Thiết kế bộ thu anten parabol cho hệ thống TVRO

Mạch trộn thứ hai hoạt động với tín hiệu IF có tần số từ 900 MHz đến 1450 MHz và tín hiệu VCO có tần số thay đổi trong khoảng 750 MHz đến 1250 MHz. Linh kiện được chọn sử dụng là AT00510. Ta chọn cấu hình cho mạch trộn là E chung và tín hiệu VCO được đưa vào cực C. Để đơn giản, ngõ vào của tín hiệu IF, tại cực B, được phối hợp với S11 tại tần số trung tâm của IF, bằng 1.2 GHz. Ngõ vào của tín hiệu VCO, tại cực C, được phối hợp với S22 tại tần số 1 GHz, tần số trung tâm của VCO.

Phần 1:

Tổng quan Hệ thống thông tin vệ tinh

và TVRO

Chương I:

Tổng Quan Về Thông Tin Vệ Tinh

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Thông tin vệ tinh là lĩnh vực kỹ thuật có tuổi đời khá trẻ so với nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác Nó chỉ thực sự ra đời vào năm 1957, khi Liên Xô lần đầu tiên phóng thành công vệ tinh lên quỹ đạo Với sự phát triển nhanh chóng, và thành tựu, lợi ích

to lớn, thông tin vệ tin đang dần đưa xã hội chúng ta tới một xã hội tiên tiến Ngày nay, chúng ta có thể cảm nhận một phần của thế giới hiện đại đó nhờ các phương tiện truyền

hình vệ tinh TVRO hay điện thoại vô tuyến quốc tế

1.1.1 Nguyên lý thông tin vệ tinh

Một vệ tinh, có khả năng thu, phát sóng vô tuyến điện sau khi được phóng vào không gian dùng cho thông tin vệ tinh; khi đó vệ tinh sẽ khuếch đại sóng vô tuyến điện nhận được từ các trạm mặt đất và phát sóng vô tuyến điện đến các trạm mặt đất khác Loại vệ tinh nhân tạo sử dụng cho thông tin vệ tinh như thế được gọi là vệ tinh thông tin

Do vệ tinh chuyển động khác nhau khi quan sát từ mặt đất, phụ thuộc vào quỹ đạo bay của vệ tinh, vệ tinh có thể được phân ra vệ tinh quỹ đạo thấp và vệ tinh địa tĩnh

Vệ tinh quỹ đạo thấp là vệ tinh mà nhìn từ mặt đất nó chuyển động liên tục, thời gian cần thiết cho vệ tinh để chuyển động xung quanh quỹ đạo của nó khác với chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục

Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000

km so với đường xích đạo Vệ tinh loại này bay xung quanh trái đất một vòng mất 24 giờ

Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục của nó theo hướng đông cùng với hướng quay của trái đất, bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất Do vậy nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh Một vệ tinh địa tĩnh có thể bảo đảm thông ổn định liên tục nên có nhiều ưu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin

Một hệ thống thông tin vệ tinh gồm một vệ tinh trên quỹ đạo và các trạm mặt đất, các trạm này có thể truy cập đến vệ tinh Hình 1.1 cho ta thấy cấu hình cơ bản nhất của một hệ thống thông tin từ trạm mặt đất qua vệ tinh đến trạm mặt đất khác

Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên và đường hướng từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống

Hầu hết, các tần số trong khoảng 6GHz được dùng cho đường lên và các tần số ở khoảng 4GHz hoặc 11GHz được sử dụng cho đường xuống

Hình 1.1: Hệ thống thông tin vệ tinh

1.1.2 Các đặc điểm của thông tin vệ tinh

Các ưu điểm chính của thông tin vệ tinh so với các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống cáp và hệ thống chuyển tiếp viba là:

• Có khả năng đa truy nhập

• Vùng phủ sóng rộng

• Ổn định cao, chất lượng và khả năng cao về thông tin băng rộng

• Có thể ứng dụng cho thông tin di động

• Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cựa ly lớn, đặc biệt trong thông tin xuyên lục địa

Sóng vô tuyến phát đi từ một vệ tinh ở quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh có thể bao phủ 1/3 toàn bộ bề mặt trái đất Bởi vậy những trạm mặt đất đặt trong vùng đó có thể thông tin trực tiếp với bất kỳ một trạm mặt đất khác trong vùng qua một vệ tinh thông tin

Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc tăng hiệu quả sử dụng của nó tới cực đại được gọi là đa truy cập Nói cách khác đa truy cập là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất

Trong đa truy cập cần làm sao cho sóng vô tuyến điện phát từ trạm mặt đất riêng lẻ không thể can nhiễu nhau được.Vì mục đích này, nên phải phân chia tần số, thời gian hoặc không gian của sóng vô tuyến cần thiết để truyền tin tức thông tin và phải phân phối các tần số, các khe thời gian hoặc không gian đã chia một cách thích hợp cho tường trạm mặt đất

Từ quan điểm ghép sóng mang trong một bộ phát đáp vệ tinh, đa truy cập có thể phân chia ra ba dạng như sau:

FDMA: Đa truy cập phân chia theo tần số

TDMA:Đa truy cập phân chia theo thời gian

CDMA:Đa truy cập phân chia theo mã

1.2 VỆ TINH THÔNG TIN

1.2.1 Sự ổn định trạng thái vệ tinh

Trạng thái vệ tinh và định hướng anten của một vệ tin thông tin cần phải được điều khiển sau cho búp sóng anten thông tin hướng bức xạ đúng vào cùng dịch vụ yêu cầu Tuy nhiên vệ tinh luôn luôn bị ảnh hưởng của các tác động bên ngoài như áp lực bức xạ từ mặt trời và mô men xoắn của từ trường trái đất nên cần phải thực hiện các biện pháp phù hợp để duy trì trạng thái ổn định của vệ tinh

Trong số các biện pháp có hiệu quả đối với sự ổn định trạng thái vệ tinh, phương pháp điển hình hiện nay là ổn định quay và ổn định ba trục

• Ổn định quay

• Ổn định ba trụcỔn định quay là phương pháp ổn định trạng thái vệ tinh dùng nguyên lý con quay

ở tốc độ cao duy trì một trạng thái không đổi Vệ tinh quay xung quanh một trục riêng (trục quay) Momen xoắn tạo ra bởi con quay được dùng để hạng chế tác động của các ảnh hưởng bên ngoài và ổn định trạng thái vệ tinh

Điều khiển trạng thái ba trục là phương pháp điều khiển trạng thái vệ tinh bằng cách hấp thu các momen xoắn nhiễu loạn bên ngoài tạo ra bởi các nguyên nhân khác nhau Phương pháp này sử dụng các bánh xe quay trên ba trục vệ tinh, đó là các trục x, y và z

1.2.2 Cấu hình của các vệ tinh thông tin

Một vệ tinh bao gồm tải nhiệm vụ (payload) và thân vệ tinh (bus), tải nhiệm vụ để thực hiện nhiệm vụ của vệ tinh và thân củavệ tinh để mang tải nhiệm vụ.Tải nhiệm vụ của một vệ tinh thông tin bao gồm anten để thông tin và một bộ phát đáp

Bộ phát đáp thực hiện chức năng chính của vệ tinh thông tin là thu sóng vô tuyến điện từ các trạm mặt đất, khuếch đại và biến đổi tần số của chúng, rồi truyền chúng trở lại các trạm mặt đất

Như vậy bộ phát đáp của vệ tinh thông tin bảo đảm một số các chức năng như một bộ phát đáp tích cực trên quỹ đạo, nhưng khác bộ phát đáp trên mặt đất, nó yêu cầu độ tin cậy cao, nhỏ gọn, trọng lượng nhỏ và tiêu thụ ít công suất vì nó phải tự cung cấp công suất cần thiết

1.3 TRẠM MẶT ĐẤT

1.3.1 Yêu cầu đối với trạm

Như chúng ta đã biết một vệ tinh địa tĩnh còn được gọi là vệ tinh đồng bộ với trái đất, vì nó quay xung quanh trái đất với chu kỳ giống như chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục của nó, do vệ tinh dường như cố định ở một điểm khi quan sát từ trái đất Tuy nhiên nó đang chuyển động với tốc độ khoảng 10 lần tốc độ âm thanh

Việc bám chính xác là yêu cầu thường xuyên để duy trì đường thông tin với chất lượng cao Các trạm mặt đất là các phương tiện trên trái đất để thực hiện thông tin vệ tinh có hiệu quả

Để xây dựng các trạm mặt đất này cần xét các yêu cầu sau:

o Lựa chọn vị trí mỗi trạm đất sau cho gốc ngẩng anten đạt được càng cao càng tốt hướng vào vệ tinh và

o Bảo đảm khoảng hở đủ trên đường chân trời ở hướng góc ngẩng anten.Các yêu cầu này là cần thiết để ngăn ngừa can nhiểu từ hoặc tới các sóng vô tuyến khác nhau vì các tần số viba sử dụng cho thông tinh vệ tinh là chung cho các hệ thống thông tin khác nhau trên mặt đất

1.3.2 Cấu hình của một trạm mặt đất

Một trạm mặt đất bao gồm:thiết bị thông tin, thiết bị truyền dẫn mặt đất, thiết bị cung cấp nguồn và nhà điều khiển Thiết bị thông tin gồm có một anten, một máy phát công suất cao, một máy thu tạp âm thấp, cùng với thiết bị đa truy cập / điều chế và giải điều chế

• Anten: anten của một trạm mặt đất phải có hệ số độ lợi lớn, búp phụ nhỏ, độ

phân cực rất tốt và tạp âm thấp

• HPA: Để bù vào suy hao truyền sóng lớn trong thông tin vệ tinh, đầu ra máy

phát cần phải có công suất càng lớn càng tốt, do vậy ở trạm mặt đất sử dụng bộ khuếch đại công suất cao (HPA)

• LNA: Sóng bức xạ từ vệ tinh bị hấp thụ rất lớn cho tới khi chúng tới mặt đất.Ví

dụ sóng băng Ku bị suy yếu đi khoảng 1/1021 so với tín hiệu ban đầu Nếu thu bằng một anten có đường kính 3.3m thì ở băng Ku mức thu được tăng lên khoảng 106 lần Tuy nhiên điều đó chưa đủ lớn Do đó cần phải khuếch đại chúng lên một mức có thể giải điều chế được Kỹ thuật bộ khuếch đại tạp âm thấp với nhiệt độ tạp âm thấp đóng vai trò rất quan trọng trong việc bảo đảm chất lượng tín hiệu

Hình 1.2 Cấu hình của một trạm mặt đất

Thiết bị bám

Hệ thống fiđơ

đại IF

Giải điều chế

Bộ đa truy nhập

Điều chế

HPA

Bộ dao dộng

Máy phát công suất lớn

Bộ dao dộng Bộ đổi tần lên Khuếch đạiIF

1.4 SỰ LAN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN

1.4.1 Phân định tần số trong thông tinh vệ tinh cố định

Việc phân định tần số được thực hiện theo điều lệ vô tuyến ở mỗi khu vực của

ITU ITU chia làm 3 khu vực:

+Khu vực 1 (R1): Châu Âu, Châu Phi, Liên bang Xô viết cũ và các nước Đông Âu

+Khu vực 2 (R2): Các nước Nam và Bắc Mỹ

+Khu vực 3 (R3): Châu Á và Châu Đại Dương

Các tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh cố định:

Việc phân định tần số cho các dịch vụ thông tin vệ tinh cố định, nghĩa là thông tin vệ tinh giữa các điểm cố định được trình bày như bảng sau:

Khoảng tần số (GHz)

Dịch vụ thông tin vệ tinh cố định

Dịch vụ giữa các vệ tinh chung cho

Tổn hao trong không gian tự do

Khi sóng vô tuyến điện truyền trong không gian tự do tỷ số công suất phát trên công suất thu tại điểm cách nơi phát một khoảng R(m) sẽ là

γ = (4πR/λ)2

λ: bước sóng của sóng vô tuyến điện

Tỷ số này được gọi là tổn hao không gian tự do

1.4.3 EIRP đặc trưng khả năng phát

Tích số giữa hệ số độ lợi của anten và công suất máy phát cung cấp cho anten gọi là “EIRP”, đây là một thông số cơ bản biểu thị khả năng phát Ví dụ một anten có đường kính gương phản xạ 30m, làm việc ở tần số 6GHz, có độ lợi xấp xỉ 63 dB, nếu công suất máy phát là 100W thì EIRP sẽ là 83 dBW (xấp xỉ 200 triệu W)

1.4.4 G/T đặc trưng độ nhạy thu

Tỷ số hệ số độ lợi anten (G) trên nhiệt tạp âm toàn phần của hệ thống thu (T) được gọi là tỷ số G/T và biểu thị hệ số phẩm chất của trạm mặt đất

Công suất tín hiệu thu tỷ lệ với hệ số độ lợi của anten thu (G) khi công suất phát từ vệ tinh là hằng số Mặt khác công suất tạp âm đầu vào máy thu kTB tỷ lệ với T Do đó G/T tỷ lệ với tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm của sóng mang trong một độ rộng băng thông nào đó G/T luôn luôn được dùng như một hệ số chất lượng cho toàn bộ hệ thống thu bao gồm cả anten của nó Đơn vị sử dụng cho G/T là dB/0K Ví dụ, khi hệ số độ lợi của anten thu là

60 dB và nhiệt tạp âm là 1000K, thì G/T=40 dB/0K

Chương 2:

Hệ thống TVRO

2.1 CÁC THÀNH PHẦN TÍN HIỆU HÌNH VÀ

CÁC HỆ TRUYỀN HÌNH MÀU

2.1.1 Các thành phần tín hiệu hình

Các hệ truyền hình màu được xây dựng trên nhiều cơ sở vật lý, song cơ sở tổ hợp màu được đặc biệt quan tâm Xét về phương diện cảm nhận màu, ta có khả năng phỏng tạo phần lớn các màu sắc tồn tại trong tự nhiên, bằng cách trộn ba màu cơ bản theo các tỷ lệ khác nhau Điều này làm cho việc truyền và tạo lại ảnh màu trở nên đơn giản Nó là cơ sở của kỷ thuật truyền hình màu hiện nay

Tổ hợp ba màu được xem là ba màu cơ bản khi chúng thỏa mãn yêu cầu: ba màu đó độc lập tuyến tính Nghĩa là: trộn hai màu bất kỳ trong ba màu đó trong điều kiện bất kỳ, theo tỷ lệ bất kỳ đều không thể tạo ra màu thứ ba

Đã có rất nhiều tổ hợp màu cơ bản được đề nghị sử dụng Để chuẩn hóa, CIE đã quy định ba màu cơ bản và ngày nay được sử dụng trong lĩnh vực truyền hình màu, gọi là hệ màu R.G.B ba màu cơ bản đó là:

+ Màu đỏ, ký hiệu R, có bước sóng λR = 700 nm

+ Màu lục, ký hiệu G, có bước sóng λG = 546.8 nm

+ Màu lam, ký hiệu B, có bước sóng λB = 435.8 nm

Biến đổi ba ảnh đơn màu trên thành tin hiệu điện biến thiên theo thời gian, ta được các tín hiệu eR(t), eG(t), eB(t) Các tín hiệu này được gọi là các tín hiệu màu cơ bản và thường được ký hiệu là ER, EG ,EB

a) Tín hiệu chói E’ Y

Để máy thu hình đen trắng lúc thu chương trình truyền hình màu vẫn nhận được ảnh đen trắng bình thường với các bậc sáng tối chính xác như ở ảnh truyền đi, các hệ truyền hình màu đại chúng, ngoài các tín hiệu phản ánh tin tức màu, còn phải tạo ra và truyền sang phía thu tín hiệu phản ánh tin tức chói của ảnh màu Tín hiệu này gọi là tín hiệu chói và thường được ký hiệu EY Tín hiệu chói chính là tín hiệu hình ở truyền hình đen trắng

Tín hiệu chói được xác định theo biểu thức:

EY = LRER + LGEG + LBEB (2.1.1)Xét đến tính phi tuyến của đặc tuyến điều chế của đèn hình, tín hiệu chói có

EY1/γ = (LRER + LGEG + LBEB)1/ γ (2.1.2)Sử dụng tín hiệu EY1/γ, tuy độ chói của cảnh truyền đi được khôi phục chính xác, nhưng mạch điện máy thu hình khá phức tạp Để đơn giản máy thu hình, tín hiệu chói được xác định theo:

E’Y = LRE’R + LGE’G + LBE’B (2.1.3)Với E’i = Ei1/γ, i = R,G,B

LR, LG, LB là các hệ số chói tương đối cùa các màu cơ bản R, G, B Giá trị của LR, LG, LB tuỳ thuộc vào loại tiêu chuẩn màu cơ bản

Đối với các màu cơ bản máy thu hình theo tiêu chuẩn NTSC, để tạo được màu trắng chuẩn C, thì tín hiệu chói xác định theo:

E’Y = 0.299 E’R + 0.587 E’G + 0.114 E’B (2.1.4)Hiện nay, nay các hệ NTSC, PAL, SECAM III B đều sử dụng biểu thức (2.1.4) để hình thành tín hiệu chói ở bộ lập mã màu Chổ khác nhau giữa các hệ này là độ rộng dải tần tín hiệu chói Độ rộng dải tần tín hiệu chói bằng độ rộng dải tần tín hiệu hình ở hệ truyền hình đen trắng cùng tiêu chuẩn

b) Các tín hiệu màu

Tín hiệu chói về lý thuyết chứa toàn bộ tin tức về độ chói của cảnh vật truyền đi

Vì vậy, để truyền tất cả tin tức về màu sắc của cảnh vật, chỉ cần thêm một tín hiệu nữa, nó chỉ chứa thông tin về toàn bộ tính màu Các hệ NTSC, PAL, SECAM III B đều dùng tổ hợp tuyến tính của các màu cơ bản cho việc này

Các tín hiệu hiệu màu:

ER-Y = ER – EY (2.1.5a)

ER-Y = EG – EY (2.1.5b)

EB-Y = EB – EY (2.1.5c)Nếu xét đến sửa méo gamma thì:

E’R-Y = E’R – E’Y = 0.701E’R – 0.587E’G – 0.114E’B (2.1.6a)E’G-Y = E’G – E’Y = -0.299E’R + 0.413E’G – 0.114E’B (2.1.6b)E’B-Y = E’R – E’Y = -0.299E’R – 0.587E’G + 0.886E’B (2.1.6c)Về lý thuyết, các tín hiệu hiệu màu chỉ chứa các tin tức về tính màu, không chứa tin tức về độ chói của cảnh vật truyền đi

Ở hệ truyền hình PAL, SECAM III B chỉ truyền aE’R-Y và bE’B-Y (a và b là các hằng số, hệ PAL và hệ SECAM chọn khác nhau) Không truyền tín hiệu E’B-Y, nhằm mục đích cải thiện tính chống nhiễu của hệ truyền hình Ở hệ NTSC truyền tín hiệu I và Q nó là tổ hợp tuyến tính của E’R-Y và E’B-Y Ở phía thu có thể nhận lại được tín hiệu E’B-Y từ các tín hiệu E’R-Y và E’B-Y, theo biểu thức sau

E’ = -0.510 E’ – 0.195 E’ (2.1.7)

Từ ba tín hiệu E’R-Y, E’G-Y, E’B-Y ở phía thu cộng với E’Y và nhận lại được các thành phần màu cơ bản E’R, E’G, E’B.

c) Cài phổ tần tín hiệu màu vào phổ tần tín hiệu chói

Phổ tần các tín hiệu E’R, E’G, E’B giống nhau và là phổ rời rạc Vì vậy, tín hiệu chói E’Y và các tín hiệu màu, là tổ hợp tuyến tính của các tín hiệu E’R, E’G, E’B, nên chúng cũng có phổ rời rạc và hoàn toàn giống nhau Vì thế không thể đồng thời truyền trực tiếp tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu theo một đường truyền; mà chỉ có tín hiệu chói được truyền trực tiếp, còn tín hiệu` màu phải dịch phổ về phía tần số cao nhờ sóng mang phụ

Hình 2.1

Trị số tần số sóng mang phụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ rộng dải tần tín hiệu chói, phương thức điều chế sóng mang phụ…

fsE’Y

f (MHz)

2.1.2 Hệ NTSC

Hệ NTSC là hệ truyền hình màu đại chúng có tính tương hợp đầu tiên trên thế giới, được nghiên cứu trong khoảng thời gian 1950-1953, và sử dụng từ năm 1954 ở Mỹ Đây là hệ truyền hình màu đồng thời Hai tín hiệu EI và EQ đều truyền cùng lúc với tín hiệu chói EY theo phương thức điều chế cầu phương trên một sóng mang phụ

Điều chế vuông góc (Quadrature Modulation)

Đặc điểm của điều chế vuông góc trong hệ NTSC là dùng hai mạch điều biên cân bằng như hình 2.2, E’I và E’Q là hai tín hiệu màu

Hình 2.2

Với: E’I = 0.596E’R – 0.274E’G – 0.322E’B (2.1.8a) E’Q = 0.211E’R – 0.523E’G + 0.311E’B (2.1.8b)

Tần số sóng mang phụ

Tần số sóng mang phụ ở hệ NTSC được chọn thỏa mãn các yêu cầu sau:

+ Tần số sóng mang fs phải cao để giảm nhiễu do tín hiệu màu gây ra trên ảnh truyền hình; nhưng lại phải đảm bảo tần số của phổ tần tín hiệu cao nhất của ảnh màu phải nhỏ hơn tần số cao nhất của phổ tần tín hiệu chói (= 4.2 MHz)

+ Tần số sóng mang phụ phải là bội số lẽ của nữa tần số dòng

Ở hệ NTSC tiêu chuẩn (525 dòng), fH≈ 15735 Hz, n trong biểu thức chọn bằng

Điều biên cân bằng

Điều biên cân bằng

900cosωst

fs = (2×227 + 1)

2

15735 = 3.58 MHz

Phổ tần các tín hiệu

Dải tần tín hiệu chói từ 0 đến 4.2 MHz; của tín hiệu E’Q từ 3 MHz đến 4.2 MHz; của tín hiệu E’Q từ 2.3 MHz đến 4.2 MHz Cấu trúc phổ tần các tín hiệu được cho bởi hình 2.3 Từ hình vẽ cho thấy, cả hai dải biên tần của tín hiệu E’Q đều được truyền sang phía thu; còn đối với tín hiệu E’I, chỉ truyền toàn bộ dải biên tần dưới, còn dải biên tần trên chỉ truyền một phần

Hình 2.3

3.58

E’Y

f (MHz)4.2

32

2.1.3 Hệ PAL

Ở hệ PAL, tín hiệu chói vẫn được xác định theo biểu thức (2.1.4) nhưng dải tần rông tới 5MHz ( theo tiêu chuẩn B,G)

Hai tín hiệu màu:

E’V = 0.877E’R-Y = 0.615E’R – 0.515 E’G – 0.100E’B (2.1.10a)E’U = 0.493E’B-Y = -0.147E’R – 0.293E’G + 0.437E’B (2.1.10b)Hai tín hiệu màu có độ rộng dải tần bằng nhau, và bằng 1.3 MHz Cũng như hệ NTSC, hai tín hiệu V và U, điều chế trên một sóng mang phụ theo phương pháp điều chế vuông góc Nhưng khác với hệ NTSC ở chổ: thành phần sóng mang phụ của V đảo pha (góc pha thay đổi1800) theo từng dòng quét Việc đảo pha này xảy ra trong thời gian quét ngược dòng Hình 2.4 là sơ đồ chức năng của bộ điều chế vuông góc

Hình 2.4Như vậy, tín hiệu màu ở hệ PAL

um = uV + uU = ± E’V cosωst + E’U sin ωst (2.1.11)

Chọn tần số sóng mang phụ

Việc chọn tần số sóng mang phụ ở hê PAL cũng được dựa trên nhiều yếu tố khác nhau, nhưng tổng hợp lại ta được biểu thức sau

fs = (2n - )

2

1

22

V

H f f

+ (2.1.12)với: f H là tần số dòng

fV là tần số mặt

Với hệ PAL 625 dòng (tiêu chuẩn B, G, I, H); chọn n = 284; fH = 15625 Hz; fV =

15625)2

12842

Điều biên cân bằng

Điều biên cân bằng

2.1.4 Hệ SECAM

Ở hệ SECAM III B, tín hiệu chói E’Y truyền ở tất cà các dòng, còn hai tín hiệu màu D’R và D’B truyền lần lược theo dòng quét trên hai sóng mang phụ có tần số trung tâm là fOR và fOB tương ứng; theo phương thức điều tần

Tín hiệu chói E’Y vẫn xác định theo biểu thức:

E’Y = 0.229 E’R + 0.587 E’R + 0.114 E’B (2.1.13)Với tín hiệu trắng chuẩn C, và dải tần bằng 6 MHz đối với tiêu chuẩn truyền hình D.K

Hai tín hiệu màu:

D’R = - kR E’R-Y = - 1.9 E’R-Y (2.1.14a)D’B = + kB E’B-Y = 1.5 E’B-Y (2.1.14b) Hai tín hiệu màu có dải tần bằng nhau và bằng 1.3 MHz

Ở hệ SECAM III B chọn hai tần số sóng mang phụ như sau:

* Ở các dòng truyền tín hiệu D’R :

fOR = 282 fH = 4.40625 MHz ± 2 kHz (2.1.15)

* Ở các dòng truyền tín hiệu D’B :

fOB = 272 fH = 4.25 MHz ± 2 kHz (2.1.16)trong đó fH = 15625 Hz

Độ dịch tần ở hệ SECAM III B quy định như sau:

* Ở các dòng truyền tín hiệu D’R, khi mà D’R = ± 1, độ dịch tần danh định là

∆fR = ± 280 kHz ± 9 kHz

* Ở các dòng truyền tín hiệu D’B, khi mà D’B = ± 1, độ dịch tần danh định là

∆fB = ± 230 kHz ± 7 kHzVới giá trị bất kỳ của tín hiệu D’R và D’B, độ dịch tần số tức thời của tín hiệu màu

so với tần số trung tâm fOR và tần số trung tâm fOB tương ứng:

∆fR = 280 D’R = -532 E’R-Y (2.1.17a)và ∆fB = 230 D’B = 345 E’B-Y (2.1.17b)

2.2 TRUYỀN HÌNH VỆ TINH

Tín hiệu TV chuyển tiếp qua vệ tinh lần đầu tiên trở thành hiện thực vào đầu những năm 1970

Hoạt động chuyển tiếp vệ tinh cần có một trạm mặt đất công suất lớn truyền tín hiệu lên ở dải tần 5.9 GHz đến 6.4 GHz, hoạt động nhận xuống từ vệ tinh trong tầm 3.7Ghz đến 4.2 GHz Băng thông cho hoạt đông này là 484 MHz, được chia làm 12 “khe” tần số TV độ rộng 40 MHz, và một kênh bảo vệ rộng 4 MHz được đặt giữa khe tần số 1 và 2 12 khe tần số này có thể trở thành 24 kênh TV thật sự nhờ việc sử dụng kỹ thuật phân cực theo các hướng khác nhau

Công suất tương đương đẳng hướng EIRP của tín hiệu mỗi kênh bức xạ từ vệ tinh chuyển tiếp tiêu biểu nằm trong khoảng 25 đến 40 dBW Tổn hao không gian tự do tại tần số 4 GHz vào khoảng -196 dB, mật độ công suất nhận tại bề mặt đất khoảng 10-12 W/m2 Điều này yêu cầu thiết yếu một anten lớn và một bộ thu đặc biệt với hệ số nhiễu thấp

Nguyên tắc điều chế được sử dụng truyền hình vệ tinh là điều chế FM băng rộng tín hiệu cao tần bởi tín hiệu bao gồm tín hiệu hình ảnh (video) cộng với tín hiệu âm thanh đã được điều chế FM tại tần số 6.2, 6.8 hay 7.4 GHz Toàn bộ tín hiệu FM phủ trên dải tần rộng khoảng 36 MHz Bộ thu cho hệ thống TVRO thường bao gồm bộ lọc thông dải (3.7GHz đến 4.2 GHz) theo sau là bộ khuếch đại nhiễu thấp và bộ trộn tần chuyển tín hiệu 3.7 GHz – 4.2 Ghz xuống tín hiệu IF 70 MHz Tín hiệu IF được tách sóng FM, ngõ ra được lọc thông thấp trực tiếp để nhận tín hiệu hình ảnh và lọc thông dải sau đó giải điều chế FM tại tần số 6.2, 6.8, hay 7.4 GHz để nhận tính hiệu âm thanh

6.8 Mhz

6.8 Mhz

2.2.1 K hối thu ngoài (tạm dịch từ, Ourdoor Electronics Unit)

Đối với những tầng đầu xử lý tín hiệu, kỹ thuật nhiễu thấp được sử dụng với tầm quan trọng đặc biệt, nó quyết định đến chất lượng của toàn bộ thu Vì mức tín hiệu nhận từ vệ tinh là rất nhỏ, tiêu biểu 10 pW hay nhỏ hơn, hoạt đọâng của khối ngoài hay khối đầu được xem xét một cách cụ thể Phần này, sơ đồ khối được cho ở hình 2.1 thường được biết đến như là khối đổi tần nhiễu thấp (low noise block-converter, LNB) Khối này bao gồm một vài tầng khuếch đại nhiễu thấp (LNA) và một bộ đổi tần nhiễu thấp (LNC) Hình 2.1 đưa ra cấu hình tiêu biểu của một LNB

Hình 2.6 Sơ đồ khối LNB

Bộ lọc band pass được dùng nhằm để giảm sự giao nhau giữa các kênh và giảm bức xạ của bộ dao động Kế đến là ba hoặc bốn tầng khuếch đại RF, được thiết kế thỏa mãn độ lợi yêu cầu và mức nhiễu chấp nhận được Bộ dao động và bộ trộn cũng được thiết kế với yêu cầu nhiễu thấp Bộ dao động thông thường sử dụng cộng hưởng điện môi nhằm ổn định tần số cao Bộ trộn là nơi gây nhiễu nhất trong bộ thu, do tính chất hoạt động không tuyến tính, nó tạo ra những méo dạng hài Một phương pháp khắc phục là sử dụng hai diode trong cấu hình bộ trộn cân bằng Tại ngõ ra của LNB, nó thường bao gồm mạch IF ngõ ra với hai hoặc ba tầng khuếch đại Nguồn cho LNB được cung cấp từ mạch thu chính thông qua cáp đồng trục Hình 2.7 mô tả một LNB thực tế

Lọc

Bộ dao động

Khuếch đạiRF

Khuếch đạiIF

IF 1output

2.2 Khối thu chính

Hình 2.4: Sơ đồ khối của khối thu chính

Tín hiệu nhận từ khối LNB, có tần số trong khoảng từ 950 MHz đến 1450 MHz, được đổi tần xuống lần thứ hai Bộ dao động VCO và công tác dò tìm kênh truyền hình được điều khiển nhờ vi điều khiển (microprocessor), với việc sử dụng những dữ liệu được lưu trong bộ nhớ bán dẫn Vi điều khiển còn có khả năng cung cấp tín hiệu điều khiển các đèn hiển thị trạng thái và giao tiếp dữ liệu trực tiếp

Bộ lọc thông dải kế theo thường có băng thông có thể chọn lựa, bằng việc chuyển mạch, 18 MHz hoặc 27 MHz Mạch giải điều chế FM được dùng để nhận lại tín hiệu video và tín hiệu audio đã được điều chế FM Giải đếu chế FM lần nữa cho tín hiệu audio đã được điều chế FM, ta thu được tín hiệu audio

Video

Giải điều chế FM

De-emphasis

Ghim hình

Giải điều

De-KĐ hình

KĐ tiếng

AFC

Phần 2:

Lý thuyết mạch siêu cao tần

Chương 3:

3.1 LÝ THUYẾT ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SÓNG

3.1.1 Phương trình truyền sóng trên đường dây

Hình 3.1

Ta giả sử chiều dài l lớn hơn nhiều lần so với bước sóng λ nên hệ thống có thông số phân bố Trên đoạn vi phân chiều dài ∆x , đoạn chiều dài đường truyền sóng sẽ được thay thế bằng mạch điện thông số tập trung như hình 3.2

Đường dây truyền sóng

Từ hai phương trình trên khi cho ∆x → 0 ta được:

γ : được gọi là hệ số truyền sóng

Giải hệ phương trình trên ta được nghiệm có dạng như sau:

V(x) = V+e- γ ( ω )x + V- eγ ( ω )x (3.1.4a)I(x) = I+e- γ ( ω )x + I- eγ ( ω )x (3.1.4b)trong đó, V+ ,V- , I+ và I- là các hằng số phụ thuộc điều kiện biên Ta nhận thấy, điện áp và dòng điện tại một điểm trên đường dây gồm hai thành phần: sóng tới (V+,I+) và sóng phản xạ (V-,I-) Quan hệ giữa điện áp sóng tới với dòng điện sóng tới và điện áp sóng phản xạ với dòng điện sóng phản xạ được chứng minh như sau

L j R

ω

ω++

C

L

Z0 =

3.1.2 Trở kháng đường dây và hệ số phản xạ

Hình 3.3

Trở kháng đường dây

Trở kháng đường dây Z(x) tại điểm x được định nghĩa là tỉ số giữa điện áp V(x) và dòng điện I(x), đơn vị của trở kháng đường dây là Ohms:

Tại cuối đường dây tải ZL ta luôn có

Gọi d là khoảng cách từ điểm khảo sát x đến tải, d = l – x Thực hiện biến đổi (3.1.5) ta nhận được

Vậy, trở kháng đường dây Z(x) tại tọa đôï x bất kỳ phụ thuộc:

• Trở kháng đặc tính Z0 của đường dây

• Trở kháng tải ZL ở đầu cuối đường dây

• Khoảng cách d từ điểm khảo sát x đến tải

Đặc biệt, nếu đường truyền không tổn hao thì

Z0 = R0 (điện trở đặc tính )

γ = jβ (thuần ảo) do đó th(γd) = jtg(βd)

và (3.1.6) trở thành:

Trong trường hợp này, do tg(βd) tuần hoàn theo chu kỳ π nên trở kháng Z(x) cũng có giá

ZLZ(x)

)()(

x I

x V x

L

Z l I

l V l

)(

)()(

(3.1.5)

)(

)()

(

0

0 0

d th Z Z

d th Z Z Z x Z

L

L

γ

γ+

+

)(

)()

(

0

0 0

d tg jZ R

d tg jR Z R x Z

L

L

β

β+

+

Hệ số phản xạ

Định nghĩa: hệ số phản xạ điện áp Γv(x) tại điểm x là tỉ số giữa điện áp sóng phản xạ và điện áp sóng tới tại diểm x đó

Tại tải (x = l), hệ số phản xạ điện áp là:

Tại toạ độ x bất kỳ, d = l – x

Nếu đường truyền sóng không tổn hao thì

Quỹ tích của Γv lúc này là một vòng tròn tâm gốc toạ độ và đi qua điểm Γv(l) Hệ số phản xạ điện áp tại một điểm x bất kỳ chỉ xoay pha của hệ số phản xạ điện áp tải Γv(l)

x x

x

V

V e

V

e V

γ

2)

(

+

−

− +

d l d

l

d l

V

V e

V

e V

) (

) ()

+

−

− +

−

=Γ

d v

v(x)=Γ (l)e− 2γ

Γ

(3.1.9)

d j v

v(x)=Γ (l).e− 2 β

Γ

x x

x

I

I e

I

e I

γ

2)

(

+

−

− +

=

)(2

0

Z V Z V

(3.1.11)

Quan hệ giữa trở kháng đường dây và hệ số phản xạ

Từ định nghĩa của trở kháng đường dây ta có

Từ (3.1.12) ta cũng suy ra được:

x x x x

x x

x x

e V

e V

e V

e V Z Z

e V Z

e V

e V e V x I

x V x Z

γ γ γ γ

γ γ

γ γ

− +

−

− +

−

+

− +

−

− +

(

)()

0 0

)(1

)(1)

x

x Z

x Z

Γ

−

Γ+

0

0)(

)()(

Z x Z

Z x Z x

+

−

=

3.2 ĐỒ THỊ SMITH

Trong kỹ thuật siêu cao tần, các bài toán phân tích và thiết kế thường dẫn đến việc phải giải các hệ thống phương trình phức rất dài dòng và phức tạp Điều này gây khó khăn không ít cho người thiết kế, nhất là khi cần có ngay một lời giải trong một thời gian ngắn

Để đơn giản hóa việc tính toán, phương án giải bằng đồ thị tỏ ra khá hiệu quả và nhanh chóng Kiểu đồ thị đang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là dạng đồ thị hệ số phản xạ trở kháng đường dây, được xây dựng bởi Phillip H.Smith năm 1939, được gọi là đồ thị Smith

Đồthị Smith được xây dựng trên mối quan hệ giữa hệ số phản xạ Γ(x) và trở kháng đường dây Z(x) tại một điểm x bất kỳ trên đường dây

3.2.1 Xây dựng đồ thị

Ta quy ước: Γ(x) = Γr(x) +jΓi(x), hay viết tắt hơn, Γ=Γr + jΓi

z(x) = Z(x)/Z0 = rx(x) + jx(x), hay viết tắt hơn, z = r + jx

Biểu thức (3.1.12) được viết lại dưới dạng sau

Cân bằng phần thực và phần ảo của (3.2.1) ta được cặp phương trình :

Phương trình (3.2.2a) chỉ phụ thuộc r mà không phụ thuộc x Nếu ta coi r là thông số hằng số thì phương trình (3.2.2a) sẽ trở thành một phương trình quan hệ giữa Γr và Γi (hoành độ và tung độ trong mặt phẳng phức Γ) và do đó (3.2.2a) được đặc trưng bởi một đường biểu diễn trong mặt phẳng Γ Đường biểu diễn này không phụ thuộc giá trị x mà chỉ phụ thuộc giá trị của r Lần lượt cho r các giá trị thông số khác nhau, ta thu được một họ các đường biểu diễn, được gọi là họ các đường đẳng r Xét phương trình (3.2.2b) ta cũng có được một kết luận tương tự

Ta có thể viết (3.2.2a) lại dưới dạng

i r

i r

j

j jx

r

Γ

−Γ

−

Γ+Γ+

=+

1

1

(3.2.1)

2 2

2 2)1(

1

i r

i r

r

Γ+Γ

−

Γ

−Γ

−

=

2 2)1(

2

i r

i

x

Γ+Γ

−

Γ

=

(3.2.2a)(3.2.2b)

2 2

=Γ+

r r

r

i

Vậy, mỗi đường đẳng r là một đường tròn trong mặt phẳng phức Γ có

Tương tự ta có thể viết (3.2.2b) lại dưới dạng

Mỗi đường đẳng x trong mặt phẳng phức Γ cũng là đường tròn có :

x x

x

1

x=0 x=0.2 x=0.5

x= -0.2 x= -0.5

x=1

x=2 x=5

3.2.2 Một số đặc tính của đồthị Smith:

 Tất cả các giá trị trở kháng trên đồ thị Smith đều là trở kháng chuẩn hóa theo một điện trở chuẩn R0 định trước (điện trở chuẩn hoặc điện trở đặc tính đường dây) Người sử dụng phải tự suy ra giá trị trở kháng thật

 Đồ thị Smith nằm trong phạm vi đường tròn đơn vị, do đó những điểm thuộc đồ thị Smith có hệ số phản xạ Γ với Γ≤ 1

 Các đường đẳng r là họ các đường tròn có phương trình thông số r xác định bởi (3.1.16), mỗi đường tròn tương ứng với một giá trị r duy nhất Các đường đẳng x là họ các đường tròn có phương trình thông số x xác định bởi (3.1.17), mỗi đường tròn tương ứng với một giá trị x duy nhất Các đường đằng r và các đường đẳng x là họ các đường tròn trực giao

 Tâm của đồ thị Smith là giao điểm của đường đẳng r = 1 và đường đẳng x = 1, do đó tương ứng với trở kháng chuẩn hóa z = 1 (tức Z = R0) Đây là điểm có hệ số phản xạ

Γ=0, cho phép thực hiện phối hợp trở kháng trên đường dây hoặc trong mạch điện

 Điểm tận cùng bên trái là giao điểm của đường đẳng r=0 và đường đẳng x=0, tương đương một ngắn mạch, có hệ số phản xạΓ= -1 Điểm tận cùng bên phải là điểm mà tất cả các đường đẳng r và đẳng x đều đi qua, điểm này tương ứng với z →∞, là một hở mạch, có hệ số phản xạΓ= 1

 Đối xứng qua tâm đồ thị Smith của trở kháng z là dẫn nạp y (y=1/z),và ngược lại

0.2 -0.2

0.5 1 1 0.5 0.2

 Trên đồ thị Smith đi theo chiều kim đồng hồ là theo hướng về nguồn và ngược lại là đi về tải.

3.3 VẤN ĐỀ PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG

Phối hợp trở kháng là yêu cầu thiết yếu của các mạch điện hoạt động ở tần số siêu cao tần Trong phần lớn trường hợp, phối hợp trở kháng được thực hiện nhằm loại bỏ hiện tượng phản xạ, do đó, nâng cao hiệu suất và chất lượng hoạt động Hơn thế nữa, trong một số trường hợp, việc phối hợp trở kháng quyết định trực tiếp đến chế độ hoạt động của mạch, với mỗi điều kiện phối hợp trở kháng ta có được một chế độ làm việc của mạch tương ứng

Hình 3.8: Vị trí mạng phối hợp trở kháng

Hình 3.8 mô tả vị trí mạch phối hợp trở kháng trong mạch điện, dấu * chỉ giá trị liên hợp phức Nói chung, nhiệm vụ của mạch phối hợi trở kháng là biến đổi một giá trị trở kháng về một giá trị trở kháng khác theo yêu cầu

3.3.1 Phối hợp giữa một trở kháng phức với một đường dây trở đặc tính thực R0

Giả sử có một trở kháng phức ZL = R + jX cần được phối hợp với một đường dây hoặc một nguồn có trở kháng thuần trở R0 Ta có thể thực hiện vấn đề trên bằng một số cách sau

 Di chuyển ZL về phía nguồn cho tới điểm có trở kháng thuần trở gần nhất, sau đó dùng một đoạn dây λ/4 có trở kháng thích hợp để biến đổi trở kháng thuần trở này về giá trị R0

Hình 3.9: Phối hợp trở kháng dùng đoạn dây λ/4

Trở kháng

 Dùng một dây chêm song song (stub) để bù phần kháng của ZL sau đó dùng dây

λ/4 để biến đổi phần thực về R0

 Phối hợp trở kháng bằng một dây chêm: dùng một dây chêm (có thể hở mạch hay ngắn mạch) mắc song song vào đường dây truyền song chính tại một vị trí thích hợp để bù phần kháng của trở kháng ZL đã di chuyển một đoạn nào đó

Hình 3.11: Phối hợp trở kháng dùng dây chêm đơnTương tự, ta có thể dùng hai dây chêm để phối hợp trở kháng

 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung L, C dạng Gamma thuận, giả sử ta cần phối hợp giữa trở kháng ZL = a + jb, có phần thực a nhỏ hơn giá trị điện trở cần phối hợp R0, ta có thể thực hiện bằng mạch sau

Hình 3.12: Phối hợp trở kháng dạng gamma thuận

Trong mạch trên, jX là phần tử kháng nối tiếp, nó sẽ là cuộn dây nếu X > 0, là tụ điện nếu X< 0 jβ là phần tử kháng song song, nó sẽ là cuộn dây nếu β< 0, là tụ điện nếu

Với, Rc =√R0.R’ Hình 3.10: Phối hợp trở kháng dùng dây

chêm và dây λ/4

Yd

Yt = Yd + Ys = 1/R0

Ys: dẫn nạp của dây chêm

jβ

jX

ZL= a+jb

a

R a b X

β

 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung L, C dạng gamma ngược, giả sử ta cần phối hợp giữa dẫn nạp YL = c + jd, có phần thực c nhỏ hơn điện dẫn 1/R0 cần phối hợp, ta có thể thực hiện bằng mạch sau

Hình 3.13 : Phối hợp trở kháng dạng gamma ngược

Trong mạch trên, jX là phần tử kháng nối tiếp, nó sẽ là cuộn dây nếu X > 0, là tụ điện nếu X< 0 jβ là phần tử kháng song song, nó sẽ là cuộn dây nếu β< 0, là tụ điện nếu β >0

3.3.2 Phối hợp trở kháng giữa hai trở kháng phức

Giả sử ta cần phối hợp giữa hai trở kháng phức ZS = RS + jXS và ZL = RL + jXL Sơ đồ phối hợp tổng quát như hình 3.14 Mục đích của mạch phối hợp trở kháng là biến trở kháng ZL về ZS*

Hình 3.14: Phối hợp hai trở kháng phức

 Cùng di chuyển ZS, ZL trên đườg dây đến điểm có trở kháng thuần trở, sau đó dùng đoạn dây λ/4 để phối hợp hai trở kháng thuần trở đó với nhau như hình 3.15

Hình 3.15: Phối hợp trở kháng phức dùng dây λ/4

c R c d

β

110

c R c d

β

110 0

c R R X

110 0

c R R X

MạchPHTK

 Dùng đoạn dây có trở kháng đặc tính và chiều dài thích hợp để biến đổi thẳng ZL về ZS Công thức tính trở kháng đặc tính và chiều dài đoạn dây như sau

Hình 3.16: Phối hợp trở kháng dùng đoạn dây có trở kháng đặc tính và chiều dài thích hợp

 Ta cũng có thể dùng mạch phối hợp bằng phần tử tập trung L, C với các dạng gamma thuận hay gamma ngược như trên với các giá trị thích hợp để phối hợp

Các phương pháp phối hợp trên chưa thật đầy đủ, tuy nhiên chúng khá tiêu biểu và là những cấu trúc hay gặp khi khảo sát các mạch khuếch đại, mạch dao động, mạch trộn… Các cấu trúc phối hợp trở kháng trên có thể được định lượng một cách nhanh chóng và trực quan nhờ đồ thị Smith, cách này tuy có sai số nhưng chấp nhận được

2 2 2

S L L S

R R

Z R Z

R Z

L S S L

L S

X R X R

R R Z tg

3.4 MA TRẬN TÁN XẠ [S] CỦA MẠNG SIÊU CAO TẦN

Trong lĩnh vực siêu cao tần, ta không thể đo đạc chính xác giá trị điện áp và dòng điện tại các điểm trong mạch, đại lượng mà ta có thể đo đạt duy nhất là công suất của sóng Do đó, việc sử dụng những thông số mô tả quan hệ giữa các đại lượng công suất là rất cần thiết Thông số ma trận tán xạ [S] là một đại diện lý tưởng cho việc này Ma trận tán xạ [S] thể hiện quan hệ giữa sóng tới và sóng phản xạ tại các cửa, nó cung cấp việc mô tả mạng một cách đầy đủ nhìn từ N cửa Các thông số ma trận tán xạ [S} có thể được tính trực tiếp từ các kỹ thuật phân tích mạng, hay có thể đo trực tiếp nhờ các bộ phân tích mạng

3.4.1 Định nghĩa

Xét một mạng N cửa sau

Hình 3.17: Mạng siêu cao tần N cửa

Ta định nghĩa ma trận tán xạ [S] như sau

[b] = [S].[a] (3.4.1)

Mạn

g N cửa

aj: sóng tới tại cửa thứ j

Vector sóng phản xạ: [ ]

2 1

bj: sóng phản xạ tại cửa thứ j

 Các đại lượng sóng tới và sóng phản xạ được định nghĩa dựa trên trở kháng chuẩn cho trước tại mỗi cửa (Z0j), do đó, [S] cũng phải dựa trên các trên trở kháng chuẩn

Z01, Z02, …, Z0N

 Thực tế, tất cả trở kháng chuẩn ở các cửa thường được chọn bằng nhau Z01 = Z02

= … = Z0N = R0 Vì thế, [S] được định nghĩa dựa trên một trở kháng chuẩn R0, [S]Ro

3.4.2 Ý nghĩa vật lý của các hệ số Sij

Từ định nghĩa ta có:

Xét hàng K:

bi = Si1a1 + Si2a2 + … + Siiai + Sijaj + … + SiNaN

3.4.3 Dịch chuyển mặt phẳng chuẩn của ma trận tán xạ

Như chúng ta đã biết, ở vùng tần số siêu cao tần, các đoạn dây dẫn nối tắt cũng phải được coi là các đoạn dây truyền sóng (có hoặc không có tổn hao), tạo sự biến thiên về biên độ và về pha của sóng Đối với một mạng n cửa, ma trận tán xạ [S] phải được định nghĩa giữa các điểm xác định của các cửa; mỗi sự thay đổi điểm định nghĩa ở mỗi cửa đều kéo theo sự biến thiên của [S] Các mặt phẳng xác định tọa độ tại các cửa được gọi là các mặt phẳng chuẩn của ma trận [S]

Xét mạng n cửa như hình 3.18 Ta giả sử ban đầu, các mặt phẳng chuẩn tại các cửa lần lượt là p01, p02, …, p0j, …, p0N, tương ứng với ma trận tán xạ ban đầu [S0]

Ta lần lượt dịch chuyển mặt phẳng chuẩn tại mỗi cửa: Tại cửa j bất kỳ, chuyển từ mặt phẳng p0j đến mặt phẳng pj với khoảng cách dj theo hình 3.18 Điều này tương đương với việc ghép thêm một đoạn dây truyền sóng chiều dài dj, hệ số pha βj (giả sử đoạn dây

N N

iN ij

i i

N j

N j

N

i

a a

a a

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

b b

b b

2 1

2 1

2 2

22 21

1 1

12 11 2

1

(3.4.2)

i j

Gọi a0j và b0j lần lượt là sóng tới và sóng phản xạ tại cửa j tương ứng với mặt phẳng chuẩn ban đầu p0j, aj và bj cũng tương ứng với mặt phẳng chuẩn pj Ta có quan hệ:

Trong đó ϕj = βjdj là độ lệch pha sóng giữa mặt phẳng p0j và mặt phẳng pj Chỉ số j là tương ứng với cửa thứ j của mạng, còn hệ số j ở phần mũ của (3.4.3a) và (3.4.3b) là phần ảo đơn

vị của số phức

Hình 3.18Quan hệ (3.4.3a) và(3.4.3b) có thể được viết dưới dạng tổng quát như sau

[a]= [Φ].[a0] (3.4.4)[b]= [Φ]-1.[b0] (3.4.5)trong đó,

là ma trận đường chéo N×N, tượng trưng cho độ lệch pha sóng tại các cửa

Tại mặt phẳng p0j:

[b ]= [S].[a]

j j

j d j j

j j

j d j j

(3.4.3a)(3.4.3b)

N N

j j

d j

d j

d j

e e

e

β β

Thay thế các giá trị [b0] và [a0] được rút ra từ (3.4.4) và (3.4.5) biểu thức trên ta được

[S0]= [Φ][S][Φ] (3.4.8)

Trong các công thức trên, đoạn dịch chuyển dj tạicửa j là một đại lượng đại số:

• dj > 0 khi mặt phẳng chuẩn pj lùi xa hơn ngõ vào mạng so với mặt phẳng chuẩn ban đầu p0j

• dj < 0 khi mặt phẳng chuẩn pj tiến gần hơn ngõ vào mạng so với mặt phẳng chuẩn ban đầu p0j

Trong thực tế,việc xác định mặt phẳng chuẩn của mạng nhiều cửa có ý nghĩa rất đặc biệt, nó gắn liền với việc các thông số về điện, các đặc tính kỹ thuật của một mạng nhiều cửa đều phải được định nghĩa ở các mặt phẳng chuẩn nhất định, nếu không sẽ không có ý nghĩa sử dụng Chẳêng hạn, ma trận [S] của một transistor siêu cao tần được định nghĩa là thông số tại ngay các chân đế của transistor, không phải thông số của riêng miếng bán dẫn tạo thành transistor

Chương 4:

Mạch khuếch đại siêu cao tần

Tại tần số siêu cao tần, các thông số tổng trở và tổng dẫn của một transistor không thể đo trực tiếp, các thông số ma trận tán xạ có thể đo trực tiếp, do đó, phương pháp thiết kế dựa trên việc sử dụng các thông số Sij được dùng rộng rãi

Trong bất kỳ thiết kế có sử dụng các thông số Sij , cần quan tâm rằng chúng thay đổi theo điều kiện phân cực, nhiệt độ, …, và ngay cả các transistor có cùng số hiệu vẫn khác nhau Do đó, thiết kế nên dành một phần dự trữ cho sự thay đổi các thông số Sij

Dưới đây là một số mục tiêu thiết kế mạch khuếch đại siêu cao tần:

 Cực đại độ lợi công suất

 Cực tiểu hệ số nhiễu cho tầng đầu

 Độ lợi ổn định , …, không dao động

 VSWR ngõ vào và ngõ ra càng gần một đơn vị càng tốt

 Độ lợi thỏa đáng và gần như không thay đổi trên một khoảng tần số định trước

 Đáp ứng pha là một hàm tuyến tính theo ω (không méo dạng)

 Không nhạy với những thay đổi thông thường hoặc thay đổi các thông số Sij của linh kiện

Các đối tượng trên không thể đạt được cùng một thời điểm, do đó thiết kế cần phải tương nhượng hoặc chọn một và đánh đổi một, ví dụ giữa độ lợi và độ ổn định, giữa VSWR ngõ vào và hệ số nhiễu thấp…

4.1 ĐỘ LỢI CÔNG SUẤT

Một vài định nghĩa được dùng cho độ lợi của mạch khuếch đại:

Nếu linh kiện ổn định vô điều kiện, thì ta có thể phối hợp trở kháng liên hợp vào

ra đồng thời Nếu thế thì Gp = GT = Ga = Gmax, độ lợi cực đại Đối với linh kiện ổn định có điều kiện, phối hợp trở kháng liên hợp vào ra đồng thời không được sử dụng, độ lợi công suất đạt được trong trường hợp này là Gp Độ lợi công suất là định nghĩa hữu dụng nhất

Độ lợi công suất GP = Công suất truyền đến tải

Công suất vào mạch khuếch đạiĐộ lợi truyền đạt công suất GT = Công suất truyền đến tải

Công suất tối đa có thể cung cấp từ nguồnĐộ lợi công suất tối đa có thể có Ga = Công suất tối đa có thể truyền đến tải

Công suất tối đa có thể cung cấp từ nguồn

(4.1.1a)

(4.1.1b)

(4.1.1c)

trong thực tế vì nó ứng dụng cho tất cả mạch khuếch đại thực tế, độc lập với phối hợp trở kháng liên hợp vào ra đồng thời có được dùng hay không

Biểu thức độ lợi

Xét một mạch khuếch đại cơ bản như hình 4.1 Nguồn và tải được xem như nối với nguồn bởi một đường truyền có trở kháng đặc tính Z0, chiều dài được bỏ qua Để cho tiện lợi tất cả các giá trị trở kháng đều được chuẩn hóa

Hình 4.1: Mô hình mạch khuếch đại cơ bảnCác hệ số phản xạ nguồn và tải được cho bởi

Đối với bộ khuếch đại ta có

do V2+ = ΓLV2- nên V2- = S21V1+ + S22ΓLV2- hay V2- = S21V1+/(1 - S22ΓL) Ta sử dụng những dẫn chứng này thay vào phương trình đầu tiên ta được

L

L L

Z Z

+ +

− = 11 1 + 12 2

V

+ +

− = 21 1 + 22 2

V

)1

(

22

21 12 11 1 1

L

L

S

S S S V V

Γ

−

Γ+

−

L

L in

S

S V

1

S

S out

11 22