Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại công suất dùng trong phát cao tần

đặc điêm chung của các lĩnh vực ứng dụn2, này là yêu cầu sóng vô tuyên sử dụng phải có bước sóne ngắn cỡ dm hay là phải có tần số cao dải Ghz được gọi là các sóng siêu cao tần.. hav là c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

ĩfc 'ệ'

NGHIÊN CỨU, THIÉT KÉ VA CHÉ TẠO B ộ KHƯÉCH ĐẠI

CÔNG SUẤT DÙNG TRONG PHÁT CAO TẦN

Mã số: QT-09-13

Chủ trì đề tài: ThS Đặng Thị Thanh Thủy

Cán bộ tham gia: ThS Phạm Văn Thành

Hà nội- 2009

MỤC LỤC

Lời m ở đầu 04

Chương 1 Lý thuyết siêu cao tần 05

1.1 Giới thiệu chung 05

1.2 Một số đặc điểm của truyền sóng siêu cao t ầ n 05

1.3 Các bộ phát và thu siêu cao t ầ n 11

1.4 Đồ thị Sm ith 12

Chương 2 Mô phỏng mạch khuếch đại công suất bàng phần mềm A D S 20

2.1 Thiết kế mô phỏng mạch khuếch đại 1 w 20

2.2 Thiết kế mô phỏng mạch khuếch đại 45W và 200W 22

Chương 3 Chế tạo và đo đạc thực nghiệm 28

Kết luận 32

Tài liệu tham k h ả o 33

Phụ lục 34 Scientiílc Prọịect

Phiếu đăng ký kết quả nghiên cứu KH-CN

M Ở Đ Ầ U

Thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến là một trong những phương tiện liên lạc hiệu quả đã xuất hiện từ lâu.Tuy nhiên trong thời đại bùng nổ thông tin như hiện nay thì yêu cầu đặt ra cho việc thông tin liên lạc lại cao hơn nhiều và ngày càng được mở rộng cho nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử.viễn thông như : các mạng vô tuyến không dây, truyền hình, điện thoại di động đặc điêm chung của các lĩnh vực ứng dụn2, này là yêu cầu sóng vô tuyên sử dụng phải có bước sóne ngắn (cỡ dm) hay là phải có tần số cao (dải Ghz) được gọi là các sóng siêu cao tần Việc sử dụng sóng siêu cao tân làm phương tiện liên lạc có nhiều ưu điểm :

- Sóng siêu cao tần truyền trong phạm vi nhìn thấy trực tiếp Hầu hết các dải sóng này đều có khả năng xuyên qua bầu khí quyển của trái đất và thay đổi ít về công suất và phương truyền

- Có tính định hướng cao khi bức xạ từ những vật có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng

- Sóng siêu cao tần cho phép khoảng tần số sử dụng rất lớn hav là chúng ta

có thể sử dụng số kênh rất lớn trong dải siêu cao tần, đáp ứng được lượng truyền thông tin ngày càng tăng,ví dụ: trone tất cả dải sóng ngắn (7.= 100m-10m.f-3Mhz- 30Mhz) chỉ có thể phân bố được khoảng 4000 kênh thoại hay 4 kênh video truyền hình mà không làm nhiễu lẫn nhau Sonẹ với lượng kênh cần sử dụng như trên khi dùng dải sóng cm,chỉ cần khoảng khá nhỏ từ bước sóng ^=2,992 đến 3 cm

- Ở dải sóng siêu cao tần thì kích thước của các phần tử và thiết bị so sánh được với chiều dài bước sone.thậm chí tronẹ nhiều trườns hợp chúng còn lớn hơn nhiều so với bước song Trong kỹ thuật ra-đa, như đã biết, diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu tỷ lệ với kích thước tươne đôi của mục tiêu so với bước sóng, do vậy dùng ra-đa viba sẽ nhận được diện tích phản xạ hiệu dụng lớn Nếu xét cá đặc tính ưu việt của à nsten viba vê độ tăng ích thì rõ ràng là dải tần viba trở nên rất thích họp cho kỹ thuật ra-đa

Tuy nhiên ờ dải sónẹ cao tân và siêu cao tân tín hiệu thường bị suy hao rất nhiều do đó vấn đề công suất rất được quan tâm chú ý Trong báo cáo này đề cập đến vấn đề giải quyết bài toán công suất ở dài sóng này

4

C H Ư Ơ N G I

L Ý T H U Y Ế T S I Ê U C A O T Ầ N 1.1 Giới thiệu chung [2]

Thuật ngữ “viba” (microwaves) là để chỉ những sóng điện từ có bước sóng rất nhỏ, ứng với phạm vi tần sổ rất cao của phổ tần số vô tuyến điện

Phạm vi của dải tần số này cũng không có sự quy định chặt chẽ và thống nhất toàn thế giới Giới hạn trên của dải thường được coi là tới 300 GHz (f = 3.1011 Hz), ứng

với bước sóng X = 1 mm (sóng milimet), còn giới hạn dưới có thề khác nhau tuv

thuộc vào các quy ước theo tập quán sử dụng Một số nước coi "sóng cực ngấn" là những sóng có tần số cao hon 30 MHz ( bước sóng Ằ < lOm ), còn một số nước khác coi "viba" là những sóng có tần số cao hơn 300 MHz ( bước sóng 7 < 1 m )

Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và những thành tựu đạt được trong việc chinh phục các băng tần cao của phổ tần số vô tuyến, khái niệm về phạm vi dải tần của "viba" cũng có thể còn thay đổi

Hình 2.1 minh hoạ phổ tần số của sóng điện từ & phạm vi dải tần của kỹ thuật viba

H ìn h 1.1: P hô tần s ố của s ó n g điện từ

Trong ứng dụng thực tế, dái tần của vi ba còn được chia thành các băng tần nhò hơn:

- Cực cao tần UHF (Ưltra High Frequency): f = 300 MHz - 3 GHz

- Siêu cao tần SHF (Super High Frequency): f ~ 3 - 30 GHz

- Thậm cao tần EHF (Extremely Hieh Frequency): f = 30 - 300 GHz

* ư u việt của dải tần viba và ứng dụng của kỹ thuật viba trong thực tiễn

Kỹ thuật viba có liên quan đến các phần tử và mạch điện làm việc với các dao động có bước sóng rất nhỏ Điều này, một mặt khó khăn cho việc phân tích thiết kế và chế tạo, nhưng mặt khác cũng là lợi thế khi ứng dụng kỹ thuật viba vì các lý do sau đây:

- Như đã biết, độ tăng ích của một Ảngten là hàm tỷ lệ thuận với kích thước tương đối của Ăngten so với bước sóng Do vậy, tăng ích của Ảngten viba dề đạt được giá trị cao

- Dải tần thực tế trong thông tin viba dễ dàng đạt được giá trị lớn ứng với dải

tân tương đôi — có giá trị nhât định (Thật vậy, 1% của 30 GHz là 300 MHz, trongkhi đó 1% của 300 MHz chỉ là 3 MHz)

- Sóng viba truyền theo đường thẳng, không bị phản xạ trên tầng điện ly nên

có thể khai thác thông tin vệ tinh và thông tin viba mặt đất trên cùng dải sóng mà không ảnh hưởng đến nhau, có thể sử dụng lại tần số trên nhữns cự ly không lớn

- Trone kỹ thuật ra-đa, như đã biết, diện tích phản xạ hiệu dụnq của mục tiêu

tỷ lệ với kích thước tương đối của mục tiêu so với bước sóng, do vậy dùng ra-đa viba sỗ nhận được điện tích phản xạ hiệu dụng lớn Neu xét cả đặc tính ưu việt của Ăngten viba về độ tăng ích thì rõ ràne là dải tân viba trở nên rất thích hợp cho kỹ thuật ra-đa

- Như đã biết, dải tần viba rất gần gũi với các tần sô cộng hưởng của nhiều phân tử, nguyên tử nên kỹ thuật viba có thể đem lại nhiều ứng dụng trone nehiên cứu cơ bản, trone viễn thám, trong y học và trong kỳ thuật nhiệt (lò viba)

Ngày nay, kỹ thuật viba được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực thực tiễn, nhưna nhữn^ ứng dụne, chính và quan trọng nhất là trong kỹ thuật ra-đa và trong thône tin

Các hệ thống ra-đa, viba được dùng đê phát hiện các mục tiêu trên không, trên biển và trên bộ dùng để bám và điều khiên các đối tượna bav dùng trong các

hệ thống lái tự động, để thăm dò khí tượng phục vụ cho dự báo thời tiết (ra-đa khí tượng), để quan sát mặt đất và thăm dò tài nguyên từ xa ngoài vũ trụ (viễn thám)

6

Các hệ thống thông tin dùng dải tần viba (thông tin viba) đang được phát triển rộng khắp trên thế giới, bao gồm cả thông tin cố định và di động, thông tin nội hạt và đường dài, đặc biệt là thông tin quốc tế qua vệ tinh và các hệ thông tin định

vị toàn c ầ u .chứng tỏ vai trò rất quan trọne của dải tần viba và kỹ thuật viba

* Vài nét về sự phát triển

Kỹ thuật viba vốn được coi là một kỹ thuật đã có lịch sử phát triển tương đôi lâu vì nền tảng của nó là lý thuyết về sóng điện từ đã được phát hiện từ cách đây trên 100 năm, còn ứng dụng đầu tiên của nó là kỹ thuật ra-đa cũng đã được phát triển từ thời kỳ chiến tranh thế giới thứ hai

Tuy kỹ thuật viba đã ra đời và phát triển kể từ đầu thế kỷ qua, nhưng sự phát triển thực sự mạnh mẽ và có ý nghĩa của nó chỉ từ khi con người tạo ra được các dụng cụ bán dẫn và các IC siêu cao tần vào những năm 70 của thế kỷ 20

Năm 1873, Maxwell đã đưa ra các công thức toán học mô tả các mối quan hệ của trường điện từ và tiên đoán về sự tồn tại của sóng điện từ Điều tiên đoán này đã được Hertz chứng minh bằng một loạt thực nghiệm vào các năm 1887-1891 Nhưng

sự phát triển tiếp đó lại khá chậm do có nhiều khó khăn về mặt công nghệ, đặc biệt

là việc tạo ra các nguồn dao động ở dải tần số cao Phải đến đầu thế kỷ 20, kỷ thuật

vô tuyến điện mới có điều kiện phát triển mạnh hơn do có sự thúc đẩv của việc tìm kiếm các khí tài quân sự phục vụ chiến tranh Thoạt đâu là sự phát triển của các phươn? tiện thône tin vô tuyến ở dải sóng trung và sóng ngắn, tiếp đó là ở các dải tần cao hơn và đỉnh cao là sự ra đời của khí tài ra-đa trong thời gian chiến tranh thế giới thứ 2 Tiếp theo đó là các hệ thône tin dùng dải tần viba và kỳ thuật viba cũng được phát triển Ngày nay, thông tin vô tuyến được sử dụna chủ yếu là ở dải tần vi

ba, từ 400 H- 500 M Hz (bộ đàm vô tuyến), từ 900 1800 MHz (thông tin di động cánhân), thông tin vệ tinh dùng cho cả lĩnh vực viễn thông và phát thanh truyền hình dùng dải tần từ 1 - 30 GHz, được chia thành các băne L ( H 2 G H z ) cho vệ tinh di động tầm thấp, băng s (2^4GHz), băng c (4^7GHz) băng X ( 7 ^ 1 1GHz) băns Ku ( lK 1 4 G H z ) , băng K (14+20GHz) và băng Ka (2(H30GHz) dùng cho vệ tinh cố định, trong đó băng X được dành riêne cho quân sự

1.2 Một số đặc điểm của truyền sóng siêu cao tần [ 7|

Trong không gian tự do sóng điện từ truyền theo đường thẳng mà không bị suy hao hay ảnh hưởng có hại khác Tuy nhiên, không gian tự do chi là môi trường

lý tưởng hoá và chỉ đạt được gần đúng khi năng lượng sóng siêu cao tần truyền trong không khí hoặc trên bề mặt Trái Đất Trong thực tế để thông tin được thì radar hay hệ thống đo bức xạ phải chịu ảnh hưởng rất lớn của các hiện tượng truyền sóng như phản xạ, khúc xạ, suy hao hoặc tán xạ Chúng ta sẽ bàn về một sô hiện tượng cụ thể có ảnh hưởng tới hoạt động của các hệ thống siêu cao tần Một điều quan trọne

là các ảnh hưởng truyền sóng nói chung không thể xác định một cách chính xác mà chỉ có thể diễn giải dưới dạng thống kê

* Ánh hưởng của khí quyến.

Hằng sổ điện môi tương đối của không khí gần như bàne 1 nhưng thực chất

nó là hàm của áp suất không khí, nhiệt độ và độ âm Từ thực nshiệm người ta rút ra

kết quả đối với tần số siêu cao là: s r = 1 + 10 79 p \ \ v 3.8.105 V

Tron^ đó p là áp suất khí tính theo milibar, T là nhiệt độ tính theo độ Kelvin

V là áp suât hơi nước tính theo milibar Kêt quả này cho thây răng hăng sô điện môi nói chung là giảm (gần bàng 1) khi độ cao tăng, vì áp suất và độ ẩm giảm nhanh hơn nhiệt độ Sự thay đôi của hăng sô điện môi theo độ cao làm quỹ đạo của sóne

vô tuyến cong về phía Trái Đất

Hình 1.2: Quỹ dạo tia sóne bị cons

Như hình 1.2, sự khúc xạ sóns vô tuyến đôi khi cũns có lợi vì nó có thể mơ rộng phạm vi hoạt độne của radar và hệ thốna thôns tin vượt ra khỏi eiới hạn cua tầm nhìn thấy trên Trái Đất

8

Điều kiện thời tiết đôi lúc có thể dẫn tới sự thay dổi lớn về nhiệt độ, nhiệt độ biên đôi theo độ cao Hăng sô điện môi khí quyên sẽ tăng nhanh hơn mức bình thường khi tăng độ cao Điều kiện này đôi lúc dẫn tới hiện tượng ống dẫn sóng (còn được gọi là truyền lan dị thường), có nghĩa là sóne vô tuyến có thể truyền đi một cự

ly lớn song song với bề mặt Trái Đất, qua ống dẫn tạo ra bởi tầng không khí trong suôt quá trình thay đổi nhiệt độ Tình huống này rất giống với quá trình truyên lan trong ông dẫn sóng điện môi, ống dẫn này có chiều cao giới hạn từ 50 - 5000 feet,

và có thể gần bề mặt Trái Đất hoặc có độ cao lớn hơn Một ảnh hưởng khác nữa liên quan tới khí quyển, đó là sự suy giảm, lúc đầu nó xuất hiện bởi vì quá trình hấp thụ năng lượng siêu cao tần qua hơi nước và oxy phân tử Quá trình hấp thụ lớn nhất diễn ra ở các tần số trùng hợp với một trong những sự cộng hưởng phân tử của nước hoặc oxy, vì vậy sự suy giảm về khí quyển có các đỉnh cộng hưởng khác nhau

ở những tấn số đó Hình 2.3 mô tả sự suy giảm khí quyển và sự suy giảm tần số Tại các tần số dưới 10 GHz khí quyển gây ra rất ít ảnh hường tới suy hao của tín hiệu Với các tần số 22,2 và 183,3 GHz đỉnh cộng hưởng xảy ra nhờ cộng hưởng của hơi nước, còn cộng hưởng phân tử oxy gây ra đình cộng hường ở tần số 60 và 120 GHz

Do vậy, có các “cửa sổ” trong dải sóng milimet gần 35,94 và 135 GHz các hệ thống radar và liên lạc có thể hoạt độne ở mức tổn hao ít nhất Sự kết tủa như mưa, tuyết hoặc sương sẽ làm tăng mức tổn hao đặc biệt với các tần số cao Với các thiết

kế hệ thống khi chúng ta áp dụns phương trình đường truyền Friis hoặc phương trình đường truyền radar, thì phải chịu ảnh hường của sự suy giảm khí quyển

Hình 1.3: Suy hao khí quvển phụ thuộc vào tần số

Trong thực tế một số trường hợp người ta có thể chọn hệ thốns tần số tại điểm suy giảm khí quyển cực đại Thụ cảm khí quyển từ xa (nhiệt độ hơi nước

lượng mưa) thường được thực hiện với các xạ kế hoạt độnạ ở mức 20 hoặc 55 GHz

nhăm tôt đa hoá mức hâp thụ điêu kiện khí quyên Một ví dụ khác không kém phân thú vị đó là liên lạc nối trạm vũ trụ ở tần số 60 GHz Tần số sóng milimet này có lợi thê là dải lớn và các Ảngten nhỏ với độ tăng ích cao và do khí quyển có suy giảm lớn, các khả năng bị nhiễu, chậm và nghe trộm được hạn chế đáng kể từ mặt đất

* Ánh hưỏng của mặt đất

Một yếu tố có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình truyền sóng siêu cao tần

là sự phản xạ từ bề mặt Trái Đất (đất liền hoặc biển) Như mô tả trong hình 2.4 một mục tiêu của radar (hoặc Ăngten thu) có thể bị loại bỏ do sóng trực tiếp từ máy phát

và sóng phản xạ từ mặt đất Sóng phàn xạ nói chung có biên độ nhỏ hơn sóng trực tiếp, do khoảng cách truyền xa hơn và mặt đất không phải là một vật phản xạ hoàn hảo Tuy nhiên tín hiệu thu được tại mục tiêu hoặc máy thu sẽ là vectơ tổng của hai thành phần sóng và nó phụ thuộc vào các pha liên quan của hai sóng, nó có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn bản thân sóng trực tiếp

H ình 1.4: Sóng trực tiếp và sóng phản xạ qua bề mặt Trái Đất

Bởi vì xét trên phương diện bước sóng, các cự ly liên quan thường là rât lớn thậm chí một sự thay đổi nhở về hầns số điện môi cùa khí quyển có thể gây fading (những dao động dài) hoặc hiện tượng nhấp nháy (những đao động ngắn) về độ dài tín hiệu Những ảnh hưởng này có thê gây ra do sự khône đông nhất trong khí quyển Trong các hệ thống liên lạc, hiện tượng fading đôi lúc có thế được hạn chế nhờ vận dụng thực tế là hiện tượng íầding của hai kênh liên lạc có các tân số khác nhau, sự phân cực khác nhau, hoặc vị trí vật lv khác nhau Vì vậy chúng ta có thể giảm hiện tượng fading đối với một đường thône tin liên lạc bằng cách kết hợp các nguồn ra của hai hay nhiều kênh: gọi là hệ thống phân tập

Một ảnh hưởng khôns nhỏ nữa là nhiễu xạ lúc này sóng vô tuvến tán xạ năng lượng ở các vùng lân cận của giới hạn trons tầm nhìn theo phương năm neana

10

do đó rất dễ dàng đưa ra một phạm vi giới hạn dựa trên phương nằm ngang đó, ảnh hưởng này thường rất nhỏ đối với các tần số siêu cao tần Tất nhiên là khi gặp các chướng ngại vật như đồi, núi, hoặc các toà nhà lớn trên đường truyền thì mức độ nhiễu xạ có thể lớn hơn.

Trong một hệ thống radar, những sự phản xạ bên naoài thường xuất phát từ địa hình, cây cối, nhà cửa, mặt biển Những vệt dội nhiễu như vậy dội lại làm giảm hoặc che mờ mục tiêu thực, hoặc đôi lúc tạo thành mục tiêu giả, đặc biệt trong trường hợp radar điều khiển và theo dõi Việc dội nhiễu trở lại như vậy thực tế có thế tạo thành tín hiệu mong muốn trong các ứng dụng vẽ bản dồ hay thụ cảm từ xa

* Các ảnh hưỏng Plasma

Plasma là một chất khí gồm các hạt điện tích ion hoá Tầng điện ly bao gồm các tầng khí quyển hình cầu với các hạt ion hoá nhờ bức xạ Mặt Trời, vì vậy hình thành một vùng plasma Plasma dày đặc được hình thành trên một trạm vù trụ khi

nó quay trờ lại khí quyển, nhờ nhiệt độ cao hình thành sau quá trình ma sát va chạm Ngoài ra hiện tượng Plasma còn được phát sinh do sét, sự xuất hiện của sao băng, và các vụ nổ hạt nhân, số lượng ion trên mỗi đơn vị thể tích quyết định đặc tính của plasma: điêu đó phụ thuộc vào mật độ tân sô, sóng có thê được phản xạ, hấp thụ, hoặc truyền đi qua môi trường plasma

Một ảnh hưởng tương tự cũng xảy ra với một trạm vũ trụ đi vào khi quyển Vận tốc lớn của trạm vũ trụ tạo ra một plasma dày đặc xung quanh phương tiện Mật độ điện tử lớn tới mức có thể ngăn chận quá trình liên lạc với trạm vũ trụ cho tới khi vận tốc của nó giảm xuống Bèn cạnh nhữns, ảnh hườnẽ trên, tầng plasma cũng có thể tạo ra một trở kháns lớn khôns phù hợp giữa Ảneten và đường tiếp sóng

1.3 Các bộ phát và thu siêu cao tẩn

Thiết bị thu phát tần số vô tuyến RI (Radio írequency) là những thiết bị điện

tử thu nhận và giải điều chế tín hiệu tần số vô tuyến, sau đó điêu chê và truvền tín hiệu mới đi Các thiết bị điện tử này thường được dùng với rất nhiều ứnẹ dụne khác nhau như thu phát hình, âm thanh và dữ liệu Thiết bị thu phát RF bao gồm một Ảneten để nhận và phát tín hiệu và một bộ phân tách tuner đe phân tách tín hiệu từ

những tín hiệu mà Ăngten thu được Tách sóng và giải điều chế những thông tin đã được mã hoá trước khi truyền đi.

1.4 Đồ thị Smith

ĐỒ thị này do P.H Smith lập ra năm 1983 và làm giảm nhẹ đáng kê các tính toán về đường truyền Phần này trình bày nguồn gốc tính toán của biếu đồ có rất nhiều ví dụ về việc sử dụng biểu đồ Smith Ta có thể nghĩ rằng ngày nay khi máy tính đã phát triển thì ứng dụng biểu đồ này không quan trọng nữa nhưng ngược lại

nó cho sự tiện ích nhiều hơn sự tiện ích của máy tính với biểu đồ thông thường Ngày nay biểu đồ Smith là một phần của thiết kế máy tính (CAD) với phần mềm thiết kế siêu cao tần Nhờ có nó ta có thể dễ dàng tính toán, hiểu được mạch lọc đường truyền siêu cao tần, dễ dàng giải quyết các công việc của kỹ thuật siêu cao tần như vấn đề phối hợp trở kháng

Đồ thị này chính là biểu diễn hình học của hệ thức:

Hay viết dưới dạng trở kháng chuẩn hoá:

1 + r

Z l ~ \ - r

trong đó z l =Zl/R() chính là trở kháng chuẩn hoá theo R0

Thay r = | r |e ,í0 ta viết lại (2.15) dưới dạng:

1 + lrV*

(1.15)

Một giá trị bất kỳ của hệ số phản xạ r có thể được biểu diễn lên hệ toạ độ

cực dưới dạng một bán kính vectơ |r 1 và £Ó C pha tp Như vậy ứna với mỗi điêmtrên mặt phẳng của hệ số phản xạ có một giá trị của hệ số phản xạ hoàn toàn xác định, và một giá trị trở kháng z hoàn toàn xác định

Thay Z L - rL + ixL và r = r , + /r, vào (2.16) ta nhận được:

r , và r , là phân thực và phần ảo của hệ sô phản xạ r

Trên mặt phẳng hệ số phản xạ (giới hạn trong vòng bán kính bằng 1 và

|r| < 1) có thể vẽ được 2 họ đường cong, một họ gồm những đường đẳng điện trờ r

Cân bằng phần thực và phần ảo của (1.17) ta được 2 phươne trình:

(1.18): ( i - r , ) 2 + r , 2

Phương trình (2.20) biểu thị họ vòne tròn đẳng điện trở có tâm nằm trên trục

hoành ( r, = 0 ) tại hoành độ y = V 1 , có bán kính a

Hình 1.8: Họ vòng tròn đăng điện kháng

, ri

Hình 1.9: Vòng tròn đắng điện trở và điện kháng trên cùne đồ thị.

Các giá trị của các đường tròn đẳna; r được ghi trên trục thực, từ rL=0 (vòng tròn có bán kính bàna, 1) đến rL=oo (vòng tròn có bán kính bàne 0).

1.5.2 H ọ vòng tròn đăng điện kháng X

Phương trình (2.21) biểu thị họ đường tròn đan? điện kháng, có tâm năm trên

trục r = 1 tại tung độ a = — , có bán kính a - — Dễ dàna nhận thấy rằns các

vòng tròn này luôn đi qua một điểm cố định ( r, = o.r, = 1) (Hình 1.8)

Các họ vòne tròn đẳna điện trở và đãne điện kháng được biêu diễn chuno trên một đồ thị được coi là cơ sở cùa đồ thị Smith Ớ đây, người ta khôns vẽ toàn bộ

14

các vòng tròn điện kháng mà chỉ vẽ các đoạn nằm trong giới hạn của vòng |rỊ = 1

chiều ngược với chiều chuyên động của kim đông hô, còn chiêu âm là chiêu chuyên động thuận của kim đồng hồ (Hình 1.10)

1.5.4 Vòng Iròn đang s

Các đường tròn đẳng s (hệ số sóng đứng) hay đẳn g— (hệ số sóng chạy) cùng

s

là những đường tròn đồng tâm giống như các đường đẳng |F| nhưng giá trị cụ thể

của s (hay —) được xác định tuỳ theo |rI, theo công thức:

từ 1 đến co Trong khoảng 0—>1 của trục thực, neười ta khắc độ theo s với các ẹiá trị

s từ 1—>00 Như vậy vòng tròn ngoài cùng (|F|=1) sẽ ứng với vòng tròn s=cc

Vì các đường tròn đẳng s có tâm là gốc toạ độ nên việc xác định — chi là phép lấy đối xứng qua tâm Như vậy, nửa bên trái của trục thực r r sẽ được khắc độ

theo — Vòng tròn ngoài cùng sẽ là vòng tròn — =0, còn điểm góc toạ độ sẽ là vòng

Cuối cùng, đồ thị đầy đủ được thiết lập với tất cả các ghi chủ ở trên tạo thành

đồ thị Smith chuẩn, được chấp nhận và sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới (Hình1.11) [3]

1.5.5 Tóm tắt về đồ th ị Sm ith [2Ị

1 6

Sau đây chúng ta tóm lược các điểm đáng lưu ý của đồ thị Smith để thuận tiện cho việc ghi nhớ và sử dụng trong thực tế.

1 Tất cả các giá trị trở kháng trên đồ thị Smith đều là trở kháng chuẩn hoá theo một điện trở chuẩn định trước, thường là trở kháng đặc tính R0 của đường dây không tổn hao

2 Đô thị Smith nằm trong phạm vi của vòng tròn đơn vị vi hệ số phản xạ r có modun nhỏ hem hoặc bằng 1

3 Các đường đẳng r là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trục hoành của đồ thị

và luôn đi qua điểm có F r= l Giá trị r của mỗi vòng tròn đăng r được ghi dọc theo

trục hoành, từ 0->°o (điểm bên trái ứng với giá trị r = 0 điểm bên phải ứng với giá

Đ AI HOC G U Ố C G ÌA HA NÒI

TRUNG TAM ÍH Ũ N G nu ỈHƯ v iệ n

4 Các đường đăng X là họ các vòng tròn có tâm năm trên trục vuông 2ÓC với trục hoành tại r r= l Có hai nhóm đường tròn đẳng x:

- Nhóm các đường đẳng X với X > 0 (cảm kháng) là các đườne nằm ớ

phía trên của trục hoành Giá trị X tăng dần từ 0 đến GO và được ghi trên mồi đường.

- Nhóm các đường đẳng X với X < 0 (dung kháng) là các đườne nàm ở

phía dưới của trục hoành Giá trị X giảm dần từ 0 đến - 00 và được ghi trên mỗi đường

5 Các đường đẳng r và các đường đẳng X là họ các đường tròn trực giao với nhau Giao điểm của một đường đẳng r và một đường đẳng X bất kỳ sẽ biểu thị cho một trở kháng z = r+ix, đồng thời cũng biểu thị cho hệ số phản xạ tại điểm có trở

kháng z

6 Tâm điêm của đô thị Smith là giao điếm của đường đẳng r=l và đường đắne x=0 (nằm trên trục hoành), do đó điểm này dại biểu cho trở kháng thuần trở Z=1 (nghĩa là Z=R0) Đây là điểm tượng trưng cho điện trở chuẩn R(), cho phép thực hiện phối hợp trở kháng trên đường dây Thật vậy, đây chính là điểm có hệ số phản xạ

r = 0 và hệ số sóng đứnẹ s = l

7 Điểm tận cùng bên trái cùa trục hoành là giao điểm của đườna đẳne r=0 và đường đẳng x=0, do đó biểu thị cho trở kháng z=0 (tức z=0), nẹhĩa là ứng với trường hợp ngắn mạch Tại đây ta có hệ số phản xạ r = - l

8 Điểm tận cùng bên phải của trục hoành là điểm đặc biệt mà tất cả các đườnR

đẳng r và đẳng X đều đi qua Tại đây ta có r=co, x=00 do đó z=oo (tức Z=oo), nghĩa là ứng với trường hợp hở mạch Tại đây ta có hệ sô phản xạ r = l

9 Hệ số phản xạ tại vị trí / trên đườne, truyền có thể được xác định khi biết hệ

V ~

số phản xa r tai vi trí tải, dưa vào công thức: r(/) = —

K

Đồ thị Smith cho phép thực hiện phép tính này khi quay vectơ r trên đồ thị

một góc quay ứng với một độ dịch chuyên băng 2ị3L trong đó p = —-

18

Góc quay này có thể xác định theo độ (từ -180° đến 180°), hoặc theo số bước

sóng (từ 0 đến 0,5 Ã cho mỗi vòng quay).

Theo quy định của đồ thị Smith:

Chiêu quay từ tải hướng về nguồn là thuận chiều kim đồng hô.

Chiêu quav từ nguồn hướng v ê tải là ngược chiều kim đông hô.

Trên môi chiêu quay, có một vòng đánh số theo độ và một vòng đánh sô theo

số bước sóng để tiện sử dụng

10 Khi vẽ đường tròn đẳng s trên đồ thị Smith thì đường tròn này sẽ cắt trục hoành tại 2 điểm Giao điểm nằm phía bên phải của tâm đồ thị biểu thị cho vị trí trên đường dây có z= rniax+iQ, với rmax= s Đây chính là điểm bụng của sóng đứng Ngược lại, giao điểm nằm phái trái của tâm đồ thị biểu thị cho vị trí trên đường dây có Z=rmm+i0, với rmin= l/s Đây chính là điểm nút của sóng đứng (Hình 2.11) Trên đồ thị Smith cũng nhận thấy ngay khoáng cách giữa bụna, sóng

và nút sóng bằng 0,25 Ả

Hình 1.12: Biểu diễn điểm bụng và điểm nút của sóng đứng trên đồ thị Smith

CHƯƠNG II

MÔ PHỎNG M ẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT BẢNG PHẦN MÈM ADS

Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại công suất 1W,45W và 200W (tầng khuếch đại 45W) của bộ khuếch đại siêu cao tần sử dụng phần mềm thiết kế chuyên dụng Advanced Design System 2006A (ADS2006A)

2.1 Thiết kế bộ khuếch đại công suất 1W

Thiết kế bộ khuếch đại công suất 1 w trên Transistor JFT SHF0289

Hình 14: Sơ đồ mô phông

-*i S-PAR AM ETERS

c

-30 -20 30 40

Ư1

-60 -70

•8C -90 ■

Hình 16: Mô phỏng tham số SI 1 trên đồ thì Smith

• Ket quả phối hợp đầu ra:

■ ; d B( s ( 2 ,2 ))= -7 0 0 7 6

Hình 20: Mô phóng tham số S21 trên đồ thị Smith

2.2 Thiết kế mô phỏng mạch khuếch đại 45W và 200W

Bộ khuếch đại 200w được thiết kế bao gồm 2 tầng, tầng 1 công suất 45 w (công suất cực đại 60W) đưa tới kích tầng 2 lắp trên MOSFET 200W (công suất cực đại 240W)

Các đoạn mạch dải được tính toán chặt chẽ tùy thuộc vào phươne pháp phối họp trở kháng và có thể được điều chỉnh để phối hợp trở kháng tốt nhất Trong đó đoạn mạch dải TL8 và tụ điện C1 dùng để phối hợp với trờ kháng ra 50Q của tầna trước Tụ C1 còn có nhiệm vụ ngăn cách dòne một chiều với tầns trước

Hình 4.2 là mô phỏng mạch khuếch đại công suất 200W Đoạn mạch dải TL14 và TL15 dùng để phổi hợp trở kháng giữa đoạn TL7 với trở khán® phức lối vào của M O SFET với z,n tại tần số 1030 MHZ Đoạn mạch dải TL17 có độ dài điện bàns X/4 ghép với với neuồn điện áp một chiêu phân cực cho MOSFET Đoạn mạch dải T L 1 1 và TL12 dùng để phổi họp trở kháns eiừa đoạn TL9 với trơ kháne phức lối ra của M O SFET với Zoưt tại tần số 1030MHZ

2 2

Đoạn mạch dải TL9 cùng với tụ điện C2 có độ dài điện )J4 có điện trở đuợc

tính toán xác định cho phép quay pha phù hợp để phối hợp trở kháng với tải 50Q là lôi vào của các bộ cộng Tụ điện C2 còn dùng để ngăn cách điện áp một chiều cua điện cực D (MOSFET) với tải ra là lối vào 50Q của tầng 200W Đoạn mạch dai TL16 có độ dài điện bằng Ầ/4 dùng để ghép điện áp nguồn nuôi với cưc D cùa

H ìn h 2.8 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại 45 w Các tham số kỹ thuật của tầng 45 w như sau:

• Dải thông của tầna, khuếch đại 30MHZ

• Hệ số khuếch đại danh định 17dB nén 1 dB trong dải thôn? của bộ khuếch đại

• Transistor MOSFET được thiết lập chế độ làm việc trona chế độ AB nhằm làm tăng hiệu suất của tâne khuếch đại và đảm bảo độ tuyến tính cần thiết Chế độ AB được thiết lập nhờ tầng ổn áp lấp naay trên mảng mạch dải Điện áp lối vào bộ ổn áp > 7V dưa tới IC ổn áp LA7805 Lối

ra của ổn áp 5V được đưa tới bộ chia thế có biên trờ điều chỉnh, cho phép lựa chọn tối ưu hệ số khuếch dại của tâng 45 w ,

Điện áp U G của Transistor 45W được thiết lập trong khoảne 2V tới 3V Biến trở này cũng được dùng để điều chỉnh cân băng biên độ cho tầng cộng công suất

Điện áp nguồn nuôi cực D của MOSFET 45w từ 12V tới 24 V

Hình vẽ các kết quả mô phỏng tầng khuếch đại 45W bằng phần

ầ

600-m3 freq=1,030GHz vswr{S11 )=1.049 m3

đó đoạn mạch dải TL3 là và tụ điện C1 dùng để phối hợp với trở kháng ra 50Í2 của tầng trước Tụ C1 còn có nhiệm vụ ngăn cách dòng một chiều với tầne trước.

Đoạn mạch dải TL1 và TL2 đùng để phối hợp trở kháne giữa đoạn TL3 với trở kháng phức lối vào của MOSFET với z in tại tần số 1030MHZ Đoạn mạch dải Teel dùng để phối họp với đoạn TL7 có độ dài điện bàng Â/4 ghép với với nguồn điện áp một chiều phân cực cho MOSFET Đoạn mạch dải TL4 và TL5 dùng để phối họp trở kháng giữa đoạn TL6 với trở kháng phức lối ra của MOSPET với ZŨUỊ tại tần số Ỉ030MHZ

Đoạn mạch dải TL6 cùng với tụ điện C2 có độ dài điện À/4, có điện trở được tính toán xác định cho phép quay pha phù hợp đê phôi hợp trở khán? với tài 50Q là lối vào của các bộ cộng Tụ điện C2 còn dùna để ngăn cách điện áp một chiều cùa

điện cực D (MOSFET) với tải ra Đoạn mạch dải TL8 có độ dài điện băng }J4 dùng

để ghép điện áp nguồn nuôi với cưc D của MOSFET 200W

Các tham số kỹ thuật của tầne 200W như sau:

• Dải thông của tầng khuếch đại 30MHZ

• Hệ số khuếch đại danh định 17dB nén 1 dB trong dái thône cùa b ộ khuếch đại