thiet-ke-mo-phong-bo-chia-cong-suat-kieu-cau-winkildson_compress.pdf

hệ thống hỗ trợ nghiên cứu khoa học cho các bạn giảng viên sinh viên học sinh , tích cực hơn trong nghiên cứu khoa học

1. 1


Đại học Quốc gia Hà Nội – Đại học Công Nghệ
Viện Công nghệ Hàng không vũ trụ
-***-




Bài báo cáo giữa kỳ
Thiết kế bộ chia công suất kiểu cầu Wilkinson




Bộ Môn: KỸ THUẬT CAO TẦN



Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2021

2. 2

Đại học Quốc gia Hà Nội – Đại học Công Nghệ
Viện Công nghệ Hàng không vũ trụ
-***-


Bài báo cáo giữa kỳ
Thiết kế bộ chia công suất kiểu cầu Wilkinson



Họ và tên: Nguyễn Thị Thủy Tiên
Mã số sinh viên: 18021266
Lớp: K63AE
Email: [email protected]
Chuyên ngành: Điện tử hàng không
Viện: Công nghệ hàng không vũ trụ



Giảng viên bộ môn: Trần Cao Quyền

3. 3

Mục lục
Mục lục ................................................................................................................. 3
Danh mục hình ..................................................................................................... 4
Danh mục bảng .................................................................................................... 5
Lời nói đầu ........................................................................................................... 6
I. Tổng quan về bộ chia công suất Wilkinson ............................................... 7
I.1. Giới thiệu bộ chia công suất ................................................................... 7
I.2. Bộ chia công suất Wilkinson ................................................................... 7
I.3. Chế độ cộng tối ưu Mode even ................................................................ 9
I.4. Chế độ trừ tín hiệu Odd Mode ............................................................... 10
II. Thiết kế và mô phỏng bộ chia công suất kiểu cầu Wilkinson ................ 13
II.1. Bài toán thiết kế ..................................................................................... 13
II.2. Tính toán thiết kế và mô phỏng ............................................................. 13
III. Tổng Kết ...................................................................................................... 19
Tài liệu tham khảo ............................................................................................. 20

4. 4

Danh mục hình
Hình I.1-1: Mô hình mạng 3 cửa ........................................................................ 7
Hình I.2-1: (a) Bộ chia Wilkinson ở dưới dạng dòng microstrip; (b) Mạch
đường truyền tương đương ......................................................................... 8
Hình I.2-2: Sơ đồ mạch chia công suất Wilkinson ........................................... 8
Hình I.2-3: Sơ đồ mạch điện tương đương của mạch chia Wilkinson ........... 9
Hình I.3-1: Một kênh tín hiệu trong chế độ cộng tối ưu ................................ 10
Hình I.4-1: Phân tích bộ chia của Wilkinson để tìm ??????????????????. (a) Bộ chia
Wilkinson đã kết thúc. (b) Sự phân tách của mạch ở (a) ....................... 11
Hình II.2-1: Các thông số của đường truyền .................................................. 14
Hình II.2-2: Sử dụng LineCalc để tính toán chiều dài và độ rộng của các khối
MLIN TL1, TL2, TL3 ................................................................................ 15
Hình II.2-3: Sử dụng LineCalc để tính toán độ rộng của khối MCURVE
Curve1, Curve2 ........................................................................................... 15
Hình II.2-4: Sơ đồ nguyên lý mạch chia công suất Wilkinson ...................... 16
Hình II.2-5: Sơ đồ mạch in của bộ chia công suất kiểu cầu Wilkinson ....... 17
Hình II.2-6: Đồ thị của tổn hao trả về (return loss) ....................................... 17
Hình II.2-7: Đồ thị tổn hao lối vào và lối ra (insertion loss) .......................... 18
Hình II.2-8: Đồ thị thể hiện sự cách ly giữa hai đầu (isolation) .................... 18

5. 5

Danh mục bảng
Bảng II.2-1: Thông số của Msub ...................................................................... 13
Bảng II.2-2: Số liệu của trở kháng đặc trưng ................................................. 16

6. 6

Lời nói đầu
Việc khuyếch đại tín hiệu để có công suất lớn ở băng tần S gặp rất nhiều
khó khăn. Vì vậy chúng ta thường thực hiện bằng cách sử dụng nhiều bộ khuyếch
đại công suất có công suất ra nhỏ hơn, rồi sau đó kết hợp lại để đạt được như công
suất mong đợi. Muốn thực hiện điều này, người ta nghiên cứu các kỹ thuật chia
và cộng công suất. Do đó chia và bộ cộng công suất là một thành phần của hệ
thống siêu cao tần có nhiệm vụ chia hoặc cộng công suất tín hiệu lối vào thành
nhiều tín hiệu lối ra đồng pha hoặc ngược lại.
Trong thực tế, bộ chia/cộng công suất kiểu cầu Wilkinson hay được dùng
nhất bởi đây là cấu trúc có đặc tính không tổn hao nếu như tất cả các cổng lối ra
đều được phối hợp trở kháng với lối vào và sự cách ly giữa các cổng lớn.
E.J.Wilkinson là người đã phát triển bộ chia này nên bộ chia/cộng được đặt theo
tên ông.
Trong hệ thống rađar, các bộ chia điện được sử dụng để phân chia tín hiệu
công suất từ bộ dao động cục bộ đến bộ trộn của máy phát và máy thu. Vì vậy bộ
chia điện nên có chút tổn hao công suất khi phân chia công suất của bộ dao động
cục bộ. Hiện tại hệ thống rađar sử dụng bộ chia điện băng rộng hoạt động ở dải
tần số từ 2−18 ��??????, trong đó kết quả suy hao tại tần số 3000 ??????�?????? là khoảng
−3�??????. Bài báo cáo này trình bày việc nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng bộ chia
công suất Wilkinson 3 cổng với tần số �=3 ��??????. Quá trình và thiết kế mô phỏng
được thực hiện bởi ADS2020 – phần mềm thiết kế kỹ thuật cao tần.

7. 7

I. Tổng quan về bộ chia công suất Wilkinson
I.1. Giới thiệu bộ chia công suất
Bộ chia công suất là một phần tử thụ động của hệ thống siêu cao tần, được
sử dụng để chia công suất tín hiệu. Trong bộ chia công suất, tín hiệu đầu vào là
được chia thành hai (hoặc nhiều) tín hiệu đầu ra có công suất thấp hơn. Phần tử
này có thể có ba cổng, bốn cổng hoặc nhiều hơn. Mô hình mạng ba cổng được thể
hiện như hình I.1-1.

Hình I.1-1: Mô hình mạng 3 cửa
Các bộ chia công suất có thể cung cấp tín hiệu đầu ra trong pha với tỷ lệ
phân chia công suất bằng nhau (3dB), nhưng cũng có thể tỷ lệ phân chia không
bằng nhau. Có 2 loại bộ chia công suất phổ biến nhất là bộ chia kiểu chữ T và bộ
chia Wilkinson. Bộ chia kiểu chữ T không bị tổn hao nhưng có nhược điểm là
không khớp ở tất cả các cổng và nó có sự cách ly giữa các cổng đầu ra. Bộ phân
chia điện trở có thể được phù hợp với tất cả các cổng, nhưng nó tổn hao và vẫn
không đạt được sự độc lập giữa các cổng. Bên cạnh đó, bộ chia Wilkinson là một
mạng không bị mất dữ liệu nếu có thể làm cho tất cả các cổng phù hợp và cách ly
được giữa các cổng đầu ra.
I.2. Bộ chia công suất Wilkinson
Bộ chia công suất Wilkinson có công suất phản xạ từ các cổng bị tiêu tán
do không mất dữ liệu. Phương pháp này có thể được thực hiện với sự phân chia
công suất tùy ý, nhưng chúng ta sẽ xét trường hợp chia đều (3dB). Bộ chia này
thường được làm trong dòng microstrip hoặc dạng dải, như được mô tả trong hình
I.2-1(a); mạch đường truyền tương đương được mô tả trong hình I.2-1(b). Phân
tích mạch này bằng cách giảm nó thành hai mạch đơn giản hơn được điều khiển
bởi các nguồn đối xứng và phản đối xứng ở các đầu ra.

8. 8


Hình I.2-1: (a) Bộ chia Wilkinson ở dưới dạng dòng microstrip; (b) Mạch đường truyền tương đương
Bộ chia Wilkinson 2 chiều được thiết kế đương truyền một phần tư bước
sóng (??????/4) ở mỗi nhánh với tần số trung tâm �
??????, trở kháng đặc trưng √2??????
0 và một
điện trở gộp 2??????
0 được kết nối giữa các cổng đầu ra. Mạch này có thể được sử
dụng để chia công suất từ cửa P1 qua cửa P2 và P3.

Hình I.2-2: Sơ đồ mạch chia công suất Wilkinson
Mạch này có tính đối xứng nên ta có: �
12=�
21,�
13=�
31,�
23=�
32.
Mạch phối hợp trở kháng đồng thời tại 3 cửa với �
0, do đó �
11=�
22=�
33=0.
Ma trận S được xác định: [�]=[0 �
12 �
13 �
12 0 �
23 �
13 �
23 0]

9. 9


Hình I.2-3: Sơ đồ mạch điện tương đương của mạch chia Wilkinson
Tại cửa 1, điện trở � là tải ra của bộ cộng hai đường có thể vẽ lại thành hai
điện trở 2 mắc song song với nhau. Còn điện trở hấp thụ và cách ly � có thể mắc
thành hai điện trở �/2 nối tiếp nhau.
Do tính chất đối xứng Wilkinson ta có thể thiết lập những chế độ cộng công
suất khác nhau. Chế độ cộng tối ưu là “Mode even”, chế độ trừ là “Mode odd”,
các chế độ trung gian là khi nguồn tín hiệu được vào bị sự cố. Điều kiện của chế
độ cộng tối ưu là các điện áp đầu vào có điện độ và pha bằng nhau: ??????
�2=??????
�3=
2??????
0. Còn chế độ trừ, pha ngược nhau 180°: ??????
�2=−??????
�3=2??????
0. Sự chồng chất
của hai chế độ này một cách hiệu quả tạo ra ??????
�2=4??????
0,??????
�3=0. Từ đó ta có thể
tìm được các thông số tán xạ của mạng.
I.3. Chế độ cộng tối ưu Mode even
Đối với even-mode, ??????
�2=??????
�3=2??????
0, do đó ??????
0
�
=??????
3
�
, dòng điện không
chạy qua các điện trở �/2 hoặc ngắn mạch giữa các đầu vào của hai đường truyền
tại cổng 1. Sau đó chia đôi mạng với các mạch hở tại các điểm này để thu được
mạng như hình I.3-1 (nối đất của đường ??????/4 không được thể hiện). Ở vào cổng 2,
ta có trở kháng,
??????
��
�
=
??????
2
2

10. 10



Hình I.3-1: Một kênh tín hiệu trong chế độ cộng tối ưu
Vì đường truyền trông giống như một máy biến áp một phần tư bước sóng.
Do đó, nếu ??????=√2, cổng 2 sẽ kết hợp để kích thích chế độ cộng tối ưu; sau đó
??????
2
�
=??????
0 kể từ ??????
��
�
=1. Điện trở �/2 là thừa trong trường hợp này vì đầu bị hở
mạch. Từ phương trình đường truyền ta xác định được ??????
1
�
. Nếu ??????=0 ở cổng 1
và ??????= −??????/4 ở cổng 2, thì điện áp trên đoạn đường dây điện là,
??????(??????)=??????
+
(�
−�????????????
+??????�
�????????????
)
Do đó,
??????
2
�
=??????(−
??????
4
)=�??????
+
(1− ??????)=??????
0
??????
1
�
=??????(0)=??????
+
(1+??????)=�??????
0
??????+1
??????−1

Hệ số phản xạ ở cổng 1 gắn với điện trở chuẩn hóa có giá trị 2, nên
??????=
2−√2
2+√2

và
??????
1
�
=−�??????
0√2.
I.4. Chế độ trừ tín hiệu Odd Mode
Đối với odd-mode, ??????
�2=−??????
�3=2??????
0 do đó ??????
2
�
=−??????
3
�
, và ta có hiệu điện
thế dọc giữa đoạn mạch. Chia đôi mạch này bằng cách nối đất tại hai điểm trên
mặt phẳng của nó để tạo ra mạng như hình . Tại cổng 2, trở kháng là �/2 vì đường
truyền được nối song song với nhau dài ??????/4 và bị ngắn mạch ở cổng 1, hở mạch
ở cổng 2. Do đó, cổng 2 sẽ được kết hợp chế độ odd-mode nếu �=2. Sau đó

11. 11

??????
2
�
=??????
0 và ??????
1
�
=0; vì tất cả công suất của chế độ này đượcc chuyển đến các điện
trở �/2, không có điện trở nào đi đến cổng 1.
Cuối cùng, ta phải tìm trở kháng đầu vào tại cổng 1 của bộ chia Wilkinson
khi công 2 và 3 được kết thúc trong các tải. Mạch kết quả được hiển thị trong hình
I.4-1(a). Không có dòng điện chạy qua điện trở có giá trị chuẩn hóa 2 nên có thể
rút ra , để lại mạch điện như hình I.4-1(b). Nối song song của hai máy biến áp một
phần tư bước sóng được kết thúc trong các tải chuẩn hóa. Trở kháng đầu vào là,
??????
��=
1
2
(√2)
2
=1
Thiết lập những tham số tán xạ cho bộ chia Wilkinson:
�
11=0 (??????
��=1 tại cổng 1)
�
22=�
23=0 (cổng 2 và 3 phù hợp với các chế độ even-odd mode)
�
12=�
21=
??????
1
??????
+??????
1
??????
??????
2
??????
+??????
2
??????=−�/√2 (tính chất đối xứng)
�
13=�
31=−�/√2 (đối xứng của cổng 2 và 3)
�
23=�
32=0 (do ngắn hoặc hở mạch)

Hình I.4-1: Phân tích bộ chia của Wilkinson để tìm ??????
????????????. (a) Bộ chia Wilkinson đã kết thúc. (b) Sự phân
tách của mạch ở (a)

12. 12

Công thức �
12 được áp dụng vì tất cả các cổng được khớp khi kết thúc tải
phù hợp. Chú ý rằng khi bộ chia được điều khiển ở cổng 1 và các đầu ra khớp với
nhau, thì không có nguồn nào bị tiêu tán trong điện trở. Do đó, bộ chia không bị
mất khi đầu ra được kết hợp; chỉ có công suất phản xạ từ cổng 2 hoặc 3 bị tiêu tán
trong điện trở. Tại vì �
23=�
32=0, cổng 2 và 3 được cách ly.

13. 13

II. Thiết kế và mô phỏng bộ chia công suất kiểu cầu
Wilkinson
II.1. Bài toán thiết kế
Thiết kế và mô phỏng bộ chia công suất kiểu cầu Wilkinson hoạt động trong
dải băng tần S có tần số trung tâm f=3 GHz, trở kháng Z
0=50Ω, điện trở R=
100 Ω.
II.2. Tính toán thiết kế và mô phỏng
• Xây dựng ma trận tán xạ
Bộ chia công suất Wilkinson có tất cả các cổng đầu ra phối hợp trở kháng 50??????
và sự cách ly giữa các lối ra với nhau. Ma trận tán xạ được biểu diễn như sau:
�=[
0 −�/√2 −�/√2
−�/√2 0 0
−�/√2 0 0
]
Khi các cổng ra đều phối hợp trở kháng (�
11=0) với lối vào nên ta có:
|�
21|
2
+|�
21|
2
+|�
32|
2
=1
• Thiết kế thông số mạch in (FR4) được mô tả trong bảng II.2-1:

Phần tử Giá trị Ý nghĩa
H
1.6 mm Độ mỏng chất nền
Er
4.3 Hằng số điện môi
Cond
5.8e7 Độ dẫn điện
T
0.035 mm Độ dày lớp phủ đồng
Tand
0.008 Tiếp tuyến suy hao của điện môi
Hu
3.9e+34 Chiều cao bìa
Mur
1.000 Tính thấm tương đối
Bảng II.2-1: Thông số của Msub
• Cài đặt thông số của Msub:

14. 14


Hình II.2-1: Các thông số của đường truyền
• Xây dựng các khối
Sau khi cài đặt thông số Msub, ta xây dựng khối MLIN TL1 để biểu diễn chiều
dài W1 và độ rộng L1 vật lý của đường dây với trở kháng đặc tính lối vào ??????
��=
50??????. Khối MLIN TL2 và TL3 có chiều dài và độ rộng vật lý đường dây của trở
kháng đặc tính lối ra ??????
���=50?????? lần lượt tại cổng 2 và cổng 3 của mạch bằng với
chiều dài và độ rộng của TL1.
Tiếp theo ta xây dựng 2 khối MCURVE là Curve1, Curve2 - đường cong được
mô hình hóa trong miền tần số như một đoạn tương đương của đường thẳng
microstrip. Microstrip được mô hình hóa bằng các thành phần của khối NLIN,
bao gồm suy hao dây dẫn, suy hao điện môi và phân tán. Độ rộng đường dây được
sử dụng để tính toán suy hao của dây dẫn. Chiều dài của đoạn thẳng microstrip
tương đương bằng tích bán kính đường tâm và góc.
Để phân tích dựa trên thực nghiệm ta dây dựng các khối MTEE gắn vào mỗi
đoạn chuyển mạch.
• Tính toán độ rộng và chiều dài từng khối
Sử dụng công cụ tính toán đường truyền LineCalc của phần mềm AES để tính
các thông số của từng khối. Các thông số của mạch in được điền giống thông số
của Msub, tần số trung tâm ����=3 ��??????, tham số điện �
??????��=90°. Ứng với
TL1, TL2, TL3, trở kháng là ??????0=50??????. Ứng với Curve1, Curve2, trở kháng là

15. 15

√2??????
0 nên ??????0=70,7107??????. Sau khi nhập số liệu xong, ta thu được kết quả W, L
ở mục Physical như hình II.2-2 và II.2-3.

Hình II.2-2: Sử dụng LineCalc để tính toán chiều dài và độ rộng của các khối MLIN TL1, TL2, TL3


Hình II.2-3: Sử dụng LineCalc để tính toán độ rộng của khối MCURVE Curve1, Curve2
Số liệu tổng hợp của trở kháng đặc trưng được thống kê trong bảng sau đây:

16. 16

Khối Tên
khối
W1 (mm) W2 (mm) W3 (mm) L (mm) Góc R
(mm)
MLIN TL1 3.110470 13.771500
MLIN TL2 3.110470 13.771500
MLIN TL3 3.110470 13.771500
MCURVE Curve1 1.629370 90 7,45
MCURVE Curve2 1.629370 90 7,45
MTEE Tee1 1.629370 1.629370 3.110470
MTEE Tee2 1.629370 3.110470 2.3
MTEE Tee3 3.110470 1.629370 2.3
Bảng II.2-2: Số liệu của trở kháng đặc trưng
• Thiết kế mạch:
Sau khi tính toán các số liệu xong, ta tiến hành vẽ mạch (các khối, ghép nối và
thay các số liệu đã tính được vào các khối). Ngoài ra ta tạo thêm khối phụ S-
PARAMETERS với dải tần 1- 6 GHz, với bước nhảy 10 MHz. Mạch chia công
suất kiểu cầu Wilkinson sau khi thiết kế được thể hiện trong hình sau:

Hình II.2-4: Sơ đồ nguyên lý mạch chia công suất Wilkinson

17. 17

Sử dụng layout để xuất ra file mô phỏng của mạch chia công suất Wilkinson
như hình II.2-5:

Hình II.2-5: Sơ đồ mạch in của bộ chia công suất kiểu cầu Wilkinson
• Mô phỏng mạch chia công suất Wilkinson
Kết quả mô phỏng bao gồm các đồ thị về tổn hao trả về (return loss) được thể
hiện trong hình II.2-6, suy hao lối vào-lối ra (insertion loss) như hình II.2-7 và sự
cách ly giữa hai cổng như mô tả trên hình II.2-8.

Hình II.2-6: Đồ thị của tổn hao trả về (return loss)
Đối với bộ chia công suất Wilkinson, tất cả các cổng đều phù hợp với return
loss là −35 �??????, ít hơn 1,15% công suất phản hồi trở lại.

18. 18


Hình II.2-7: Đồ thị tổn hao lối vào và lối ra (insertion loss)
Từ kết quả ta thu được các giá trị của tham số �
12=�
21=�
13=�
31=
−3,17 �?????? tại tần số 3 GHz, cho ta thấy suy hao lối vào và lối ra so với sự tổn hao
thực nghiệm là không đáng kể. Công suất đầu ra giữa hai đầu ra các cổng khác
biệt khoảng 0,17 �?????? so với tần số trung tâm (không cần bằng về biên độ).

Hình II.2-8: Đồ thị thể hiện sự cách ly giữa hai đầu (isolation)
Giá trị nhỏ nhất ����
23=����
32=−61.852 �?????? và tại tần số trung tâm
là �
23=�
32=−38.004 �?????? cho thấy sự cách ly giữa hai cổng đầu ra là rất tốt.

19. 19

III. Tổng Kết
Qua bài mini-project này, chúng ta hiểu rõ hơn về bộ chia công suất nói
chung và bộ chia kiểu Wilkinson nói riêng. Qua đó, ta nắm rõ những nguyên lý
cũng như phương pháp thiết kế và mô phỏng một bộ chia công suất Wilkinson.
Đặc biệt, nâng cao kiến thức và kỹ năng sử dụng phần mềm thiết kế mô phỏng
trong kỹ thuật siêu cao tần.

20. 20

Tài liệu tham khảo
[1] David M.Pozar, “Microwave Engineering”, John Willey&Son, INC, Second
Edition;
[2] Taufiqqurrachman, Deni Permana Kurniadi, “Design and Realization
Wilkinson Power Divider at Frequency 2400MHz for Radar S-Band”, IOSR
Journal of Electronics and Communication Engineering (IOSR-JECE), Volume
3, Issue 6 (Nov. - Dec. 2012), PP26-30;
[3] Đồng Văn Tới, “Thiết kế, chế tạo bộ khuyếch đại công suất dùng cho máy
phát chuyển tiếp truyền hình băng tần UHF”, Khóa luận tốt nghiệp;
[4] Bạch Gia Dương, Trương Vũ Bằng Giang, “Kỹ thuật siêu cao tần”, NXB
Đại học Quốc gia Hà Nội.