BÀI GIẢNG MÔN HỌC KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN

Lĩnh vực SCT được coi như một chuyên ngành cơ sở, có nền móng được phát triển trên 100 năm và đặc biệt phát triển mạnh do các ứng dụng trong radar.

BÀI GIẢNG MÔN HỌC KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN Chương 1: GIỚI THIỆU Khái niệm, quy ước dải tần số sóng điện từ Mơ hình thơng số tập trung thông số phân bố Lịch sử ứng dụng Chương 2: LÝ THUYẾT ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SĨNG 2.1 Mơ hình mạch phần tử tập trung cho đường dây truyền sóng 2.2 Phân tích trường đường dây 2.3 Đường truyền khơng tổn hao có tải kết cuối 2.4 Giản đồ Smith 2.5 Bộ biến đổi ¼ bước sóng 2.6 Nguồn tải khơng phối hợp trở kháng 2.7 Đường truyền tổn hao Bài tập chương Chương 3: MẠNG SIÊU CAO TẦN 3.1 Trở kháng, điện áp dòng tương đương 3.2 Ma trận trở kháng ma trận dẫn nạp 3.3 Ma trận tán xạ 3.4 Ma trận truyền (ABCD) 3.5 Đồ thị dịng tín hiệu Bài tập chương Chương 4: PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG VÀ ĐIỀU CHỈNH 4.1 Giới thiệu 4.2 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung (mạng L) 4.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm 4.4 Bộ ghép ¼ bước sóng 4.5 Lý thuyết phản xạ nhỏ 4.6 Bộ phối hợp trở kháng đa đoạn dạng nhị thức 4.7 Bộ ghép dải rộng tiêu chuẩn Bode – Fano Bài tập chương Chương 5: CHIA CÔNG SUẤT VÀ GHÉP ĐỊNH HƯỚNG 5.1 Giới thiệu 5.2 Các đặc trưng 5.3 Bộ chia cơng suất hình T 5.4 Bộ chia công suất Wilkinson 5.5 Ghép định hướng ống dẫn sóng 5.6 Các lai (ghép hỗn tạp) Bài tập chương Chương 6: CÁC BỘ LỌC SIÊU CAO TẦN 6.1 Giới thiệu 6.2 Các cấu trúc tuần hoàn 6.3 Thiết kế lọc dùng phương pháp thông số ảnh 6.4 Thiết kế lọc dùng phương pháp tổn hao chèn 6.5 Thiết kế lọc SCT 6.6 Một số loại lọc thường gặp Bài tập chương Chương 1: GIỚI THIỆU Khái niệm: Khái niệm siêu cao tần hiểu tùy theo trường phái quốc gia, từ 30 MHz – 300 GHz (1) 300MHz – 300 GHz (2),, GHz – 300 GHz (3) Các dải tần số AM phát 535 – 1605 kHz L – band – GHz Vơ tuyến sóng ngắn – 30 MHz S – band – GHz Phát FM 88 – 108 MHz C - band – GHz VHF – TV (2 – 4) 54 – 72 MHz X – band – 12 GHz VHF – TV (5– 6) 76 – 88 MHz Ku – band 12 – 18 GHz UHF – TV (7 - 13) 174 - 216 MHz K – band 18 - 26 GHz UHF – TV (14 - 83) 470 - 894 MHz Ka – band 26 - 40 GHz Lò vi ba 2.45 GHz U – band 40 – 60 GHz * Vì tần số cao dải microwaves nên lý thuyết mạch sở khơng cịn hiệu lực, pha áp dòng thay đổi đáng kể phần tử (các phần tử phân bố) * Thông số tập trung: đại lượng đặc tính điện xuất tồn vị trí xác định mạch điện Thông số tập trung biểu diễn phần tử điện tương ứng (phần tử tập trung – Lumped circuit element), xác định đo đạc trực tiếp (chẳng hạn R, C, L, nguồn áp, nguồn dịng) * Thơng số phân bố: (distributed element) mạch điện đại lượng đặc tính điện khơng tồn vị trí cố định mạch điện mà rải chiều dài mạch Thông số phân bố thường dùng lĩnh vực SCT, hệ thống truyền sóng (đường dây truyền sóng, ống dẫn sóng, khơng gian tự do…) Thông số phân bố không xác định cách đo đạc trực tiếp * Trong lĩnh vực SCT, λ so sánh với kích thước mạch phải xét cấu trúc mạch hệ phân bố Đồng thời xét hệ phân bố, xét phần mạch điện có kích thước υ ( z , t ) − R ∆ zi ( z , t ) − L ∆ z ∂i ( z , t ) − υ ( z + ∆z , t ) = ∂t i ( z , t ) − G ∆ zυ ( z + ∆ z , t ) − C ∆ z ∂υ ( z + ∆ z , t ) − i ( z + ∆z , t ) = ∂t Lấy giới hạn (2.1a) (2.1b) ∆z ∂υ ( z , t ) ∂i( z , t ) = − Ri ( z , t ) − L ∂z ∂t ∂i ( z , t ) ∂υ ( z , t ) = −Gυ ( z , t ) − C ∂z ∂t (2.1a) (2.1b) => (2.2a) (2.2b) Đây phương trình dạng time – domain đường dây (trong miền thời gian), cịn có tên phương trình telegraph Nếu v (z, t) i (z, t) dao động điều hịa dạng phức (1.2) → ∂V ( Z ) ∂z ∂I ( Z ) ∂z = − ( R + jω L ) I ( Z ) (2.3a) = − ( G + j ω C )V ( Z ) (2.3b) Chú ý: (2.3) Có dạng tương tự hai phương trình đầu hệ phương trình Maxwell ì E = jà H → → ∇ × H = jωε E 2) Sự truyền sóng đường dây Dễ thấy đưa (2.3 a,b) dạng d 2V ( Z ) − γ 2V ( Z ) = (2.4a) − γ I (Z ) = (2.4b) ∂z d I (Z ) ∂z Trong γ số truyền sóng phức, hàm tần số Lời giải dạng sóng chạy (2.4) tìm dạng : V ( Z ) = V o+ e − γ Z + V o− e γ Z (2.5a) I ( Z ) = I o+ e − γ Z + I o− e γ Z (2.5b) Từ 2.5b viết dạng : I(Z ) Vo+ −γZ Vo− γZ = e − e Zo Zo (2.6) Chuyển miền thời gian sóng điện áp biểu diễn : υ ( z , t ) = Vo+ cos( ω t − β z + φ + ) e −αz + Vo− cos( ω t + β z + φ − ) eαz (2.7) Trong đó: φ ± góc pha điện áp phức Vo± , λ = Khi bước sóng tính : Vận tốc pha : υp = ω = λf β 2π β (2.8) (2.9) 3) Đường dây không tổn hao: (2.7) nghiệm tổng quát cho đường dây có tổn hao với số truyền trở kháng đặc trưng có dạng phức Trong nhiều trường hợp thực tế tổn hao đường dây bé, bỏ qua coi R = G = ta có γ = α + jβ = ( R + jω L )(G + jω C ) = jω LC (2.10) => α = 0, β = ω LC Ö Trở kháng đặc trưng: Z0 = L C số thực (2.11) Khi đó: V ( Z ) = V o+ e − jβ Z + V o− e jβ Z (2.12a) I ( Z ) = I o+e− jβZ + Io−e jβZ (2.12b) γ = 2π β υp = = 2π (2.13) ω LC ω = β LC (2.14) §2.2 TRƯỜNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY Trong tiết tìm lại thông số R, L, G, C từ vector trường áp dụng cho trường hợp cụ thể đường truyền đồng trục 1, Các thông số đường truyền Xét đoạn dây đồng nhất, dài 1m với vectơ E, vectơ H hình vẽ - S: Diện tích mặt cắt dây - Giả thiết V0e ± j β z I0e ± j β z áp dòng vật dẫn - Năng lượng từ trường trung bình tích tụ 1m dây có dạng Wm = µ → H H 4∫ s - * ds => L = µ I0 → ∫ H H * ds ( H / m ) (2.15) s Tương tự điện trung bình tích tụ đơn vị chiều dài là: Wl = E → * ε E E ds => C = ∫s V0 → * ∫ E E ds ( F / m ) (2.16) s - Công suất tổn hao đơn vị chiều dài độ dẫn điện hữu hạn vật dẫn kim loại là: Pc = Với Rs = - σδ S → * ∫ H H dl → (Giả thiết H nằm S) C1 +C2 = ωµ 2σ điện trở bề mặt kim loại Theo Lý thuyết mạch => R= - Rs Rs I0 → ∫ H H * dl (Ω / m) (2.17) C1 +C2 Công suất tổn hao điện mơi trung bình đơn vị chiều dài : Pd = ωε '' → ∫ E E * ds S ' '' ' Với ε '' phần ảo số điện môi phức ε = ε − jε = ε (1− jtgδ ) Theo LTM => Độ lợi G là: G= ωε '' → ∫ E E * ds ( S / m ) (2.18) V0 S 2, Ví dụ: Các thơng số đường dây đường truyền đồng trục trường sóng TEM đường truyền đồng trục biểu diễn : ∧ ∧ V ρ −γ z E= e , b ρ ln a ∧ I φ H = e −γz , 2πρ ε = ε ' − jε '' , µ = µ0 µr ∧ ( ρ φ vector đơn vị theo phương ρ φ ) => L= µ 2π b µ b ρ ρ φ = ln (H / m) d d ∫0 ∫a π a ρ (2π ) πε ' (F / m) C = b ln a R= Rs 1 ( + )(Ω / m ) 2π a b 2πωε " G= ( S / m) b ln a * Các thông số đường truyền số loại đường dây µd D µ L cosh−1 ( ) W π 2a C πε ' ε 'W Cosh −1 ( D / 2a) d Rs W Rs πa R G πωε ' ωε "W Cosh −1 ( D / 2a) d 3, Hằng số truyền sóng, trở kháng đặc tính dịng cơng suất - Các phương trình telegraph (2.3 a,b) thu từ hệ phương trình Maxwell - Xét đường truyền đồng trục có sóng TEM đặc trưng bởi: ∂ Ez = Hz = = (do tính đối xứng trục) ∂φ Hệ phương trình Maxwell ∇ x E = - j ω µ H (2.19a) (2.19b) ∇xH=jωεE với ε = ε’ – j ε’’ (có tổn hao điện mơi, bỏ qua tổn hao điện dẫn) (2.19) triển khai thành: ∧ ∧ ∂Eφ ∧ ∂Eρ ∧ ∂ +φ +z ( ρEφ ) = − jωµ ( ρ H ρ + φ H φ ) ∂z ∂z ρ ∂ρ ∧ ∂H ∧ ∂H ∧ ∧ ∧ ∂ φ ρ +z ( ρEφ ) = jωε ( ρ Eρ + φ Eφ ) +φ −ρ ∂z ρ ∂ρ ∂z ∧ −ρ (2.20a) (2.20b) ∧ Vì thành phần z phải triệt tiêu nên : Eφ = f( z ) (2.21a) ρ g Hφ = (z) ρ (2.21b) - Điều kiện biên EQ = ρ = a, b => EQ = nơi từ (2.20a) => H ρ = 0; viết lại : ∂Eρ = − jωµH φ ∂z ∂H φ = − jωεEρ ∂z (2.22a) (2.22b) Từ dạng H φ (2.21b) (2.22a) => Eρ = hz (2.23) ρ - Sử dụng (2.21b) (2.23) => ∂h( z ) = − jωµg ( z ) ∂z ∂g ( z ) = − jωεh( z ) ∂z (2.24a) (2.24b) => - Điện áp hai vật dẫn có dạng: V( z ) = ∫ b ρ =a Eρ ( ρ , z )dρ = h( z ).ln b a (2.25a) - Dịng điện tồn phần vật dẫn ρ = a có dạng: I(z) = ∫ 2π φ =0 H ρ (a, z )a.dφ = 2π g ( z ) (2.25b) - Kết hợp (2.24) (2.25) => ∂V ( z ) = − jωLI ( z ) ∂z ∂I ( z ) = −(G + jωC )V ( z ) ∂z (2.26a) (2.26b) * Hằng số truyền sóng : ∂ Eρ + ω µεE ρ = ∂Z γ = −ω µε => γ = α + jβ (2.27) Với môi trường không tổn hao => γ = jβ với β = ω µε = ω LC (2.28) * Trở kháng sóng : E ρ ωµ µ = = =η Zω = (2.29) Hφ β ε Với η trở kháng nội môi trường * Trở kháng đặc tính đường truyền đồng trục b b E ρ ln η ln V0 a = a = Z0 = = I0 2πH φ 2π ln b µ a ε 2π (2.30) * Dịng cơng suất (theo hướng lan truyền Z) dược tính qua vector Poynting: 2π b 1 P = ∫ E × H dS = ∫ ∫ 2S φ =0 ρ = a V0 I 0* 2πρ ln b a ρ dρ dφ = V0 I 0* (2.31) (2.29) trùng với kết lý thuyết mạch Điều chứng tỏ công suất truyền lan truyền trường điện từ hai vật dẫn §2.3 ĐƯỜNG TRUYỀN KHƠNG TỔN HAO CĨ TẢI KẾT CUỐI 1, Hệ số phản xạ điện áp: - Xét đường truyền khơng tổn hao có tải đầu cuối với trở kháng ZL Khi xuất sóng phản xạ đường truyền Đây đặc trưng sở hệ phân bố Giả thiết có sóng tới có dạng: V0+ e – j β z phát nguồn định xứ miền Z V 0− = L V0 + − ZL + Z0 V0 − V0 * Định nghĩa hệ số phản xạ biên độ điện áp Г: Γ= V0− Z L − Z = V0+ Z L + Z (2.33) Khi => V( Z ) = V0+ e − jβz + Γe jβz I(Z ) [ V [e = Z + − jβz ] + Γe jβz (2.34a) ] (2.34b) - Sóng áp dịng dạng (2.32) chồng chất sóng tới sóng phản xạ, gọi l;à sóng đứng Chỉ Г = khơng có sóng phản xạ Để nhận Г = ZL = Z0, ta nói tải cân trở kháng (phù hợp trở kháng) với đường dây (hay tải phối hợp) 2, Tỷ số sóng đứng: (SWR: Standing ware ratio) - Dịng cơng suất trung bình dọc theo đường truyền điểm Z: { + 1 V0 * Pav = Re V( Z ) I ( Z ) = Re − Γ * e − jβz + Γe jβz − Γ 2 Z0 [ ] => ( + V0 Pav = 1− Γ Z0 ) } (2.35) - Nhận xét: Dịng cơng suất trung bình const điểm đường truyền Cơng suất tồn phần đặt tải Pav cơng suất sóng đến công suất phản xạ V0+ Γ 2Z V0+ 2Z trừ Г = công suất tiêu thụ tải cực đại (giả thiết máy phát phối hợp trở kháng với đường dây cho khơng có sóng phản xạ từ miền Z < 0.) - Khi tải không phối hợp với trở kháng (mismatched) có tổn hao quay ngược (return loss – RL): RL = - 20 lg ‫׀‬Г‫( ׀‬dB) (2.36) + Nhận xét: o Với tải phối hợp ( Г = ) ⇒ RL = ∞ dB o Với tải phản xạ toàn phần (⎪Γ⏐= 1) → RL = dB - Khi tải phối hợp (Г = 0) biên độ điện áp ⎪V(z)⎮= ⎮V0+⎮= const, đường dây gọi “phẳng” (flat) - Khi tải không phối hợp → tồn sóng phóng xạ → xuất sóng đứng (biên độ đáp đường dây không hằng) 10 ... cộng hưởng phân tử, nguyên tử, hạt nhân xảy vùng tần số SCT kỹ thuật SCT sử dụng lĩnh vực khoa học bản, cảm biến từ xa, chẩn trị y học nhiệt học * Các lĩnh vực ứng dụng rađar hệ thống thơng tin:... n = j 10 Ω 19 Chương III: LÝ THUYẾT MẠNG SIÊU CAO TẦN § 3.1 TRỞ KHÁNG, ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG 1) Điện áp dòng điện tương đương Ở tần số siêu cao phép đo áp dịng khó thực hiện, trừ cặp... thường gặp Bài tập chương Chương 1: GIỚI THIỆU Khái niệm: Khái niệm siêu cao tần hiểu tùy theo trường phái quốc gia, từ 30 MHz – 300 GHz (1) 300MHz – 300 GHz (2),, GHz – 300 GHz (3) Các dải tần số