Mô phỏng Tham số S của Mạng Ghép Nối Trở Kháng

Mạng lưới khớp trở kháng là quan trọng cho việc truyền tải công suất và ngăn chặn sự phản xạ. Thay vì xem xét về truyền tải công suất, điện áp, và dòng điện, kỹ sư RF thường xem xét các thông số S để đánh giá mạch khớp trở kháng như là mạng 2 cổng. Cụ thể, các đại lượng liên quan đến việc khớp trở kháng thường là tổn hao chèn và tổn hao trở lại, có thể được tính toán sử dụng các thông số S cho một mạng khớp trở kháng 2 cổng.

Ở đây, tôi sẽ mở rộng về một bài viết trước và sử dụng bộ công cụ mô phỏng SPICE trong Altium Designer để thiết kế một mạng LC đơn giản và mô phỏng hành vi của nó. Đối với các thao tác phức tạp, bạn có thể dễ dàng xuất dữ liệu mô phỏng từ Altium Designer và sử dụng nó trong bất kỳ chương trình phân tích nào khác. Điều này sẽ cho phép bạn trích xuất các thông số S rộng băng tần dưới dạng các hàm của tần số và dễ dàng chuyển đổi chúng thành tổn hao chèn và tổn hao trở lại.

Các thông số S cho Mạng Khớp Trở Kháng

Việc khớp trở kháng có thể được đánh giá theo nhiều cách. Đối với các phần tử mạch được đặt nối tiếp, trở kháng được khớp khi trở kháng đầu vào và tải là liên hợp phức của nhau. Trong hầu hết các tình huống thực tế, điều này chỉ xảy ra trong một băng thông hẹp, và bạn hiếm khi có được sự khớp băng thông rộng mà không cần đến bộ lọc cấp cao hơn. Mục tiêu thiết kế thường là đưa tổn hao chèn càng gần 0 dB càng tốt (S21 → 1), và đưa tổn hao phản hồi càng xa dưới một ngưỡng nào đó càng tốt (thường là dưới -10 dB, hoặc S11 → 0).

Sơ đồ dưới đây cho thấy mạng lưới khớp trở kháng mà chúng ta muốn mô phỏng. Ở đây, mục tiêu là xác định tần số cho sự khớp trở kháng tối ưu bằng cách trích xuất các tham số S, tổn hao chèn, và tổn hao phản hồi. Tại đây, nguồn được thiết lập với biên độ 1 V, và quét tần số sẽ được sử dụng để xác định tổn hao chèn và tổn hao phản hồi.

Tổn Hao Chèn và Tổn Hao Phản Hồi

Trong trường hợp không có mạng lưới, công suất tiêu thụ bởi điện trở tải R2 có thể được tính toán dễ dàng từ các phép đo của chúng tôi. Chúng tôi muốn mô phỏng công suất tiêu thụ qua tải trong trường hợp có mạng lưới khớp, có thể được định lượng bằng cách sử dụng tổn thất chèn và S21. Chúng tôi cũng cần công suất được đưa vào mạng lưới, có thể được tính toán như dòng điện đầu vào qua R1 và điện áp chênh lệch qua mạch (mạng lưới + tải). Để đánh giá tổn thất chèn và S21, bạn có thể sử dụng công thức sau:

Tổn thất trả về và S11 có thể được tính toán bằng cách xem xét bất kỳ phản xạ nào giữa trở kháng đầu vào và trở kháng mạng lưới khớp + tải.

Tại đây, chúng ta biết giá trị của Z0 là trở kháng nguồn tại đầu vào mạng (50 Ohm), và chúng ta cần tính toán Znetwork, đó là trở kháng đầu vào của mạng (nói cách khác, trở kháng mạng + tải). Điều này sẽ cho chúng ta S11 và S21, là hai trong số các tham số quan trọng cho mạng khớp trở kháng này. Lưu ý rằng mạng này là có tính chất đối xứng ngay cả khi không có sự đối xứng trong sắp xếp các phần tử mạch. Chúng ta luôn có mối quan hệ đơn giản giữa S12 = S21, nhưng chúng ta có thể không có sự tương đương tương tự cho S11 và S22. Bởi vì đây là trường hợp, bạn có thể xác định các tham số S cho các cổng khác bằng cách di chuyển nguồn sang phía bên kia của mạng và bằng cách đặt tải 70 Ohm như là trở kháng nguồn.

Bắt đầu

Để bắt đầu, tạo một hồ sơ MixedSim và thiết lập quét tần số. Tại đây, chúng ta muốn quét tần số từ 100 MHz đến 1 GHz. Chạy mô phỏng của bạn bằng cách chọn tùy chọn từ menu Simulate, hoặc nhấn F9 trên bàn phím của bạn. Kết quả quét AC của tôi được hiển thị trong biểu đồ dưới đây. Biểu đồ trên cùng hiển thị công suất tiêu thụ qua điện trở, sẽ được sử dụng để tính toán mất mát chèn. Điều này được tính toán bằng cách đơn giản là chọn sóng r2[p].

Biểu đồ dưới cùng hiển thị tổng trở của mạng ghép nối + tải, sẽ được sử dụng để tính toán mất mát trở lại tại đầu vào. Điều này phải được tính toán bằng cách lấy sự sụt áp qua toàn bộ mạng (sóng netl1_1), và chia điều này cho dòng điện chảy vào mạng (sóng l1[i]).

Tại đây, công suất phân tán tối đa qua tải được thấy ở khoảng ~448 MHz, vì vậy chúng ta có thể mong đợi thấy một điểm tối thiểu trong phổ tổn hao chèn tại điểm đó. Để tiến xa hơn, bạn có thể sử dụng tính năng phân tích sóng để tính toán kết quả của mình, hoặc bạn có thể xuất dữ liệu của mình dưới dạng tệp .CSV để sử dụng trong một chương trình bên ngoài. Tôi đã quyết định đưa kết quả của mình vào Excel cho tiện lợi. Để làm điều này, đi tới File → Export → Chart, và chọn tùy chọn “Complex” để xuất phần thực và phần ảo của dữ liệu bạn. Biểu đồ dưới đây cho thấy độ lớn và pha của S11 và S21. Những giá trị này có thể được chuyển đổi dễ dàng sang tổn hao chèn sử dụng các công thức ở trên.

Tại đây, trở kháng được khớp gần nhất ở khoảng ~445 MHz và S11 vẫn khá phẳng qua một băng thông khoảng ~200 MHz, điều này phù hợp với dữ liệu công suất được hiển thị trong các biểu đồ ở trên. Tuy nhiên, S11 vẫn khá cao (tối thiểu là 0.452, hoặc tổn hao trả về -7 dB), chỉ ra một số sự không khớp còn lại. Cách tiếp tục tiến xa hơn là lặp qua các giá trị linh kiện khác nhau sử dụng quét tham số; cuộn cảm đầu tiên và tụ điện đầu ra là những nơi tốt để bắt đầu.

Một cách khác để xem xét tổn thất chèn, tổn thất phản hồi và các thông số S là coi mạng lưới khớp trở kháng như một bộ lọc với nguồn và tải khớp. Khi thiết kế mạng lưới trên như một bộ lọc, bạn có thể xác định trở kháng hoặc hàm truyền sử dụng cùng một bước được hiển thị ở trên. Điều này bao gồm việc loại bỏ các điện trở nguồn và tải và mô phỏng mạng lưới T một mình. Bạn có thể sử dụng cùng một quy trình khi mô phỏng khớp trở kháng cho tải điện dung hoặc điện trở. Trong mọi trường hợp, nếu bạn muốn đảm bảo tổn thất công suất phản xạ tối thiểu, mục tiêu của bạn là xem xét tần số của mạng lưới khớp trở kháng tại đó khớp nối phản hồi với tải xảy ra.

Ví dụ được hiển thị ở đây tận dụng các tính năng mô phỏng trước khi bố trí trong Altium Designer®. Khi bạn sử dụng nền tảng thiết kế PCB mạnh mẽ này, bạn sẽ có quyền truy cập vào các công cụ CAD giúp bạn lấy các thiết kế mạng lưới khớp của mình và đặt chúng vào một bố trí PCB thực tế. Bạn cũng sẽ có các công cụ cần thiết để nhập dữ liệu của mình vào một bố trí mới và bắt đầu thiết kế PCB của bạn.

Giờ đây, bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ lập kế hoạch sản xuất, mô phỏng và bố trí tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm.