luận văn thiết kế máy thu thông tin vệ tinh băng tầng c

Hình 1.3 Sơ đồ đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối Hình 1.4 Sóng đứng điện áp trên đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối Hình 1.5 Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điệ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĂN CÔNG

THIẾT KẾ MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG TẦN C

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

Huế - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĂN CÔNG

THIẾT KẾ MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH

BĂNG TẦN C

Ngành: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ -VIỄN THÔNG

Chuyên nghành KỸ THUẬT –ĐIỆN TỬ

Mã số 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHÀNH CÔNG NGHỆ - ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS - TS BẠCH GIA DƯƠNG

Huế- 2014

LỜI CẢM ƠN

Tôi chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Đốc Đài PT-TH Quảng Trị, Phòng Kỹ Thuật- Công nghệ cùng anh chị em đồng nghiệp đã hết sức tạo điều kiện cho tôi vừa công tác vừa tham gia học tập và hoàn thành tốt chương trình cao học và thực hiện luận văn này

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của Quý thầy cô giáo khoa Điện tử - viễn thông trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà nội Tôi ghi nhận và biết ơn về sự giúp đỡ quý báu đó

Tôi cũng xin chân thành gửi lời cám ơn đến, Phòng Đào tạo Sau đại học,

Bộ môn Điện Tử - Viễn Thông, khoa Vật lý trường Đại Học Khoa Học Huế đã tạo điều kiện, giúp đỡ cho tôi học tập, thực hành trong suốt hơn hai năm qua

Tôi chân thành cảm ơn tất cả các học viên lớp ĐT-VT 18, những người bạn, người đồng chí đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập

Tôi đặc biệt dành sự kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS- Tiến sỹ BẠCH GIA DƯƠNG, người đã dành sự quan tâm đặc biệt cho đề tài nghiên cứu cũng như hỗ trợ kịp thời, có ý nghĩa và hướng dẫn tận tình tôi hoàn thành tốt luận văn này

Tôi thật sự biết ơn những người thân trong gia đình đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi

về vật chất cũng như tinh thần để tôi hoàn thành tốt luận văn này

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn

Quảng Trị, ngày 08 tháng 1 năm 2014

Học viên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Văn Công

MỤCLỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

MỞ ĐẦU 9

1.1 Khái quát chung 11

1.2 Các thuật ngữ cần thiết – Tham số tập trung, tham số phân bố 11

1.3 Lý thuyết về đường dây truyền sóng 11

1.3.1 Khái niệm và định nghĩa 11

1.3.2 Cách biểu diễn một hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ của hệ có phần tử tập trung 12

1.3.3 Phương trình vi phân của đường dây truyền sóng 13

1.3.4 Truyền sóng trên đường dây- nghiệm của phương trình vi phân 14

1.3.5 Đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối 17

1.3.6 Hệ số phản xạ : 18

1.3.7 Hiện tượng sóng đứng 19

1.3.8 Hệ số sóng đứng 21

1.3.9 Hệ số phản xạ tại vị trí bất kì 22

1.4 Công suất trung bình truyền theo đường dây truyền sóng 22

1.4.1 Tổn hao do phản xạ 23

1.4.2 Trở kháng vào của đường dây truyền sóng 23

1.5 Mạch dải siêu cao tần 24

1.6 Đồ thị vòng tròn- Đồ thị Smith 28

1.6.1 Đồ thị vòng tròn về trở kháng trong hệ tọa độ vuông góc 29

1.6.1.1 Quỹ đạo đường đẳng  30

1.6.1.2 Quỹ đạo đường đẵng  31

1.6.2 Đồ thị vòng tròn về trở kháng trong hệ tọa độ cực ( Đồ thị Smith) 32

1.6.2.1 Họ đường tròn dẳng r 33

1.6.2.2 Họ đường tròn đẳng x 34

1.6.2.3 Họ các đường tròn đẳng  36

1.6.2.4 Họ các đường tròn đẳng 37

1.7 Kỹ thuật phối hợp trở kháng 39

1.7.1 Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng 40

1.7.2 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung 40

1.7.3 Phối hợp trở kháng dải hẹp bằng những đoạn dây dẫn song song mắc liên tiếp 42

1.7.3.1 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây  4 42

1.7.3.2 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ 42

1.8 Tổng quan về vòng bám pha (PLL): 43

1.8.1 Bắt chập và giữ chập 44

1.8.2 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha: 47

1.8.3 Bộ so pha 48

1.8.4 Các bộ chia tần 50

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TIN VỆ TINH 52 2.1 Lịch sử thông tin vệ tinh 52

2.2 Quá trình phát triển thông tin vệ tinh ở Việt Nam 54

2.2.1 Vệ tinh Vinasat-1: 54

2.2.2 Vệ tinh Vinasat-2 : 57

2.2.3 Tầm quan trọng của Vinasat 1 và Vinasat 2 58

2.3 Đặc trưng cơ bản của đường truyền thông tin vệ tinh : 58

2.3.1 Dải tần hoạt động có độ suy hao nhỏ nhất 58

2.3.2 Những ưu điểm của đường truyền thông tin vệ tinh 59

2.4 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thu tín hiệu 59

CHƯƠNG 3MÔ HÌNH MÁY THU VỆ TINH BĂNG TẦN C VÀ THIẾT KẾ MÔ PHỎNG DÙNG PHẦN MỀM ANSOFT 61

3.1 Mô hình tổng quát máy thu vệ tinh băng tần C 61

3.2 Chế tạo bộ khuếch đại cao tần tạp âm thấp băng tần C 62

3.3 Nghiên cứu thiết kế bộ trộn tín hiệu siêu cao tần băng C 66

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ

EHF Extremely High Frequency Tần số cực cao

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

IF Intermediate Frequency Tần số trung tần

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp

LO Local Oscillator Dao động tại chỗ

PM Phase Modulation Điều chế pha

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

SHF Super High Frequency Tần số siêu cao

TEM Transverse Electromagnetic Sóng điện từ ngang

VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng điện áp

Hình 1.3 Sơ đồ đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối

Hình 1.4 Sóng đứng điện áp trên đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối

Hình 1.5 Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyềnkhông tổn hao có mắc tải đầu cuối

Hình 1.6 Các loại mạch vi dải siêu cao tần

Hình 1.15 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây  4

Hình 1.16 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ

Cần xác định Za và l dể có thể phối hợp ZL với Z0

Hình 1.17 Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha

Hình 1.18 Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL

Hình 1.19 Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp

Hình 1.20 Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha

Hình 1.21 Cấu trúc của 1 bộ so pha số, trong đó: Delay: bộ trễ, U1, U2: Các trigơ D, U3: bộ AND, U4: bộ đảo

Hình 1.22 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập

Hình 1.23 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng nhau Hình 2.1 Phần không gian và phần mặt đất của hệ thống thông tin vệ tinh Hình 2.2 Vùng phủ sóng băng tần C của vệ tinh Vinasat-1

Hình 2.3 Vùng phủ sóng băng tần Ku của vệ tinh Vinasat-1

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống thu cơ bản

Hình 3.2 Sơ đồ khối tuyến thu siêu cao tần băng C tích hợp với máy thu giải

mã tín hiệu

Hình 3.3 Sơ đồ thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại cao tần tạp âm thấp LNA băng tần C

Hình 3.4 Kết quả mô phỏng tham số S11 dùng phần mềm Ansoft

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng các tham số S21 dùng phần mềm Ansoft

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng tham số S22

Hình 3.7 Sơ đồ thiết kế nhánh lối ra

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng tham số S11 nhánh lối ra dùng phần mềm Ansoft

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng các tham số S21 nhánh lối ra dùng phần mềm Ansoft

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng các tham số S22 nhánh lối ra dùng phần mềm Ansoft

Hình 3.11 Sơ đồ thiết kế bộ trộn cao tần sử dụng JFET

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý bộ trộn dung SPF-3043

Hình 3.13 Mạch PCB được gia công

Hình 3.14 Kết quả đo tham số trên máy phân tích mạng

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, việc phát triển hệ thống thông tin vệ tinh đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc truyền dẫn Với sự phát triển nhanh chóng về công nghệ, chất lượng truyền dẫn được nâng cao, băng thông được mở rộng đã khắc phục được những nhược điểm mà hệ thống truyền dẫn vô tuyến mặt đất đang mắc phải Với ưu thế về độ bao phủ cũng như tính ổn định, hệ thống truyền dẫn bằng vệ tinh đã mang lại những lợi ích vô cùng to lớn, giảm thiểu rủi ro trong việc truyền thông tin, giúp cho việc định vị mục tiêu trở nên đơn giản và chính xác hơn

Tại Việt nam, kể từ khi nước ta kết hợp với một số đối tác phóng thành công vệ tinh Vinasat 1, rồi sau đó là Vinasat 2 đã mang lại những ứng dụng vô cùng to lớn, một trong số những ứng dụng quan trọng được áp dụng đó là truyền dẫn các gói kênh của Đài TH VN, đài tiếng nói Việt Nam cùng một số đài địa phương, nâng tầm phủ sóng đến các vùng sâu vùng xa, và gần đây Việt Nam cùng một số đối tác đã phóng thành công vệ tinh VNREDSat-1 bước đầu áp dụng thành công việc giám sát và bảo vệ biển đảo, giám sát rừng qua vệ tinh cũng như ứng dụng khác nhằm đảm bảo an ninh quốc phòng

Việc chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống thông tin vệ tinh là vô cùng phức tạp, đòi hỏi nhiều yêu cầu công nghệ cao cũng như kinh phí đầu tư Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả chỉ đề cập đến một mục nhỏ trong toàn bộ hệ thống thông tin vệ tinh nhưng đóng vai trò hết sức quan trọng đó là : Chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần C

Với đề tài : THIẾT KẾ MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG TẦN

C, tác giả đã mạnh dạn nghiên cứu chế tạo mạch ở tần số siêu cao, trở ngại chính và khó khắc phục nhất chính là ở dải tần siêu cao đòi hỏi kích thước mạch rất nhỏ để đảm bảo giảm thiểu điện dung ký sinh, giảm thiểu sự mất phối hợp trở kháng toàn mạch Tuy vậy bằng nỗ lực cá nhân cũng như sự hướng dẫn tận tình của thầy Bạch Gia Dương, luận văn này tạo tiền đề cho những học viên muốn nghiên cứu sâu hơn về lĩnh vực này

Bằng lý thuyết và thực nghiệm, luận văn đã trình bày một cách cô đọng các yêu cầu sau:

1) Tổng quan về lý thuyết siêu cao tần, kỹ thuật phối hợp trở kháng

2) Tổng quan vệ tinh, khái quát về đường truyền vệ tinh, giới thiệu về hệ thống

vệ tinh Vinasat của Việt Nam

3) Thiết kế bộ khuếch đại cao tần tạp âm thấp dùng JFET siêu cao tần băng tần

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT SIÊU CAO TẦN

1.1 Khái quát chung

Thuật ngữ viba dùng để chỉ những sóng điện từ có bước sóng rất ngắn tương ứng với tần số rất cao, ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cũng như những đột phá về khoa học vật liệu, các nhà khoa học đã tạo ra được những vật liệu có khả năng thu phát nằm trong dải phổ tần số rất cao Theo thông lệ quốc tế, người ta quy ước phổ tần số cho cho các dải tần như sau:

Giới hạn trên của dải thường được chọn tới 300GHz ( f=3.1011Hz), tương ứng với bước sóng λ =1mm

Giới hạn dưới thường có nhiều cách chọn khác nhau và tùy theo cách phân chia cũng như mục đích sử dụng của từng quốc gia hoặc của từng tổ chức riêng Thông thường sóng cực ngắn là những sóng có tần số f ≥30GHz tương ứng với bước sóng λ ≤10m, trong khi đó cũng có nơi xem sóng viba là những sóng có f≥300MHz tức là có λ≤1m

Trong ứng dụng thực tế, để đảm bảo tính thống nhất và dễ phân loại, người ta phân chia sóng viba thành 03 lớp như sau:

- Cực cao tần UHF tương đương 300MHz ≤ f ≤ 3GHz

- Siêu cao tần SHF tương đương 3GHz ≤ f ≤ 30GHz

- Thậm cao tần EHF tương đương 30GHz ≤ f ≤ 300GHz

1.2 Các thuật ngữ cần thiết – Tham số tập trung, tham số phân bố

Lý thuyết mạch kinh điển đi cùng với hệ phương trình Maxwell là lý thuyết áp dụng cho mạch điện với các phân tử mạch điện là các phần tử tập trung ( ví dụ các phần tử tụ điện, điện trở), trong khi đó cấu kiện viba thường là các phần tử có tham số phân bố vì ở đây pha của điện áp và dòng điện sẽ thay đổi tùy theo điểm khảo sát bởi vì kích thước của cấu kiện vi ba có thể so sánh được với bước sóng λ

Tương tự như lý thuyết mạch kinh điển, công cụ để giải quyết các bài toán viba cũng là hệ phương trình Maxwell với nghiệm của nó nằm ở dạng tổng quát nhất áp dụng cho lý thuyết về hệ truyền dẫn viba với các điều kiện ban đầu ( điều kiện biên) tương ứng với cấu trúc hệ truyền dẫn Các nghiệm này được trình bày dưới dạng điện từ trường E, H là hàm của các tọa độ của không gian khảo sát

1.3 Lý thuyết về đường dây truyền sóng

1.3.1 Khái niệm và định nghĩa

Đường dây truyền sóng là đường truyền dẫn năng lượng sóng điện từ, là hình thức quá độ giữa mạch điện gồm các phần tử tập trung ở tần số thấp bao gồm các phần tử L, C, R và ống dẫn sóng ở siêu cao tần Đường dây truyền sóng

được coi là mạch điện có phần tử phân bố nhưng nó có thể được biểu diễn theo

sơ đồ của mạch điện với các phần tử tập trung

Đối với mạch điện có các phần tử tập trung, ta có thể phân tích bằng lý thuyết mạch kinh điển, với giả thiết rằng khi có một điện áp đặt vào, lập tức sẽ tác động đồng thời tại mọi điểm trong mạch Trong một mạch vòng kín, khi có một dòng điện chạy thì ở mọi điểm trong mạch vòng ấy, biên độ và pha của dòng đều như nhau Tuy nhiên ý tưởng trên chỉ đúng trong điều kiện lý tưởng, còn trong thực tế năng lượng điện từ trong một mạch điện truyền đi có một vận tốc nhất định, do vậy bên trong nó bao giờ cũng tồn tại một độ trễ nhất định giữa pha điện áp và dòng điện Lúc này việc áp dụng lý thuyết mach kinh điển sẽ cho

ta kết quả không còn chính xác nữa

Khi việc truyền năng lượng trong một mạch điện phải mất một thời gian đáng kể nào đó thì mạch điện đó được xếp vào loại mạch có phần tử phân bố, điều này có nghĩa là cấu kiện của mạch được coi như có kích cỡ so sánh được với bước sóng của mạch, điều này dẫn đến khái niệm sóng đứng của điện áp ( hoặc dòng điện) và trở kháng vào của đường dây thay đổi theo tần số

1.3.2 Cách biểu diễn một hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ của hệ có phần tử tập trung

Một đường dây truyền sóng được mô tả như một hệ gồm hệ gồm 2 dây dẫn song song Đó là vì khi truyền dẫn sóng TEM ta phải có ít nhất 2 vật dẫn

Một phần tử rất ngắn của đường dây có độ dài z (hình 1.1a) có thể được biểu diễn bởi một mạng 4 cụm đơn giản gồm các phần tử tập trung (hình 1.1b)

Hình 1.1 Biểu diễn mạch tương đương của một đoạn đường truyền sóng siêu

cao tần Trong đó:

R - Điện trở nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây,  m

L - Điện cảm nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây, H m

G - Điện dẫn song song trên một đơn vị dài, S m

C - Điện dung song song trên một đơn vị dài, F m

Theo giả thiết đoạn dây mà ta khảo sát có chiều dài rất ngắn, nên thời gian cần thiết để sóng truyền qua đoạn dây rất ngắn và xem như không đáng kể Trong trường hợp một mạng gồm 4 cụm như hình vẽ, khi đó để biểu diễn một hệ

có phần tử phân bố (đường dây truyền sóng) ta có thể dùng một chuỗi liên tiếp các mạng 4 cụm đơn giản hình  hay T đối xứng như ở hình 1.2, bởi vì thời gian cần thiết để sóng truyền qua hệ này lớn hơn nhiệu so với mạng chỉ có một phần tử tập trung đơn giản

Hình 1.2 Mạng đơn giản hình T hay  đối xứng của đường truyền sóng siêu

cao tần

1.3.3 Phương trình vi phân của đường dây truyền sóng

Xét một đoạn rất ngắn z của đường dây truyền sóng Sơ đồ tương đương của đoạn dây với các giá trị điện áp và dòng điện được hiển thị như ở hình 1.1b

Áp dụng định luật Kirchhoff, ta có thể viết các hệ thức sau đây đối với điện áp và dòng điện trên đoạn mạch, tại các thời điểm t:

Đối với điện áp ta có:

0 ) , ( ) , ( )

, ( )

,

t

t z I z L t z zI R t z V





(1.1) Đối với dòng điện:

0 ) , ( ) , ( )

, ( )

,

t

t z V z C t z zV G t z I

V(   , )  ( , )  

I t z I t z z

I(   , )  ( , )  

Chia (1.1) và (1.2) cho z và cho z  dz, ta nhận được:

t z I L t z RI z

t z V

, (

t z I

, (







(1.4) Đối với tín hiệu hình sin, tần số  ta có thể viết:

I i t

) (

z I L i R z

z V

) (

z V C i G z

z I

L i R Z

IZ Z V

) ( ) ( ) (

2 2 2 2

z I ZY z

z I

z V ZY z

z V

Phương trình (1.8) hệ phương trình vi phân bậc 2 của V và I cho phép tính

V, I tại các điểm bất kỳ trên đường dây khi biết các thông số Z, Y của đường dây và các điều kiện biên

1.3.4 Truyền sóng trên đường dây- nghiệm của phương trình vi phân

Để tìm nghiệm của phương trình vi phân (1.9) Ta đặt ZY2

Từ (1.7) ta có: ( )( )

2

C i G L i

Vì là một số phức, nên có thể viết lại thành hai phần thực và ảo

C i G L i R

0 ) ( )

(

2 2 2

2 2 2

z I dz

z I d

z V dz

z V d





(1.11) Theo lý thuyết về phương trình vi phân, ta có nghiệm của (1.11)

z z

e V e V z

V( )  0   0 

z z

e I e I z

I( )  0   0  (1.12b) Công thức (1.12a) và (1.12b) biểu thị các sóng điện áp và dòng điện trên đường dây, trong đó, số hạng chứa e z biểu thị cho sóng truyền theo hướng +z (sóng thuận), còn số hạng chứa e  z biểu thị cho sóng truyền theo hướng -z (sóng ngược), với  là hệ số truyền sóng phức được xác định theo (1.10)







) ( 1

) (

1 )

L i R z

, ta viết lại (1.13a):

) (

1 )

0

z z

e V e V Z z

Z

V I

Z

V I

L i R Z

0 0

I

V I

V Z

(1.16) Khi chuyển biểu thức biểu thị hàm sóng về miền thời gian, ta cần nhân thêm với hàm mũ e i  t, nghĩa là:

t z t

z

e e V e e V t z

0 0

t z i z i t

i z

e e V

e e e e V e e V

) ( 0

0 0

t z i z i t

i z

e e V

e e e e V e e V

Nếu viết dưới dạng hàm lượng giác, ta có biểu thức của sóng điện áp trên đường dây:

z z

e z t V

e z t V

t z

V( , )  0 cos(  )   0 cos(  ) 

(1.17) Vận dụng các phép chứng minh và suy luận như khi nghiên cứu lý thuyết sóng điện từ phẳng trong giáo trình “Lý thuyết trường điện từ”, ta xác định được ý nghĩa vật lý cũng như các mối quan hệ của các số hạng trong (1.17):

 - hệ số pha của sóng, có quan hệ với bước sóng công tác  bởi:

Các biểu thức nhận được ở trên là các công thức tổng quát cho trường hợp đường truyền dẫn sóng thực tế có tổn hao, nghĩa là khi các dây dẫn không phải

là vật dẫn lý tưởng (R0) và điện môi trong không gian giữa các dây dẫn không phải là điện môi lý tưởng (0)

Xét trường hợp đường dây truyền sóng không tổn hao:

Đối với trường hợp đường dây truyền sóng lý tưởng ta có: R=0; =0

Thay vào (1.10), ta nhận được:  i i  LC (1.20) Suy ra:

z i z i

e V e V z

V( )  0   0  (1.23a)

z i z

i

e Z

V e Z

V z

0 0 0

0)(

1.3.5 Đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối

Sơ đồ của đường truyền không tổn hao, có mắc tải dây cuối cùng với các trục toạ độ được vẽ trên hình 1.3

   z , I z V

Hình 1.3 Sơ đồ đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối

z i z i

e V e V z

V( )  0   0 

(1.26a)

z i z

i

e Z

V e Z

V z

0 0

0

0

) (

0 0 0

0 0 ) 0 (

) 0 ( )

0

V V

V V I

V Z

Z Z V

L

L

(1.28)

1.3.6 Hệ số phản xạ :

Nếu định nghĩa hệ số phản xạ là tỷ số của sóng phản xạ trên sóng tới thì

từ (1.28) ta xác định được hệ số phản xạ tại z 0(Vị trí mắc tải)

0 0 0

0)0(

Z Z

Z Z V

Rõ ràng là biên độ của hệ số phản xạ  có giá trị bằng hoặc nhỏ hơn 1 hay  1.

Áp dụng (1.29) ta sẽ viết lại (1.26) như sau:

(1.30b) Các biểu thức (1.30) cho thấy rằng điện áp và dòng điện trên đường truyền được xác định bởi sự “xếp chồng” của hai sóng là sóng tới và sóng phản

xạ Do vậy, biên độ V và I tại mỗi vị trí z sẽ có giá trị khác nhau Có những điểm, biên độ V hoặc I luôn đạt giá trị cực đại, ngược lại có những điểm luôn

có giá trị cực tiểu, nghĩa là biên độ điện áp (hoặc dòng điện) có dạng dao động theo z Sóng này được gọi là “sóng đứng”

Như vậy sóng đứng sẽ xảy ra khi hệ số phản xạ 0

Khi 0, trên đường truyền chỉ có một sóng là sóng tới, có dạng sóng chạy Như vậy sóng chạy sẽ xảy ra khi:

V( ) 0  1  2Biên độ của điện áp:

z i

e





Biểu thức (1.32) sẽ có dạng:

) 2 ( 0

và V có giá trị cực điểm Vmin khi i( 2 l)   1

e   , nghĩa là ứng với





  2 )   ( l ; 3 ; 5 ; ; (2n1) (1.35)

Từ (1.34) ta xác định được khoảng cách giữa hai điểm cực đại kề nhau: 

Hình 1.4 Sóng đứng điện áp trên đường truyền không tổn hao có mắc

tải đầu cuối

Đối với sóng dòng điện, cũng khảo sát tương tự như trên ta nhận được hình ảnh của sóng đứng có dạng tương tự như sóng đứng điện áp vẽ trên hình 1.4 Điều khác nhau ở đây là đối với các vị trí Vmax thì ta có Imin, ngược lại tại các vị trí Vmin ta lại có Imax Hình ảnh của sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp được vẽ chung trên hình 1.5 để tiện so sánh

Hình 1.5 Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối

Các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực tiểu được gọi là điểm “nút” của sóng đứng điện áp, còn các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực đại được gọi là điểm “bụng” Các điểm nút và điểm bụng của sóng đứng dòng điện cũng được định nghĩa tương tự như trên Rõ ràng là điểm nút của sóng đứng điện áp

sẽ tương ứng với điểm bụng của sóng đứng dòng điện và ngược lại

Tại các điểm bụng và điểm nút của sóng đứng ta có:

  

max V V

Z

V I

(1.37) Còn tại các điểm nút ta có:

  

min V V

Z

V I

(1.40)

Khi 0 (phối hợp trở kháng), ta có hệ số sóng đứng S 1, nghĩa là biên

độ của sóng điện áp (hoặc dòng điện) có giá trị như nhau trên suốt chiều dài của đường truyền Sóng trên đường truyền được coi là sóng chạy Từ (1.40) ta cũng rút ra được quan hệ giữa hệ số sóng đứng Svà hệ số phản xạ :

e V e V l

V

0

0)

là hệ số phản xạ tại đầu cuối l 0

1.4 Công suất trung bình truyền theo đường dây truyền sóng

Ta khảo sát công suất trung bình truyền theo đường truyền, qua điểm có toạ độ z nào đó Theo công thức kinh điển của lý thuyết mạch, ta có thể viết:

) ( ) ( Re 2

1

z I z V

1 Re 2

thì *e2i  z  A*

*

A I A

là đại lượng thuần ảo, ta rút gọn (1.43) còn:

) 1 ( 2

0

2 0

2 0

2 0

Khi  0 (phối hợp trở kháng), toàn bộ công suất được truyền cho tải

Khi   1 công suất của sóng tới và sóng phản xạ có giá trị bằng nhau, do đó công suất truyền cho tải bằng không

Khi   0 (không phối hợp trở kháng), không phải toàn bộ công suất được truyền cho tải mà có một bộ phận bị phản xạ trở lại, gây tổn hao công suất Ta gọi tổn hao đó là “tổn hao do phản xạ”

Khi   1, RL0dB (trường hợp toàn bộ công suất bị phản xạ trở lại)

1.4.2 Trở kháng vào của đường dây truyền sóng

Trở kháng nhìn về tải tại mỗi điểm bất kỳ trên đường dây truyền sóng được xác định bởi tỷ số của điện áp V(z) chia cho dòng điện I(z) tại vị trí khảo sát

Khi đường dây không phối hợp trở kháng, phân bố của điện áp và dòng điện dọc theo đường dây có dạng dao động (hiện tượng sóng đứng), nghĩa là chúng có biên độ thay đổi theo các vị trí khác nhau trên đường dây Ta suy ra, trở kháng nhìn vào đường dây sẽ thay đổi tuỳ theo vị trí khảo sát Tại các điểm bụng điện áp (tương ứng là nút dòng điện), ta nhận được trở kháng cực đại

S Z Z

S

Z I

Ta nhận thấy Zmax và Zmin đều là các đại lượng thực (thuần trở) và trở kháng đặc tính Z0 đối với đường dây không tổn hao là đại lượng thực (Công thức 1.22) Tại khoảng cách l bất kỳ (tính từ tải), ta có trở kháng vào nhìn về phía tải sẽ bằng:

l l

e e Z V

e e V l I

l V Z

0

) (

) (

vµo

hay

0 2 2

1

1

Z e

) ( 1 )

l

l l

0

0

) (

) ( ) (

Z l Z

Z l Z l

l iZ l Z

Z

e Z Z e Z Z

e Z Z e Z Z Z Z

L L

l L

l L

l L

l L

sin cos

) (

) (

) (

) (

0

0 0

0 0

0 0

Hay

l tg iZ Z

l tg iZ Z Z Z

vµo

(1.52)

1.5 Mạch dải siêu cao tần

Chúng 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

Các trường hợp cần quan tâm

- Thứ nhất: Để nhận được dải tần số cộng hưởng f0 lớn hay bước sóng cộng hưởng nhỏ, ta phải giảm các giá trị L, C đến mức tối thiểu Nhưng việc giảm này cũng có những giới hạn nhất định do kết cấu của tụ điện và cuộn cảm, nên về nguyên tắc không đạt được tần số cộng hưởng ở các dải sóng cao như cm

và mm

- Thứ hai: ở dải sóng siêu cao tần, kích thước hình học của các tụ điện và cuộn cảm so sánh với bước sóng điện từ, nên tại các tần số này bản thân mạch dao động cũng đóng vai trò như phần tử bức xạ năng lượng điện từ làm tiêu hao năng lượng đáng kể trong mạch và mạch không duy trì được dao động trong dải này

- Thứ ba: Trong dải sóng 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, làm giảm rõ rệt phẩm chất của mạch dao động LC, làm cho nó mất tính chọn lọc của mạch cộng hưởng

Do đó, 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 với các ưu điểm như

dễ sản xuất (dùng công nghệ PCB), 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 thường có cấu tạo theo các dạng: dạng không đối xứng (a), đối xứng (b,c), dạng đường khe (hình 1.6d) và dạng cáp phẳng (hình 1.6e)

Hình 1.6 Các loại mạch vi dải siêu cao tần

Bảng 1 Hiện tượng truyền

Radio FM 88-105 MHz

TV VHF 54-72 MHz /76-88MHz /174-216MHz

TV UHF 470-608MHz / 614-890MHz

Cellular phone GSM 900MHz / DCS DECT 1.8GHz

WLAN 2,4-2,4835GHz (WiFi (802.11 b/g) Hiperlan 5GHz

Satellite 5.925-6.425GHz / 3.7-4.2GHz

Satellite Intelsat V 14-14.5GHz / 10.95-11.2GHz /

11.45-11.70GHz

Hạn chế của QSA (Quasi-static approximation):

Nhìn chung, khi nghiên cứu về điện thì không quan tâm đến hiện tượng lan truyền điện từ Vì vậy, các đại lượng cơ bản của mạch điện như điện áp và cường độ dòng điện như nhau trên các phần của mạch điện ở một thời điểm xác định

Các công cụ phổ biến cho việc nghiên cứu điện từ trong mạch điện thường là các phương trình Maxwell, dẫn đến sự lan truyền của các trường E, H, V , A

và các hiệu ứng như hiện tượng phản xạ của sóng và sự hình thành sóng đứng trong mạch

t j kx

t j

e E e

E

E

2 0 2

0

Vận tốc pha của sóng điện từ trong đường truyền thường là c0  2  108 ms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 (hình 1.7)

Hai dây kim loại Cáp đồng trục

Vi dải Cáp phẳng dẫn sóng Dạng đường khe

Ống dẫn sóng chữ nhật Ống dẫn sóng tròn

Hình 1.7 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)

Đồ thị Smith về thực chất là việc biểu diễn trở kháng tại vị trí l bất kỳ và

hệ số phản xạ tại vị trí đó trên đường truyền trong hệ tọa độ cực, là các công thức căn bản và là điểm xuất phát để biểu diễn bằng đồ thị những quan hệ đặc trưng cho trở kháng

1.6.1 Đồ thị vòng tròn về trở kháng trong hệ tọa độ vuông góc

Từ hệ thức ta có (1.49) và (1.50) ta thấy mối quan hệ giữa trở kháng Z với chiều dài l của đường truyền

0

) ( 1

) ( 1 )

l

l l

) ( ) (

Z l Z

Z l Z l

 i

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 Chuẩn hóa (l) và Z(l) theo R0 ta có:

i r j L

L

L L

L

L

i e

ix r

ix r

R

i R R

i R

) 1 ( 1 X

1 X

0 L 0 L

là điện kháng của tải, chuẩn hoá theo R0

(trở kháng chuẩn hoá của tải sẽ là R0

1

1

x r

x r

Một cách khái quát ta ký hiệu r, x, z lần lượt là điện trở, điện kháng và trở kháng chuẩn hoá theo R0 Trong đó trục tung là x (điện kháng chuẩn hoá theo R0) và trục hoành là r (điện trở chuẩn hoá theo R0) như trên hình 1.8 Điểm biểu diễn trở kháng tải chuẩn hoá zL được hiển thị trên hình vẽ:

Hình 1.8 Trở kháng chuẩn hóa zL được biểu diễn trên hệ tọa độ Đề Các

Vấn đề đặt ra là ta phải tìm được quỹ đạo những điểm đại biểu cho z ứng với một giá trị  constcho trước khi  thay đổi, và quỹ đạo những điểm đại biểu cho z ứng với một giá trị  = const cho trước khi  thay đổi

Từ biểu thức (2.5) và bằng phép biến đổi, ta đưa phương trình này về dạng phương trình của họ đường tròn với phương trình đại biểu là:

2

2 2

2

2 2

1

2 1

a x b

Ta nhận thấy (2.6) có dạng của phương trình đường tròn, với bán kính a,

có tâm nằn trên trục hoành tại điểm có toạ độ r = b Như vậy quỹ tích của z khi



=const là một vòng tròn

Vòng tròn quỹ tích nói trên cắt trục hoành tại các điểm có toạ độ bằng:

2 2 2

2 2

1

) 1 ( 1

2 1

Các giao điểm này biểu diễn các giá trị cực đại và cực tiểu của trở kháng chuẩn hoá z trong mặt phẳng phức, đồng thời tại đây các trở kháng này là thuần trở (rmax và rmin)

S R

) 1 (

2 2

0

max max

S R

R

1

1 1

) 1 (

2 2

1.6.1.2 Quỹ đạo đường đẵng 

Từ công thức (2.5) ta rút ra được biểu thức của họ đường đẳng 

2 2

) 1 (

] ) 1 ][(

) 1 [(

x r

ix r

ix r







x r

cot1]cot

2

sin

1 sin

1 ]

(1.61) Biểu thức (1.61) có dạng của phương trình đường tròn với các bán kính



sin

1

, có tâm tại toạ độ (r = 0, x = cotg)

Vòng tròn này cắt trục hoành tại điểm được xác định từ (1.61) khi cho x = 0, nghĩa là tại r = 1 Điều này dễ dàng rút ra được khi ta thay sin2

1

ở vế phải của (1.61) bằng 1 + cotg2

Đồ thị vòng tròn hoàn chỉnh bao gồm cả họ các đường đẳng  và họ các đường đẳng  trong hệ toạ độ Đề các được vẽ ở hình 1.9

Hình 1.8 Đồ thị biểu diễn họ đường đẳng  và họ các đường đẳng  trong

hệ toạ độ Đề các

1.6.2 Đồ thị vòng tròn về trở kháng trong hệ tọa độ cực ( Đồ thị Smith)

Đồ thị này chính là biểu diễn hình học của hệ thức (1.53)

1

L

z

(1.62) trong đó zL=ZL/R0 chính là trở kháng chuẩn hoá theo R0

Thay  bởi (1.55) ta viết lại (1.62 ) dưới dạng:





i i L

e

e z

1

(1.63)

Ta biểu diễn hệ số phản xạ  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

Thay z L r L ix L và r i i

vào (2.21) ta nhận được:

i r

i r L

L

i

i ix

) 1 (

(1.64)

Trong đó r L và x L 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 phàn ảo của (1.64) ta được 2 phương trình:

2 2

2 2

) 1 (

1

i r

i L L

) 1 (

2

i r

i L

L

L r

r r

r

(1.67) 2

2

) 1

i r

x x

L

L r

r r

) 1

i r

x x

biểu thị họ đường tròn đẳng điện kháng, có tâm nằn trên trục r 1 tại tung độ x L

Hình 1.10 Họ các đường tròn đẳng điện kháng

Đồ thị Smith là sự kết hợp của họ vòng tròn đẳng điện trở và đẳng điện kháng được biểu diễn trên cùng một hệ cơ sở trong giới hạn vòng  1

Hình 1.11 Đồ thị Smith

Trong mặt phẳng  ,i r

người ta cũng có thể vẽ họ đường tròn đẳng || là những vòng tròn đồng tâm, có tâm điểm đặt tại gốc toạ độ (i 0,r 0), có bán kính là || nhận các giá trị từ 0 đến 1 Vòng tròn ||=0 trùng với điểm gốc toạ độ, còn vòng tròn ||=1 trùng với vòng tròn đẳng rL=0 (vòng tròn ngoài cùng)