kỹ thuật siêu cao tần

Kĩ thuật siêu cao tần và anten Nhóm 09 - Điện tử 6 - K51

Mục Lục

Phần 1: Cơ sở lý thuyết..........................................................................................2

1. Tính toán bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại lớn nhất.......................2

2. Tính toán bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại nhất định.....................7

3. Bộ chia công suất Wilkinson................................................................9

Phần 2 : Tính toán thiết kế mạch theo yêu cầu bài toán.......................................12

1. Tính toán thiết kế mạch khuếch đại...................................................12

2. Tính toán thiết kế mạch chia công suất .............................................15

Phần 3: Sơ đồ và các kết quả mô phỏng..............................................................17

1. Sơ đồ và kết quả mô phỏng mạch khuếch đại....................................17

2. Kết quả mô phỏng mạch chia 4 công suất..........................................18

Tài liệu tham khảo................................................................................................20

Phụ lục: Bảng tham số [S] của NE960R275...................................................21

- 1 -


Phần 1:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong hệ thống các mạch điện cơ bản thì khuếch đại công suất là một trong

c mạch rất phổ biến, và được ứng dụng rất nhiều trong thực tế. Khuếch đại công

suất là một phần không thể thiếu được trong các hệ thống thiết bị phát thanh,

truyền tin tức, tín hiệu…Mạch khuếch đại công suất có rất nhiều loại, hoạt động ở

nhiều tần số khác nhau, từ tần số thấp (cỡ vài Hz) đến siêu cao tần (cỡ vài GHz,

vài chục GHz, thậm chí vài trăm GHz). Về nguyên lý, chức năng các mạch điện

trong hệ thống siêu cao tần cũng tương tự như các mạch điện ở tần số thấp. Tuy

vậy, về cấu trúc, nguyên lý và cách hoạt động cụ thể của từng loại mạch siêu cao

tần cũng có nhiều điểm khác so với các mạch ở tần số thấp. Ở mạch điện tần số

thấp các đường truyền được xem là ngắn mạch, suy hao không đáng kể, không cần

quan tâm đến sóng phản xạ, không cần phải phối hợp trở kháng đầu vào, đầu ra.

Tuy nhiên ở các mạch điện siêu cao tần thì các yếu tố đó cần được xem xét và tính

toán một cách cụ thể,rõ ràng. Trong khuôn khổ bài tập lớn (BTL) này, em xin đề

xuất mô hình thiết kế một bộ khuếch đại (bộ kích) siêu cao tần hoạt động ở tần số

4,5 GHz, với công suất đầu vào là Pin = 1W, công suất đầu ra Pout = 8 W, chia cho

4 khối công suất. Như vậy, hệ số khuyếch đại tổng cổng là:

G = 10 log (Pout/Pin)

= 10 log (8/1) ≈ 9(dB).

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 ZS, điện trở tải ZL. Trước 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.

- 2 -


Ta biết hệ số phản xạ về phía tải:

(1)

Hệ số phản xạ nhìn về phía nguồn:

. (2)

Theo định nghĩa tham số S : ta có :

(3)

(4)

Từ các phương trình trên ta có :

(5)

(6)

- 3 -


Chia điện áp U1 thành 2 thành phần :

(7)

Mặt khác ta có :

(8)

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

(9)

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

(10)

Công suất ra trên tải của mạch là :

(11)

Từ (4) ta tìm được thay thế vào (11) và sử dụng ở biểu thức (9) ta có :

(12)

- 4 -


Bộ khuếch đại công suất có hệ số khuếch đại :

(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.

(14)

Công suất ra trên tải cũng đạt giá trị cực đại PRmax nếu trở kháng tải được phối hợp

phức với mạch.

(15)

Từ biểu thức (5) & (6) ta có :

(16)

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

(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 :

(18)

- 5 -


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 :

(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)

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

Hình 1. 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:

- 6 -


GT = |S21|2

Hệ số khuếch đai toàn bộ: GTmax = Go + GL + Gs.

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.

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:

- 7 -


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 Γs 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)

(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 .

- 8 -


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.

3. Bộ chia công suất Wilkinson:

Trong các mạch siêu cao tần cơ bản thì mạch chia công suất cũng là một

mạch rất phổ biến, được ứng dụng nhiều trong thực tế. Có nhiều loại mạch chia

công suất khác nhau và thông thường mạch chia công suất thường đi kèm với chức

năng là mạch cộng công suất. Chúng ta có thể kể đến 1 số loại hay gặp trong thực

tiễn như :

- Bộ chia và cộng công suất bằng mạch cầu ghép định hướng 3dB

- Các bộ chia và cộng công suât kiểu mạng Gysel

- Các bộ chia và cộng công suất Wilkinson

Trong bài tập lớn này, nhóm chúng em đề xuất sử dụng bộ chia công suất

Wilkinson, là bộ chia có tổn hao, nhưng được phối hợp trở kháng tại tất cả các cửa

và đảm bảo phân cách giữa các cửa ra.

Bộ chia công suất Wilkinson có thể có hệ số chia công suất là 2 (chia 3dB)

hoặc có thể bất kì.

Dưới đây là mô hình mạch chia - ghép công suất Wilkinson dạng đường vi

dải và mạch điện tương đương:

- 9 -


Hình 2. Mạch ghép - chia công suất Wilkinson

a) dạng đường vi dải

b) mạch điện tương đương

Chiều dài của mỗi nhánh được thiết kế là λ/4, do đó mạch chỉ hoạt động ứng

với một tần số tín hiệu nhất định.

Với mạch trên ta có thể dùng làm bộ ghép công suất khi đưa tín hiệu vào cửa

1 và cửa 2; tín hiệu ra lấy trên cửa 3. Khi đó ta có sơ đồ mạch tương đương :

Hình 3. Bộ cộng công suất Wilkinson

- 10 -


Tại cửa 3 điện trở R0 là tải ra của bộ cộng 2 đường có thể vẽ lại thành 2 điện

trở mắc song song với nhau 2R0. Còn điện trở hấp thụ và cách ly R có thể tách

thành 2 điện trở mắc nối tiếp với nhau R/2.

Nếu đưa tín hiệu cao tần vào cửa 3, tín hiệu ra lấy trên cửa 1 và cửa 2 thì ta có

bộ chia 2 công suất. Lúc này trên điện trở hấp thụ R = 2R0 không có dòng điện nào

chạy qua. Do đó điểm giữa của điện trở 2R0 coi như bị hở mạch, và ta có thể vẽ lại

mạch điện tương đương của bộ chia 2 đường như hình 4:

Hình 4. Bộ chia công suất Wilkinson

Cuối cùng, ta có giá trị tham số S của bộ chia Wilkinson như sau:

11 0S ( 1inZ tại của 3)

22 23 0S S (cửa 1 và 2 phối hợp trở kháng )

32 23 2S S j (đối xứng do thuận nghịch)

13 31 2S S j (đối xứng ở cửa 1 và cửa 2)

- 11 -


12 21 0S S (do ngắn mạch hoặc hở mạch khi tách đôi).

Phần 2:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH

THEO YÊU CẦU BÀI TOÁN

1. Tính toán thiết kế mạch khuếch đại:

Yêu cầu: Pin = 1W, Pout = 8W, tần số f = 4.5GHz

=> hệ số khuếch đại tổng cộng G = 10 log(8/1) ≈ 9(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 GaAs MES FET NE960R275 của

NEC Corporation làm bộ khuếch đại chính, với các tham số của ma trận tán xạ ở

4,5 GHz (tại VDS = 9V, IDset = 80mA) là:

Tần số

(Ghz)

S11 S21 S12 S22

4.5 0.845 -1390 2.14 580 0.057 8.5020 0.42 -1020

Tính toán:

Ta có

- 12 -


= 1 /(1 – 0.8452) = 3.5 = 5.4 dB

= 1/( 1 – 0.422) =1.21 = 0.8 dB

G0 = |S21|2 = 2.142 = 4.5796 = 6.6 dB.

Độ khuếch đại xuyên đơn hướng:

GTU = 0.8 + 5.4 + 6.6 = 12.8 dB

Ta thấy độ khuếch đại lớn hơn mong muốn là 3.8 dB

Ta lựa chọn Gs = 2,4 dB

GL = 0dB

G0 = 6.6 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:

Cs = 0,496 . 0,845∟1390 / ( 1 – (1 – 0,496) . 0,8452) = 0.655∟1390

CL = 0,826 . 0,42∟101,9920 /(1 – (1 – 0,826). 0,422) = 0,358∟101,9920

RS = 0,32

RL = 0,35

Lần lượt dựng các đường tròn tâm (CS ;RS) và (CL ; RL) ta sẽ xác định được:

ΓS = 0,33∟1390

- 13 -


ΓL =0,008∟101,9920

Phối hợp đầu vào phía nguồn.

Sử dụng phương pháp dây chêm song song hở mạch, ta có:

Γin = ΓS* = 0,33∟1390

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 tại điểm 1 –

j0,7. Vậy ta tính được chiều dài từ đầu vào transistor tới điểm mắc dây

chêm song song hở mạch là 0,158ƛ . Để triệt tiêu phần điện kháng – j0,7

cần mắc thêm dây chêm hở mạch song song có giá trị j0,7. Chiều dài dây

chêm là 0,152ƛ

Phối hợp đầu ra về phía tải.

Γout = ΓL* = 0.008∟101,9920

Tương tự, ta tính được

Gs = 2,4 dB gs = 0,496 Cs = 0,655 / 139º Rs = 0,32

GL = 0 dB gs = 0,826 CL = 0.358 / 102º RL = 0.35

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 139º và 102º). Vậy Γs = 0,355 / 139º

và ΓL = 0,008 / 102º và mạch ghép được thiết kế với dây chêm song song, như

hình 5.

Ngoài ra, để có VDS = 9V, ID = 80mA, 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

- 14 -


R1 = 650 Ohm

R3 = 100 Ohm.

Như vậy, ta có sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại yêu cầu như sau:

2. Tính toán thiết kế mạch chia 4 Wilkinson:

Ta có mô hình mạch chia 2 công suất Wilkinson tương đương như sau:

- 15 -


Trong trường hợp tổng quát, với bộ chia N ta có:

L = N1/2 x Z0 / ω

C = 1/(N1/2 . ω .Z0)

Ở bài toán này, ta có N = 4. Ta tính được:

C = 1 / (2 * 2 π * 4,5E9 *50)

= 0.35368 pF

L = (2 * 50) / (2π * 4,5E9)

= 3.5368 nH

Điện trở tải phối hợp: R1 = R2 = R3 = R4 = R0 = 50 Ohm.

Do đó ta có thể thiết kế được mạch chia 4 Wilkinson như sau:

- 16 -


Ta thấy các cửa hoàn toàn đối xứng => mạch được phối hợp trở kháng và đảm bảo

độ cách ly giữa các cửa.

Phần 3:

SƠ ĐỒ VÀ CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Để vẽ mạch và mô phỏng mạch điện siêu cao tần, nhóm chúng em sử dụng

phần mềm chuyên dụng ADS (Advance Design System) version 2008 update2.

- 17 -


1. Sơ đồ và kết quả mô phỏng mạch khuếch đại:

Nhóm chúng em đã sử dụng sơ đồ sau để mô phỏng mạch khuếch đại đã thiết

kế.

Trong sơ đồ này, phần tử S2P là một mạng 2 cửa thông số [S]. Các thông số

[S] này được nhập vào tương ứng với thông số [S] của transistor NE960R275 mà

nhóm đã lựa chọn. Các cuộn cảm L1 và L2 tương đương với đoạn dây 0,152λ và

0.13λ như trong thiết kế.

Kết quả mô phỏng như sau:

- 18 -


Ta thấy, độ khuếch đại tổng cộng tại tần số 4,5 GHz đạt được cỡ 9,1dB

=> thoả mãn yêu cầu bài toán đặt ra.

2. Kết quả mô phỏng mạch chia 4 công suất Wilkinson:

Với mạch chia công suất Wilkinson đã thiết kế ở trên, kết quả mô phỏng đạt

được như sau:

- 19 -


Ta thấy độ tổn hao ngược (S11), độ tổn hao xen giữa (S21....) và độ cách ly (S23,

S34, S45.....) tại tần số 4,5GHz đã đạt được yêu cầu bài toán đặt ra.

- 20 -


Tài liệu tham khảo:

[1] Phạm Minh Việt, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2002

[2] Vũ Đình Thành, Mạch Siêu Cao Tần, NXB khoa học và kỹ thuật, 1999

[3] Liang-Hung Lu and Chung-Ru Wu, A Miniaturized Wilkinson power divider

with CMOS active inductors.

[4] NEC Corporation, Preliminary data sheet NE960R2 series, Printed in Japan,

1999

- 21 -


Phụ lục:

Bảng tham số [S] của NE960R275

- 22 -

Documents

kỹ thuật siêu cao tần