Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo dao động sóng mang băng tần L điều chế mã nhận biết chủ quyền quốc gia sử dụng cho thiết bị hàng không và hàng hải

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ADS-B Automatic Dependent Surveillance Broadcast Hệ thống giám sát phụ thuộc tự động-Quảng bá ATC Air Traffic Controller Hệ thống điều khiển không vận ATN Aeron

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bạch Gia Dương, người trực

tiếp hướng dẫn em làm khoá luận tốt nghiệp và tạo những điều kiện tốt nhất cho em trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công Nghệ Em xin cám ơn các thầy, cô giáo giảng dạy tại trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã trang bị cho em những kiến thức quý báu

Xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người luôn bên em, động viên và tạo những điều kiện tốt nhất để em có được điều kiện học tập và nghiên cứu

Vũ Tuấn Anh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các số liệu

và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào

Hà Nội, ngày 23/11/2008 Tác giả

Vũ Tuấn Anh

MỤC LỤC

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ 3

MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 7

MỞ ĐẦU 8

Chương 1 - MẠCH VÒNG BÁM PHA VÀ BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ 9

1.1 Mạch vòng bám pha 9

1.1.1 Giới thiệu chung 9

1.1.2 Tổng quan về vòng bám pha (PLL) 9

1.2 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha 13

1.2.1 Bộ so pha 13

1.2.2 Các bộ chia tần 15

1.2.3 Bộ lọc tần số thấp 15

1.2.4 Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) 16

1.3 Giới thiệu về học IC ADF411x 16

1.3.1 Họ IC ADF411x 16

1.3.2 Mô tả chức năng các chân 18

1.3.3 Mô tả chức năng mạch điện 19

Chương 2 - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SIÊU 23

2.1 Giới thiệu chung 23

2.2 Lý thuyết đường truyền và giản đồ Smith 23

2.2.1 Mô hình tương đương tham số tập trung của đường truyền 24

2.2.2 Biểu đồ Smith 28

2.3 Mạch dải siêu cao tần 36

2.3.1 Giới thiệu 36

2.3.2 Tham số S 42

2.3.3 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng 45

2.3.4 Khuếch đại 47

Chương 3 - MÃ NHẬN BIẾT CHỦ QUYỀN QUỐC GIA ICAO 50

3.1 Hệ thống thông tin, dẫn đường, giám sát và quản lý không vận 50

3.1.1 Giới thiệu 50

3.1.2 Hệ thống mạng viễn thông hàng không 52

3.1.3 Hệ thống dịch vụ không vận 53

3.2 Hệ thống radar giám sát không vận 68

3.2.1 Tổng quan về hệ thống radar 68

3.2.2 Hệ thống radar giám sát sơ cấp (Primary Surveillance Radar – PSR) 68

3.2.3 Hệ thống radar giám sát thứ cấp (Secondary Surveillance Radar – SSR) 69

3.2.3 Hệ thống giám sát phụ thuộc tự động (ADS-B) 76

Chương 4 – CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 79

4.1 Chế tạo bộ tổ hợp tần số băng L 79

4.2.1 Chế tạo VCO 79

4.2.2 Chế tạo bộ tổ hợp tần số 81

4.2 Chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần 88

4.3 Chế tạo bộ phát mã ICAO 96

4.3.1 Phát mã ICAO sử dụng DSP56307EVM 96

4.3.2 Phát mã ICAO sử dụng vi điểu khiển PSOC 98

KẾT LUẬN 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 PHỤ LỤC

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha 10

Hình 1.2 Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL 12

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp 12

Hình 1.4 Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha 13

Hình 1.5 Cấu trúc của 1 bộ so pha số 14

Hình 1.6 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập 15

Hình 1.7 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng nhau 15

Hình 1.8 IC ADF411x 16

Hình 1.9 Sơ đồ chức năng của họ IC ADF 411x 17

Hình 1.10 Các thông số về khoảng cách của 2 loại IC 20 chân gầm và 16 chân rết 18

Hình 1.11 Tầng lối vào chuẩn 19

Hình 1.12 Tầng lối vào RF 20

Hình 1.13 Bộ chia A và B 20

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý đã được đơn giản hoá và giản đồ xung của bộ tách sóng pha/tần số 21

Hình 1.15 Giản đồ thời gian của việc chốt dữ liệu 22

Hình 1.16 Mạch MUXOUT 22

Hình 2.1 Phổ tần số của sóng điện từ 23

Hình 2.2 Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương 24

Hình 2.3.Họ vòng tròn đẳng điện trở 29

Hình 2.4 Họ vòng tròn đẳng điện kháng 30

Hình 2.5 Vòng tròn đẳng điện kháng phía trên trục hoành 30

Hình 2.6 Vòng tròn đẳng điện kháng phía dưới trục hoành 31

Hình 2.7 Vòng tròn đẳng điện trở và điện kháng trên cùng một đồ thị 31

Hình 2.8 Họ vòng tròn đẳng | | 32

Hình 2.9 Giản đồ Smith chuẩn 34

Hình 2.10 Biểu diễn điểm bụng và điểm nút của sóng đứng trên giản đồ Smith 36

Hình 2.11 Các loại mạch vi dải 37

Hình 2.12: Các dạng đường truyền sóng 38

Hình 2.13 Sơ đồ mạch tương đương 39

Hình 2.14 Đường truyền vi dải 42

Hình 2.15 Sơ đồ đo 43

Hình 2.16 Sơ đồ xác định S ij 44

Hình 2.17 Sơ đồ xác định S ii 44

Hình 3.1 Mô hình hệ thống CNS/ATM 51

Hình 3.2 Mạng ATN 52

Hình 3.3 Cấu trúc trường của gói thông tin ATS 55

Hình 3.4 Gói thông tin lỗi truyền thông 66

Hình 3.5 Gói thông tin kế hoạch bay 67

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống giám sát thứ cấp 70

Hình 3.7 Anten có độ mở lớn (LVA) 70

Hình 3.8 Tín hiệu SSR 71

Hình 3.9 Định dạng tín hiệu trả lời trong chế độ A/C 72

Hình 3.10 Định dạng tín hiệu thăm dò chế độ 3/A, C, S 75

Hình 3.11 Tín hiệu thăm dò chế độ S 75

Hình 3.12 Định dạng trả lời chế độ S 76

Hình 3.13 Hệ thống định vị GPS 77

Hình 4.1 Sự phụ thuộc của VCO 500-1100 MHz vào điện áp 80

Hình 4.2 VCO dải tần 500MHz-1.1GHz 80

Hình 4.3 Sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số băng L 81

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý bộ tổ hợp tần số băng L 82

Hình 4.5 Sơ đồ chức năng hệ thống AFC 83

Hình 4.6 Bộ tổ hợp tần số dải tần 1020MHz-1100MHz 83

Hình 4.7 Kết quả trên máy phân tích phổ - tần số 1020MHz 84

Hình 4.8 Kết quả trên máy phân tích phổ - tần số 1030MHz 84

Hình 4.9 Kết quả trên máy phân tích phổ - tần số 1040MHz 85

Hình 4.10 Kết quả trên máy phân tích phổ - tần số 1050MHz 85

Hình 4.11 Kết quả trên máy phân tích phổ - tần số 1060MHz 86

Hình 4.12 Kết quả trên máy phân tích phổ - tần số 1070MHz 86

Hình 4.13 Kết quả trên máy phân tích phổ - tần số 1080MHz 87

Hình 4.14 Kết quả trên máy phân tích phổ - tần số 1090MHz 87

Hình 4.15 Kết quả trên máy phân tích phổ - tần số 1100MHz 88

Hình 4.16 Sơ đồ khối bộ khuếch đại siêu cao tần công suất 45W 89

Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý nhánh 1 của bộ khuếch đại công suất 45W 89

Hình 4.18 Kết quả mô phỏng tham số S11, S21 của nhánh 1 90

Hình 4.19 Kết quả mô phỏng tỉ số sóng đứng vswr(s11) của nhánh 1 90

Hình 4.20 Kết quả mô phỏng tham số S22 của nhánh 1 91

Hình 4.21 Kết quả mô phỏng tỉ số sóng đứng vswr(s22) của nhánh 1 91

Hình 4.22 Sơ đồ nguyên lý nhánh 2 92

Hình 4.23 Kết quả mô phỏng tham số S22, S21 của nhánh 2 93

Hình 4.24 Kết quả mô phỏng tỉ số sóng đứng vswr(s22) của nhánh 2 93

Hình 4.25 Kết quả mô phỏng tham số S11 của nhánh 2 94

Hình 4.26 Kết quả mô phỏng tỉ số sóng đứng vswr(s11) của nhánh 2 94

Hình 4.27 Hình ảnh thực tế của bộ khuếch đại công suất 45W 95

Hình 4.28 Kết quả đo tham số Strên máy phân tích mạng 95

Hình 4.29 DSP56307EVM 96

Hình 4.30 Giao diện phần mềm Debug-56k 97

Hình 4.31 Một đoạn mã ICAO chế độ S được tạo bởi kít DSP56307EVM 98

Hình 4.32 Các mô trong trên vi điều khiển PSOC 98

Hình 4.33 Sơ đồ khối của vi điều khiển PSOC 99

Hình 4.34 Bộ phát mã ICAO sử dụng vi điều khiển PSOC CY8C27443 99

Hình 4.35 Kết nối các mô đun trong vi điều khiển PSOC CY8C27443 100

Hình 4.36 Bảng các thông số cấu hình cho vi điều khiển PSOC CY8C27443 100

Hình 4.37 Nạp chương trình cho vi điều khiển PSOC bằng phần mềm CYP qua cổng LPT 101

Hình 4.38 Một đoạn mã ICAO chế độ S được tạo bởi vi điều khiển PSOC CY8C27443 101

MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bít điều khiển lựa chọn chốt dữ liệu 21

Bảng 3.1 Các dịch vụ cảnh báo và thông tin chuyến bay chuẩn 54

Bảng 3.2 Các trường chuẩn trong gói thông tin dịch vụ cảnh báo không vận 55

Bảng 3.3 Chức năng các chế độ sử dụng trong tín hiệu thăm dò chế độ A/C 71

Bảng 3.4 Vị trí các xung trong tín hiệu trả lời chế độ A/C 72

Bảng 3.5 Thứ tự các nhóm xung 73

Bảng 4.1 Sự phụ thuộc tần số vào điện áp của VCO 79

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

ADS-B Automatic Dependent Surveillance

Broadcast

Hệ thống giám sát phụ thuộc tự động-Quảng bá

ATC Air Traffic Controller Hệ thống điều khiển không vận

ATN Aeronautical Telecommunication

Network

Mạng truyền thông hàng không

CNS Communication, Navigation,

Surveillance

Thông tin, dẫn đường, giám sát

DAC Digital to Analog Converter Bộ biến đổi số sang tương tự DDS Direct Digital Synthesis Tổng hợp số trực tiếp

DPSK Differential Phase Shift Keying Khóa dịch pha vi sai

ICAO International Civil Aviation

Organization IFF Identification Friend or Foe Nhận biết địch-ta

PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

PSR Primary Surveillance Radar Hệ thống giám sát sơ cấp SLM Standard Length Message Bản tin có độ dài chuẩn

SSR Secondary Surveillance Radar Hệ thống giám sát thứ cấp VCO Voltage Controlled Ossillator Bộ dao động điều khiển bằng

điện áp

MỞ ĐẦU

Hệ thống hỏi đáp và dẫn đường cho các phương tiện đường không, đường thuỷ

và trên mặt đất ngày càng đóng vai trò quan trọng trong điều kiện toàn cầu hoá, khi hoạt động giao thương giữa các nước trở nên nhộn nhịp, sôi động Hệ thống này được phát triển dựa trên cơ sở hệ thống nhận biết địch-ta (IFF–Identification Friend or Foe) ban đầu dùng trong quân sự và trước tiên cho hàng không dân dụng-lĩnh vực đòi hỏi sự giám sát, quản lý và điều phái chặt chẽ nhằm đảm bảo an toàn, hiệu quả cho các chuyến bay

Trong hệ thống này, để trao đổi thông tin giữa các trạm radar đặt dưới mặt đất với máy bay cũng như trao đổi thông tin giữa các máy bay hiện nay các nước trên thế giới đều hướng tới thiết lập riêng cho mình bộ mã nhận biết riêng theo quy định của ICAO Ở Việt Nam, việc thiết kế, chế tạo bộ mã riêng thống nhất chung cho cả nước

và tuân theo chuẩn quốc tế được đặt ra với yêu cầu rất cấp bách, nhằm đảm bảo an ninh Quốc gia cũng như tạo mã bí mật cho các phương tiện quân sự của ta

Mã hỏi đáp theo định dạng của ICAO sẽ được biến đổi thành mã nhị phân và được điều chế tại tần trung tần theo phương pháp điều chế D8PSK do ICAO kiến nghị Sau đó tín hiệu này được cộng với một tần số sóng mang của bộ tổ hợp tần số để đưa tần số tín hiệu mã ICAO lên băng L Vì thế để điều chế mã nhận biết chủ quyền Quốc Gia, yêu cầu đặt ra là phải thiết kế một dao động sóng mang băng L có độ ổn định ngang cấp thạch anh, công suất tín hiệu ra lớn Hơn nữa, dao động sóng mang này còn phải có cơ chế nhảy tần linh hoạt, mềm dẻo để có khả năng chống nhiễu tích cực

Đề tài luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo dao động sóng mang băng tần L điều chế mã nhận biết chủ quyền Quốc Gia dùng cho thiết bị hàng không và hàng hải” thuộc chuyên đề 1-3 của đề tài trọng điểm cấp nhà nước (mã số: KC.01.12/06-10) Cơ quan chủ trì là trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, TS Bạch Gia Dương là chủ nhiệm đề tài

Chương 1 - MẠCH VÒNG BÁM PHA VÀ BỘ TỔ HỢP

TẦN SỐ

1.1 Mạch vòng bám pha [1],[6]

1.1.1 Giới thiệu chung

Bộ tạo dao động siêu cao tần chiếm một vai trò rất căn bản trong các hệ thống thông tin vì có khả năng tạo ra các sóng tham chiếu sử dụng trong việc điều chế và giải điều chế…Trong các hệ thống như vậy, tính chính xác và ổn định của các bộ tạo dao động luôn phải được quan tâm nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống

Cho đến nay đã có nhiều phương pháp để tăng tính ổn định của bộ tạo dao động, trong đó đáng chú ý là kỹ thuật vòng bám pha PLL (Phase Locked Loop) và kỹ thuật tổng hợp số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesis) Mỗi kỹ thuật đều có những điểm mạnh và yếu riêng Kỹ thuật DDS là một hệ thống hở, sử dụng máy tính số và các bộ DAC (Digital to Analog Converter) để tạo ra các tín hiệu mong muốn Đây là

kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp Kỹ thuật này có ưu điểm nổi bật là thời gian thiết lập tần số rất nhanh, độ phân giải tần số rất nhỏ Tuy nhiên, nhược điểm là tiêu thụ nhiều năng lượng và chỉ thích hợp với dải tần cỡ vài trăm MHz Trong khi đó, kỹ thuật PLL lại sử dụng hệ thống hồi tiếp kín, trong đó độ ổn định của hồi tiếp là quan trọng nhất Đây là kỹ thuật tổng hợp tần số gián tiếp Kỹ thuật này yếu hơn DDS ở thời gian thiết lập tần số Tuy nhiên, kỹ thuật này lại có ưu điểm là tiêu thụ rất ít năng lượng và rất thích hợp với dải tần siêu cao là dải tần số từ 300MHz đến 3GHz

1.1.2 Tổng quan về vòng bám pha (PLL)

Hệ thống tự động điều chỉnh tần số theo pha hay còn gọi là vòng bám pha PLL được sử dụng rộng rãi trong việc sử lý tín hiệu tương tự và các hệ thống số Một số ứng dụng quan trọng của vòng bám pha là điều chế và giải điều chế FM, giải điều chế FSK (FSK demodulation), giải mã âm thanh, nhân tần, đồng bộ hoá xung đồng bộ, tổ hợp tần số, máy phát điều tần…

Vòng bám pha được mô tả lần đầu tiên vào những năm 1930 khi được ứng dụng trong việc đồng bộ quét dọc và quét ngang trong vô tuyến truyền hình Cùng với sự phát triển của các vi mạch tích hợp, vòng bám pha được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau Vào khoảng năm 1965, người ta đã tạo ra những vi mạch tích hợp PLL đầu tiên, chỉ sử dụng các thiết bị tương tự Những tiến bộ ngày nay trong sản xuất

vi mạch tích hợp đã gia tăng việc sử dung các thiết bị PLL vì giá thành ngày càng rẻ

và có độ tin cậy cao Hiện nay PLL đã có thể được tích hợp toàn bộ trên một đơn chip Mạch vòng bám pha PLL cơ bản được trình bày trong sơ đồ chức năng hình 1.1, bao gồm những phần chính là bộ so sánh pha, bộ lọc thông thấp, máy phát tần số

được điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Controlled Ossillator) Ba khối này hợp thành một hệ thống phản hồi về tần số khép kín

Hình 1.1 Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha

Khi không có tín hiệu vào PLL, sự chênh lệch điện áp Ve(t) ở lối ra của bộ so sánh pha bằng không Điện áp Vd(t) ở lối ra của bộ lọc tần thấp cũng bằng không Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO hoạt động ở tần số định f0 gọi là tần số dao động trung tâm Khi có tín hiệu đưa vào hệ thống PLL, bộ so pha sẽ so pha và tần số của tín hiệu lối vào với pha và tần số của VCO và tạo ra một điện áp sai số Ve(t) tỉ lệ với sự lệch pha và chênh lệch tần số của tín hiệu lối vào và VCO, tức là phản ánh sự khác nhau về pha và tần số của 2 tín hiệu Điện áp sai số này được lọc rồi đưa vào lối vào điều khiển của VCO Điện thế điều khiển Vd(t) thúc đẩy tần số của VCO thay đổi theo hướng giảm bớt sự khác nhau về tần số giữa tín hiệu f0 và tín hiệu lối vào Khi tần

số lối vào fs tiến dần đến tần số f0, do tính chất hồi tiếp của PLL sẽ thúc đẩy VCO đồng bộ hoặc bắt chập với tín hiệu lối vào Sau khi chập, tần số VCO sẽ bằng tần số của tín hiệu lối vào, tuy nhiên vẫn có độ chênh lệch về pha nào đó Sự chênh lệch về pha này là cần thiết để tạo ra điện áp sai Ve(t) để chuyển tần số dao động tự do của VCO thành tần số của tín hiệu vào fs, như vậy sẽ giữ cho PLL ở trạng thái giữ chập tần

số Kết quả là tần số của dao động VCO có độ ổn định tần số ngang cấp với độ ổn định tần số của tín hiệu so sánh pha với tần số VCO Như vậy nếu sử dụng fs là dao động chuẩn thạch anh có độ ổn định tần số cao thì kết quả mạch vòng bám pha sẽ cho độ ổn định tần số của VCO ngang cấp thạch anh Không phải tín hiệu nào VCO cũng bắt chập được Dải tần số trên đó hệ duy trì tình trạng chập với tín hiệu lối vào được gọi là dải giữ chập hay giải bám (lock range) của hệ thống PLL Dải tần số trên đó hệ thống

PLL có thể bẳt chập một tín hiệu vào gọi là dải bắt chập (capture range) Dải bắt chập

bao giờ cũng nhỏ hơn giải giữ chập

Ta có thể dùng một cách khác để miêu tả hoạt động của PLL là bộ so sánh pha thực chất là mạch nhân và trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO Sự trộn này tạo tần số tổng và tần số hiệu fs ± f0 Khi mạch ở trạng thái chập thì hiệu tần số fs – f0 = 0, do đó tạo ra thành phần một chiều Bộ lọc tần số thấp loại bỏ thành phần tần số tổng fs + f0, nhưng tiếp nhận thành phần điện áp một chiều, tức là chỉ cho thành phần một chiều đi qua Thành phần một chiều này điều khiển VCO hoạt động ở trạng thái giữ chập với tín hiệu vào Một điểm đáng chú ý là giải chập độc lập với dải tần số của bộ lọc tần số thấp vì khi mạch ở trạng thái giữ chập thành phần hiệu tần số bao giờ cũng là dòng một chiều

1.1.2.1 Bắt chập và giữ chập

Khi mạch chưa ở trạng thái bắt chập, bộ so pha trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO để tạo ra thành phần tổng và hiệu hai tần số Nếu thành phần hiệu nằm bên ngoài biên dải tần số của bộ lọc tần thấp thì thành phần này sẽ bị loại bỏ cùng thành phần tổng tần số Do đó trong mạch sẽ không có thông tin nào được truyền qua mạch lọc và VCO tiếp tục hoạt động ở tần số trung tâm ban đầu Khi tần số tín hiệu vào tiến dần đến tần số phát của VCO thì thành phần hiệu giảm xuống và tiến dần đến biên dải tần

số của bộ lọc tần thấp Lúc đó, một phần của thành phần tín hiệu đi qua được bộ lọc tần thấp và thúc đẩy VCO chuyển đến tần số của tín hiệu vào theo hướng sao cho thành phần hiệu tần số giảm và cho phép nhiều thông tin nữa đi qua bộ lọc tần thấp đến VCO Đây là cơ chế hồi tiếp dương thúc đẩy VCO chập với tín hiệu vào

1.1.2.2 Đặc trưng chuyển tần số sang điện áp

Hình 1.2 cho thấy đặc trưng chuyển tần số sang điện áp điển hình của PLL Khi đưa tín hiệu vào PLL, tần số sẽ được quét từ từ trên một dải rộng Trục thẳng đứng là điện thế tương ứng Vd của mạch Trên hình 1.2a là trường hợp tần số tín hiệu tăng dần, mạch không phản ứng gì với tín hiệu cho đến khi tần số tín hiệu đạt tới tần số ω1 tương ứng với biên dưới của vùng bắt chập Lúc đó hệ bắt chập với tín hiệu vào và tạo ra bước nhảy của điện thế Vd với dấu âm Sau đó, VCO thay đổi tần số với hệ số góc bằng nghịch đảo của hệ số khuếch đại lối vào VCO (1/K0) và đi qua giá trị V0 khi ω-

1=ω0 mạch bám sát tín hiệu vào cho đến khi tần số tín hiệu vào đạt đến ω2 tương ứng với biên trên của khoảng giữ chập Khi đó hệ mất bám, điện thế Vd tụt xuống V0 và tạo

ra tần số dao động tự do của VCO (hình 1.2a)

Nếu ta lại cho tần số tín hiệu vào quét theo chiều hướng giảm dần thì quá trình lặp lại nhưng đảo ngược so với trước (hình 1.2b) mạch bắt chập lại với tín hiệu ở ω3tương ứng với biên trên của dải bắt chập và bám sát theo tín hiệu vào cho đến khi tần

số của tín hiệu vào bằng ω4 tương ứng với biên độ của dải giữ chập

Như vậy là dải bắt chập của hệ là (ω1,ω3) và dải giữ chập là của hệ (ω2,ω4)

Do đặc trưng chuyển tần số - điện áp như trên nên PLL có tính chọn lọc với tần

số trung tâm VCO và chỉ có phản ứng đối với những tần số tín hiệu vào sai lệch so với

ω0 là ωC hoặc ωL (ωC=(ω3-ω1)/2 và ωL=(ω2-ω4)/2), tuỳ theo mạch bắt đầu có hay không

có điều kiện giữ pha ban đầu

Sự tuyến tính của đặc trưng chuyển đổi tần số sang điện áp của PLL chi do hệ

số chuyển đổi của VCO quyết định, do đó ta thường đòi hỏi VCO có đặc tính chuyển điện áp sang tần số ở mức độ tuyến tính cao

Hình 1.2 Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp

Hình 1.3 biểu diễn đường đặc trưng sự phụ thuộc tần số phát của VCO vào điện

áp điều khiển Vd ở đây fmax và fmin là tần số của máy phát VCO tương ứng với tần số góc ω2 và ω4 Khi đó dải giữ chập của hệ là: ΔfL = fmax - fmin

Nếu gọi fS là tần số của tín hiệu lối vào thì dải bắt chập của hệ PLL là:

ΔfC = fSmax - fSmin trong đó fSmax và fSmin là tần số của tín hiệu tương ứng với tần số góc ω3 và ω1

1.2 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha [7],[12]

Bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha được sử dụng dựa trên nguyên tắc trên đã được sử dụng rất rộng rãi bởi vì có thể tạo ra tần số bất kỳ có độ ổn định cao ngang với thạch anh và có thể thay đổi tần số rất mềm dẻo được điều khiển một cách

dễ dàng bằng các bộ vi xử lý

Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số được trình bày trên hình 1.4

Hình 1.4 Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha

Tần số lối ra của bộ chia N - đếm/định thời lập trình hoá – bám pha với tần số chuẩn được lấy từ lối ra của một dao động thạch anh Hệ số chia N có thể thay đổi được nhờ mã điều khiển tần số (fequency control code) Bộ so sánh pha sẽ so sánh pha giữa tần số lối ra của VCO qua bộ chia N với tần số chuẩn tạo ra từ dao động thanh anh fref qua bộ chia R, điện áp sai số ở lối ra tách sóng pha, qua bộ lọc tần thấp (LPF – low pass filter) chuyển thành điện áp một chiều biến đổi chậm Vd được đưa vào điều khiển VCO làm cho tần số lối ra của bộ chia N bám pha với tần số chuẩn Như vậy ta

sẽ có tần số lối ra của VCO là: fVCO=N/R.fref

Do đó chỉ cần thay đổi hệ số chia N, R thì ta sẽ tạo được các tần số khác nhau ở lối ra của VCO

Sau đây là những thành phần cơ bản của một bộ tổ hợp tần số kiểu PLL Do

bộ tổ hợp tần số kiểu PLL dựa trên nguyên lý PLL là cơ bản, nên những thành phần vòng bám pha PLL cũng được giới thiệu

Bộ dao động chuẩn

Bộ lọc thông thấp

Khuếch đại một chiều

fref

fVCO

Có thể nói, trái tim của một hệ thống PLL chính là bộ so pha Đây là nơi tín hiệu mang tần số tham chiếu được so sánh với tín hiệu phản hồi từ lối ra của VCO, và tín hiệu sai khác tìm được sẽ được sử dụng để đưa vào bộ lọc thông thấp và VCO Trong các hệ thống PLL số (DPLL – Digital PLL), bộ so pha là một phần tử logic Có thể phân loại bộ so pha theo thành phần cấu tạo như sau:

Mạch XOR

Trigơ J-K

Bộ so pha số

Với bộ so pha số, lối ra không những thể hiện sai khác về pha mà còn thể hiện

cả sai khác về tần số giữa 2 tín hiệu lối vào Nguyên lý hoạt động của bộ so pha số

được minh hoạ trong hình 1.5 Thành phần cơ bản là 2 Trigơ D Giả sử lối vào +IN là

lối vào tần số chuẩn và -IN là lối vào phản hồi từ VCO Ta có giản đồ xung lối vào, lối

ra như hình 1.6 Căn cứ vào giản đồ xung ta thấy:

- Nếu tần số lối vào +IN cao hơn nhiều so với tần số lối vào -IN thì tín hiệu lối ra hầu như luôn ở mức cao Sườn xung lên đầu tiên ở +IN làm lối ra chuyển lên mức cao và được giữ ở mức này cho tới khi có sườn xung lên đầu tiên ở -IN

- Nếu tần số lối vào +IN thấp hơn nhiều so với tần số lơi vào -IN thì ta sẽ có điều ngược lại

Hình 1.5 Cấu trúc của 1 bộ so pha số

Trong đó: Delay: Bộ trễ

U1, U2: Các trigơ D U3: bộ AND

U4: Bộ đảo Khi hệ thống PLL đang ở trạng thái giữ chập về tần số nhưng vẫn có một chút

sai khác về pha thì ta có giản đồ xung như hình 1.7

Hình 1.6 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập

Hình 1.7 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng nhau

Khi 2 lối vào +IN và -IN có pha gần như nhau thì tần số lối ra và +IN sớm pha hơn -IN thì ở lối ra ta sẽ nhận được một chuỗi các xung dương Các xung này sẽ điều khiển VCO khiến cho 2 tín hiệu +IN và -IN đạt đến trạng thái đồng pha với nhau

1.2.2 Các bộ chia tần

Trong một bộ tổng hợp tần số hợp tần số kiểu số nguyên (Integer N), độ phân giải tần số của lối ra được xác định bằng tần số tham chiếu đưa vào bộ so pha Chẳng hạn, nếu ta cần độ rộng giải là 200KHz (như trong hệ thống GSM) thì khi đó tần số tham chiếu đưa vào bộ so pha phải là 200KHz Tuy nhiên, để có được một nguồn phát tần số chuẩn 200 KHz là không hề đơn giản Ta có thể khắc phục điều này bằng một phương pháp đơn giản là sử dụng một bộ tạo dao động chất lượng tốt (thường là kiểu tinh thể) hoạt động với tần số cao rồi chia nhỏ tần số của bộ tạo dao động đó Trong ví

dụ như vừa nêu ở trên, ta có thể có được tần số chuẩn 200KHz bằng cách chia tần số 10MHz (của bộ tạo dao động thạch anh) cho 50 Trong sơ đồ khối của bộ tổ hợp tần

số (hình 1.4), đây là bộ chia N Trong sơ đồ hình 1.4 cũng cho ta thấy trong hệ thống không chỉ có bộ chia N mà còn có bộ chia M Bộ chia M là một phần tử có thể lập trình được để thiết lập mối quan hệ giữa tần số lối vào và tần số lối ra trong hệ thống PLL Bộ chia N có cấu trúc ngày càng phức tạp là do xuất phát từ nhu cầu phải chia các tần số rất cao phản hồi từ các VCO

1.2.3 Bộ lọc tần số thấp

Sự khác nhau về tần số giữa VCO và tín hiệu lối vào qua bộ tách sóng pha và

bộ lọc tần số thấp tạo thành điện áp sai Ve(t) Điện áp này đóng vai trò điện áp điều khiển Vd(t) cho tần số phát VCO

Nếu tần số tín hiệu lối vào fS và tần số phát của VCO f0 bằng nhau một cách chính xác thì tín hiệu lối ra của bộ lọc tần số thấp sẽ là một dòng không đổi (một chiều) mà biên độ phụ thuộc vào hiệu pha của hai tín hiệu fS và f0

1.2.4 Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO)

Từ nguyên lý của vòng bám pha có thể thấy rằng sự khác nhau về tần số giữa máy phát VCO và tín hiệu lối vào của mạch tách sóng pha tạo thành một hiệu điện áp Điện áp này qua mạch lọc tần số thấp tạo thành điện áp điều khiển tác động vào máy phát VCO và thực hiện điều chỉnh dịch tần số của máy phát sao cho trùng khớp với tần

số của tín hiệu vào Với lập luận trên thì điện áp này đóng vai trò điện áp điều khiển tác động vào máy phát VCO làm thay đổi tần số phát f0 Một yêu cầu rất quan trọng đặt ra đối với VCO là sự phụ thuộc của tần số vào điện áp điều khiển phải rất tuyến tính

1.3 Giới thiệu về họ IC ADF411x [16]

Để tổ hợp tần số ở băng L một bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha PLL dựa trên vi mạch ADF411x của hãng Analog Devices đã được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công

1.3.1 Họ IC ADF411x

Trung tâm của bộ tổ hợp tần số là một vi mạch ADF4113 thuộc họ ADF411x

Vi mạch này có chức năng tạo ra dao động sóng mang của các thiết bị thu và phát vô tuyến Thành phần gồm có một bộ tách pha/tần số PFD (phase frequency detector) được số hoá với độ ồn thấp, một bộ tạo dòng chính xác, một bộ chia chuẩn khả trình R(14 bít), hai bộ chia khả trình A(6 bít) và B(13 bít), một bộ chia trước mô-đun kép (P/P+1) Các thiết bị hoạt động với nguồn cung cấp 2.7V-5.5V và có thể ở trạng thái tiêu tốn ít năng lượng khi không sử dụng Để tạo thành một vòng bám pha PLL hoàn chỉnh chỉ cần thiết kế thêm VCO bên ngoài Điều khiển tất cả các thanh ghi là một giao diện ba đường đơn giản Sơ đồ chức năng của họ IC ADF 411x được mô tả trong

sơ đồ hình 1.9

Hình 1.8 IC ADF411x

Hình 1.9 Sơ đồ chức năng của họ IC ADF 411x

Họ IC ADF 411x có nhiều kiểu dáng và hình dạng khác nhau Có thể là loại 2 hàng chân, hoặc cũng có thể là loại 4 hàng chân Cũng có thể là loại chân rết (hay còn gọi là chân chìa), hoặc cũng có thể là chân gầm Hình 1.8 cho ta thấy 2 loại cơ bản và

sự phân bố chức năng các chân trên IC Các thông số kĩ thuật về cự ly của 2 loại IC trên được chỉ rõ trong sơ đồ hình 1.10 Trong đó, hình 1.10a là IC 20 chân chia thành 4 hàng chân gầm, hình 1.10b là IC 16 chân chia làm 2 hàng chân rết

Hình 1.10 Các thông số về khoảng cách của 2 loại IC 20 chân gầm và 16 chân rết

1.3.2 Mô tả chức năng các chân

1 R SET : Kết nối 1 điện trở giữa chân này với CPGND thiết lập dòng ra bơm nạp lớn nhất Trên danh nghĩa điện áp thế năng chân RSET là 0.56v Mối quan hệ của ICP và

RSET là: ICPmax= 23,5/Rset Vì vậy, do RSET =4.7KΏ , ICPmax = 5 mA

2 CP : Charge Pump Output Khi cho phép chân này cung cấp ± ICP tới bộ lọc vòng,

bộ lọc sẽ điều khiển VCO ngoại vi

3 CPGND : Charge Pump Ground Nối đất cho bơm nạp

4 AGND : Analog Ground Nối đất cho bộ chọn trước thang tỷ lệ

5 RF IN B : Complementary Input to the RF Prescaler Lối vào bổ sung RF của bộ

chọn trước thang tỷ lệ Điểm này có tách riêng ra để nối đất với một tụ vòng có giá trị nhỏ 100 pF

6 RF IN A : Input to the RF Prescaler Lối vào RF bộ chọ trước thang tỷ lệ Tín hiệu

đầu vào nhỏ này được liên kết từ VCO

7 AV DD : Analog Power Supply Nguồn nuôi tương tự Ở dải từ 2.7V†5.5V Những tụ tách tín hiệu tương tự nối đất coi như chân này đóng AVDD phải có giá trị giống như

DVDD

8 REF IN : Reference Input Lối vào chuẩn Đây là một CMOS lối vào, có một ngưỡng cửa Vdd / 2 và một trở kháng đầu vào cân bằng 100kΏ lối vào Lối vào này có thể được điều khiển bởi một TTL hoặc máy phát dao động tinh thể CMOS hoặc có thể liên kết

9 DGND : Digital Ground Chân đất số

10 CE : Chip Enable Một mức logic thấp từ chân này ngắt điện thiết cho bị và đặt lối

ra bơm nạp vào chế độ trạng thái thứ ba Chân có mức logic cao sẽ cung cấp điện cho thiết bị phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của bít F2 khi tắt điện

11 CLK : Serial Clock Input Lối vào xung đồng bộ nối tiếp Xung đồng bộ nối tiếp

này được sử dụng để đồng bộ hoá dữ liệu nối tiếp vào thanh ghi Dữ liệu được khoá trong 24 bít của thanh ghi dịch trên khoảng cách CLK Đầu vào này là một lối vào CMOS trở kháng cao

12 DATA: Serial Data Input Lối vào dữ liệu nối tiếp Dữ liệu nối tiếp được tải MSB

đầu tiên với 2 LSB có các bít điều khiển, nối vào này là một đầu vào CMOS trở kháng cao

13 LE : Load Enable, CMOS Input Khi LE ở mức cao, dữ liệu được lưu ở thanh ghi

dịch được tải vào một trong bốn khoá Khoá được chọn sẽ được sử dụng làm bít điều khiển

14 MUXOUT: Bộ ghép bội lối ra này sẽ cho phép tách xung đồng bộ (Lock Detect),

scaled RF, hoặc scaled Reference Frequency truy cập với thiết bị ngoại vi

15 DV DD : Digital Power Supply Nguồn nuôi số Dải điện áp từ 2.7V đến 5.5V Những tụ tách tín hiệu số nối đất coi như chân này đóng DV DD phải có giá trị giống như AVDD

16 V P :Charge Pump Power Supply Nguồn bơm nạp này có thể lớn hơn hoặc bằng

VDD Trong hệ thống VDD = 3V, Vp có thể là 6V và được dùng để điều khiển một VCO với một dải chọn lên đến 6V

1.3.3 Mô tả chức năng mạch điện

1.3.3.1 Tầng lối vào chuẩn

Trên hình 1.11 là tầng lối vào chuẩn của IC ADF411x Ở trạng thái bình thường thì khoá 1 và khoá 2 ở trạng thái đóng, khoá 3 ở trạng thái mở Khi thiết lập chế độ tiêu thụ ít năng lượng, khoá 1 và khoá 2 ở trạng thái mở, khoá 3 ở trạng thái đóng đảm bảo không có tần số mới được nạp

Hình 1.11 Tầng lối vào chuẩn

1.3.3.2 Tầng lối vào RF

Tầng lối vào RF như được chỉ ra trên hình 1.12 gồm 2 tầng khuếch đại giới hạn

để phát dòng chế độ logic (CML) ở mức xung đồng bộ cần thiết cho bộ chia trước

fVCO: Tần số ở lối ra của bộ dao động được điều khiển bằng điện áp

P: Hệ số chia của bộ chia trước

B: Hệ số chia của bộ chia B 13 bít (3†8191)

A: Hệ số chia của bộ chia A 6 bít (0†63)

Bộ tách sóng pha/tần số lấy 2 tín hiệu vào là tần số ở lối ra của bộ chia R và lối

ra của bộ chia N (N=BP+A), thực hiện so sánh pha và tần số của hai tín hiệu đó để tạo

ra tín hiệu tỉ lệ với kết quả so sánh Sơ đồ nguyên lý đã được đơn giản hoá của bộ tách

sóng pha/tần số như được chỉ ra trên hình 1.14 Bên trong bộ tách sóng pha/tần số có một phần tử trễ khả trình dùng để điều khiển độ rộng của xung Xung này đảm bảo rằng không có miền chết trong hàm truyền PFD và giảm thiểu nhiễu pha

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý đã được đơn giản hoá và giản đồ xung của

bộ tách sóng pha/tần số

1.3.3.7 Thanh ghi dịch 24 bít

Các IC họ ADF411x cung cấp một thanh ghi dịch 24 bít sử dụng cho việc đặt chế độ làm việc, đặt hệ số chia của các bộ chia Các bít dữ liệu được dịch nối tiếp vào thanh ghi tại mỗi sườn lên của xung clock (CLK) với bít có trọng số lớn nhất được dịch trước tiên Dữ liệu từ thanh ghi dịch sẽ được truyền vào một trong bốn bộ chốt tại sườn lên của xung LE Hai bít có trọng số nhỏ nhất (C2, C1) là các bít điều khiển trọn

Hình 1.15 Giản đồ thời gian của việc chốt dữ liệu

1.3.3.8 Bộ ghép kênh lối ra và bộ tách xung đồng bộ

Bộ ghép kênh lối ra của họ ADF4110 cho phép sử dụng truy cập nhiều điểm trên vi mạch Trạng thái của MUXOUT được điều khiển bởi M3, M2 và M1 trong chức năng khoá Hình 1.16 biểu diễn tầng MUXOUT dưới dạng sơ đồ khối

Hình 1.16 Mạch MUXOUT

MUXOUT có thể lập trình theo hai kiểu tách xung đồng bộ: tách xung đồng bộ

số và tách xung đồng bộ tương tự Loại tách xung đồng bộ số thì có tính năng động cao Khi LDP trong khoá bộ đếm R được đặt bằng 0, bộ tách xung đồng bộ số được đặt ở mức cao khi lỗi pha trên ba chu kì tách pha (Phase Detect) liên tục là nhỏ hơn 15

ns Với LDP được thiết lập bằng 1, năm chu kì liên tục nhỏ hơn 15 ns được yêu cầu tách xung đồng bộ và sẽ vẫn ở mức cao cho tới khi lỗi pha lớn hơn 25 ns được tách trên bất kì chu kì PD kế tiếp Kênh N bộ tách xung đồng bộ tương tự được mở hết cỡ,

có thể được điều khiển bởi một điện trở kéo lên tới 10 kΩ Khi xung đồng bộ được tách lối ra này sẽ ở mức cao trong một dải xung hẹp

Chương 2 - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SIÊU

CAO TẦN 2.1 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 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 tuỳ 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 )

Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và những thành tựu đạt được trong việc chinh phục các băng tần cao của phổ tần số vô tuyến, khái niệm về phạm vi dải tần của

"viba" cũng có thể còn thay đổi

Hình 2.1 minh hoạ phổ tần số của sóng điện từ & phạm vi dải tần của kỹ thuật viba

Hình 2.1 Phổ tần số của sóng điện từ

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 GHz ÷ 30 GHz

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

2.2 Lý thuyết đường truyền và giản đồ Smith [2],[4],[5] giản đồ

sóng mét (VHF)

sóng ngắn

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 Luợng năng lượng bị phản xạ được xác định bởi hệ số phản xạ , có quan hệ với trở kháng

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

Hình 2.2 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 ta khảo sát một đường truyền gồm một cặp dây dẫn song song như trên hình 2.2 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 2.2 Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian

Phương trình sóng và nghiệm

Viết phương trình Kirchoff cho mạch điện tương đương trong hình 2.2, ta có:

t

U z C zU G I

t

U z L zI R U

z z

z

I z I

z z z z z

I z I

z z

I z I z

U z U

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

t

I L RI z

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

Trong trường hợp này, (2.5) và (2.7) trở thành:

z z

U Cj G z

I

z z

I Lj R z

Phương trình (2.12) và (2.13) là các phương trình sóng một chiều cho điện áp

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

t j z z

e e U e U t z

t j z z

e e I e I t z

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:

C j G L j

Phương trình trên cho thấy hệ số truyền sóng là hàm của tần số

Theo phương trình (2.16) hệ số truyền sóng chứa cả các thành phần thực và ảo nên được viết dưới dạng:

Thay thế (2.17) vào nghiệm tổng quát (2.14) và (2.15)

z t j z z

t j z

e e U e

e U t z

z t j z z

t j z

e e I e

e I t z

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

2 2 1

1

1 t L t L , 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

z b z

U z

z b z

I z

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

Vì tham số của phương trình (2.18) biểu thị sự suy giảm biên độ của các sóng nên 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:

2

1 / W W log 10

2

1 / W W ln 5 , 0

Sóng sẽ suy giảm N (neper) khi biên độ thay đổi exp(-N) giữa hai điểm của một dây dẫn Từ hai tý 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:

e U e U L j R z

So sánh (2.19b) và (2.21) ta định nghĩa được Z 0 bởi sóng chuyển động tiến và

lùi:

0 0 0

0 0

I

U I

U

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

C j G

L j R L j R

đồ Smith là một phần của thiết kế máy tính (CAD) với phần mềm thiết kế siêu cao tần Nhờ có giản đồ Smith ta có thể dẽ dàng tính toán, hiểu được mạch lọc đường truyền siêu cao tần, dễ dàng giải quyết các công việc của kỹ thuật siêu cao tần như vấn đề phối hợp trở kháng,…

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

e

e z

Thay z L r L ix L và r i i vào (2.26) ta có:

i r

i r L

L

i

i ix

r

) 1 (

) 1 (

Trong đó r và x lần lượt là điện trở và điện kháng của tải

r và 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 (2.28) được 2 phương trình:

2 2

2 2

)1(

1

i r

i L L

2 2 2

)1(

2

i r

i L

Sau khi biến đổi (2.29) và (2.30) ta thu được:

2 2

r r

r

(2.31)

2 2

) 1 (

L L

i r

r

Hình 2.3.Họ vòng tròn đẳng điện trở

Hình 2.4 Họ vòng tròn đẳng điện kháng

Hình 2.5 Vòng tròn đẳng điện kháng phía trên trục hoành

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)

Hình 2.6 Vòng tròn đẳng điện kháng phía dưới trục hoành

Hình 2.7 Vòng tròn đẳng điện trở và điện kháng trên cùng một đồ thị

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, ta không vẽ toàn bộ các vòng tròn điện kháng mà chỉ vẽ các đoạn nằm trong giới hạn của vòng 1 (Hình 2.8)

2.2.2.3 Vòng tròn đẳng | |

Trong mặt phẳng i, r 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 r L =0 (vòng tròn ngoài cùng) (Hình 2.8)

i

r

1 75 , 0 5 , 0 25 , 0

S

S

25 , 0

75 , 0

5 , 0

0 0

0 90 0

180

0 90

0 90

0 180

S

1

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

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

S

1), trên trục hoành 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, 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

S

1 chỉ là phép

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

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, 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 2.9)

Hình 2.9 Giản đồ Smith chuẩn

2.2.2.5 Tóm tắt về đồ thị Smith

Có thể tóm tắt các đặc điểm nổi bật nhất của đồ giản đồ Smith như sau:

1 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

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

3 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 = )

4 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

5 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

6 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 R 0 , cho phép thực hiện phối hợp trở kháng trên đường dây Thật vậy, đây chính là điểm có hệ số phản

xạ = 0 và hệ số sóng đứng S = 1

7 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

8 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

9 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: l

e V

V

0 0

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

10 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 giản 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 phái trái của tâm giản 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 2.9) Trên giản đồ Smith cũng nhận thấy ngay khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng bằng 0,25

Hình 2.10 Biểu diễn điểm bụng và điểm nút của sóng đứng trên giản đồ Smith

2.3 Mạch dải siêu cao tần [5]

2.3.1 Giới thiệu

Như ta đã biết, ở dải sóng vô tuyến điện thông thường: dài, trung, ngắn; các mạch dao động cộng hưởng thường được xây dựng từ các phần tử tập trung như tụ điện C và cuộn cảm L Mạch dao động này cho tần số cộng hưởng riêng là:

LC 2

- Thứ ba: Trong dải siêu cao tần, khi tần số tăng thì tiêu hao do hiệu ứng bề mặt

và tiêu hao trong điện môi của cuộn cảm và tụ điện tăng đáng kể Điều này làm giảm phẩm chất rõ rệt của mạch dao động LC và làm mất tính chọn lọc của mạch cộng hưởng

Vì vậy, ở dải sóng siêu cao tần, người ta sử dụng các mạch dao động có tham số phân bố, thường được gọi là hộp cộng hưởng

Đường truyền dẫn sóng cao tần và siêu cao tần cũng là vấn đề được quan tâm Trong kỹ thuật đo lường và các thiết bị thu ở dải sóng từ dm đến mm thường sử dụng đường truyền là các mạch dải siêu cao tần có các ưu điểm như dễ sản xuất (dùng công nghệ PCB là cơ bản), khối lượng nhẹ, khả năng tương thích với các quy trình của mạch tích hợp, phạm vi trở kháng đặc trưng hợp lý, tổn hao thấp, dải tần tương đối rộng Vì các mạch dải được chế tạo dưới dạng mạch in nên chúng được sử dụng rất phổ biến trong vi mạch siêu cao tần

Mạch dải siêu cao tần thường có cấu tạo theo các dạng: dạng đối xứng (Hình 2.11 b,c), dạng không đối xứng (Hình 2.11 a), dạng đường khe (Hình 2.11 d) và dạng cáp phẳng (Hình 2.11 e)

Hình 2.11 Các loại mạch vi dải

2.3.1.1 Các đường truyền

Một đường truyền được sử dụng để truyền tín hiệu từ một phần tử này đến một phần tử khác hoặc từ lối vào của một mạch tới một phần tử nào đó hoặc từ một phần đến lối ra Có các loại đường truyền như dây đôi, đường truyền vi dải, cáp phẳng hoặc ống dẫn sóng

Hai dây kim loại Cáp đồng trục

Ống dẫn sóng chữ nhật Ống dẫn sóng tròn

Hình 2.12: Các dạng đường truyền sóng

Trong trường hợp truyền sóng phẳng TEM thì có thể xác định điện áp và cường

độ dòng điện được xác định ở bất kỳ điểm nào

Các kim loại được đặc trưng bằng độ dẫn σ

Sử dụng các chất điện môi như các chất cách điện giữa các vật dẫn được đặc trưng bởi độ dẫn i, hằng số điện môi r và độ từ thẩm r (thường r 1)

2.3.1.2 Các thành phần

Các phần tử thụ động: RLC; các điốt; các đường truyền (λ/4 )

Các phần tử hoạt động: các transistor (BJT, FET, MESFET, MOSFET, HEMT)