8 nguyenminhke DT1301 đã chuyển đổi

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Lí thuyết đường truyền .3 1.2.1 Các loại đường truyền 1.2.2 Các thành phần 1.2.3 Các hiệu ứng truyền đường dây 1.3 Đồ thị Smith .7 1.4 Phối hợp trở kháng 11 1.4.1 Lý thuyết chung 11 1.4.1 Các kỹ thuật phối hợp hợp kháng .12 KẾT LUẬN .30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 1.1 Giới thiệu chung: Thuật ngữ “viba” (microwaves) để sóng điện từ có bước sóng nhỏ, ứng với phạm vi tần số cao phổ tần số vô tuyến điện Phạm vi dải tần số khơng có quy định chặt chẽ thống toàn giới Giới hạn dải thường coi tới 300 GHz (f = 11 3.10 Hz), ứng với bước sóng λ=1mm (sóng milimet), giới hạn khác tuỳ thuộc vào quy ước theo tập quán sử dụng Một số nước coi "sóng cực ngắn" sóng có tần số cao 30 MHz (bước sóng λ ≤ 10m), số nước khác coi "viba" sóng có tần số cao 300 MHz (bước sóng λ≤ 1m) Với phát triển nhanh kỹ thuật thành tựu đạt việc chinh phục băng tần cao phổ tần số vô tuyến, khái niệm phạm vi dải tần "viba" thay đổi Hình 2.1 minh hoạ phổ tần số sóng điện từ phạm vi dải tần kỹ thuật viba coi đối tượng nghiên cứu mơn học Tần số (Hz) Hình 1.1: Phổ tần số sóng điện từ Trong ứng dụng thực tế, dải tần vi ba chia thành băng tần nhỏ hơn: - Cực cao tần UHF (Ultra High Frequency): f = 300 MHz ÷ GHz - Siêu cao tần SHF (Super High Frequency): f = ÷ 30 GHz - Thậm cao tần EHF (Extremely High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz 1.2 Lý thuyết đường truyền: Khi nghiên cứu đường truyền tín hiệu tần thấp, ta thường coi đường dây nối (hay đường truyền) ngắn mạch Điều kích thước mạch nhỏ bước sóng tín hiệu Còn tín hiệu cao tần đặc biệt tín hiệu siêu cao ta phải có nghiên cứu đặc biệt đường truyền 1.2.1 Các loại đường truyền: Một đường truyền sử dụng để truyền tín hiệu từ phần tử đến phần tử khác từ lối vào mạch tới phần tử từ phần đến lối Có loại đường truyền dây đôi, đường truyền vi dải, cáp phẳng ống dẫn sóng Hình 1.2: Các dạng đường truyền sóng Trong trường hợp truyền sóng phẳng TEM xác định điện áp cường độ dòng điện xác định điểm Các kim loại đặc trưng độ dẫn σ Sử dụng chất điện môi chất cách điện vật dẫn đặc trưng độ dẫn, số điện môi độ từ thẩm thường 1.2.2 Các thành phần: Các phần tử thụ động: RLC, diot, đường truyền ( ,…) Các phần tử hoạt động: transistor (BJT, FET, MESFET, MOSFET, HEMT) Các mạch tích hợp (MMIC – Monolithic Microwave Integrated Circuits) 1.2.3 Các hiệu ứng truyền đường dây: Các giả thiết vật lý QSA (Quasi-Static approximation) sử dụng cho phần tử thụ động hoạt động rời rạc Các tín hiệu dải thơng nhỏ Các đường dây giả sử mode TEM lượng tử Các phương trình điện báo: Xét cáp đồng trục có chiều dài h Điện Trở lõi (1.1) Điện trở lớp vỏ bọc: (1.2) Độ tự cảm lõi trong: (1.3) Điện dung tạo lõi lớp vỏ: (1.4) Độ dẫn điện lớp điện môi : (1.5) Trường hợp sóng sin v (1.6) i (1.7) Nghiệm tổng quát phương trình vi phân cấp phụ thuộc vào hai số: (1.8) zz Với sóng đến sóng phản xạ (1.9) Trở kháng đặc trưng Chúng ta có phương trình: (2.11) Trở kháng xác định tỷ số điện áp dòng điện: (2.12) Coi sóng phản xạ sóng sin : Trở kháng xác định tỷ số điện áp dòng điện: (2.14) Vì , gọi trở kháng đặc trưng đường truyền Đƣờng truyền không tổn hao R1 =0 , G1 =0 Và jk ; Hệ số phản xạ Một đường truyền giới hạn tải với trở kháng ZL Hệ số phản xạ xác định cơng thức: (2.15) Trở kháng chuẩn hóa tính theo đơn vị trở kháng đặc trưng : (2.16) Sóng đứng Ở điểm đường truyền ta có: (2.17) Trường hợp đường truyền vi dải: Hình 1.3: Đường truyền vi dải Trở kháng đặc trưng phụ thuộc vào bề rộng, độ cao, số điện mơi bề dày dải: (2.18) Ở trở kháng đặc trưng lớp không gian : w’=w+Δw Và (2.19) Để đặc trưng cho hiệu ứng bề mặt, người ta đưa khái niệm độ thấm sâu trường độ dày lớp bề mặt mà trường tồn δ Đó khoảng cách tính từ bề mặt vật dẫn sâu vào bên trong, cường độ điện trường giảm e=2,7183… lần so với giá trị bề mặt với (2.20) 1.3 Đồ thị Smith: Đồ thị biểu diễn hình học hệ thức: (2.21) Hay viết dạng trở kháng chuẩn hố: (2.22) Trong zL=ZL/R0 trở kháng chuẩn hố theo R0 Thay ta viết lại (2.23) dạng : (2.23) Một giá trị hệ số phản xạ biểu diễn lên hệ toạ độ cực dạng bán kính vectơ góc pha Như ,ứng với điểm mặt phẳng hệ số phản xạ có giá trị hệ số phản xạ hồn toàn xác định giá trị trở kháng z hoàn toàn xác định Thay ZL=rL+ixL Γ=Γr+iΓi vào (2.23) ta nhận được: (2.25) Trong rL xL điện trở điện kháng tải Γr Γi phần thực phần ảo hệ số phản xạ Γ Trên mặt phẳng hệ số phản xạ (giới hạn vòng bán kính l ) vẽ họ đường cong, họ gồm đường đẳng điện trở r = const họ gồm đường đẳng điện kháng x = const Cân phần thực phàn ảo (2.25) ta phương trình: (2.26) (2.27) Sau biến đổi (2.26) (2.27) ta nhận : (2.28) (2.29) Mỗi phương trình biểu thị họ đường tròn mặt phẳng ,Γ1 Hình 1.4: Đồ thị Smith chuẩn Sau tóm lược điểm đáng lưu ý đồ thị Smith để thuận tiện cho việc ghi nhớ sử dụng thực tế Tất giá trị trở kháng đồ thị Smith trở kháng chuẩn hoá theo điện trở chuẩn định trước, thường trở kháng đặc tính R đường dây khơng tổn hao Đồ thị Smith nằm phạm vi vòng tròn đơn vị hệ số phản xạ Γ có modun nhỏ Các đường đẳng r họ vòng tròn có tâm nằm trục hồnh đồ thị ln qua điểm =1 Giá trị r vòng tròn đẳng r ghi dọc theo trục hoành, từ (điểm bên trái ứng với giá trị r = 0, điểm bên phải ứng với giá trị r = ) Các đường đẳng x họ vòng tròn có tâm nằm trục vng góc với trục hồnh =1 Có hai nhóm đường tròn đẳng x: - Nhóm đường đẳng x với x > (cảm kháng) đường nằm phía trục hồnh Giá trị x tăng dần từ đến ghi đường - Nhóm đường đẳng x với x < (dung kháng) đường nằm phía trục hoành Giá trị x giảm dần từ đến - ghi đường Các đường đẳng r đường đẳng x họ đường tròn trực giao với Giao điểm đường đẳng r đường đẳng x biểu thị cho trở kháng z = r+ix, đồng thời biểu thị cho hệ số phản xạ điểm có trở kháng z Tâm điểm đồ thị Smith giao điểm đường đẳng r=1 đường đẳng x=0 (nằm trục hoành), điểm đại biểu cho trở kháng trở z=1 (nghĩa Z=R0) Đây điểm tƣợng trƣng cho điện trở chuẩn R 0, cho phép thực phối hợp trở kháng đƣờng dây Thật vậy, điểm có hệ số phản xạ Γ= hệ số sóng đứng S=1 Điểm tận bên trái trục hoành giao điểm đường đẳng r=0 đường đẳng x= 0, biểu thị cho trở kháng z=0 (tức Z = 0), nghĩa ứng với trƣờng hợp ngắn mạch Tại ta có hệ số phản xạ Γ=-1 Điểm tận bên phải trục hoành điểm đặc biệt mà tất đường đẳng r đẳng x qua Tại ta có r= , x= , z= (tức Z= ), nghĩa ứng với trƣờng hợp hở mạch Tại ta có hệ số phản xạ Γ=1 Hệ số phản xạ vị trí l đường truyền xác định biết hệ số phản xạ Γ vị trí tải, dựa vào công thức (2.30) 10 Đồ thị Smith cho phép thực phép tính quay vectơ Γ đồ thị góc quay ứng với độ dịch chuyển l, đó: 0 Góc quay xác định theo độ (từ -180 đến 180 ), theo số bước sóng (từ đến 0,5 cho vòng quay) Theo quy định đồ thị Smith: - Chiều quay từ tải hướng nguồn thuận chiều kim đồng hồ - Chiều quay từ nguồn hướng tải ngược chiều kim đồng hồ Trên chiều quay, có vòng đánh số theo độ vòng đánh số theo số bước sóng để tiện sử dụng Khi vẽ đường tròn đẳng S đồ thị Smith đường tròn cắt trục hồnh điểm Giao điểm nằm phía bên phải tâm đồ thị biểu thị 11 cho vị trí đường dây có z= r max+i0, với rmax=S Đây điểm bụng sóng đứng Ngược lại, giao điểm nằm phái trái tâm đồ thị biểu thị cho vị trí đường dây có z=r min+i0, với rmin=1/S Đây điểm nút sóng đứng (hình 2.5) Trên đồ thị Smith nhận thấy khoảng cách bụng sóng nút sóng 0,25 λ Hình 1.5: Biểu diễn điểm bụng điểm nút sóng đứng đồ thị Smith 1.4 Phối hợp trở kháng: Lý thuyết chung: Phối hợp trở kháng sử dụng mạch phối hợp đặt tải đường truyền dẫn sóng.Mạch phối hợp mạch khơng tổn hao để tránh làm giảm công suất thiết kế cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị trở kháng Zo đường truyền Khi phản xạ sóng phía trái mạch phối hợp phía đường truyền dẫn khơng nữa, phạm vi tải mạch phối hợp, phản xạ qua lại nhiều lần Quá trình phối hợp coi trình điều chỉnh Z0 Matching Network ZL Hình 1.6: Sơ đồ phối hợp trở kháng Ý nghĩa:  Khi thực phối hợp trở kháng công suất truyền cho tải đạt cực đại tổn thất đường truyền cực tiểu  Phối hợp trở kháng làm cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu hệ thống khác hệ thống sử dụng phần tử nhạy cảm ăngten, khuếch đại tạp âm thấp … Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ: mạng tiếp điện cho dàn ăngten gồm nhiều phần tử), phối hợp trở kháng làm giảm sai số biên độ pha phân chia công suất 1.4.1 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng: Trở kháng máy phát tải không đổi điều kiện cần thiết để đưa ramột đơn vị phối hợp trở kháng (2.31) Nếu tải đặt xa so với máy phát tức phải sử dụng đoạn cáp nối có đơn vị phối hợp trở kháng Một từ máy phát đến đường truyền, hai từ đường truyền đến tải - Kỹ thuật phối hợp trở kháng dựa nhân tố tác động trở lại rời rạc nhân tố rời rạc đơn vị phối hợp trở kháng đặt nối tiếp song song Điện dẫn biểu đồ Smith Trên biểu đồ Smith, hệ số phản xạ điện dẫn chuẩn hóa :y= phụ thuộc vào trwor kháng chuẩn hóa ; – phụ thuộc vào điện dẫn chuẩn hóa Liên kết nối tiếp (Serial association) ZL=RL+jXL Zs=jXs;z’=rL+j(xL+xs) Điểm biểu đồ Smith dịch chuyển đuờng tròn khơng đổi với phần thực trở kháng chuẩn hoá (rL=Cst) Liên kết song song (Parallel association) ZL=RL+jXL dẫn đến zL, , yL; điện dẫn chuẩn hóa ,đối với yếu tố mắc song song : YP=jBP;y’=gL+j(bL+bP) Điểm biểu đồ Smith dịch chuyển đuờng tròn khơng đổi với phần thực điện dẫn chuẩn hoá ( gL = Cst ) - Phối hợp trở kháng với đoạn dây phần tư bước sóng Kỹ thuật thường sử dụng với tải có trở kháng thực RcRX RL d=λ/4 Hình 1.7 ; ; ; rL,d= ; RL,d= rL,dRx cuối ta Rx= (2.33) - Phối hợp trở kháng với đoạn dây chêm Một đoạn dây chêm phần đường truyền, có chiều dài l thường kết thúc mạch hở ngắn mạch Trường hợp ngắn mạch: zs=jtan(kl)=jtan Trường hợp mạch hở zs= (2.34) (2.35) Phối hợp trở kháng với dây chêm đơn Đoạn chêm có chiều dài l mắc song song vị trí cách tải khoảng d,chúng ta phải xác định l d Ở khoảng cách d so với tải trở kháng chuẩn hố tải xác định cơng thức : ZLd= ,vì điện chuẩn hóa :yLd= Nhờ việc phối hợp trở kháng trở kháng tải đoạn dây chêm chiều dài l ta thu trở kháng đặc trưng: Suy ra: 1+jcot(kl)= (2.37) Điều dẫn đến hai nghiệm d, có nghiệm l tương ứng với nghiệm d Có thể sử dụng biểu đồ Smith để tránh tính tốn phức tạp - Phối hợp trở kháng với dây chêm đơi Vị trí đoạn chêm cố định (với khoảng cách đến tải d1và d2) phải xác định chiều dài l1 l2 đoạn chêm ... cho phép thực phép tính quay vectơ Γ đồ thị góc quay ứng với độ dịch chuyển l, đó: 0 Góc quay xác định theo độ (từ - 180 đến 180 ), theo số bước sóng (từ đến 0,5 cho vòng quay) Theo quy định đồ... x = const Cân phần thực phàn ảo (2.25) ta phương trình: (2.26) (2.27) Sau biến đổi (2.26) (2.27) ta nhận : (2. 28) (2.29) Mỗi phương trình biểu thị họ đường tròn mặt phẳng ,Γ1 Hình 1.4: Đồ thị... nối tiếp (Serial association) ZL=RL+jXL Zs=jXs;z’=rL+j(xL+xs) Điểm biểu đồ Smith dịch chuyển đuờng tròn khơng đổi với phần thực trở kháng chuẩn hoá (rL=Cst) Liên kết song song (Parallel association)