Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại công suất dùng trong phát cao tần

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
__***
_________
Đề tài
NGHIÊN CỨU, THIÉT KÉ VÀ CHÉ TẠO B ộ
KHUÉCH ĐẠI CÔNG SUẤT DÙNG TRONG PHÁT
CAO TẰN
Mã số: QT-09-13
Chủ trì đề tài: ThS Đặng Thị Thanh Thiíy
ĐA ì HỌC ©U Ổ C G IA HA NCI_
TRUNG 1ÁM Ih O n G TirJ Thư v iệ n
Hà nội- 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
ĩfc 'ệ'
NGHIÊN CỨU, THIÉT KÉ VA CHÉ TẠO Bộ KHƯÉCH ĐẠI
CÔNG SUẤT DÙNG TRONG PHÁT CAO TẦN
Mã số: QT-09-13
Chủ trì đề tài: ThS Đặng Thị Thanh Thủy
Cán bộ tham gia: ThS Phạm Văn Thành
Hà nội- 2009
MỤC LỤC
Lời mở đầu 04
Chương 1. Lý thuyết siêu cao tần
.
.05
1.1 Giới thiệu chung 05
1.2 Một số đặc điểm của truyền sóng siêu cao tầ n 05
1.3 Các bộ phát và thu siêu cao tần 11
1.4 Đồ thị Smith 12

Chương 2. Mô phỏng mạch khuếch đại công suất bàng phần mềm ADS

20
2.1 Thiết kế mô phỏng mạch khuếch đại 1 w 20
2.2 Thiết kế mô phỏng mạch khuếch đại 45W và 200W
22
Chương 3. Chế tạo và đo đạc thực nghiệm 28
Kết luận 32
Tài liệu tham khảo 33
Phụ lục 34
Scientiílc Prọịect
Phiếu đăng ký kết quả nghiên cứu KH-CN
MỞ ĐẦU
Thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến là một trong những phương tiện liên lạc
hiệu quả đã xuất hiện từ lâu.Tuy nhiên trong thời đại bùng nổ thông tin như hiện
nay thì yêu cầu đặt ra cho việc thông tin liên lạc lại cao hơn nhiều và ngày càng
được mở rộng cho nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử.viễn thông như :
các mạng vô tuyến không dây, truyền hình, điện thoại di động đặc điêm chung
của các lĩnh vực ứng dụn2, này là yêu cầu sóng vô tuyên sử dụng phải có bước sóne
ngắn (cỡ dm) hay là phải có tần số cao (dải Ghz) được gọi là các sóng siêu cao
tần. Việc sử dụng sóng siêu cao tân làm phương tiện liên lạc có nhiều ưu điểm :
- Sóng siêu cao tần truyền trong phạm vi nhìn thấy trực tiếp. Hầu hết các dải
sóng này đều có khả năng xuyên qua bầu khí quyển của trái đất và thay đổi ít về
công suất và phương truyền.
- Có tính định hướng cao khi bức xạ từ những vật có kích thước lớn hơn
nhiều so với bước sóng.
- Sóng siêu cao tần cho phép khoảng tần số sử dụng rất lớn. hav là chúng ta
có thể sử dụng số kênh rất lớn trong dải siêu cao tần, đáp ứng được lượng truyền
thông tin ngày càng tăng,ví dụ: trone tất cả dải sóng ngắn (7.= 100m-10m.f-3Mhz-
30Mhz) chỉ có thể phân bố được khoảng 4000 kênh thoại hay 4 kênh video truyền

hình mà không làm nhiễu lẫn nhau. Sonẹ với lượng kênh cần sử dụng như trên khi
dùng dải sóng cm,chỉ cần khoảng khá nhỏ từ bước sóng ^=2,992 đến 3 cm.
- Ở dải sóng siêu cao tần thì kích thước của các phần tử và thiết bị so sánh
được với chiều dài bước sone.thậm chí tronẹ nhiều trườns hợp chúng còn lớn hơn
nhiều so với bước song. Trong kỹ thuật ra-đa, như đã biết, diện tích phản xạ hiệu
dụng của mục tiêu tỷ lệ với kích thước tươne đôi của mục tiêu so với bước sóng, do
vậy dùng ra-đa viba sẽ nhận được diện tích phản xạ hiệu dụng lớn. Nếu xét cá đặc
tính ưu việt của Ãnsten viba vê độ tăng ích thì rõ ràng là dải tần viba trở nên rất
thích họp cho kỹ thuật ra-đa.
Tuy nhiên ờ dải sónẹ cao tân và siêu cao tân. tín hiệu thường bị suy hao rất
nhiều do đó vấn đề công suất rất được quan tâm chú ý. Trong báo cáo này đề cập
đến vấn đề giải quyết bài toán công suất ở dài sóng này.
4
C H Ư Ơ N G I
LÝ T H U Y Ế T SIÊU C A O T Ầ N
1.1. Giới thiệu chung [2]
Thuật ngữ “viba” (microwaves) là để chỉ những sóng điện từ có bước sóng
rất nhỏ, ứng với phạm vi tần sổ 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 toàn
thế giới. Giới hạn trên của dải thường được coi là tới 300 GHz (f = 3.1011 Hz), ứng
với bước sóng X = 1 mm (sóng milimet), còn giới hạn dưới có thề khác nhau tuv
thuộc vào các quy ước theo tập quán sử dụng. Một số nước coi "sóng cực ngấn" là
những sóng có tần số cao hon 30 MHz ( bước sóng Ằ < lOm ), còn một số nước
khác coi "viba" là những sóng có tần số cao hơn 300 MHz ( bước sóng 7. < 1 m ).
Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và những thành tựu đạt được trong việc
chinh phục các băng tần cao của phổ tần số vô tuyến, khái niệm về phạm vi dải tần
của "viba" cũng có thể còn thay đổi.
Hình 2.1 minh hoạ phổ tần số của sóng điện từ & phạm vi dải tần của kỹ
thuật viba
Tần số (Hz)

3.105 3.106 3.107 3.10* 3.10g 3.10"’ 3.10" 3.1014
sóng \ sóng Ị sónạ
sóng
Vi ba
! ánh
mét
Hông ngoại
sane
dài !
trun , ngắn
(VHP)
' nhìn
; thây
Bước sóng ( m)
H ình 1.1: Phô tần số của sóng điện từ
Trong ứng dụng thực tế, dái tần của vi ba còn được chia thành các băng tần nhò
hơn:
- Cực cao tần UHF (Ưltra High Frequency): f = 300 MHz - 3 GHz
- Siêu cao tần SHF (Super High Frequency): f ~ 3 - 30 GHz
- Thậm cao tần EHF (Extremely Hieh Frequency): f = 30 - 300 GHz
5
* ưu việt của dải tần viba và ứng dụng của kỹ thuật viba trong thực tiễn
Kỹ thuật viba có liên quan đến các phần tử và mạch điện làm việc với các
dao động có bước sóng rất nhỏ. Điều này, một mặt khó khăn cho việc phân tích
thiết kế và chế tạo, nhưng mặt khác cũng là lợi thế khi ứng dụng kỹ thuật viba vì
các lý do sau đây:
- Như đã biết, độ tăng ích của một Ảngten là hàm tỷ lệ thuận với kích thước
tương đối của Ăngten so với bước sóng. Do vậy, tăng ích của Ảngten viba dề đạt
được giá trị cao.
- Dải tần thực tế trong thông tin viba dễ dàng đạt được giá trị lớn ứng với dải

' Af _
tân tương đôi — có giá trị nhât định. (Thật vậy, 1% của 30 GHz là 300 MHz, trong
khi đó 1% của 300 MHz chỉ là 3 MHz).
- Sóng viba truyền theo đường thẳng, không bị phản xạ trên tầng điện ly nên
có thể khai thác thông tin vệ tinh và thông tin viba mặt đất trên cùng dải sóng mà
không ảnh hưởng đến nhau, có thể sử dụng lại tần số trên nhữns cự ly không lớn.
- Trone kỹ thuật ra-đa, như đã biết, diện tích phản xạ hiệu dụnq của mục tiêu
tỷ lệ với kích thước tương đối của mục tiêu so với bước sóng, do vậy dùng ra-đa
viba sỗ nhận được điện tích phản xạ hiệu dụng lớn. Neu xét cả đặc tính ưu việt của
Ăngten viba về độ tăng ích thì rõ ràne là dải tân viba trở nên rất thích hợp cho kỹ
thuật ra-đa.
- Như đã biết, dải tần viba rất gần gũi với các tần sô cộng hưởng của nhiều
phân tử, nguyên tử nên kỹ thuật viba có thể đem lại nhiều ứng dụng trone nehiên
cứu cơ bản, trone viễn thám, trong y học và trong kỳ thuật nhiệt (lò viba).
Ngày nay, kỹ thuật viba được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực thực tiễn, nhưna
nhữn^ ứng dụne, chính và quan trọng nhất là trong kỹ thuật ra-đa và trong thône tin.
Các hệ thống ra-đa, viba được dùng đê phát hiện các mục tiêu trên không,
trên biển và trên bộ. dùng để bám và điều khiên các đối tượna bav. dùng trong các
hệ thống lái tự động, để thăm dò khí tượng phục vụ cho dự báo thời tiết (ra-đa khí
tượng), để quan sát mặt đất và thăm dò tài nguyên từ xa. ngoài vũ trụ (viễn thám).
6
Các hệ thống thông tin dùng dải tần viba (thông tin viba) đang được phát
triển rộng khắp trên thế giới, bao gồm cả thông tin cố định và di động, thông tin nội
hạt và đường dài, đặc biệt là thông tin quốc tế qua vệ tinh và các hệ thông tin định
vị toàn cầu .chứng tỏ vai trò rất quan trọne của dải tần viba và kỹ thuật viba.
* Vài nét về sự phát triển
Kỹ thuật viba vốn được coi là một kỹ thuật đã có lịch sử phát triển tương đôi
lâu vì nền tảng của nó là lý thuyết về sóng điện từ đã được phát hiện từ cách đây
trên 100 năm, còn ứng dụng đầu tiên của nó là kỹ thuật ra-đa cũng đã được phát
triển từ thời kỳ chiến tranh thế giới thứ hai.

Tuy kỹ thuật viba đã ra đời và phát triển kể từ đầu thế kỷ qua, nhưng sự phát
triển thực sự mạnh mẽ và có ý nghĩa của nó chỉ từ khi con người tạo ra được các
dụng cụ bán dẫn và các IC siêu cao tần vào những năm 70 của thế kỷ 20.
Năm 1873, Maxwell đã đưa ra các công thức toán học mô tả các mối quan hệ
của trường điện từ và tiên đoán về sự tồn tại của sóng điện từ. Điều tiên đoán này đã
được Hertz chứng minh bằng một loạt thực nghiệm vào các năm 1887-1891. Nhưng
sự phát triển tiếp đó lại khá chậm do có nhiều khó khăn về mặt công nghệ, đặc biệt
là việc tạo ra các nguồn dao động ở dải tần số cao. Phải đến đầu thế kỷ 20, kỷ thuật
vô tuyến điện mới có điều kiện phát triển mạnh hơn do có sự thúc đẩv của việc tìm
kiếm các khí tài quân sự phục vụ chiến tranh. Thoạt đâu là sự phát triển của các
phươn? tiện thône tin vô tuyến ở dải sóng trung và sóng ngắn, tiếp đó là ở các dải
tần cao hơn và đỉnh cao là sự ra đời của khí tài ra-đa trong thời gian chiến tranh thế
giới thứ 2. Tiếp theo đó là các hệ thône tin dùng dải tần viba và kỳ thuật viba cũng
được phát triển. Ngày nay, thông tin vô tuyến được sử dụna chủ yếu là ở dải tần vi
ba, từ 400 H- 500 MHz (bộ đàm vô tuyến), từ 900 1800 MHz (thông tin di động cá
nhân), thông tin vệ tinh dùng cho cả lĩnh vực viễn thông và phát thanh truyền hình
dùng dải tần từ 1 - 30 GHz, được chia thành các băne L (H2GHz) cho vệ tinh di
động tầm thấp, băng s (2^4GHz), băng c (4^7GHz). băng X (7^11GHz). băns Ku
(lK14GHz), băng K (14+20GHz) và băng Ka (2(H30GHz) dùng cho vệ tinh cố
định, trong đó băng X được dành riêne cho quân sự.
7
1.2. Một số đặc điểm của truyền sóng siêu cao tần [ 7|
Trong không gian tự do sóng điện từ truyền theo đường thẳng mà không bị
suy hao hay ảnh hưởng có hại khác. Tuy nhiên, không gian tự do chi là môi trường
lý tưởng hoá và chỉ đạt được gần đúng khi năng lượng sóng siêu cao tần truyền
trong không khí hoặc trên bề mặt Trái Đất. Trong thực tế để thông tin được thì radar
hay hệ thống đo bức xạ phải chịu ảnh hưởng rất lớn của các hiện tượng truyền sóng
như phản xạ, khúc xạ, suy hao hoặc tán xạ. Chúng ta sẽ bàn về một sô hiện tượng cụ
thể có ảnh hưởng tới hoạt động của các hệ thống siêu cao tần. Một điều quan trọne
là các ảnh hưởng truyền sóng nói chung không thể xác định một cách chính xác mà

chỉ có thể diễn giải dưới dạng thống kê.
* Ánh hưởng của khí quyến.
Hằng sổ điện môi tương đối của không khí gần như bàne 1. nhưng thực chất
nó là hàm của áp suất không khí, nhiệt độ và độ âm. Từ thực nshiệm người ta rút ra
kết quả đối với tần số siêu cao là: s r =
1 + 10
79 p \ \v 3.8.105 V
T T
T
( 2. 1)
Tron^ đó p là áp suất khí tính theo milibar, T là nhiệt độ tính theo độ Kelvin.
V là áp suât hơi nước tính theo milibar. Kêt quả này cho thây răng hăng sô điện môi
nói chung là giảm (gần bàng 1) khi độ cao tăng, vì áp suất và độ ẩm giảm nhanh
hơn nhiệt độ. Sự thay đôi của hăng sô điện môi theo độ cao làm quỹ đạo của sóne
vô tuyến cong về phía Trái Đất.
Hình 1.2: Quỹ dạo tia sóne bị cons
Như hình 1.2, sự khúc xạ sóns vô tuyến đôi khi cũns có lợi. vì nó có thể mơ
rộng phạm vi hoạt độne của radar và hệ thốna thôns tin vượt ra khỏi eiới hạn cua
tầm nhìn thấy trên Trái Đất
8
Điều kiện thời tiết đôi lúc có thể dẫn tới sự thay dổi lớn về nhiệt độ, nhiệt độ
biên đôi theo độ cao. Hăng sô điện môi khí quyên sẽ tăng nhanh hơn mức bình
thường khi tăng độ cao. Điều kiện này đôi lúc dẫn tới hiện tượng ống dẫn sóng (còn
được gọi là truyền lan dị thường), có nghĩa là sóne vô tuyến có thể truyền đi một cự
ly lớn song song với bề mặt Trái Đất, qua ống dẫn tạo ra bởi tầng không khí trong
suôt quá trình thay đổi nhiệt độ. Tình huống này rất giống với quá trình truyên lan
trong ông dẫn sóng điện môi, ống dẫn này có chiều cao giới hạn từ 50 - 5000 feet,
và có thể gần bề mặt Trái Đất hoặc có độ cao lớn hơn. Một ảnh hưởng khác nữa
liên quan tới khí quyển, đó là sự suy giảm, lúc đầu nó xuất hiện bởi vì quá trình hấp
thụ năng lượng siêu cao tần qua hơi nước và oxy phân tử. Quá trình hấp thụ lớn

nhất diễn ra ở các tần số trùng hợp với một trong những sự cộng hưởng phân tử của
nước hoặc oxy, vì vậy sự suy giảm về khí quyển có các đỉnh cộng hưởng khác nhau
ở những tấn số đó. Hình 2.3 mô tả sự suy giảm khí quyển và sự suy giảm tần số. Tại
các tần số dưới 10 GHz khí quyển gây ra rất ít ảnh hường tới suy hao của tín hiệu.
Với các tần số 22,2 và 183,3 GHz đỉnh cộng hưởng xảy ra nhờ cộng hưởng của hơi
nước, còn cộng hưởng phân tử oxy gây ra đình cộng hường ở tần số 60 và 120 GHz.
Do vậy, có các “cửa sổ” trong dải sóng milimet gần 35,94 và 135 GHz. các hệ
thống radar và liên lạc có thể hoạt độne ở mức tổn hao ít nhất. Sự kết tủa như mưa,
tuyết hoặc sương sẽ làm tăng mức tổn hao đặc biệt với các tần số cao. Với các thiết
kế hệ thống khi chúng ta áp dụns phương trình đường truyền Friis hoặc phương
trình đường truyền radar, thì phải chịu ảnh hường của sự suy giảm khí quyển.
I
IJ. •»
o ỉ
0 .0 1
u 02
(ì OI
0 .0 0 4
0 . 0 0 2
O.CK> t
1 u 50 6í '
r-4-,
Hình 1.3: Suy hao khí quvển phụ thuộc vào tần số
Trong thực tế. một số trường hợp. người ta có thể chọn hệ thốns tần số tại
điểm suy giảm khí quyển cực đại. Thụ cảm khí quyển từ xa (nhiệt độ. hơi nước.
9
lượng mưa) thường được thực hiện với các xạ kế hoạt độnạ ở mức 20 hoặc 55 GHz
nhăm tôt đa hoá mức hâp thụ điêu kiện khí quyên. Một ví dụ khác không kém phân
thú vị đó là liên lạc nối trạm vũ trụ ở tần số 60 GHz. Tần số sóng milimet này có lợi
thê là dải lớn và các Ảngten nhỏ với độ tăng ích cao và do khí quyển có suy giảm

lớn, các khả năng bị nhiễu, chậm và nghe trộm được hạn chế đáng kể từ mặt đất.
* Ánh hưỏng của mặt đất
Một yếu tố có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình truyền sóng siêu cao tần
là sự phản xạ từ bề mặt Trái Đất (đất liền hoặc biển). Như mô tả trong hình 2.4 một
mục tiêu của radar (hoặc Ăngten thu) có thể bị loại bỏ do sóng trực tiếp từ máy phát
và sóng phản xạ từ mặt đất. Sóng phàn xạ nói chung có biên độ nhỏ hơn sóng trực
tiếp, do khoảng cách truyền xa hơn và mặt đất không phải là một vật phản xạ hoàn
hảo. Tuy nhiên tín hiệu thu được tại mục tiêu hoặc máy thu sẽ là vectơ tổng của hai
thành phần sóng và nó phụ thuộc vào các pha liên quan của hai sóng, nó có thể lớn
hơn hoặc nhỏ hơn bản thân sóng trực tiếp.
Hình 1.4: Sóng trực tiếp và sóng phản xạ qua bề mặt Trái Đất
Bởi vì xét trên phương diện bước sóng, các cự ly liên quan thường là rât lớn.
thậm chí một sự thay đổi nhở về hầns số điện môi cùa khí quyển có thể gây fading
(những dao động dài) hoặc hiện tượng nhấp nháy (những đao động ngắn) về độ dài
tín hiệu. Những ảnh hưởng này có thê gây ra do sự khône đông nhất trong khí
quyển. Trong các hệ thống liên lạc, hiện tượng fading đôi lúc có thế được hạn chế
nhờ vận dụng thực tế là hiện tượng íầding của hai kênh liên lạc có các tân số khác
nhau, sự phân cực khác nhau, hoặc vị trí vật lv khác nhau. Vì vậy. chúng ta có thể
giảm hiện tượng fading đối với một đường thône tin liên lạc bằng cách kết hợp các
nguồn ra của hai hay nhiều kênh: gọi là hệ thống phân tập.
Một ảnh hưởng khôns nhỏ nữa là nhiễu xạ. lúc này sóng vô tuvến tán xạ
năng lượng ở các vùng lân cận của giới hạn trons tầm nhìn theo phương năm neana.
10
do đó rất dễ dàng đưa ra một phạm vi giới hạn dựa trên phương nằm ngang đó, ảnh
hưởng này thường rất nhỏ đối với các tần số siêu cao tần. Tất nhiên là khi gặp các
chướng ngại vật như đồi, núi, hoặc các toà nhà lớn trên đường truyền thì mức độ
nhiễu xạ có thể lớn hơn.
Trong một hệ thống radar, những sự phản xạ bên naoài thường xuất phát từ
địa hình, cây cối, nhà cửa, mặt biển. Những vệt dội nhiễu như vậy dội lại làm giảm
hoặc che mờ mục tiêu thực, hoặc đôi lúc tạo thành mục tiêu giả, đặc biệt trong

trường hợp radar điều khiển và theo dõi. Việc dội nhiễu trở lại như vậy thực tế có
thế tạo thành tín hiệu mong muốn trong các ứng dụng vẽ bản dồ hay thụ cảm từ xa.
* Các ảnh hưỏng Plasma
Plasma là một chất khí gồm các hạt điện tích ion hoá. Tầng điện ly bao gồm
các tầng khí quyển hình cầu với các hạt ion hoá nhờ bức xạ Mặt Trời, vì vậy hình
thành một vùng plasma. Plasma dày đặc được hình thành trên một trạm vù trụ khi
nó quay trờ lại khí quyển, nhờ nhiệt độ cao hình thành sau quá trình ma sát. va
chạm. Ngoài ra hiện tượng Plasma còn được phát sinh do sét, sự xuất hiện của sao
băng, và các vụ nổ hạt nhân, số lượng ion trên mỗi đơn vị thể tích quyết định đặc
tính của plasma: điêu đó phụ thuộc vào mật độ tân sô, sóng có thê được phản xạ,
hấp thụ, hoặc truyền đi qua môi trường plasma.
Một ảnh hưởng tương tự cũng xảy ra với một trạm vũ trụ đi vào khi quyển.
Vận tốc lớn của trạm vũ trụ tạo ra một plasma dày đặc xung quanh phương tiện.
Mật độ điện tử lớn tới mức có thể ngăn chận quá trình liên lạc với trạm vũ trụ cho
tới khi vận tốc của nó giảm xuống. Bèn cạnh nhữns, ảnh hườnẽ trên, tầng plasma
cũng có thể tạo ra một trở kháns lớn khôns phù hợp giữa Ảneten và đường tiếp
sóng.
1.3. Các bộ phát và thu siêu cao tẩn
Thiết bị thu phát tần số vô tuyến RI (Radio írequency) là những thiết bị điện
tử thu nhận và giải điều chế tín hiệu tần số vô tuyến, sau đó điêu chê và truvền tín
hiệu mới đi. Các thiết bị điện tử này thường được dùng với rất nhiều ứnẹ dụne khác
nhau như thu phát hình, âm thanh và dữ liệu. Thiết bị thu phát RF bao gồm một
Ảneten để nhận và phát tín hiệu và một bộ phân tách tuner đe phân tách tín hiệu từ
11
những tín hiệu mà Ăngten thu được. Tách sóng và giải điều chế những thông tin đã
được mã hoá trước khi truyền đi.
1.4. Đồ thị Smith
ĐỒ thị này do P.H. Smith lập ra năm 1983 và làm giảm nhẹ đáng kê các tính
toán về đường truyền. Phần này trình bày nguồn gốc tính toán của biếu đồ. có rất
nhiều ví dụ về việc sử dụng biểu đồ Smith. Ta có thể nghĩ rằng ngày nay khi máy

tính đã phát triển thì ứng dụng biểu đồ này không quan trọng nữa nhưng ngược lại
nó cho sự tiện ích nhiều hơn sự tiện ích của máy tính với biểu đồ thông thường.
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 được mạch lọc
đường truyền siêu cao tần, dễ dàng giải quyết các công việc của kỹ thuật siêu cao
tần như vấn đề phối hợp trở kháng.
Đồ thị này chính là biểu diễn hình học của hệ thức:
Hay viết dưới dạng trở kháng chuẩn hoá:
1
+ r
Zl ~ \-r
trong đó zl =Zl/R() chính là trở kháng chuẩn hoá theo R0.
Thay r = |r|e ,í0 ta viết lại (2.15) dưới dạng:
1 + lrV*
(1.15)
1- IV*
(1.16)
Một giá trị bất kỳ của hệ số phản xạ r có thể được biểu diễn lên hệ toạ độ
cực dưới dạng một bán kính vectơ |r 1 và £Ó C pha tp. Như vậy. ứna với mỗi điêm
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 Z L - rL + ixL và r = r , + /r, vào (2.16) ta nhận được:
, _ 0 + r,.) + ÍĨ,
r, + ix, -

:

— (1.1/)
( i- r ,) - ; r ,
Trong đó rL và XL lần lượt là điện trở và điện kháng c ủ a tải.

r, và r, là phân thực và phần ảo của hệ sô phản xạ r .
Trên mặt phẳng hệ số phản xạ (giới hạn trong vòng bán kính bằng 1 và
|r| < 1) có thể vẽ được 2 họ đường cong, một họ gồm những đường đẳng điện trờ r
= const và một họ gồm những đường đẳng điện kháng X = const.
Cân bằng phần thực và phần ảo của (1.17) ta được 2 phươne trình:
(1.18)
: ( i - r , . ) 2 + r ,2
2T[
( i - r r)- +r,2
(1.19)
Sau khi biến đổi (2.16) và (2.17) ta nhận được:
<
. 'ì
2

(
r + r 2 =
l
1
+
rL )
/
V
1 + Ỵ ị
r, -
\ xu
(1.20 )
( 1.21)
(r, - I ) 2 +
Mỗi phương trình trên biểu thị một họ đườns tròn trong mặt phang Fr. r,

1.5.1 Họ đường tròn đẳng điện trở r
Phương trình (2.20) biểu thị họ vòne tròn đẳng điện trở. có tâm nằm trên trục
hoành ( r, = 0) tại hoành độ y =
V
1 , có bán kính a -
1 + rL
1 + r,
Dê dàng nhận thây
rằng các vòng tròn này luôn đi qua điêm r r = 1
1
(vì ỵ + a -
1 + rL 1 + rL
= 1) (hình 2.7)
Vonu, tron Ịrl ■=• 1
/
/ /
r. ệ 0 r. ệ 0.25 r,
- V- 1 r , = 3 r. \ s.
\ \
.0 0.25 0.5 0.75 i l r.
/
/
/ ỉ
/
y
Hình 1.7: Họ vòne tròn đăne điện trờ
13
Hình 1.8: Họ vòng tròn đăng điện kháng
, ri
Hình 1.9: Vòng tròn đắng điện trở và điện kháng trên cùne đồ thị.

Các giá trị của các đường tròn đẳna; r được ghi trên trục thực, từ rL=0 (vòng
tròn có bán kính bàna, 1) đến rL=oo (vòng tròn có bán kính bàne 0).
1.5.2 Họ vòng tròn đăng điện kháng X
Phương trình (2.21) biểu thị họ đường tròn đan? điện kháng, có tâm năm trên
trục r = 1 tại tung độ a = — , có bán kính a - — . Dễ dàna nhận thấy rằns các
ỵL XL
vòng tròn này luôn đi qua một điểm cố định ( r, = o.r, = 1) (Hình 1.8).
Các họ vòne tròn đẳna điện trở và đãne điện kháng được biêu diễn chuno
trên một đồ thị được coi là cơ sở cùa đồ thị Smith. Ớ đây, người ta khôns vẽ toàn bộ
14
các vòng tròn điện kháng mà chỉ vẽ các đoạn nằm trong giới hạn của vòng |rỊ = 1
mà thôi (Hình 1.9).
1.5.3 Vòng tròn đẳng |/|
Trong mặt phẳng r,,r, người ta cũng có thể vẽ họ đường tròn đẳne \r\ là
những vòng tròn đồng tâm, có tâm điểm đặt tại gốc toạ độ ( r, = 0 ,r, = 0), có bán
kính là |F| nhận các giá trị từ 0 đến 1. Vòng tròn in=0 trùnẹ với điểm gốc toạ độ,
còn vòng tròn |r |= l trùng với vòng tròn đẳng ri=0 (vòng tròn ngoài cùng) (Hình
1. 10).
Hình 1.10: Họ vòne tròn đẳng r
Các giá trị của góc (p biểu diễn véc tơ r trong mặt phăne phức được khắc
trên chu vi của đồ thị Smith. Gốc để tính cp là trục thực r r. chiều dươnơ của <p là
chiều ngược với chiều chuyên động của kim đông hô, còn chiêu âm là chiêu chuyên
động thuận của kim đồng hồ (Hình 1.10).
1.5.4 Vòng Iròn đang s
15
Các đường tròn đẳng s (hệ số sóng đứng) hay đẳng— (hệ số sóng chạy) cùng
s
là những đường tròn đồng tâm giống như các đường đẳng |F| nhưng giá trị cụ thể
của s (hay —) được xác định tuỳ theo |rI, theo công thức:
s

1+ r
S = — T-1 (1.22)
1 - r
1 1 - |r|
s ~
1 + lrl
(1.23)
Để thuận tiện cho việc đọc các giá trị của s (hay —). trên trục hoành người
s
ta không khẳc độ theo giá trị của s. Điểm gốc toạ độ (ứng với r|=0) sẽ tương ửnR
với S=1 (đường tròn đẳng s=l). Khi |F| lấy các giá trị từ 0 đến 1 thì s sẽ nhận giá trị
từ 1 đến
co. Trong khoảng 0—>1 của trục thực, neười ta khắc độ theo s với các ẹiá trị
s từ 1—>00. Như vậy vòng tròn ngoài cùng (|F|=1) sẽ ứng với vòng tròn s=cc.
Vì các đường tròn đẳng s có tâm là gốc toạ độ nên việc xác định — chi là
phép lấy đối xứng qua tâm. Như vậy, nửa bên trái của trục thực r r sẽ được khắc độ
theo —. Vòng tròn ngoài cùng sẽ là vòng tròn — =0, còn điểm góc toạ độ sẽ là vòng
s &
tròn — = 1. Ngoài ra, để thuận tiện cho tính toán nẹười ta còn bồ sung một thane giá
s
tri khắc đô theo — trên chu vi của đồ thị. Bởi vì phân bổ sóng đứng trên đườne dâv
Ẳ
X ' ỉ
đươc lăp lai theo chu kỳ — nên việc khăc độ — theo chu vi vòng tròn ngoài cũne
2 Ả
ỉ _ í 1 _
được thực hiện từ — = 0 đên — - 0.5.
Ầ Ằ
Cuối cùng, đồ thị đầy đủ được thiết lập với tất cả các ghi chủ ở trên tạo thành
đồ thị Smith chuẩn, được chấp nhận và sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới (Hình

1.11) [3].
1.5.5 Tóm tắt về đồ thị Smith [2Ị
16
Sau đây chúng ta tóm lược các điểm đáng lưu ý của đồ thị Smith để thuận
tiện cho việc ghi nhớ và sử dụng trong thực tế.
1. Tất cả các giá trị trở kháng trên đồ thị Smith đều là trở kháng chuẩn hoá theo
một điện trở chuẩn định trước, thường là trở kháng đặc tính R0 của đường dây
không tổn hao.
2. Đô thị Smith nằm trong phạm vi của vòng tròn đơn vị vi hệ số phản xạ r có
modun nhỏ hem hoặc bằng 1.
11 i 1 1 : 5 1 3 5 ! ?
MDUU.V »CAt
3 3 3
EO PAXAWIÌIR»
Ịj 1 1 Ị TWW HnÚÌm

*■
[,1*11 I < • 3
* > i 1 1 • • i < ( 1 i > 1 ) i |B£
9 3 2 . III J » í 8 e s t s Ế E ; 6 i 36p
1 ì « « 3 1 3
ị 3 i ! 3 f 'ĩ ẽ * 5 g ỉ Ẽ 8 • 912 ^
cam*
Hình 1.11: Đồ thị Smith chuẩn
3. Các đường đẳng r là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trục hoành của đồ thị
và luôn đi qua điểm có Fr=l. Giá trị r của mỗi vòng tròn đăng r được ghi dọc theo
trục hoành, từ 0->°o (điểm bên trái ứng với giá trị r = 0. điểm bên phải ứng với giá
trịr = oo).
___
ĐAI HOC G U Ố C GÌA HA NÒI

TRUNG TAM ÍH Ũ NG nu ỈHƯ việ n
17 CCOtCxCCO^l
4. Các đường đăng X là họ các vòng tròn có tâm năm trên trục vuông 2 ÓC với
trục hoành tại r r= l. Có hai nhóm đường tròn đẳng x:
- Nhóm các đường đẳng X với X > 0 (cảm kháng) là các đườne nằm ớ
phía trên của trục hoành. Giá trị X tăng dần từ 0 đến GO và được ghi trên mồi đường.
- Nhóm các đường đẳng X với X < 0 (dung kháng) là các đườne nàm ở
phía dưới của trục hoành. Giá trị X giảm dần từ 0 đến - 00 và được ghi trên mỗi
đường
5. Các đường đẳng r và các đường đẳng X là họ các đường tròn trực giao với
nhau. Giao điểm của một đường đẳng r và một đường đẳng X bất kỳ sẽ biểu thị cho
một trở kháng z = r+ix, đồng thời cũng biểu thị cho hệ số phản xạ tại điểm có trở
kháng z.
6. Tâm điêm của đô thị Smith là giao điếm của đường đẳng r=l và đường đắne
x=0 (nằm trên trục hoành), do đó điểm này dại biểu cho trở kháng thuần trở Z=1
(nghĩa là Z=R0). Đây là điểm tượng trưng cho điện trở chuẩn R(), cho phép thực hiện
phối hợp trở kháng trên đường dây. Thật vậy, đây chính là điểm có hệ số phản xạ
r=0 và hệ số sóng đứnẹ s=l.
7. Điểm tận cùng bên trái cùa trục hoành là giao điểm của đườna đẳne r=0 và
đường đẳng x=0, do đó biểu thị cho trở kháng z=0 (tức z=0), nẹhĩa là ứng với
trường hợp ngắn mạch. Tại đây ta có hệ số phản xạ r=-l.
8. Điểm tận cùng bên phải của trục hoành là điểm đặc biệt mà tất cả các đườnR
đẳng r và đẳng X đều đi qua. Tại đây ta có r=co, x=00. do đó z=oo (tức Z=oo), nghĩa là
ứng với trường hợp hở mạch. Tại đây ta có hệ sô phản xạ r= l.
9. Hệ số phản xạ tại vị trí / trên đườne, truyền có thể được xác định khi biết hệ
V ~
số phản xa r tai vi trí tải, dưa vào công thức: r(/) = —
K
r(l) = re~2ipI (1.24)
Đồ thị Smith cho phép thực hiện phép tính này khi quay vectơ r trên đồ thị

một góc quay ứng với một độ dịch chuyên băng 2ị3L trong đó p = —
18
Góc quay này có thể xác định theo độ (từ -180° đến 180°), hoặc theo số bước
sóng (từ 0 đến 0,5 Ã cho mỗi vòng quay).
Theo quy định của đồ thị Smith:
Chiêu quay từ tải hướng về nguồn là thuận chiều kim đồng hô.
Chiêu quav từ nguồn hướng vê tải là ngược chiều kim đông hô.
Trên môi chiêu quay, có một vòng đánh số theo độ và một vòng đánh sô theo
số bước sóng để tiện sử dụng.
10. Khi vẽ đường tròn đẳng s trên đồ thị Smith thì đường tròn này sẽ cắt trục
hoành tại 2 điểm. Giao điểm nằm phía bên phải của tâm đồ thị biểu thị cho vị trí
trên đường dây có z= rniax+iQ, với rmax=s. Đây chính là điểm bụng của sóng
đứng. Ngược lại, giao điểm nằm phái trái của tâm đồ thị biểu thị cho vị trí trên
đường dây có Z=rmm+i0, với rmin=l/s. Đây chính là điểm nút của sóng đứng
(Hình 2.11). Trên đồ thị Smith cũng nhận thấy ngay khoáng cách giữa bụna, sóng
và nút sóng bằng 0,25 Ả .
Hình 1.12: Biểu diễn điểm bụng và điểm nút của sóng đứng trên đồ thị Smith
19
CHƯƠNG II
MÔ PHỎNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT BẢNG PHẦN MÈM ADS
Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại công suất 1W,45W và 200W (tầng khuếch
đại 45W) của bộ khuếch đại siêu cao tần sử dụng phần mềm thiết kế chuyên dụng
Advanced Design System 2006A (ADS2006A).
2.1 Thiết kế bộ khuếch đại công suất 1W
Thiết kế bộ khuếch đại công suất 1 w trên Transistor JFT SHF0289
Tfrrn 2
Num=2
\ĩ=€ũ
GH
Zũ=5G

ly sis írequency
éler fiie wiihoút
ie noise
I be irrvalid
Hình 14: Sơ đồ mô phông
-*i
S-PARAMETE RS
Slart^o 4
Slop= 2 GHz
Slep=
CalcN oise^n o
Se! S-paiam eie r ana
ranqe tí an S-param
noise daía-is used, II
simưlalian le s ulls wil
c
-30
-20
.30
.40
Ư1
-60
-70
•8C
-90 ■
■ 100-
freq C-Hz
Hình 15: Mô phỏne tham số SI l(dB)
mỊ
T

m1
freq= 1.030GHz
d8(S (1.1))~ 90 0l2
TU"
0 3
2 0
dB(S(2 2)1
m1 \
freq=1 030G Hz\
.9/1 -n= * / -0 073
(1 000 - _J8 025E-8),
freq (400 0MHz to 2.000GHz)
Hình 16: Mô phỏng tham số SI 1 trên đồ thì Smith
• Ket quả phối hợp đầu ra:
freq (400.0MHz to 2 000GHz)
Hình 17: Mô phỏng tham số S22 trên đồ thì Smith
0—
-1 0 —
-2 0
-3 0 —1
-40—
-5 0 —
■60 —
. 7 0 -
-80 —
0.4. 0.6 0.8 1 0 1 2 H 1 6 1 8 2 0
freq. G H z
Hình 18: Mô phỏng tham số S22 [dB]
• Kết quả thu được khi phối hợp cả đầu vào và đâu ra:
m1

'freq=1 030GH z
■ ; d B( s (2 ,2 ))= -70 076
21
m 1
f r e q = 1 ,0 3 0 G H z
d B (S (2 .1 )) = 2 3.2 1 4
1 5 1 6 17 10 1 9 2

0
Hình 19: Mô phỏng tham số S21[dB]
freq (40 0.0 M H z to 2.0 00 G Hz )
Hình 20: Mô phóng tham số S21 trên đồ thị Smith
2.2 Thiết kế mô phỏng mạch khuếch đại 45W và 200W
Bộ khuếch đại 200w được thiết kế bao gồm 2 tầng, tầng 1 công suất 45 w.
(công suất cực đại 60W) đưa tới kích tầng 2 lắp trên MOSFET 200W (công suất
cực đại 240W).
Các đoạn mạch dải được tính toán chặt chẽ tùy thuộc vào phươne pháp phối
họp trở kháng và có thể được điều chỉnh để phối hợp trở kháng tốt nhất. Trong đó
đoạn mạch dải TL8 và tụ điện C1 dùng để phối hợp với trờ kháng ra 50Q của tầna
trước. Tụ C1 còn có nhiệm vụ ngăn cách dòne một chiều với tầns trước.
Hình 4.2 là mô phỏng mạch khuếch đại công suất 200W. Đoạn mạch dải
TL14 và TL15 dùng để phổi hợp trở kháng giữa đoạn TL7 với trở khán® phức lối
vào của MOSFET với z,n tại tần số 1030 MHZ. Đoạn mạch dải TL17 có độ dài điện
bàns X/4 ghép với với neuồn điện áp một chiêu phân cực cho MOSFET. Đoạn mạch
dải TL11 và TL12 dùng để phổi họp trở kháns eiừa đoạn TL9 với trơ kháne phức
lối ra của MOSFET với Zoưt tại tần số 1030MHZ.
2 2
Đoạn mạch dải TL9 cùng với tụ điện C2 có độ dài điện )J4. có điện trở đuợc
tính toán xác định cho phép quay pha phù hợp để phối hợp trở kháng với tải 50Q là
lôi vào của các bộ cộng. Tụ điện C2 còn dùng để ngăn cách điện áp một chiều cua

điện cực D (MOSFET) với tải ra là lối vào 50Q của tầng 200W. Đoạn mạch dai
TL16 có độ dài điện bằng Ầ/4 dùng để ghép điện áp nguồn nuôi với cưc D cùa
MOSFET 45W.
Terml
Nnn=l
z=50 Ohm
Tia C1
SiÌ»l=”MSJÍP1.4
W=1 3mm {()
1=23 8 mm (»}
TL7 TL15
Subsi "WSubr' S‘j£sỉ='WSut)r
w= 10 2975 mm {iyv=24 5 mm {t}
L=2.79mm{t) U30 3 mm{l}
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại 45 w
Các tham số kỹ thuật của tầng 45 w như sau:
• Dải thông của tầna, khuếch đại 30MHZ
• Hệ số khuếch đại danh định 17dB nén 1 dB trong dải thôn? của bộ
khuếch đại.
• Transistor MOSFET được thiết lập chế độ làm việc trona chế độ AB
nhằm làm tăng hiệu suất của tâne khuếch đại và đảm bảo độ tuyến tính
cần thiết. Chế độ AB được thiết lập nhờ tầng ổn áp lấp naay trên mảng
mạch dải. Điện áp lối vào bộ ổn áp > 7V. dưa tới IC ổn áp LA7805. Lối
ra của ổn áp 5V được đưa tới bộ chia thế có biên trờ điều chỉnh, cho
phép lựa chọn tối ưu hệ số khuếch dại của tâng 45 w,
Điện áp UG của Transistor 45W được thiết lập trong khoảne 2V tới 3V.
Biến trở này cũng được dùng để điều chỉnh cân băng biên độ cho tầng
cộng công suất .
Điện áp nguồn nuôi cực D của MOSFET 45w từ 12V tới 24 V.
23

Hình vẽ các kết quả mô phỏng tầng khuếch đại 45W bằng phần
ADS2006A
oí T- p'
oí (N
ÍO òo ơ)
0 0 0 2 0 4 0.6 0 8 1 0 1.2 1 4 16 1& 2 0
íreq, GHz
Hình 2.9. Kết quả mô phỏng tham số s n , s 22, S21 của tầng 1.
^ 800
cõ
ầ 600-
m3
freq=1,030GHz
vswr{S11 )=1.049
m3
0-0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1 4 1 6 1.8 20
freq GHz
Hình 2.10. Kết quả mô phỏng tỉ số sóng đứng vswr(si i) của tần2
0 —

ự>
ổ
m3
frẽq=1,030GHz
dB(S(2.2 ))=-27.71i
rri3
▼
0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 10 12 14 16 10 2 0
treo GH /.
Hình 2.11. Kết quả mô phòng tham số s

22
của tầng
mềm
2 4
-
m4
freq=1,030GHz
-
vswr(S22)=1.06Q
m4
•
- -
I ■ 1 ■ 1 ■ i 1 1 ■ 1 '
freq GHz
Hình 2.12. Kết quả mô phỏng ti sổ sóng đứng vswr(s22) của tầng 1.
Hình 2.13 là sơ đồ nguyên lý tầng 2 (tầng khuếch đại 200W) của bộ khuếch đại siêu
cao tân. Các đoạn mạch dải được tính toán chặt chẽ tùy thuộc vào phương pháp
phối họp trở kháng và có thể được điều chỉnh để phối hợp trờ kháng tốt nhất, Trong
đó đoạn mạch dải TL3 là và tụ điện C1 dùng để phối hợp với trở kháng ra 50Í2 của
tầng trước. Tụ C1 còn có nhiệm vụ ngăn cách dòng một chiều với tầne trước.
Đoạn mạch dải TL1 và TL2 đùng để phối hợp trở kháne giữa đoạn TL3 với
trở kháng phức lối vào của MOSFET với z in tại tần số 1030MHZ. Đoạn mạch dải
Teel dùng để phối họp với đoạn TL7 có độ dài điện bàng Â/4 ghép với với nguồn
điện áp một chiều phân cực cho MOSFET. Đoạn mạch dải TL4 và TL5 dùng để
phối họp trở kháng giữa đoạn TL6 với trở kháng phức lối ra của MOSPET với ZŨUỊ
tại tần số Ỉ030MHZ.
Đoạn mạch dải TL6 cùng với tụ điện C2 có độ dài điện À/4, có điện trở được
tính toán xác định cho phép quay pha phù hợp đê phôi hợp trở khán? với tài 50Q là
lối vào của các bộ cộng. Tụ điện C2 còn dùna để ngăn cách điện áp một chiều cùa
điện cực D (MOSFET) với tải ra. Đoạn mạch dải TL8 có độ dài điện băng }J4 dùng

để ghép điện áp nguồn nuôi với cưc D của MOSFET 200W.
Các tham số kỹ thuật của tầne 200W như sau:
• Dải thông của tầng khuếch đại 30MHZ
• Hệ số khuếch đại danh định 17dB nén 1 dB trong dái thône cùa b ộ
khuếch đại.
25