Tiểu luận siêu cao tần-Đồ thị dòng tín hiệu và ứng dụng

TIỂU LUẬN MÔN KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN Đề Tài: Tìm hiểu về đồ thị dòng tín hiệu và ứng dụng MỞ ĐẦU I.Phân tích mạng siêu cao tần 1.Khái niệm về mạng siêu cao tần 2. Phân tích mạng siêu cao tần II.Đồ thị dòng tín hiệu 1.Khái niệm đồ thị dòng tín hiệu 2. Đồ thị dòng tín hiệu biểu diễn mạng 2 cổng 3. Đồ thị dòng tín hiệu biểu diễn mạng 1 cổng 4. Các quy tắc phân tích đồ thị dòng tín hiệu III.Ứng Dụng KẾT LUẬN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰCKHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

TIỂU LUẬN MÔN KỸ THUẬT

SIÊU CAO TẦN

Đề Tài: Tìm hiểu về đồ thị dòng tín hiệu

và ứng dụng

Người hướng dẫn : TS.Hồ Mạnh Cường

Người thực hiện : Hoàng Nghĩa Sáng

Mã sinh viên : 18810540010 Lớp : D13DT&KTMT

Mở đầu ……… 1

Phần I: Phân tích mạng siêu cao tần ……… … 2

1 Khái niệm về mạng siêu cao tần……… 2

2 Phân tích mạng siêu cao tần ……… 2

Phần II: Đồ thị dòng tín hiệu……… ……… 4

1 Khái niệm đồ thị dòng tín hiệu ………4

2 Đồ thị dòng tín hiệu biểu diễn mạng 2 cổng……….5

3 Đồ thị dòng tín hiệu biểu diễn mạng 1 cổng……….6

4 Các quy tắc phân tích đồ thị dòng tín hiệu ……… 7

Phần III:Ứng Dụng Kết luận……… 11

MỞ ĐẦU

Siêu cao tần là một lĩnh vực đặc thù của ngành Điện tử Viễn thông, khảo sát các hiện tượng truyền sóng và đặc tính hoạt động của các mạch điện ở tần sốsiêu cao Vùng tần số được định nghĩa là siêu cao tùy thuộc hoàn toàn vào quan điểm của người phân tích thiết kế và sử dụng thiết bị mà không nhất thiết phải giới hạn từ mốc tần số nào trở lên Có thể diễn giải một cách nôm na tần số tín hiệu là siêu cao khi kích thước của mạch điện so sánh được với bước sóng truyền của tín hiệu

Với sự phát triển vượt bậc như thế thì môn kỹ thuật siêu cao tần đã trởthành một môn học chuyên ngành cho nhiều ngành khoa học, kỹ thuậtnhư:Điện, Điện tử,Tin học,Viễn thông,Tự động hóa

Trong xu hướng bùng nổ của kỹ thuật viễn thông trên thế giới, nhất là kỹthuật mới về thông tin vệ tin, vi ba, ra đa, quang học, các vấn đề về về kỹ thuậtSiêu cao tần lại trở thành một vấn đề rất quan trọng của các nhà nguyên cứu,thiết kế và phát triển kỹ thuật mới

Đồ thị dòng tín hiệu là một kỹ thuật bổ sung rất hữu ích cho việc phântích các mạng siêu cao tần theo sóng truyền và sóng phản xạ Vì vậy, trong quá

trình học môn Kỹ thuật siêu cao tần em đã được sự hướng dẫn của thầy Hồ Mạnh Cường em đã tìm hiểu và nghiên cứu về đề tài “Tìm hiểu về đồ thị dòng

tín hiệu và ứng dụng ”

Phần I: Phân tích mạng siêu cao tần.

1.Khái niệm về mạng siêu cao tần

Các mạch điện hoạt động ở tần số thấp ở đó kích thước mạch tương đối nhỏ so với bước sóng có thể được xem là liên kết các phần tử tập trung tích cực

và thụ động có điện áp và dòng điện được xác định tại bất cứ điểm nào trên mạch Trong tình huống này các kích thước mạch đủ nhỏ sao cho sự thay đổi về pha nhỏ không đáng kể giữa một điểm này với một điểm khác trong mạch Ngoài ra, các trường có thể được xem như là các trường TEM hỗ trợ bởi hai haynhiều dây dẫn Điều này dẫn tới một loại nghiệm cận tĩnh điện cho các phương trình Maxwell và các định luật Kirchhoff cho điện áp và dòng điện cùng các khái niệm về trở kháng trong lý thuyết mạch Như bạn đọc đã biết, có nhiều kỹ thuật mạnh và hữu ích cho phân tích các mạch điện tần số thấp Nói chung, các

kỹ thuật này không thể áp dụng trực tiếp cho các mạch cao tần Tuy nhiên, mục đích của chương này là chỉ ra các khái niệm về mạch và mạng có thể được mở rộng như thế nào để giải quyết nhiều bài toán phân tích và thiết kế cao tần được quan tâm trong thực tế Lý do chính để làm điều này là ta sẽ dễ dàng hơn khi áp dụng các ý tưởng đơn giản và trực giác của phân tích mạch cho một bài toán caotần so với việc giải các phương trình Maxwell cho cùng bài toán Phân tích trường cho ta nhiều thông tin về bài toán đang được xem xét hơn những gì ta thực sự muốn hoặc cần Tức là, do nghiệm của các phương trình Maxwell cho một bài toán đã cho là hoàn chỉnh, nó cho ta các trường điện và từ tại mọi điểm trong không gian Nhưng thường chúng ta chỉ quan tâm đến điện áp hay dòng điện tại các cực, công suất chảy qua thiết bị hay một số đại lượng "toàn cục" khác tương phản với mô tả chi tiết về đáp ứng tại mọi điểm trong không gian Một lý do khác cho việc sử dụng phân tích mạch hay mạng là vì khi đó sẽ rất dễsửa đổi bài toán gốc, hoặc kết hợp một số phần tử khác nhau lại và tìm đáp ứng

mà không cần phân tích chi tiết hành vi của mỗi phần tử khi kết hợp với các lân cận của nó Phân tích trường sử dụng các phương trình Maxwell cho những bài toán như vậy khó khăn vô ích Tuy nhiên có những tình huống ở đó các kỹ thuậtmạch như vậy được coi là đơn giản quá mức và dẫn tới những kết quả không chính xác Trong những trường hợp như vậy ta phải sử dụng phương pháp phân tích trường với các phương trình Maxwell Một phần trong chương trình đào tạo

các kỹ sư cao tần là tạo khả năng xác định khi nào các khái niệm phân tích mạch có thể áp dụng và khi nào thì chúng cần phải được loại trừ Trình tự cơ bản cho phân tích mạng cao tần được mô tả như sau: Trước tiên chúng ta xét một loạt bài toán kinh điển, cơ bản sử dụng phân tích trường và các phương trình Maxwell (Như ta đã thực hiện trong Chương cho nhiều loại đường truyền

và ống dẫn sóng khác nhau) Khi thực hiện điều này chúng ta cố gắng đạt được các đại lượng có thể có liên hệ trực tiếp tới một tham số đường truyền hay mạchđiện Ví dụ, khi ta phân tích các đường truyền và ống dẫn sóng khác nhau chúng

ta đã rút ra hằng số truyền lan và trở kháng đặc tính của đường truyền Điều nàycho phép đường truyền hay ống dẫn sóng được coi như một phần tử phân bố đặctrưng bởi độ dài, hằng số truyền lan và trở kháng đặc tính của nó Tới đây, chúng ta có thể kết nối nhiều phần tử khác nhau và sử dụng lý thuyết đường truyền và/hoặc lý thuyết mạch để phân tích hành vi của toàn bộ hệ thống các phần tử, kể cả các hiệu ứng như hệ số phản xạ, tổn hao, chuyển đổi trở kháng,

và chuyển tiếp từ một loại môi trường truyền dẫn này sang môi trường khác (chẳng hạn từ cáp đồng trục sang đường truyền vi dải) Như chúng ta sẽ thấy, chuyển tiếp giữa các đường truyền khác nhau hay các điểm gián đoạn trên đường truyền nhìn chung không thể được xem là một kết nối đơn giản giữa hai đường truyền mà phải được xét bởi một số kiểu mạch điện tương đương để tính cho cả các điện kháng liên quan tới sự chuyển tiếp hay sự gián đoạn

Trở kháng , điện áp và dòng điện tương đương

+ Việc đo điện áp và dòng điện ở dải siêu tần rất là khó khăn Trường hợp có các cặp điện cực là loại sóng TEM (cáp đồng trục, đường truyền dải) có thể dễ dàng hơn loại phi TEM

Ở đây đường tích phân bắt đầu từ dây (+) và kết thúc ở dây (-)

+ Trường hợp đường truyền không phải là loại sóng TEM (Ống dẫn sóng) Xét mode chủ đạo TE10 (giả thiết hằng số truyền sóng của đường truyền).

Ở phương trình phụ thuộc vào vị trí x cũng như độ dài lấy tích phân dọc theo chiều y Từ cơ sở này người ta xây dựng phương trình điện áp và dòng điện tương đương cho trường hợp tổng quát:

2 Phân tích mạng siêu cao tần

2.1 Ma trận truyền ABCD

Các mạng SCT thường gặp trong thực tế bao gồm một mạng 2 cổng hoặc dãy cascade của các mạng 2 cổng Các ma trận đặc trưng (S, Z, Y) của dãy các mạng 2 cổng bằng tích các ma trận 2 x 2 (ABCD) của mạng 2 cổng

Ma trận ABCD được định nghĩa :

Hình 1.1Kết nối mạng hai cổng:

Hình 1.2

Quan hệ với ma trận trở kháng:

Ta có:

Bảng các tham số ABCD của một số mạng hai cổng hữu ích:

Hình 1.32.2 Ma trận trở kháng và ma trận dẫn nạp

tại một điểm nhất định trên cổng thứ n, một mặt phẳng kết cuối tn được định nghĩa điện áp và dòng điện tương đương cho các sóng tới (Vn + , In + ) và sóng phản xạ (Vn - , In - ) như hình

-Ma trận tán xạ được định nghĩa theo mối quan hệ qua sóng tới, sóng phản xạtại cổng.

Trong đó tham số Sii là hệ số phản xạ nhìn từ cổng i khi các cổng khác được kếtcuối bằng tải phối hợp, tham số Sij là hệ số truyền từ cổng j tới cổng i khi cáccổng khác được kết cuối bằng tải phối hợp + Các tham số tán xạ liên hệ với tínhiệu điện áp tới và phản xạ, được tính: + Ma trận [S] được xác định qua các matrận [Z] hoặc [Y]: Giả sử trở kháng đặc tính của tất cả các cổng Z0n = 1

Phần II: Đồ thị dòng tín hiệu.

1.Khái niệm đồ thị dòng tín hiệu.

-Là một kỹ thuật bổ sung rất hữu ích cho việc phân tích mạng siêu cao tầntheo sóng truyền và sóng phản xạ

-Các thành phần chính của đồ thị dòng tín hiệu là các nút và nhánh.

+ Nút (Nodes): mỗi cổng i của mạng SCT có hai nút là ai và bi Nút aiđược định nghĩa là sóng vào (tới) cổng i, trong khi nút bi được định nghĩa làsóng phản xạ lại từ cổng i Điện áp tại một nút bằng tổng tất cả tín hiệu đi vàonút đó

+ Nhánh (branches): nhánh là đường dẫn có hướng giữa hai nút đại diệncho dòng tín hiệu từ nút này sang nút khác Mỗi nhánh có một tham số tán xạliên quan hoặc hệ số phản xạ

Sóng tới với biên độ a 1 được tách thành 2, phần qua S11 (và ra khỏi cổng 1 nhưmột sóng phản xạ b1) và phần truyền qua S21 tới node b2 Tại node b2 sóng ra khỏi cổng 2 Nếu có một tải với hệ số phản xạ zero được nối vào cổng 2 thì sóng này sẽ tái phản xạ một phần và đi vào mạng tại node a2 Một phần sẽ tái phản xạ ra khỏi cổng 2 qua S22 và 1 phần có thể được truyền ra khỏi cổng 1 quaS12

2.Đồ thị dòng tín hiệu biểu diễn mạng 2 cổng.

Hình biểu diễn một chuyển tiếp giữa một cáp đồng trục và một đường truyền vidải và được xem như la một ví dụ về một mạng hai cửa Các mặt phẳng kết cuối

có thể được xác định tại bất kỳ điểm nào trên hai đường truyền; một lựa chọnthuận tiện có thể được chỉ ra trên hình vẽ Nhưng do sự gián đoạn về mặt vật lýtại nơi chuyển tiếp nên năng lượng điện và /hoặc từ có thể được tích trữ gần chỗnối dẫn tới các hiệu ứng về phản kháng Đặc trưng cho các hiệu ứng như vậy cóthể đạt được bằng cách đo hay phân tích lý thuyết (mặc dù việc phân tích có thể

là khá phức tạp) và được biểu diễn bởi một "hộp đen" hai cửa như trên Hình (b).Các đặc điểm của chuyển tiếp khi đó có thể được biểu diễn theo các tham số

(a) định nghĩa sóng tới và sóng phản xa (b) đồ thị dòng tín hiệu Hình 2.1

3.Đồ thị dòng tín hiệu biểu diễn mạng 1 cổng.

Trong phần này chúng ta sẽ thảo luận một số đặc điểm cơ bản của trở khángđiểm nguồn đối với các mạng một cửa Trước hết xét mạng một cửa bất kỳ.Công suất phức được đưa tới mạng này được cho bởi

trong đó P` là thực và đại diện cho công suất trung bình được tiêu thụ bởi mạngcòn Wm và We đại diện cho năng lượng từ trường và điện trường tương ứng.Lưu ý rằng véc tơ pháp tuyến đơn vị trong Hình hướng vào bên trong khối Nếu

ta xác định các trường mode ngang thực e¯ và h¯ qua mặt phẳng cực của mạngsao cho

với sự chuẩn hóa sao cho

khi đó ( có thể được biểu diễn dưới dạng điện áp và dòng điện

Khi đó trở kháng vào sẽ là

Do đó chúng ta thấy rằng phần thực R của trở kháng vào liên hệ với công suấttiêu thụ trong khi phần ảo X liên quan tới năng lượng tĩnh tích trữ trong mạng.Nếu mạng là không tổn hao thì P`=0 và R=0 Khi đó Zin là thuần ảo với điệnkháng

nó là dương đối với tải là điện cảm (Wm > We) và là ảo đối với tải điện dung(Wm < We)

(a) mạng một cổng đồ và thị dòng tín hiệu (b) Nguồn và đồ thị dòng tín hiệu.

Hình 2.2

4.Các quy tắc phân tích đồ thị dòng tín hiệu.

- Quy tắc 1 (quy tắc nối tiếp): hai nhánh, có nút chung chỉ có một sóng đến và một sóng đi (các nhánh nối tiếp), có thể được kết hợp để tạo thành

một nhánh duy nhất có hệ số chính là tích của các hệ số nhánh ban đầu

Hình 2.4

Quy tắc 3 (quy tắc vòng tự lặp): Khi một nút có một vòng tự lặp (mộtnhánh bắt đầu và kết thúc trên cùng một nút) của hệ số S, thì vòng tự lặp cóthể được loại bỏ bằng cách nhân các hệ số của nhánh đi vào nút đó với 1/(1 - S)

Hình 2.5

Quy tắc 4 (quy tắc chia tách): Một nút có thể được chia tách thành hai nútriêng biệt miễn là đồ thị kết quả có chứa một và chỉ một tổ hợp của cácnhánh đầu vào, đầu ra riêng biệt (vòng không tự lặp) kết nối với nút banđầu

Hình 2.7

Phần III: Ứng dụng.

Đồ thị dòng tín hiệu được ứng dụng trong việc phân tích các hệ thống phản hồinhiều vòng lặp và xác định ảnh hưởng của một phần tử hoặc thông số cụ thểtrong một hệ thống phản hồi tổng thể

Chúng ta có thể sử dụng đồ thị dòng tín hiệu để tính toán các biểu thức vào racho các mạng n cổng

Ví dụ :

Ta có mạng 2 cổng như hình dưới

Hình 3.1

Từ đồ thị dòng tín hiệu chúng ta có thể suy ra được các biểu thức:

Ứng dụng đồ thị dòng tín hiệu để hiệu chuẩn trình phân tích mạng Lin

Thru-Reflect-Là một ứng dụng sâu hơn của đồ thị dòng tín hiệu, trong việc hiệu chuẩn máyphân tích mạng bằng kỹ thuật Thru-Reflect-Line (TRL) nó được dùng để đocác thông số tán xạ của thiết bị hai cổng

Hình 3.2

tại các mặt phẳng tham chiếu được chỉ định.Một mạng máy phân tích đo các thông số tán xạ là tỷ số của biên độ điện áp phức tạp Mặt phẳng cho các phép

đo như vậy thường ở một số điểm trong máy phân tích chính nó, vì vậy phép đo

sẽ bao gồm tổn thất và độ trễ pha do tác động của đầu nối, cáp và bộ chuyển tiếp phải được sử dụng để kết nối thiết bị cần thử nghiệm (DUT) vào máy phân tích các hiệu ứng này được gộp lại với nhau trong một hộp lỗi hai cổng được đặt ở mỗi cổng giữa mặt phẳng tham chiếu đo lường thực tế và mặt phẳng tham chiếu mong muốn cho DUT hai cổng Quy trình hiệu chuẩn được sử dụng để

xác định đặc điểm của các hộp lỗi trước khi đo DUT; sau đó lỗi thực tế đã được sửa chữa.Các tham số tán xạ của DUT có thể được tính toán từ dữ liệu đo được của mạng một cổng có thể được coi là phiên bản rút gọn của trường hợp hai cổng.

Chúng ta có thể sử dụng đồ thị luồng tín hiệu để suy ra bộ phương trình cần thiết để tìm các tham số phân tán cho các hộp lỗi trong quy trình hiệu chuẩn TRL áp dụng các kết nối Thru, Reflect và Line tại mặt phẳng tham chiếu choDUT và đo các thông số tán xạ cho ba trường hợp Giả định trở kháng đặc tính giống nhau cho các cổng 1 và 2, và các hộp lỗi là tương hỗ và giống hệt nhau cho cả hai cổng Các hộp lỗi được đặc trưng bởi ma trận tán xạ [S] và, cách khác, bởi ma trận ABCD Do đó S21 = S12 cho cả hai hộp lỗi Lưu ý rằng các cổng 1 và 2 của hộp lỗi nằm ở vị trí đối diện vì chúng được kết nối đối xứng Đểtránh nhầm lẫn trong ký hiệu, chúng ta sẽ biểu thị các thông số tán xạ đo được cho Thru, Reflect và Line các kết nối tương ứng là ma trận [T], [R] và [L].sắp xếp cho kết nối Thru và kết nối tương ứng đồ thị dòng tín hiệu Quan sát rằng chúng ta đã sử dụng thực tế rằng S21 = S12 và các hộp lỗi giống hệt nhau

và được sắp xếp đối xứng Biểu đồ luồng tín hiệu có thể dễ dàng giảm bằng cách sử dụng các quy tắc phân hủy để cung cấp các thông số tán xạ đo được tạimặt phẳng đo lường về các tham số tán xạ của các hộp lỗi như :

Theo phép đối xứng, chúng ta có T22 = T11, và theo phép tương hỗ, chúng ta cóT21 = T12.

Hình 3.3

Ta có:

để cung cấp các tham số tán xạ tại các mặt phẳng tham chiếu của DUT Bởi vìchúng ta đang làm việc với một tầng gồm ba mạng hai cổng, nên việc sử dụngcác tham số ABCD rất thuận tiện Do đó, chúng ta chuyển đổi các tham số tán

xạ của hộp lỗi thành các tham số ABCD tương ứng, và chuyển đổi các tham sốtán xạ đo được của tầng thành tham số Am Bm Cm Dm tương ứng Nếu chúng

ta sử dụng A B C D để biểu thị các tham số cho DUT, thì chúng ta có:

Kết Luận.

Qua bài báo cáo em đã hiểu và nắm vững lý thuyết về đồ thị dòng tínhiệu.Sử dụng thành thạo đồ thị dòng tín hiệu để phân tích các mạch siêu cao tầnphân bố đơn giản và tính toán các mạch phối hợp trở kháng.Thông qua môn học

kỹ thuật siêu cao tần, giúp em hiểu biết thêm nhiều thứ thông qua ứng dụng của

nó như thông tin vệ tinh, vi ba, radar, quang học

Do trình độ và thời gian còn hạn chế, em chưa thể tìm hiểu hết được cáckiến thức cũng như các ứng dụng của đồ thị dòng tín hiệu Vì vậy, báo cáo cònnhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý của thầy