Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ phát dữ liệu không dây ở dải sóng uhf

  • Số trang: 67 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 12 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ    HOÀNG MINH HẢI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ PHÁT DỮ LIỆU KHÔNG DÂY Ở DẢI SÓNG UHF LUẬN VĂN THẠC SỸ HÀ NỘI – 2012 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ    HOÀNG MINH HẢI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ PHÁT DỮ LIỆU KHÔNG DÂY Ở DẢI SÓNG UHF Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG HÀ NỘI - 2012 3 MỤC LỤC MỤC LỤC ..............................................................................................................................................3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................5 CHƯƠNG 1............................................................................................................................................9 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TIN VÔ TUYẾN ............................................9 1.1. Hệ thống thu phát thông tin vô tuyến ........................................................................................9 1.2. Giới thiệu về các hệ thống thu phát vô tuyến .............................................................................9 CHƯƠNG 2.......................................................................................................................................... 14 LÝ THUYẾT SIÊU CAO TẦN ........................................................................................................... 14 2.1. Tổng quan về siêu cao tần ....................................................................................................... 14 2.1.1. Giới thiệu chung .................................................................................................................14 2.1.2. Lý thuyết đường truyền ........................................................................................................15 2.1.3. Mô hình tương đương tham số tập trung của đường truyền ..................................................15 2.1.4. Biểu đồ Smith .....................................................................................................................19 2.1.4.1. Họ vòng tròn đẳng điện trở r............................................................................................21 2.1.4.2. Họ vòng tròn đẳng điện kháng x........................................................................................22 2.1.4.3. Vòng tròn đẳng || ............................................................................................................22 2.1.4.4. Vòng tròn đẳng S ...............................................................................................................23 2.1.5. Các kỹ thuật phối hợp trở kháng ..........................................................................................27 2.2. Bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) ......................................................................... 29 2.2.1. Khái niệm ................................................................................................................................. 29 2.2.2. Mạch tạo dao động kiểu ba điểm .............................................................................................. 31 2.2.3. Mạch tạo dao động 3 điểm điện dung ....................................................................................... 32 .......................................................................................................................................................... 32 2.3. Mạch vòng bám pha .................................................................................................................... 36 2.3.1. Giới thiệu chung ...................................................................................................................36 2.3.2. Tổng quan về vòng bám pha (PLL) .......................................................................................37 2.3.2.1. Bắt chập và giữ chập .........................................................................................................39 2.3.2.2. Đặc trưng chuyển tần số sang điện áp ................................................................................39 4 2.3.3. Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha ....................................................................................41 2.4. Mạch khuếch đại công suất .......................................................................................................... 42 CHƯƠNG 3.......................................................................................................................................... 45 CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ...................................................................................................... 45 3.1 Thiết kế, chế tạ 2SC3355: ......................................................................................... 45 .............................................................................................................................45 3.1.2. Kết quả, nhận xét .................................................................................................................49 3.2. Mạch khuếch đại công suất 1W ................................................................................................... 54 3.2.1. Yêu cầu và thiết kế .................................................................................................................... 54 3.2.2. Mô Phỏng mạch Khuếch đại công suất bằng phần mềm ADS:................................................... 55 3.2.3. Mạch Layout: ........................................................................................................................... 59 3.2.4. Đo đạc và kiểm chứng công suất ra .......................................................................................... 60 KẾT LUẬN .......................................................................................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................. 67 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ EHF Extremely High Frequecy Tần số cực cao FM Frequency Modulation Điều chế tần số IF Intermediate Frequency Tần số trung tần LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch 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 UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng điện áp. 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy phát trực tiếp Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý máy thu giải điều chế trực tiếp (Hommodyme) Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý máy phát qua trung tần. Hình 2.1 Dây dẫn song song và sơ đồ tƣơng đƣơng. Hình 2.2Họ vòng tròn đẳng điện trở Hình 2.3Họ vòng tròn đẳng điện kháng Hình 2.4Vòng tròn đẳng điện trở và điện kháng trên cùng đồ thị Hình 2.5Họ vòng tròn đẳng || Hình 2.6 Đồ thị Smith chuẩn Hình 2.7 Biểu diễn điểm bụng và điểm nút của sóng đứng trên biểu đồ Smith Hình 2.8Sơ đồ thuật toán của bộ tạo dao động Hình 2.9 Sơ đồ thuật toán biểu diễn tín hiệu theo thời gian Hình 2.10Sơ đồ khối hệ dao động tự kích Hình 2.11Sơ đồ tạo dao động ba điểm tổng quát Hình 2.12Mạch tạo dao động 3 điểm điện dung Hình 2.13 Sơ đồ một số mạch VCO Colpitts tần số cao Hình 2.14Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha(PLL) Hình 2.15 Đặc trƣng chuyển tần số - điện áp của PLL Hình 2.16 Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp Hình 2.17 Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha. Hình 2.18 Mạng 2 cửa của transistor Hình 2.19Đồ thị luồng tín hiệu của mạng 2 cửa Hình 2.20Mạchkhuếch đại công suất Hình 3.1. Độ lợi đạt đƣợc thông thƣờng của 2sc3355 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch VCO sử dụng 2sc3355 Hình 3.3 Sơ đồ tính toán giá trị varicap Hình 3.4 Sơ đồ hoàn chỉnh Hình 3.5 PCB của VCO trên giao diện phần mềm Altium design Hình 3.6Ảnh chụp mạch thật VCO dùng 2SC3355 7 Hình 3.7Đo đạc tín hiệu Hình 3.8Các tần số và hài của VCO Hình 3.9 Tần số VCO theo điện áp điều khiển Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mô phỏng lối vào phiên bản 1 Hình 3.11 Kết quả mô phỏng lối vào phiên bản 1 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý lối ra phiên bản 1 Hình 3.13 Kết quả mô phỏng lối ra phiên bản 1 Hình 3.14Sơ đồ nguyên lý mô phỏng lối vào phiên bản 1 Hình 3.15Kết quả mô phỏng lối vào phiên bản 1 Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý lối ra phiên bản 1 Hình 3.17 Kết quả mô phỏng lối ra phiên bản 1 Hình 3.18 Layout phiên bản 1 Hình 3.19 Layout phiên bản 2 Hình 3.20 Sơ đồ đo đạc và kiểm chứng công suất Hình 3.21 Đo khuếch đại công suất trên mạch thực Hình 3.22 Đo công suất lối ra bộ khuếch đại công suất Hình 3.23 Dải thông của bộ khuếch đại công suất 8 MỞ ĐẦU Hệ thống thu, phát vô tuyến chiếm một vị trí quan trọng trong mạng lƣới viễn thông của mỗi quốc gia trên thế giới.Đất nƣớc càng phát triển thì đồng nghĩa với đó là các hệ thống viễn thông càng phức tạp.Thông tin phát đi là ký tự; âm thanh; hình ảnh hoặc số liệu dƣới một hình thức tín hiệu điện hay xung điện kết nối điểm điểm hay đa điểm. Ở nƣớc ta hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, truyền thông toàn cầu, mạng lƣới viễn thông cũng vô cùng phức tạp. Cùng với đó là các yêu cầu về an toàn thông tin cũng ngày càng đƣợc quan tâm. Do đó, hệ thống thu phát thông tin vô tuyến có rất nhiều ứng dụng trong thực tế nhƣ trong các hệ thu phát thông tin di động, thông tin vệ tinh, radar quân sự và dân sự,...Ngày nay trong thời kỳ kinh tế mở, các hệ thống thu phát có ứng dụng an toàn thông tin có mặt trong các lĩnh vực nhƣ thƣơng mại điện tử,ngân hàng, công nghiệp. Các hệ thống này đã góp phần vào việc bảo vệ an ninh quốc phòng và phát triển kinh tế đất nƣớc. Với tên đề tài Luận vănlà : “Nghiên Cứu Thiết Kế Chế Tạo Bộ Phát Dữ Liệu Không Dây Ở Dải Sóng UHF”, bằng lý thuyết và thực nghiệm, Luận văn đã thực hiện những nội dung sau: - Tìm hiểu về hệ thống thông tin vô tuyến - Tìm hiểu về lý thuyết siêu cao tần - Tìm hiểu sâu về VCO và chế tạo thành công một bộ VCO có tần số từ 847-860MHz - Tìm hiểu sâu về kỹ thuât phối hợp trở kháng và chế tạo thành công một khối khuếch đại công suất 1W, hoạt động ở dải tần 847MHz – 860MHz, hệ số khuếch đại trên 15dB. - Đánh giá kết quả đã đạt đƣợc trong Luận văn và kết luận. 9 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TINVÔ TUYẾN 1.1. Hệ thống thu phát thông tin vô tuyến Hiện nay, trên thế giới đang sử dụng hai loại công nghệ mạng là : Công nghệ không dây(các thiết bị trong hệ thống mạng giao tiếp với nhau qua sóng Radio) vàCông nghệ có dây(các thiết bị trong hệ thống mạng giao tiếp với nhau thông qua cáp truyền dữ liệu). Vậy tại saotrên thế giới, mạng không dây lại đang chiếm ưu thế? Mạng không dây không dùng cáp cho các kết nối, thay vào đó, chúng sử dụng sóng Radio. Ƣu thế của mạng không dây là khả năng di động và sự tự do, ngƣời dùng không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nối. Những ƣu điểm của mạng không dây bao gồm: - Khả năng di động và sự tự do – cho phép kết nối từ bất kỳ đâu. - Không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nối. - Dễ lắp đặt và triển khai. - Không cần mua cáp. - Tiết kiệm thời gian lắp đặt cáp. - Dễ dàng mở rộng. Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thông tin vô tuyến thì thiết bị vô tuyến đã đóng một vai trò rất quan trọng trong việc truyền tải tin tức đi xa.Truyền dẫn thông tin vô tuyến là phƣơng thức dùng không gian làm môi trƣờng truyền tin, với các ƣu điểm về khoảng cách, tốc độ truyền tin và sự cơ động, thông tin vô tuyến hiện nay đang là giải pháp tối ƣu cho các hệ thống viễn thông. Ngoài ra, miền ứng dụng của các hệ thống thông tin vô tuyến cũng rất rộng, nó có thể sử dụng cho các hệ truyền dẫn thông tin di động, thông tin vệ tinh, phát thanh, truyền hình, các đài radar quân sự và dân sự phục vụ cho an ninh quốc phòng, an sinh xã hội và phát triển kinh tế đất nƣớc. 1.2. Giới thiệu về các hệ thống thu phát vô tuyến Có rất nhiều loại hệ thống thu phát vô tuyến với các loại kiến trúc máy thu và kiến trúc máy phát khác nhau. Sau đây là một vài kiến trúc máy thu và kiến trúc máy phát điển hình: 10 1.2.1. Máy thu-phát trực tiếp (Direct-Conversion Transmisters) Sơ đồ nguyên lý: Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy phát trực tiếp Máy phát trực tiếp có ƣu điểm là đơn giản vì thế giá thành rẻ. Nhƣng nó có nhƣợc điểm là tần số của bộ dao động nội LO chính là tần số phát, khi bị phản xạ từ anten gây nhiễu cho LO. Sơ đồ nguyên lý : Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý máy thu giải điều chế trực tiếp (Hommodyme) Loại kiến trúc máy thu này có ƣu điểm là đơn giản, dễ tích hợp, công suất thấp. Tuy nhiên, nó có nhƣợc điểm là: 11 - Xuất hiện thành phần 1 chiều ĐƢỢC offset, nguyên nhân là do cách ly giữa 2 cổng của bộ trộn tần. - I/Q mismatch: do bộ trộn IQ Demodulator hoạt động ở tần số cao nên bộ vuông pha 90 hoạt động không chính xác hoàn toàn và đọ suy giảm của nó làm cho biên độ và pha của các tín hiệu không hoàn toàn bằng nhau. - Độ nhạy kém do bộ lọc băng thông có dải thông rộng. 1.2.2. Máy thu- phát qua trung tần: Sơ đồ nguyên lý: Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý máy phát qua trung tần Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý bộ thusiêu ngoại sai 12 Bảng 1: Các khối trong hệ thống thu phát Modulated signal Bộ điều chế tín hiệu. Mixer Bộ trộn tần: có nhiệm vụ trộn tần số ở lối vào và tần số VCO . Drive amplifier Tầng khuếch đại đệm, đây là bộ khuếch đại tạp âm thấp có mục đích kích công suất tín hiệu lên trƣớc khi đƣa vào bộ khuếch đại công suất Power amplifier VCO LNA  Bộ khuếch đại công suất lớn: phát công suất tối đa là 1w. Với điều kiện 2 anten nhìn thấy nhau có thể phát đi trong khoảng cách 10km Bộ tạo dao động ngoại sai: có nhiệm vụ phát ra tín hiệu cao tần UHF làm sóng mang cho tín hiệu mang thông tin. Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA): đây là một modul khuếch đại đặc biệt, sử dụng trong các hệ vô tuyến để khuếch đại những tín hiệu rất yếu đƣợc thu từ anten. Nó thƣờng đƣợc đặt rất gần anten thu để giảm thiểu suy hao. Khi sử dụng bộ khuếch đại này ở máy thu thì ồn nhiễu của những tầng sau sẽ đƣợc giảm bởi hệ số khuếch đại của nó. Trong khi đó, ồn nhiễu của LNA lại đƣợc cộng trực tiếp vào tín hiệu nhận đƣợc. Việc sử dụng LNA là cần thiết để tăng công suất tín hiệu mong muốn, còn tạp nhiễu sẽ đƣợc xử lý ở những tầng tiếp theo. 13 IF amplifier Detector Demodulation  Bộ khuếch đại trung tần khuếch đại công suất tín hiệu trung tần sau khi lấy ra khỏi bộ trộn tần số trƣớc khi đƣợc xử lý ở các tầng tiếp theo.  Bộ tách sóng: có nhiệm vụ tách lấy thông tin mong muốn. bộ giải điều chế để thu đƣợc tín hiệu mong muốn.  Anten phát và anten thu Ƣu điểm của bộ thu-phát trung tần là :Tránh đƣợc nhiễu dao động nội do phản xạ, độ ổn định tần số cao hơn thu-phát trực tiếp. Sử dụng băng thông hẹp hơn nên chất lƣợng máy thu tốt hơn. Nhƣợc điểm: Do có nhiều khối nên phức tạp và tốn kém hơn so với thu-phát trực tiếp. Nguyên lý: Tại máy phát, tín hiệu sau khi đƣợc điều chế sẽ đƣợc đƣa vào bộ trộn tần với sóng dao động nội có tần số thích hợp để tín hiệu cuối cùng có sóng mang ở băng UHF. Sóng mang cao tần đƣợc tạo ra bởi mạch tạo dao động điều khiển bằng điện áp có khả năng điều khiển tần số linh hoạt với dải điều chỉnh rộng, phát tín hiệu đã đƣợc điều chế đi với khoảng cách xa nhờ một bộ khuếch đại đệm trƣớc khi đƣa vào khuếch đại công suất và phát đi bởi anten. 14 CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT SIÊU CAO TẦN 2.1. Tổng quan về siêu cao tần 2.1.1. Giới thiệu chung Thuật ngữ “viba” hay sóng siêu cao tần (microwaves) là để chỉ những sóng điện từ có bƣớc 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 trên toàn thế giới. Giới hạn trên của dải thƣờng đƣợc coi là tới 300 GHz (f = 3.1011 Hz), ứng với bƣớc sóng  = 1 mm (sóng milimet), còn giới hạn dƣới có thể khác nhau tùy thuộc vào các quy ƣớc theo tập quán sử dụng. Một số nƣớc coi "sóng cực ngắn" là những sóng có tần số cao hơn 30 MHz (bƣớc sóng  ≤ 10m ), còn một số nƣớc khác coi "viba" là những sóng có tần số cao hơn 300 MHz (bƣớc sóng  ≤ 1 m ). Tần số (Hz) 3.105 sóng dài 3.106 sóng trung 3 10 3.107 2 3.109 sóng mét (VHF) sóng ngắn 10 3.108 10 3.1010 3.1011 Vi ba 1 -1 10 3.1014 ánh sáng nhìn thấy Hồng ngoại -2 10 -3 10 -6 10 Bƣớc sóng (m) Trong ứng dụng thực tế, dải tần của vi ba còn đƣợc chia thành các băng tần nhỏ hơn nhƣ - UHF (Ultra High Frequency): f = 300 MHz ÷ 3 GHz - SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz - EHF (Extremely High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz 15 2.1.2. Lý thuyết đường truyền Khi nghiên cứu đƣờng truyền đối với các tín hiệu tần số thấp, ta thƣờng coi các đƣờng dây nối (hay đƣờng truyền) là ngắn mạch.Điều này chỉ đúng khi kích thƣớc của mạch là nhỏ hơn bƣớc 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 đƣờng truyền. Trong các hệ thống siêu cao tần và sóng milimet, bƣớc sóng của tín hiệu có thể bằng hoặc nhỏ hơn kích thƣớc của các bộ phận và đƣờng truyền của chúng. Điều này có nghĩa là có thể diễn ra những thay đổi quan trọng về pha tín hiệu dọc theo đƣờng 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 đƣờng truyền. Điều này sẽ dẫn đến sự tổn hao năng lƣợng trên đƣờng truyền do năng lƣợng bị phản xạ. Lƣợng năng lƣợng bị phản xạ đƣợc xác định bởi hệ số phản xạ , có quan hệ với trở kháng. 2.1.3. Mô hình tương đương tham số tập trung của đường truyền Hình 2.1 Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương 16 Nhìn chung, các đƣờng truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song để tín hiệu điện áp truyền qua. Trƣớc hết chúng ta khảo sát một đƣờng truyền gồm một cặp dây dẫn song song nhƣ hình vẽ 2.1. Hai dây dẫn này đƣợc 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 ngƣợc 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 đƣờng truyền đƣợc biểu diễn trên sơ đồ tƣơng đƣơng nhƣ hình vẽ 2.1,điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian. Phương trình sóng và nghiệm Ta viết phƣơng trình Kirchoff cho mạch điện tƣơng đƣơng trong hình 2.1, ta có: I z  I z  z  GzU z  Cz U z t (2.1.1) U z  U z  z  RzI z  Lz U z t (2.1.2) Nếu đƣờng truyền ∆z ngắn thì: I z  z  I z  z I z U z ;U z  z  U z  z z z (2.1.3) Do đó ta có: I z  I z  z I z U z  GzU z  Cz z t (2.1.4) Suy ra: I z U     GU z  C z  z t   (2.1.5) Và U z  U z  z U z  I  I     I z  z z  Rz  Lz  I z  z z  z  z  t  z  2 Bỏ qua số hạng trong (∆z) và chia cho ∆z ta đƣợc (2.1.6) 17 U z I     RI z  L z  z t   (2.1.7) Cặp phƣơng trình (1.3.5) và (1.3.7) đƣợc gọi là cặp phƣơng trình điện báo và hoàn toàn có tính chất khái quát, các điện áp và dòng điện trên dây ở bất kỳ vị trí hay thời điểm nào qua bốn tham số dây dẫn G, C, R và L. Thông thƣờng thì ta chỉ quan tâm đến một tín hiệu hình sin tần số đơn có dạng: U  U 0 e jt (2.1.8) Lấy vi phân phƣơng trình trên ta có: U  jU 0 e jt  jU t (2.1.9) Trong trƣờng hợp này, (2.1.5) và (2.1.7) trở thành: I z  G  Cj U z z (2.1.10) U z  R  Lj  I z z (2.1.11) Ta thấy phƣơng trình (2.1.10) và (2.1.11) giống dạng của phƣơng trình điện báo Maxwell. Thay thế giá trị Iz vào phƣơng trình (2.1.10) và Uzvào phƣơng trình (2.1.11) ta đƣợc:  2U z  R  jL G  jC U z   2U z 2 z (2.1.12)  Iz  R  jL G  jC I z   2 I z z 2 2 (2.1.13) Phƣơng trình (2.1.12) và (2.1.13) là các phƣơng trình sóng một chiều cho điện áp và dòng điện tƣơng ứng. Nghiệm của các phƣơng trình này có dạng:   U  z , t   U1e  z  U 2e z e jt  I  z , t   I1e  z z   I 2e e (2.1.14) jt (2.1.15) Ở đây, U1,U2, I1, và I2 là các hằng số của phép tính tích phân và đƣợc xác định bằng các điều kiện biên của dây cụ thể,  đƣợc gọi là hệ số truyền sóng phức và đƣợc xác định nhƣ sau:   R  jL G  jC  Ta thấy hệ số truyền sóng là hàm của tần số. (2.1.16) 18 Theo phƣơng trình (2.1.16) hệ số truyền sóng  chứa cả các thành phần thực và ảo nên nó đƣợc viết dƣới dạng:     j (2.1.17) Thay thế (2.1.17) vào nghiệm tổng quát (2.1.14) và (2.1.15) U  z, t   U1e z e j t z   U 2e z e j t z  (2.1.18a) I  z , t   I 1e z e j t  z   I 2 e z e j t  z  (2.1.18b) Trong số hạng thứ nhất (bao gồm U1 hoặc I1), thừa số e  z có biên độ giảm khi z tăng. Thành phần hàm mũ thứ hai e jt   z  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 1  t1   L1  t2   L2 , và t2> t1 nên cần phải có L2> L1 vì cả  và  đều dƣơng, do đó điểm của pha dịch chuyển theo hƣớng z dƣơng. Số hạng thứ nhất này biểu thị một sóng truyền về phía trƣớc, hay sóng tiến hoặc sóng thuận có biên độ giảm theo hàm mũ tƣơng ứng với khoảng cách truyền. Số hạng thứ hai (liên quan đến U2 và I2) biểu thị sóng truyền theo hƣớng z âm hay sóng lùi hoặc sóng ngƣợc có biên độ giảm khi z âm (khi thời gian tăng lên). Nhƣ vậy nghiệm toàn bộ của phƣơng trình sóng là tổng của hai sóng lan truyền theo hai hƣớng ngƣợc nhau. U z   U f e z  U be z I z   I f e z  I be z (2.1.19a) (2.1.19b) Các chỉ số f và b là tƣơng ứng với sóng tiến và sóng lùi. Vì tham số  của phƣơng trình (2.1.18) biểu thị sự suy giảm biên độ của các sóng, nó thƣờng đƣợc 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: N  10 logW1 / W2  ; (tính theo dB) N  0,5 lnW1 / W2  ; (tính theo neper) Sóng sẽ suy giảm N (neper) khi biên độ của nó thay đổi exp(-N) giữa hai điểm của một dây dẫn. Từ hai tỷ 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/. 19 Số hạng  mô tả sự biến thiên về pha của các sóng lan truyền và đƣợc gọi là hằng số pha. Các đơn vị của  là radian/m hoặc độ/m. Độ dài của một bƣớc sóng () khi pha có độ lệch là 2, do đó:   2 hoặc   2  (2.1.20) Trong trƣờng hợp dây dẫn lý tƣởng và không có tổn hao (R = G = 0) thì  = 0 và    LC Theo (1.3.19) và áp dụng các phƣơng trình điện báo (2.1.10) và (2.1.11) ta có dòng truyền sóng: I  z   U 0 e z  U 0 e z  R  j L (2.1.21) So sánh (1.19b) và (1.21) ta định nghĩa đƣợc Z0 bởi sóng chuyển động tiến và lùi: U 0 U 0 Z0     I0 I0 (2.1.22) Ta gọi Z0 là trở kháng sóng hay trở kháng đặc trƣng của đƣờng truyền. Z0  R  jL   R  jL G  jC (2.1.23) Nếu dây dẫn không tổn hao ta có: Z0  L C (2.1.24) 2.1.4. Biểu đồ Smith Biểu đồ này do P.H. Smith lập ra năm 1983 đã làm giảm nhẹ đáng kể các tính toán về đƣờng truyền. Tuy rằng máy tính đã phát triển với sự hỗ trợ tính toán mạnh mẽ nhƣng biểu đồ này vẫn rất thuận tiện cho việc tính toán thông thƣờng và kiểm nghiệm lý thuyết.Ngày nay, biểu đồ Smith là một phần của thiết kế máy tính (CAD) với phần mềm thiết kế siêu cao tần. Nhờ có nó ta có thể dễ dàng tính toán, hiểu đƣợc mạch lọc đƣờng truyền siêu cao tần, dễ dàng giải quyết các công việc của kỹ thuật siêu cao tần nhƣ vấn đề phối hợp trở kháng,… Đồ thị này chính là biểu diễn hình học của hệ thức: ZL  1  R0 1  (2.1.25) 20 Hay viết dƣới dạng trở kháng chuẩn hoá: zL  1  1  (2.1.26) trong đó zL=ZL/R0 chính là trở kháng chuẩn hoá theo R0. Thay    ei ta viết lại (2.1.26) dƣới dạng: zL  1   e i (2.1.27) 1   e i Một giá trị bất kỳ của hệ số phản xạ  có thể đƣợc biểu diễn lên hệ toạ độ cực dƣới dạng một bán kính vectơ  và góc pha . Nhƣ 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. Thay zL  rL  ixL và    r  ii vào (2.1.26) ta nhận đƣợc: rL  ix L  (1  r )  ii (1  r )  ii (2.1.28) Trong đó rL và x L lần lƣợt 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 đƣợc 2 họ đƣờng cong, một họ gồm những đƣờng đẳng điện trở r = const và một họ gồm những đƣờng đẳng điện kháng x = const. Cân bằng phần thực và phần ảo của (2.1.28) ta đƣợc 2 phƣơng trình: 1  L2  i2 rL  (1  r ) 2  i2 (2.1.29) 2i2 xL  (1  r ) 2  i2 (2.1.30) Sau khi biến đổi (2.1.29) và (2.1.30) ta nhận đƣợc:  r  r  L 1  rL  2   1   i2     1  rL 2      1  1  (r  1)   i      xL    xL  2 2 (2.1.31) 2 (2.1.32) Mỗi phƣơng trình trên biểu thị một họ đƣờng tròn trong mặt phẳng  r , i
- Xem thêm -