Nghiên cứu, thiết kế mạch chia công suất 2 băng với các hệ số chia khác nhau trên mỗi băng tần

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

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Nghiên cứu, thiết kế mạch chia công suất 2 băng với các hệ số chia khác nhau trên mỗi băng tần" trình bày phương pháp và kết quả thiết kế mạch chia công suất làm việc trên 2 băng 1 GHz và 2.2 GHz với các hệ số chia khác nhau trên mỗi băng. Để thực hiện việc chuyển đổi trở kháng trên 2 băng, mạch phối hợp trở kháng trên 2 băng sử dụng cấu trúc mạch chữ Pi mở rộng đã được sử dụng. Để đánh giá hiệu quả của phương pháp thiết kế đề xuất, mạch chia công suất làm việc trên 2 băng 1 và 2.2 GHz với hệ số chia trên 2 băng là 2 và 1.5 đã được tính toán và mô phỏng. Kết quả cho thấy, các tham số của mạch đảm bảo tốt. 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 chia công suất 2 băng với các hệ số chia khác nhau trên mỗi băng tần

Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Nghiên Cứu, Thiết Kế Mạch Chia Công suất 2 Băng Với Các Hệ Số Chia Khác Nhau Trên Mỗi Băng Tần Trương Văn Thành1, Nguyễn Minh Giảng1*, Phạm Minh Kha2 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) Abstract - Trong bài báo này, chúng tôi trình bày phương kết quả mô phỏng và đánh giá các kết quả của mạch. pháp và kết quả thiết kế mạch chia công suất làm việc trên Cuối cùng phần V Kết luận của bài báo. 2 băng 1 GHz và 2.2 GHz với các hệ số chia khác nhau II. MẠCH PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG 2 BĂNG trên mỗi băng. Để thực hiện việc chuyển đổi trở kháng SỬ DỤNG CẤU TRÚC MẠCH CHỮ PI MỞ RỘNG trên 2 băng, mạch phối hợp trở kháng trên 2 băng sử dụng cấu trúc mạch chữ Pi mở rộng đã được sử dụng. Để đánh 2.1. Mô hình tổng quát mạch phối hợp trở giá hiệu quả của phương pháp thiết kế đề xuất, mạch chia kháng dạng chữ Pi công suất làm việc trên 2 băng 1 và 2.2 GHz với hệ số chia Để phối hợp trở kháng giữa RSi và RLi, ta sử dụng trên 2 băng là 2 và 1.5 đã được tính toán và mô phỏng. Kết quả cho thấy, các tham số của mạch đảm bảo tốt. mạch phối hợp trở kháng dạng chữ Pi như hình dưới. Zm , i Keywords- mạch chia công suất Wilkinson, chuyển RSi 1 2 RLi đổi trở kháng đa băng. mạch chữ Pi. I. GIỚI THIỆU jAi jBi Ngày nay, với sự phát triển của các ứng dụng đa băng, các mạch chia công suất cũng đang được nghiên cứu để có thể làm việc trên nhiều băng tần. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về các phương pháp thiết kế mạch chia công suất đa băng ví dụ như sử dụng kỹ thuật Hình 1. Mạch phối hợp trở kháng dạng chữ Pi chuyển đổi trỏ kháng trên nhiều đoạn [1], sử dụng cấu trúc mạch chữ Pi [2], mạch chữ T [3]. Tuy nhiên các Xét trở kháng tại điểm 1 khi nhìn từ phía nguồn Rsi nghiên cứu trên mới chỉ trình bày kỹ thuật thiết kế mạch tới và nhìn từ phía tải RLi về. Áp dụng lý thuyết về đường chia công suất đa băng với cùng hệ số chia trên các băng truyền [4], ta tính trở kháng tại điểm 2 sau đó tính trở tần. Hiện nay, vấn đề nghiên cứu mạch chia công suất kháng tại điểm 1. Cụ thể như sau: đa băng với các hệ số chia khác nhau trên mỗi băng còn jBi  RL ít được nghiên cứu hoặc nghiên cứu nhưng chưa đầy đủ. Z 2 = jBi / / RL = jBi + RL Trong bài báo này, chúng tôi sẽ đề xuất phương pháp thiết kế mạch chia công suất kiểu nối chữ T sử dụng mạch chuyển đổi trở kháng dạng chữ Pi mở rộng. Các jBi  RL biểu thức tính toán được trình bày để phục vụ cho quá jBi + RL + j  tan i trình thiết kế. Sau đó, sẽ tiến hành tính toán và mô phỏng jAi  Z m  Zm cho một mạch chia công suất để minh hoạ cho phương jBi  RL 1+ j   tan i pháp đề xuất. Z m  ( jBi + RL ) Z1 = jBi  RL Kết cấu của phần tiếp theo của bài báo như sau: jBi + RL + j  tan i Phần II sẽ trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp Zm jAi + Z m  thiết kế mạch chia công suất 2 băng dựa trên cấu trúc jBi  RL 1+ j   tan i mạch chữ Pi mở rộng, phần III trình bày phương pháp Z m  ( jBi + RL ) thiết kế mạch chia công suất 2 băng 1 GHz và 2.2 GHz với các hệ số chia trên mỗi bằng là 2 và 1.5, phần IV là ISBN ............ 978-604-80-8932-0 125
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Sau một vài bước biến đổi ta có được phương trình phối hợp trở kháng dưới đây: Sơ đồ tương đương của mạch tại tần số f2 sẽ có dạng như hình 3. Từ Hình 3, áp dụng lý thuyết về đường − Zm Ai Bi R Li − jZm Ai Bi tan ( i ) − Zm Ai R Li tan ( i ) 2 2 truyền [5] Giải phương trình trở kháng với điều kiện là R Si =  jZm Bi R Li − Z2 R Li tan ( i ) + jZm R Li tan ( i )  2 Z1a = jA2 , từ đó xác định được  2a f . Cụ thể như m 2    − Zm Ai Bi + jZm Ai R Li − jAi Bi R Li tan ( i )  sau:     (1)   Giải phương trình (1) bằng cách cho phần thực và  A2 − Z0  tan 1a f   2a f = arctan  2  phần ảo bằng nhau, ta sẽ tìm được các giá trị Ai và Bi. 2  A  (tan  12a f 2 + tan 1a f 2 ) +    2 2.2. Thiết kế mạch phối hợp trở kháng trên 2  Z  (1 − tan    0  12a f 2  tan 1a f 2 )  (3)  băng sử dụng mạch phối hợp trở kháng dạng chữ Pi Mạch phối hợp trở kháng trên 2 băng đuọc xây Tương tự ta cũng có biểu thức xác định  2bf 2 dựng dựa trên mạch phối hợp trở kháng dạng chữ Pi   được trình bày ở phần trước. Giả sử mạch thực hiện phối    B2 − Z0  tan 1b f 2  hợp trở kháng giữa Rs1 và RL1 trên tần số f1, và phối hợp  2b f = arctan   giữa Rs2 vả RL2 tại tần số f2. Khi đó, sơ đồ tương đương 2  B2  (tan 12b f 2 + tan 1b f 2 ) +  của mạch tại tần số f1 sẽ có dạng như hình 2. Ta xác định  Z  (1 − tan    0 12b f 2  tan 1b f 2 )  độ dài điện của các đoạn mạch dải trên hình 2 nhuư sau: (4) Với 12a f , 12b f , 12a f , 12b f , 1a f và 1b f Zm , 1 1 1 2 2 2 2 RSi RLi được xác định theo các phương trình. 12 a f = 12b f = 900 1 1 Z0 , 1af1 Z0 , 1bf1 12 a f = 12b f = 900  f2 2 2 f1 f2 (5) 1a f = 1a f  2 1 f1 f2 Hình 2. Sơ đồ tương đương của mạch điện tại tần 1b f = 1b f  2 1 f1 số f1 III. THIẾT KẾ MẠCH CHIA CÔNG SUẤT Các độ dài điện 1af 1 và 1bf 1 được xác định bằng LÀM VIỆC TRÊN 2 BĂNG 1 GHZ VÀ 2.2 GHZ các biểu thức: VỚI CÁC HỆ SỐ CHIA 2 VÀ 1.5 TRÊN MỖI A1 BĂNG TẦN 1af = arctan 1 Z0 Dựa trên mạch phối hợp trở kháng trên 2 băng dạng (2) chữ Pi đuọc trình bày ở phần trước, ta thiết kế được B1 1b f = arctan 1 mạch chia công suất 2 băng với các hệ số chia khác nhau Z0 trên mỗi băng tần. Sơ đồ của mạch đề xuất được thể Trong đó, các giá trị A1 và B1 được xác định từ hiện trên hình 4. phương trình (1). Zm , 2 RSi 1a 1b RLi Zin1i R2i Port 2 jA2 jB2 1 3 Z0 Z , 1a f2 Z , 1b f2 0 0 Port 1 Z0 2a 2b Z ,12a f2 Z ,12b f2 Port 3 0 0 Z0 2 4 Z , 2a f2 Z , 2b f2 Zin2i R3i 0 0 Hình 4. Mô hình mạch chia công suất đề xuất Cấu trúc của mạch gồm có 4 mạch phối hợp trở Hình 3. Sơ đồ tương đuơng của mạch điện tại tần kháng dạng chữ Pi. số f1 và f 2 ISBN ............ 978-604-80-8932-0 126
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Áp dụng nguyên lý của mạch chia công suất, ký f2 12a f = 12b f = 900  = 40.90910 P 2 2 hiệu tỉ lệ công suất trên 2 cổng ra 3 và 2 là k i2 = 3 , khi f1 P2  2a f = 54.7450 đố ta có các mối liên hệ sau [4]: 2  2b f = 54.680 2 2 1 Các giá trị của mạch 2 như sau: Z in1i = Z 0 (1 + ki ); Z in 2i = Z 0 (1 + 2 ) ki (6) f2 1a f = 1a f  = 138.20  1 = 62.8180 1 2 1 f1 2.2 R2i = Z 0  ki ; R3i = Z 0  ki 1b f = 1b f  f2 = 149.270  1 = 67.850 Áp dụng các phương trình trên, ta sẽ thiết kế mạch 2 1 f1 2.2 chia công suất làm việc trên 2 băng tần là 1 GHz và 2.2 f2 GH với hệ số chia trên mỗi băng tương ứng là 2 và 1.5. 12a f = 12b f = 900  2 2 = 40.90910 f1 Ở đây chúng tôi chọn giá trị Z0 = Zm = 50 Ohm và  2a f = 55.550  m1 = 60 ; m 2 = 60  1 2.2 = 27.27 2 0 0 0 2b f = 55.630 2 P Với tần số f1 = 2.2 GHz, k 21 = 3 = 1.5 Các giá trị của mạch 3 như sau: P2 f2 1a f = 1a f  = 140.820  1 = 64.0090 P 2 Với tần số f 2 = 1.0 GHz, k 2 = 3 = 2 2 1 f1 2.2 P2 f2 Áp dụng các công thức (1), (2), (3), (4), (5), (6), ta 1b f = 1b f  = 143.930  1 = 65.420 2 1 f1 2.2 dễ dàng tính được các giá trị của các tham số sau (giá trị f2 các điện trở có đơn vị là ohm) : 12a f = 12b f = 900  = 40.90910 2 2 Tại tần số f1: f1 Z in11 = 125; R21 = 61.237  2a f = 55.8180 2 Z in12 = 150; R22 = 70.71  2b f = 56.520 Tại tần số f2: 2 Z in 21 = 83.33; R31 = 40.82 Các giá trị của mạch 4 như sau: f2 Z in 22 = 75; R22 = 35.355 1a f = 1a f  = 133.280  1 = 60.5820 2 1 f1 2.2 Bởi vì các giá trị R2i , R3i là khác 50 Ohm (giá trị f2 trở kháng 2 cổng đầu ra ) nên chúng ta sẽ thực hiện phối 1b f = 1b f  = 131.180  1 = 59.6280 2 1 f1 2.2 hợp trở kháng sử dụng cấu trúc hình Pi mở rộng. Sẽ có 4 khối hình Pi được sử dụng để PHTK (phối hợp trở 12a f = 12b f = 900  f2 = 40.90910 kháng). 2 2 f1 Mạch 1 giữa Zin11 = 125 với R21 = 61.237 tại f1 2a f = 59.70 2 và Zin12 = 150 với R22 = 70.71 tại f 2 2b f = 58.5760 2 Mạch 2 giữa Zin21 = 83.33 với R31 = 40.82 tại IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ f1 và Zin 22 = 75 với R22 = 35.355 tại f 2 Sử dụng phần mềm ADS_2020 để tiến hành mô Mạch 3 giữa R21 = 61.237 với 50 tại f1 và phỏng mạch chia công suất được tính toán ở phần trước. Dưới đây là kết quả mô phỏng các tham số S11, S21 và R22 = 70.71 với 50 tại f 2 S31. Mạch 4 giữa R31 = 40.82 với 50 tại f1 và R22 = 35.355 với 50 tại f 2 Các giá trị của mạch 1 như sau: f2 1a f = 1a f  = 1420  1 = 64.5450 2 1 f1 2.2 f2 1b f = 1b f  = 153.56  1 = 69.80 2 1 f1 2.2 ISBN ............ 978-604-80-8932-0 127
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Hình 5. Đồ thị tham số S11 định tính đúng đắn của phương pháp thiết kế đề xuất trong bài báo. Trong bài báo này, chúng tôi chỉ đưa ra phương pháp thiết kế mạch chia công suất làm việc tại hai băng tần với hệ số chia khác nhau ở mỗi băng tần, ưu điểm của phương pháp này là chúng ta có thể thiết kế tại các tần số bất kỳ với hệ số chia là bất kỳ ở hai cổng đầu ra. Ngoài ra, chúng ta hoàn toàn có thể áp dụng cấu trúc này để thiết kế cho mạch 3, 4 hay nhiều băng tần hơn. Tuy nhiên, với giới hạn trong công nghệ chế tạo mạch, thì việc lựa chọn các giá trị Z 0 , Z m , m1 và  m 2 cần được tính toán hợp lý, để có thể vừa thỏa mãn có Hình 6. Đồ thị tham số S21 nghiệm của phương trình (1) và mạch có thể ché tạo được bằng công nghệ mạch in thông thường. Để mạch Mạch được thiết kế làm việc trên 2 băng tần là 1 có thể chế tạo được thì yêu cầu giá trị các trở kháng đặc GHz và 2.2 GHz với hệ số chia là 2 trên băng tần 1 GHz trưng thường không vượt quá 120 ohm. và 1.5 trên băng tần 2.2 GHz. Trên hình 5 ta thể hiện kết quả mô phỏng suy hao phản hồi đầu vào S11 của mạch V. KẾT LUẬN sau khi thiết kế. Ta thấy, tại các băng tần công tác là 1 Trong bài báo đã đề xuất một cấu trúc mạch chia GHz và 2.2 GHz, giá trị S11 đạt cực tiểu và có giá trị công suất 2 băng với các hệ số chia khác nhau trên mỗi nhỏ hơn -71 dB. Trong Hình 6 thể hiện kết quả mô băng tần. Kết quả mô phỏng mạch cho kết quả phù hợp phỏng tham số S21. Tại tần số 1 GHz và 2.2 GHz, kết với lý thuyết đã khẳng định sự đúng đắn của phương quả mô phỏng S21 đạt giá trị lần lượt là -4.783 dB và - pháp đề xuất. Cấu trúc của mạch có thể mở rộng để thiết 3.98 dB. Như vậy so sánh với lý thuyết, các giá trị trên kế mạch chia công suất trên nhiều băng tần với các hệ sai lệch không quá 0.1 dB. số chia khác nhau trên mỗi băng. Đồ thị trên hình 7 thể hiện kết quả mô phỏng tham số S31 tại các tần số 1 GHz và 2.2 GHz. Các giá trị trên TÀI LIỆU THAM KHẢO có giá trị lần lượt là -1.755 dB và -2.218. So sánh với lý [1] X. Liu, Y. Liu, S. Li, F. Wu and Y. Wu, "A Three-Section Dual- Band Transformer for Frequency-Dependent Complex Load thuyết, các giá trị trên cũng chỉ lệch 0.1 dB. Impedance," in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 19, no. 10, pp. 611-613, Oct. 2009, doi: 10.1109/LMWC.2009.2029732. [2] B. Li, X. Wu, C. Hua, N. Yang, D. Zhu and W. Wu, "A tri-band Wilkinson power divider using extended T-shaped stubs," 2011 China-Japan Joint Microwave Conference, 2011, pp. 1-4. [3] A.S.S. Mohra, Compact dual band Wilkinson power divider, Microwave Opt Technol Lett 50 (2008), 1678–1682. [4] Pozar, D.M.: ‘Microwave Engineering’ (Publishing House of Electronics Industry Press, 2006, 3rd edn. 2010) [5] Guan, Y., Wu, Y., Li, M., Wang, W., & Liu, Y. (2017). Generalised MIT in a tri-band LNA . IET Microwaves, Antennas & Propagation, 11(2), 294–302. doi:10.1049/iet- map.2016.0071 Hình 7. Đồ thị tham số S31 [6] Jin-Gul Lee, Choon-Sik Cho, Jae W. Lee, Sang-Ki Eun, "A Novel Dual-Band Wilkinson Power Divider Using Branch- Như vậy, qua khảo sát các giá trị giá trị S21 và S31 line", 2008 Asia-Pacific Microwave Conference, pp.1-4, 2008 tại tần số 1 GHz và 2GHz cho thấy tỉ lệ công suất ở cổng 3 và cổng 2 đã đạt được tỉ lệ chia 2 theo thiết kế bài toán, và tại tần số 2.2 GHz thì tỉ lệ chia đạt được là 1.5. Sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng với lý thuyết đã khằng ISBN ............ 978-604-80-8932-0 128