(TIỂU LUẬN) môn học kỹ THUẬT SIÊU CAO tần đề tài tìm HIỂU về ĐƯỜNG TRUYỀN ĐỒNG PHẲNG và ỨNG DỤNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

MÔN HỌC : KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN

Đề Tài : TÌM HIỂU VỀ ĐƯỜNG TRUYỀN
ĐỒNG PHẲNG VÀ ỨNG DỤNG

Sinh viên thực hiện :NGUYỄN TRỌNG CHUYÊN
MSV : 18810540008
Giáo viên hướng dẫn : HỒ MẠNH CƯỜNG
LỚP : D13DT&KTMT


LỜI NÓI ĐẦU
Một trong những cột mốc quan trọng ban đầu của kỹ thuật vi sóng là sự phát triển của ống dẫn
sóng và các đường truyền dẫn khác để truyền tải điện năng với tần số cao với mức tổn thất thấp. Mặc
dù Heaviside đã xem xét khả năng lan truyền của sóng điện từ bên trong một ống rỗng kín vào năm
1893, nhưng ơng đã bác bỏ ý kiến này vì ơng tin rằng hai vật dẫn là cần thiết cho việc truyền năng
lượng điện từ. Năm 1897, Lord Rayleigh (John William Strutt) đã chứng minh bằng toán học rằng sự
truyền sóng trong ống dẫn sóng là khả thi đối với cả mặt cắt ngang hình trịn và hình chữ nhật .
Rayleigh cũng lưu ý rằng có thể có vơ số chế độ ống dẫn sóng của loại TE và TM và sự tồn tại của
tần số cắt, nhưng khơng có xác minh thực nghiệm nào được thực hiện vào thời điểm đó. Ống dẫn
sóng sau đó về cơ bản đã bị lãng quên cho đến khi nó được hai nhà nghiên cứu phát hiện lại một cách
độc lập vào năm 1936 . Sau các thí nghiệm sơ bộ vào năm 1932, George C. Southworth thuộc Công
ty AT&T ở New York đã trình bày một bài báo về ống dẫn sóng vào năm 1936. Cũng tại cuộc họp đó,
W. L. Barrow của MIT đã trình bày một bài báo về ống dẫn sóng trịn, với thực nghiệm xác nhận về
sự lan truyền. Các hệ thống vô tuyến và vi sóng ban đầu dựa vào các ống dẫn sóng, đường dây hai
dây và đường dây đồng trục để truyền dẫn. Ống dẫn sóng có ưu điểm là khả năng xử lý công suất cao
và suy hao thấp nhưng cồng kềnh và đắt tiền, đặc biệt là ở tần số thấp. Đường dây hai dây rẻ tiền
nhưng thiếu lớp che chắn. Các đường đồng trục được che chắn nhưng là một phương tiện khó để chế

tạo các thành phần vi sóng phức tạp. Các đường truyền phẳng cung cấp một giải pháp thay thế, dưới
dạng đường dải, đường microstrip, đường rãnh, ống dẫn sóng đồng phẳng và một số dạng hình học
liên quan khác. Các đường truyền này nhỏ gọn, chi phí thấp và có khả năng được tích hợp dễ dàng
với các thiết bị mạch tích cực, chẳng hạn như điốt và bóng bán dẫn, để tạo thành các mạch tích hợp vi
sóng. Đường dây dẫn phẳng đầu tiên có thể là đường dây đồng trục dải phẳng, tương tự như đường
dây dải, được sử dụng trong mạng phân chia điện sản xuất trong Thế chiến thứ hai , nhưng đường dây
phẳng không được phát triển mạnh cho đến những năm 1950. Dòng microstrip được phát triển tại các
phòng thí nghiệm của ITT và là đối thủ cạnh tranh của dòng dải. Các dòng microstrip đầu tiên sử
dụng chất nền điện môi tương đối dày, làm nổi bật hành vi không chế độ TEM và sự phân tán tần số
của dịng. Đặc tính này khiến nó ít được ưa chuộng hơn so với dải cho đến những năm 1960, khi các
chất nền mỏng hơn nhiều bắt đầu được sử dụng. Điều này làm giảm sự phụ thuộc vào tần số của
đường truyền, và hiện nay các đường dây microstrip thường là phương tiện được ưu tiên cho các
mạch tích hợp vi sóng.


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................... 2
MỤC LỤC.......................................................................................................................... 3
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................... 4
I : Cơ Sở Lý Thuyết Đường Truyền.................................................................................... 5
II : Đường Truyền Đồng Phẳng Coplanar-CPW................................................................. 6
1: Khái niệm chung....................................................................................................... 6
2 : Đường truyền sóng đồng phẳng............................................................................. 7
3: Ống dẫn sóng đồng phẳng........................................................................................ 9
4: Ứng dụng của ống dẫn sóng đồng phẳng.............................................................. 10
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 12
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 13

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện Đề tài tiểu luận , em đã tìm hiểu bổ xung và học hỏi được nhiều kiến
thức về các đường truyền sóng đặc biệt là đường truyền đồng phẳng.
Do điều kiện về thời gian và kiến thức còn hạn chế nên tiểu luận của em chỉ dừng lại ở mức
nghiên cứu, thiết kế và mơ phỏng bằng mơ hình. Trong thời gian thực hiện , em đã tham khảo ý
kiến của giảng viên hướng dẫn, tìm hiểu tài liệu và sự hỗ trợ góp ý từ giảng viên cũng như bạn
bè và các anh chị đi trước. Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót,
em rất mong nhận được sự góp ý của q thầy cơ và các bạn để tiểu luận của em được hoàn thiện
hơn, và tạo lập cho em có một cơ sở nhìn nhận về khả năng, kiến thức, từ đó có hướng phấn tốt
hơn cho các đề tài tiểu luận tiếp theo.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông Trường Đại Học Điện
Lực đã dạy bảo, truyền đạt kiến thức cho chúng em trong suốt q trình học tập, các thầy cơ đã
giúp đỡ và tạo điều kiện cho chúng em trong quá trình học môn học Kỹ thuật siêu cao tần.
Đặc biệt , em xin gửi lời chân thành cảm ơn đến thầy giáo HỒ MẠNH CƯỜNG – Giảng viên
trường Đại học Điện Lực đã trực tiếp hỗ trợ, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và bổ sung kiến thức
cho em trong quá trình thực hiện và hồn thiện đề tài này.
Trong q trình thực hiện đề tài khơng tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được sự góp ý
của thầy cơ và các bạn .

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn !


I : Cơ Sở Lý Thuyết Đường Truyền.
Xét ở nhiều khía cạnh lý thuyết đường truyền làm cầu nối cho sự cách biệt giữa phép phân tích
trường và lý thuyết mạch cơ sở, và vì vậy nó rất quan trọng trong phân tích mạch siêu cao tần. Như
chúng ta sẽ thấy, hiện tượng lan truyền sóng trên các đường dây có thể được tiếp cận từ việc mở rộng
lý thuyết mạch, hoặc từ sự biến đổi đặc biệt các phương trình Maxwell; Trong khn khổ của
chương trình chúng ta sẽ chỉ trình bày cách tiếp cận từ quan điểm lý thuyết mạch cơ

sở và chỉ ra sự truyền lan sóng này được mơ tả bởi các phương trình rất giống các phương

trình sóng cho truyền lan sóng phẳng như thế nào.
Khi khoảng cách từ nguồn đến tải của một mạch điện có chiều dài so sánh được với bước
sóng hoặc lớn hơn nhiều lần so với bước sóng thì tín hiệu được phát đi từ nguồn phải mất
một khoảng thời gian (một vài chu kỳ) để lan truyền đến tải. Ta gọi đó là hiện tượng truyền
sóng trên đường dây.
Truyền sóng siêu cao tần trên đường dây có các hệ quả sau:


Có sự trễ pha của tín hiệu tại điểm thu so với

tín hiệu tại điểm phát. vr(t) = vt(t - τ.l)
Khoảng thời gian trễ này sẽ tỷ lệ với chiều dài của đường truyền. Trong đó τ là khoảng thời
gian cần thiết để sóng di chuyển được một đơn vị chiều dài của đường truyền [s/m]



Có sự suy hao biên độ

tín hiệu khi lan truyền vr(t) =
K(l).vt(t - τ.l)


Có sự phản xạ sóng trên tải và trên nguồn. Điều này dẫn đến hiện tượng sóng

đứng trên đường dây.
Sóng đứng, hay cịn gọi là sóng dừng, là sóng mà ln duy trì vị trí khơng
đổi. Hiện tượng này có thể xuất hiện do môi trường chuyển động ngược với
chiều di chuyển của sóng, hoặc nó có thể xuất hiện trong một mơi trường tĩnh
do sự giao thoa giữa hai sóng chuyển động ngược chiều nhau.
ở

đây ta không xét về trường hợp môi trường chuyển động mà là môi trường tĩnh (đường

truyền). Sóng đứng trên đường truyền là sóng mà trong đó phân phối dịng, áp hay cường độ
trường được tạo thành bởi sự xếp chồng hai sóng lan truyền ngược chiều nhau. Kết quả là một
loạt các nút (không dịch chuyển) và các điểm bụng sóng (dịch chuyển tối đa) tại những điểm cố
định dọc theo đường truyền. Sóng đứng như vậy có thể được hình thành khi một sóng được


truyền vào một đầu của đường truyền và bị phản xạ ngược trở lại từ đầu kia do sự bất phối
hợp trở kháng, hở mạch hoặc ngắn mạch.
Các hiện tượng trên sẽ được phân tích cụ thể trong các phần sau.
Một số khái niệm khác cũng cần đề cập ở đây đó là mạch điện thơng số tập trung và
mạch điện có thơng số phân bố hay phân bố rải.
Thơng số tập trung của mạch điện là các đại lượng đặc tính điện xuất hiện hoặc tồn tại ở một vị
trí nào đó của mạch điện. Thơng số tập trung của một phần tử điện có thể xác định được thơng
qua phân tích, tính tốn hoặc có thể đo được trực tiếp. Chẳng hạn các phần tử điện trở, điện cảm,
điện dung, nguồn áp, nguồn dòng, diode, transitor ... đều là các phần tử thông số tập trung.
Thông số dải của mạch điện cũng là đại lượng đặc tính điện, nhưng khơng tồn tại duy nhất ở
một vị trí cố định, mà chúng rải đều trên chiều dài của mạch điện đó. Thơng số phân bố thường
được dùng trong các hệ thống truyền sóng (đường dây truyền sóng, ống dẫn sóng, khơng gian tự
do) biểu thị các đặc tính tương đương về điện của hệ thống. Thông số phân bố thường là các
thơng số tuyến tính được xác định trên một đơn vị chiều dài của đường truyền sóng. Chúng ta
không thể đo đạc trực tiếp giá trị của các thơng số phân bố mà chỉ có thể suy ra chúng từ các
phép đo tương đương trên các thông số khác

II

: Đường Truyền Đồng Phẳng Coplanar-CPW
1: Khái niệm chung.

-

Đường truyền dùng để truyền dẫn năng lượng SCT hay sóng SCT được gọi là

đường truyền SCT (đường truyền năng lượng SCT).
-

Đường truyền SCT được gọi là đường truyền đồng nhất nếu như dọc theo hướng

truyền sóng tiết diện ngang khơng thay đổi và mơi trường chứa trong nó là đồng nhất.
Đường truyền đồng nhất được phân ra làm hai loai:
•

Đường truyền hở: tại tiết diện ngang khơng có vịng kim loại bao bọc vùng

truyền năng lượng SCT ví du như mạch dải, đường truyền sóng mặt...
•

Đường truyền kín: tại tiết diện ngang phải có ít nhất một mặt kim loại để bao bọc

hồn tồn vùng truyền năng lượng SCT ví dụ như ống dẫn sóng...


2

: Đường truyền sóng đồng phẳng.

Đường truyền coplanar được sử dụng nhiều trong các mạch tích hợp cao
tần do có cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo.
Đường truyền coplanar được vẽ trong Hình 1(a), gồm:



một dải dẫn kim loại (gọi là đường tín hiệu) nằm xen giữa hai mặt dẫn

tiếp đất 1 và 2. Tất cả các lớp kim loại đều nằm về một phía của tấm điện
mơi ℇr nên rất dễ chế tạo bằng phương pháp quang khắc (photolithography)
hay phủ kim loại (metalization).



Cấu trúc này hỗ trợ mode cận TEM.



Thứ nhất là dễ dàng chế tạo.


Thứ hai là thuận lợi hơn trong việc hàn các linh kiện thụ động và tích cực
trên mạch điện.

Thứ ba là khơng cần các trụ (via) nối đất xuyên qua lớp điện môi hay nối
đất qua rìa bản

mạch, thứ bốn là giảm tổn thất do bức xạ.
Hơn thế nữa trở kháng đặc tính được quyết định bởi tỷ số (a/b) nên có thể
kích thước không giới hạn, tuy nhiên giá phải trả là tổn thất cao hơn. Do có mặt
phẳng đất nằm xen giữa bất kỳ hai dây nào lân cận nên hiệu ứng xuyên âm
giữa hai dây bất kỳ là rất yếu. Kết quả là các mạch sử dụng CPW có mật độ dày
hơn các mạch sử dụng đường truyền vi dải.

Hình 1: Đường truyền coplanar (CPW) chuẩn
Sự phân bố của điện trường E và từ trường H trong mặt phẳng tiết diện của đường
truyền CPW được vẽ trên Hình 1(b).
Đường truyền đồng phẳng giảm tổn thất do bức xạ, trở kháng đặc tính quyết định bởi tỷ số
(a/b) nên có thể kích thước khơng giới hạn. Tuy nhiên tổn thất cao hơn do có mặt phẳng đất nằm
xen giữa bất kỳ hai dây nào lân cận.
Hằng số điện môi hiệu dụng được tính bởi:

Với :

với các thơng số h, S, W là chiều cao của lớp điện môi, bề rộng của dải dẫn và khoảng cách giữa


dải dẫn và đất.
Trở kháng đặc tính của đường truyền đồng phẳng được xác định là:

Với:

và tỷ số

khi 0 ≤ k ≤

′( )

1
khi

1

√2

≤ k ≤ 1.

√2

Với :

3:

k’= √1 −

2

Ống dẫn sóng đồng phẳng.

Ống dẫn sóng đồng phẳng là một loại đường truyền điện phẳng có thể được chế tạo bằng
cơng nghệ bảng mạch in và được sử dụng để truyền tải tín hiệu tần số vi ba. Ở quy mơ nhỏ hơn,
các đường truyền dẫn sóng đồng phẳng cũng được xây dựng thành các mạch tích hợp vi ba
nguyên khối. Ống dẫn sóng đồng phẳng thơng thường (CPW) bao gồm một rãnh dẫn duy nhất
được in trên chất nền điện môi, cùng với một cặp dây dẫn trở lại, một ở hai bên của rãnh. Tất cả
ba dây dẫn nằm trên cùng một mặt của chất nền, và do đó là đồng phẳng. Các dây dẫn trở lại
được ngăn cách với rãnh trung tâm bằng một khe hở nhỏ, có chiều rộng không thay đổi dọc theo
chiều dài của dây. Cách xa dây dẫn trung tâm, các dây dẫn trở lại thường kéo dài đến một
khoảng cách lớn nhưng không xác định, do đó mỗi dây dẫn về mặt danh nghĩa là một mặt phẳng
bán vơ hạn. Ống dẫn sóng đồng phẳng dựa trên dây dẫn (CBCPW), còn được gọi là ống dẫn


sóng đồng phẳng với mặt đất (CPWG), là một biến thể phổ biến có mặt phẳng bao phủ tồn bộ
mặt sau của đế. Mặt đất đóng vai trị là vật dẫn trở lại thứ ba. Ống dẫn sóng đồng phẳng được

phát minh vào năm 1969 bởi Cheng P. Wen, chủ yếu là một phương tiện mà các thành phần
không tương hỗ như con quay hồi chuyển và bộ cách ly có thể được kết hợp trong các mạch
đường truyền phẳng. , và một phần ở trên khơng. Nói chung, hằng số điện môi của chất nền sẽ
khác (và lớn hơn) so với của khơng khí, do đó sóng truyền trong mơi trường khơng đồng nhất.
Do đó, CPW sẽ khơng hỗ trợ sóng TEM thực sự; ở các tần số khác khơng, cả trường E và H sẽ
có các thành phần dọc (một chế độ lai). Tuy nhiên, các thành phần dọc này thường nhỏ và chế
độ được mô tả tốt hơn là bán-TEM.
Ống dẫn sóng đồng phẳng: Ống dẫn sóng đồng phẳng, thể hiện trong Hình 2 , tương tự như
đường rãnh, và có thể được xem như một đường rãnh với dây dẫn thứ ba tập trung trong vùng
rãnh. Do sự hiện diện của dây dẫn bổ sung này, loại đường dây này có thể hỗ trợ chế độ TEM
chẵn hoặc lẻ, tùy thuộc vào việc điện trường trong hai khe là ngược chiều hay cùng chiều. Các
ống dẫn sóng đồng phẳng đặc biệt hữu ích để chế tạo mạch điện hoạt động do sự hiện diện
của dây dẫn trung tâm và sự gần nhau của các mặt đất.

Hình 2: Ống dẫn sóng đồng phẳng

4: Ứng dụng của ống dẫn sóng đồng phẳng.
Các ống dẫn sóng có thể được sử dụng để truyền dẫn năng lượng và thông tin mang bởi sóng
điện .


Ứng dụng cho các thiết bị con quay hồi chuyển không kỷ luật


Các thiết bị con quay hồi chuyển không theo chu kỳ như bộ cách ly cộng hưởng và bộ chuyển
pha vi sai phụ thuộc vào tín hiệu vi sóng thể hiện từ trường quay (phân cực tròn) tới thân ferit từ
hóa tĩnh. CPW có thể được thiết kế để tạo ra một từ trường quay như vậy trong hai khe giữa dây
dẫn trung tâm và ruột dẫn bên. Chất nền điện môi không ảnh hưởng trực tiếp đến từ trường của
tín hiệu vi sóng truyền dọc theo đường CPW. Đối với từ trường, CPW sau đó đối xứng trong
mặt phẳng của kim loại hóa, giữa mặt nền và mặt khơng khí. Do đó, các dịng điện chạy dọc

theo các đường song song trên các mặt đối diện của mỗi dây dẫn (ở mặt khơng khí và trên mặt
nền) chịu cùng độ tự cảm và dịng điện tổng thể có xu hướng được chia đều giữa hai mặt. Ngược
lại, chất nền ảnh hưởng đến điện trường, do đó mặt chất nền đóng góp một điện dung lớn hơn
qua các khe so với mặt khơng khí. Điện tích có thể tích tụ hoặc cạn kiệt dễ dàng trên bề mặt đế
của vật dẫn hơn là trên bề mặt khơng khí. Kết quả là, tại những điểm trên sóng mà dịng điện đổi
hướng, điện tích sẽ tràn qua các cạnh của kim loại hóa giữa mặt khơng khí và mặt chất nền.
Dịng điện thứ cấp này qua các cạnh làm phát sinh từ trường dọc (song song với đường dây), từ
trường trong mỗi khe, vng góc với từ trường thẳng đứng (pháp tuyến đối với bề mặt đế) liên
kết với dịng điện chính dọc theo dây dẫn . Nếu hằng số điện môi của chất nền lớn hơn nhiều so
với sự thống nhất, thì cường độ của từ trường dọc tiến tới cường độ của từ trường thẳng đứng,
do đó từ trường tổng hợp trong các khe tiến tới phân cực tròn.


Ứng dụng trong vật lý trạng thái rắn

Các ống dẫn sóng đồng phẳng đóng một vai trị quan trọng trong lĩnh vực tính tốn lượng tử
trạng thái rắn, ví dụ: để ghép các photon vi sóng với một qubit siêu dẫn. Đặc biệt là lĩnh vực
nghiên cứu của ci


KẾT LUẬN
Do điều kiện về thời gian và kiến thức còn hạn chế nên tiểu luận của em chỉ dừng lại ở tìm
hiểu về lý thuyết . Trong thời gian thực hiện , em đã tham khảo ý kiến của giảng viên hướng
dẫn, tìm hiểu tài liệu và sự hỗ trợ góp ý từ giảng viên cũng như bạn bè và các anh chị đi trước.
Tuy nhiên do kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót, em rất mong nhận được
sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để tiểu luận của em được hồn thiện hơn.
Sau khi tìm hiểu và thực hiện làm tiểu luận em rút ra được một số kiến thức về đường truyền
đồng phẳng như sau:
-

Thứ nhất là dễ dàng chế tạo.

-

Thứ hai là thuận lợi hơn trong việc hàn các linh kiện thụ động và tích cực trên

mạch điện.
-

Thứ ba là không cần các trụ (via) nối đất xuyên qua lớp điện mơi hay nối đất qua

rìa bản mạch, thứ bốn là giảm tổn thất do bức xạ.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu học tập
[1] “Giáo trình Kỹ thuật siêu cao tần” – Nguyễn Trọng Hải, Đại học Kỹ Thuật Công
Nghệ TP.HCM, 2008 – Khoa Điện Điện tử Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP
HCM, Website : http://eed. hutech.edu.vn
[2] “Lý thuyết Cơ Sở Kỹ Thuật Siêu Cao Tần” – Vũ Đình Thành, Đại học Bách
Khoa TPHCM 1996.
[3] “Kỹ thuật siêu cao tần” – Nguyễn Văn Ngọ, Nhà xuất bản ĐH và THCN,1979
[1] “Microwave Engineering”- David M. Pozar, Addison - Wesley Publishing Co., 1997
[2]“ Microwave Circuit Analysis and Amplifier Design” – Samuel Y. Liao, Prentice
Hall, 1987


từ trong các dải phổ như radio, vi ba hay ánh sáng.