BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN Biên soạn: ThS Phạm Hùng Kim Khánh ThS Nguyễn Trọng Hải KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN Ấn 2015 MỤC LỤC I MỤC LỤC MỤC LỤC I HƯỚNG DẪN IV BÀI 1: ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SÓNG 1.1 TỔNG QUAN 1.1.1 Tầm quan trọng thiết kế tần số 1.1.2 Tác động RF lên thành phần thụ động 1.2 PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN SĨNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY 1.2.1 Mơ hình vật lý, thơng số sơ cấp 1.2.2 Phương trình truyền sóng 1.2.3 Nghiệm phương trình truyền sóng 10 1.2.4 Các thông số thứ cấp 11 1.2.5 Các phương trình truyền sóng thực tế 13 1.3 HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ SÓNG TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN 15 1.4 TỶ SỐ SÓNG ĐỨNG ĐIỆN ÁP 18 1.5 TRỞ KHÁNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY- DẪN NẠP TRÊN ĐƯỜNG DÂY 20 1.6 ĐƯỜNG TRUYỀN MỘT PHẦN TƯ BƯỚC SÓNG 23 1.7 ĐƯỜNG TRUYỀN NỬA BƯỚC SÓNG 24 1.8 CÔNG SUẤT TRONG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG 24 1.9 ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SÓNG VÀ ỐNG DẪN SÓNG 25 1.9.1 Phương trình tổng quát 25 TÓM TẮT 30 CÂU HỎI ÔN TẬP 30 BÀI 2: ĐỒ THỊ SMITH 37 2.1 KHÁI NIỆM 37 2.2 HỆ SỐ PHẢN XẠ VÀ TRỞ KHÁNG TẢI 37 2.2.1 Hệ số phản xạ 37 2.2.2 Trở kháng chuẩn hóa 38 2.3 ĐỒ THỊ SMITH 38 2.3.1 Đồ thị Smith trở kháng 38 2.3.2 Đồ thị Smith dẫn nạp 45 2.3.3 Các kết nối song song nối tiếp 47 2.4 ỨNG DỤNG ĐỒ THỊ SMITH 50 2.4.1 Biến đổi trở kháng đường truyền 50 2.4.2 Tỷ số sóng đứng 51 TÓM TẮT 51 CÂU HỎI ÔN TẬP 52 BÀI 3: MA TRẬN TÁN XẠ 56 II MỤC LỤC 3.1 KHÁI NIỆM 56 3.1.1 Ma trận trở kháng Z 56 3.1.2 Ma trận dẫn nạp Y 57 3.1.3 Ma trận H (hybrid) 58 3.1.4 Ma trận ABCD 59 3.1.5 Kết nối ma trận 60 3.1.6 Biến đổi qua lại ma trận 62 3.1.7 Ma trận tán xạ S 62 3.1.8 Ma trận thông số chuyển đổi T 66 3.1.9 Biến đổi thông số Z S 67 3.2 ỨNG DỤNG MA TRẬN TÁN XẠ 67 3.2.1 Mạch khuếch đại siêu cao tần 67 3.2.2 Mạch khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amplifier) 71 3.2.3 Mạch khuếch đại công suất cực đại (max gain) 72 TÓM TẮT 73 CÂU HỎI ÔN TẬP 74 BÀI 4: PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG 75 4.1 GIỚI THIỆU 75 4.2 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG DÙNG CÁC PHẦN TỬ THỤ ĐỘNG (MẠNG L) 76 4.2.1 Dùng công thức 77 4.2.2 Dùng đồ thị Smith 78 4.3 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG DÙNG DÂY CHÊM 84 4.3.1 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm (Single-stub) 84 4.3.2 Phối hợp trở kháng dùng hai dây chêm (Double-stub) 87 4.4 GHÉP ¼ BƯỚC SÓNG 90 4.5 LÝ THUYẾT PHẢN XẠ NHỎ 92 4.5.1 Ghép đoạn 92 4.5.2 Ghép nhiều đoạn 93 4.6 GHÉP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG ĐA ĐOẠN DẠNG NHỊ THỨC 95 4.7 GHÉP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG ĐA ĐOẠN CHEBYSHEV 96 4.8 TIÊU CHUẨN BODE – FANO 99 TÓM TẮT 101 CÂU HỎI ÔN TẬP 102 BÀI 5: MẠCH CỘNG HƯỞNG 103 5.1 MẠCH CỘNG HƯỞNG SONG SONG VÀ NỐI TIẾP 103 5.1.1 Mạch cộng hưởng nối tiếp 103 5.1.2 Mạch cộng hưởng song song 106 5.2 MẠCH CỘNG HƯỞNG DÙNG ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SÓNG 108 5.2.1 Đường dây ½ bước sóng ngắn mạch 108 5.2.2 Đường dây ¼ bước sóng ngắn mạch 109 5.2.3 Đường dây ½ bước sóng hở mạch 110 MỤC LỤC III TÓM TẮT 112 CÂU HỎI ÔN TẬP 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 IV HƯỚNG DẪN HƯỚNG DẪN MÔ TẢ MÔN HỌC Kỹ thuật siêu cao tần môn học cho chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử Truyền thơng Mơn học giới thiệu phương pháp tính tốn thơng số đường truyền sóng, cách sử dụng đồ thị Smith, số thiết kế mạch NỘI DUNG MÔN HỌC  Bài Đường dây truyền sóng  Bài Đồ thị Smith  Bài Ma trận tán xạ  Bài Phối hợp trở kháng  Bài Mạch cộng hưởng KIẾN THỨC TIỀN ĐỀ Môn học Kỹ thuật siêu cao tần địi hỏi sinh viên có tảng Trường điện từ, Giải tích mạch điện YÊU CẦU MÔN HỌC Người học phải dự học đầy đủ buổi lên lớp làm tập đầy đủ nhà CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC Để học tốt môn này, người học cần ôn tập học, trả lời câu hỏi làm đầy đủ tập; đọc trước tìm thêm thơng tin liên quan đến học Đối với học, người học đọc trước mục tiêu tóm tắt học, sau đọc nội dung học Kết thúc ý học, người đọc trả lời câu hỏi ôn tập kết thúc toàn học, người đọc làm tập HƯỚNG DẪN V PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC Môn học đánh giá gồm:  Điểm trình: 30% Hình thức nội dung giảng viên định, phù hợp với quy chế đào tạo tình hình thực tế nơi tổ chức học tập  Điểm thi: 70% Hình thức thi tự luận 60 phút Nội dung gồm tập thuộc thứ đến thứ BÀI 1: ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SÓNG BÀI 1: ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SĨNG Sau học xong này, người học có thể: - Biết khái niệm đường dây truyền sóng - Phân biệt khác biệt đường dây truyền sóng đường truyền khác - Hiểu tác động tần số cao lên thành phần thụ động RLC - Phân tích hiểu phương trình truyền sóng, tượng phản xạ, tỷ số sóng đứng trở kháng đường truyền sóng - Nắm phương trình truyền song thực tế 1.1 TỔNG QUAN Khi thiết kế tương tự số phát triển, tần số họat động mạch điện tử cao, ví dụ: thơng tin vơ tuyến có tần số hoạt động khoảng GHz, hệ thống định vị toàn cầu có tần số sóng mang khoảng 1227,60 đến 1575,42MHz, khuếch đại nhiễu thấp hệ thống thống tin khoảng 1,9GHz tích hợp board mạch nhỏ, tần số hệ thông thông tin vệ tinh băng C 4GHz tuyến lên 6GHz tuyến xuống… Một cách tổng quát, với phát triển nhanh chóng thơng tin vơ tuyến, mạch khuếch đại, lọc, dao động trộn thiết kế hoạt động tần số 1GHz, thiết kế lúc khơng cịn thỏa mãn điều kiện tần số thấp 1.1.1 Tầm quan trọng thiết kế tần số Một hệ thống RF tổng quát cho Hình 1.1 Sơ đồ có khối thu phát tích hợp mạch phát thu sử dụng anten để liên lạc Tín hiệu ngõ vào (tín hiệu thoại tín hiệu số từ máy tính) xử lý số, nén để giảm thời gian truyền, mã hóa để triệt nhiễu lỗi truyền Cuối tín hiệu đưa đến anten thông qua BÀI 1: ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SĨNG chuyển đổi DAC Tín hiệu tần số thấp trộn với tín hiệu sóng mang tần số cao cung cấp dao động nội sau khuếch đại cơng suất đưa đến anten truyền không gian Các ứng dụng thông dụng sơ đồ trên: điện thoại tế bào, mạng cục không dây WLANs DIGITAL CIRCUIT MIXER DAC PA OSC Transmitter Power Switch Receiver Power Amp ADC LPF PA Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống RF tổng quát Xét khuếch đại công suất 2GHz điện thoại tế bào Phân cực, C VBB chặn RF C VCC C C R R C RFOUT R C RFIN C C C C Phối hợp trở kháng Phối hợp trở kháng ngõ vào ngõ Hình 1.2: Bộ khuếch đại công suất 2GHz điện thoại tế bào 100 BÀI 4: PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG - Tăng băng thông đồng nghĩa với tăng hệ số khuếch đại m - m  = 0, nghĩa mạch phối hợp trở kháng tuyệt đối tần số (Hình 4.22b) - Khi RC tăng, chất lượng mạch giảm Do đó, mạch có hệ số phẩm chất cao khó thực phối hợp trở kháng mạch có hệ số phẩm chất thấp Hình 4.21: Chuẩn Bode – Fano cho tải RL RC BÀI 4: PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG 101 Hình 4.22: Mơ tả chuẩn Bode – Fano TĨM TẮT Bài trình bày cách thực phối hợp trở kháng đường dây truyền sóng tải Phương pháp phối hợp trở kháng dùng phần tử thụ động (mạng L) gồm dạng mạch tính tốn thơng qua cơng thức hay dùng đồ thị Smith Phương pháp phối hợp trở kháng dây chêm thực dây chêm hay hai dây chêm Mạch dùng dây chêm thực cho trở kháng tải khoảng cách dây chêm tải thay đổi tải thay đổi Điều gây khó khăn hiệu chỉnh mạch Vấn đề giải cách thực mạch gồm dây chêm Tuy nhiên, dạng mạch khơng thích hợp cho tất loại trở kháng tải 102 BÀI 4: PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG Mạch phối hợp trở kháng dùng đường truyền ¼ bước sóng mạch phối hợp trở kháng đơn giản hiệu cho tải trở Ngoài ra, ta cịn thực mạch phối hợp trở kháng dùng nhiều đoạn ghép với tính tốn theo nhị thức hay theo đa thức Chebyshev CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Thiết kế mạch phối hợp trở kháng dạng L cho tải ZL = 100 – j100  với đường dây truyền sóng 200  tần số 500 MHz Câu 2: Thiết kế mạch phối hợp trở kháng dùng dây chêm hở mạch cho tải ZL = 100 + j80  với đường dây truyền sóng 75  Câu 3: Thiết kế mạch phối hợp trở kháng dùng dây chêm ngắn mạch cho tải ZL = 100 + j80  với đường dây truyền sóng 75  Câu 4: Tìm l Z1 mạch phối hợp trở kháng hình vẽ Câu 5: Thiết kế mạch phối hợp trở kháng dùng đa thức Chebyshev đoạn cho đường dây truyền sóng 50  với tải 30  Cho SWR cực đại dải tần thiết kế 1,25 BÀI 5: MẠCH CỘNG HƯỞNG 103 BÀI 5: MẠCH CỘNG HƯỞNG Sau học xong này, người học có thể: - Hiểu mạch cộng hưởng - Biết loại mạch cộng hưởng 5.1 MẠCH CỘNG HƯỞNG SONG SONG VÀ NỐI TIẾP Mạch cộng hưởng siêu cao tần có nhiều ứng dụng mạch lọc, mạch dao động, đo tần số khuếch đại Cơ chế hoạt động mạch giống mạch cộng hưởng dùng phần tử thụ động lý thuyết mạch 5.1.1 Mạch cộng hưởng nối tiếp Hình 5.1: Mạch cộng hưởng nối tiếp trở kháng ngõ vào Trở kháng ngõ vào: 104 BÀI 5: MẠCH CỘNG HƯỞNG 𝑍𝑖𝑛 = 𝑅 + 𝑗𝜔𝐿 − 𝑗 (5.1) 𝜔𝐶 Công suất phức truyền tới mạch cộng hưởng: 1 2 𝑃𝑖𝑛 = 𝑉𝐼 ∗ = 𝑍𝑖𝑛 |𝐼|2 (5.2) Công suất tiêu hao R: 𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 = 𝑅 |𝐼|2 (5.3) Năng lượng trường điện C trường từ L: 1 𝜔2 𝐶 𝑊𝑒 = |𝐼|2 (5.4) 𝑊𝑚 = |𝐼 |2 𝐿 (5.5) Hiện tượng cộng hưởng xảy lượng trường điện trường từ Tần số xảy tượng cộng hưởng gọi tần số cộng hưởng 0: 𝜔0 = (5.6) √𝐿𝐶 Một thông số quan trọng mạch cộng hưởng hệ số phẩm chất Q: 𝑄=𝜔 𝑊𝑒 +𝑊𝑚 (5.7) 𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 Hệ số phẩm chất Q thân mạch cộng hưởng (khi khơng có tải), ký hiệu Q0 Tại tần số cộng hưởng 0: 𝑄0 = 𝜔0 𝑊𝑒 +𝑊𝑚 𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 = 𝜔0 𝐿 𝑅 = (5.8) 𝜔0 𝑅𝐶 Xét vùng tần số lân cận tần số cộng hưởng, cho  = 0 +  Trở kháng ngõ vào: 𝑍𝑖𝑛 = 𝑅 + 𝑗𝜔𝐿 (1 − 𝜔2 𝐿𝐶 𝜔2 −𝜔02 ) = 𝑅 + 𝑗𝜔𝐿 ( 𝜔2 ) (5.9) Mà: 𝜔2 − 𝜔02 = (𝜔 + 𝜔0 )(𝜔 − 𝜔0 ) ≈ Δ𝜔 2𝜔 (5.10) BÀI 5: MẠCH CỘNG HƯỞNG 105 Thế vào (5.9): 𝑍𝑖𝑛 ≈ 𝑅 + 𝑗2Δ𝜔𝐿 = 𝑅 + 𝑗 2𝑅𝑄0 Δ𝜔 𝜔0 (5.11) Một cộng hưởng có tổn hao mơ hình cộng hưởng khơng tổn hao cách thay tần số cộng hưởng 0 tần số: 𝜔0 (1 + 𝑗 2𝑄0 ) (5.12) Thật vậy, từ (5.11), với R = 0: 𝑍𝑖𝑛 ≈ 𝑗2Δ𝜔𝐿 = 𝑗2𝐿(𝜔 − 𝜔0 ) (5.13) Thay 0 (5.13) (5.12): 𝑍𝑖𝑛 ≈ 𝑗2𝐿 (𝜔 − 𝜔0 (1 + 𝑗 2𝑄0 )) = 𝜔0 𝐿 𝑄0 + 𝑗2𝐿(𝜔 − 𝜔0 ) = 𝑅 + 𝑗2𝐿Δ𝜔 (5.14) Công thức (5.14) tương tự (5.11) Phương pháp thường dùng để tính tốn cho mạch cộng hưởng có tổn hao nhỏ, bắt đầu cách tính tốn cho mạch khơng tổn hao, sau thay tần số cộng hưởng 0 (5.12) Hình 5.2: Mạch cộng hưởng có tải Khi gắn thêm tải RL nối tiếp với điện trở R, điện trở mạch trở thành R+RL, hệ số phẩm chất mạch là: 𝑄𝐿 = 𝑄𝑒 + 𝑄0 (5.15) Trong đó: 𝑄𝑒 = 𝜔0 𝐿 𝑅𝐿 (5.16) 106 BÀI 5: MẠCH CỘNG HƯỞNG Băng thông mạch cộng hưởng: 𝐵𝑊 = (5.17) 𝑄0 5.1.2 Mạch cộng hưởng song song Trở kháng ngõ vào: 𝑍𝑖𝑛 = 1 + +𝑗𝜔𝐶 𝑅 𝑗𝜔𝐿 (5.18) Công suất phức truyền tới mạch cộng hưởng: 1 |𝑉|2 ∗ 𝑍𝑖𝑛 𝑃𝑖𝑛 = 𝑉𝐼 ∗ = (5.19) Hình 5.3: Mạch cộng hưởng song song trở kháng ngõ vào Công suất tiêu hao R: 𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 = |𝑉|2 𝑅 Năng lượng trường điện C trường từ L: (5.20) BÀI 5: MẠCH CỘNG HƯỞNG 𝑊𝑒 = |𝑉 |2 𝐶 (5.21) 1 𝜔2 𝐿 𝑊𝑚 = |𝑉 |2 107 (5.22) Tần số cộng hưởng: 𝜔0 = (5.23) √𝐿𝐶 Hệ số phẩm chất: 𝑄0 = 𝑅 𝜔0 𝐿 (5.24) = 𝜔0 𝑅𝐶 Xét vùng tần số lân cận tần số cộng hưởng, cho  = 0 +  Trở kháng ngõ 𝑍𝑖𝑛 ≈ 𝑅 1+𝑗2Δ𝜔𝑅𝐶 = 𝑅 1+𝑗2𝑄0 Δ𝜔 𝜔0 (5.25) Một cộng hưởng có tổn hao mơ hình cộng hưởng không tổn hao cách thay tần số cộng hưởng 0 tần số: 𝜔0 (1 + 𝑗 2𝑄0 ) (5.26) Khi R = : 𝑍𝑖𝑛 = 𝑗2𝐶(𝜔−𝜔0 ) (5.27) Khi gắn thêm tải RL song song với điện trở R, hệ số phẩm chất mạch là: 𝑄𝐿 = 𝑄𝑒 + 𝑄0 (5.28) Trong đó: 𝑄𝑒 = 𝑅𝐿 𝜔0 𝐿 (5.29) Băng thơng mạch cộng hưởng: 𝐵𝑊 = 𝑄0 (5.30) 108 BÀI 5: MẠCH CỘNG HƯỞNG 5.2 MẠCH CỘNG HƯỞNG DÙNG ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SĨNG 5.2.1 Đường dây ½ bước sóng ngắn mạch Hình 5.4: Đường dây truyền sóng ngắn mạch phân bố điện áp với n = (l = /2) n = (l = ) Tại tần số cộng hưởng 0, chiều dài đường dây truyền sóng /2 Trở kháng ngõ vào: 𝑍𝑖𝑛 = 𝑍0 tanh(𝛼𝑙)+𝑗𝑡𝑎𝑛(𝛽𝑙) 1+𝑗𝑡𝑎𝑛(𝛽𝑙) tanh(𝛼𝑙) (5.31) Nếu đường dây truyền sóng khơng tổn hao: (5.32) 𝑍𝑖𝑛 = 𝑗𝑍0 𝑡𝑎𝑛(𝛽𝑙 ) Trong thực tế, đường dây truyền sóng thường có tổn hao thấp, l