Nghiên ứu về bộ lọc điều hưởng cho truyền thông vô tuyến =

Các b lộ ọc điều chỉnh được .... Dây dẫn song song và mô hình tương đương .... Sử dụng Inverter để chuyển đổi tương đương tụ điện và cuộn c m ả .... Chuyển đổi LPF BPF Admittance Inverte

B LỘ ỌC ĐIỀU HƯỞNG CHO TRUY N THÔNG VÔ TUY N Ề Ế

(STUDY ON TUNABLE FILTER FOR RADIO COMMUNICATIONS)

Sinh viên thực hi n: ệ NGUYỄN CÔNG LONG

2

Tôi xin cam đoan luận văn dưới đây là công trình do b n thân tôi ti n hành ả ếnghiên c u và triứ ển khai thực hiện dướ ựi s hướng d n c a PGS.TS Nguy n Xuân ẫ ủ ễQuy n Ngoài các tài liề ệu tham khảo được trích d n, t t c các s ẫ ấ ả ố liệu cũng như kết

qu mô ph ng là trung thả ỏ ực và được chính b n thân tôi thu th p trong quá trình mô ả ậ

3

M C L C Ụ Ụ

LỜI CAM ĐOAN 2

M C LỤ ỤC 3

DANH M C HÌNH Ụ ẢNH 5

DANH M C B NG BI U Ụ Ả Ể 8

THU T NGẬ Ữ/TỪ VI T T T Ế Ắ 9

M Ở ĐẦU 10

N I DUNG Ộ 13

CHƯƠNG 1: LÝ THUY T K THU T SIÊU CAO T N Ế Ỹ Ậ Ầ 13

1.1. GIỚI THI U 13Ệ 1.1.1 Khái ni m ệ 13

1.1.2 L ch s và ng d ngị ử ứ ụ 14

1.2. LÝ THUYẾT ĐƯỜNG TRUY N Ề 15

1.3. ĐỒ TH SMITHỊ 17

1.3.1 Cơ sở ủa đồ ị c th Smith 17

1.3.2 Mô t Smith ả đồthị 19

1.3.3 Các phương pháp phối h p tr ợ ở kháng và điều ch nhỉ 22

1.3.4 B ghép mộ ột phần tư bước sóng (λ/4) 26

1.3.5 Điều ch nh ph i h p tr kháng dùng 2 dây chêm Double-Stub ỉ ố ợ ở – Tunning 27

1.4 PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN CAO T N Ầ 29

1.4.1 Ma trận tán xạ (Scattering matrix) 31

1.4.2 Ma trận truy n ABCD (The Transmission (ABCD) Matrix) 31ề 1.4.3 Các mạng hai c a ử 33

CHƯƠNG 2: T NG QUAN THI T KỔ Ế Ế B LỘ ỌC ĐIỀU HƯỞNG 34

2.1 LÝ THUY T B L C T N S Ế Ộ Ọ Ầ Ố 35

4

2.1.1 B l c ộ ọ 35

2.1.2 Các b lộ ọc điều chỉnh được 36

2.1.3 Ứng d ng cụ ủa b lộ ọc điều chỉnh được cho m ng vô tuy n ạ ế 38

2.2 THI T KẾ Ế BỘ Ọ L C CAO T N 39Ầ 2.2.1 Thi t k b l c bế ế ộ ọ ằng phương pháp tổn hao chèn 39

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH T N S CẦ Ố ỘNG HƯỞNG CỦA B L C THÔNG DỘ Ọ ẢI 50

2.3.1 Thi t k b l c s d ng các b chuyế ế ộ ọ ử ụ ộ ển đổi ngược tr kháng/d n n p ở ẫ ạ 50

2.3.2 M t s ộ ố phương pháp điều ch nh t n s cỉ ầ ố ộng hưởng 59

CHƯƠNG 3: BỘ Ọ L C THÔNG D I CÓ TH Ả ỂĐIỀU CH NH VỈ ỚI CÁC BĂNG T N KÉP CÓ THẦ Ể ĐIỀU KHIỂN ĐỘC L P Ậ 68

3.1 GIỚI THI U CHUNG Ệ 68

3.2 PHÂN TÍCH LÝ THUY T Ế 70

3.2.1 Phân tích kích thích ch l và ch ế độ ẻ ế độ chẵn 70

3.2.2 H s ghép (Kệ ố i) 74

3.2.3 H s ph m ch t m r ng ệ ố ẩ ấ ở ộ 77

3.3 THI T KẾ Ế VÀ MÔ PH NG BỎ Ộ Ọ L C THÔNG DẢI BĂNG TẦN KÉP ĐIỀU HƯỞNG HAI D I D N 515 - 770 MHZ VÀ 1.09 1.28 GHz Ả Ầ – 78

3.3.1 Quy trình thiế ết k 78

3.3.2 Thi t k b l c và hi n th c hóa ế ế ộ ọ ệ ự 79

K T LUẾ ẬN 89

TÀI LI U THAM KHỆ ẢO 91

5

Hình 1 Dây dẫn song song và mô hình tương đương 15

Hình 2 Dây d n v i tr ẫ ớ ở kháng đặc trưng Z0, hệ ố s truy n ề γ và được gi i h n b i tr ớ ạ ở ở kháng t i Zả t 17

Hình 3 Đồ thị Smith 19

Hình 4 M ng ph i hạ ố ợp tr khángở 23

Hình 5 M ng ph i hạ ố ợp hình L (a) M ng cho zạ L bên trong đường trong 1 + jx (b) M ng cho zạ L bên ngoài đường tròn 1 + jx 24

Hình 6 Phối h p tr kháng bợ ở ằng các đoạn dây chêm đơn (a) Dây chêm song song (b) Dây chêm n i tiố ếp 25

Hình 7 Sơ đồ phối hợp tr kháng s d ng 2 dây nhánh song song ở ử ụ 27

Hình 8 Đồ thị Smith mô t hoả ạt động c a mủ ột mạch điều ch nh ph i hợỉ ố p tr kháng ở hai dây chêm 28

Hình 9 M ng cao t n hai c a (b n cạ ầ ử ố ực) 30

Hình 10 M ng N c ng b t k ạ ổ ấ ỳ 31

Hình 11 (a) M ch hai c ng; (b) K t nạ ổ ế ối chu i m ch hai c ng ỗ ạ ổ 32

Hình 12 M ng hai c a vạ ử ới tr kháng t i và nguở ả ồn t ng quát ổ 34

Hình 13 Đáp ứng c a b l c thông dủ ộ ọ ải lý tưởng 36

Hình 14 Bộ lọc khoang (màu đen) và bộ lọc ph n t gộp (màu xám) nh cho 500 ầ ử ỏ MHz [3] 36

Hình 15 Phương pháp tiếp c n t n s ậ ầ ố trung tâm điều ch nh trong b l c ỉ ộ ọ 37

Hình 16 Kiến trúc máy thu đơn giản hóa [9] 39

Hình 17 Sơ đồ mạch điệ ổn t ng quát 40

Hình 18 Quy trình thiế ế ộ ọt k b l c bằng phương pháp suy hao chèn 40

Hình 19 Nguyên mẫu b l c thông thộ ọ ấp 42

Hình 20 Đáp ứng c a b l c thông th p Butterworth 43ủ ộ ọ ấ Hình 21 Đáp ứng t n s c a m t b lầ ố ủ ộ ộ ọc thông thấp Butterworth 44 Hình 22 Đáp ứng b lọc thông thấp Tchebyscheff 45ộ

6

Hình 23 Đáp ứng b lọc thông thấp Elliptic ộ 48

Hình 24 Nguyên mẫu b l c thông thộ ọ ấp Elliptic (a) N i ti p nhánh cố ế ộng hưởng song song (b) Song song nhánh cộng hưởng nối ti p ế 49

Hình 25 Đáp ứng t n s m t b lọc thông thấp Elliptic 50ầ ố ộ ộ Hình 26 Đặc tính c a b chuyủ ộ ển đổi ngược tr kháng (bên trái) và d n nở ẫ ạp (bên ph ải) 51

Hình 27 Sử dụng Inverter để chuyển đổi tương đương tụ điện và cuộn c m ả 52

Hình 28 Ví d v vi c hiụ ề ệ ện th c hóa m t Admittance Inverter 54ự ộ Hình 29 Bộ lọc thông th p s d ng Impendance Inverter [10]ấ ử ụ 55

Hình 30 Bộ lọc thông th p s d ng Admittance Inverter [10] ấ ử ụ 55

Hình 31 Sơ đồ nguyên lý c a hai b lủ ộ ọc thông thấp tương đương 56

Hình 32 Đặc tính truyền đạ ủt c a hai b l c thông thộ ọ ấp tương đương 56

Hình 33 Chuyển đổi LPF BPF (Admittance Inverter) [10] 57

Hình 34 Chuyển đổi LPF BPF (Impedance Inverter) [10] 58

Hình 35 Sơ đồ nguyên lý hai b lộ ọc thông dải tương đương 58

Hình 36 Đặc tuy n c a hai b lế ủ ộ ọc thông dải tương đương 59

Hình 37 Mô hình mạch điện tương đương đơn giản 60

Hình 38 Mô hình SPICE 61

Hình 39 (a) C u trúc cấ ủa b lộ ọc được đề xuất (b) Mạch kích thích tương đương chế độ ẻ l (c) M ch kích thích chế độ ẵạ ch n 63

Hình 40 Sơ đồ kh i c a DTC 64ố ủ Hình 41 Mạch điện tương đương của DTC 64

Hình 42 Điện dung trong c u hình n i ti p và song songấ ố ế 65

Hình 43 Hệ ố s ph m chấẩ t Q c a DTC trong c u hình song song ủ ấ 66

Hình 44, M t c t ngang c a t ặ ắ ủ ụ điện RF-MEMS v trí không hoở ị ạt độn (a) và được kích ho t (b) ạ 67

Hình 45 Sơ đồ ộ b lọc thông dải băng tần kép có th ể điều chỉnh được đề xuất 70

Hình 46 (a) Sơ đồ ủ c a b cộ ộng hưởng chế độ kép được đề xu t (b) M ch chế độấ ạ lẻ tương đương (c) Mạch chế độ chẵn tương đương 71

7

Hình 47 Đồ ọ h a ch ng minh t n s cứ ầ ố ộng hưởng chế độ chẵn ho c l so v i hai t ặ ẻ ớ ụđiện riêng bi t (a) Tệ ụ điện ch lẻ được thay đổi (Cế độ odd) Tụ điện ch chẵn ế độđược thay đổi(Ceven) 73Hình 48 Sơ đồ ủ c a hai b cộ ộng hưởng ghép v i c p c ng cân b ng.ớ ặ ổ ằ 74Hình 49 Các mạch tương đương để xác định các h s ghép theo kích thích ch ệ ố ế độ

lẻ và ch ế độ chẵn (a) Phân chia ch l (b) Phân chia ch ế độ ẻ ế độchẵn 74Hình 50 Hệ ố ghép đượ s c tính toán so vớ ụi t điện ch l và chế độ ẻ ẵn (a) Đố ới i vbăng thông đầu tiên (b) Đố ới băng thông thứi v hai 76Hình 51 Mạch tương đương với kh p n i I/O riêng biớ ố ệt (a) Trường h p ch lợ ế độ ẻ (b) Trường hợp ch ch n 77ế độ ẵHình 52 Mô hình tương đương của điốt bi n dung SMV1413 (Skyworks) 80ếHình 53 Sơ đồ ộ b lọc thông dải băng tần kép hai c ng có thổ ể điều chỉnh đề xuất 81Hình 54 Sơ đồ nguyên lý đi ố- t biến dung SMV1413-001LF 82Hình 55 Sơ đồ nguyên lý đi ố- t biến dung SMV1237-001LF 82Hình 56 Sơ đồ nguyên lý b l c thông dộ ọ ải băng tần kép có th ể điều chỉnh được đề

xu t ấ 83Hình 57 Kết qu mô phả ỏng, đo lường c a b lủ ộ ọc băng tần kép có thể điều ch nh c ỉ ốđịnh băng thông thứ hai và điều chỉnh băng thứ nh t (Phần_1) 83ấHình 58 Kết qu mô phả ỏng, đo lường c a b lủ ộ ọc băng tần kép có thể điều ch nh c ỉ ốđịnh băng thông thứ hai và điều chỉnh băng thứ nh t (Phần_2) 84ấHình 59 Kết qu mô phả ỏng, đo lường c a b lủ ộ ọc băng tần kép có thể điều ch nh c ỉ ốđịnh băng thông thứ nhấ à điềt v u chỉnh băng thứ hai (Ph n_1) ầ 85Hình 60 Kết qu mô phả ỏng, đo lường c a b lủ ộ ọc băng tần kép có thể điều ch nh c ỉ ốđịnh băng thông ứth nhất và điều chỉnh băng thứ hai (Phần_2) 85Hình 61 Kết qu mô phỏng và đo lườả ng c a b lủ ộ ọc băng tần kép có th điềể u ch nh ỉ(Ph n_1) ầ 86Hình 62 Kết qu mô phỏng và đo lườả ng c a b lủ ộ ọc băng tần kép có th điềể u ch nh ỉ(Ph n_2) ầ 86

8

B ng 1 Chuả ẩn hóa tr kháng và t n s ở ầ ố 41

B ng 2 Chuyả ển đổ ừ ộ ọi t b l c thông thấp sang các lo i b l c khác 42ạ ộ ọ

B ng 3 Các giá tr ả ịphần tử cho nguyên mẫu b lọc thông thấp Butterworth (gộ 0 = 1,

Ωc = 1, LAr = 3.01 dB tại Ωc 44

B ng 4 Các giá tr ả ịphần tử cho nguyên mẫu b lọc thông thấpTchebyscheff 47ộ

B ng 5 Các giá tr ả ịphần tử cho nguyên mẫu b lọc thông thấp Elliptic 49ộ

B ng 6 M t s ả ộ ố phương pháp hiện th c hóa các b chuyự ộ ển đổi ngược tr kháng/dẫn ở

n p ạ 53

B ng 7 So sánh m t s ả ộ ốloạ ụ điện biến dung 67i t

B ng 8 Các tham s cả ố ủa b lộ ọc thông dải băng tần kép có th ể điều ch nh ỉ 81

B ng 9 So sánh hiả ệu năng của các b l c thông dộ ọ ải băng tần kép có th ể điều ch nhỉ 88

SWR Standing wave ratio T s ỷ ố sóng đứng

VSWR Voltage Standing Wave Ratio T s ỷ ố sóng đứng về điện áp YIG yttrium iron garnet Lo i Laser r n s d ng thạ ắ ử ụ ể pha

lê SAW Surface Acoustic Waves Hiệu ứng áp điện trong sóng âm

b mề ặt

RF Radio frequency T n s vô tuy n ầ ố ế

CR Cognitive Radio Networks M ng vô tuyạ ến

LNA Low noise amplifier B khuộ ếch đại nhi u thấp ễ

MEMS Microelectromechanical System H ệthống vi cơ điệ ửn t

LPF Low Pass Filter B l c thông th p ộ ọ ấ

HPF High Pass Filter B l c thông cao ộ ọ

BPF Band Pass Filter B l c thông d i ộ ọ ả

BSF Band Stop Filter B l c chộ ọ ắn d i ả

s , bố ộ đàm và đặc bi t là các thi t b s d ng công ngh vô tuyệ ế ị ử ụ ệ ến định nghĩa bằng

ph n m m (SDR) Do kênh truy n thông có ầ ề ề thể thay đổi trong quá trình hoạt động,

vi c hiệ ện th c hóa các thi t bự ế ị này g p ph i tr ặ ả ởngại trong công đoạn lọc tín hi u có ệích ra khỏi các tín hi u nệ ằm ở các d i t n lân c n t các h ả ầ ậ ừ ệ thống xung quanh Có nhi u giề ải pháp có th s dể ử ụng để ả gi i quy t vấn đề này, và mộế t trong s ố đó là sử

d ng các b l c thông d i có th c u hình t n s cụ ộ ọ ả ể ấ ầ ố ộng hưởng

2 L ị ch s nghiên c u ử ứ

B lộ ọc tương tự có l ch s phát tri n rị ử ể ất lâu đời, thậm chí t ừ trước chi n tranh ếthế giới th ] Do t m quan tr ng c a thiứ II [1 ầ ọ ủ ết b này trong các hệị th ng vi n ố ễthông, r t nhiấ ều các công trình nghiên c u v ứ ề phương pháp thiế ế ỹt k , k thuật điều chỉnh t n s cầ ố ộng hưởng, và nh ng kinh nghi m trong vi c hi n th c hóa các b ữ ệ ệ ệ ự ộlọc đã được đưa ra Nói riêng trong lĩnh vực các kỹ thuật điều ch nh t n s c ng ỉ ầ ố ộhưởng, chúng ta có thể điểm qua m t s công trình nghiên cộ ố ứu đã được th c hiện: ự

- Trong bài báo [5], B Kapilevich đã đề ậ ớ c p t i nh ng lý thuyữ ết cơ bản và quá trình hi n th c hóa m t b lệ ự ộ ộ ọc thông d i s d ng diode bi n dung vả ử ụ ế ới băng thông

c nh và có bù suy hao trong d i thông B l c trong bài báo s dố đị ả ộ ọ ử ụng các b c ng ộ ộhưởng Step-Impedance k t h p vế ợ ới các b cân bộ ằng đáp ứng t n s Tham s k ầ ố ố ỹthu ật:

• Dải điều ch nh t n s cỉ ầ ố ộng hưởng: 1080 ÷ 1440MH z;

• Băng thông 3dB: 60 ± 5MHz;

11

• Suy hao t i t n s cạ ầ ố ộng hưởng: 3.5÷5 dB

- Công trình nghiên cứu “Tunable lumped-element bandpass filters for

Cognitive Radio application”, được th c hiệự n b i Tatiana Pavlenko, t p trung vào ở ậcác giải pháp điều hưởng b l c thông dộ ọ ải Để minh h a cho công trình cọ ủa mình, tác giả đã thiế ết k và triển khai m t b l c thông dải điều hưởng s d ng tộ ộ ọ ử ụ ụ điện điều ch nh s (DTC) với các tham s kỉ ố ố ỹ thu t cậ ụ thể:

• Dải điều ch nh t n s cỉ ầ ố ộng hưởng: 370 ÷ 570MHz;

• Băng thông: 50MHz hoặc 100MHz (điều chỉnh được);

• Suy hao t i t n s cạ ầ ố ộng hưởng: 3.6÷4.6dB với băng thông 50MHz

3 M ục đích nghiên cứu, đối tượ ng và ph m vi c ạ ủa đề tài

• Hiểu rõ cơ sở lý thuy t vế ề ỹ k thu t siêu cao t n; ậ ầ

• Hiểu rõ cơ sở lý thuy t vế ề thi t k b l c cao t n; ế ế ộ ọ ầ

• N m bắ ắt các phương pháp thiết k b l c thông dải điềế ộ ọ u chỉnh đượ ầc t n s ố

cộng hưởng;

• Thi t k ế ế sơ đồ nguyên lý và mô phỏng được hoạt động c a b lủ ộ ọc thông d i ảđiều chỉnh đượ ầc t n s cố ộng hưởng d i siêu cao t n; ả ầ

• Căn chỉnh, tối ưu hóa các tham số ủ c a b l c thông dộ ọ ải điều hưởng kh trình ả

d siêu cao t n; ải ầ

• Đưa ra được m t quy trình t ng quát có tính th c t cao v thiộ ổ ự ế ề ết k b l c ế ộ ọthông dải điều hưởng

4 Tóm t t lu ắ ận văn

Luận văn bao gồm các nội dung chính như sau:

- Chương 1: Lý thuyế ỹt k thu t siêu cao tậ ần;

• Giới thi u chung v kệ ề ỹ thuật siêu cao t n; ầ

• Lý thuyết đường truyền;

• Đồ ị th Smith;

• Phân tích mạch điện cao t n; ầ

12

- Chương 2: Tổng quan thiế ế ột k b lọc điều hưởn g;

• Lý thuyế ộ ọ ầt b l c t n s ; ố

• Thi t k b l c cao tế ế ộ ọ ần;

• Các phương pháp điều ch nh t n s cỉ ầ ố ộng hưởng của b lộ ọc thông d ải;

- Chương 3: Bộ lọc thông d i có th ả ể điều ch nh vỉ ới các băng tần kép có thể điều khiển độ ập; c l

• Giới thi u chung v b lệ ề ộ ọc thông dải băng tần kép có thể điều ch nh; ỉ

• Phân tích lý thuy ết;

• Thi t k và mô ph ng b l c thông dế ế ỏ ộ ọ ải băng tần kép điều hưởng;

- Đề xu t mấ ộ ốt s hư ng phát triển trong tương lai ớ

5 Phương pháp nghiên cứu

Quá trình th c hiự ện nghiên c u, thi t k và mô ph ng b lứ ế ế ỏ ộ ọc điều hưởng cho truy n thông vô tuyề ến được tiến hành các bước như sau:

• Nghiên c u t ng quan v lý thuy t k thuứ ổ ề ế ỹ ật siêu cao t n; ầ

• Nghiên c u vứ ề lý thuy t thiế ế ế ộ ọt k b l c cao t n; ầ

• Nghiên cứu các phương pháp điều ch nh t n s cỉ ầ ố ộng hưởng c a b l c thông ủ ộ ọ

d i; ả

• Thi t k ế ế sơ đồ nguyên lý và mô ph ng b l c thông d i có thỏ ộ ọ ả ể điều ch nh với ỉcác băng tần kép có thể điều khiển độ ậc l p

13

Để có thể thi t k đư c b l c cao tế ế ợ ộ ọ ần thì đầu tiên ta c n hiểu rõ được những ầkhái niệm cơ bản nh t về ỹấ k thu t siêu cao t n ậ ầ cũng như các khái niệm c a t n s ủ ầ ố

và những phương pháp phối hợp tr ở kháng trong đường truyền cao t ần

1.1 GIỚI THI U Ệ

1.1.1 Khái ni m ệ

Sóng siêu cao t n có kh ầ ả năng đâm xuyên lớn nên đồng nghĩa với vi c nó có ệ

ph m vi ạ phủ sóng lớn hơn, không bị tầng điện ly hấp th ụvà là phương tiện h u ích ữ

để liên lạc giữa vũ trụ và trái đất

Khái ni m siêu cao tệ ần được hiểu tùy theo trường phái ho c qu c gia, có th t ặ ố ể ừ

- Trong lĩnh vực SCT, khi bước sóng λ so sánh được với kích thước c a m ch thì ủ ạ

ph i xét c u trúc cả ấ ủa mạch như mộ ệt h phân bố Đồng thời khi xét h phân bệ ố,

n u chế ỉ xét m t ph n mộ ầ ạch điện có kích thước << λ thì có th ể thay tương đương

ph n mầ ạch điện này b ng m t mằ ộ ạch điện có thông s tố ập trung để đơn g ải n hóa bài toán

Ứng d ng ụ

- Anten có độ ợ l i cao

- Thông tin băng rộng (dung lượng l n), ch ng hớ ẳ ạn độ ộng băng 1% ủ r c a t n s ầ ố

600 MHz là 6 MHz (là độ ộ r ng c a mủ ột kênh TV đơn lẻ), 1% 60 GHz là 600 ởMHz (chứ được 100 kênh TV) Đây là mộa t tiêu chuẩn quan tr ng vì các d i t n ọ ả ầ

có th s dể ử ụng ngày càng ít đi

- Thông tin vệ tinh với dung lượng l n do sóng SCT không bị b cong b i t ng ớ ẻ ở ầion

1.2 LÝ THUYẾT ĐƯỜNG TRUY N Ề

Hình 1 Dây dẫn song song và mô hình tương đương

Nhìn chung, các đường truyền đều có d ng m t c p dây dạ ộ ặ ẫn song song để tín

hiệu điện áp truyền qua

Trước hết, ta kh o sát mả ột đường truy n g m m t c p dây dề ồ ộ ặ ẫn song song như

Hình 1 Hai dây dẫn này được mô hình hóa:

- Điện dung song song tính theo chiều dài đợn v c a dây d n C [F/m] ị ủ ẫ

- Điện dẫn song song tính theo đơn vị dài L [S/m]

16

Một dòng điện d c theo chiều dài dây d n s t o ra mọ ẫ ẽ ạ ột dòng điện trong dây d n ẫtheo chiều ngượ ại, đó là thành phần cảm ứng cũng sẽc l có một điện tr h u hạn ở ữ

n i ti p trong các dây d n [1][2][4] ố ế ẫ

- Điện c m n i tiả ố ếp tính theo chiều dài đơn vị [H/m]

- Điện tr n i ti p tính theo chiở ố ế ều dài đơn vị [Q/m]

Một đoạn ỏ ∆z của đườnh ng truyền bi u diể ễn trên sơ đồ tương đương như Hình

1 Điện áp và dòng điện là các hàm c a th i gian ủ ờ

Phương trình truyền sóng trên đường dây được xác định như sau:

(1) (2) Trong đó, α và β được xác định như sau:

M t s ộ ố đại lượng của đường truy n mà chúng ta c n quan tâm: ề ầ

- Trở kháng đặc trưng Z0được xác định b ởi:

1.3.1. Cơ sở ủa đồ Smith c thị

Trong kỹ thu t siêu cao t n, các bài toán phân tích và thi t k các mậ ầ ế ế ạch điện hoạt động t n s siêu cao thuở ầ ố ờng d n t i vi c gi i các h ẫ ớ ệ ả ệ phương trình rất ph c ứ

tạp Điều này gây nhiều khó khăn cho người thiết k , nhất là khi c n có ngay mế ầ ột

18

lời gi i cho các vả ấn đề ỹ k thu t trong mộậ t kho ng th i gian s m nh ả ờ ớ ất Đồ thị Smith

là công c ụ đượ ử ục s d ng r t nhi u trong phân tích và thi t k các mấ ề ế ế ạch siêu cao t n ầ

Ta có th ể thực hi n nhi u phép tính toán tr c tiệ ề ự ếp trên đồ th ị Smith, đơn giản ch ỉ

b ng cách vằ ẽ hình và đọc tr s mà không c n dùng các công c toán h c khác S ị ố ầ ụ ọ ựtiện d ng th c sụ ự ự của đồ thị Smith là ở chỗ nó có th ể được s dử ụng để chuyển đổi các h s ph n x sang tr kháng chu n hóa (hay d n nệ ố ả ạ ở ẩ ẫ ạp chuẩn hóa) và ngượ ạc l i

nh sờ ử d ng các ụ đường tròn tr kháng (hay d n nở ẫ ạp) trên đồ ị th Khi làm vi c vệ ới trở kháng trên đồ ị th Smith, các đại lượng chuẩn hóa được s d ng và chúng ta s ử ụ ẽ

ký hi u b ng chệ ằ ữ thường H ng s chu n ằ ố ẩ hóa thường là tr ở kháng đặc tính của đường truy n sóng ề

M t cách tộ ổng quát đồ thị Smith được xây d ng d a trên m i quan h gi a h s ự ự ố ệ ữ ệ ố

ph n x ả ạ Γ(z) và trở kháng Z(z) t i mạ ột điểm z b t kấ ỳ nào đó trên đường dây truy n ềsóng như sau:

Trở kháng đường dây tại điểm z:

- Trướ ế ần lưu ý rằc h t c ng t t c các giá trấ ả ị trở kháng trên đồ ị th Smith đều là tr ởkháng chu n hóa theo m t giá tr kháng chu n hóa (Zẩ ộ ị trở ẩ 0) cho trướ Khi đọc c được giá trị c a z phủ ải suy ra giá trị thực c a tr kháng theo biủ ở ểu th c Z = z × ứ

Z0

20

- Đồ thị Smith n m trong phằ ạm vi vòng tròn đơn vị vì h s phệ ố ản x ạ Γ là mộ ốt s

ph c có module 1 ứ Không xét các điểm Γ nằm ngoài ph m vi cạ ủa đồ th ịSmith

- Các đường đẳng r là h các vòng tròn có tâm n m trên tr c hoành c a biọ ằ ụ ủ ể đồu

và luôn đi qua điểm có Γr = 1 Giá tr r c a mị ủ ỗi vòng tròn đẳng r được ghi d c ọtheo trục hoành, t ừ 0→∞ (điểm bên trái ng v i giá tr ứ ớ ị r = 0, điểm bên phải ứng

phần điện kháng c m kháng (+ả jX/Z 0) hoặc Điện n p dung kháng (+jB/Yạ 0)”

• V i các giá tr ớ ị x âm (dung kháng), các đường đẳng x n m ằ ở phía dưới trục hoành của đồ thị Giá trị c a x gi m d n t ủ ả ầ ừ 0 đến ∞, được ghi d c theo chu vi ọcủa vòng tròn đơn vị (ch ghi giá trị tuyệt đối |x|) nỉ ở ửa đồ ị th phía dưới trục hoành và được đặt tên là "Thành phần điện kháng dung kháng (-jX/Z0) hoặc điện n p c m kháng (-ạ ả jB/Y 0)

- Các đường đẳng r và các đường đẳng x hình thành h ọ các đường tròn tr c giao ự

với nhau Giao điểm của một đường đẳng r v i mớ ột đường đẳng x b t k u ấ ỳ đềtương ứng với mộ ởt tr kháng z = r + jx đã chuẩn hóa theo Z0

- Tâm của đồ ị Smith là giao điể th m của đường đẳng r = 1 và đường đẳng x = 0 (tr c hoành cụ ủa đồ ị) Do đó nó tương ứ th ng v i tr kháng chu n hóa z = 1 (tớ ở ẩ ức

Z = Z0) Điểm này đặc bi t quan trọng vì nó đại diện cho trường h p t i hoàn ệ ợ ảtoàn phối h p tr kháng vợ ở ới đường dây ho c m ch thi t k ặ ạ ế ế được ph i h p tr ố ợ ởkháng Đây cũng là điểm có h s phệ ố ản xạ Γ = 0 (có phối hợp trở kháng)

- Điểm mút trái của trục hoành của đồ ị Smith là giao điể th m của đường đẳng r =

0 và đẳng x = 0, do đó nó tương ứng v i tr kháng chu n hóa z = 0 (hay Z = 0) ớ ở ẩ

h s ph n xệ ố ả ạ Γ = +1

- H s ệ ốphản x t i v ạ ạ ị trí l trên đường truy n có thề ể được xác định khi bi t h s ế ệ ố

ph n x ả ạ Γ tạ ịi v trí t i dả ựa trên công thức:

(14) (15)

- Biểu đồ Smith cho phép th c hi n phép tính này khi quay ự ệ vectơ Γ trên đồ thị một góc quay ng v i mứ ớ ột độ ịch chuy n b d ể ằng 2βl, trong đó Góc quay này có th ể xác định theo độ ừ (t -180o n 180đế o), ho c theo s ặ ố bước sóng (từ 0 đến 0,5λ cho mỗi vòng quay)

• Theo quy định c a biểu đồ Smith: ủ

o Chiều quay t tải hướng v ngu n là thu n chiừ ề ồ ậ ều kim đồng h ồ

o Chiều quay t nguồn hướừ ng v tề ải là ngược chiều kim đồng hồ

• Trên m i chi u quay, có mỗ ề ột vòng đánh số theo độ và một vòng đánh số theo

s ố bước sóng để n s d ng tiệ ử ụ

- Đố ới đường truy n t i có ti v ề ả ổn hao (α ≠ 0), khi di chuy n dọc theo đường ểtruy n sóng thì module cề ủa hệ ố s ph n x ả ạ Γ cũng biến thiên tỉ lệ với e−2αl Điều này có nghĩa khi di chuyển v hư ng ngu n ( ề ớ ồ l tăng) thì |Γ| giảm d n và khi di ầchuy n v phía t i ( giể ề ả l ảm) thì |Γ| tăng dần

- Module c a h s ph n x ủ ệ ố ả ạ |Γ| tại b t k ấ ỳ điểm nào cũng có thể được xác định theo giá trị "Hệ ố s ph n x - Reflection coefficient" ở phần dưới bên trái của đồ ả ạ thị Smith

22

- H s ệ ố sóng đứng S trên đường truy n không tề ổn hao cũng có thể được xác định theo đồ th Smith Với đường truyền không t n hao, giá trị ổ ị của |Γ| và S đều là

h ng s trên su t chiằ ố ố ều dài của đường truyền

Như vậy, các vòng tròn tâm là g c tố ọa độ trên đồ Smith có th thị ể được coi là các đường đẳng |Γ| hoặc các đường đẳng S, mỗi vòng tròn tương ứng m t giá tr ộ ịcủa |Γ| và một giá trị duy nh t c a S ấ ủ

H ọ các đường đẳng S này không được v c thể trên đồ ịẽ ụ th Smith có th xác ểđịnh chúng m t cách d dàng nh thang giá trộ ễ ờ ị "H s ệ ố sóng đứ ng - Standing Wave Ratio (SWR)" ở phần dưới bên trái của đồ thị Giá tr này có thể đượị c tính:

• H s ệ ố sóng đứng ( ), v i thang giá tr t ớ ị ừ 1 đến ∞ (Tỷ ố điện áp) s

• H s ệ ố sóng đứng tính theo dB (dBS), v i thang giá trớ ị t ừ 0 dB đến ∞

1.3.3 Các phương pháp phối h p tr ợ ở kháng và điều chỉnh

- Phối hợp tr kháng trong m t mở ộ ạng phân ph i công suố ất (mạng nuôi anten

mảng) s cho phép giảm biên độẽ và l i pha ỗ

N u Zế L chứa phần thực khác 0 thì m ng ph i h p tr kháng luôn có thạ ố ợ ở ể tìm được Có nhiều phương án phố ợi h p, tuy nhiên c n theo các tiêu chí sau: ầ

- Độ ph c tứ ạp: đơn giản, r , d th c hi n, ít t n hao ẻ ễ ự ệ ổ

- Độ ộng băng: cầ r n ph i hố ợp tr kháng t t trong m t d i t n r ng, tuy nhiên s ở ố ộ ả ầ ộ ẽ

ph c tứ ạp hơn

Ý tưởng cơ bản c a ph i h p tr kháng minh h a trên Hình 4 cho thủ ố ợ ở ọ ấy một

m ng ph i h p tr ạ ố ợ ở kháng đặt gi a mộ ởữ t tr kháng t i và một đườả ng truy n ề

1.3.3.1 Phố ợ i h p tr kháng v i các ph n t t p trung (các m ng hình L) ở ớ ầ ử ậ ạ

Dạng đơn giản nhấ ủt c a phối h p tr kháng là dùng khâu L, s d ng 2 phợ ở ử ụ ần t ửđiện kháng để ph i hợố p 1 t i tùy ý vả ới đường truyền có 2 c u hình khả dĩ, có sơ đồấ như vẽ ở Hình 5 Giả thiết đường truy n d n không t n hao (hay t n hao th p), có ề ẫ ổ ổ ấnghĩa Z0 là đại lượng thu n tr ầ ở

N u tr ế ở kháng đặc trưng của t i Zả L = ZL/Z0 nằm trong đường tròn 1 + jx trên đồthị Smith, chúng ta s dử ụng sơ đồ Hình 5 ngượ ạa c l i chúng ta s d ng ử ụ sơ đồ Hình 5b

24

Hình 5 Mạ ng ph i h p hình L (a) M ng cho z ố ợ ạ L bên trong đườ ng trong 1 + jx (b) M ng ạ

cho z L bên ngoài đườ ng tròn 1 + jx

1.3.3.2 M ạch điề u ch nh ph i h p tr kháng dùng ỉ ố ợ ở đoạ n dây chêm (Single –

Stub tuning)

Phối hợp tr kháng b ng dây chêm (nhánh) ở ằ là phương pháp được s d ng khá ử ụ

ph ổbiến do đơn giản và d ễ điều ch nh M t mỉ ộ ạch điều chỉnh như vậ ấy r t thuận tiện nhìn t khía c nh chừ ạ ế ạ t o mạch cao t n do các ph n t t p trung không c n thi t ầ ầ ử ậ ầ ếĐặc biệt dây chêm điều ch nh song song r t d ỉ ấ ễ chế ạo dướ t i dạng đường truy n vi ề

d i hoả ặc đường truy n dề ải Hơn nữa, phương pháp phối hợp này d điềễ u ch nh và ỉ

có d i t n hoả ầ ạt động khá lớn Trong mạch điều ch nh một dây chêm, hai tham s có ỉ ốthể điều ch nh ỉ được là kho ng cách d t t i t i v trí dây chêm và trả ừ ả ớ ị ị s cố ủa điện nạp hay điện kháng t o ra b i dây chêm song song ho c nạ ở ặ ối tiếp

Có thể ắc dây nhánh vào đườ m ng truyền theo sơ đồ song song ho c n i ti p vặ ố ế ới đoạn dây hở mạch ho c ng n mạch (xem ặ ắ Hình 6).

- Ưu điểm: Không dùng các ph n t t p trung d ầ ử ậ ễ chế ạ t o; d ng shunt stub ạ(dây chêm song song) đặt biệ ễt d chế ạ t o cho m ch ghi gi i (microstrip) hoạ ả ặc mạch d i (stripline) ả

- Hai thông s ố điều chỉnh là kho ng cách d và Y ho c Z ả ặ

- N u d n nế ẫ ạp nhìn vào đoạn dây cách t i 1 kho ng d có d ng Yả ả ạ 0 + jB thì d n ẫ

n p c a dây chêm s ạ ủ ẽ được ch n là jB ọ –

- N u tr kháng cế ở ủa đoạn dây n i t i, cách tố ả ải đoạn b ng d là Zằ 0 + jZ thì tr ởkháng dây chêm n i ti p (series ố ế stub) được ch n là jX ọ –

25

Hình 6 Ph i h p tr kháng b ố ợ ở ằng các đoạ n dây chêm đơn (a) Dây chêm song song (b)

Dây chêm n i ti p ố ế Dây chêm song song

đổ ựi s ph thu c t n s c a tụ ộ ầ ố ủ ải tương đương và gây ra giảm độ ộng băng củ r a

N i sóng non TEM ( ng d n sóng) hố – ố ẫ ệ ố s truy n không còn là hàm tuy n tính ề ế

c a t n s ủ ầ ố do đó trở kháng s ph thu c t n sẽ ụ ộ ầ ố Điều này làm phức tạp hơn các đặc trưng của b ộ ghép λ/4 Tuy nhiên trong thự ế độ ộng băng củc t r a b ộ ghép thường

đủ nh sao cho không ỏ ảnh hưởng đến k t qu ế ả

27

Ảnh hưởng của các điện kháng xu t hi n do sấ ệ ự không liên tục (s ự thay đổi kích thước đường truyền) có th ể được khắc ph c b i s ụ ở ự điều chỉnh độ dài của đoạn ghép

1.3.5. Điều ch nh ph i h p tr kháng dùng 2 dây chêm Double-Stub Tunning ỉ ố ợ ở –

Hình 7 Sơ đồ ph i h p tr kháng s ố ợ ở ử d ng 2 dây nhánh song song ụ

Phương pháp phối hợp tr kháng b ng mở ằ ột dây nhánh có ưu điểm là đơn gi n và ả

có th s dể ử ụng đểphối h p cho mợ ọi trường hợp tr ở kháng đặc trưng của t i có ph n ả ầthực khác 0 Tuy nhiên nhược điểm c a nó là s d ng mủ ử ụ ột đoạn đường truy n có ề

độ dài biến đổi đặt giữ ảa t i và dây nhánh Trong m t s ộ ố trường h p chúng ta s ợ ửdụng phương pháp phối h p tr kháng dùng 2 dây nhánh n m cách nhau m t ợ ở ằ ộ đoạn

c ố định Tuy nhiên phương pháp này không thể ử ụ s d ng cho mọi trường hợp c a ủtrở kháng t i [1] [2] ả

Sơ đồ ph i h p tr ố ợ ở kháng dùng 2 dây nhánh được mô t ả ở Hình 7a, trong đó tải

có th nể ằm cách dây nhánh đầu tiên một kho ng b t kì Tuy nhiên, trong th c t ả ấ ự ếchúng ta thường s dử ụng sơ đồHình 7b, với tải đặt ngay sát dây nhánh th nh ứ ất

Sơ đồ Hình 7b thường d thựễ c hiện hơn mà vẫn không làm m t tính t ng quát ấ ổ

c a bài toán Hai dây nhánh sủ ử dụng trong sơ đồHình 7 là 2 dây nhánh song song

vì chúng có th ể được th c hiự ện đơn giản hơn các dây nhánh nối tiếp tuy nhiên v ề

m t lý thuyặ ết các dây nhánh n i ti p hoàn toàn có thố ế ể ử ụng để s d phối h p tr ợ ở

n m trên vòng tròn 1 + jb Dây chêm th ằ ứ hai khi đó bổ sung một điện nạp b2 (hoặc ), đem tới tâm của đồthị và hoàn thành vi c ph i h p tr kháng ệ ố ợ ở

Lưu ý rằng nếu điện kháng t i yả L n m trong vùng tô bóng c a vòng tròn gằ ủ 0 + jb thì không có m t giá tr ộ ị điện n p bạ 1 nào c a dây chêm có th ủ ể đưa điểm t i t i giao ả ớ

với vòng tròn 1 + jb đã quay Vì vậy vùng tô bóng này hình thành m t d i cộ ả ấm đối

m ch ph i h p tr nên r t nh y c m vạ ố ợ ở ấ ạ ả ới t n s Trong th c t , nh ng kho ng cách ầ ố ự ế ữ ảnày thường được chọn là λ/8 hoặc 3λ/8

Nếu độ dài đường dây gi a tữ ải và dây chêm đầu tiên có th ể điều chỉnh được thì

d n n p t i yẫ ạ ả L luôn luôn có th ể được chuy n ra kh i vùng cể ỏ ấm

1.4 PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN CAO T N Ầ

Để có n n t ng trong vi c thi t k b lề ả ệ ế ế ộ ọc điều hưởng hoàn ch nh, ỉ phần này giúp chúng ta có được nh ng kiếữ n thức cơ bản nh t v c u trúc cấ ề ấ ủa m t mộ ạch điện cao

t t o nần ạ ền t ng cho thi t k m t b lả ế ế ộ ộ ọc cao t n ầ

M t mộ ạch l c cao t n nói riêng hay m t mọ ầ ộ ạch điện cao tần có hai đầu cu i nói ốchung có thể được mô t b ng m t mả ằ ộ ạng hai cửa như Hình 9 ớ v i V và I là điện áp, cường độ dòng điện lần lượ ạ ửt t i c a 1 và c a 2, và là tr ử ở kháng đầu cuối, điện áp nguồn

Ở đây, điện áp và dòng điện là các đại lượng dao động điều hòa theo th i gian ờĐiện áp c a 1 b ng: ở ử ằ

(23) Biên độ điện áp t i cạ ửa 1 được coi là biên độ ph c và có th viết như sau: ứ ể

(24)

30

Hình 9 Mạ ng cao t n hai c a (b n c ầ ử ố ự c)

Đố ới v i m t mạch cao t n, viộ ầ ệc đo cường độ dòng điện và điện áp đôi khi không quan tr ng bọ ằng đo công suất vào và ra M t khác, t n s siêu cao, ặ ở ầ ố việc đo điện

áp và dòng điện thường chỉ cho những đại lượng như tỷ ố sóng đứ s ng (SWR), h s ệ ố

ph n xả ạ,… Tham số ễ đo nhấ d t là công suấ ớt t i và công suất phản xạ, điều kiện th ử

lý tưởng là khi m ng 2 cạ ửa được ph i hợ ải Người ta định nghĩa các biế ốố p t n s và trong đó a biểu th sóng công suấ ớị t t i và b bi u th cho sóng công ể ị suất ph n x M i ả ạ ốquan h gi a các bi n công suệ ữ ế ất và điện áp, dòng điện là:

(25) (26) Hay

(27)

(28) Với các định nghĩa biến s trên, công suố ấ ạt t i c a n là: ử

(29)

D u (*) thấ ể ệ hi n giá tr liên h p phứ Ở đây có thểị ợ c thấy là công su t tấ ới

c a n, còn ử là công su t ph n x t i c a n ấ ả ạ ạ ử

(31) Phần tử b t k c a ma ấ ỳ ủ trận [S] được xác định:

(32)

1.4.2 Ma tr n truy n ABCD (The Transmission (ABCD) Matrix) ậ ề

Các tham s Z, Y và S có th ố ể được s dử ụng để đặc trưng cho một mạch cao t n ầ

có s c ng b t kố ổ ấ ỳ, nhưng trong th c t nhi u mự ế ề ạch cao t n bao g m hai hay nhiầ ồ ều

m ch c ng n i chu i v i ạ ổ ố ỗ ớ nhau Trong trường h p này s thuợ ẽ ận tiện khi định nghĩa

m t ma tr n truy n kích c 2 × 2, hay ma tr n ABCD cho m i m ch hai c ng Khi ộ ậ ề ỡ ậ ỗ ạ ổ

đó sẽ ấ th y r ng ma tr n ABCD c a m t k t nằ ậ ủ ộ ế ối chu i c a hai hay nhi u m ch hai ỗ ủ ề ạ

32

c ng có th d ổ ể ễ dàng được xác định b ng viằ ệc nhân các ma tr n ABCD c a t ng ậ ủ ừ

m ch hai c ng riêng bi ạ ổ ệt

Hình 11 (a) M ch hai c ng; (b) K t n i chu i m ch hai c ng ạ ổ ế ố ỗ ạ ổ

Ma trận ABCD được định nghĩa cho ạm ch hai cổng theo điện áp và dòng điện tổng như chỉ ra trên Hình 11 và quan h sau: ệ

(33)

i d ng ma n sau:

(34) Trong k t nế ối chu i cỗ ủa các mạch hai c ng trên Hình 11, ta có: ổ

(35) (36)

T (ừ 35) và (36) ta có:

(37)

33

Ta thấ ằy r ng ma tr n ABCD c a mậ ủ ộ ế ốt k t n i chu i hai mạch b ng tích cỗ ằ ủa các

ma tr n ABCD ậ đặc trưng cho mỗi m ng hai c ng ạ ổ

S h u ích cự ữ ủa ma tr n ABCD là ậ ởthự ế ằc t r ng một thư viện các ma tr n ABCD ậ

c a các ủ phầ ửn t hai c ng có th ổ ể đượ ạc t o ra và áp d ng trong vi c t o nên các m ng ụ ệ ạ ạcao t n phầ ức t p ạ hơn có kế ốt n i chuỗi từ các ph n t hai cầ ử ổng đơn giản hơn này 1.4.3 Các m ng hai c a ạ ử

1.4.3.1 Các m ạch tương đương cho các mạ ng hai c ổ ng (cử a)

M t mộ ạng hai c a b t k có th ử ấ ỳ ể được mô t ả dưới d ng các tham s ạ ố trở kháng như sau:

(38) Hoặc dướ ại d ng tham s d n nố ẫ ạp:

(39)

N u mế ạng là tương hỗ thì Z12 = Z21 và Y12 = Y21

1.4.3.2 Các lo ại độ ợ l i công su c a m ng hai c a ấ t ủ ạ ử

Xét các đặc tính truyền đạ ủt c a m t mạng hai c a b t k có tr kháng ngu n và ộ ử ấ ỳ ở ồ

t i b t k Cả ấ ỳ ấu hình chung được cho trên Hình 12 mà trên thực t m ng hai cế ạ ửa thường là m t b lộ ộ ọc hay m t b khuộ ộ ếch đại

Các bi u th c cho ba loể ứ ại độ ợ l i công su t hấ ữu ích cho nh ng mữ ạch như vậy theo các tham s S c a m ng hai c a và các h s phố ủ ạ ử ệ ố ản xạ ạ t i ngu n và t i t ồ ạ ải:

- Độ ợi công su t: G=P l ấ l /Pin là t s công su t tiêu th t i t i Zỷ ố ấ ụ ạ ả L trên công suất được phát tới đầu vào của m ng hai cạ ửa Độ ợi này khi đó độc lập với Z l s, mặc

dù m t s mộ ố ạch tích c c nhự ất định ph thu c nhi u vào Zụ ộ ề s

34

Hình 12 Mạ ng hai c ửa v i tr kháng t i và ngu n t ng quát ớ ở ả ồ ổ

- Độ ợi kh d ng: G l ả ụ A=Pavn/Pavs là tỷ s công su t khố ấ ả ụ d ng t u ra cừ đầ ủa m ng ạhai c a trên công su t kh d ng t nguử ấ ả ụ ừ ồn Độ ợ l i này ph thu c vào Zụ ộ s, nhưng

độ ậc l p với ZL Tuy nhiên, đặc tính c a nhi u mủ ề ạch tích c c phự ụ thu c vào Zộ L

- Độ ợ l i công su t truyấ ền đạt: GT = Pl /Pavs là t s công suỷ ố ất được đưa tớ ải t i trên công su t khấ ả ụ d ng t ngu n Nó phụ thu c vào c Zừ ồ ộ ả s và ZL, vì vậy có ưu điểm

so với các định nghĩa độ lợi công suất trước đó

M ch l c t n s là m t m ch hai cạ ọ ầ ố ộ ạ ửa, có chức năng lựa chọn tín hi u trong mệ ột

d i t n s mong mu n, b ng cách cho các tín hiả ầ ố ố ằ ệu đó đi qua và làm suy hao tín ệ hi u

ở các d i t n s không mong mu n (d i ch n) M ch lả ầ ố ố ả ắ ạ ọc thường xuất hi n trong các ệmáy thu phát cao tần

Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia m ch l c t n s thành b n lo i: mạ ọ ầ ố ố ạ ạch lọc thông thấp (Low-pass filter LPF), mạch l c thông cao (High-pass filter HPF), – ọ –

m ch l c thông d i (Band-pass filter BPF) và m ch l c ch n d i (Band-stop filter ạ ọ ả – ạ ọ ắ ả– BSF) Hai lo i m ch lạ ạ ọc đầu tiên cho phép tín hi u trong toàn b d i t n phía ệ ộ ả ầdưới và phía trên t n s cầ ố ắt đi qua, còn hai loại m ch lạ ọc còn l i cho phép truy n ạ ềqua ho c chặ ặn l i tín hi u trong m t d i t n nhạ ệ ộ ả ầ ất định n m gi a t n s c t trên và ằ ữ ầ ố ắ

t n s cầ ố ắt dưới

35

T i các t n s ạ ầ ố thấp (thường là dưới 500 MHz), mạch l c có thọ ể đư c t o thành ợ ạ

t các linh ki n tham s t p trung là cu n c m, t ừ ệ ố ậ ộ ả ụ điện Nhưng khi tần s ốhoạ đột ng

c a mủ ạch lọ ởc trong d i siêu cao tả ần, điện kháng và điện n p c a các thành phần ạ ủmạch điện không còn bi n thiên tuyế ến tính theo t n s nầ ố ữa Việc thi t k mạch lọc ế ếsiêu cao t n phầ ải tính đến các tham s phân tán trên m ch Tuy nhiên t n s ố ạ ở ầ ốtương đối thấp và d i t n hả ầ ẹp, các thành ph n tham s phân tán vẫn có thể đượ ấầ ố c x p

x ỉdưới d ng các linh ki n tham s tạ ệ ố ập trung Việc tính toán và t ng h p b lổ ợ ộ ọc theo phương pháp cũ vẫn có th ể được áp d ng vụ ới độ chính xác tương đối cho d i t n ả ầsiêu cao

2.1 LÝ THUY T B L C T N S Ế Ộ Ọ Ầ Ố

2.1.1 B l ộ ọc

B lộ ọc sóng micro là các thành phần quan tr ng cung c p khọ ấ ả năng chọn l c t n ọ ầ

s trong nhi u h ố ề ệ thống điện t khác nhau, bao gử ồm thông tin di động và v tinh, ệradar, tác chiến điện t và h ử ệ thống vi n thám hoễ ạt động t n s sóng micro Loở ầ ố ại

b lộ ọc được xác định v i t n sớ ầ ố, cho phép vượt qua ho c t ặ ừ chối Các b lộ ọc thông thấp thông cao thông d i và , , ả chắn d i v i các c u trúc liên k t khác nhau t n tả ớ ấ ế ồ ại để thực hiện ch n l c t n s M t ví d vọ ọ ầ ố ộ ụ ề đáp ứng của b lộ ọc thông dải lý tưởng được thể ệ hi n trong Hình 13

Trong l ch sị ử ầ, đ u tiên là các b l c v i cu n c m r i (L) và tộ ọ ớ ộ ả ờ ụ điện (C) cho ng ứ

d ng t n s vô tuyụ ầ ố ến (RF) Ngày nay, các b l c ph n t gộ ọ ầ ử ộp được s d ng dử ụ ở ải

t n t ầ ừ 50 MHz đến 2 GHz S ự đơn giản c a thi t k , s n xu t và chi phí th p là ủ ế ế ả ấ ấ

nh ng l i th chính cữ ợ ế ủa vi c s d ng các b lệ ử ụ ộ ọc như vậy Ngoài ra, chúng thường

có th r t nh g n so v i các b l c d a trên c u trúc b cể ấ ỏ ọ ớ ộ ọ ự ấ ộ ộng hưởng n a sóng ử(Hình 14) và chúng không có các mã riêng "t nhiên" xu t hi n trong các công ự ấ ệngh lệ ọc khác như cấu trúc b cộ ộng hưởng phẳng

36

Hình 13 Đáp ứ ng c a b l c thông d i lý ủ ộ ọ ả tưởng

Tuy nhiên, các đặc tính đầu ra c a các b l c ph n t g p lại ch h s ủ ộ ọ ầ ử ộ ịu ệ ố phẩm chất th p (Q) c a các thành ph n Mấ ủ ầ ặc dù tăng giá trị Q c a cu n c m và tủ ộ ả ụ điện hiện đại lên đến hàng trăm, chúng vẫn thấp hơn nhiều so v i Q trong s hàng ngàn ớ ố

Do sự xuất hi n cệ ủa các dải đa tần s các vùng khác nhau và các ng dố ở ứ ụng đa

d ng, yêu c u cạ ầ ủa các b lộ ọc có th điều ch nh t n tể ỉ ồ ại Điều quan tr ng là các máy ọ

37

thu và máy thu phát hoạt động trong ph t n s r ng có phổ ầ ố ộ ạm vi điều ch nh t i ỉ ố đa

và lưu các đặc tính l c, trong khi t n s ọ ầ ố được điều ch nh ỉ

Hình 15 Phương pháp tiế p c n t n s ậ ầ ố trung tâm điề u ch nh trong b l c ỉ ộ ọ

M t kh ộ ả năng là một công t c vắ ới m t lo t các b l c riêng l (ngân hàng b ộ ạ ộ ọ ẻ ộ

lọc) có các d i tả ần ố khác nhau Đây là cách tiếs p cận khá đơn giản, nhưng cần rất nhi u thành phề ần và không gian rộng để có đủ ố ợ s lư ng b l c v i t n s c nh ộ ọ ớ ầ ố ố địtrong m t m ng Vì v y, ngân hàng b lộ ả ậ ộ ọc nên bao gồm không ít hơn 10 bộ ọ l c v i ớbăng thông 50 MHz để điều ch nh m t mà trong toàn b d i t n t ỉ ượ ộ ả ầ ừ 500 MHz đến

1000 MHz Tuy nhiên, h s ph m ch t c a các b lệ ố ẩ ấ ủ ộ ọc được thực hi n v i cu n ệ ớ ộ

c m và tả ụ điện có giá tr c nh tị ố đị ốt hơn Q của các y u t có th ế ố ể điều ch nh Nó cho ỉphép các ngân hàng l c có hiọ ệu suấ ốt t t

Một đề nghị thay th là t o m t b l c v i viế ạ ộ ộ ọ ớ ệc điều ch nh t n s trung tâm ỉ ầ ố(Hình 15) Điều ch nh t n s ỉ ầ ố cơ học là có th v i viể ớ ệc áp dụng động cơ bước trong các b l c cộ ọ ộng hưởng s lư ng lớn Nó gây ra thay đổi kích thước khoang mang ố ợ

lạ các đặc tính đầi u ra tốt, nhưng các bộ ọc như vậ l y quá l n, n ng và chớ ặ ậm [6] Tùy chọn t t nh t cho giao tiố ấ ếp di động là các b lộ ọc điều ch nh bỉ ằng điện ho c t ặ ừtính với kích thước nh ỏ hơn Một bi n th kh thi cế ể ả ủa điều ch nh là sử d ng c ng ỉ ụ ộhưởng s t t d a trên yttrium iron garnet (YIG) [6], áp d ng hiắ ừ ự ụ ệu ứng áp điện trong sóng âm b mề ặt (SAW) và cộng hưởng sóng âm (BAW), điều chỉnh điện dung [7] Hai trong s ố các phương pháp đầu tiên đòi hỏi v t li u và công ngh c biậ ệ ệ đặ ệt Chi phí, kích thước và độ phứ ạc t p c n tr viả ở ệc th c hi n chúng trong b ng mự ệ ả ặt trước

38

RF c a thi t bủ ế ị tiện d ng Việc thay đổi điện dung đã được khám phá r t nhi u và ụ ấ ềcác lo i t ạ ụ điện biến đổi khác nhau đượ ửc s d ng ngay bây gi Chúng khá r , nh ụ ờ ẻ ỏ

và th c hi n phự ệ ạm vi điều ch nh r ng ỉ ộ

2.1.3 ng d ng c a b l Ứ ụ ủ ộ ọc điều chỉnh được cho m ng vô tuy n ạ ế

Yêu c u v s ầ ề ố lượng và công suất ngày càng tăng của các h thống vô tuyế ạệ n t o

ra nhu cầu ngày càng tăng đố ới v i ph t n s M ng vô tuy n nh n th c (CR) cung ổ ầ ố ạ ế ậ ứ

c p mấ ột gi i pháp h p d n cho vả ấ ẫ ấn đề này bằng cách đề xu t s d ng các d i t n s ấ ử ụ ả ầ ố

cơ hội không bị chiếm d ng bụ ởi người dùng được c p phép c a h Nguyên lý hoạt ấ ủ ọ

động c a mạch CR là phát hi n m t ph củ ệ ộ ổ ụ thể ện đang sử d ng và ngay l p t hi ụ ậ ức chuy n sang ph không s d ng mà không can thiể ổ ử ụ ệp vào người dùng đượ ủc y quy n Vì v y, các b l c là c n thi t cho thi t bề ậ ộ ọ ầ ế ế ị u cu i và c m biđầ ố ả ến phổ trong các thi t b m ng vô tuy n Có hai d i tế ị ạ ế ả ần trong đó CR có thể hoạt động g n ở ầtương lai: 400 800 MHz (bă- ng t n TV UHF) và 3 - 10 GHz các d i t n thầ Ở ả ầ ấp hơn, hầu h t các khu vế ực địa lý đều có m t s kênh TV rộ ố ộng 6 MHz chưa sử ụ d ng

ở M ỹ hoặ ộc r ng 8 MHz Châu Âu, Châu Á và Châu Phi D i t n s ở ả ầ ố này được g i ọ

là d i ph "kho ng tr ng" cả ổ ả ắ ủa TV và nó đặc biệt đượ thu hút do đặc c tính lan truy n t t cho truy n thông t m xa [8 ề ố ề ầ ]

Các u cu i cho m mđầ ố ột ạng vô tuyến có th có các kiể ến trúc như được mô t ảtrong Hình 16 [9] Mạch thu đầu tiên (Hình 16a) dướ ại d ng b lọc băng thông rộng ộ

RF để chọn d i t n s c n thiả ầ ố ầ ết Sau đó, tín hiệu được c ng c b i b khuủ ố ở ộ ếch đại nhi u thễ ấp (LNA) và nó đi vào một b l c có thể điềộ ọ u ch nh notch, cung c p yêu ỉ ấcầu băng thông, độ ố d c và suy hao để đáp ứng cho quá trình x lý tín hiử ệu theo sau Ngoài ra còn có c u trúc th hai cấ ứ ủa đầu cu i (ố Hình 16b), trong đó bộ ọ l c có th ểđiều chỉnh được đặt trước b khuếch đại để ảộ b o v b chuyển đổi tương tự sang s ệ ộ ố(A/D), LNA và b ộ trộn với B tộ ạo dao động c c b (LO) kh i bụ ộ ỏ ị điều khiển quá

m c b ng tín hi u ngo i lai ứ ằ ệ ạ

39

Hình 16 Ki ến trúc máy thu đơn giả n hóa [9]

Điều quan tr ng là sọ ử d ng b lụ ộ ọc băng thông chất lượng cao có th ể điều ch nh ỉ

r ng rãi và b lộ ộ ọc băng tầ ổn t n th t thấp cho các mạch thu RF ấ

Do Γ(ω) là hàm chẵn của ω và có giá trị nh ỏ hơn 1 nên ta có th bi u diễn dưới ể ể

d ng phân thạ ức theo ω2 như sau [4]:

(42)

40

(43)

Hình 17 Sơ đồ ạch điệ ổ m n t ng quát

pháp suy hao chèn, ta sTrong phương ẽ s d ng hàm Pử ụ LR(ω) để đạ i diện cho đáp ứng biên độ ủ c a b lọc theo t n s ộ ầ ố

Quy trình thi t k bế ế ộ lọc bằng phương pháp suy hao chèn:

Hình 18 Quy trình thi t k ế ế b l c b ộ ọ ằng phương pháp suy hao chèn

• Trong phương pháp suy hao chèn, chúng ta sẽ ựa trên đặ ả ỹ d c t k thu t c a b ậ ủ ộ

lọc c n thiếầ t k ế để ch n ra kiểọ u b lộ ọc có đáp ứng biên độ phù hợp (Maximally Flat, Tchebyscheff, Elliptic …) sau đó xác định b c c a b lậ ủ ộ ọc

r i cuồ ối cùng xác định giá tr các linh ki n trong b l ị ệ ộ ọc

• Trừ b l c thông thộ ọ ấp, để đơn giản hóa quá trình thiết k , sau khi ch n ra ế ọkiểu b l c và b c phù h p, chúng ta s không tr c tiộ ọ ậ ợ ẽ ự ếp đi vào xác định giá trị linh kiện trong b lộ ọc mà s ẽ đi vào thiế ết k nguyên m u l c thông thấ ồẫ ọ p r i chuyển đổi sang d ng b l c c n thi t k (thông cao, thông d i, chạ ộ ọ ầ ế ế ả ắn d i) ả