Nghiên cứu thiết kế mạch Balun dải rộng

Chia sẻ: Phó Cửu Vân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Nghiên cứu thiết kế mạch Balun dải rộng" trình bày phương pháp và kết quả thiết kế mạch Balun dải rộng. Mạch được cấu tạo gồm một bộ chia công suất Wilkinson băng rộng kết hợp với bộ dịch pha 180° băng rộng. Mạch đề xuất đã được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Keysight ADS tại tần số làm việc trung tâm 2 GHz. Kết quả mô phỏng cho thấy, mạch đạt dải thông từ 1,33 GHz đến 2,67 GHz, tương đương 67%, với mức suy hao phản hồi ở cổng vào S11 tốt hơn -10 dB. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu thiết kế mạch Balun dải rộng

Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Nghiên Cứu Thiết Kế Mạch Balun Dải Rộng Huỳnh Minh Thuận1, Nguyễn Minh Giảng1*, Lê Hữu Nhật1, Phạm Cao Đại2, Nguyễn Tuấn Hưng1 Khoa Vô tuyến điện tử 1 Viện Tích hợp hệ thống 2 Le Quy Don Technical University Liên hệ: Nguyễn Minh Giảng (nmgiang44@gmail.com) Tóm tắt - Trong bài báo này, chúng tôi trình bày phương mạch đạt được dải thông rộng. Mạch quay pha được sử pháp và kết quả thiết kế mạch Balun dải rộng. Mạch được dụng là mạch quay pha dải rộng, được đề xuất trong cấu tạo gồm một bộ chia công suất Wilkinson băng rộng kết công trình [11]. So với các kỹ thuật trước đây [4], [9], hợp với bộ dịch pha 180° băng rộng. Mạch đề xuất đã được mạch Balun được đề xuất có cấu trúc phẳng, dễ dàng chế thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Keysight ADS tại tần tạo và cho dải thông rộng. Để đánh giá hiệu quả của số làm việc trung tâm 2 GHz. Kết quả mô phỏng cho thấy, mạch đạt dải thông từ 1,33 GHz đến 2,67 GHz, tương phương pháp đề xuất, chúng tôi đã thiết kế, mô phỏng đương 67%, với mức suy hao phản hồi ở cổng vào S11 tốt một mạch Balun làm việc tại tần số trung tâm 2 GHz và hơn -10 dB. Trong dải hoạt động suy hao phản hồi nhận đánh giá các tham số của mạch. Kết quả mô phỏng cấp được cho cổng ra hai S22 tốt hơn -12 dB và ở cổng ra ba S33 độ trường điện từ bằng phần mềm Keysight ADS cho tốt hơn -16 dB. Độ mất cân bằng biên độ và mất cân bằng thấy suy hao phản hồi đầu vào S11 đạt được nhỏ hơn pha ở hai cổng ra lần lượt là 0,6 dB và ±9°, trong toàn dải -10 dB trong dải tần từ 1,33 GHz đến 2,67 GHz, tương thông. đương 67%, suy hao phản hồi trên 2 cổng ra trong dải thông đạt tốt hơn -12 dB và -16 dB. Trong dải tần hoạt Từ khóa ̶ Mạch chia công suất Wilkinson; Mạch quay pha động, độ lệch biên độ và pha trên hai cổng cần bằng lần 180°; Balun dải rộng; Chia công suất đường truyền chữ Pi. lượt nằm trong khoảng 0,6 dB và ±9°. I. GIỚI THIỆU II. LÝ THUYẾT THIẾT KẾ Mạch Balun là phần tử quan trọng trong các hệ thống Cấu trúc Balun được đề xuất có cấu trúc đơn giản thông tin, nó được sử dụng rộng rãi trong các mạch bao gồm một bộ chia công suất dải rộng kết hợp với khuếch đại công suất đẩy kéo, mạch trộn tần cân bằng, mạch quay pha dải rộng ( Hình 1). mạch vào của anten, Mạch có chức năng chuyển tín hiệu không cân bằng thành tin hiệu cân bằng.Trong số các mạch Balun, mạch Balun phẳng [1]-[7] là một trong những cấu trúc phổ biến nhất vì dễ chế tạo và kích thước nhỏ gọn. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của hệ thống truyền thông và điện tử, một trong những ưu tiên hàng đầu để cải tiến mạch Balun là mở rộng dải thông của mạch. Nhiều kỹ thuật mở rộng dải thông cho mạch Balun đã được đề xuất như mạch Balun sử dụng cấu trúc logarit chu kỳ được trình bày ở công trình [3], sử dụng cấu trúc ghép ba đường truyền λ/8 được giới thiệu trong công trình [8] và một số kỹ thuật khác trong các công trình [4], [9]. Tuy nhiên, các cấu trúc đó có băng thông vẫn còn hạn chế, hoặc là chế tạo quá phức tạp. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một mạch Balun dải rộng mới, có cấu trúc đơn giản và cho băng Hình 1. Mạch Balun dải rộng được đề xuất. thông rộng. Mạch Balun đề xuất được thiết kế dựa trên việc cải tiến mạch Balun dải rộng được trình bày trong Mạch chia công suất bao gồm hai nhánh, trong đó công trình [10]. Mạch để xuất bao gồm một bộ chia công các đoạn mạch dải có độ dài điện  / 4 được thay bằng suất Wilkinson dải rộng, trong đó đường truyền λ/4 được mạch tương đương dạng chữ Pi [12] ( Hình 2). Với cấu thay thế bằng đường truyền dạng chữ Pi tương đương để trúc này, dải thông của mạch chia công suất được mở ISBN ............ 978-604-80-8932-0 129
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) rộng hơn so với mạch chia công suất Wilkinson truyền 𝑅 = 2𝑍0 (9) thống. Điện trở cách ly R được sử dụng để làm tăng độ 𝑍3 = 1, 27𝑍0 (10) cách ly giữa 2 cổng ra. 𝑍4 = 1, 61𝑍0 (11) Sau đây ta sẽ phân tích sơ đồ mạch điện trên Hình 2 𝑍5 = 𝑍0 (12) để xác định được các tham số thiết kế của đoạn mạch chữ Pi. Sơ đồ tương đương chữ Pi bao gồm các đoạn mạch dải có trở kháng Z1, Z2 với các độ dài điện tương A. Thiết kế Layout ứng là 1 và 2. Để đánh giá hiệu quả của phương pháp thiết được đề xuất trên, một mạch Balun hoạt động ở tấn số trung tâm Z0,0 2 GHz được chúng tôi thiết kế. Layout của mạch được Cổng 1 Cổng 2 Cổng 1 Z1,1 Cổng 2  thể hiện ở Hình 3. Mạch được thiết kế trên vật liệu Rogers RO4003 có độ dày là 0,813 mm, với hằng số g/4 điện môi 3,55. Để thuận tiện, trong thiết kế này trở kháng Z2,2 Z2,2 ở các cổng đều được đặt ở mức 𝑍0 =50Ω. a b Hình 2. a) Đường truyền λ/4; b) Đường truyền hình Pi. Ma trận ABCD cho đường đường truyền λ/4 với trở kháng đặc trưng Z0 được xác định như sau: Cổng 2 Z0 Cổng 1 (1) Z0 Cổng 3 Ma trận ABCD (M 𝜋) cho đoạn mạch dạng chữ Pi Stub ngắn mạch Z0 được minh họa trong hình 2b được xác định bằng tích các ma trận tham số ABCD của các đoạn mạch thành phần: M 𝜋 = M2.M1.M2 (2) Trong đó: cos(𝜃1 ) j𝑍1 sin(𝜃1 ) 𝑀1 = [ ] (3) 𝑗𝑌1 tan⁡(𝜃1 ) cos(𝜃1 ) 1 0 𝑀2 = [ ] (4) Hình 3. Layout của Balun dải rộng được đề xuất. 𝑗𝑌2 tan⁡(𝜃2 ) 1 Để cho đoạn mạ h dạ g chữ Pi tương đương với Kích thước của mạch tương đối nhỏ gọn 59x59 mm2. đoạ mạ h dải có trở kháng Z0 và độ dài điệ 0 thì các B. Kết quả mô phỏng ma trận ABCD của chúng phải trùng nhau. Qua tính toán biế đổi ta nhận được hai hệ phương trình (5) và Mạch được thiết kế mô phỏng trên phần mềm (6): Keysight ADS, có kết quả mô phỏng ở cấp độ trường 𝑍0 điện từ với suy hao phản hồi, suy hao chèn của các cổng 𝑍1 = (5) vào ra và độ mất cân bằng biên độ và pha của mạch 𝑠𝑖𝑛(𝜃1 ) Balun được thể hiện qua Hình 4 - 9. 𝑍2 = 𝑍1 . tan(𝜃1 ) . tan⁡(𝜃2 ) (6) S11 Trong đó: 𝑛. 𝜋 (7) 𝜃1 = 1 + 𝑓̅ m, n = 1, 2, 3,… 𝑚. 𝜋 (8) 𝜃2 = 1 + 𝑓̅ Với thiết kế này, để mạch thiết kế được nhỏ gọn ta chọn m=n=1 và 𝑓 ̅ là tần số trung tâm. Tiếp theo, ta tính toán các tham số còn của mạch dịch pha 180° thông qua các công thức từ (10)-(12) [11]. Hình 4. Sự phụ thuộc của S11 vào tần số. ISBN ............ 978-604-80-8932-0 130
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) S22 Hình 5. Sự phụ thuộc của S22 vào tần số. Hình 9. Độ lệch pha giữa hai cổng ra. Suy hao phản hồi trên cổng vào S11 qua mô phỏng ở mức tốt hơn -10 dB trong dải tần số từ 1,33 GHz đến S33 2,67 GHz. Đồng thời mức suy hao phản hồi ở cổng ra S22 tốt hơn -12 dB, suy hao phản hồi S33 tốt hơn -16 dB và hệ số cách ly giữa hai cổng cân bằng ở mức tốt hơn -10 dB trong dải hoạt động của mạch. Độ mất cân bằng biên độ và mất cân bằng pha giữa hai cổng cân bằng lần lượt là 0,6 dB và ±9°, trong toàn bộ dải thông của mạch. Ưu điểm của Balun hiện tại là có cấu trúc phẳng, mạch dễ dàng chế tạo. Nó có thể thiết kế trên nhiều chất nền và có thể tích hợp với các anten trên một chất nền có độ từ thẩm thấp để tăng hiệu suất. So sánh các tham Hình 6. Sự phụ thuộc của S33 vào tần số. số của mạch thiết kế trong bài báo với một số công bố trước đó [10] và [13-15] được thể hiện trong Bảng 1. Bảng 1. So sánh các tham số của mạch Balun được đề S31 xuất với các công bố trước đó S21 Mạch đề [10] [13] [14] [15] xuất Dải thông% 67 64 23 40 45 (S11
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) ra hai S22 tốt hơn -12 dB và ở cổng ra ba S33 tốt hơn [10]. Zhen-Yu Zhang, Yong-Xin Guo, Ling Chuen Ong, M. Y. W. Chia, “A new Wide-band Planar Balun on a -16 dB. Độ mất cân bằng biên độ và mất cân bằng pha Single_Layer PCB”, IEEE Microwave and Wireless lần lượt là 0,6 dB và ±9° trong dải thông tương ứng. Componets letters, Vol. 15, no.6, june 2005. [11]. S. Y. Eom, S. I. Jeon, J. S. Chae, and J. G. Yook, TÀI LIỆU THAM KHẢO “Broadband 180bit phase shifter using a new switched [1]. R. Mongia, I. Bahl, and P. Bhartia, “RF and Microwave network,” in IEEE MTT-S Symp. Dig., 2003, pp. 39-42. Coupled-Line Circuits”. Norwood, MA: Artech House, [12]. A. Sardi, A. Errkik, J. Zbitou, and M. Latrach, “Designing 1998, pp. 391–445. and Fabrication of the Microstrip Wideband power divider [2]. R. Sturdivant, “Balun designs for wireless mixers, based on the Pi-shaped resonator”, Mediterranean amplifiers and antennas,” Appl. Microw., pp. 34–44, 1993. Telecommunications Journal, Vol. 8, N° 1, January 2018. [3]. M. Basraoui and S. N. Prasad, “Wideband, planar, log- [13]. L Xu, H. Sjoland, M Tormanen, T Tired, T. Pan, and X. periodic Balun”, in IEEE MTT-S Symp. Dig., 1998, pp. Bai, “A miniaturized Marchand Balun in CMOS with 785–788. improved balanced for millimeter-wave applications,” [4]. M. C. Tsai, “A new compact wide-band Balun,” in IEEE IEEE Microw. Wireless Compon.Lett., vol. 24, no. 1, pp. Microwave Millimeter-Wave Monolithic Circuit Symp. 53-55, Jan. 2014. Dig., 1993, pp. 123–125. [14]. C.-H. Tsai, H.-C. Chen, and T.-L. Wu, “A novel compact [5]. Z. Y. Zhang, Y. X. Guo, L. C. Ong, and M. Y. W. Chia, balun using a weakly coupled line with grounded “Improved planar marchand Balun with a patterned resonator,” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. ground plane,” Int. J RF Microw CAE, vol. 15, no. 3, pp. 24, no. 11, pp. 763–765, Nov. 2014. 307–316, May 2005. [15]. Hee-Ran Ahn and Manos M. Tentzeris, “A Novel [6]. C. Cho and K. C. Gupta, “A new design procedure for Compact Isolation Circuit Suitable for Ultracompact and single-layer and tow-layer three-line Baluns,” IEEE Wideband Marchand Baluns”, IEEE Transactions on Trans. Microw. Theory Tech, vol 46, no. 12, pp. 2514- Circuits and Systerms II: Express Briefs, Vol.67, No.10, 2519, Dec.1998. Octorber. 2020. [7]. K. S. Ang and I. D. Robertson, “Analysis and design of [16]. Ehsan, N., Vanhille, K., Rondineau, S., Cullens, E. D. and. impedance-transforming planar Marchand Balun,” IEEE Popović, Z. B, “Broadband micro-coaxial Wilkinson Trans. Microw. Theory Tech., vol. 49, no. 2, pp. 402–406, dividers,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Vol. 57, Feb. 2001. No. 11, (2009), 2783–2789. [8]. C.-W. Tang, W.-D. Cheng, J.-W. Wu, and Y.-C. Lin,” [17]. Y. Wang and J.-C. Lee, “A miniaturized Marchand Balun Design of a compact balun with three octant-wavelength model with short-end and capacitive feeding,” IEEE coupled lines”, IEEE MTT-S Int. Dig., pp. 109–112, Access, vol. 6, pp. 26653-26659, 2018. Anaheim, CA, May 2010. [9]. S. S. Bharj, S. P. Tan, and B. Thompson, “A 2-18 GHz 180degree phase splitter network,” in IEEE MTT-S Symp. ISBN ............ 978-604-80-8932-0 132