Vòng tròn đẳng || - Nghiên cứu, thiết kế và chế tạ- 123docz.net

Trong mặt phẳng i, r người ta cũng có thể vẽ họ đường tròn đẳng | | là những vòng tròn đồng tâm, có tâm điểm đặt tại gốc toạ độ ( i 0, r 0), có bán kính là | | nhận các giá trị từ 0 đến 1. Vòng tròn | |=0 trùng với điểm gốc toạ độ, còn vòng tròn | |=1 trùng với vòng tròn đẳng rL=0 (vòng tròn ngoài cùng) (Hình 2.11). i r 1 75 , 0 5 , 0 25 , 0 7 S 3 S 0 1 S 6 , 1 S S 25 , 0 75 , 0 5 , 0 0 0 0 90 0 180 0 90 0 90 0 180 1 0 1 S Hình 2.11 Họ vòng tròn đẳng | |

Các giá trị của góc biểu diễn véc tơ trong mặt phẳng phức được khắc trên chu vi của biểu đồ Smith. Gốc để tính là trục thực r, chiều dương của là chiều ngược với chiều chuyển động của kim đồng hồ, còn chiều âm là chiều chuyển động thuận của kim đồng hồ (xem hình 2.11)

Các đường tròn đẳng S (hệ số sóng đứng) hay đẳng

1 (hệ số sóng chạy) cũng là những đường tròn đồng tâm giống như các đường đẳng | | nhưng giá trị cụ thể của S (hay

1 ) được xác định tuỳ theo | |, theo công thức:

1 1 S (2.61) 1 1 1 S (2.62)

Để thuận tiện cho việc đọc các giá trị của S (hay

1 ), trên trục hoành người ta không khắc độ theo giá trị của S. Điểm gốc toạ độ (ứng với | |=0) sẽ tương ứng với S=1 (đường tròn đẳng S=1). Khi | | lấy các giá trị từ 0 đến 1 thì S sẽ nhận giá trị từ 1 đến . Trong khoảng 0 1 của trục thực, người ta khắc độ theo S với các giá trị S từ 1 . Như vậy vòng tròn ngoài cùng (| |=1) sẽ ứng với vòng tròn S= .

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

1 chỉ là phép lấy đối xứng qua tâm. Như vậy, nửa bên trái của trục thực r sẽ được khắc độ theo S 1 . Vòng tròn ngoài cùng sẽ là vòng tròn S 1 =0, còn điểm góc toạ độ sẽ là vòng tròn S

1 =1. Ngoài ra, để thuận tiện cho tính toán người ta còn bổ sung một thang giá trị khắc độ theo l trên chu vi của biểu đồ. Bởi vì phân bố sóng đứng trên đường ấy được lặp lại theo chu kỳ

2 nên việc khắc độ l theo chu vi vòng tròn ngoài cũng được thực hiện từ l = 0 đến l = 0,5.

Cuối cùng, biểu đồ đầy đủ được thiết lập với tất cả các ghi chú ở trên tạo thành biểu đồ Smith chuẩn, được chấp nhận và sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới (hình 2.12).

Hình 2.12 Biểu đồ Smith chuẩn

2.3. Một số phƣơng pháp phối hợp trở kháng cơ bản

Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản được mô tả ở hình 2.13, 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 2.13 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 2.14. Giả thiết đường truyền dẫn không tổn hao (hay tổn hao thấp), có nghĩa Z0 là đại lượng thuần trở.

Hình 2.14 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 2.14a. Ngược lại nếu zL nằm ngoài đường tròn 1+jx, sơ đồ 2.14b 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 2.15) YL Y0 d A A Y0 Z0 ZL A A d Z0 Z0 l Y0 l (a) (b)

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 ở Hình 2.16a, 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 đồ 2.16b, với tải đặt ngay sát dây nhánh thứ nhất. Sơ đồ 2.16b thường dễ thực hiện hơn mà vẫn không làm mất tính tổng quát của bài toán. Hai dây nhánh sử dụng trong sơ đồ hình 2.16 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 2.16 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 2.17 biểu diễn sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4 để phối hợp giữa trở kháng tải ZL thực với đường truyền có trở kháng đặc trưng Z0.

Hình 2.17 Sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4

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

Đây là trường hợp tổng quát hơn của phương pháp phối hợp bằng đoạn dây λ/4. Trong phương pháp này chúng ta dùng một dây truyền sóng có độ dài l bất kỳ mắc nối tiếp để phối hợp một trở kháng phức ZL với một đường truyền sóng có trở kháng đặc tính Z0 (Hình 2.18). ZL Za Z0 l A A

Hình 2.18 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ Ở đây chúng ta cần xác định Za và l dể có thể phối hợp ZL với Z0.

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

Sơ đồ của mạch phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp được vẽ ở Hình 2.19.

ZL Za Z0 l1 A A B B l2 Z0

Hình 2.19 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp

Trong bài toán này các đoạn dây phối hợp có trở kháng đặc tính Z0 và Za đã biết trước, cần xác định độ dài của chúng để có được trở kháng nhìn từ A-A về tải đạt được giá trị bằng Z0, nghĩa là đảm bảo không có sóng phản xạ trên đường truyền chính .

Nhận xét:

Chương 2 trình bày về lý thuyết đường truyền và đồ thị smith, đồ thị smith sử dụng để tính toán phối hợp trở kháng cho đầu vào và đầu ra của đèn công suất được lựa chọn ở chương 3. Chương 3 sẽ trình bày các bước giải quyết bài toán thiết kế một mô đun khuếch đại công suất và kết quả đạt được.

CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM

Để tạo ra máy phát ra đa thế hệ mới ở dải sóng 820Mhz – 890 Mhz, với công suất là 10KW xung (70dBm), phương án đề xuất là cộng công suất của nhiều mo đun công suất nhỏ hơn. Sơ đồ cấu trúc máy phát cho đài ra đa thế hệ mới hoạt động trong dải tần 820 Mhz – 890 Mhz được minh họa trong hình 3.1.

Cụ thể sẽ dùng 65- 70 mô đun, mỗi mô đun khuếch đại cơ sở có công suất là ≥160W được tích hợp nhờ 2 đèn công suất. 1 là đèn công suất 45W và 1 là đèn công suất 200W. Như đã đề xuất ở phần mở đầu, trong khuôn khổ luận văn này, em đã thiết kế và chế tạo thành công 1 mô đun khuếch đại 45W.

Hình 3.2: Mô hình một mô đun khuếch đại cơ sở (160W) 3.1. Yêu cầu và thiết kế

 Yêu cầu: Thiết kế và chế tạo một mô đun khuếch đại công suất 45W, hoạt động ở dải tần 820 Mhz – 890 Mhz, có hệ số khuếch đại 15dB, công suất ra tối đa 45W.

 Thiết kế: Với yêu cầu trên, em lựa chọn transistor PTF080451E, đây là loại đèn có công suất tối đa 45W, tần số hoạt động có thể lên tới 960 Mhz.

- Bƣớc 1: Từ datasheet lấy ra các tham số trở kháng vào và ra

- Bƣớc 2: Sử dụng đồ thị Smith để chuẩn hóa các giá trị trở kháng và tính toán phối hợp. Có nhiều phương pháp để tính toán phối hợp giữa 50 Ohm với trở kháng phức như dùng mạch hình L, dây nối tiếp, dây nhánh song song… Mỗi phương pháp đều có nhữn ưu việt riêng, tùy vào mục đích sử dụng để lựa chọn. Như đã trình bày ở chương 1, tín hiệu của đài ra đa rất phức tạp nên các bộ khuếch đại cần phải đáp ứng một dải thông rất rộng (70

Mhz).Trong luận văn này em sử dụng phương pháp phối hợp bằng các đoạn dây có điện trở khác nhau kết hợp với một số thuật toán để làm rộng dải thông.

- Bƣớc 3: Sử dụng phần mềm ADS để mô phỏng, kết quả thu được như ở mục 3.2

- Bƣớc 4: Chế tạo mạch in và lắp ráp linh kiện

- Bƣớc 5: Sử dụng máy phát, máy phân tích phổ để đo đạc và đánh giá kết quả.

3.2. Mô phỏng kết quả tính toán phối hợp trở kháng:

 Phiên bản một:

Hình 3.4: Mô phỏng bộ phối hợp đầu ra

Hình 3.6: Kết quả phối hợp trở kháng đầu ra

 Phiên bản hai:

Hình 3.8: Mô phỏng bộ phối hợp trở kháng đầu ra m1 freq= dB(S(1,1))=-32.037820.0MHz m2 freq= dB(S(1,1))=-32.435888.0MHz m3 freq= dB(S(1,2))=-0.749860.0MHz 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0.0 1.6 -30 -20 -10 -40 0 freq, GHz dB (S (1 ,1 )) Readout m1 888.0M -32.43 m2 dB (S (1 ,2 )) 860.0M -748.9m m3 m1 freq= dB(S(1,1))=-32.037820.0MHz m2 freq= dB(S(1,1))=-32.435888.0MHz m3 freq= dB(S(1,2))=-0.749860.0MHz

m1 freq= dB(S(1,1))=-30.053850.0MHz m2 freq= dB(S(1,2))=-0.581849.0MHz 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.2 1.4 -30 -20 -10 -40 0 freq, GHz d B (S (1 ,1 )) 850.0M -30.05 m1 d B (S (1 ,2 )) 849.0M -580.7m m2 m1 freq= dB(S(1,1))=-30.053850.0MHz m2 freq= dB(S(1,2))=-0.581849.0MHz

Hình 3.10: Kết quả mô phỏng bộ phối hợp trở kháng ra

3.3. Mạch layout và chế tạo

 Phiên bản một:

Hình 3.12 Mạch chế tạo

Hình 3.13 Đo đạc và đánh giá kết quả

Hình 3.14: Mạch layout

3.1.5. Đo đạc kết quả và nhận xét:

Hình 3.16: Tín hiệu thu được sau khi qua bộ khuếch trên máy phân tích phổ tại tần số 860 Mhz

Hình3.17: Khảo sát tại tần số 890 Mhz

Bảng 2: Khảo sát dải thông ở chế độ dòng 0.35 A

Tần số (Mhz) Công suất

vào(dBm) Công suất ra(dBm) Hệ số khuếch đại(dB)

810 -20 -8.49 11.51 820 -20 -7.5 12.5 830 -20 -6.9 13.1 840 -20 -6.3 13.7 850 -20 -5.7 14.3 860 -20 -5.16 14.84 870 -20 -5.24 14.76 880 -20 6.42 13.58 890 -20 -7.0 13 900 -20 -7.71 12.29

Hình 3.19: Dải thông của bộ khuếch đại công suất

Nhận xét:

Như vậy bộ khuếch đại công suất đã chế tạo có hệ số khuếch đại 14,84 dB ở chế độ dòng 0.35A, hoạt động trong dải tần 820 Mhz – 890 Mhz. Trong quá trình khảo sát, hệ số khuếch đại có thể lên tới gần 20dB khi tăng công suất đầu vào và chế độ dòng ở gần 1A.

KẾT LUẬN

Luận văn đã tìm hiểu một cách tổng quan về hoạt động của máy phát công suất lớn trong đài ra đa thế hệ mới hoạt động ở dải sóng dm. Từ cở sở lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần, kết hợp với mô phỏng và tính toán. Luận văn đã chế tạo được một bộ khuếch đại công suất 45W hoạt động từ 820Mhz – 890Mhz. Tuy mới chỉ đạt được những kết quả còn rất khiêm tốn nhưng đây là bước đầu quan trọng để em có thêm tự tin tìm hiểu và nâng tầm nghiên cứu trong lĩnh vực siêu cao tần.

Việc thực hiện luận văn đã giúp em nắm vững hơn các kiến thức về kỹ thuật siêu cao tần, được sử dụng, tiếp cận những phần mềm, công cụ hiện đại và những mô đun dùng trong các hệ thống thực tế.

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC:

1. Dang Thi Thanh Thuy, Bach Gia Duong, Nguyen Dinh The Anh. “Study, design and fabrication of the national sovereingly identification code receivers basic unit”. IEEE The Third International on Communications and Electronics. Nha Trang, Viet Nam, August 11-13, ICCE 2010, p.978.

2. Dang Thi Thanh Thuy, Bach Gia Duong, Nguyen Dinh The Anh. “ Study, design and fabrication of a high power combiner using 8-way Wilkinson bridge for a transmitter system of L-band”. Báo cáo ngày 02/10/2010 tại tạp chí khoa học VNU – DHQGHN.

3. Dang Thi Thanh Thuy, Bach Gia Duong, Bach Hoang Giang, Nguyen Dinh The Anh. “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khối khuếch đại công suất 3KW điều chế xung trong hệ thống phát tín hiệu mã chủ quyền quốc gia”. Báo cáo ngày 18/03/2011 tại hội nghị khoa học ICT.rda’10.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt:

[1] GS.TSKH Phan Anh. Giáo trình lý thuyết và kỹ thuật siêu cao tần, Bộ môn Thông tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ.

[2] GS.TSKH Phan Anh. Trường điện từ và truyền sóng, NXB Đại Học Quốc Gia

Hà Nội, Hà Nội.

[3] Ths Vũ Tuấn Anh. Luận văn cao học, Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ.

[4] TS Đỗ Trung Kiên, luận án tiến sĩ, bộ môn Vật lý vô tuyến – ĐHKHTN - ĐHQGHN

[5] Giáo trình công nghệ thông tin vệ tinh, Tập đoàn bưu chính viễn thông.

[6] PGS.TS Hoàng Thọ Tu, Cơ sở xây dựng đài ra đa cảnh giới, NXB quân đội