Cách Thiết kế Taper Đường Truyền RF để Ghép Nối Trở Kháng

Hãy tìm hiểu trực tuyến về các chủ đề liên quan đến việc khớp trở kháng, và một trong những chủ đề bạn chắc chắn sẽ gặp phải là việc sử dụng các đoạn đường truyền để khớp trở kháng. Tôi đã viết một bài viết gần đây đi sâu vào chủ đề này (bạn có thể đọc nó tại đây), và tôi đã giải thích tại sao những đoạn đường truyền này chỉ có thể khớp với các tín hiệu hẹp băng. Tóm lại, bởi vì trở kháng đầu vào của đường truyền rất nhạy cảm với bước sóng của tín hiệu lan truyền, việc khớp trở kháng chỉ hoàn hảo ở một tần số duy nhất và các bội số cấp cao hơn của nó.

Vậy nếu bạn có một tín hiệu rộng băng mà bạn cần cấp vào một tải không khớp? Đây là một thách thức lớn trong thiết kế RF, đặc biệt là ở các tần số rất cao. Ví dụ, trong các hệ thống radar và trong các hệ thống 5G ở các băng tần mmWave, các thành phần cần cấp tín hiệu qua các via để đạt đến một ăng-ten hoặc một thành phần. Tùy thuộc vào vị trí tương đối giữa các yếu tố truyền nhận, bộ khuếch đại công suất RF, và ăng-ten hoặc bộ phát, một cấu trúc via hoặc một cấu trúc sóng dẫn có thể cần thiết để định tuyến tín hiệu.

Một taper là một cấu trúc đường truyền có thể được sử dụng để cấp tín hiệu băng thông rộng giữa hai cấu trúc đường truyền, hoặc giữa một đường truyền và một tải, với sự phản xạ tối thiểu. Chức năng của một taper là cung cấp các trận đấu trở kháng sau:

1. Giữa hai đường truyền với độ rộng khác nhau, nhưng trở kháng giống nhau
2. Giữa hai đường truyền với độ rộng và trở kháng khác nhau
3. Giữa một đường truyền và một cấu trúc via với trở kháng khác nhau
4. Giữa một đường truyền và một cấu trúc RF khác với trở kháng khác nhau
5. Giữa một đường truyền và một thành phần tải với trở kháng khác nhau

Trong khi không có đủ không gian để bao quát mọi tình huống thiết kế taper được liệt kê ở trên, tôi sẽ cố gắng hết sức để bao quát hai loại taper phổ biến: taper tuyến tính và taper Klopfenstein.

Cách Taper Đường Dẫn RF Khớp Trở Kháng

Một taper đường dẫn RF có thể được sử dụng để khớp hai trở kháng, thường là giữa hai phần đường truyền với trở kháng khác nhau. Mục tiêu trong thiết kế taper là khái niệm đơn giản: thiết kế hồ sơ độ rộng đường dẫn sao cho hệ số phản xạ nhìn vào taper và dao động passband dưới một giá trị mục tiêu nào đó trong một băng thông nhất định.

Thông thường, bạn sẽ tìm thấy bốn loại taper được sử dụng trong PCB RF:

1. Dạng tuyến tính
2. Dạng đa thức
3. Dạng mũ
4. Dạng Klopfenstein

Các hình dạng được định nghĩa trong các dạng này ám chỉ đến hồ sơ trở kháng, nghĩa là hình dạng của đường cong trở kháng so với chiều dài khi được đặt lên một đồ thị. Như được hiển thị bên dưới, điều này không luôn luôn trực tiếp dịch thành cùng một hình dạng trên PCB. Trong các trường hợp cực đoan, ngay cả một dạng tuyến tính cũng sẽ không có đường cong trở kháng tuyến tính.

Hai dạng phổ biến, dạng tuyến tính và dạng Klopfenstein, sẽ được thảo luận thêm bên dưới.

Cách Dạng hoạt động

Các dạng không truyền tải công suất ở tất cả các tần số. Thay vào đó, chúng hoạt động như bộ lọc cao qua với một lượng tổn thất nhỏ gần DC. Thực tế, một dạng là trường hợp giới hạn của vô số các đoạn đường truyền nối tiếp với nhau, mỗi đoạn có chiều dài tiến tới không và số lượng đoạn tiến tới vô cùng. Điều này tạo ra hành vi bộ lọc cao qua cấp cao tương đương. Trong một số dạng, như dạng mũ và dạng Klopfenstein, bạn sẽ thấy sóng trong băng thông của dạng.

Mục tiêu trong các thiết kế taper này là giới hạn hệ số phản xạ tại cổng vào để dưới một giá trị mục tiêu nào đó. Điều này được thực hiện bằng cách chọn một chiều dài taper phù hợp sao cho chiều dài taper dài hơn nhiều so với bước sóng của tín hiệu. Điều này đảm bảo rằng tín hiệu nhìn thấy sự chuyển tiếp trở kháng mượt mà dọc theo taper, thay vì một sự không khớp trở kháng lớn ở phía cuối tải của taper.

Trong một số trường hợp, sẽ có các tần số cụ thể nơi mà sự truyền dẫn mạnh mẽ (hệ số phản xạ gần bằng không) được quan sát. Những điều này có xu hướng là các băng thông cao-Q. Một ví dụ về hiệu ứng này trong một taper Klopfenstein được hiển thị dưới đây.

Nếu bạn suy nghĩ về cách thức hoạt động của những cấu trúc này, bạn sẽ thấy rõ rằng chúng đang cung cấp sự biến đổi trở kháng phụ thuộc vào bước sóng dọc theo chiều dài của taper. Điều này cho chúng ta ba tham số cần được chọn khi thiết kế một sự chuyển tiếp taper giữa một đường truyền và điểm đến của nó:

• Tần số băng thông tối thiểu (f-min)
• Hồ sơ chiều rộng taper (dW/dl) hoặc hồ sơ trở kháng taper (dZ/dl)
• Trở kháng ghép mục tiêu

Quy trình Thiết kế Taper RF

Trên một tần số cắt nhất định (f-min), taper sẽ có hệ số phản xạ rất thấp, trong khi hệ số phản xạ có thể không bằng không gần DC. Khi taper dài hơn, thì f-min sẽ nhỏ hơn. Quy trình thiết kế thực tế là một chút phức tạp hơn và tiến hành như sau:

1. Chọn một tần số tín hiệu cho taper của bạn
2. Chọn một hồ sơ trở kháng trên chiều dài của taper
3. Tính toán gradient trở kháng và gradient hệ số phản xạ
4. Sử dụng kết quả từ #3 để tính toán hồ sơ chiều rộng với phép tích phân được hiển thị dưới đây
5. Mở rộng giới hạn tích phân (nghĩa là làm cho taper dài hơn) cho đến khi bạn thấy hệ số phản xạ thấp chấp nhận được ở tần số tín hiệu của bạn

Hệ số phản xạ điển hình được xác định từ trở kháng đầu vào tại đầu vào taper có thể rất thấp, ít hơn 0.05 cho một số hồ sơ taper nhất định tại đỉnh gợn sóng trong băng thông qua. Điều này có thể được thấy trong kết quả ví dụ được hiển thị ở trên.

Các Loại Taper Đường Dẫn RF

Taper Tuyến Tính

Thuật ngữ "linear taper" ám chỉ đến hai loại taper: một taper có hình dạng tuyến tính, và một taper có độ dốc trở kháng tuyến tính. Đối với các microstrip có chiều rộng đủ lớn như được định nghĩa trong phương trình effective Dk cổ điển, hình dạng của một taper với độ dốc tuyến tính cũng sẽ rất gần với hình dạng tuyến tính.

Một ví dụ với hình dạng taper tuyến tính được hiển thị dưới đây. Những hình dạng taper này được áp dụng như các đa giác giữa các phần tử khác nhau trên PCB. Chiều dài được chọn dựa trên giá trị f-min yêu cầu cho băng thông qua như được mô tả dưới đây.

Để bắt đầu thiết kế taper tuyến tính, trước tiên nhận ra rằng một taper có trở kháng đặc trưng là một hàm số của chiều dài dọc theo taper. Sử dụng trở kháng ở phía nguồn và phía tải, chúng ta có thể định nghĩa hàm số sau cho hồ sơ trở kháng tuyến tính dọc theo taper, nơi L là tổng chiều dài:

Bây giờ chúng ta có tất cả mọi thứ cần thiết để tính toán hệ số phản xạ dọc theo chiều dài của taper. Để làm điều này, chúng ta áp dụng một sự dịch chuyển pha dọc theo chiều dài của taper như là một hàm số của hằng số truyền dẫn và hồ sơ trở kháng được định nghĩa ở trên. Điều này đòi hỏi việc đánh giá tích phân sau:

Tích phân trên giả định rằng taper của bạn sẽ được thiết kế ngắn đủ để có thể bỏ qua các tổn thất.

Tích phân này được sử dụng để tính hệ số phản xạ cho bất kỳ hồ sơ trở kháng nào. Tại đây, chúng ta có tần số góc và tốc độ ánh sáng dọc theo đường truyền trong hàm mũ. Biểu thức kết quả được đánh giá từ tích phân này cho bạn một hệ số phản xạ cho các cặp L và ⍵ khác nhau. Bạn có thể cơ bản chọn tần số tín hiệu của mình và sau đó đánh giá tích phân trên một cách số học bằng cách mở rộng giới hạn tích phân cho đến khi bạn nhận được một giá trị chấp nhận được cho hệ số phản xạ. Để giúp bạn thực hiện tích phân trên, bạn có thể tải xuống bảng tính máy tính taper dấu vết microstrip để sử dụng trong Excel.

• Tải xuống bảng tính máy tính taper microstrip miễn phí.

Sau khi bạn có hệ số phản xạ, bạn có thể sử dụng nó để tính toán các tham số S bằng cách so sánh với trở kháng đường dẫn của bạn. Một ví dụ được hiển thị bên dưới.

Ví dụ về Taper Tuyến tính ở 80 GHz

Kết quả mô phỏng từ Simbeor được trình bày dưới đây cho thấy dữ liệu S11 cho một taper tuyến tính nhắm đến ứng dụng 80 GHz. Taper này đạt đến giới hạn trên của những gì thường có thể được sản xuất với các lớp mỏng trong một bảng RF với giao diện số, nhưng kết quả cho thấy rằng có thể thiết kế các taper với tần số hoạt động rất cao và băng thông vừa phải. Tính đến thời điểm viết bài này, bảng bao gồm thiết kế taper này đang trong quá trình sản xuất.

Trong ví dụ thiết kế dạng tuyến tính này, chúng ta có sự khớp trở kháng rất mong muốn từ 77,5 GHz đến 83,75 GHz, hoặc gần 10% của một sóng mang 80 GHz, nơi giới hạn băng thông đã được thiết lập là S11 = -10 dB. Đây là băng thông vượt trội so với những gì bạn sẽ thấy với một đường truyền sóng tứ phần thực tế để khớp trở kháng.

Các tham số cho taper này là:

• Loại taper: microstrip
• Chiều dài taper: 15,3 mm
• Tần số thấp nhất: 67 GHz
• Phản xạ tối đa trong băng thông qua: 0.01
• Trở kháng ghép nối mục tiêu: 37.5 Ohms tại 80 GHz
• Trở kháng đường dẫn: 50 Ohms

Tại sao chúng ta không nhận được băng thông rộng hơn trong kết quả trên? Lý do là trở kháng tải trong ví dụ này không có một phổ trở kháng phẳng, nó thay đổi mạnh xung quanh 80 GHz, vì vậy điều kiện để ghép nối ở một tần số khác không được đáp ứng với taper này. Trong ví dụ này, tải là một cấu trúc via xuyên lỗ cần phải truyền tín hiệu 80 GHz qua một tấm bảng 62 mil với 8 lớp. Trở kháng của via thay đổi theo tần số xung quanh tần số mang 80 GHz, vì vậy chúng ta sẽ không có sự ghép nối hoàn hảo xa tần số 80 GHz. Đây chính xác là những gì chúng ta thấy trong kết quả mô phỏng trên.

Klopfenstein Taper

Loại giảm dần dấu vết này áp dụng một cách tiếp cận khác để xác định các tham số thiết kế. Thay vì thiết lập một độ giảm cụ thể về trở kháng hoặc hồ sơ chiều dài và cố gắng giảm thiểu trở kháng đầu vào, quy trình toán học thiết lập một giới hạn trên cho giá trị S11 được phép và trả về hồ sơ cần thiết để khớp trở kháng đầu vào và đầu ra. Chiều dài được thiết lập bởi bước sóng được nhắm đến cho việc khớp trở kháng. Những hồ sơ này thường có thể trả về việc khớp trở kháng dưới -20 dB trong suốt băng thông.

Các giảm dần Klopfenstein có một hồ sơ không tuyến tính như đã hiển thị ở trên. Toán học đằng sau điều này không quá phức tạp, nhưng nó rộng lớn với rất nhiều giá trị cần theo dõi trên đường đi. Hãy xem trang này từ Microwaves 101, nó chứa một bảng tính sẽ tính toán băng thông và dao động cho các giảm dần Klopfenstein.

Các Hồ sơ Giảm dần Khác

Về mặt kỹ thuật, bất kỳ hồ sơ trở kháng hoặc hình dạng hồ sơ nào cũng có thể được sử dụng để thiết kế một giảm dần. Nếu bạn theo quy trình được trình bày ở trên cho giảm dần tuyến tính, và bạn sử dụng phương trình hệ số phản xạ được trình bày ở trên, thì bạn có thể tính toán hệ số phản xạ cho bất kỳ hồ sơ trở kháng giảm dần nào.

Nếu bạn muốn bắt đầu với một hồ sơ chiều rộng cụ thể, bạn có thể lấy gradient trở kháng sử dụng quy tắc chuỗi:

Điều này là bởi vì trở kháng đặc trưng là một hàm số của chiều rộng, và chiều rộng cũng là một hàm số của chiều dài. Trong trường hợp này, bạn có thể chọn hoặc là hồ sơ chiều rộng dW/dl tăng dần, hoặc là hồ sơ trở kháng dZ/dl. Ví dụ, một hồ sơ trở kháng theo hàm mũ sẽ có băng thông hàm sinc với các tần số đầu vào cụ thể sẽ tạo ra hệ số phản xạ gần như bằng không.

Đạo hàm dZ/dW nên được biết; nó có thể được tính toán dễ dàng trực tiếp từ các phương trình cổ điển cho trở kháng microstrip và stripline (giả định sự truyền sóng TEM). Đối với các đường truyền tín hiệu phức tạp hơn, đạo hàm cũng sẽ phức tạp hơn và có thể yêu cầu lấy đạo hàm của một tích phân elliptic loại đầu tiên (ví dụ, xem sách giáo khoa Transmission Line Design Handbook của Wadell để tham khảo các ví dụ liên quan đến đường dẫn đồng mặt phẳng).

Sau khi bạn đã xác định được hồ sơ chiều rộng của phần giảm dần, bạn có thể dễ dàng đặt nó vào bố cục PCB của mình với các công cụ CAD trong Altium Designer^®. Bạn có thể vẽ phần giảm dần trực tiếp trong bố cục PCB, hoặc bạn có thể nhập nó từ một chương trình phác thảo khác và đặt nó như một khu vực đồng. 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 ngay hôm nay.