bài giảng hệ thống viễn thông chương i một số khái niệm cơ bản về cao tần

Bài giảng hệ thống viễn thông Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CAO TẦN (15 tiết) PHẦN 1: LÝ THUYẾT (12 tiết) 1.1 Hiệu ứng da Trong dòng chiều dịng có tần số thấp chảy qua tồn mặt cắt dây dẫn dịng cao tần chảy lớp vỏ dây dẫn Tần số tăng độ sâu lớp dẫn điện giảm, điện trở mặt xoay chiều dây dẫn tăng Độ sâu lớp dẫn điện xác định theo cơng thức:   66.4 f (mm) đó: f – tần số dòng chảy qua dây dẫn (Hz) δ – độ sâu lớp dẫn điện (mm) Điện trở xoay chiều (AC) dây dẫn tần số tính theo cơng thức: R AC  RDC S DC S AC đó: RDC – điện trở dây dẫn dòng chiều SDC – diện tích mặt cắt dây dẫn dịng DC SAC – diện tích mặt cắt dây dẫn dòng AC 1.2 Truyền công suất lớn Xét mạch điện gồm nguồn E có trở kháng nội ZS = RS + jXS cung cấp cho tải ZL = RL + jXL sau: I XS XL RS RL E Công suất tải: Trang Bài giảng hệ thống viễn thông Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng E RL E RL E2 PRL  I R L    ( R S  R L )  ( X S  X L ) ( RS  R L ) RS PRL max  E2 RS RL  RS Vậy mạch truyền đạt công suất lớn RS + jXS = RL - jXL ( ZS = ZL* ) Ta nói mạch có phối hợp trở kháng 1.3 Mạch phối hợp trở kháng Một vấn đề quan trọng máy phát, máy thu phối hợp trở kháng có chọn lọc tần số tầng, đặc biệt tầng công suất cao tần với anten phát, hay anten thu với ngõ vào máy thu để truyền công suất tín hiệu lớn loại nhiễu Các mạch phối hợp trở kháng thường có dạng LC, biến áp hay tổ hợp chúng Zi E Zi Mạch phối hợp trở kháng E ZL= Zi* Nguồn RF ZL Nguồn RF a) ZLZi* b) Ở cao tần (RF) Zi ZL trở mà có phần kháng (khi mạch có phối hợp trở kháng ZL = Z*i ) Ở trường hợp tổng quát ZL  Z*i , cần có mạch phối hợp trở kháng để truyền công suất tín hiệu lớn tải Dạng phối hợp trở kháng đơn giản hình  gồm có cuộn cảm L tụ điện C với cấu hình khác Bốn kiểu mạch phối hợp trở kháng đơn giản hình : L Zi C Nguồn RF Zi L C ZL Nguoàn RF a) Trang b) ZL Bài giảng hệ thống viễn thông Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng Zi Zi C L L Nguoàn RF C ZL ZL Nguồn RF c) d) Ví dụ: Tính L, C mạch phối hợp trở kháng sau f  100MHz L R1 10 C R2 75 Giải: Trở kháng tương đương nhìn vào mạch phối hợp  0 R2 C R2 R2 Z td  Z L  Z C // R  j L    j L  2   j R2 C   02 R22 C   R2 C  * Để có phối hợp trở kháng R1  Z td , tức là: R2     R C  R1    L   R2 C     02 R2 C       R2  R1  54 pF C   R2 R1   R22 C  L  40.5nH    R22 C  Moät vài dạng mạch phối hợp trở kháng thường gặp công thức tính toán Trong Q  Cout R1 f0 hệ số phẩm chất mạch B băng thông mạch: B L1 L C2 RL RL R1 C1 Trang Cout C1 C2 Bài giảng hệ thống viễn thông Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng Q choïn X X C  QR L1  AR Q choïn  X L ;X C C R (1  Q RL A  2 X  B1 Q  A C1  R1 / Q X out C2  RL ) B  R (1  Q ) 1 X L ( R1 / R L )  1)  ( R / R L ) QR  ( R R L / X C2 ) ( Q  1) Q choïn L2 C1  (Q X L1  X Cout RL R1 Cout C2 L1 X C1  QR1; X C2  RL X L2  X C1  ( Cout C1 R1 RL ) X C2 Q choïn L X L  X C1  ( C2 RL R1 R1 RL )  X Cout X C2 X C1  QR1 X C2  RL 1.4 Mạch lọc 1.1.1 Mạch lọc thụ động a Mạch lọc thông thấp bậc R V1(s) C V2(s) V2 ( s) sC  H ( s)   V1 (s ) R  1  sRC sC Để tìm đáp ứng tần số mạch ta thay s = jω: H ( )  R1 RL  R1  H ( ) e j ( )  jRC Trang R1 RL  R1 Bài giảng hệ thống viễn thông Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng Trong đó: H ( ) đáp ứng biên độ    đáp ứng pha 1 H ( )   2  ( RC )    1      C H ( ) dB    20 lg     C    ( )   arctg    C     với  C  RC     b Mạch lọc thông cao bậc 1: C R V1(s) H ( s)  V2 ( s ) R  V1 ( s ) R   sC sRC  sRC Để tìm đáp ứng tần số mạch ta thay s = jω: jRC H ( )   H ( ) e j ( )  jRC Trong đó: H ( ) đáp ứng biên độ    đáp ứng pha Trang V2(s) Bài giảng hệ thống viễn thông Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng RC H ( )  H ( ) dB   ( RC )    20 lg    C  C   1    C          20 lg         C    ( )  90  arctg    C     c Mạch lọc thông thấp bậc 2: L C R V1(s) V ( s) sC H ( s)   V1 ( s ) sL  R  Với: 0   LC sC V2(s)   s LC  sRC  tần số cắt mạch R hệ số tổn hao mạch 2L Trang 0 LC  2 R s  2 s   s2  s  L LC Bài giảng hệ thống viễn thông Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng Thay s = jω: 0 1   2 2 (   )  j 2    (1   n )  j 2 n   1    j    0 0     Với:  n    0 0 Đáp ứng biên độ mạch: H ( )  1   n2 2  2 n 2 H ( )  H ( ) dB  20 lg 1     2  2 n n   0.25    1 d Mạch lọc dải thông - Mạch lọc cộng hưởng: Với mạch xét trường hợp tổn hao mạch nhỏ (       ) ta nhận mạch lọc dải thông, mạch lọc  cộng hưởng với tần số cộng hưởng ω0: 1 0 H ( )    Q 2 2 2  Q hệ số phẩm chất mạch cộng hưởng Đối với hệ thống cộng hưởng, người ta thường quan tâm đến khu vực lân cận tần số cộng hưởng  , ta có: H (1     )  H (     )  Q Trang Bài giảng hệ thống viễn thông Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng 1 ,  tần số cắt 3dB mạch cộng hưởng   0.01 e Mạch lọc chắn dải - Mạch lọc nén: R L V1(s) V2(s) C sL  s2  LC s   02 V2 ( s ) s LC  sC  H ( s)     2 R V1 ( s ) sL  R  s LC  sRC  s  2 s   s  s sC L LC R Với:  02  , LC 2L Thay s = jω: 1 2 0  02    n H ( )    (   )  j 2    (1   n )  j 2 n   1    j    0 0     Với:  n    0 0 Trang Bài giảng hệ thống viễn thông Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng Đáp ứng biên độ mạch:  n H ( )  1   n2 2  2 n 2 H ( ) dB  20 lg   n  20 lg 1     2  2 n n  1   0.25 1.1.2 Mạch lọc tích cực a Mạch lọc thơng thấp bậc 1: C1 R2 R1 - V1(s) + Hàm truyền lọc: Trang V2(s) Bài giảng hệ thống viễn thông Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng V (s )  Z ( s) H ( s)    V1 ( s ) R1  R2 // sC1 R1  R2 AVo  R1  sR C1  sR2 C1 Thay s = jω : H ( )  AVo   jR2 C1 AVo 1 j  C R2 R1 C  R2 C1 Trong đó: AVo   b Mạch lọc thông cao bậc 1: R2 R1 C1 + V1(s) V2(s) Hàm truyền lọc: H ( s)  V2 ( s )  R2   V1 ( s ) Z ( s )  R2 R sR1C1 sR1C1   AVo R1  sR1C1  sR1C1 R1  sC1 Thay s = jω :  jR1C1 C H ( )  AVo  AVo   jR1C1 1 j C R Trong đó: AVo   ;  C  R1 R1C1 j 1.5 Phân tích mạch khuếch đại công suất cao tần 1.5.1 Khuếch đại chế độ C: Mạch KĐCSCT nằm ngõ máy phát thỏa yêu cầu sau: hiệu suất cao, sái dạng, chọn lọc tần số, tận dụng tới ngưỡng khả cung cấp công suất phần tử tích cực (dòng áp) Công suất từ mW tới MW tuỳ theo mục đích sử dụng Trang 10 Bài giảng hệ thống viễn thơng Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng + Vcc CB RFC Pi Req Zi RA RFC ZiQ RB VBo Sử dụng đáp tuyến truyền dẫn IC (VBE) để phân tích nguyên lý hoạt động mạch KĐCSCT Giả sử VB = 0, ta có đồ thị biểu diễn tín hiệu vào vi  Vi cos  t dòng IC(t) sau: IC ICm IC VBE(V) t   vi t Định nghóa: góc cắt  nửa khoảng thời gian dòng collector tồn chu kỳ tín hiệu Trong KĐCSCT chế độ C mạch phân cực cho góc cắt  < 900 (chế độ A có  = 1800 ; chế độ B coù  = 900) Trang 11 Bài giảng hệ thống viễn thơng Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng Phân tích Ic(t) theo chuoãi Furier: I c ( t )  I c0  I c1 cos  t  I c cos 2 t  I c3 cos 3 t   I c ( t )  I c0  I c1 cos  t  I cn cos n  t n2 Thành phần dòng chiều: I c0 2  2 I c (t ) d  t   ( ) I Cm ICm - bieân độ xung dòng Collector; 0() hệ số phân tích hài: sin    cos   (1  cos  )  ( )  Biên độ thành phần dòng hài : ( hài 1) I C1 2  I C ( t ) cos  td  t   (  ) I Cm  ( )    sin  cos   (  cos  ) Biên độ thành phần dòng hài n I Cn   : 2 I  n ( )  C ( t ) cos ntdt   n ( ).I Cm  sin n cos  n cos n sin     n(n  1)(1  cos )   n  2,3, Công suất nguồn cung cấp P0  I C VCC Công suất dòng hài bản: P1  I C1 Req  I C 1VC1 2 Trong đó: VC1 = IC1.Req biên độ điện áp xoay chiều hài collector Req trở kháng BJT theo hài chế độ xét Công suất tiêu tán collector: Ptt = P0 – P1 Hiệu suất tầng khuếch ñaïi: P I V     C1 C1   P0 I C VCC  với   VC1 hệ số sử dụng điện áp nguồn cung cấp VCC Trang 12 Bài giảng hệ thống viễn thơng Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng Vậy 1 tỷ lệ với  ( )  ( ) Ví dụ: Một mạch khuếch đại công suất có   60 , biên độ xung dòng collector 1A Tính công suất tiêu tán collector hiệu suất mạch khuếch đại, cho biết trở kháng theo hài 25 áp nguồn cung cấp 12V Giải: tính hệ số phân tích haøi sin    cos  ( )   0.218  I C   ( ).I Cm  0.218.1A  0.218 A  (1  cos )   sin  cos  ( )   0.391  I C1   ( ).I Cm  0.391.1A  0.391A  (1  cos ) Công suất nguồn cung cấp: P0  I C VCC  0.218.12  2.6W Công suất dòng hài bản: P1  I C1 Req  0.3912.25  1.9W 2 Công suất tiêu tán collector: Ptt = P0 – P1 = 0.7W Hiệu suất 1  P1  0.73 P0 1.5.2 Phương pháp tính tốn tần khuếch đại: Cho tần số làm việc, công suất tải anten Chọn linh kiện thông số Chọn phân cực mạch thích hợp Tính tốn thơng số lượng P0 , P1 , η1 , Ptiêu tán , Pi… Tính mạch phối hợp trở kháng vào Cơng suất kích Pi trở kháng vào Zi thơng số tính ngược lại tần trước cuối 1.6 Nhân tần số: Một dạng đặc biệt khuyếch đại chế độ C nhân tần số Từ phân tích hài ta thấy tải cộng hưởng n lần tần số vào thành phần dòng hài ICn tạo nên sụt áp VCn = ICn cos0t.Req(0t) có tần số gấp n lần tần số vào tức có nhân tần số Nhân tần số nhân độ di tần dùng máy phát FM Ngoài khâu trung gian tạo tần số cao ổn định từ dao động chuẩn thạch anh Để đạt chế độ tối ưu I Cn max   n max I C max ,góc cắt cần có  n  120 n  120  0.54 Pn  n max   n   n Coâng suaát Pn  I Cn Req (n ) Hiệu suất  n  P    Với n tăng, ICn Pn giảm nhanh nên thường người ta nhân 2, 3, 4, Để nhân nhiều, nên khuếch đại tầng nhân Mạch thực tế nhân tần không đòi hỏi chế độ tối ưu, mà cần lấy tần số mong muốn Trang 13 Bài giảng hệ thống viễn thơng Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng Nhân tần số thường dùng máy phát FM, PM, để tăng độ di tần, độ di pha số điều chế, thực FM PM dải rộng 1.7 Đổi tần: Đổi tần trình dịch chuyển tín hiệu điều chế lên cao (Tx) xuống thấp (Rx) mà giữ nguyên cấu trúc phổ ( dạng tín hiệu ban đầu) Nó cho số ưu điểm quan trọng dễ dàng dịch chuyển tín hiệu đến tần số cần thiết, tăng độ chọn lọc, thuận tiện xử lý tín hiệu Đổi tần gọi trộn tần, có ký hiệu dấu nhân fi X mf0 nfi BPF fs = f + f i f0 fs X mf0 nfs IF fIF = f0 - fi f0 Khi trộn hai tín hiệu ngõ vào đổi tần, ngõ có nhiều thành phần tần số fs, fo,  mfo  n fs Bộ lọc trung tần IF BPF chọn lọc thành phần tần số cần thiết Thông thường m = n =1 để mức tín hiệu lớn Tín hiệu có phổ giống tín hiệu ngõ vào đổi tần, dịch chuyển đến vùng tần số cần thiết thuận tiện xử lý tín hiệu Nguyên lý đổi tần dựa đặc tính phi tuyến phần tử tích cực Giả sử đáp tuyến i(v) phần tử tích cực có dạng: i = i0 +av+bv2 +cv3 +dv4 + … Trong v điện áp đặt vào phần tử phi tuyến Tín hiệu vào vs = Vs cos st Tín hiệu dao động nội vo = Vo cos ot Điều kiện: Vo >> Vs o > s Hai tín hiệu cộng lại thành v = vo +vs = Vo cos ot + Vs cosst Điện áp tổng cộng đặt vào phần tử tích cực có đặc tính phi tuyến sau: Trang 14 Bài giảng hệ thống viễn thông Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng i = i0 + av + bv2 + cv3 + dv4 + … i = i0 + a(cosot + Vs cosst) + b(cos ot + Vs cosst)2 + … i0 - thành phần chiều a, b, c, d - hệ số Giả sử đáp tuyến có dạng hàm bậc hai để đơn giản phân tích: bv2 = b(Vo2 cos2ot + 2Vo Vs cos ot cos st + Vs2 cos2 st ) = Vo2  Vs2 Vs2  Vo2 b  cos 2 s t  V sVo cos( o   s )t  VsVo cos( o   s )t  cos 2 o t  2   Qua lọc trung tần IF thành phần: iIF =bVoVs cos( o- s)t = bVoVs cos IFt Biên độ dòng trung tần  iIF= bVoVs = gcVs gc = bVo độ hỗ dẫn đổi tần Biên độ dao động nội Vo cần lớn để độ hỗ dẫn đổi tần lớn Tín hiệu đổi tần có biên độ tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào Vs tần số trung tần  IF = os, tức phổ tín hiệu cao tần dịch chuyển xuống vùng tần số trung tần mà giữ nguyên dạng tín hiệu ban đầu trước đổi tần 1.8 Trung tần (IF – Intermediate Frequency) 1.8.1 Khuếch đại trung tần Bộ khuếch đại trung tần nằm sau đổi tần có nhiệm vụ:  Khuếch đại lớn tín hiệu nhỏ sau dổi tần (Rx) đến mức cần thiết giải điều chế  Có độ chọn lọc cao (nhờ lọc IF) tín hiệu mong muốn loại nhiễu băng thông  Có AGC (Automatic Gain Control) tránh tải giải điều chế, giảm méo giải điều chế hệ thống FM (Frequency Modulation) Mức tín hiệu sau đổi tần khoảng