bài giảng hệ thống viễn thông chương i một số khái niệm cơ bản về cao tần

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CAO TẦN 15 tiết PHẦN 1: LÝ THUYẾT 12 tiết 1.1 Hiệu ứng da Trong khi dòng một chiều hoặc dòng có tần số thấp chảy qua toàn bộ mặt cắt của dây dẫn t

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CAO TẦN

(15 tiết)

PHẦN 1: LÝ THUYẾT (12 tiết)

1.1 Hiệu ứng da

Trong khi dòng một chiều hoặc dòng có tần số thấp chảy qua toàn bộ mặt cắt của dây dẫn thì dòng cao tần chỉ chảy ở lớp vỏ ngoài của dây dẫn Tần số càng tăng thì

độ sâu lớp dẫn điện càng giảm, điện trở về mặt xoay chiều của dây dẫn càng tăng

Độ sâu lớp dẫn điện được xác định theo công thức:

f

4

66



trong đó:

f – là tần số của dòng chảy qua dây dẫn (Hz)

δ – là độ sâu của lớp dẫn điện (mm)

Điện trở xoay chiều (AC) của dây dẫn tại tần số nào đó được tính theo công thức:

AC

DC

DC

AC

S

S

R

R 

trong đó:

RDC – điện trở của dây dẫn đối với dòng một chiều

SDC – diện tích mặt cắt của dây dẫn đối với dòng DC

SAC – diện tích mặt cắt của dây dẫn đối với dòng AC

1.2 Truyền công suất lớn nhất

Xét mạch điện gồm nguồn E có trở kháng nội là ZS = RS + jXS cung cấp cho tải ZL

= RL + jXL như sau:

Công suất trên tải:

XS

XL

RS

RL

I

E

S L S

R

S L

S L L

S L

S

L L

R

R R khi R

E

P

R

E R

R

R E X

X R

R

R E R

I

P

L

L





















4

4 ) (

) (

) (

2

max

2 2 2 2

2

2 2

Vậy mạch sẽ truyền đạt cơng suất lớn nhất khi RS + jXS = RL - jXL ( ZS = ZL

*

) Ta nĩi mạch cĩ phối hợp trở kháng

1.3 Mạch phối hợp trở kháng

Một trong những vấn đề quan trọng của máy phát, máy thu là phối hợp trở kháng có chọn lọc tần số giữa các tầng, đặc biệt giữa tầng công suất ra cao tần với anten phát, hay giữa anten thu với ngõ vào máy thu để truyền công suất tín hiệu lớn nhất và loại nhiễu Các mạch phối hợp trở kháng thường có dạng LC, biến áp hay tổ hợp giữa chúng

Ở cao tần (RF) ít khi Zi và ZL là thuần trở mà bao giờ cũng có phần kháng nào đó (khi đó mạch có phối hợp trở kháng khi ZL = Z*i ) Ở trường hợp tổng quát ZL

 Z*i , cần có mạch phối hợp trở kháng để truyền công suất tín hiệu lớn nhất ra tải

Dạng phối hợp trở kháng đơn giản nhất hình  gồm có cuộn cảm L và tụ điện C với các cấu hình khác nhau Bốn kiểu mạch phối hợp trở kháng đơn giản hình

:

Zi

a)

ZL Nguồn RF

C

i

b)

ZL Nguồn RF

C

L

Zi

a)

E

ZL= Zi* Nguồn RF

Zi

b)

E

ZLZi*

Nguồn RF

Mạch phối hợp trở kháng

ZL

Ví dụ: Tính L, C của mạch phối hợp trở kháng sau ở f0 100MHz

L

R1 10

Giải: Trở kháng tương đương nhìn vào mạch phối hợp































2 2 0

2 2 0 0

2 2 2 2 0 2 2

0

2 0

2

1 1

1

//

C R

C R L

j C R

R C

R j

R L

j R Z

Z













Để có phối hợp trở kháng thì *

1 Z td

R  , tức là:























0 1

1

2 2 2 2

0

2 2 0

0

1 2 2

2

2

0

2

C R

C R

L

R C

R

R





































nH C

R

C R L

pF R

R R R C

5 40 1

54 1

2 2 2 2 0

2 2 1

1 2 2 0





Một vài dạng mạch phối hợp trở kháng thường gặp và công thức tính toán Trong đó

B

f

 là hệ số phẩm chất của mạch và B là băng thông của mạch:

Zi

c)

ZL

Nguồn RF

C

L

Zi

d)

ZL

Nguồn RF

C

L

Cout

R1

C1

RL

C2

L1

RL

L

1.4 Mạch lọc

1.1.1 Mạch lọc thụ động

a Mạch lọc thơng thấp bậc 1

sRC sC

R

sC s

V

s

V

s

H











1

1 1

1 )

(

)

(

)

(

1

2

Để tìm đáp ứng tần số của mạch ta thay s = jω:

) (

) ( 1

1

)



e H jRC





Q chọn

) 1

(

1 ) 1

(

;

2 1

1

2 1

1 1

2

1

Q R

B

R

Q R

A

A Q

B X

AR

X

X QR

X

L

C





















L

C

Q chọn

) 1 (

) / (

) / ( ) 1 (

) / ( /

2 1 1

1 2

1 1

2 2

1















Q

X R R QR

X

R R Q

R R R

X

Q R X

C L L

L

L L

C C

RL

L2

Cout L1

C1

R1

L

) (

;

2 1

2

2 1

1

1

1

1 1

C

L C

L

L L C C

C L

X

R R X X

R R

R R X QR X

X X

out













Q chọn

1 1 1 1

2 1

2

R R

R R X

QR X

X X

R R X X

L L C C

C C

L C













Q chọn

R

Trong đó: H( ) là đáp ứng biên độ

 

 là đáp ứng pha

2 2

1

1 )

( 1

1 )

(





















C RC

H







RC

C

1





2

1 lg 20

)

















C dB

H























C

arctg







( )

b Mạch lọc thông cao bậc 1:

sRC sRC sC

R

R s

V

s

V

s

H











1 1

)

(

)

(

)

(

1

2

Để tìm đáp ứng tần số của mạch ta thay s = jω:

) (

) ( 1

)





e H jRC

jRC





Trong đó: H( ) là đáp ứng biên độ

 

 là đáp ứng pha

C

R

2 2

1 )

( 1 )

(





















C

C RC

RC H















2

1 lg 20 lg

20 )





























C C

dB

H



























C

arctg







( ) 900

c Mạch lọc thông thấp bậc 2:

2 0 2

2 0 2

2 1

2

2 1

1

1

1 1

1

)

(

)

(

)

(

































s s

LC

s L

R s

LC sRC

LC s sC R sL

sC s

V

s

V

s

H

Với:

LC

1

0 

 tần số cắt của mạch

L

R

2



 hệ số tổn hao của mạch

R

Thay s = jω:

n

n j j

j

H



























2 ) 1 (

1

2 1

1 2

) (

)

0 0 2

0

2 2

2

0

2 0































Với:

0





  n và

0





 

Đáp ứng biên độ của mạch:

2 1

1 )

(

n n

H













2 1

lg 20

)

dB

d Mạch lọc dải thông - Mạch lọc cộng hưởng:

Với mạch như trên nếu xét trường hợp tổn hao của mạch nhỏ

( 0    0) ta sẽ nhận được một mạch lọc dải thông, cũng là mạch lọc cộng hưởng với tần số cộng hưởng là ω0:











2 2

1 2

1

)

2 0

Q là hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng

Đối với những hệ thống cộng hưởng, người ta thường quan tâm đến khu vực lân cận tần số cộng hưởng 0, ta có:

2 ) (

)

H        

1





5 0





25 0





1,

 là các tần số cắt 3dB của mạch cộng hưởng

e Mạch lọc chắn dải - Mạch lọc nén:

2 0 2

2 0 2

2

2

2 2

1

2

2 1

1

1

1 1

1

)

(

)

(

)

(









































s s

s LC

s L

R s

LC s sRC

LC s

LC s sC

R sL

sC sL s

V

s

V

s

H

Với:

LC

1

2

0 

 ,

L

R

2



 Thay s = jω:

n n

n

j j

j

H



































2 ) 1 ( 1

2 1

1

2 ) (

)

2

0 0 2

0 2

2 0 2

2 2

0

2 2 0





































Với:

0





  n và

0





 

L R

C

01 0





Đáp ứng biên độ của mạch:

2

2 1

1 )

(

n n

n H

















2

2 1

lg 20 1

lg 20

)

1.1.2 Mạch lọc tích cực

a Mạch lọc thông thấp bậc 1:

Hàm truyền của bộ lọc:

0

C1

R1

-+

R2

V2(s)

V1(s)

25 0





1





1 2 1

2 1

2 1

1 2

1 2 1

2

1 1

1 1

//

) ( )

(

)

(

)

(

C sR

A C

sR R

R R

sC R

R

s Z s

V

s

V

s





















Thay s = jω :

C

Vo Vo

j

A C

jR

A

H

















1 1

)

(

1 2

Trong đĩ:

1

2

R

R

A Vo 

1 2

1

C R

C 



b Mạch lọc thơng cao bậc 1:

Hàm truyền của bộ lọc:

1 1

1 1 1

1

1 1 1 2

1 1

2 1

2 1

2

1 1

1 )

( )

(

)

(

)

(

C sR

C sR A C sR

C sR R R sC

R

R s

Z

R s

V

s

V

s























Thay s = jω :

C

C Vo

Vo

j

j A C jR

C jR A

H























1 1

)

(

1 1

1 1

Trong đĩ:

1

2

R

R

A Vo  ;

1 1

1

C R

C 



1.5 Phân tích mạch khuếch đại công suất cao tần

1.5.1 Khuếch đại chế độ C:

Mạch KĐCSCT nằm ở ngõ ra máy phát thỏa các yêu cầu sau: hiệu suất cao, ít sái dạng, chọn lọc tần số, tận dụng tới ngưỡng khả năng cung cấp công suất của phần tử tích cực (dòng và áp) Công suất ra có thể từ mW tới MW tuỳ theo mục đích sử dụng

V2(s)

V1(s)

0

-+

R2 C1

R1

Sử dụng đáp tuyến truyền dẫn IC (VBE) để phân tích nguyên lý hoạt động mạch KĐCSCT Giả sử VB = 0, ta có đồ thị biểu diễn tín hiệu vào v i V icos0t và dòng IC(t) như sau:

Định nghĩa: góc cắt  là một nửa khoảng thời gian dòng collector tồn tại trong một chu kỳ tín hiệu

Trong KĐCSCT chế độ C mạch được phân cực sao cho góc cắt  < 900 (chế độ

A có  = 1800 ; chế độ B có  = 900)

IC

t

0

0

IC

.7



vi

t

VBE(V)



ICm

+ Vcc

Pi

Zi

ZiQ

RFC

CB

RA

Req

RFC

RB

VBo

Công suất nguồn cung cấp P0 I C0.V CC

Công suất ra của dòng hài cơ bản: 2 1 1

1 1

2

1 2

1

C C eq

C R I V I

Trong đó:

VC1 = IC1.Req là biên độ điện áp xoay chiều hài 1 ở collector

Req là trở kháng ra của BJT theo hài 1 ở chế độ đang xét

Công suất tiêu tán trên collector: Ptt = P0 – P1

Hiệu suất tầng khuếch đại:









0

1 1

0 1 0

1

2

1

2

1







CC C C

C V

V I

I

P

P

với

CC

C

V

V 1



 là hệ số sử dụng điện áp nguồn cung cấp























2

0 0

0 0

0

cos cos

)

(

3 cos 2

cos cos

)

(

1 0

3 2

1 0

n c c

c c

c c

c c c

t n I

t I

I t

I

t I

t I

t I

I t

I









Phân tích Ic(t) theo chuỗi Furier:

Thành phần dòng một chiều:











2

0

0( )

2

1

) (

I

t

ICm - biên độ xung dòng Collector; 0() hệ số phân tích hài:

) cos 1 (

cos sin

)

(

0





















Biên độ thành phần dòng hài cơ bản : ( hài 1)

) cos 1 (

cos sin )

(

).

( cos

1

1

2

0

1 )

(

1





































I

Biên độ thành phần dòng hài n :

,

3 , 2 )

cos 1 )(

1 (

sin cos cos

sin 2 )

(

)

( cos

1

2

2

0 ) (

























 

n n

n

n n n

I t

td n I

I

n

Cm n

t C

C n































Vậy 1 tỷ lệ với

) (

) (

0

1









Ví dụ: Một mạch khuếch đại công suất có 0

60



 , biên độ xung dòng collector là 1A Tính công suất tiêu tán trên collector và hiệu suất của mạch khuếch đại, cho biết trở kháng ra theo hài 1 là 25  và áp nguồn cung cấp là 12V

Giải: tính các hệ số phân tích hài

218 0 ) cos 1

(

cos sin

)

(



















 I C0 0().I Cm 0.218.1A0.218A

391 0 ) cos 1

(

cos sin

)

(



















 I C1 1().I Cm 0.391.1A0.391A

Công suất nguồn cung cấp: P0  I C0.V CC 0.218.122.6W

Công suất ra của dòng hài cơ bản: P I C R eq 0 391 25 1 9W

2

1

2

1

Công suất tiêu tán trên collector: Ptt = P0 – P1 = 0.7W

Hiệu suất 0.73

0

1

1  

P

P



1.5.2 Phương pháp tính tốn tần khuếch đại:

Cho tần số làm việc, cơng suất trên tải anten

Chọn linh kiện và các thơng số

Chọn phân cực và mạch thích hợp

Tính tốn các thơng số năng lượng P0 , P1 , η1 , Ptiêu tán , Pi…

Tính mạch phối hợp trở kháng vào và ra

Cơng suất kích Pi và trở kháng vào Zi là thơng số tính ngược lại tần trước cuối

1.6 Nhân tần số:

Một dạng đặc biệt của khuyếch đại chế độ C là nhân tần số Từ phân tích hài

ta thấy nếu tải cộng hưởng ở n lần tần số vào thì thành phần dòng hài ICn tạo nên sụt áp VCn = ICn cos0t.Req(0t) có tần số gấp n lần tần số vào tức là có nhân tần số

Nhân tần số nhân cả độ di tần dùng trong máy phát FM Ngoài ra nó có thể khâu trung gian tạo tần số cao ổn định từ dao động chuẩn thạch anh

Để đạt được chế độ tối ưu I Cnmax  nmax.I Cmax,góc cắt cần có

n n

0

120



n n

n

54 0

120 0

max 











2

1

0 2



n R I

P n  Cn eq Hiệu suất

0

P

P n

n 



Với n tăng, ICn và Pn giảm nhanh nên thường người ta chỉ nhân 2, 3, 4, 5 Để nhân nhiều, nên khuếch đại giữa các tầng nhân Mạch thực tế nhân tần không đòi hỏi ở chế độ tối ưu, mà chỉ cần lấy ra tần số mong muốn

Nhân tần số thường dùng trong máy phát FM, PM, để tăng độ di tần, độ di pha cũng như chỉ số điều chế, thực hiện FM và PM dải rộng

1.7 Đổi tần:

Đổi tần là quá trình dịch chuyển tín hiệu đã điều chế lên cao (Tx) hoặc xuống thấp (Rx) mà vẫn giữ nguyên cấu trúc phổ của nó ( dạng tín hiệu ban đầu) Nó cho một số ưu điểm quan trọng như dễ dàng dịch chuyển tín hiệu đến tần số cần thiết, tăng độ chọn lọc, thuận tiện xử lý tín hiệu Đổi tần còn gọi là trộn tần, có ký hiệu dấu nhân

Khi trộn hai tín hiệu ở ngõ vào bộ đổi tần, tại ngõ ra của nó có nhiều thành phần tần số fs, fo,  mfo  n fs Bộ lọc trung tần IF hoặc BPF chọn lọc thành phần tần số cần thiết Thông thường m = n =1 để mức tín hiệu ra là lớn nhất Tín hiệu ra có phổ giống như tín hiệu ngõ vào đổi tần, nhưng được dịch chuyển đến vùng tần số cần thiết thuận tiện trên xử lý tín hiệu

Nguyên lý đổi tần dựa trên đặc tính phi tuyến của phần tử tích cực Giả sử đáp tuyến i(v) của phần tử tích cực có dạng:

i = i0 +av+bv2 +cv3 +dv4 + … Trong đó v là điện áp đặt vào phần tử phi tuyến

Tín hiệu vào vs = Vs cosst

Tín hiệu dao động nội vo = Vo cosot

Điều kiện: Vo >> Vs và o > s

Hai tín hiệu trên cộng lại thành v = vo +vs = Vo cosot + Vs cosst Điện áp tổng cộng đặt vào phần tử tích cực có đặc tính phi tuyến sau:

fi

f0

fs = f0 + fi

fs

f0

fIF = f0 - fi

i = i0 + av + bv2 + cv3 + dv4 + …

i = i0 + a(cosot + Vs cosst) + b(cosot + Vs cosst)2 + …

i0 - thành phần một chiều

a, b, c, d - các hệ số

Giả sử đáp tuyến có dạng hàm bậc hai để đơn giản phân tích:

bv2 = b(Vo2 cos2ot + 2Vo Vs cosot cosst + Vs2 cos2st )

=



























t

V t V

V t V

V t V

V

V

s o o

s s o o

s s s

s

o











2 ) cos(

) cos(

2 cos 2 2

2 2

2

2

Qua bộ lọc trung tần IF chỉ còn thành phần:

iIF =bVoVs cos(o- s)t = bVoVs cosIFt

Biên độ dòng trung tần  iIF= bVoVs = gcVs

gc = bVo độ hỗ dẫn đổi tần

Biên độ dao động nội Vo cần lớn để độ hỗ dẫn đổi tần lớn Tín hiệu ra của bộ đổi tần có biên độ tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào Vs ở tần số trung tần IF = o-

s, tức là phổ tín hiệu cao tần đã được dịch chuyển xuống vùng tần số trung tần mà vẫn giữ nguyên dạng tín hiệu ban đầu trước khi đổi tần

1.8 Trung tần (IF – Intermediate Frequency)

1.8.1 Khuếch đại trung tần

Bộ khuếch đại trung tần nằm ở sau bộ đổi tần có nhiệm vụ:

 Khuếch đại lớn tín hiệu nhỏ sau bộ dổi tần (Rx) đến mức cần thiết giải điều chế

 Có độ chọn lọc cao (nhờ các bộ lọc IF) tín hiệu mong muốn và loại nhiễu ngoài băng thông

 Có AGC (Automatic Gain Control) tránh quá tải do giải điều chế, giảm méo giải điều chế trong hệ thống FM (Frequency Modulation) Mức tín hiệu sau đổi tần khoảng <1mV, trong khi hầu hết các bộ giải điều chế

AM, FM, PM yêu cầu mức tín hiệu khoảng 1V

1.8.2 Lựa chọn tần số trung tần

Sự chọn lựa fIF thấp làm cho thiết kế đơn giản, bộ khuếch đại lớn, ổn định cao, dễ thực hiện

Trong máy thu thanh AM có fIF = 455KHz, băng thông 20KHz

Trong thông tin thoại AM-SSB (3  30MHz), thực hiện đổi tần hai lần loại tần số nhiễu ảnh

fIF1 = 2MHz, băng thông 10KHz,

fIF2 trong khoảng (100500) KHz ví dụ 455KHz hay 200KHz, băng thông 3KHz

Đối với phát thanh FM mono-stereo (88  108)MHz, fIF là 10,7MHz, băng thông 200KHz

Máy thu truyền hình có fIF có khoảng (30  50MHz), băng thông (6  10MHz) tùy chuẩn hệ (PAL, NTSC, SECAM)

Trong radar, viba mặt đất, thông tin vệ tinh, điện thọai di động tế bào, các tần số trung tần thường gặp: 35; 45; 70; 140; 479MHz

1.8.3 AGC ( AUTOMATIC GAIN CONTROL)

Mạch tự động điều chỉnh độ khuếch đại AGC được thiết lập ở tầng khuếch đại

RF hay IF cho phép tăng hoặc giảm độ khuếch đại khi tín hiệu thu yếu (đài xa) hay mạnh (đài gần) bằng cách thay đổi điện áp phân cực Như vậy AGC là hệ thống hồi tiếp điều chỉnh độ lợi máy thu dựa vào biên độ tín hiệu thu đồng thời mở rộng dải động (Dynamic Range - DR) Dải động là khoảng điện áp ngõ vào máy thu (Rx) nhỏ nhất đến lớn nhất mà tín hiệu ra không bị méo Nó biểu diễn dưới dạng:

) ( lg

20

min

max

dB V

V

D R

Thông thường DR của máy thu có AGC từ 40100dB

Tín hiệu AGC thường ở dạng điện áp một chiều sau tách sóng tỷ lệ với mức tín hiệu thu được đưa về làm thay đổi điện áp phân cực tầng RF hay IF kiểm soát độ khuếch đại của máy thu

1.8.4 Bộ lọc trung tần IF dùng thạch anh

Bộ lọc thạch anh làm từ thạch anh SiO2 Thạch anh có hiệu ứng áp điện Piezoelectric, tức là khi đặt một điện áp vào thạch anh, nó sẽ dao động ở tần số cộng hưởng riêng ổn định và ngược lại Tần số này phụ thuộc kích thước, độ dày, hướng trục cắt thạch anh Phiến cắt càng mỏng, tần số dao động riêng càng tăng Tần số dao động thạch anh ổn định khoảng 20KHz đến 50MHz

rT, LT, CT - các thông số thạch anh

Co điện dung áp má phiến kim loại giữ thạch anh

T

CP

XL

XC

0