Xây dựng hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng thay đổi tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau

Trong khuôn khổ luận văn này, song song với việc nghiên cứu lý thuyết về lĩnh vực siêu cao tần và hoạt động của hệ thống thông tin liên lạc trên biển luận văn đã xây dựng cấu trúc và thi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành:Kỹ thuật điện tử

Mã số:60520203

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

Lời cam đoan Tôi xin cam đoan hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng thay đổi tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau được trình bày trong luận văn này

là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bạch Gia Dương

Tất cả các tài liệu tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều có nguồn gốc rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn Trong luận văn, không có việc sao chép tài liệu, công trình nghiên cứu của người khác mà không chỉ rõ về tài liệu tham khảo

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Học viên

Đỗ Văn Hùng

em trong quá trình thực hiện luận văn này

Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng vì thời gian có hạn và vốn kiến thức còn rất hạn chế nên công trình còn nhiều thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh sách các hình vẽ v

Bảng các ký hiệu viết tắt vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 – Tổng quan hệ thống 2

1.1 Hệ thống thông tin biển 2

1.2 Xây dựng hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng thay đổi tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau 4

Chương 2 – Kỹ thuật phối hợp trở kháng 7

2.1.Lý thuyết đường truyền [1] 7

2.1.1Cách biểu diễn một hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ của hệ có phần tử tập trung 7

2.1.2Phương trình vi phân của đường dây 9

2.1.3Nghiệm của phương trình vi phân 10

2.1.4Đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối 13

2.1.5Tóm tắt một số quan hệ định lượng trong đường dây có sóng đứng 21

2.2 Giản đồ smith [1] 22

2.2.1Giới thiệu 22

2.2.2Họ đường tròn đẳng điện trở r: 24

2.2.3Họ đường tròn đẳng điện kháng x 27

2.2.4Vòng tròn đẳng || 27

2.2.5Vòng tròn đẳng S 28

2.3 Một số phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản 29

2.3.1Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung 30

2.3.2Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh 30

2.3.3Phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh 31

2.3.4Phối hợp trở kháng bằng doạn dây lamda/4 32

2.3.5Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ 33

2.3.6Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây mắc nối tiếp 33

2.4 Lý thuyết điều chế và giải điều chế số 34

2.4.1Điều chế FSK 35

2.4.2Giải điều chế FSK 40

2.4.3Ưu điểm, nhược điểm của điều chế, giải điều chế FSK 43

Chương 3 – Thiết kế chế tạo bộ thu phát sử dụng vi mạch ADF7021 tích hợp bộ khuếch đại tạp âm thấp 43

3.1 Bộ khuếch đại tạp âm thấp 43

3.2 ADF7021 48

3.2.1Giới thiệu chung về ADF7021 48

3.2.2Thiết kế chế tạo module ADF7021 49

3.2.3Đo đạc kiểm tra hoạt động của tuyến thu phát UHF 52

3.2.4Lập trình phần mềm điều khiển ADF7021 57

Kết luận 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 65

Danh sách các hình vẽ

Hình 1 Sơ đồ hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF 4

Hình 2 Biểu diễn mạch tương đương của một đoạn đường truyền sóng siêu cao tần 8

Hình 3 Mạng đơn giản hình T hay  đối xứng của đường truyền sóng siêu cao tần 8

Hình 4 Sơ đồ đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối 13

Hình 5 Sóng đứng điện áp trên đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối 16

Hình 6 Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối 17

Hình 7 Họ vòng tròn đẳng điện trở 24

Hình 8 Họ vòng tròn đẳng điện kháng 25

Hình 9 Vòng tròn đẳng điện kháng phía trên trục hoành 25

Hình 10 Vòng tròn đẳng điện kháng phía dưới trục hoành 26

Hình 11 Vòng tròn đẳng điện trở và điện kháng trên cùng biểu đồ 26

Hình 12 Họ vòng tròn đẳng || 27

Hình 13 Giản đồ Smith chuẩn 29

Hình 14 Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản 29

Hình 15 Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung 30

Hình 16 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh 31

Hình 17 Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây nhánh song song 32

Hình 18 Sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4 33

Hình 19 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ 33

Hình 20 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp 33

Hình 21 Sơ đồ mô tả quá trình điều chế và giải điều chế số 35

Hình 22 Phổ tần của tín hiệu FSK 38

Hình 23 Dạng sóng FSK 39

Hình 24 Phương pháp điều chế FSK 40

Hình 25 Phương pháp giải điều chế FSK 41

Hình 26 MSK 41

Hình 27 Sơ đồ chung của điều chế và giải điều chế FSK 42

Hình 28 Điều chế FSK 42

Hình 29 Mô phỏng trên phần mềm ADS 44

Hình 30 Kết quả mô phỏng 44

Hình 31 Mạch ghép 2 tầng thực tế (BGA2711 và MAV-11+) 45

Hình 32 Sơ đồ kết nối khi chưa lắp bộ khuếch đại 46

Hình 33 Kết quả khi chưa lắp bộ khuếch đại 46

Hình 34 Sơ đồ kết nối khi lắp bộ khuếch đại 47

Hình 35 Khi lắp bộ khuếch đại 47

Hình 36 Ghép nối thực tế 48

Hình 37 Sơ đồ nguyên lý module thu/phát dùng ADF7021 49

Hình 38 Mạch in module thu/phát 49

Hình 39 Hình ảnh thực tế sau khi hàn linh kiện 50

Hình 40 Mạch nguyên lý khối xử lý trung tâm (MCU) 50

Hình 41 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển và hiển thị 51

Hình 42 Sơ đồ mạch in khối xử lý, điều khiển và hiển thị 51

Hình 43 Sơ đồ khối của tuyến thu 52

Hình 44 Kết quả đo đạc đặc trưng tần số của bộ thu UHF 53

Hình 45 Kết quả đo đạc trên máy phân tích phổ tại tần số 450MHz 54

Hình 46 Kết quả đo đạc trên máy phân tích phổ tại tần số 470MHz 54

Hình 47 Kết quả đo đạc trên máy phân tích phổ tại tần số 490MHz 55

Hình 48 Kết quả đo đạc trên máy phân tích phổ tại tần số 520MHz 55

Hình 49 Kết quả đo đạc trên máy phân tích phổ tại tần số 550MHz 56

Hình 50 Kết quả đo đạc trên máy phân tích phổ tại tần số 590MHz 56

Hình 51 Kết quả đo đạc trên máy phân tích phổ tại tần số 600MHz 57

Hình 52 Kết nối giữa vi điều khiển và ADF7021 qua giao tiếp SPI 57

Hình 53 Giản đồ xung ghi dữ liệu 58

Hình 54 Giải thuật đề xuất cho máy phát 59

Hình 55 Trình tự khởi động ADF7021 trong chế độ phát 59

Hình 56 Giải thuật đề xuất cho máy thu 61

Hình 57 Trình tự khởi động ADF7021 trong chế độ thu 61

Bảng các ký hiệu viết tắt

1 GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning

System)

2 MF Tần số trung bình (Medium Frequency)

4 VHF Tần số rất cao (Very High Frequency)

5 UHF Tần số cực cao (Ultra High Frequency)

6 AM Điều chế biên độ (Amplitude Modulation)

7 FM Điều chế tần số (Frequency Modulation)

9 SSB Điều chế đơn biên (Single Side Bande)

10 ASK Khóa dịch biên độ (Amplitude Shift Key)

11 FSK Khóa dịch tần số (Frequency Shift Key)

12 PSK Khóa dịch pha (Phase Shift Key)

13 PLL Vòng khóa pha (Phase Locked Loop)

14 VCO Bộ dao động được điều khiển bằng điện áp (Voltage

Controlled Oscillator)

MỞ ĐẦU Vấn đề chủ quyền và toàn vẹn lãnh thổ luôn được sự quan tâm đặc biệt của Đảng và nhà nước Cụ thể hiện tại, tình hình Biển đông đang ngày càng phức tạp với

sự tham gia của nhiều nước lớn có công nghệ hiện đại, vũ khí tối tân Việc quản lý tầu

bè đi lại trên hải phận quốc gia đòi hỏi phải thống nhất mã nhận dạng khi hỏi-đáp để phân biệt tàu thuyền đang lưu thông hợp pháp hay bất hợp pháp Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo toàn bộ hệ thống thiết bị nhận dạng thống nhất chung cho cả nước được đặt ra với yêu cầu cấp bách, đòi hỏi phải triển khai nghiên cứu chế tạo và triển khai sản xuất ứng dụng đồng bộ sau này Việc làm chủ chế tạo thiết bị cho phép mềm dẻo tạo mã nhận dạng cho các phương tiện hàng hải phù hợp với mã nhận dạng chuẩn hóa quốc tế và tạo mã bí mật cho các phương tiện quân sự của ta

Với tên đề “Xây dựng hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng thay đổi tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau” Trong khuôn khổ luận văn này, song song với việc nghiên cứu lý thuyết về lĩnh vực siêu cao tần và hoạt động của hệ thống thông tin liên lạc trên biển luận văn đã xây dựng cấu trúc và thiết

kế một hệ thống tin băng UHF, chọn lựa linh kiện phù hợp có khả năng thay đổi tham

số thu phát và các dạng điều chế khác nhau (ADF7201), thiết kế và chế tạo thành công được bộ thu phát tích hợp trên một vi mạch ADF7201, tích hợp với bộ khuyếch đại tạp âm thấp băng tần UHF đáp ứng đầy đủ yêu cầu về độ nhạy máy thu cho hệ thống thu phát kể trên

Do thời gian thực hiện ngắn cộng với vốn kiến thức còn rất hạn chế nên luận văn chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô để hoàn thiện hơn bài viết của mình hơn

Chương 1 –Tổng quan hệ thống

1.1 Hệ thống thông tin biển

Hiện nay trên thế giới và Việt nam ta ,tất cả các phương tiện giao thông trên biển đều phải trang bị các thiết bị thông tin thu phát các tín hiệu nhận dạng, thu phát các tín hiệu cứu nạn và tín hiệu cấp cứu Để quản lý tầu thuyền giao thông trên biển hiệp hội hang hải quốc tế có các qui định rất chặt chẽ về tần số làm việc, về cấu trúc

mã tín hiệu sử dụng Khi giao tiếp với các đài thông tin biển phải tuân thủ chặt chẽ theo các qui định của hiệp hội Hàng hải quốc tế Đối với các tầu thuyền đánh bắt cá nằm trong vùng A1 (cách đất liền từ 20 tới 50 hải lý tương ứng với khoảng từ gần 40Km tới dưới 100Km) Yêu cầu đề ít nhất phải trang bị các thiết bị thông tin có yêu cầu chặt chẽ về tần số làm việc trong dải tần HF và VHF với công suất phát từ 8W tới 30W Đối với các phương tiện hoạt động ở vùng A2 (cách đất liền từ 150 tới 200 hải

lý tương ứng với cự ly hoạt động từ gần 300 Km tới dưới 400 Km), yêu cầu các tầu phải trang bị máy thông tin công suất lớn lên tới 400W băng tần MF(Medium Frequency) và HF (High Frequency), tích hợp máy thu định vị vệ tinh GPS Đối với vùng A2 yêu cầu phải có phao cứu hộ EPIRB phát tín hiệu báo nạn qua vệ tinh Cospas-sarsat ở tần số UHF 406MHz Đối với vùng A3(nằm trong vùng phủ sóng của

vệ tinh địa tinh Inmarsat từ 70 vĩ độ Bắc tới 70 vĩ độ Nam), các tầu thuyền ngoài thiết

bị thu phát HF công suất lớn, nhất thiết phải trang bị thiết vị thu phát vệ tinh, phải trang bị phao cứu hộ hoạt động trên dải tần số UHF Trang bị các máy thu định vị vệ tinh GPS Ở vùng A3 này khuyến khích trang bị máy thu phát qua vệ tinh Inmarsat Các thiết bị thu phát thông tin trong các băng tần số MF, HF, VHF và UHF trang bị trên các tầu thuyền được hiện đại hóa và sản xuất công nghiệp Tầu thuyền khi giao thông trên biển tránh được các thiệt hại khi gặp rủi ro, được trợ giúp và cứu nạn tại các vùng bất kỳ A1,A2,A3 Các thiết bị thông tin trên biển tuân thủ nghiêm ngặt qui định của hàng hải quốc tế, tạo điều kiện quản lý các phương tiện giao thông trên biển và được cứu hộ cứu nạn khi cần thiết cũng như có thể nhận dạng chủ quyền

và dẫn đường các phương tiện trên toàn cầu

Ở Việt nam, nhằm đảm bảo hiệu quả cao nhất cho công tác tuyên truyền ứng phó với thiên tai, tìm kiếm cứu nạn trên biển, Vishipel đang nghiên cứu để nâng cao chất lượng thu phát sóng, đồng thời đề xuất tăng thêm kênh phát để thông tin từ hệ thống Đài Thông tin duyên hải Việt Nam không chỉ tiếp cận với ngư dân, người đi biển qua băng tần HF tần số 7906 kHz

Với số lượng hơn 10.000 tàu hàng, hơn 100.000 tàu cá của Việt Nam đang hoạt động trên biển, 7906 kHz đang là tần số có lưu lượng sử dụng dày đặc, có thể bị can nhiễu bất cứ lúc nào Do vậy, cần có tần số bổ sung để thông tin đến với người đi biển được thông suốt, nhất là tại những vùng biển tần số 7906 kHz phủ sóng yếu

Tuy nhiên, việc tăng thêm kênh phát, triển khai phát không phải là vấn đề lớn,

mà khó khăn nằm ở việc đầu tư trang bị thiết bị thu sóng trên tàu cá Vì vậy, cần có sự nghiên cứu và hỗ trợ của Nhà nước

Thời gian qua, 7906 kHz là tần số quen thuộc đối với ngư dân, người đi biển Việt Nam Đây là kênh quan trọng cung cấp thông tin về dự báo thiên tai thời tiết biển, an toàn hàng hải (hướng dẫn an toàn cho tàu thuyền đánh bắt hải sản trên biển như hướng dẫn luồng lạch, vật nguy hiểm trôi trên biển, vùng biển nguy hiểm…) Các thông tin được Hệ thống Đài thông tin duyên hải Việt Nam nhận trực tiếp

từ Trung tâm Dự báo khí tượng thuỷ văn Trung ương, được phát ngay và liên tục trên tần số 7906 kHz với thời lượng 15 phút một phiên Các tầu thuyền trên biển chủ yếu được trang bị hệ thống thông tin ICOM tần số trên băng tầnHF liên lạc 2 chiều với đất liền

Ngoài ra do ảnh hưởng môi trường truyền sóng biển có nhiều biến động, can nhiễu cho quá trình truyền sóng cũng như ảnh hưởng về công suất phát của thiết bị phát, ảnh hưởng về tần số làm việc, ảnh hưởng về độ nhạy của máy thu cũng như trang bị trên tầu chưa đồng bộ, cự ly liên lạc không ổn định, nhiều tầu thuyền đánh cá của ngư dân ra ngoài vùng phủ sóng HF, VHF mà thiết bị thông tin thu phát qua vệ tinh còn rất hạn chế, chưa đồng bộ trang bị máy thu GPS và tích hợp vào hệ thống thu phát dữ liệu về trạng thái của tầu thuyền Hệ thống thu phát tín hiệu cấp cứu trên kênh VHF cho các tầu đánh cá nhỏ và vừa của ngư dân còn thiếu và chưa đồng bộ Hệ thống phát tín hiệu cấp cứu trên kênh tần số UHF (từ 400MHZ tới 1000MHz) còn chưa được trang bị, điện thoại qua vệ tinh chưa được sử dụng

Vừa qua tập đoàn viễn thông Viettel đã trang bị lắp đặt một loạt trạm BTS dọc

bờ biển và kích hoạt gói cước dịch vụ di động See+ gọi và nhắn tin để giải quyết trang bị cho ngư dân sử dụng đàm thoại qua mạng di động khi ra khơi Hệ thống cũng đáp ứng một phần nhu cầu cho ngư dân giao thông trên biển Hệ thống làm việc trên băng tần qui hoạch cho mạng di động, trong vòng 2 tháng đã có 200.000 thuê bao đăng ký sử dụng dịch vụ See+ này Hệ thống hoạt động trên 2 băng tần dung cho điện thoại di động UHF từ 821 MHz tới 960 MHz và băng tần L từ 1710 MHz tới 2000 MHz

Tuy nhiên do hạn chế về công suất phát của các trạm BTS trên bờ biển, hạn chế về độ nhạy máy thu của điện thoại di động cũng như can nhiễu khi truyền sóng trên biển, cự ly liên lạc của hệ thống do Viettel cung cấp chỉ có thể đảm bảo liên lạc ở

cự ly không quá 100Km và còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố về biến môi trường trên biển Hơn nữa, việc định vị tàu thuyền khi gập nạn cần cứu trợ còn khó khăn do không tích hợp định vị GPS và truyền số liệu tự động trên thiết bị thông tin liên lạc

Vấn đề đặt ra là cần làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo, chủ động sản xuất ứng dụng sản phẩm, trang bị đại trà với giá thành hạ cho các tầu đánh cá của ngư dân Thiết bị thu phát thoại và dữ liệu VHF và băng S với công suất thiết kế nâng cao phù hợp, với độ nhạy máy thu thiết kế tối ưu, tích hợp GPS và truyền thông tin trạng thái của tầu thuyền trên biển, có khả năng thu phát qua vệ tinh VINASAT của Việt Nam sau này, chủ động cho hỗ trợ và tìm kiếm tàu thuyền bị nạn là nội dung nghiên cứu chính của đề tài

Vấn đề đặt ra là cần đưa giải pháp, xây dựng và làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo hệ thống thu phát tín hiệu thông tin biển (âm thanh, tọa độ…) cho các tầu đánh cá của ngư dân Thiết bị thu phát thoại và dữ liệu có công suất nâng cao phù hợp, với độ nhạy máy thu thiết kế tối ưu, tích hợp GPS và truyền thông tin trạng thái của tầu thuyền trên biển, có khả năng thu phát qua vệ tinh VINASAT của Việt Nam sau này, chủ động cho hỗ trợ và tìm kiếm tàu thuyền bị nạn

1.2 Xây dựng hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng thay đổi tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau

Hình 1 Sơ đồ hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF

Control

Audio Processor

RECEIVER

 Bộ khuếch đại công suất lớn

 Màn hình điều khiển và hiển thị

 Điều khiển, thay đổi chế độ của ADF7021

 Điều khiển và kiểm soát công suất phát

 Hiển thị mức công suất phát, cảnh báo sóng dội

 Tự động tắt khi có đột biến: quá dòng, quá áp, quá công suất dội…

 Module ADF thu

 Giải điều chế tín hiệu thu

 Điều khiển IC ADF7201, giao tiếp với module xử lý tín hiệu

 Hiển thị thông số thu

c Hoạt động của hệ thống:

Máy phát (trên tầu): Module ADF7201 nhận tín hiệu tọa độ từ module GPS, sau đó mã hóa và tạo ra tín hiệu RF mang thông tin Tín hiệu RF được khuếch đại công suất trước khi đưa tới bộ lọc và ăng ten phát Màn hình có nhiệm vụ hiển thị toàn

bộ thông tin và kiểm soát thông số của máy phát

Máy thu (đất liền): Tín hiệu RF từ ăng ten thu được khuếch đại nhờ bộ LNA trước khi đưa tới modul ADF7201 ADF7201 có nhiệm vụ giải điều chế và đưa thông tin đến bộ xử lý tín hiệu Module xử lý tín hiệu có nhiệm vụ tính toán và hiển thị tọa

độ lên màn hình

Chương 2 – Kỹ thuật phối hợp trở kháng

2.1 Lý thuyết đường truyền [1]

Đường dây truyền sóng là đường truyền dẫn năng lượng sóng điện từ, là hình thức quá độ giữa mạch điện gồm các phần tử tập trung ở tần số thấp (L, C, R) và ống dẫn sóng ở siêu cao tần Đường dây truyền sóng được coi là mạch điện có phần tử phân bố nhưng nó có thể được biểu diễn theo sơ đồ của mạch điện với các phần tử tập trung

Đối với mạch có các phần tử tập trung, ta có thể phân tích bằng lý thuyết mạch kinh điển, với giả thiết rằng khi có một điện áp đặt vào, lập tức tác dụng của nó sẽ được thể hiện đồng thời tại mọi điểm trong mạch Trong một mạch vòng kín, khi có một dòng điện chạy thì ở mọi điểm trong mạch vòng ấy, biên độ và pha của dòng đều như nhau

Thực ra, trong một mạch điện, năng lượng điện từ truyền lan vẫn có một tốc độ nhất định Thành ra, khi kích thước của mạch, nghĩa là chiều dài các dây nối, có giá trị

so sánh được với bước sóng, thì tại các điểm khác nhau trong mạch, dòng điện (và điện áp) sẽ có pha khác nhau Đó là do có hiện tượng trễ theo thời gian Khi ấy, dùng

lý thuyết mạch thông thường sẽ không cho kết quả chính xác và các khái niệm cảm kháng, dung kháng cũng không đúng nữa Khi việc truyền năng lượng trong một mạch điện phải mất một thời gian đáng kể nào đó thì mạch điện đó được xếp vào loại mạch

có phần tử phân bố Ta có thể hiểu rằng khi trong mạch điện cao tần có đường dây truyền sóng mà chiều dài của dây có giá trị bằng một phân số đáng kể của bước sóng thì mạch đó được coi là một hệ có phần tử phân bố Thể hiện chính của khái niệm này

là trên đường dây xuất hiện sóng đứng của điện áp (và dòng điện), đồng thời trở kháng vào của đường dây thay đổi theo tần số

2.1.1 Cách biểu diễn một hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ của hệ có phần tử tập trung

Thông thường, một đường dây truyền sóng có thể được mô tả như một hệ gồm

hệ gồm 2 dây dẫn song song Đó là vì khi truyền dẫn sóng TEM ta phải có ít nhất 2 vật dẫn

Một phần tử rất ngắn của đường dây có độ dài Z (Hình 2a) có thể được biểu diễn bởi một mạng 4 cụm đơn giản gồm các phần tử tập trung (hình 2.1b)

Hình 2 Biểu diễn mạch tương đương của một đoạn đường truyền sóng siêu cao tần Trong đó:

R - Điện trở nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây, /m

L - Điện cảm nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây, H / m

G - Điện dẫn song song trên một đơn vị dài, s / m

C - Điện dung song song trên một đơn vị dài, F / m

Cách biểu diễn này là có thể chấp nhận được vì như trên ta đã giả thiết, đoạn dây có chiều dài rất ngắn nên thời gian sóng truyền qua là không đáng kể, giống như khi truyền qua mạng có phần tủ tập trung Tuy nhiên, không thể dùng 1 mạng 4 cụm đơn giản để đại diện cho cả dây truyền sóng vì thời gian cần thiết để năng lượng truyền theo đường dây lớn hơn nhiều so với thời gian truyền qua mạng đơn giản Khi

đó, để biểu diễn một hệ có phần tử phân bố (đường dây truyền sóng) ta có thể dùng một chuỗi liên tiếp các mạng 4 cụm đơn giản hình  hay T đối xứng như ở (Hình 3)

z

Hình 3 Mạng đơn giản hình T hay  đối xứng của đường truyền sóng siêu cao

tần

2.1.2 Phương trình vi phân của đường dây

Xét một đoạn rất ngắn Z của đường dây truyền sóng

Sơ đồ tương đương của đoạn dây với các giá trị điện áp và dòng điện được hiển thị như ở Hình 2b

Áp dụng định luật Kirchhoff, ta có thể viết các hệ thức sau đây đối với điện áp

và dòng điện trên đoạn mạch, tại các thời điểm t:

Đối với điện áp ta có:

0),(

),()

,()

,

t

t z I z L t z zI G t

0),(

),()

,()

,

t

t z V z C t z zV G t

z V t z z

V (   , )  ( , )  

I t z I t z z

I (   , )  ( , )  

Chia (2.1) và (2.2) cho Z và cho Zdz, ta nhận được:

t

t z I L t z RI z

t z

)

(

z I L i R z

)

(

z V C i G z

L i R

I

IZ Z

) ( ) ( ) (

z

I

z V ZY z

2.1.3 Nghiệm của phương trình vi phân

Bây giờ ta tìm nghiệm của phương trình vi phân (2.9)

Đặt ZY  2

Theo (2.7) ta có:

) )(

(

2

C i G L i

Ta nhận thấy là một số phức, có thể viết

C i G L i R

(

0 ) ( )

(

2 2

2

2 2

2

z I dz

z

I

d

z V dz

z z

e V e

V

z

z z

e I e I

z

(2.12a) và (2.12b) biểu thị các sóng điện áp và dòng điện trên đường dây, trong đó, số hạng chứa ez biểu thị cho sóng truyền theo hướng +z (sóng thuận), còn số hạng chứa ez biểu thị cho sóng truyền theo hướng -z (sóng ngược), với  là hệ số truyền sóng phức được xác định theo (2.10)

1)

L i R

Z0   , ta viết lại (2.13a)

) (

e V e

V Z

Z

V I

L i R

0

0

I

V I

i z

e e V e

e V t

z

V ( , )  0    0  

Lưu ý rằng biên độ của điện áp V0 (hoặc dòng điện I0) cũng là các đại lượng phức, ví dụ:

e

e

V0    V0 eiezeizeit

) (

e z

t V

e z

t V

t

z

V ( , )  0 cos(     )   0 cos(     )  (2.17) Vận dụng các phép chứng minh và suy luận như khi nghiên cứu lý thuyết sóng điện từ phẳng trong giáo trình “Lý thuyết trường điện từ”, ta xác định được ý nghĩa vật lý cũng như các mối quan hệ của các số hạng trong (2.17):

 - hệ số pha của sóng, có quan hệ với bước sóng công tác  bởi

Xét trường hợp đường dây truyền sóng không tổn hao

Đối với trường hợp đường dây truyền sóng lý tưởng ta có:

R=0; =0

Thay vào (2.10), ta nhận được:

LC i

z i z

i

e Z

V e

2.1.4 Đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối

Sơ đồ của đường truyền không tổn hao, có mắc tải dây cuối cùng với các trục toạ độ được vẽ ở Hình 4

   z , I z V

Hình 4 Sơ đồ đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối

L

Z là trở kháng tải, trong trường hợp tổng quát đó là đại lượng phức

0

Z là trở kháng đặc tính của đường dây, là đại lượng thực (vì là đường

dây không tổn hao)

Khi đặt vào đường dây một nguồn dao động, tại vị trí Z<0, trên đường dây sẽ xuất hiện sóng tới (truyền theo hướng Z>0) và sóng phản xạ (truyền theo hướng Z<0), được mô tả bởi:

z i z

i

e V e

V z

z i z

i

e Z

V e

Z

V z

0

0 0

0)

0 0 ) 0 (

) 0 ( )

0

V V

V V I

V Z

Z Z V

L

Hệ số phản xạ

Nếu định nghĩa hệ số phản xạ là tỷ số của sóng phản xạ trên sóng tới thì

từ (2.28) ta xác định được hệ số phản xạ tại Z0 (Vị trí mắc tải)

0

0 0

0)

0

(

Z Z

Z Z V

Như vậy sóng đứng sẽ xảy ra khi hệ số phản xạ   0

Khi   0, trên đường truyền chỉ có một sóng là sóng tới, có dạng sóng chạy

Như vậy sóng chạy sẽ xảy ra khi

V( )  0  1   2

Biên độ của điện áp:

z i

Viết lại (2.31) theo toạ độ l, lưu ý rằng khi ấy l   z, ta có

l i

(  l  ;  2  ;  4  ;  2 n  (2.34)

và V có giá trị cực điểm Vmin khi

1

) 2

với đường truyền không tổn hao,

Hình 6 Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyền không

tổn hao có mắc tải đầu cuối

Các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực tiểu được gọi là điểm “nút” của sóng đứng điện áp, còn các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực đại được gọi là điểm “bụng” Các điểm nút và điểm bụng của sóng đứng điện áp sẽ tương ứng với điểm bụng của sóng đứng dòng điện và ngược lại

Tại các điểm bụng và điểm nút của sóng đứng ta có:

max

V

V S

Khi 0 phối hợp trở kháng, ta có hệ số sóng đứng S1, nghĩa là biên

độ của sóng điện áp (hoặc dòng điện) có giá trị như nhau trên suốt chiều dài của đường truyền Sóng trên đường truyền được coi là sóng chạy Từ (2.40) ta cúng rút ra được quan hệ giữa hệ số sóng đứng Svà hệ số phản xạ :

i

e V e

V l

V ( )  0   0 

Hệ số phản xạ theo định nghĩa sẽ bằng:

l i

e V

V

0

0)





Trong đó = và hệ số phản xạ tại đầu cuối l  0

 Công suất trung bình truyền theo đường dây truyền sóng

Ta khảo sát công suất trung bình truyền theo đường truyền, qua điểm có toạ độ Z nào

đó Theo công thức kinh điển của lý thuyết mạch, ta có thể viết:

 *

) ( ) ( Re 2

1

z I z V

1Re2

0

2 0

2 0

2 0

là công suất trung bình của sóng phản xạ

Như vậy công suất trung bình truyền theo đường truyền sẽ là hiệu của công suất trung bình sóng tới trừ đi công suất trung bình sóng phản xạ

Khi   0 (phối hợp trở kháng), toàn bộ công suất được truyền cho tải Khi   1 công suất của sóng tới và sóng phản xạ có giá trị bằng nhau,

do đó công suất truyền cho tải bằng không

Khi 0 (không phối hợp trở kháng), không phải toàn bộ công suất được truyền cho tải mà có một bộ phận bị phản xạ trở lại, gây tổn hao công suất

Ta gọi tổn hao đó là “tổn hao do phản xạ”

sẽ thay đổi tuỳ theo vị trí khảo sát Tại các điểm bụng điện áp (tương ứng là nút dòng điện), ta nhận được trở kháng cực đại

S Z Z

Z I

 i l i l

l i l

i

e e

Z V

e e

V ) l (

) l ( V Z

0 vµo

hay

0 2 21

1

Z e

e

l i

)(1)

l

l l

) ( )

(

Z l Z

Z l Z l

l i L

l i L

l i L

e Z Z e

Z Z

e Z Z e

Z Z Z

)(

)(

)(

0 0

0 0

0 vµo

l iZ

l Z

l iZ

l Z

sin cos

0

0 0







Hay

l tg iZ Z

l tg iZ Z

0 )

(

z i

V     

)1

0

0 )

(

z i

0

(

Z Z

Z Z

l tg iZ Z Z e

e Z

l

l l

l i

2

2 0

11

S Z

Zmax  0

Trở kháng tại các điểm bụng là cực tiểu và thuần trở

Z Z

2 0

Z Z

Z T

Giản đồ này chính là biểu diễn hình học của hệ thức:

01

e z

1

(2.55)

Một giá trị bất kỳ của hệ số phản xạ  có thể được biểu diễn lên hệ toạ độ cực dưới dạng một bán kính vectơ  và góc pha  Như vậy, ứng với mỗi điểm trên 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 r L ix L và r i i vào (2.54) ta nhận được:

i r

i r L

L

i

i ix

)1(

Trong đó, r và L x lần lượt là điện trở và điện kháng của tải L

r

 vài là phần thực và phần ảo của hệ số phản xạ  Trên mặt phẳng hệ số phản xạ (giới hạn trong vòng bán kính bằng 1 và  1)

có thể vẽ được 2 họ đường cong, một họ gồm những đường đẳng điện trở r = const và một họ gồm những đường đẳng điện kháng x = const

Cân bằng phần thực và phần ảo của (2.56) ta được 2 phương trình:

2 2

2 2)1(

1

i r

i L L

2

i r

i L

L

L r

r r

r

2 2

)1

i r

x

Mỗi phương trình trên biểu thị một họ đường tròn trong mặt phẳng  ,r i

2.2.2 Họ đường tròn đẳng điện trở r:

Phương trình (2.59) biểu thị họ vòng tròn đẳng điện trở, có tâm nằm trên trục

hoành (i 0) tại hoành độ  =

rằng các vòng tròn này luôn đi qua điểm r = 1 (vì 1

L

r r

r a

Hình 7 Họ vòng tròn đẳng điện trở

Hình 9 Vòng tròn

Hình 8 Họ vòng tròn đẳng điện kháng

Vòng tròn đẳng điện kháng phía trên trục hoành c hoành

Hình 10 Vòng tròn

Hình 11 Vòng tròn

Các giá trị của các đư

tròn có bán kính bằng 1) đế

Vòng tròn đẳng điện kháng phía dưới trục hoành

Vòng tròn đẳng điện trở và điện kháng trên cùng bi

a các đường tròn đẳng r được ghi trên trục thực, t

ến rL= (vòng tròn có bán kính bằng 0)

c hoành

n kháng trên cùng biểu đồ

c, từ rL=0 (vòng

Các họ vòng tròn đẳng điện trở và đẳng điện kháng được biểu diễn chung trên một đồ thị được coi là cơ sở của biểu đồ Smith Ở đây, người ta không vẽ toàn bộ các vòng tròn điện kháng mà chỉ vẽ các đoạn nằm trong giới hạn của vòng   1 mà thôi (Hình 11)

i



r

 1 75 , 0 5 , 0 25 , 0





75 , 0





5 , 0

1S 

Vì các đường tròn đẳng S có tâm là gốc toạ độ nên việc xác định

Hình 13 Giản đồ Smith chuẩn

(2.52)

2.3 Một số phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản

Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản được mô tả ở Hình 13, trong đó sử dụng một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng Mạch phối hợp thường là một mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết kế sao cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng sóng Zo của đường truyền

Hình 14 Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản

Mạch phối hợp trở kháng là phần quan trọng của một mạch siêu cao tần vì những lý do sau:

 Khi nguồn và tải được phối hợp trở kháng với đường truyền, năng lượng tối đa từ nguồn sẽ được truyền đến tải còn năng lượng tổn hao trên đường truyền là nhỏ nhất

 Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu của hệ thống khác trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âm thấp v.v

 Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp điện cho dàn anten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai

số về biên độ và pha khi phân chia công suất

Sau đây chúng ta đề cập đến các phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản:

2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung

Đây là mạch phối hợp đơn giản nhất gồm hai phần tử điện kháng mắc thành hình chữ L được gọi là mạch hình L, có sơ đồ như vẽ ở Hình 15 Giả thiết đường truyền dẫn không tổn hao (hay tổn hao thấp), có nghĩa Z0 là đại lượng thuần trở

Hình 15 Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung

Nếu trở kháng đặc trưng của tải zL=ZL/Z0 nằm trong đường tròn 1+jx trên đồ thị Smith, chúng ta sử dụng sơ đồ Hình 15a Ngược lại nếu zL nằm ngoài đường tròn 1+jx, sơ đồ Hình 15b thường được sử dụng

2.3.2 Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh

Phối hợp trở kháng bằng dây nhánh là phương pháp được sử dụng khá phổ biến do đơn giản và dễ điều chỉnh Có thể mắc dây nhánh vào đường truyền theo sơ đồ song song hoặc nối tiếp với đoạn dây hở mạch hoặc ngắn mạch (xem Hình 16)

(a) (b)

Hình 16 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh

2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh

Phương pháp phối hợp trở kháng bằng một dây nhánh có ưu điểm là đơn giản

và có thể sử dụng để phối hợp cho mọi trường hợp trở kháng đặc trưng của tải có phần thực khác 0 Tuy nhiên nhược điểm của nó là sử dụng một đoạn đường truyền có độ dài biến đổi đặt giữa tải và dây nhánh Trong một số trường hợp chúng ta sử dụng phương pháp phối hợp trở kháng dùng 2 dây nhánh nằm cách nhau một đoạn cố định Tuy nhiên phương pháp này không thể sử dụng cho mọi trường hợp của trở kháng tải

Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng 2 đây nhánh được mô tả ởHình 17a, trong đó tải có thể nằm cách dây nhánh đầu tiên một khoảng bất kì Tuy nhiên, trong thực tế chúng ta thường sử dụng sơ đồHình 17b, với tải đặt ngay sát dây nhánh thứ nhất Sơ đồHình 17b thường dễ thực hiện hơn mà vẫn không làm mất tính tổng quát của bài toán Hai dây nhánh sử dụng trong sơ đồHình 17 là 2 dây nhánh song song vì chúng

có thể được thực hiện đơn giản hơn các dây nhánh nối tiếp tuy nhiên về mặt lý thuyết các dây nhánh nối tiếp hoàn toàn có thể sử dụng để phối hợp trở kháng bằng phương pháp này Các dây nhánh có thể hở mạch hoặc ngắn mạch

Hình 17 Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây nhánh song song

2.3.4 Phối hợp trở kháng bằng doạn dây lamda/4

Đoạn dây λ/4 là phương pháp đơn giản để phối hợp một trở kháng tải thực với đường truyền Một đặc điểm của đoạn dây λ/4 là chúng ta dễ dàng mở rộng phương pháp này để phối hợp cho cả một dải tần số Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp

sử dụng đoạn dây λ/4 là chỉ sử dụng được để phối hợp cho trường hợp trở kháng tải là thực Với một trở kháng tải phức chúng ta có thể sử dụng một đoạn đường truyền hoặc dùng dây nhánh để đưa trở kháng này về trở kháng thực, sau đó dùng phương pháp đoạn dây λ/4 để phối hợp

Hình 18biểu diễn sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4 để phối hợp giữa trở kháng tải ZLthực với đường truyền có trở kháng đặc trưng Z0