở kháng bằng nhiều đoạn thay vì chỉ sử dụng 1 đoạn mạch dải có độ dài λ/4 để phối hợp trở kháng giữa tải và đường truyền. - Theo lý thuyết Phản xạ nhỏ [8], hệ số phản xạ của toàn mạch gồm N đoạn mạch dải có cùng độ dài điện được tính như sau:. - Trong đó n là hệ số phản xạ của đoạn mạch dải thứ n;. - Qua các biểu thức (3) và (4) ta thấy rằng thông qua việc lựa chọn số lượng đoạn mạch N và các hệ số phản xạ n phù hợp ta có thể có được hàm số như mong muốn. - Để ưu tiên về độ rộng của dải thông, ta sử dụng hàm Chebyshev [6] để xấp xỉ hàm phản hồi của mạch. - Tuy nhiên, khi đó hàm phản hồi sẽ có mức độ không bằng phẳng nhất định trong dải thông. - Ta chọn mức độ không bằng phẳng tối đa cho phép trong dải thông là m = 0,015 dB. - Dải thông theo yêu cầu bài toán đặt ra là 93. - Để xác định được số phần tử N, ta tính dải thông của mạch W(1/2) cho trường hợp N = 2, 3, 4 và 5. - Kết quả thể hiện ở Bảng I bên dưới.. - SỰ PHỤ THUỘC CỦA ĐỘ RỘNG DẢI THÔNG VÀO N. - N Dải thông. - Từ Bảng I ta thấy cần chọn số đoạn mạch dải N bằng 4 là phù hợp. - 4 ta thu được dải thông rộng hơn mức yêu cầu, tuy vậy khi số lượng đoạn mạch dải N tăng lên thì suy hao của mạch ở đầu ra, kích thước mạch và chi phí chế tạo cũng tăng lên. - Sau khi xác định được giá trị N =4, ta tính giá trị trở kháng đặc trưng của các đoạn mạch dải theo các phương trình . - Z n 1 n 2 , (11) Các giá trị trở kháng Z n (Ohm) sau khi tính toán có các giá trị như sau:. - Mỗi mạch W(1/2) sau khi được mở rộng dải thông sẽ có dạng như bên dưới.. - Mạch Winkinson chia đôi công suất sau khi được mở rộng dải thông. - Giá trị trở kháng trên mỗi nhánh ta lấy bằng gấp đôi so với giá trị tính được do ta mắc các nhánh song song với nhau từng đôi một. - Sau khi tính toán được giá trị của các trở kháng đặc trưng của các đoạn mạch dải, ta có thể xác định được kích thước của các đoạn mạch dải đó. - Mạch W(1/2) sau khi được mở rộng dải thông bằng phương pháp chuyển đổi trở kháng bằng nhiều đoạn được thể hiện ở hình 4.. - Mạch W(1/2) sau khi mở rộng dải thông. - So sánh 2 mạch W(1/2) ở hình 2 và 3 ta thấy mạch ở hình 3 có 4 tầng, do vậy số điện trở cần để đảm bảo cách ly giữa 2 cổng ra là 4 điện trở, từ R1 đến R4. - Việc lựa chọn giá trị các điện trở này sẽ ảnh hưởng đến mức Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020). - cách ly giữa các cổng. - Nếu như với mạch W(1/2) ở hình 2 giá trị tối ưu của Rs được tính theo biểu thức (2), thì với mạch sau khi cải tiển ở hình 3 để lựa chọn giá trị của các điện trở cho phù hợp, ta sử dụng tính năng Optimization trong ADS. - Bằng tính năng trên, sau khi ta thiết lập mức độ cách ly cần đạt được giữa 2 cổng ra ( >. - 30 dB), Phần mềm sẽ lần lượt chạy các bộ số (R 1 , R 2 , R 3 , R 4 ) trong miền giá trị mà ta chọn. - Kết quả ta thu được bộ các giá trị sau của các điện trở cách ly (Ohm) thỏa mãn điều kiện tối ưu mà ta đặt ra.. - Layout của mạch chia công suất có 8 cổng ra sau khi ghép các mạch W (1/2) theo sơ đồ khối ở hình 1 được thể hiện ở hình dưới. - Layout của mạch W(1/8). - Trong phần tiếp theo, ta sẽ trình bày kết quả mô phỏng cấp độ trường điện từ của mạch W(1/8) mà ta vừa thiết kế được.. - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. - Sau khi hoàn thành việc tính toán, mạch W(1/8) được mô phỏng trên Phần mềm Keysight ADS. - Mức độ suy hao trên các cổng ra được thể hiện ở Hình 6.. - Mức suy hao trên các cổng ra. - Trong đó m là các cổng ra được đánh số từ 2 đến 8, cổng có tín hiệu vào ta quy ước là cổng 1. - Ta thấy các đồ thị suy hao của các cổng ra gần như trùng nhau và có độ lệch không quá 0,1 dB. - Điều này thể hiện mức mất cân bằng biên độ giữa các cổng ra cũng không vượt quá 0,1 dB. - Bên cạnh đó, ta thấy rằng phần đường đặc tuyến nằm trong dải thông của mạch chia công suất khá bằng phẳng.. - Trong dải tần từ 0,8 MHz đến 2,2 GHz tổng suy hao trên cả 8 cổng ra của mạch chia công suất nằm trong khoảng từ 4,8 dB đến 9,6 dB. - Như vậy thỏa mãn yêu cầu của bài toán thiết kế.. - Chỉ tiêu kỹ thuật tiếp theo ta cần xét đến đó là mức độ cách ly giữa các cổng ra. - Mức cách ly giữa 2 cổng i và j ( i, j = 2 ÷ 9) được đánh giá qua tham số tán xạ S(i, j) và có đơn vị dB. - Nếu S(i,j) càng bé (giá trị tuyệt đối càng lớn) thì mức cách ly càng cao. - Ta có tất cả 8 cổng ra, như vậy sẽ có tất cả 28 cặp cổng. - Theo yêu cầu thiết kế, mức độ cách ly của tất cả các cặp cổng phải >. - Trong 28 cặp cổng ra, ta xét 2 nhóm có mức cách ly thấp nhất gồm các cổng có khoảng cách gần nhau hơn cả.. - Mức cách ly giữa các cổng và 8-9 Nhóm 1: gồm các cặp cổng ra và 8-9, mức độ cách ly của các cặp cổng ra này thể hiện trên Hình 7. - Những cặp cổng trên có khoảng cách gần nhau nhất nên mức cách ly giữa chúng sẽ là kém nhất. - Trong dải tần làm việc từ 0,8 đến 2,2 GHz ta thấy mức độ cách ly giữa các cặp cổng ra ở trên nằm trong khoảng từ 23,3 dB đến 33,4 dB.. - Tiếp theo ta xét mức cách ly giữa các cặp cổng nhóm 2 gồm các cặp cổng 3-4, 5-6 và 7-8 ( hình 8). - Ta thấy giữa các cổng có mức cách ly nhỏ nhất là 32 dB.. - Như vậy mức độ cách ly giữa các cổng trên cũng được thỏa mãn.. - Như vậy các cặp cổng có mức cách ly thấp nhất đều thỏa mãn chỉ tiêu đề ra, từ đó ta suy ra, tất cả các cặp cổng ra đều có mức cách ly đạt yêu cầu.. - Mức cách ly giữa các cổng 3-4, 5-6 và 7-8 Ta xét đến mức độ mất cân bằng pha giữa các cổng ra. - Đồ thị thể hiện độ lệch pha giữa các cổng ra so với cổng vào thể thiện ở hình 9.. - Độ lệch pha giữa các cổng ra và cổng vào Từ hình 9 ta thấy, các đồ thị gần như trùng nhau, nghĩa là pha của các tín hiệu ra gần như trùng nhau.. - Kết quả tính toán mô phỏng cho thấy mức sai lệch (mất cân bằng) về pha giữa các cổng ra không vượt quá 2 độ.. - Để đánh giá chung kết quả thiết kế, ta có bảng tổng kết so sánh giữa các chỉ tiêu đặt ra ban đầu và thu được sau khi thiết kế như bên dưới.. - SO SÁNH GIỮA CHỈ TIÊU KỸ THUẬT ĐẶT RA VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THU ĐƯỢC SAU KHI THIẾT KẾ. - Yêu cầu Đạt được khi thiết kế Tổng suy hao <. - Mức cách ly >. - 23 dB Mức mất cân bằng. - Mức mất cân bằng. - Như vậy mạch thiết kế đã thỏa mãn các yêu cầu đặt ra.. - Trong bài báo này, chúng tôi đã trình bày phương pháp thiết kế một bộ chia công suất có 8 cổng ra kiểu Winkinson băng rộng dựa trên kỹ thuật biến đổi trở kháng bằng nhiều đoạn sử dụng biến đổi Chebyshev.. - Với tần số làm việc trung tâm là 1,5 GHz, mạch chia công suất có dải thông đạt 93,3. - mạch cho tổng suy hao trên các cổng ra ở mức <. - 9,6 dB, mức cách ly giữa các cổng ra >. - 23 dB, mức độ mất cân bằng pha và biên độ giữa các cổng ra lần lượt nhỏ hơn 2 0 và bé hơn 0,1 dB.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt