Thiết kế chế tạo máy phát băng tần S dùng cho thông tin vệ tinh sử dụng cho tàu biển

IH

QU

TRƢ

GI H N I
CC

BÙ T Ị

T

À

ẾT KẾ C Ế T O MÁY P ÁT BĂ
DÙ
C OT
T V T
SỬ DỤ
C O TÀU B Ể

U

VĂ T

CS C

TỬ - V

À

– 2014

TẦ S

T


IH

QU

GI H N I
CC

TRƢ

BÙ T Ị

T

À

ẾT KẾ C Ế T O MÁY P ÁT BĂ
DÙ
C OT
T V T
SỬ DỤ
C O TÀU B Ể
C

TẦ S

T -Vễ T

C

K
Mã số : 60520203

U

VĂ T

Ƣ

ƢỚ

CS C

TỬ - V

DẪ K OA

À

C P S.TS. Bạc

– 2014

T

a Dƣơ


1

CAM OA
Trong quá trình làm luận văn thạc sỹ, tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều loại tài liệu
khác nhau từ sách giáo trình, sách chuyên khảo cho đến các bài báo đã được đăng tải
trong và ngoài nước. Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính
thống không bịa đặt những kết quả đo đạc thực nghiệm đã đạt được trong luận văn không
sao chép từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức. Những kết quả đó là những gì tôi đã
nghiên cứu và tích lũy trong suốt thời gian làm luận văn.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài liệu
khác.
Hà Nội, ngày 26 tháng 06 năm 2014
TÁC Ả

Bùi Thị Hà


2

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan

1

Mục lục

2

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt

4

Danh mục các hình vẽ

5

MỞ ẦU

7

hương 1. TỔNG QU N VỀ Á ỨNG DỤNG BĂNG TẦN S

8

1.1. Giới thiệu về băng tần S

8

1.1.1.Giới thiệu chung

8

1.1.2.Giới thiệu về băng tần S

9

1.1.3.Phân loại hệ thống radar

10

1.2.

ấu trúc hệ thống phát radar

hương 2. LÝ THUYẾT SIÊU

O TẦN V B T O D O

11
NG

13

2.1. Khái niệm chung

13

2.2 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung sử dụng giản đồ Smith

14

2.2.1.Thuộc tính cơ bản của giản đồ Smith và giản đồ dmittance

14

2.2.2.Mạch phối hợp trở kháng kiểu L-network

15

2.2.3.Thiết kế mạch phối hợp trở kháng trên một dải tần số

22

ác tham số cần chú ý của bộ khuếch đại công suất

28

2.3.

2.3.1. ộ ổn định

28

2.3.2. ộ tuyến tính của bộ khuếch đại

27

2.3.3.Hệ số tạp âm

29

2.3.4.Hiệu suất của bộ phát

31

2.4. Nguyên lý hoạt động và thiết kế bộ tạo dao động

32


3

2.4.1. iều kiện dao động

32

2.4.2.Nguyên lý bộ tạo dao động ba điểm điện dung

32

hương 3. THIẾT KẾ KH I PHÁT ÔNG SUẤT BĂNG S
3.1. Thiết kế bộ tạo dao động băng S

35
35

3.1.1.Yêu cầu và thiết kế

35

3.1.2.Thiết kế mạch nguyên lý cho bộ tạo dao động V O

36

3.2. Thiết kế bộ phát công suất băng S

42

3.2.1.Yêu cầu và thiết kế

42

3.2.2.Thiết kế mạch khuếch đại công suất

44

KẾT LUẬN

50

T I LIỆU TH M KHẢO

51


4

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AC

Alternating Current

ADS

Advanced Design System

DC

Direction Current

D

Dao động

K

S

Khuếch đại công suất

KP

Kích phát

IC

Integrated Circuit

PPL

Phase Locked Loop

VCO

Voltage Controlled Osillator

RF

Radio Frequency

SCT

Siêu cao tần


5

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
Hình 1.1 Bảng tham số của hệ thống radar
Hình 1.2 Phân loại các đài radar
Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống thu-phát radar
Hình 1.4 Sơ đồ phát theo kiểu tự dao động tự kích công suất lớn
Hình 1.5 Sơ đồ phát dùng bộ dao động chủ và bộ khuếch đại công suất thành phần
Hình 2.1 Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao giữa trở kháng tải bất kì
và đường truyền dẫn sóng.
Hình 2.2 Biểu diễn phối hợp trở kháng trên giản đồ Smtih.
Hình 2.3 Các sơ đồ phối hợp trở kháng dùng kiểu L.
Hình 2.4: Sơ đồ kiểu L-network [1]
Hình 2.5 Sơ đồ kiểu L-network [2]
Hình 2.6 Sơ đồ Kiểu L [4]
Hình 2.7 Sơ đồ Kiểu L [6]
Hình 2.8 Sơ đồ Kiểu L [8]

Hình 2.9 Sơ đồ Kiểu L [3]
Hình 2.10 Sơ đồ Kiểu L [5]
Hình 2.11 Sơ đồ Kiểu L [7]
Hình 2.12 iều kiện ổn định của mạng hai cửa (two-port network)
Hình 2.13 ồ thị biểu diễn độ dốc đường cong bậc ba
Hình 2.14 Xác định tham số IP3
Hình 2.15 iểm nén 1dB
Hình 2.16 Mạch phản hồi cơ bản
Hình 2.17 Sơ đồ dao động theo kiểu olpitts
Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát của IC Max2750
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý bộ tao dao động VCO
Hình 3.3 Layout cho bộ tạo dao động
Hình 3.4 o đạc đánh giá sử dụng máy phân tích phổ
Hình 3.5 Kết quả đo tại tần số 2.4 GHz
Hình 3.6 Kết quả đo tại tần số 2.45 GHz


6

Hình 3.7 Kết quả đo tại tần số 2.5 GHz
Hình 3.8 Kết quả đo tại tần số 2.54 GHz
Hình 3.9 Kết quả đo tại tần số 2.58 GHz
Hình 3.10 ồ thị biểu diễn tần số phụ thuộc vào điện áp
Hình 3.11 ồ thị biểu diễn sự thay đổi của biên độ theo tần số
Hình 3.12 Packaging của AH201
Hình 3.13 Tham số S của linh kiện
Hình 3.14 Sử dụng giản đồ Smith thiết kế mạch cao tần
Hinh 3.15 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất băng S
Hình 3.16 Kết quả mô phỏng tham số của mạch khuếch đại
Hình 3.17 Kết quả mô phỏng tham số cách ly của mạch

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng VSWR lối ra
Hình 3.19 Kết quả mô phỏng độ ổn định của mạch
Hình 3.20 Sơ đồ đo đạc dùng máy phân tích mạng
Hình 3.21 Kết quả đo tham số S21
Hình 3.22 Kết quả đo tham số S11
Hình 3.23 Kết quả đo tham số S22
Hình 3.24 Kết quả đo tham số S12


7

MỞ ẦU

Với tên đề tài luận văn là : “Thiết kế chế tạo máy phát băng tần S dùng cho thông
tin vệ tinh sử dụng cho tàu biển”, bằng lý thuyết và thực nghiệm, luận văn đã thực hiện
những nội dung sau:
- Tìm hiểu về tổng quan các ứng dụng của băng tần S
- Tìm hiểu về lý thuyết siêu cao tần.
- Tìm hiểu sâu về kỹ thuât phối hợp trở kháng; thiết kế và chế tạo thành bộ tạo dao
động băng S (2.4 GHz – 2.5 GHz), bộ khuếch đại công suất băng tần S
ánh giá kết quả đã đạt được trong luận văn và kết luận.


8

TỔ

CHƢƠ
QUA VỀ CÁC Ứ

1
DỤ

BĂ

TẦ S

1.1 Giới thiệu về băng tần S
1.1.1 Giới thiệu chung
Nguyên lý radar lần đầu tiên được nghiên cứu và ứng dụng bởi kỹ sư người

ức

Christian Huelsmeyer với mục đích cho tàu thuyền tránh va chạm khi hoạt động trong
thời tiết sương mù. Tiếp đó vào thế chiến thứ hai, radar bắt đầu được sử dụng cho mục
đích quân sự. Hơn nửa thập kỷ sau, các hệ thống radar ngày càng phát triên mạnh mẽ
không chỉ dùng cho mục đích quân sự mà cho cả mục đích dân sự như dự báo thời tiết,
phân luồng bay, các hệ thống kiểm soát tốc độ cao…

Hình 1.1 Bảng tham số của hệ thống radar


9

1.1.2. Giới thiệu về băng tần S
Băng tần S là một phần của băng tần vi ba thuộc phổ điện từ. Nó được định nghĩa
theo một tiêu chuẩn của IEEE cho sóng vô tuyến với tần số trong dải 2 tới 4 GHz, tần số 3
GHz là ranh giới giữa UHF và SHF. Băng S được dùng cho radar thời tiết, radar tàu biển,
vệ tinh thông tin, đặc biệt là N S dùng cho liên lạc giữa tàu con thoi và trạm không
gian quốc tế. Radar băng ngắn 10 cm có dải tần 1,55 tới 5,2 GHz

Mộ số ứ dụ bă
ầ S
V
Tại Mỹ, Ủy ban Truyền thông Liên bang chấp nhận phát thanh số vệ tinh được hoạt động
trong băng tần S trong dải tần 2,31 tới 2,36 GHz, hiện đang được Sirius Radio sử dụng.
Gần đây, một phần tần số của băng S từ 2 tới 2,2 GHz được dùng để lập mạng dịch vụ vệ
tinh di động kết nối với các thiết bị phụ trợ mặt đất. Hiện nay chỉ có một số công ty đang
có gắng triển khai các mạng này.
Dải tần số 2,6 GHz được dùng cho phát quảng bá di động đa phương tiện ở Trung
Quốc, đây là một chuẩn truyền hình di động và phát thanh vệ tinh Trung Quốc, cũng như
các hệ thống sở hữu độc quyền ở Mỹ, nó không tương thích với các chuẩn mở được dùng
ở các nước khác.
Tháng 5/2009, Inmarsat và Solaris mobile đã được ủy ban châu Âu cấp băng thông
2x15 MHz thuộc băng S. Tần số được cấp phát là 1,98 tới 2,01 GHz cho đường lên (trạm
mặt đất vệ tinh) và từ 2,17 tới 2,2 GHz cho đường xuống ( vệ tinh xuống trạm mặt đất).
Vệ tinh Eutelsat W2 được phóng lên quỹ đạo vào tháng 4/2009 ở tọa độ 10 độ ông
hiện là vệ tinh duy nhất ở châu Âu hoạt động ở băng tần S.
Ở một số nước, băng tần S được dùng cho truyền hình vệ tinh gia đình ( không giống
như dịch vụ tương tự ở hầu hết các quốc gia dùng băng Ku). Tần số cấp phát cho dịch vụ
này là 2,5 tới 2,7 GHz (LOF 1,57 GHz)
Ứ dụ k ác
Thiết bị mạng không dây tương thích với chuẩn IEEE 802.11b và 802.11g dùng dải 2,4
GHz của băng tần S. iện thoại không dây số cũng dùng băng tần này. Tại băng tần S còn
được phân bổ cho các thiết bị sử dụng vào các mục đích ngoài liên lạc, chẳng hạn như lò
vi sóng sử dụng các sóng vô tuyến để đun nóng thức ăn. Lò vi sóng hoạt động ở tần số
2495 hoặc 2450 MHz. F
đã đưa các băng tần này vào phục vụ mục đích liên lạc dựa
trên các cơ sở : bất cứ thiết bị nào sử dụng những dải sóng đó đều phải đi vòng để tránh
ảnh hưởng của việc truy cập từ các thiết bị khác. iều này được thực hiện bằng công nghệ
gọi là phổ rộng ( Vốn được phát triển cho quân đội Mỹ sử dụng), có khả năng phát tín

hiệu vô tuyến qua một vùng nhiều tần số, khác với phương pháp truyền thống là truyền
trên một tần số đơn lẻ được xác định rõ.
huẩn IEEE dùng một phần dải tần của băng S, theo chuẩn WiM X hầu hết các nhà
cung cấp thiết bị hoạt động trong dải 3,5 GHz. Dải tần chính xác được ấn định cho các
chuẩn này là khác nhau tùy quốc gia.
Tại Bắc Mỹ, dải tần 2,4 – 2,483 GHz là băng tần ISM dùng cho các thiết bị phổ thông li
xăng như điện thoại không dây, tai nghe không dây… trong số những công nghệ điện tử
dân dụng khác còn có Bluetooth dùng dải tần 2,402 GHz và 2,480 GHz.
Vô tuyến nghiệp dư và vệ tinh nghiệp dư hoạt động ở 2 dải tần của băng S


10

Thông tin quang dùng băng tần S
1.1.3 Phân loại hệ thống radar
ể phân loại hệ thống radar, người ta căn cứ vào dấu hiệu chiến thuật và dấu hiệu
kỹ thuật:
*

*

ác dấu hiệu chiến thuật thường gồm:
-

ông dụng của đài ra đa

-

Số lượng tọa độ đo được

-

Mức độ cơ động của đài

ác dấu hiệu kỹ thuật thường gồm:
-

Dải sóng làm việc của đài,

-

Phương pháp ra đa,

-

Phương pháp đo cự ly,

-

Số lượng kênh ra đa độc lập.

Hình 1.2 Phân loại các đài radar
Theo công dụng có thể chia đài radar theo các loại sau:
- Phát hiện xa các tiêu trên không ( ra đa cảnh giới)
- Phát hiện các mục tiêu trên không và dẫn đương cho máy bay tiêm
kích đến các mục tiêu đó ( ra đa cảnh giới và dẫn đường)
- Phát hiện các mục tiêu bay thấp
- Chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không

11
Theo dấu hiệu kỹ thuật có thể chia đài radar theo có thể chia ra đa theo dải sóng,

theo phương pháp ra đa, theo phương pháp đo cự ly và theo số lượng kênh ra đa độc lập.

1.2 Cấu trúc hệ thống phát radar

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống thu-phát radar
ó hai kiểu phát chủ yếu được dùng trong ra đa: Kiểu thứ nhất là thiết bị phát dùng
bộ dao động công suất lớn tự kích ví dụ Magnetron; Kiểu thứ hai dao động tạo ra từ bộ
dao động ổn định công suất nhỏ, được khuếch đại tới mức công suất yêu cầu nhờ một
hoặc một số đèn khuếch đại công suất lớn. Trong đó, bộ tiền điều chế đảm bảo hình thành
xung kích phát bộ điều chế, bộ điều chế tạo ra các xung thị tần công suất lớn với biên độ,
cực tính, độ rộng theo yêu cầu định trước.

Hình 1.4 Sơ đồ phát theo kiểu tự dao động tự kích công suất lớn


12

Hình 1.5 Sơ đồ phát dùng bộ dao động chủ và bộ khuếch đại công suất thành phần
Trong khuôn khổ của luận văn, thiết kế chế tạo hệ thống phát cho radar băng tần
S.sẽ được thiết kế theo cấu trúc hai bước như sau:
a. Thiết kế bộ tạo dao động chủ công suất nhỏ ổn đinh
b. Thiết kế bộ khuếch đại công suất trước khi đưa ra ăngten
Tất nhiên, như đã trình bày ở trên một hệ thống phát radar gồm rất nhiều thành
phần cơ bản cũng như tham số phức tạp khi thiết kế. Luận văn tập trung nghiên cứu xây
dựng hệ thống phát trên cơ sở thiết kế các bộ tạo dao động ổn định công suất thấp và phối
hợp trở kháng ra angten.

13

C ƢƠ
2
Ý T UYẾT S ÊU CAO TẦ VÀ B

T O DAO

2.1 Khái niệm chung:
Phối hợp trở kháng là một vấn đề rất quan trọng của kĩ thuật vi ba, là một phần
của quá trình thiết kế mạch liên hệ thống siêu cao tần dựa trên cơ sở áp dụng những kiến
thức về lí thuyết đường dây truyền dẫn sóng. Mạch phối hợp thường là một mạch không
tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết kế sao cho trở kháng vào nhìn từ
đường truyền có giá trị bằng trở kháng sóng Zo của đường truyền. Khi ấy sự phản xạ
sóng ở phía trái của mạch phối hợp về phía đường truyền dẫn sẽ không còn nữa, chỉ còn
trong phạm vi giới hạn giữa tải và mạch phối hợp, cũng có thể là phản xạ qua lại nhiều
lần.

Hình 2.1 Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao giữa trở kháng tải bất kì
và đường truyền dẫn sóng.
Sự phối hợp trở kháng mang ý nghĩa như sau:
- Khi thực hiện phối hợp trở kháng công suất truyền cho tải sẽ đạt được cực đại còn
tổn hao trên đường truyền là cực tiểu.
- Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu của hệ thống khác trong
hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như angten, bộ khuếch đại tạp âm thấp, bộ khuếch
đại công suât, bộ trộn …
- ối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp điện cho dàn anten
gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khi phân
chia công suất.

Trong phần này, luận văn tập trung tìm hiểu những vấn đề cơ bản và cốt lõi của lý
thuyết siêu cao tần đặc biệt là các phương pháp phối hợp trở kháng. ây chính là chìa
khóa thành công cho các thiết kế cao tần nói chung và thiết kế khuếch đại công suất nói
riêng.


14

2.2 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung sử dụng giản đồ Smith
2.2.1 Thuộc tính cơ bản của giản đồ Smith và giản đồ Admittance
- Khi mắc nối tiếp thành phần dung kháng với tải trở kháng ở các điểm bất kỳ trên giản
đồ Smith thì các điểm dẫn nạp tương ứng sẽ chuyển động trên đường tròn đẳng điện dẫn
(G không đổi) theo chiều ngược kim đồng hồ.
- Khi mắc nối tiếp thành phần cảm kháng với tải trở kháng ở các điểm bất kì trên giản
đồ Smith thì các điểm dẫn nạp tương ứng sẽ chuyển động trên đường tròn đẳng G theo
chiều kim đồng hồ.
- Khi mắc song song thành phần điện nạp là dung kháng với tải dẫn nạp ở các điểm
bất kì trên giản đồ dẫn nạp, thì các điểm dẫn nạp sẽ chuyển động trên đường tròn đẳng G
theo chiều kim đồng hồ.
- Khi mắc song song thành phần điện nạp là cảm kháng với tải dẫn nạp ở các điểm bất
kỳ trên giản đồ dẫn nạp, thì các điểm dẫn nạp sẽ chuyển động trên đường tròn đẳng G
theo chiều ngược kim đồng hồ.
Hình 2.2 biểu diễn sự thay đổi của các thành phần tụ và cuộn cảm song song hoặc
nối tiếp trên giản đồ Smith.

Hình 2.2 Biểu diễn phối hợp trở kháng trên giản đồ Smtih.


15

2.2.2 Mạch phối hợp trở kháng kiểu L-network (dùng phần tử thụ động)
Hình 2.3 biểu diễn các dạng điển hình của phương pháp phối hợp trở kháng dùng
phần tử thụ động.

Hình 2.3 Các sơ đồ phối hợp trở kháng dùng kiểu L.
Về cơ bản phương pháp phối hợp trở kháng này sẽ biến đổi giá trị trở kháng nào đó
với đường truyền cho trước (đường truyền đặc trưng ZO). ác phần tử thụ động (L )
thêm vào sẽ làm cho điểm phối hợp trở kháng chạy trên các đường tròn điện dẫn không
đổi (G=const) hoặc đường tròn điện trở không đổi (R=const). Ví dụ trong sơ đồ hình 2.3,
mọi thành phần mắc song song với trở tải (trong trường hợp này là anten) như trong sơ
đồ [1], [3], [5] và [7], đầu tiên sẽ di chuyển dọc theo đường tròn điện dẫn không đổi
( G  const ) tới khi gặp đường tròn R  1  điều này tương đương với việc thêm một phần
tử song song. Tiếp đó dịch chuyển dọc trên đường tròn R  1 tới tâm giản đồ trở kháng
Smith ở đó Z=Z0. Bởi vì tại tâm của giản đồ Smith ta có: Z / Z0  R  j X  1 giá trị quay
được trên đường R  1 sẽ cho ta xác định giá trị của điện kháng mắc nối tiếp. Mọi
thành phần mắc nối tiếp với trở kháng tải anten như trong các sơ đồ [2], [4], [6] và [8]
sẽ được dịch chuyển trên đường đẳng điện trở ( R = const) cho tới khi gặp đường tròn
G  1  cho ta xác định được một thành phần nối tiếp. Trên đường G  1 ta quay trở
kháng về tâm, ở đó Z=Z0, giá trị quay được trên đường G  1 cho ta xác định giá trị của
điện nạp mắc song song.


16

Phân tích sơ đồ phối hợp trở kháng dùng L-network
Trong sơ đồ hình 2.4, thành phần tụ

mắc song song với trở tải lấy các điểm trở

kháng tải Z L trên giản đồ Smith và sử dụng giản đồ dẫn nạp chuyển động trên đường

tròn G không đổi cho đến khi gặp đường R  1 trên giản đồ Smith. Tổng giá trị thay đổi
của điện nạp  BC trên giản đồ dẫn nạp tương ứng với thêm giá trị của tụ điện C mắc
song song, xác định từ  BC  jC  j 2 f C .
Vòng tròn điện
dẫn không đổi
G= const

Hình 2.4: Sơ đồ kiểu L-network [1]
Từ điểm cắt của đường tròn G không đổi với đường R  1 ta quay dọc theo
đường R  1 tới điểm R/Z0 =1 (tâm của giản đồ Smith). Từ hình 2.2 chúng ta thấy đường
“Bổ sung cảm kháng nối tiếp”. Giá trị quay được trên giản đồ Smith cho phép ta tính
giá trị của của L. Giá trị của L được xác định từ công thức  X L  j L  j 2 f L
Tiếp tục khảo sát hình 2.2 và hình 2.5 cuộn cảm mắc nối tiếp với tải, chúng ta vẽ
trở kháng tải Z L trên giản đồ Smith và quay dọc theo đường R không đổi theo chiều
kim đồng hồ trên giản đồ Smith tới khi gặp đường G  1 , sử dụng giản đồ dẫn nạp. Tổng
giá trị thay đổi của điện kháng  X L trên giản đồ Smith cho ta giá trị nối tiếp của cảm
kháng. Giá trị của L được xác định từ phương trình:  X L  j L  j 2 f L .
Từ điểm cắt của đường R không đổi với đường G  1 , quay cùng chiều kim đồng
hồ tới điểm R/Z0 =1 (tâm của giản đồ Smith). Từ hình 2.2 ta thấy chiều của đường
“Bổ sung dung kháng song song”. Tổng giá trị thay đổi trên giản đồ dẫn nạp theo chiều
kim đồng hồ của dung kháng song song sẽ cho ta giá trị của tụ điện, tính theo công thức
như sau:  BC  jC  j 2 f C.


17

Hình 2.5 Sơ đồ kiểu L-network [2]
Khảo sát hình 2.2 và hình 2.6 tụ điện mắc nối tiếp với tải, chúng ta vẽ trở kháng
tải Z L trên giản đồ Smith và quay dọc theo đường R không đổi theo chiều ngược kim
đồng hồ trên giản đồ Smith tới khi gặp đường G  1 , sử dụng giản đồ dẫn nạp. Tổng giá

trị thay đổi của điện kháng  X C trên giản đồ Smith cho ta giá trị nối tiếp của dung
kháng. Giá trị của C được xác định từ phương trình  X C  1/ jC  1/ j 2 f C . Từ điểm
cắt của đường R không đổi với đường G  1 , quay ngược chiều kim đồng hồ tới điểm
R/Z0 =1 (tâm của giản đồ Smith). Từ hình 2.2 ta thấy chiều của đường “Bổ sung dung
kháng song song”. Tổng giá trị thay đổi trên giản đồ dẫn nạp theo chiều ngược kim
đồng hồ của cảm kháng song song sẽ cho ta giá trị của tụ điện, tính theo công thức như
sau:  BL  1/ j L  1/ j 2 f L.

Hình 2.6 Sơ đồ Kiểu L [4]
Khảo sát hình 2.2 và hình 2.7 tụ điện mắc nối tiếp với tải, chúng ta vẽ trở kháng
tải Z L trên giản đồ Smith và quay dọc theo đường R không đổi theo chiều ngược kim
đồng hồ trên giản đồ Smith tới khi gặp đường G  1 sử dụng giản đồ dẫn nạp. Tổng giá trị
thay đổi của điện kháng  X C trên giản đồ Smith cho ta giá trị nối tiếp của dung kháng.
Giá trị của C được xác định từ phương trình  X C  1/ jC  1/ j 2 f C . Từ điểm cắt của


18

đường R không đổi với đường G  1 , quay theo chiều kim đồng hồ tới điểm R/Z0 =1
(tâm của giản đồ Smith).

Hình 2.7 Sơ đồ Kiểu L [6]
Từ hình 2.2 ta thấy chiều của đường “Bổ sung dung kháng song song”. Tổng giá trị
thay đổi trên giản đồ dẫn nạp theo chiều kim đồng hồ của dung kháng song song sẽ
cho ta giá trị của tụ điện, tính theo công thức như sau:  BC  jC  j 2 f C.
Khảo sát hình 2.2 và hình 2.8 điện cảm mắc nối tiếp với tải, chúng ta vẽ trở kháng tải
Z L trên giản đồ Smith và quay dọc theo đường R không đổi theo chiều kim đồng hồ trên

giản đồ Smith tới khi gặp đường G  1 . Sử dụng giản đồ dẫn nạp, tổng giá trị thay đổi của
cảm kháng  X L trên giản đồ Smith cho ta giá trị nối tiếp của cảm kháng. Giá trị của

L được xác định từ phương trình:  X L  j L  j 2 f L Từ điểm cắt của đường R không
đổi với đường G  1 , quay ngược chiều kim đồng hồ tới điểm R/Z0 =1 (tâm của giản đồ
Smith). Từ hình 2.2 ta thấy chiều của đường “Bổ sung dung kháng song song”. Tổng
giá trị thay đổi trên giản đồ dẫn nạp theo chiều ngược kim đồng hồ của cảm kháng
song song sẽ cho ta giá trị của cảm kháng, tính theo công thức như sau:
 BL  1/ j L  1/ j 2 f L.

Hình 2.8 Sơ đồ Kiểu L [8]


19

Khảo sát hình 2.2 và hình 2.9 cuộn cảm mắc song song với tải, chúng ta vẽ trở
kháng tải Z L trên giản đồ Smith và sử dụng giản đồ dẫn nạp. Quay trên đường tròn
G không đổi theo chiều ngược kim đồng hồ tới khi gập đường tròn R  1 trên giản đồ

Smith. Giá trị thay đổi của điện nạp  BL trên giản đồ dẫn nạp cho ta tính giá trị của L
mắc song song với tải và được tính theo công thức:
 BL  1/ j L  1/ j 2 f L.

Từ điểm cắt của đường tròn G không đổi và, quay dọc theo đường R  1 theo
chiều ngược kim đồng hồ về tâm giản đồ Smith (tới điểm R/Z0=1). Từ hình 2.2 chúng
ta thấy đường “Bổ sung dung kháng nối tiếp” của C mắc nối tiếp với tải. Giá trị quay
trên giản đồ Smith cho ta xác định giá trị của tụ nối tiếp và được tính theo công thức:
 X C  1/ jC  1/ j 2 f C .

Hình 2.9 Sơ đồ Kiểu L [3]
Khảo sát hình 2.2 và hình 2.10 tụ điện mắc song song với tải chúng ta vẽ trở
kháng tải Z L trên giản đồ Smith và sử dụng giản đồ dẫn nạp, quay dọc theo đường G
không đổi theo chiều ngược kim đồng hồ tới khi gặp đường tròn R  1 trên giản đồ Smith.

Giá trị thay đổi của điện nạp  BC trên giản đồ dẫn nạp cho ta tính giá trị của dung
kháng mắc song song. Giá trị của tụ điện

từ phương trình

 BC  jC  j 2 f C.

Từ điểm cắt của đường G không đổi với đường R  1 , quay ngược chiều kim
đồng hồ tới điểm R/Z0 =1 (tâm của giản đồ Smith). Từ hình 2.2, ta thấy chiều của
đường “Bổ sung dung kháng nối tiếp”. Tổng giá trị thay đổi trên giản đồ Smith của dung
kháng nối tiếp sẽ cho ta giá trị của tụ điện, tính theo công thức như
sau:  X C  1/ jC  1/ j 2 f C


20

Hình 2.10 Sơ đồ Kiểu L [5]
Khảo sát hình 2.2 và hình 2.11 cuộn cảm mắc song song với tải, chúng ta vẽ trở
kháng tải Z L trên giản đồ Smith và sử dụng giản đồ dẫn nạp, quay dọc theo đường
G không đổi theo chiều ngược kim đồng hồ tới khi gập điểm R  1 trên giản đồ Smith.

Giá trị thay đổi của điện nạp  BL trên giản đồ dẫn nạp sẽ cho giá trị của cảm kháng mắc
song song và xác định giá trị L theo phương trình:
 BL  1/ j L  1/ j 2 f L.

Từ điểm cắt của đường G không đổi với đường R  1 , quay cùng chiều kim
đồng hồ tới điểm R/Z0 =1 (tâm của giản đồ Smith). Từ hình 2.2 ta thấy chiều của đường
“Bổ sung cảm kháng nối tiếp”. Tổng giá trị thay đổi trên giản đồ Smith của cảm kháng
nối tiếp sẽ cho ta giá trị của cuộn cảm, tính theo công thức như sau:  X L  j L  j 2 f L

Hình 2.11 Sơ đồ Kiểu L [7]
Trong phần này, đã trình bày tương đối chi tiết các sơ đồ điển hình cho phối hợp
trở kháng dùng phần tử thụ động theo kiểu L. Mỗi sơ đồ tương ứng cho một vị trí cửa trở
kháng phối hợp ZL với đường truyền đặc trưng Z0 trên giản đồ Smith hay giản đồ
dmittance. Tuy nhiên, đây chỉ là các sơ đồ điển hình người thiết kế hoàn toàn có thể
sáng tạo kết hợp tùy vào từng trường hợp cụ thể cũng như yêu cầu cụ thể để có thể đạt
được tối ưu trong thiết kế. Bởi vì bản chất các thiết kế theo phương pháp này khác hẳn so
với phối hợp trở kháng sử dụng mạch dải (điểm làm việc chạy trên đường tròn đẳng


21

VSWR), điểm phối hợp sẽ chạy trên đường tròn đẳng điện trở hoặc đẳng dẫn nạp nên
phương pháp này cho phép ta linh hoạt trong quá trình phối hợp cũng như khi tinh chỉnh
tối ưu trong quá trình thiết kế. Tuy nhiên, thiết kế theo phương pháp này có nhược điểm
là phụ thuộc vào chất lượng hay độ phẩm chất của linh kiện. Nhưng điều này hoàn toàn
có thể khắc phục được khi sử dụng một số phương pháp đặc biệt điều mà sẽ được sử dụng
trong thiết kế khuếch đại công suất của luận văn.
2.2.3 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng trên một dải tần số
Trong phần này, chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu các phương pháp phối hợp trở
kháng trên một dải tần số, tức là thay vì phối hợp trở kháng cho một giá trị trở kháng hay
dẫn nạp trên giản đồ Smith, trong trường hợp này sẽ phối hợp trở kháng cho một dải trở
kháng hay dẫn nạp nhất định. Chính vì thế, việc phối hợp trở kháng trong một đoạn dải
tần không thể đưa các điểm phối hợp về cùng một điểm có giá trị VSWR (VSWR =1
chẳng hạn). Trong phần này, chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu phương pháp phối hợp trở
kháng sao cho giá trị VSWR trong dải tần số yêu cầu nằm trong một giới hạn xác định.
Biến đổi của điện nạp và điện kháng theo tần số
Chúng ta đã biết, giá trị điện nạp và điện kháng sẽ thay đổi theo sự biến đổi của
tần số. hính vì thế, giá trị trở kháng hoặc dẫn nạp cũng thay đổi theo tần số. Trong phần
này, chúng ta sẽ tính toán sự thay đổi này và xem xét sự thay đổi của nó trên giản đồ

Smith.
Biến đổi của điện kháng
Dung kháng
Giá trị dung kháng tại tần số trung tâm f0 được tính bởi công thức X 0 

1
j0C

tần số thay đổi một lượng là   2f , khi đó giá trị điện kháng sẽ thay đổi theo công
thức:
X0 

1
1

j (0   ) jC

Ta có thể rút gọn được:
X hi  X 0

Với giá trị:

f0
f hi

(2.1)


22
X hi  X 0  X , f hi  f 0  f , X  X 0

f
f hi

f
X lo  X 0 0
flo

(2.2)

Cần chú ý trong trường hợp này, đối với các khoảng tăng tần số δf như nhau, thì
giá trị dung kháng không thay đổi tỷ lệ thuận với sự thay đổi này. Từ phương trình (2.2),
ta có thể thấy rằng sự thay đổi giá trị dung kháng tại tần số càng thấp thì sẽ càng lớn so
với sự thay đổi ở tần số cao hơn. Chia (2.2b) cho (2.2a) ta có thể thấy được sự phụ thuộc
của giá trị điện dung theo tần số như công thức (2.3).
X lo  X hi

f hi
flo

(2.3)

Từ phương trình 2.3, có thể tổng quát hóa cho phép xác định giá trị điện dung Xc1
(f1) tại tần số f1 với một giá trị điện dung xác định XC2(f2) tại tần số f2.
X C1 ( f1 )  X C1 ( f 2 )

f2
f1

(2.4)

Từ đây, ta có thể xác định được giá trị trở kháng của tải có thành phần trở và thành
phần dung kháng như sau:
Z( f )  R  j

1
2 Cf hi / lo

(2.5)

Sự thay đổi khi thêm vào các giá trị dung kháng
Trong hầu hết các trường hợp phối hợp trở kháng, người ta thường thêm vào các
thành phần dung kháng nối tiếp. Trong phần này, ta sẽ xem xét sự thay đổi khi thêm
vào thành phần dung kháng nối tiếp.
Tại tần số f1, thành phần dung kháng nối tiếp có giá trị XC1(f1) vào thành phần
trở kháng Z1(f1), khi đó ta tính được giá trị Zf(f1) như sau
Z f ( f1 ) = Z1 ( f1 ) + X C1 ( f 2 ) = R1 + X1 ( f1 ) + X c1 ( f1 )
Tại tần số f2, thành phần dung kháng nối tiếp có giá trị XC1(f2) vào thành phần
trở kháng Z2(f2), khi đó tính toán được giá trị Zf(f2):
Z f ( f2 ) = Z1 ( f2 ) + X c1 ( f 2 ) = R1 + f 2 ( X1 ( f1 ) + X c1 ( f1 ))
f1

Sự thay đổi giá trị trở kháng theo tần số được tính theo công thức

(2.6)


23

∆ Z f ( f1 , f 2 ) = X1 ( f1 ) - X 2 ( f 2 ) + X c1 ( f1 ) - X c 2 ( f 2 )

Hoặc:

Z f ( f1 , f 2 )  ( X 1 ( f1 )  X C1 ( f1 )) 1 

f1
f2

(2.7)

Phương trình 2.7 có thể biểu diễn dưới dạng:
Z f ( f hi , flo )  ( X 1 ( flo )  X C1 ( flo ))

f hi  flo
f hi

(2.8a)

Z f ( f hi , flo )  ( X 1 ( f hi )  X C1 ( f hi ))

f hi  flo
flo

(2.8b)

ối với các điểm trở kháng biễu diễn trên giản đồ Smith, thì việc thêm vào thành
phần tụ nối tiếp sẽ di chuyển điểm trở kháng dọc theo đường đẳng R ngược chiều kim
đồng hồ so với điểm trở kháng tại tần số trung tâm và tỷ lệ nghịch với sự thay đổi theo
tần số.
Ảnh hưởng của thay đổi thành phần điện nạp
Thành phần điện nạp điện dung (capacitive susceptance)

Giả sử nếu giá trị điện nạp tại tần số trung tâm fo được cho bởi công thức
B0=jω0C, thì khi có sự thay đổi tần số ∂ω=2π∂f , khi đó sẽ có hai tần số là ω0=∂ω, khi đó
điện nạp được tính theo công thức:
B0  B  j (0   )C  jC

Khi đó:

B0  B f 0  f
có thể rút gọn thành:

B0
f0
B0  B  B0  B0

f
f0

Hoặc có thể biểu diễn chi tiết hơn như sau:
Bhi  B0

f hi
f0

(2.9a)

Với:
Bhi  B0  B, f hi  f 0  f , B  B0
f
Blo  B0 hi
f0

f
f0

(2.9b)