Thiết kế Bộ biến đổi Tứ phần sóng cho Tải thực và Tải phản kháng

Hệ thống RF hoạt động với các giá trị trở kháng cụ thể trên toàn bộ các kết nối, bao gồm cả trên PCB. Không phải tất cả các thành phần RF đều được đóng gói trong các mạch tích hợp với trở kháng xác định, do đó cần có mạch và đoạn dây kết nối trở kháng để đảm bảo truyền tải tín hiệu giữa các phần khác nhau của kết nối. Một trong những kỹ thuật khớp trở kháng này là bộ biến đổi trở kháng bốn phần tư sóng, có thể được thực hiện dưới dạng một vết in với trở kháng cụ thể.

Bộ biến đổi trở kháng cung cấp một lựa chọn cao-Q cho việc khớp trở kháng ngay tại một tần số mục tiêu. Nó thường được thực hiện như một phần tử khớp giữa một đường truyền và một tải thực. Tuy nhiên, nó cũng có thể được sử dụng để khớp một bộ truyền và bộ nhận với trở kháng đầu vào/đầu ra thực. Có một ứng dụng khác với một đoạn đường truyền bổ sung nơi bộ biến đổi bốn phần tư sóng có thể được sử dụng để khớp một tải với trở kháng phức tạp với một trở kháng thực.

Cách Hoạt Động của Khớp Trở Kháng Bốn Phần Tư Sóng

Kỹ thuật khớp trở kháng bước sóng một phần tư là một phương pháp được sử dụng trong thiết kế PCB RF. Nó phù hợp khi một tín hiệu RF hoạt động ở một tần số duy nhất, hoặc với băng thông rất hẹp (xem thêm bên dưới về điều này). Một bộ biến đổi trở kháng bước sóng một phần tư là một đường truyền có chiều dài bằng một phần tư bước sóng của tín hiệu di chuyển vào tải. Phần này của đường truyền được đặt giữa đường cấp tín hiệu khớp và một tải.

Điều gì xảy ra tiếp theo phụ thuộc vào việc tải có phải là thuần trở hay phản kháng, cũng như phần cấp tín hiệu có phản kháng hay không. Kỹ thuật biến đổi trở kháng bước sóng một phần tư thường được sử dụng trong ba tình huống:

1. Khớp một đường truyền với một tải thuần trở
2. Khớp một nguồn thuần trở với một tải thuần trở
3. Khớp một đường truyền với một tải phức tạp, nhưng điều này yêu cầu một phần đường truyền bổ sung

Sơ đồ dưới đây cho thấy một ví dụ về đường truyền bước sóng một phần tư được đặt giữa trở kháng nguồn và tải tùy ý.

Chiều dài của phần đường truyền giữa chính xác bằng một phần tư bước sóng của tín hiệu trên PCB. Điều này có nghĩa là:

• Đường bước sóng một phần tư chỉ hoạt động ở bước sóng một phần tư hoặc các bội số lẻ của bước sóng một phần tư. Chúng hoạt động như các bộ lọc thông băng Q cao với trở kháng đầu vào 50 Ohm.

Chức năng của phần này của đường truyền là để khớp trở kháng đầu vào ở đầu phần bốn phần tư sóng sao cho bằng với trở kháng của bộ điều khiển hoặc đường dẫn tín hiệu. Trở kháng của đường dẫn tín hiệu có thể là bất cứ giá trị nào mà nhà thiết kế mong muốn (thường là 50 Ohm). Mục tiêu thiết kế của bạn là đặt trở kháng của phần bốn phần tư sóng (Zq) để lấy một giá trị cụ thể sao cho Zin = ZS.

Điều quan trọng cần lưu ý về bộ biến đổi bốn phần tư sóng là tất cả các đường truyền trên lớp PCB đều có phản ứng trong trở kháng của chúng, nhưng phần phản ứng này nhỏ so với phần trở của đường truyền. Ví dụ, hãy xem xét hằng số điện môi thường được trích dẫn của lớp FR4 (𝜀 = 4.4 + 0.02i, và sẽ có một giá trị Dk hiệu quả cho microstrips). Đường truyền trên các lớp PCB thực tế sẽ trải qua một số mất mát và do đó luôn có một phần phản ứng nhỏ trong trở kháng của chúng, nhưng phần phản ứng này rất nhỏ với X/R

Nếu trở kháng tải hoàn toàn thực, hoặc chỉ có phản ứng rất nhỏ, thì một đường truyền sóng tứ phần trên PCB có thể được sử dụng để trực tiếp khớp trở kháng của tải với đường dẫn hoặc với một bộ kích. Điều này là bởi vì trở kháng khớp cần thiết cũng sẽ là thực, và việc thiết kế một đường truyền có trở kháng gần như thực là dễ dàng. Tuy nhiên, nếu trở kháng tải là phức tạp, một phần đường truyền thêm sẽ cần thiết để trước tiên biến đổi trở kháng tải thành giá trị thực, và sau đó bộ biến đổi sóng tứ phần được sử dụng để khớp với giá trị mục tiêu.

Tải (Cản) Thực

Nếu trở kháng tải hoàn toàn thực, thì một bộ biến đổi trở kháng sóng tứ phần có thể được sử dụng trực tiếp mà không cần thêm bất kỳ phần đường truyền hay linh kiện nào. Sơ đồ dưới đây cho thấy cách thực hiện một đường sóng tứ phần cho việc khớp trở kháng giữa một đường truyền và một trở kháng tải thực.

Cùng một sơ đồ và quy trình có thể được sử dụng để kết thúc một ổ đĩa và một tải với các trở kháng thực khác nhau; chúng ta chỉ cần thay thế đường truyền Z0 bằng một bộ kích có trở kháng đầu ra của Z0. Đây là một trường hợp không điển hình, nhưng kỹ thuật này có thể thực hiện được với cùng một quy trình được hiển thị dưới đây.

Nếu chúng ta tạm thời bỏ qua sự mất mát, điều này phù hợp với các đường truyền ngắn và tần số thấp, thì trở kháng đầu vào được đánh giá là:

Giá trị cuối cùng trong hình trên là trở kháng của đường dây dài một phần tư bước sóng để đặt trước tải. Bạn có thể sau đó sử dụng máy tính để xác định chiều rộng dây cần thiết để đạt được giá trị trở kháng đó.

Giá trị được liệt kê ở trên không chính xác, nhưng nó gần như chính xác. Trên thực tế, trở kháng mục tiêu sẽ hơi phản ứng vì bạn đang lấy tang hyperbol của một số phức trong phương trình trở kháng đầu vào. Do đó, bạn sẽ kết thúc việc tính toán một mục tiêu trở kháng phức tạp mà bạn sẽ không bao giờ có thể đạt được một cách hoàn hảo. Trong cách xử lý thông thường của một bộ biến đổi trở kháng bước sóng một phần tư, điều này được bỏ qua và hệ thống được coi là không mất mát.

Tải Phản Ứng

Nếu trở kháng tải có một thành phần phản ứng, thì một bộ biến đổi trở kháng bước sóng một phần tư không thể được sử dụng trực tiếp. Thay vào đó, chúng ta sẽ cần một đoạn dây truyền khác giữa bộ biến đổi bước sóng một phần tư và tải:

Giống như trường hợp của một trở kháng tải thực, cùng một quy trình áp dụng cho một trình điều khiển bằng cách thay thế dây truyền Z0 bằng một trình điều khiển có trở kháng đầu ra của Z0.

Vấn đề này càng phức tạp hơn vì nó đòi hỏi phải giải quyết γ1l trong phương trình sau cho một giá trị Z1 được chọn. Một giải pháp dễ dàng trong thiết kế đường truyền là chọn Z1 = Z0 và xác định γ1l thông qua thử và sai, hoặc bằng cách vẽ đồ thị Im[Zin(1)] lên một đồ thị.

Theo lý thuyết, có vô số độ dài và chiều rộng của đường truyền sẽ thỏa mãn phương trình trên vì tanh(z) là một hàm tuần hoàn khi z là một số phức, đây là trường hợp chung cho bất kỳ đường truyền nào có tổn thất. Giá trị độ dài tốt nhất là độ dài ngắn nhất vẫn đạt được mục tiêu chiều rộng; đường dài ngắn nhất này sẽ có sự tương đồng gần nhất với một đường truyền không tổn thất.

Sau khi tìm được độ dài này, bạn có thể sử dụng phương pháp khớp trở kháng bốn phần tư bước sóng tiêu chuẩn để có kết quả sau:

Đừng quên, trong phương trình trên chúng ta đã áp đặt điều kiện Z(in)2 = Z0 vì chúng ta muốn khớp trở kháng.
Một khi trở kháng được biết, độ trễ truyền sóng sẽ được biết, và sau đó một bước sóng bốn phần tư cho đường dây đó có thể được tính toán. Điều này hoàn thành vấn đề thiết kế và bạn giờ đây có một khớp bước sóng bốn phần tư.

Hạn chế của Khớp Trở Kháng Bốn Phần Tư Bước Sóng

Khía cạnh quan trọng nhất của việc ghép nối bằng bộ biến đổi dài một phần tư bước sóng là sự đơn giản bởi vì không cần thêm linh kiện nào trong thiết kế; mọi thứ đều được in trực tiếp lên PCB. Tuy nhiên, sự đơn giản này đi kèm với một chi phí mà nên được nhận thức ngay lập tức: những cấu trúc này chỉ hoạt động ở các bội số của (n + 1/4)λ (n = số nguyên lẻ), và chúng ta thường mong muốn cấu trúc ngắn nhất để có sự mất mát tối thiểu trong thiết kế.

Tất cả các đoạn dây truyền tải ghép nối trở kháng bước sóng một phần tư đều có một số nhược điểm:

• Ghép nối Q cao - Như tôi đã đề cập ở trên, những cấu trúc này giống như các bộ lọc thông băng Q cao; chúng chỉ có thể cung cấp sự ghép nối trở kháng chính xác cao ở một phạm vi bước sóng rất hẹp.
• Đường dài cho trở kháng phản ứng - Như chúng ta đã thấy ở trên, cần nhiều đoạn để biến đổi trở kháng tải khi tải có một số phản ứng.
• Trở kháng phản ứng giới hạn S11 - Giá trị S11 thấp nhất có thể được cung cấp bởi những cấu trúc này sẽ bị giới hạn bởi phần phản ứng của trở kháng dây và tải. Nếu những giá trị này bằng không, thì lý thuyết chúng ta sẽ có S11 = 0 (hoặc -∞).

Điểm đầu tiên cần làm rõ lý do tại sao việc ghép nối trở kháng bằng một phần tư bước sóng (hoặc bất kỳ bội số nào khác của bước sóng) chỉ nên được sử dụng cho tín hiệu RF, và cụ thể là chỉ với tín hiệu RF không có điều chế hoặc có điều chế rất hạn chế: chúng giới hạn băng thông ở một giá trị rất nhỏ, không hữu ích cho việc truyền tải tín hiệu số. Khi cần băng thông rộng hơn, một mạch LC (hoặc bộ lọc Pi/T) nên được sử dụng để ghép nối trở kháng, và ngay cả khi đó bạn cũng không có sự ghép nối hoàn hảo với một số tải.

Điểm thứ hai không thực sự là vấn đề ở tần số cao, nhưng lại là một thách thức ở tần số thấp. Xem xét các radio dưới GHz hoạt động ở 900 MHz; bước sóng một phần tư của một đường microstrip hoạt động ở tần số này trên một chất nền Dk = 4 sẽ khoảng 5 cm (giả sử Dk hiệu quả là khoảng 3). Nếu bạn sau đó có một đường khác được nối tiếp với đường này để ghép nối một tải phản kháng, tổng chiều dài của đường nối tiếp có thể từ 5 đến 25 cm. Điều này đòi hỏi một kích thước bảng mạch rất lớn có thể không thực tế ở tần số thấp.

Bảng dưới đây tóm tắt các đặc tính hiệu suất của từng loại ghép nối được nêu trong phần này.

Nếu bạn cần khớp trở kháng với băng thông rộng hơn, bạn có thể xem xét sử dụng một taper để khớp trở kháng. Khớp taper cung cấp cùng một chức năng như một bộ biến đổi trở kháng bước sóng tứ phân, nhưng một số thiết kế taper có thể giới hạn S11 dưới một giá trị tối đa nào đó trên một băng thông rộng hơn so với đường dài bước sóng tứ phân. Kết quả taper tuyến tính dưới đây cho thấy kết quả cho một taper nhắm đến tần số mang 80 GHz.

Tôi sẽ đề cập đến các khía cạnh quan trọng của thiết kế taper trong một bài viết sắp tới. Các cấu trúc taper này quan trọng trong hai khía cạnh: cho việc khớp trở kháng giữa hai đường truyền tín hiệu (hoặc với một tải thực) và cho việc khớp trở kháng qua một chuyển đổi via. Điều sau là nơi tôi đã triển khai các taper trong các thiết kế radar nơi mà các đường cấp dẫn dài cần phải vượt qua các bề mặt trên và dưới của một tấm mạch.

Khi bạn cần thiết kế và định tuyến các phần đường truyền tín hiệu trong thiết kế RF của mình, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế PCB đầy đủ trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ các dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngày hôm nay.