Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ phát dữ liệu không dây ở dải sóng UHF

MỞ ĐẦU Hệ thống thu, phát vô tuyến chiếm một vị trí quan trọng trong mạng lưới viễn thông của mỗi quốc gia trên thế giới.Đất nước càng phát triển thì đồng nghĩa với đó là các hệ thống vi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

  

HOÀNG MINH HẢI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ PHÁT DỮ

LIỆU KHÔNG DÂY Ở DẢI SÓNG UHF

LUẬN VĂN THẠC SỸ

HÀ NỘI – 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

  

HOÀNG MINH HẢI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ PHÁT DỮ

LIỆU KHÔNG DÂY Ở DẢI SÓNG UHF

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

HÀ NỘI - 2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

CHƯƠNG 1 9

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TIN VÔ TUYẾN 9

1.1 Hệ thống thu phát thông tin vô tuyến 9

1.2 Giới thiệu về các hệ thống thu phát vô tuyến 9

CHƯƠNG 2 14

LÝ THUYẾT SIÊU CAO TẦN 14

2.1 Tổng quan về siêu cao tần 14

2.1.1 Giới thiệu chung 14

2.1.2 Lý thuyết đường truyền 15

2.1.3 Mô hình tương đương tham số tập trung của đường truyền 15

2.1.4 Biểu đồ Smith 19

2.1.4.1 Họ vòng tròn đẳng điện trở r 21

2.1.4.2 Họ vòng tròn đẳng điện kháng x 22

2.1.4.3 Vòng tròn đẳng || 22

2.1.4.4 Vòng tròn đẳng S 23

2.1.5 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng 27

2.2 Bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) 29

2.2.1 Khái niệm 29

2.2.2 Mạch tạo dao động kiểu ba điểm 31

2.2.3 Mạch tạo dao động 3 điểm điện dung 32

32

2.3 Mạch vòng bám pha 36

2.3.1 Giới thiệu chung 36

2.3.2 Tổng quan về vòng bám pha (PLL) 37

2.3.2.1 Bắt chập và giữ chập 39

2.3.2.2 Đặc trưng chuyển tần số sang điện áp 39

2.3.3 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha 41

2.4 Mạch khuếch đại công suất 42

CHƯƠNG 3 45

CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 45

3.1 Thiết kế, chế tạ 2SC3355: 45

45

3.1.2 Kết quả, nhận xét 49

3.2 Mạch khuếch đại công suất 1W 54

3.2.1 Yêu cầu và thiết kế 54

3.2.2 Mô Phỏng mạch Khuếch đại công suất bằng phần mềm ADS: 55

3.2.3 Mạch Layout: 59

3.2.4 Đo đạc và kiểm chứng công suất ra 60

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

EHF Extremely High Frequecy Tần số cực cao

IF Intermediate Frequency Tần số trung tần

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp

TEM Transverse Electromagnetic Sóng điện từ ngang

VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển

bằng điện áp

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy phát trực tiếp

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý máy thu giải điều chế trực tiếp (Hommodyme) Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý máy phát qua trung tần

Hình 2.1 Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương

Hình 2.9 Sơ đồ thuật toán biểu diễn tín hiệu theo thời gian

Hình 2.10Sơ đồ khối hệ dao động tự kích

Hình 2.11Sơ đồ tạo dao động ba điểm tổng quát

Hình 2.12Mạch tạo dao động 3 điểm điện dung

Hình 2.13 Sơ đồ một số mạch VCO Colpitts tần số cao

Hình 2.14Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha(PLL)

Hình 2.15 Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL

Hình 2.16 Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp

Hình 2.17 Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha Hình 2.18 Mạng 2 cửa của transistor

Hình 2.19Đồ thị luồng tín hiệu của mạng 2 cửa

Hình 2.20Mạchkhuếch đại công suất

Hình 3.1 Độ lợi đạt được thông thường của 2sc3355

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch VCO sử dụng 2sc3355

Hình 3.3 Sơ đồ tính toán giá trị varicap

Hình 3.4 Sơ đồ hoàn chỉnh

Hình 3.5 PCB của VCO trên giao diện phần mềm Altium design

Hình 3.6Ảnh chụp mạch thật VCO dùng 2SC3355

Hình 3.7Đo đạc tín hiệu

Hình 3.8Các tần số và hài của VCO

Hình 3.9 Tần số VCO theo điện áp điều khiển

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mô phỏng lối vào phiên bản 1 Hình 3.11 Kết quả mô phỏng lối vào phiên bản 1

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý lối ra phiên bản 1

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng lối ra phiên bản 1

Hình 3.14Sơ đồ nguyên lý mô phỏng lối vào phiên bản 1 Hình 3.15Kết quả mô phỏng lối vào phiên bản 1

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý lối ra phiên bản 1

Hình 3.17 Kết quả mô phỏng lối ra phiên bản 1

Hình 3.18 Layout phiên bản 1

Hình 3.19 Layout phiên bản 2

Hình 3.20 Sơ đồ đo đạc và kiểm chứng công suất

Hình 3.21 Đo khuếch đại công suất trên mạch thực

Hình 3.22 Đo công suất lối ra bộ khuếch đại công suất Hình 3.23 Dải thông của bộ khuếch đại công suất

MỞ ĐẦU

Hệ thống thu, phát vô tuyến chiếm một vị trí quan trọng trong mạng lưới viễn thông của mỗi quốc gia trên thế giới.Đất nước càng phát triển thì đồng nghĩa với đó là các hệ thống viễn thông càng phức tạp.Thông tin phát đi là ký tự; âm thanh; hình ảnh hoặc số liệu dưới một hình thức tín hiệu điện hay xung điện kết nối điểm điểm hay đa điểm

Ở nước ta hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, truyền thông toàn cầu, mạng lưới viễn thông cũng vô cùng phức tạp Cùng với đó là các yêu cầu về an toàn thông tin cũng ngày càng được quan tâm Do đó, hệ thống thu phát thông tin vô tuyến có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như trong các hệ thu phát thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar quân sự và dân sự, Ngày nay trong thời kỳ kinh tế mở, các hệ thống thu phát có ứng dụng an toàn thông tin có mặt trong các lĩnh vực như thương mại điện tử,ngân hàng, công nghiệp Các hệ thống này đã góp phần vào việc bảo vệ an ninh quốc phòng và phát triển kinh tế đất nước

Với tên đề tài Luận vănlà : “Nghiên Cứu Thiết Kế Chế Tạo Bộ Phát Dữ

Liệu Không Dây Ở Dải Sóng UHF”, bằng lý thuyết và thực nghiệm, Luận văn đã

thực hiện những nội dung sau:

- Tìm hiểu về hệ thống thông tin vô tuyến

- Tìm hiểu về lý thuyết siêu cao tần

- Tìm hiểu sâu về VCO và chế tạo thành công một bộ VCO có tần số từ 847-860MHz

- Tìm hiểu sâu về kỹ thuât phối hợp trở kháng và chế tạo thành công một khối khuếch đại công suất 1W, hoạt động ở dải tần 847MHz – 860MHz, hệ số khuếch đại trên 15dB

- Đánh giá kết quả đã đạt được trong Luận văn và kết luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TINVÔ TUYẾN

1.1 Hệ thống thu phát thông tin vô tuyến

Hiện nay, trên thế giới đang sử dụng hai loại công nghệ mạng là : Công nghệ

không dây(các thiết bị trong hệ thống mạng giao tiếp với nhau qua sóng Radio)

vàCông nghệ có dây(các thiết bị trong hệ thống mạng giao tiếp với nhau thông

qua cáp truyền dữ liệu)

Vậy tại saotrên thế giới, mạng không dây lại đang chiếm ưu thế?

Mạng không dây không dùng cáp cho các kết nối, thay vào đó, chúng sử dụng sóng Radio Ưu thế của mạng không dây là khả năng di động và sự tự do, người dùng không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nối Những ưu điểm của mạng không dây bao gồm:

- Khả năng di động và sự tự do – cho phép kết nối từ bất kỳ đâu

- Không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nối

- Dễ lắp đặt và triển khai

- Không cần mua cáp

- Tiết kiệm thời gian lắp đặt cáp

- Dễ dàng mở rộng

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thông tin vô tuyến thì thiết bị

vô tuyến đã đóng một vai trò rất quan trọng trong việc truyền tải tin tức đi xa.Truyền dẫn thông tin vô tuyến là phương thức dùng không gian làm môi trường truyền tin, với các ưu điểm về khoảng cách, tốc độ truyền tin và sự cơ động, thông tin vô tuyến hiện nay đang là giải pháp tối ưu cho các hệ thống viễn thông Ngoài

ra, miền ứng dụng của các hệ thống thông tin vô tuyến cũng rất rộng, nó có thể sử dụng cho các hệ truyền dẫn thông tin di động, thông tin vệ tinh, phát thanh, truyền hình, các đài radar quân sự và dân sự phục vụ cho an ninh quốc phòng, an sinh xã hội và phát triển kinh tế đất nước

1.2 Giới thiệu về các hệ thống thu phát vô tuyến

Có rất nhiều loại hệ thống thu phát vô tuyến với các loại kiến trúc máy thu và kiến trúc máy phát khác nhau Sau đây là một vài kiến trúc máy thu và kiến trúc máy phát điển hình:

1.2.1 Máy thu-phát trực tiếp (Direct-Conversion Transmisters)

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy phát trực tiếp

Máy phát trực tiếp có ƣu điểm là đơn giản vì thế giá thành rẻ Nhƣng nó có

nhƣợc điểm là tần số của bộ dao động nội LO chính là tần số phát, khi bị phản xạ từ

anten gây nhiễu cho LO

Sơ đồ nguyên lý :

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý máy thu giải điều chế trực tiếp (Hommodyme)

Loại kiến trúc máy thu này có ƣu điểm là đơn giản, dễ tích hợp, công suất

thấp Tuy nhiên, nó có nhƣợc điểm là:

- Xuất hiện thành phần 1 chiều ĐƢỢC offset, nguyên nhân là do cách ly giữa 2 cổng của bộ trộn tần

- I/Q mismatch: do bộ trộn IQ Demodulator hoạt động ở tần số cao nên bộ vuông pha 90 hoạt động không chính xác hoàn toàn và đọ suy giảm của nó làm cho biên độ và pha của các tín hiệu không hoàn toàn bằng nhau

- Độ nhạy kém do bộ lọc băng thông có dải thông rộng

1.2.2 Máy thu- phát qua trung tần:

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý máy phát qua trung tần

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý bộ thusiêu ngoại sai

Bảng 1: Các khối trong hệ thống thu phát

Bộ điều chế tín hiệu

Bộ trộn tần: có nhiệm vụ trộn tần số ở lối vào và tần số VCO

Tầng khuếch đại đệm, đây là bộ khuếch đại tạp âm thấp có mục đích kích công suất tín hiệu lên trước khi đưa vào bộ khuếch đại công suất

 Bộ khuếch đại công suất lớn: phát công suất tối đa là 1w Với điều kiện 2 anten nhìn thấy nhau có thể phát đi trong khoảng cách 10km

Bộ tạo dao động ngoại sai: có nhiệm vụ phát ra tín hiệu cao tần UHF làm sóng mang

cho tín hiệu mang thông tin

Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA): đây là một modul khuếch đại đặc biệt, sử dụng trong các hệ vô tuyến để khuếch đại những tín hiệu rất yếu được thu từ anten Nó thường được đặt rất gần anten thu để giảm thiểu suy hao Khi sử dụng bộ khuếch đại này ở máy thu thì ồn nhiễu của những tầng sau sẽ được giảm bởi hệ số khuếch đại của nó Trong khi

đó, ồn nhiễu của LNA lại được cộng trực tiếp vào tín hiệu nhận được Việc sử dụng LNA là cần thiết để tăng công suất tín hiệu mong muốn, còn tạp nhiễu sẽ được xử lý ở những tầng tiếp theo

 Bộ khuếch đại trung tần khuếch đại công suất tín hiệu trung tần sau khi lấy ra khỏi bộ trộn tần số trước khi được xử lý ở các tầng tiếp theo

 Bộ tách sóng: có nhiệm vụ tách lấy thông tin mong muốn

bộ giải điều chế để thu được tín hiệu mong muốn

 Anten phát và anten thu

Ưu điểm của bộ thu-phát trung tần là :Tránh được nhiễu dao động nội do phản xạ, độ ổn định tần số cao hơn thu-phát trực tiếp Sử dụng băng thông hẹp hơn nên chất lượng máy thu tốt hơn

Nhược điểm: Do có nhiều khối nên phức tạp và tốn kém hơn so với thu-phát trực tiếp

Nguyên lý: Tại máy phát, tín hiệu sau khi được điều chế sẽ được đưa vào bộ trộn tần với sóng dao động nội có tần số thích hợp để tín hiệu cuối cùng có sóng mang ở băng UHF Sóng mang cao tần được tạo ra bởi mạch tạo dao động điều khiển bằng điện áp có khả năng điều khiển tần số linh hoạt với dải điều chỉnh rộng, phát tín hiệu đã được điều chế đi với khoảng cách xa nhờ một bộ khuếch đại đệm trước khi đưa vào khuếch đại công suất và phát đi bởi anten

Demodulation

Detector

IF amplifier

CHƯƠNG 2

LÝ THUYẾT SIÊU CAO TẦN

2.1 Tổng quan về siêu cao tần

2.1.1 Giới thiệu chung

Thuật ngữ “viba” hay sóng siêu cao tần (microwaves) là để chỉ những sóng điện từ có bước sóng rất nhỏ, ứng với phạm vi tần số rất cao của phổ tần số vô tuyến điện

Phạm vi của dải tần số này cũng không có sự quy định chặt chẽ và thống nhất trên toàn thế giới Giới hạn trên của dải thường được coi là tới 300 GHz (f = 3.1011 Hz), ứng với bước sóng  = 1 mm (sóng milimet), còn giới hạn dưới có thể khác nhau tùy thuộc vào các quy ước theo tập quán sử dụng Một số nước coi "sóng cực ngắn" là những sóng có tần số cao hơn 30 MHz (bước sóng  ≤ 10m ), còn một

số nước khác coi "viba" là những sóng có tần số cao hơn 300 MHz (bước sóng  ≤

1 m )

Trong ứng dụng thực tế, dải tần của vi ba còn được chia thành các băng tần nhỏ hơn như

- UHF (Ultra High Frequency): f = 300 MHz ÷ 3 GHz

- SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz

- EHF (Extremely High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz

10-1 10-2 10-3 10-6

102 10 1

103

ánh sáng nhìn thấy

sóng mét (VHF)

sóng ngắn

Bước sóng (m) 3.105 3.106 3.107 3.108 3.109 3.1010 3.1011 3.1014

2.1.2 Lý thuyết đường truyền

Khi nghiên cứu đường truyền đối với các tín hiệu tần số thấp, ta thường coi các đường dây nối (hay đường truyền) là ngắn mạch.Điều này chỉ đúng khi kích thước của mạch là nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu.Còn đối với tín hiệu cao tần và đặc biệt đối với tín hiệu siêu cao thì ta phải có những nghiên cứu đặc biệt về đường truyền

Trong các hệ thống siêu cao tần và sóng milimet, bước sóng của tín hiệu có thể bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của các bộ phận và đường truyền của chúng Điều này có nghĩa là có thể diễn ra những thay đổi quan trọng về pha tín hiệu dọc theo đường truyền và có sự biến đổi trở kháng danh định của một thiết bị hoặc một thành phần mà tín hiệu đi qua Những sự biến đổi trở kháng này gây ra các sóng phản xạ trên đường truyền Điều này sẽ dẫn đến sự tổn hao năng lượng trên đường truyền do năng lượng bị phản xạ Lượng năng lượng bị phản xạ được xác định bởi

hệ số phản xạ , có quan hệ với trở kháng

2.1.3 Mô hình tương đương tham số tập trung của đường truyền

Hình 2.1 Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương

Nhìn chung, các đường truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song để tín hiệu điện áp truyền qua

Trước hết chúng ta khảo sát một đường truyền gồm một cặp dây dẫn song song như hình vẽ 2.1 Hai dây dẫn này được mô hình hoá bằng:

- Điện dung song song tính theo chiều dài đơn vị của dây dẫn C [ F/m]

- Điện dẫn song song tính theo đơn vị dài [S/m]

Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ tạo ra một dòng điện trong dây dẫn theo chiều ngược lại, đó là thành phần cảm ứng cũng sẽ có một điện trở hữu hạn nối tiếp trong các dây dẫn

- Điện cảm nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ H/m]

- Điện trở nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ /m]

Một đoạn ngắn ∆z của đường truyền được biểu diễn trên sơ đồ tương đương như hình vẽ 2.1,điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian

z z

z z

z

U z U U

z

I z I

z z z z z

I z I

z z

z z

I z I z

U z U

z z

z z z

z

(2.1.6)

Bỏ qua số hạng trong (∆z)2 và chia cho ∆z ta được

z z

(2.1.7) Cặp phương trình (1.3.5) và (1.3.7) được gọi là cặp phương trình điện báo và hoàn toàn có tính chất khái quát, các điện áp và dòng điện trên dây ở bất kỳ vị trí hay thời điểm nào qua bốn tham số dây dẫn G, C, R và L

Thông thường thì ta chỉ quan tâm đến một tín hiệu hình sin tần số đơn có dạng:

t j

e U

Lấy vi phân phương trình trên ta có:

U j e U j t

U Cj G z

z R j L G j C U U z

Phương trình (2.1.12) và (2.1.13) là các phương trình sóng một chiều cho điện

áp và dòng điện tương ứng Nghiệm của các phương trình này có dạng:

e e U e U t z

U ,  1   2  

e e I e I t z

I ,  1   2  

(2.1.15)

Ở đây, U1,U2, I1, và I2 là các hằng số của phép tính tích phân và được xác định bằng các điều kiện biên của dây cụ thể,  được gọi là hệ số truyền sóng phức và được xác định như sau:

R jLG jC

Ta thấy hệ số truyền sóng là hàm của tần số

Theo phương trình (2.1.16) hệ số truyền sóng  chứa cả các thành phần thực

và ảo nên nó được viết dưới dạng:

e U t z

U ,  1    2   (2.1.18a)

e e I e

e I t z

I ,  1    2   (2.1.18b) Trong số hạng thứ nhất (bao gồm U1 hoặc I1), thừa số z

e có biên độ giảm khi z tăng Thành phần hàm mũ thứ hai j t z

e   có giá trị biên độ là 1 và góc biểu thị pha của tín hiệu tăng lên theo thời gian và giảm đi theo khoảng cách Tại thời điểm t = t1 và vị trí z = L1, pha nhận một giá trị 1  t1 L1 Tại thời điểm sau đó:

t = t2> t1 có thể thấy pha với giá trị 1 xuất hiện ở một vị trí khác z = L2 Bởi vì pha

         , và t2> t1 nên cần phải có L2> L1 vì cả  và  đều dương, do đó điểm của pha dịch chuyển theo hướng z dương Số hạng thứ nhất này biểu thị một sóng truyền về phía trước, hay sóng tiến hoặc sóng thuận có biên độ giảm theo hàm mũ tương ứng với khoảng cách truyền Số hạng thứ hai (liên quan đến U2 và I2) biểu thị sóng truyền theo hướng z âm hay sóng lùi hoặc sóng ngược

có biên độ giảm khi z âm (khi thời gian tăng lên) Như vậy nghiệm toàn bộ của phương trình sóng là tổng của hai sóng lan truyền theo hai hướng ngược nhau

b z

f e U e U

z

Các chỉ số f và b là tương ứng với sóng tiến và sóng lùi

Vì tham số  của phương trình (2.1.18) biểu thị sự suy giảm biên độ của các sóng, nó thường được gọi là hệ số suy giảm có đơn vị tính là dB/m hoặc np/m (np: neper) Nếu N biểu thị mức độ suy giảm của công suất W1 và W2, ta có:

W1/ W2

log 10



W1/ W2

ln 5 , 0



Sóng sẽ suy giảm N (neper) khi biên độ của nó thay đổi exp(-N) giữa hai điểm của một dây dẫn Từ hai tỷ số trên có thể rút ra 1 neper = 8,868 dB Biên độ của sóng giảm đi 1/e (  37%) sau mỗi khoảng cách 1/

Số hạng  mô tả sự biến thiên về pha của các sóng lan truyền và được gọi là hằng số pha Các đơn vị của  là radian/m hoặc độ/m Độ dài của một bước sóng () khi pha có độ lệch là 2, do đó:

0 0

I

U I

U Z

(2.1.22)

Ta gọi Z 0 là trở kháng sóng hay trở kháng đặc trưng của đường truyền

C j G

L j R L j R Z

Đồ thị này chính là biểu diễn hình học của hệ thức:

Hay viết dưới dạng trở kháng chuẩn hoá:

1 1

e

e z

Một giá trị bất kỳ của hệ số phản xạ  có thể được biểu diễn lên hệ toạ độ cực dưới dạng một bán kính vectơ  và góc pha  Như vậy, ứng với mỗi điểm trên mặt phẳng của hệ số phản xạ có một giá trị của hệ số phản xạ hoàn toàn xác định,

và một giá trị trở kháng z hoàn toàn xác định

Thay z L r L ix Lvà     r i i vào (2.1.26) ta nhận được:

i r

i r L

L

i

i ix

) 1 (

Trong đó rL và xL lần lượt là điện trở và điện kháng của tải.rvài là phần thực và phần ảo của hệ số phản xạ 

Trên mặt phẳng hệ số phản xạ (giới hạn trong vòng bán kính bằng 1 và  1)

có thể vẽ được 2 họ đường cong, một họ gồm những đường đẳng điện trở r = const

và một họ gồm những đường đẳng điện kháng x = const

Cân bằng phần thực và phần ảo của (2.1.28) ta được 2 phương trình:

2 2

2 2

)1(

1

i r

i L L

)1(

2

i r

i L

2 2

L

L r

r r

r

2 2

) 1 (      

L L

i r

x x

Mỗi phương trình trên biểu thị một họ đường tròn trong mặt phẳng  r, i

(2.1.27)

(2.1.30) (2.1.29) (2.1.28)

(2.1.31) (2.1.32)

r r

Hình 2.4 Vòng tròn đẳng điện trở và điện kháng trên cùng đồ thị

Các giá trị của các đường tròn đẳng r được ghi trên trục thực, từ r L =0 (vòng tròn có bán kính bằng 1) đến r L = (vòng tròn có bán kính bằng 0)

 Dễ dàng nhận thấy rằng các vòng tròn này luôn đi qua một điểm cố định (   i 0, r 1) (Hình 2.4)

Các họ vòng tròn đẳng điện trở và đẳng điện kháng được biểu diễn chung trên một đồ thị được coi là cơ sở của đồ thị Smith Ở đây, người ta không vẽ toàn bộ các vòng tròn điện kháng mà chỉ vẽ các đoạn nằm trong giới hạn của vòng   1 mà thôi

2.1.4.3 Vòng tròn đẳng ||

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,

(2.1.34)

Để thuận tiện cho việc đọc các giá trị của S (hay 1

S), 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





75 , 0





5 , 0

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

S chỉ là phép lấy đối xứng qua tâm Như vậy, nửa bên trái của trục thực r sẽ được khắc độ theo

 trên chu vi của đồ thị Bởi vì phân bố sóng đứng trên đường dây

được lặp lại theo chu kỳ

Cuối cùng, đồ thị đầy đủ được thiết lập với tất cả các ghi chú ở trên tạo thành

đồ thị Smith chuẩn, được chấp nhận và sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới (Hình 2.6)

Hình 2.6 Đồ thị Smith chuẩn

Những điểm chính:

 Tất cả các giá trị trở kháng trên đồ thị Smith đều là trở kháng chuẩn hoá theo một điện trở chuẩn định trước, thường là trở kháng đặc tính R0 của đường dây không tổn hao

 Đồ thị Smith nằm trong phạm vi của vòng tròn đơn vị vì hệ số phản xạ  có modun nhỏ hơn hoặc bằng 1

 Các đường đẳng r là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trục hoành của đồ thị

và luôn đi qua điểm có r=1 Giá trị r của mỗi vòng tròn đẳng r được ghi dọc

theo trục hoành, từ 0 (điểm bên trái ứng với giá trị r = 0, điểm bên phải ứng với giá trị r = )

 Các đường đẳng x là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trục vuông góc với trục

hoành tại r=1 Có hai nhóm đường tròn đẳng x:

- Nhóm các đường đẳng x với x > 0 (cảm kháng) là các đường nằm ở phía trên của trục hoành Giá trị x tăng dần từ 0 đến  và được ghi trên mỗi đường

- Nhóm các đường đẳng x với x < 0 (dung kháng) là các đường nằm

ở phía dưới của trục hoành Giá trị x giảm dần từ 0 đến -  và được ghi trên mỗi đường

 Các đường đẳng r và các đường đẳng x là họ các đường tròn trực giao với nhau Giao điểm của một đường đẳng r và một đường đẳng x bất kỳ sẽ biểu thị cho một trở kháng z = r+ix, đồng thời cũng biểu thị cho hệ số phản xạ tại điểm có trở kháng z

 Tâm điểm của đồ thị Smith là giao điểm của đường đẳng r = 1 và đường đẳng x = 0 (nằm trên trục hoành), do đó điểm này đại biểu cho trở kháng thuần trở z = 1 (nghĩa là Z = R0) Đây là điểm tượng trưng cho điện trở chuẩn

R0, cho phép thực hiện phối hợp trở kháng trên đường dây, đây chính là điểm

có hệ số phản xạ  = 0 và hệ số sóng đứng S = 1

 Điểm tận cùng bên trái của trục hoành là giao điểm của đường đẳng r=0 và đường đẳng x=0, do đó biểu thị cho trở kháng z = 0 (tức z = 0), nghĩa là ứng với trường hợp ngắn mạch Tại đây ta có hệ số phản xạ =-1

 Điểm tận cùng bên phải của trục hoành là điểm đặc biệt mà tất cả các đường đẳng r và đẳng x đều đi qua Tại đây ta có r=, x=, do đó z= (tức Z=), nghĩa là ứng với trường hợp hở mạch Tại đây ta có hệ số phản xạ =1

 Hệ số phản xạ tại vị trí l trên đường truyền có thể được xác định khi biết hệ

số phản xạ  tại vị trí tải, dựa vào công thức:   0 2

Theo quy định của đồ thị Smith:

- Chiều quay từ tải hướng về nguồn là thuận chiều kim đồng hồ

- Chiều quay từ nguồn hướng về tải là ngược chiều kim đồng hồ

Trên mỗi chiều quay, có một vòng đánh số theo độ và một vòng đánh số theo

số bước sóng để tiện sử dụng

Khi vẽ đường tròn đẳng S trên đồ thị Smith thì đường tròn này sẽ cắt trục hoành tại 2 điểm Giao điểm nằm phía bên phải của tâm biểu đồ biểu thị cho vị trí trên đường dây có z= rmax+i0, với rmax=S Đây chính là điểm bụng của sóng đứng Ngược lại, giao điểm nằm phía trái của tâm biểu đồ biểu thị cho vị trí trên đường dây có z=rmin+i0, với rmin=1/S Đây chính là điểm nút của sóng đứng (Hình 2.7) Trên biểu đồ Smith cũng nhận thấy ngay khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng bằng 0,25

Hình 2.7 Biểu diễn điểm bụng và điểm nút của sóng đứng trên biểu đồ Smith

Nếu tải được đặt xa so với máy phát tức là phải sử dụng một đoạn cáp nối - thì

sẽ có 2 đơn vị phối hợp trở kháng Một là từ máy phát đến đường truyền, hai là từ đường truyền đến tải

 Kỹ thuật phối hợp trở kháng dựa trên các nhân tố tác động trở lại rời rạc:

Các nhân tố rời rạc của một đơn vị phối hợp trở kháng được đặt nối tiếp hoặc song song

 Điện dẫn trên biểu đồ Smith:

Trên biểu đồ Smith, hệ số phản xạ  phụ thuộc vào trở kháng chuẩn hoá z Điện dẫn chuẩn hoá là: 1

y z

Điểm trên biểu đồ Smith dịch chuyển trên đuờng tròn không đổi với phần thực

là điện dẫn chuẩn hoá (g L Cst)

 Phối hợp trở kháng với đoạn dây một phần tư bước sóng

Kỹ thuật này thường sử dụng với các tải có trở kháng thực

X

R z

R

1

LX LX

LX

z z

 ; ,

1 1

LX

LX

z z

 Phối hợp trở kháng với các đoạn dây chêm

Một đoạn dây chêm là một phần của đường truyền, nó có chiều dài l và

l

j kl j



 Phối hợp trở kháng với dây chêm đơn

Đoạn chêm có chiều dài l đƣợc mắc song song ở vị trí cách tải một khoảng d; chúng ta phải xác định cả l và d

Ở khoảng cách d so với tải thì trở kháng chuẩn hoá của tải đƣợc xác định bằng

L Ld

)tan(

1

)tan(

)tan(

1)tan(

)cot(

1

kd g

kd b

kd jg

kd b

kd b

j g kl j

L L

L L

L L

Có thể sử dụng biểu đồ Smith để tránh các tính toán phức tạp

 Phối hợp trở kháng với dây chêm đôi

Vị trí của các đoạn chêm đƣợc cố định (với khoảng cách đến tải lần lƣợt là

d 1 và d 2); chúng ta phải xác định cả chiều dài l1 và l2 của các đoạn chêm

2.2 Bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp (VCO)

2.2.1 Khái niệm

Các mạch tạo dao động đƣợc sử dụng trong hệ thống thông tin liên lạc, có dải tần hoạt động từ vài Hz cho tới hàng GHz Để tạo dao động có thể sử dụng các phần tử tích cực nhƣ đèn điện tử, trasistor, các bộ khuếch đại thuật toán…

Các tham số cơ bản của mạch dao động:

- Tần số dao động

- Biên độ điện áp ra

- Độ ổn định tần số lối ra

- Công suất của mạch

- Hiệu suất của mạch

Có thể tạo dao động điều hòa theo 2 nguyên tắc sau:

- Tạo dao động bằng mạch khuếch đại có hồi tiếp dương

- Mạch tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch

- Để tạo được mạch dao động cần thỏa mãn 2 điều kiện là :

 Thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ

 Thỏa mãn điều kiện cân bằng pha

Hình 2.8Sơ đồ thuật toán của bộ tạo dao động

Tỷ lệ tín hiệu lối ra/lối vào:

s

S in

out

H

H V

V



 1

(2.2.1)Các tín hiệu được qua bộ khuếch đại, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào Sau khi đưa về hồi tiếp, 2 tín hiệu đồng pha sẽ tiếp tục được khuếch đại lớn cho tới khi thỏa mãn hệ số để có thể tự kích

Hình 2.9 sơ đồ thuật toán biểu diễn tín hiệu theo thời gian

Hình 2.10Sơ đồ khối hệ dao động tự kích

Từ đó ta thấy khi: K =

) k

( j

e

K    = 1 (2.2.3) Thì K=∞, mạch ở trạng thái tự kích Mạch sẽ tạo dao động

Công thức trên có thể viết cụ thể hơn: K  = 1 ;K +  = 2K (2.2.4)

Hai điều kiện trên tương ứng là điều kiện cân bằng biên độ và cân bằng pha

Về mặt vật lý, hệ tự dao động khi phần tử khuếch đại K bù đủ năng lượng

tổn hao trong vòng hồi tiếp (điều kiện cân bằng biên độ) và bù pha (điều kiện cân

bằng pha) Nếu điều kiện cân bằng pha chỉ đúng cho một tần số thì dao động tạo ra

sẽ dao động hình sin của tần số đó

Đề tài Luận văn thực hiện phương pháp tạo dao động kiểu ba điểm điện

dung

2.2.2 Mạch tạo dao động kiểu ba điểm

Hình 2.11Sơ đồ tạo dao động ba điểm tổng quát

Mạch tạo dao động LC có thể có ba điểm nối giữa hệ thống chọn lọc và phần

tử khuếch đại Lúc này phần hồi tiếp dương được thực hiện qua bộ phân áp điện

dung hoặc điện cảm Đầu tiên xét nguyên lý chung như sơ đồ Hình 2.11.Trong đó

Z1, Z2, Z3 là các phần tử của hệ cộng hưởng nối tiếp theo mạch vòng với

Z1 = r1 + jX1

ri- điện trở tổn hao của tổng trở Zi, Xi có thể âm hoặc dương tùy theo tính chất

của Zi và luôn thoả mãn: ri<< Xi (2.2.5)

Hệ số khuếch đại của mạch là: K = - S Zt (2.2.6)

Trong đó Zt là trở kháng mạch tải của mạch khuếch đại :

Như vậy thì

X1+X2+X3 = 0 (2.2.10)

(2.2.10) và (2.2.11) tương ứng là điều kiện cân bằng pha và cân bằng biên độ

Từ (2.2.11) suy ra X2 và X3 phải cùng tính cảm hoặc cùng tính dung Kết hợp với (2.2.10) thì X1 phải khác dấu với X2 và X3

2.2.3 Mạch tạo dao động 3 điểm điện dung

2 ra

ht

ZZ

ZU

Z

ZZ

ZZ

ZZZK

3 2 1

3 2 2

1

2 3

2 1

2 1

1X

XXjrrr

XXS

K

3 2 1 3

2 1

1rrr

XSX

3 2 1

3





Hình 2.12Mạch tạo dao động 3 điểm điện dung

Trong mạch tạo dao động 3 điểm điện dung, ta có:

X1 = XCB = L > 0

X2 = XBE =

X3 = XCE =

Hệ số hồi tiếp :  = - = - n (2.2.12)

Hệ số khuếch đại: K = - g21eZtc h = - (2.2.13)

- trở kháng vào của transistor phản ánh vào khung cộng hưởng

(2.2.16)

Giá trị của n nằm trong khoảng: n2< n < n1 thì mạch sẽ dao động

Khi dao động đã xác lập thì n nhận giá trị n1 hoặc n2

Tần số của dao động tạo ra sẽ là:

1 2

Rtdph

e e

ehneh

Rn

Rtd

hh

CCL