BAI GIANG Kỹ Thuật Siêu Cao Tần

Môn Kỹ Thuật Siêu cao tần gồm slide bài giảng rất chi tiết cho mấy bạn học kỹ thuật Viễn Thông xem nhan.Cảm ơn anh em đã xem và tải tài liệu của mình nhannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn

 CHƯƠNG 1: ĐƯỜNG TRUYỀN SCT

 BÀI TẬP LỚN

 Khái niệm siêu cao tần được hiểu tùy theo trường phái hoặc quốc gia, có thể

từ 30 MHz – 300 GHz hoặc 300MHz – 300 GHz hoặc 1 GHz – 300 GHz.

 Vì tần số cao ở dải microwaves nên lý thuyết mạch cơ sở không còn hiệu lực,

do pha của áp dòng thay đổi đáng kể trong các phần tử phân bố.

 Thông số tập trung: là các đại lượng đặc tính điện xuất hiện hoặc tồn tại ở một vị trí xác định nào đó của mạch điện chẳng hạn R, C, L, nguồn áp, nguồn dòng.

 Thông số phân bố: là các đại lượng đặc tính điện không tồn tại ở duy nhất một vị trí cố định trong mạch điện, mà được rải đều trên chiều dài của mạch như đường dây truyền sóng, ống dẫn sóng, không gian tự do…

VHF (Very High Freq) 30-300MHz 10-1m

UHF (Ultrahigh Freq) 300-3000MHz 100-10cm

 Những lợi điểm của tần số siêu cao

• Giảm kích thước anten, kích thước mạch

• Cho phép mở rộng băng thông kênh truyền

• Cho phép truyền qua tầng điện ly

• Ít ảnh hưởng của nhiễu công nghiệp

 1.1 Mô hình tương đương tham số tập trung

 1.2 Các đại lượng đặc trưng

 1.3 Tỷ số sóng đứng

 1.4 Đồ thị Smith

 1.5 Các đường truyền tổn hao

 1.6 Các công nghệ dây dẫn sóng cực ngắn

 Khác biệt mấu chốt giữa lý thuyết mạch và lý thuyếtđường dây là ở chỗ kích thước mạch điện.

 LTM giả thiết kích thước của mạch nhỏ hơn rất nhiều

so với bước sóng, trong khi lý thuyết đường dây khảosát các mạch có kích thước so sánh được với bướcsóng, tức là coi đường dây như là một mạch có thông

số phân bố, trong đó áp và dòng có thể có biên độ vàpha thay đổi theo chiều dài của dây

x x+x

v(x,t) i(x,t) v(x+x,t)

 R [/m] : điện trở đơn vị của đường dây, hình thành do cấu trúc dây dẫn

và tạo nên tổn hao trên đường truyền

 L [H/m]: điện cảm đơn vị, hình thành do cấu trúc dây dẫn đường truyền, không thể đo được giá trị tại một điểm mà chỉ đo được trên một đơn vị chiều dài

 C [F/m]: điện dung đơn vị, hình thành do dòng điện chạy qua hai dây dẫn trên đường truyền

 G [S/m]: điện dẫn đơn vị, hình thành do sự cách điện không được lý tưởng giữa hai đường truyền

= -(G+jωC) V(x+Δx,ω) Δx

I(x,ω)

= -(G+jωC) V(x,ω) x

2

V(x,ω)

= (R+jωL)(G+jωC) V(x,ω) x

I(x,ω)

= (R+jωL)(G+jωC)I(x,ω) x

Phương trình truyền sóng

 Nghiệm của phương trình truyền sóng

 Nghiệm của phương trình truyền sóng

 Nghiệm của phương trình truyền sóng

* Trong trường hợp tổn hao thấp:

* Trong trường hợp tổn hao thấp:

Tìm giới hạn và triển khai công thức, ta có

Vì Nên R/jL và G/jC là các vô cùng bé so với 1

R<<ωL G<<ωC

f) Hệ số phản xạ

Sự phản xạ công suất

g) Hệ số phản xạ tại tải:

h)Trở kháng đường dây:

h)Trở kháng đường dây:

h)Trở kháng đường dây:

h)Trở kháng đường dây:

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

j) Dẫn nạp đường dây

k) Trở kháng chuẩn hóa – Dẫn nạp chuẩn hóa:

l) Suy hao phản hồi (Return Loss-RL)

Khi tải không đuợc phối hợp thì không phải tất cả công suất khả dụng từ nguồn được phát tới tải Tổn thất này

được gọi là Suy hao phản hồi (RL) và được định nghĩa

(theo dB) là

 Với đường truyền có tải được phối hợp trở kháng sẽkhông có hiện tượng phản xạ, biên độ điện áp dọc theođường truyền là |V+|.

 Với đường truyền có tải ZL bất kỳ sẽ tồn tại sóng phản

xạ như phần trên đã đề cập Sóng tới và sóng phản xạ

tạo nên hiện tượng sóng đứng trên đường truyền.

 1/ Cho tải có trở kháng ZL =130 + j90 (Ω) kết cuốiđường dây 50 Ω có chiều dài 0,7 λ Hãy tìm:

 Hệ số phản xạ tại tải?

 Hệ số phản xạ tại điểm cách tải 0,3λ?

 Hệ số phản xạ tại đầu vào đoạn đường dây?

 Trở kháng vào?

 Hệ số SWR và RL (Return Loss)?

 Hệ số phản xạ tại tải:

 Hệ số phản xạ tại điểm cách tải 0,3λ:

 Hệ số phản xạ tại đầu vào đoạn đường dây?

 Trở kháng vào?

 Hệ số SWR và RL (Return Loss)?

Γ = Γ.

 2/ Cho tải có trở kháng ZL =40 + j20 (Ω) kết cuốiđường dây 75 Ω có chiều dài 0,3 λ Hãy tìm:

 3/ Đường truyền không tổn hao kết cuối với tải có trởkháng ZL =100 (Ω), nếu SWR=1.5 Hãy tìm trở khángđặc tính có thể?

0.2 100

Z

Z Z

 Giản đồ Smith, do P Smith đưa ra năm 1938 tại BellTelephone Laboratories, là phương pháp đồ thị đượcdùng rộng rãi nhất cho các bài toán về trở kháng và cáchiện tượng trên đường dây truyền sóng.

 Thực chất là đồ thị cực của hệ số phản xạ điện áp Γ

 Trong tọa độ Smith người ta dùng trở kháng chuẩn hóaz=Z/Z0 thay cho Z.

 Với đường dây không tổn hao:Γ = =

 Viết lại dưới dạng phương trình đường tròn :

 Đây là các phương trình của 2 họ đường tròn trong mặtphẳng Γr, Γi:

họ các đường tròn điện trở

họ các đường tròn điện kháng

 Ví dụ 1: Trở kháng của một mạch điện

 Ví dụ 1: Trở kháng của một mạch điện

 Ví dụ 2: Cho tải có trở kháng ZL =130 + j90 (Ω) kết cuốiđường dây 50 Ω có chiều dài 0,3 λ Hãy tìm hệ số phản

xạ tại tải và hệ số phản xạ tại đầu vào đoạn đường dây, trởkháng vào, hệ số SWR và RL ?

 Giải: Trở tải chuẩn hóa zL = ZL/Z0 = 2,60 + j1,8

→ Tìm giao điểm đường tròn rL = 2,60 và xL = 1,8 trên giản đồ M

→ dùng compa đo đoạn OM rồi đối chiếu với thang |Γ| để có |Γ|= 0,6 ⇒ SWR = 3,98, RL = 4,4 dB

→ kéo dài đoạn OM để có được góc pha của hệ số phản xạ tại tải theo vòng

chia độ ở ngoài giản đồ: 21,80

→ vẽ vòng tròn bán kính OM

→ Tìm vị trí của tia OM và vòng chia độ theo bước sóng hướng về nguồn phát

(WTG: Wavelengths – toward – generator) cho giá trị 0,22 λ.

→ di chuyển điểm 0,22 λ đi một đoạn 0,3 λ về phía nguồn sẽ cho giá trị 0,52 λ,giá trị này ứng với 0,02 λ.Vẽ tia từ tâm 0 qua điểm 0,02 λ,tia này cắt vòng tròn bán kính OM tại điểm ứng với Zin = 0,255 + j 0,117 sau đó ⇒ Z i n = Z0 Zin = 12,7 + j 5,8 (Ω)

Góc pha của Γ tại đầu đoạn đường dây là 165,8 0

 Ví dụ 3: Cho tải ZL = 100 + j 50 Ω kết cuối đường dây có trở kháng đặc trưng 50 Ω Tìm dẫn nạp của tải và dẫn nạp vào của đoạn đường dây 0,15 λ.

 Ví dụ 4: Cho đường truyền không tổn hao có trở kháng đặc tính 50Ω , chiều dài 0.47λ, tải , ZL=150+j90 Ω

 Ví dụ 5 Giả sử có một đường truyền sóng không tổn hao, trở

kháng đặc tính Z 0 , chiều dài l, đầu cuối kết cuối bởi tải chuẩn hóa

zL = ZL/Z0 = 1 + j1 Biết rằng bước sóng lan truyền là λ=5cm, tìm

vị trí các điểm bụng và nút điện áp đầu tiên kể từ tải tức d(Vmax) và d(Vmin) và hệ số sóng đứng S trên đường dây Tìm trở kháng đường dây chuẩn hóa tại điểm cách tải một đọan d=λ/4=125 cm.

 Ví dụ 5: Giải

 Xem ví dụ tr61-69

 Xem sách trang 69

 2.1 PHTK với phần tử điện kháng tham số

 Khi có phối hợp trở kháng, toàn bộ công suất từ nguồn

sẽ được đưa đến tải tiêu thụ

 Khi không phối hợp trở kháng, công suất phản xạ về cóthể làm hỏng nguồn phát

 Khi không phối hợp trở kháng tiêu hao trên đường dâytăng

 Khi không phối hợp trở kháng xuất hiện các điểm bụng

và nút gây quá áp và quá dòng

 Các phần tử điện kháng trong hình có thể là C hoặc Ltùy thuộc vào ZL.

 Có 8 khả năng xảy ra:

 Ví dụ 6: Thiết kế mạng để PHTK giữa tải ZL và đường truyền có trở kháng đặc tính Ro như sau:

 Ví dụ 6:

E

 Ví dụ 6:

 Ví dụ 7:

 Ví dụ 7:

TH1:

 Ví dụ 7:

TH2:

 Ví dụ 8: Thiết kế một mạng phối hợp L để phối hợp một tải

RC nối tiếp có trở kháng ZL =200 − j100 Ω với một đường dây 100 Ω tại tần số hoạt động 500 MHz.

 Sử dụng một đoạn đường truyền ngắn mạch hoặc hở mạch (gọi là "dây chêm") kết nối song song hoặc nối tiếp với đường truyền chính ở một khoảng cách nhất định kể từ tải.

 Hai tham số có thể điều chỉnh là khoảng cách d từ tải tới vị trí dây chêm

và trị số của điện nạp hay điện kháng tạo ra bởi dây chêm song song hoặc

nối tiếp

 Dây chêm song song

song song dùng một dây chêm hở mạch để phối hợp một tải có trở kháng 15 + j10Ω với một đường truyền 50Ω Giả thiết rằng tải được phối hợp tại tần số 2GHz và rằng tải gồm một điện trở và một điện cảm mắc nối tiếp.

Giải: - Tìm điểm zL = 0,3 + j 0,2 dẫn nạp yL

- Đường SWR cắt vòng (1 + jb) tại 2 điểm y1, y2

- Khoảng cách d được cho bởi 1 trong 2 giá trị tương ứng trên thang WTG

 Dây chêm nối tiếp

với một đường truyền 50Ω sử dụng dây chêm đơn hở mạch mắc nối tiếp Giả thiết rằng tải được phối hợp tại 2GHz, và rằng tải gồm một điện trở và một điện cảm mắc nối tiếp?

 Giải: -Tìm zL = 2 + j1,6, vẽ vòng SWR

- Đường tròn SWR cắt vòng 1+jx tại 2 điểm Z1, Z2.

- Đối chiếu trên thang WTG

⇒d1 = 0,328 – 0,208= 0,120 λ z1 = 1 – j 1,33

d2 = (0,5 – 0,208) + 0,172 = 0,463 λ z2= 1 + j 1,33

Độ dài của 1 dây chêm hở mạch có thể tìm được khi xuất phát từ

z = ∞ Dịch chuyển dọc theo mép ngoài của giản đồ (r= 0) về

phía nguồn tới điểm j 1,33 ⇒ l1 = 0,397 λ

l2 = 0,103 λ = 0,25 – 0,147 = 0,5 – 0,103

* Để khảo sát sự phụ thuộc vào tần số của SWR cần tính ra R =

100 Ω và L = 6,37 nH rồi vẽ lại sơ đồ mạch dùng kết quả ở trên

i

v D

C

B A

i

v

 Ví dụ 3.1:Tính toán ma trận ABCD cho mạng 2 cửa

sau:

 Ví dụ 3.2:Tính toán ma trận ABCD cho mạng 2 cửa

 Ma trận trở kháng Z:

 Mỗi phần tử trở kháng trong ma trận có thể được xác định như sau:

là tỉ số điện áp đo được tại cổng n và dòng điện vào cổng m

trong điều kiện hở mạch các cổng khác (i k = 0; )

Y Y

Y Y

Y

Y

Y Y

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

2 1

2

2 22

1

21

1 12

11 2

1

 I   Y  V

for k m

v m

n

nm k

v

i Y

 Ví dụ 3.5: Cho mạng sau, tìm ma trận trở kháng và dẫn

nạp cho mạng sau:

 Ma trận tán xạ S cho một mạng 2 cửa như sau:

11 0

 Công suất tại cổng 1

Nếu hệ số phản xạ S11 = 0 Công suất sóng tới (incidentpower) tại cổng 1 là cực đại:

2 1 2

1

2 1

2 2

1

in ref

inc

a b

a P

P

2 2 2

2

2 2

2 2

1

out

a b

a

2 2

 Thông số mắt xích, còn gọi là thông số chuyển đổiphân bố, thông số tán xạ hay thông số T, được sử dụng

12 11

1

1

a

b T

T

T T

a a

T T

T T

22 21

12 11

b b

T T

T T

22 21

12 11

b

1

b

a a

T T

T T

22 21

12 11

b b

T T

T T

22 21

12 11

12 11

1

1

a

b T

T

T T

b

a

a a

a a

, 2

22 21

12 11

, 1

, 1

a

b T

T

T T

b

a

b b

b b

, 2

22 21

12 11

22 21

12 11

1

1

a

b T

T

T T

T T

T T

b

a

b b

b b

a a

a a

Riêng ma trận ABCD: A=D

 c/ Bảo toàn năng lượng

 Transisitor:

VD: 2SC3355 là transistor loai Silicon, sử dụng cho các

bộ khuếch đại nhiễu thấp tại dải tần VHF, UHF và CATV{2SC3355 NEC NPN, f=1.0GHZ ; Vce=10V, Ic=40mA}

 Diode:

 CÂU 3: Tìm ma trận Z và Y của mạng 2 cổng

Mạng hình π, T?

Câu 4: Phối hợp một tải trở kháng ZL = 600+j480Ω vớimột đường truyền 300Ω sử dụng dây chêm đơn hở mạchmắc nối tiếp Giả thiết rằng tải được phối hợp tại 2GHz,

và rằng tải gồm một điện trở và một điện cảm mắc nốitiếp?

Bài 1: Cho đường truyền có L=0.1uH/m , C=200pF/m,

R=5  /m, G=0.01S/m

Tính hằng số truyền sóng, trở kháng đặc tính tại 500MHz Tính lại khi không có tổn hao (R=G=0).

Bài 2: Cho đường truyền không tổn hao, chiều dài điện l=0.5λ,

kết cuối với tải phức Tìm hệ số phản xạ tại tải, SWR, trở kháng vào Biết trở kháng đặc tính Z0=75, trở kháng tải