môn kỹ thuật số chương 3

BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

Chương III: Kỹ thuật siêu cao tần

Nội dung chương
3.1 Đường truyền siêu cao tần
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.1.5

Giới thiệu chung về kỹ thuật siêu cao tần
Mô hình tương đương của đường truyền siêu cao tần.
Đường truyền không tổn hao
Đồ thị Smith
Đường truyền không tổn hao nối nguồn và tải

3.2 Kỹ thuật phối hợp trở kháng
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4

Tổng quan về phối hợp trở kháng
Kỹ thuật phối hợp trở kháng dùng vi phần tử LC
Kỹ thuật phối hợp trở kháng dùng đoạn đường truyền lamda/4
Kỹ thuật phối hợp trở kháng dùng dây chêm đơn

3.3 Phân tích mạng siêu cao tần
3.3.1 Ma trận truyền đạt [ABCD]

3.3.2 Ma trận trở kháng và dẫn nạp [Z], [Y]
3.3.3 Ma trận tán xạ [S]


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

Chương III: Kỹ thuật siêu cao tần
Tài liệu tham khảo:
- Microwave Engineering – David M.Pozar.
- Kỹ thuật siêu cao tần – Phạm Minh Việt
Phần mềm thiết kế, mô phỏng
– CST Studio Suite 2018.
– ADS (Advantage Design System) 2015.
– HFSS

2


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1 Đường truyền siêu cao tần

3.1.1 Giới thiệu chung về kỹ thuật siêu cao tần
 Kỹ thuật siêu cao tần nghiên cứu các biểu hiện của các tín hiệu
dòng với dải tần từ 1GHz đến 30GHz, tương ứng bước sóng từ
30cm đến 1mm.
 Phân chia phổ tần số vô tuyến

3

BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.1 Giới thiệu chung về kỹ thuật siêu cao tần

4


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.1 Giới thiệu chung về kỹ thuật siêu cao tần
Ứng dụng của kỹ thuật siêu cao tần
 Hệ số tăng ích của ăng ten tỉ lệ với kích thước điện của ăng ten.
Tần số càng cao, hệ số tăng ích càng cao với cùng 1 kích thước
vật lý.
 Độ rộng băng tần càng rộng (liên quan trực tiếp đến tốc độ dữ
liệu) có thể thực hiện được khi tần số càng cao.
 Tín hiệu siêu cao tần truyền đi bằng đường truyền thẳng và
không bị suy giảm trong tầng điện ly giống như các tín hiệu ở
tần số thấp hơn. Do đó, có thể thực hiện được các đường truyền
thông tin vệ tinh với dung lượng lớn và có khả năng tái sử dụng
tần số tại các vị trí có khoảng cách gần.
 Phân tử, nguyên tử và cộng hưởng hạt nhân xảy ra tại các tần số
siêu cao, tạo thành 1 lĩnh vực ứng dụng khoa học cơ bản, viễn
thám, y học và nhiệt học.
5


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.1 Giới thiệu chung về kỹ thuật siêu cao tần
•  

P1

Cáp, khuếch đại, suy
hao,…

P2

6


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.1 Giới thiệu chung về kỹ thuật siêu cao tần
•  

PA
1W 20dB

Loss
3dB

G
10dBi

7

BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.2 Mô hình tương đương của đường truyền siêu cao tần
 Đường dây nối từ điểm nguồn đến điểm đích lớn hơn nhiều lần
so với bước sóng, tín hiệu siêu cao tần phải mất một thời gian để
lan truyền đến điểm tải. => dùng mô hình siêu cao tần.
 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 vthu(t)=vnguồn (t-Δt).
 Khoảng thời gian trễ này tỉ lệ với chiều dài l của đường truyền
 Có sự suy hao về biên độ tín hiệu tại nơi thu so với biên độ tín
hiệu tại nơi phát.
 Có sự phản xạ sóng trên tải và trên nguồn. Điều này dẫn đến
hiện tượng sóng đứng trên đường dây.

8


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.2 Mô hình tương đương của đường truyền siêu cao tần
 Khái niệm thông số tập trung và thông số phân bố:
 Thông số tập trung của mạch điện: là các đại lượng đặc tính
điện xuất hiện hoặc tồn tại ở một vị trí nào đó được xác định của
mạch điện. Thông số tập trung được biểu diễn bởi 1  phần tử
điện tương ứng, ví dụ như các phần tử
điện trở, điện 
cảm, điện dung, nguồn áp, transistor….
 Thông số phân bố (thông số rải) của mạch điện: Cũng là
các đại lượng đặc tính điện, nhưng chúng không tồn tại ở tại duy

nhất một vị trí cố định trong mạch điện, mà chúng được phân bố
rải đều trên chiều dài của mạch điện đó.

9


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.2 Mô hình tương đương của đường truyền siêu cao tần
 Mỗi đoạn có chiều
dài Δz có thể được
coi như các mạch có
phần tử tập trung với
R, L, G, C là các đại
lượng tính trên 1 đơn
vị chiều dài.

 R(Ω/m): Điện trở nối tiếp trên một đơn vị chiều dài
 L(H/m): Điện cảm nối tiếp trên một đơn vị chiều dài.
 G(S/m): Dẫn nạp song song trên đơn vị chiều dài.
 C(F/m): Điện dung song song trên đơn vị chiều dài.
10


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.2 Mô hình tương đương của đường truyền siêu cao tần
•  

 

 

11


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.2 Mô hình tương đương của đường truyền siêu cao tần
•  

12


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.2 Mô hình tương đương của đường truyền siêu cao tần
•  

13


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.2 Mô hình tương đương của đường truyền siêu cao tần
•  

14


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.2 Mô hình tương đương của đường truyền siêu cao tần
•  

15


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.2 Mô hình tương đương của đường truyền siêu cao tần
Bài tập ví dụ: Đường truyền siêu cao tần có các tham số sau
• L = 0.3µH/m
• C = 450pF/m
• R=5Ω/m
• G=0.01S/m
• f = 880MHz
a. Tính γ, Z0
b. Tính γ, Z0 trong trường hợp R = G = 0, nêu nhận xét

16


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.3 Đường truyền không tổn hao
a. Hệ số phản xạ điện áp

 Điện áp tổng có dạng: V(z) = V0+e-jβz + V0-ejβz
 Dòng tổng
 Tại đầu cuối ta có điều kiện biên z = 0

17


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.3 Đường truyền không tổn hao
•  

18


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.3 Đường truyền không tổn hao
 Phối hợp trở kháng:
• Hệ thống công suất lớn: ΓL ≤ 0.1; ΓL[dB] ≤ 20.log(0.1) = 20dB.
• ΓL ≠ 0: ZL ≠ Z0, V0- ≠ 0. Tồn tại thành phần phản xạ
• ΓL =1: V0- = V0+. Có hiện tượng phản xạ hoàn toàn.

19


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.3 Đường truyền không tổn hao
•  

20

BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.3 Đường truyền không tổn hao
•  

21


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.3 Đường truyền không tổn hao
 Tỷ số sóng đứng SWR có thể dùng để đo sự mất phối hợp trở
kháng của đường dây, gọi là tỷ số sóng đứng điện áp.

+ 1 ≤ SWR ≤ ∞
+ Khoảng cách giữa 2 điểm có điện áp cực đại: l = λ/2
+ Khoảng cách giữa 2 cực đại liên tiếp: l = λ/4;

22


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.3 Đường truyền không tổn hao
•  

23

BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.3 Đường truyền không tổn hao
Bài tập
Cho đường truyền không tổn hao có trở kháng Z0 = 50Ω
• Tính ΓL, ΓIN, VSR, RL và Zin khi l = λ/4
• Tính ΓL, ΓIN, VSR, RL và Zin khi l = λ/2

24


BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN

3.1.4 Đồ thị Smith
 Được phát triển năm 1939 bởi Phillip Smith tại phòng Lab Bell.
 Có thể phát triển một cách trực quan các vấn đề về đường dây
truyền sóng và phối hợp trở kháng.
 Đơn giản trong việc tính toán, thiết kế một số bài toán thuộc lĩnh
vực siêu cao tần.
 Đồ thị Smith xây dựng dựa trên mối quan hệ 1-1 giữa hệ số
phản xạ và trở kháng đường dây chuẩn hoá

Chú ý: Đồ thị Smith nằm trong vòng tròn đơn vị (vòng tròn bán
kính bằng 1)
25