(TIỂU LUẬN) môn học kỹ THUẬT SIÊU CAO tần đề tài tìm HIỂU về ĐƯỜNG TRUYỀN ĐỒNG PHẲNG và ỨNG DỤNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG MÔN HỌC : KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN Đề Tài : TÌM HIỂU VỀ ĐƯỜNG TRUYỀN ĐỒNG PHẲNG VÀ ỨNG DỤNG Sinh viên thực :NGUYỄN TRỌNG CHUYÊN MSV : 18810540008 Giáo viên hướng dẫn : HỒ MẠNH CƯỜNG LỚP : D13DT&KTMT LỜI NÓI ĐẦU Một cột mốc quan trọng ban đầu kỹ thuật vi sóng phát triển ống dẫn sóng đường truyền dẫn khác để truyền tải điện với tần số cao với mức tổn thất thấp Mặc dù Heaviside xem xét khả lan truyền sóng điện từ bên ống rỗng kín vào năm 1893, ơng bác bỏ ý kiến ơng tin hai vật dẫn cần thiết cho việc truyền lượng điện từ Năm 1897, Lord Rayleigh (John William Strutt) chứng minh toán học truyền sóng ống dẫn sóng khả thi mặt cắt ngang hình trịn hình chữ nhật Rayleigh lưu ý có vơ số chế độ ống dẫn sóng loại TE TM tồn tần số cắt, khơng có xác minh thực nghiệm thực vào thời điểm Ống dẫn sóng sau bị lãng quên hai nhà nghiên cứu phát lại cách độc lập vào năm 1936 Sau thí nghiệm sơ vào năm 1932, George C Southworth thuộc Cơng ty AT&T New York trình bày báo ống dẫn sóng vào năm 1936 Cũng họp đó, W L Barrow MIT trình bày báo ống dẫn sóng trịn, với thực nghiệm xác nhận lan truyền Các hệ thống vơ tuyến vi sóng ban đầu dựa vào ống dẫn sóng, đường dây hai dây đường dây đồng trục để truyền dẫn Ống dẫn sóng có ưu điểm khả xử lý cơng suất cao suy hao thấp cồng kềnh đắt tiền, đặc biệt tần số thấp Đường dây hai dây rẻ tiền thiếu lớp che chắn Các đường đồng trục che chắn phương tiện khó để chế tạo thành phần vi sóng phức tạp Các đường truyền phẳng cung cấp giải pháp thay thế, dạng đường dải, đường microstrip, đường rãnh, ống dẫn sóng đồng phẳng số dạng hình học liên quan khác Các đường truyền nhỏ gọn, chi phí thấp có khả tích hợp dễ dàng với thiết bị mạch tích cực, chẳng hạn điốt bóng bán dẫn, để tạo thành mạch tích hợp vi sóng Đường dây dẫn phẳng đường dây đồng trục dải phẳng, tương tự đường dây dải, sử dụng mạng phân chia điện sản xuất Thế chiến thứ hai , đường dây phẳng không phát triển mạnh năm 1950 Dòng microstrip phát triển phịng thí nghiệm ITT đối thủ cạnh tranh dòng dải Các dịng microstrip sử dụng chất điện mơi tương đối dày, làm bật hành vi không chế độ TEM phân tán tần số dòng Đặc tính khiến ưa chuộng so với dải năm 1960, chất mỏng nhiều bắt đầu sử dụng Điều làm giảm phụ thuộc vào tần số đường truyền, đường dây microstrip thường phương tiện ưu tiên cho mạch tích hợp vi sóng MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I : Cơ Sở Lý Thuyết Đường Truyền II : Đường Truyền Đồng Phẳng Coplanar-CPW 1: Khái niệm chung : Đường truyền sóng đồng phẳng 3: Ống dẫn sóng đồng phẳng 4: Ứng dụng ống dẫn sóng đồng phẳng 10 KẾT LUẬN 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 13 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực Đề tài tiểu luận , em tìm hiểu bổ xung học hỏi nhiều kiến thức đường truyền sóng đặc biệt đường truyền đồng phẳng Do điều kiện thời gian kiến thức hạn chế nên tiểu luận em dừng lại mức nghiên cứu, thiết kế mô mô hình Trong thời gian thực , em tham khảo ý kiến giảng viên hướng dẫn, tìm hiểu tài liệu hỗ trợ góp ý từ giảng viên bạn bè anh chị trước Tuy nhiên kiến thức hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót, em mong nhận góp ý q thầy bạn để tiểu luận em hoàn thiện hơn, tạo lập cho em có sở nhìn nhận khả năng, kiến thức, từ có hướng phấn tốt cho đề tài tiểu luận Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện Tử Viễn Thông Trường Đại Học Điện Lực dạy bảo, truyền đạt kiến thức cho chúng em suốt q trình học tập, thầy giúp đỡ tạo điều kiện cho chúng em q trình học mơn học Kỹ thuật siêu cao tần Đặc biệt , em xin gửi lời chân thành cảm ơn đến thầy giáo HỒ MẠNH CƯỜNG – Giảng viên trường Đại học Điện Lực trực tiếp hỗ trợ, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ bổ sung kiến thức cho em trình thực hồn thiện đề tài Trong q trình thực đề tài khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận góp ý thầy bạn Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy cô bạn ! I : Cơ Sở Lý Thuyết Đường Truyền Xét nhiều khía cạnh lý thuyết đường truyền làm cầu nối cho cách biệt phép phân tích trường lý thuyết mạch sở, quan trọng phân tích mạch siêu cao tần Như thấy, tượng lan truyền sóng đường dây tiếp cận từ việc mở rộng lý thuyết mạch, từ biến đổi đặc biệt phương trình Maxwell; Trong khn khổ chương trình trình bày cách tiếp cận từ quan điểm lý thuyết mạch sở truyền lan sóng mơ tả phương trình giống phương trình sóng cho truyền lan sóng phẳng Khi khoảng cách từ nguồn đến tải mạch điện có chiều dài so sánh với bước sóng lớn nhiều lần so với bước sóng tín hiệu phát từ nguồn phải khoảng thời gian (một vài chu kỳ) để lan truyền đến tải Ta gọi tượng truyền sóng đường dây Truyền sóng siêu cao tần đường dây có hệ sau:  Có trễ pha tín hiệu điểm thu so với tín hiệu điểm phát vr(t) = vt(t - τ.l) Khoảng thời gian trễ tỷ lệ với chiều dài đường truyền Trong τ khoảng thời gian cần thiết để sóng di chuyển đơn vị chiều dài đường truyền [s/m]  Có suy hao biên độ tín hiệu lan truyền vr(t) = K(l).vt(t - τ.l)  Có phản xạ sóng tải nguồn Điều dẫn đến tượng sóng đứng đường dây Sóng đứng, hay cịn gọi sóng dừng, sóng mà ln trì vị trí khơng đổi Hiện tượng xuất mơi trường chuyển động ngược với chiều di chuyển sóng, xuất môi trường tĩnh giao thoa hai sóng chuyển động ngược chiều ta không xét trường hợp môi trường chuyển động mà mơi trường tĩnh (đường truyền) Sóng đứng đường truyền sóng mà phân phối dòng, áp hay cường độ trường tạo thành xếp chồng hai sóng lan truyền ngược chiều Kết loạt nút (không dịch chuyển) điểm bụng sóng (dịch chuyển tối đa) điểm cố định dọc theo đường truyền Sóng đứng hình thành sóng truyền vào đầu đường truyền bị phản xạ ngược trở lại từ đầu bất phối hợp trở kháng, hở mạch ngắn mạch Các tượng phân tích cụ thể phần sau Một số khái niệm khác cần đề cập mạch điện thơng số tập trung mạch điện có thơng số phân bố hay phân bố rải Thông số tập trung mạch điện đại lượng đặc tính điện xuất tồn vị trí mạch điện Thơng số tập trung phần tử điện xác định thơng qua phân tích, tính tốn đo trực tiếp Chẳng hạn phần tử điện trở, điện cảm, điện dung, nguồn áp, nguồn dòng, diode, transitor phần tử thông số tập trung Thông số dải mạch điện đại lượng đặc tính điện, không tồn vị trí cố định, mà chúng rải chiều dài mạch điện Thơng số phân bố thường dùng hệ thống truyền sóng (đường dây truyền sóng, ống dẫn sóng, khơng gian tự do) biểu thị đặc tính tương đương điện hệ thống Thông số phân bố thường thông số tuyến tính xác định đơn vị chiều dài đường truyền sóng Chúng ta khơng thể đo đạc trực tiếp giá trị thông số phân bố mà suy chúng từ phép đo tương đương thông số khác II : Đường Truyền Đồng Phẳng Coplanar-CPW 1: Khái niệm chung - Đường truyền dùng để truyền dẫn lượng SCT hay sóng SCT gọi đường truyền SCT (đường truyền lượng SCT) - Đường truyền SCT gọi đường truyền đồng dọc theo hướng truyền sóng tiết diện ngang khơng thay đổi mơi trường chứa đồng Đường truyền đồng phân làm hai loai: • Đường truyền hở: tiết diện ngang khơng có vịng kim loại bao bọc vùng truyền lượng SCT ví du mạch dải, đường truyền sóng mặt • Đường truyền kín: tiết diện ngang phải có mặt kim loại để bao bọc hoàn toàn vùng truyền lượng SCT ví dụ ống dẫn sóng : Đường truyền sóng đồng phẳng Đường truyền coplanar sử dụng nhiều mạch tích hợp cao tần có cấu trúc đơn giản dễ chế tạo Đường truyền coplanar vẽ Hình 1(a), gồm:  dải dẫn kim loại (gọi đường tín hiệu) nằm xen hai mặt dẫn tiếp đất Tất lớp kim loại nằm phía điện mơi ℇr nên dễ chế tạo phương pháp quang khắc (photolithography) hay phủ kim loại (metalization)  Cấu trúc hỗ trợ mode cận TEM  Thứ dễ dàng chế tạo  Thứ hai thuận lợi việc hàn linh kiện thụ động tích cực mạch điện  Thứ ba không cần trụ (via) nối đất xuyên qua lớp điện môi hay nối đất qua rìa mạch, thứ bốn giảm tổn thất xạ Hơn trở kháng đặc tính định tỷ số (a/b) nên kích thước khơng giới hạn, nhiên giá phải trả tổn thất cao Do có mặt phẳng đất nằm xen hai dây lân cận nên hiệu ứng xuyên âm hai dây yếu Kết mạch sử dụng CPW có mật độ dày mạch sử dụng đường truyền vi dải Hình 1: Đường truyền coplanar (CPW) chuẩn Sự phân bố điện trường E từ trường H mặt phẳng tiết diện đường truyền CPW vẽ Hình 1(b) Đường truyền đồng phẳng giảm tổn thất xạ, trở kháng đặc tính định tỷ số (a/b) nên kích thước không giới hạn Tuy nhiên tổn thất cao có mặt phẳng đất nằm xen hai dây lân cận Hằng số điện môi hiệu dụng tính bởi: Với : với thơng số h, S, W chiều cao lớp điện môi, bề rộng dải dẫn khoảng cách dải dẫn đất Trở kháng đặc tính đường truyền đồng phẳng xác định là: Với: tỷ số ≤ k ≤ ′( ) √2 ≤ k ≤ √2 Với : 3: k’= √1 − Ống dẫn sóng đồng phẳng Ống dẫn sóng đồng phẳng loại đường truyền điện phẳng chế tạo cơng nghệ bảng mạch in sử dụng để truyền tải tín hiệu tần số vi ba Ở quy mô nhỏ hơn, đường truyền dẫn sóng đồng phẳng xây dựng thành mạch tích hợp vi ba nguyên khối Ống dẫn sóng đồng phẳng thơng thường (CPW) bao gồm rãnh dẫn in chất điện môi, với cặp dây dẫn trở lại, hai bên rãnh Tất ba dây dẫn nằm mặt chất nền, đồng phẳng Các dây dẫn trở lại ngăn cách với rãnh trung tâm khe hở nhỏ, có chiều rộng khơng thay đổi dọc theo chiều dài dây Cách xa dây dẫn trung tâm, dây dẫn trở lại thường kéo dài đến khoảng cách lớn khơng xác định, dây dẫn mặt danh nghĩa mặt phẳng bán vơ hạn Ống dẫn sóng đồng phẳng dựa dây dẫn (CBCPW), cịn gọi ống dẫn sóng đồng phẳng với mặt đất (CPWG), biến thể phổ biến có mặt phẳng bao phủ tồn mặt sau đế Mặt đất đóng vai trị vật dẫn trở lại thứ ba Ống dẫn sóng đồng phẳng phát minh vào năm 1969 Cheng P Wen, chủ yếu phương tiện mà thành phần không tương hỗ quay hồi chuyển cách ly kết hợp mạch đường truyền phẳng , phần khơng Nói chung, số điện môi chất khác (và lớn hơn) so với khơng khí, sóng truyền mơi trường khơng đồng Do đó, CPW khơng hỗ trợ sóng TEM thực sự; tần số khác không, trường E H có thành phần dọc (một chế độ lai) Tuy nhiên, thành phần dọc thường nhỏ chế độ mô tả tốt bán-TEM Ống dẫn sóng đồng phẳng: Ống dẫn sóng đồng phẳng, thể Hình , tương tự đường rãnh, xem đường rãnh với dây dẫn thứ ba tập trung vùng rãnh Do diện dây dẫn bổ sung này, loại đường dây hỗ trợ chế độ TEM chẵn lẻ, tùy thuộc vào việc điện trường hai khe ngược chiều hay chiều Các ống dẫn sóng đồng phẳng đặc biệt hữu ích để chế tạo mạch điện hoạt động diện dây dẫn trung tâm gần mặt đất Hình 2: Ống dẫn sóng đồng phẳng 4: Ứng dụng ống dẫn sóng đồng phẳng Các ống dẫn sóng sử dụng để truyền dẫn lượng thơng tin mang sóng điện  Ứng dụng cho thiết bị quay hồi chuyển không kỷ luật Các thiết bị quay hồi chuyển không theo chu kỳ cách ly cộng hưởng chuyển pha vi sai phụ thuộc vào tín hiệu vi sóng thể từ trường quay (phân cực trịn) tới thân ferit từ hóa tĩnh CPW thiết kế để tạo từ trường quay hai khe dây dẫn trung tâm ruột dẫn bên Chất điện môi không ảnh hưởng trực tiếp đến từ trường tín hiệu vi sóng truyền dọc theo đường CPW Đối với từ trường, CPW sau đối xứng mặt phẳng kim loại hóa, mặt mặt khơng khí Do đó, dịng điện chạy dọc theo đường song song mặt đối diện dây dẫn (ở mặt khơng khí mặt nền) chịu độ tự cảm dịng điện tổng thể có xu hướng chia hai mặt Ngược lại, chất ảnh hưởng đến điện trường, mặt chất đóng góp điện dung lớn qua khe so với mặt khơng khí Điện tích tích tụ cạn kiệt dễ dàng bề mặt đế vật dẫn bề mặt khơng khí Kết là, điểm sóng mà dịng điện đổi hướng, điện tích tràn qua cạnh kim loại hóa mặt khơng khí mặt chất Dòng điện thứ cấp qua cạnh làm phát sinh từ trường dọc (song song với đường dây), từ trường khe, vng góc với từ trường thẳng đứng (pháp tuyến bề mặt đế) liên kết với dịng điện dọc theo dây dẫn Nếu số điện môi chất lớn nhiều so với thống nhất, cường độ từ trường dọc tiến tới cường độ từ trường thẳng đứng, từ trường tổng hợp khe tiến tới phân cực tròn  Ứng dụng vật lý trạng thái rắn Các ống dẫn sóng đồng phẳng đóng vai trị quan trọng lĩnh vực tính tốn lượng tử trạng thái rắn, ví dụ: để ghép photon vi sóng với qubit siêu dẫn Đặc biệt lĩnh vực nghiên cứu ci KẾT LUẬN Do điều kiện thời gian kiến thức hạn chế nên tiểu luận em dừng lại tìm hiểu lý thuyết Trong thời gian thực , em tham khảo ý kiến giảng viên hướng dẫn, tìm hiểu tài liệu hỗ trợ góp ý từ giảng viên bạn bè anh chị trước Tuy nhiên kiến thức hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót, em mong nhận góp ý q thầy bạn để tiểu luận em hoàn thiện Sau tìm hiểu thực làm tiểu luận em rút số kiến thức đường truyền đồng phẳng sau: - Thứ dễ dàng chế tạo - Thứ hai thuận lợi việc hàn linh kiện thụ động tích cực mạch điện - Thứ ba không cần trụ (via) nối đất xuyên qua lớp điện môi hay nối đất qua rìa mạch, thứ bốn giảm tổn thất xạ TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu học tập [1] “Giáo trình Kỹ thuật siêu cao tần” – Nguyễn Trọng Hải, Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM, 2008 – Khoa Điện Điện tử Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP HCM, Website : http://eed hutech.edu.vn [2] “Lý thuyết Cơ Sở Kỹ Thuật Siêu Cao Tần” – Vũ Đình Thành, Đại học Bách Khoa TPHCM 1996 [3] “Kỹ thuật siêu cao tần” – Nguyễn Văn Ngọ, Nhà xuất ĐH THCN,1979 [1] “Microwave Engineering”- David M Pozar, Addison - Wesley Publishing Co., 1997 [2]“ Microwave Circuit Analysis and Amplifier Design” – Samuel Y Liao, Prentice Hall, 1987 từ dải phổ radio, vi ba hay ánh sáng  ... : Đường Truyền Đồng Phẳng Coplanar-CPW 1: Khái niệm chung - Đường truyền dùng để truyền dẫn lượng SCT hay sóng SCT gọi đường truyền SCT (đường truyền lượng SCT) - Đường truyền SCT gọi đường truyền. .. sóng đồng phẳng Ống dẫn sóng đồng phẳng loại đường truyền điện phẳng chế tạo công nghệ bảng mạch in sử dụng để truyền tải tín hiệu tần số vi ba Ở quy mô nhỏ hơn, đường truyền dẫn sóng đồng phẳng. .. thất xạ TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu học tập [1] “Giáo trình Kỹ thuật siêu cao tần? ?? – Nguyễn Trọng Hải, Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM, 2008 – Khoa Điện Điện tử Trường Đại Học Kỹ Thuật Công