Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy phát radar tầm thấp dải sóng DM theo nguyên lý cộng công suất trong máy luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 70

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VE
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………..1
Chƣơng 1 - LÝ THUYẾT KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN……………………...2

1.1

Tổng quan về kỹ thuật radar …………………………………………….2

1.2

Giới thiệu chung về kĩ thuật siêu cao tần ………………………………..4

1.3

Lý thuyết đƣờng truyền…………………………………………………..7

1.4

Giới thiệu giản đồ Smith…………………………………………...........10

1.5

Các phƣơng pháp phối hợp trở kháng…………………………………13

1.5.1 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung……………………13
1.5.2 Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh…………………………..14
1.5.3 Phối hợp dùng 2 dây nhánh………………………………..............14
1.5.4 Phối hợp bằng đoạn dây lamda/4…………………………………..16
1.5.5 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ……………16
1.5.6 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp……................17

Chƣơng 2 - THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT RADA SÓNG DM………..18

2.1

Mạch vòng bám pha và bộ tổ hợp tần số……………………………….18

2.1.1 Giới thiệu chung…………………………………………………...18
2.1.2 Tổng quan về vòng bám pha (PLL)………………………………..18
2.1.2.1. Bắt chập và giữ chập………………………………………21
2.1.2.2. Đặc trưng chuyển tần số sang điện áp…………………….21
2.2

Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha…………………………………..23


2.2.1 Bộ so pha…………………………………………………............24
2.2.2 Các bộ chia tần…………………………………………………….26
2.2.3 Bộ lọc tần số thấp………………………………………………….26
2.2.4 Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO)……………..............27
2.2.5 Mã Backer…………………………………………………............27
2.2.5.1. Định nghĩa………………………………………………………..27
2.2.5.2. Các phương pháp tạo mã backer………………………………….27
Chƣơng 3 - NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC BỘ CỘNG
CÔNG SUẤT………………………………………………............30
3.1

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các bộ cộng công suất…………………...30
3.1.1 Các bộ chia/cộng công suất………………………………………..30
3.1.1.1. Bộ chia cộng công suất Wilkinson……………………………….30

3.2

Thiết kế và mô phỏng……………………………………………………35
3.2.1 Bộ chia/cộng 1:2…………………………………………………...35
3.2.2 Bộ chia/cộng 1:4…………………………………………………...37
3.2.3 Bộ chia/cộng 1:8…………………………………………………...39

Chƣơng 4. KẾT QUẢ THƢƢ̣C NGHIỆM………………………………............42

4.1

Chế tạo bộ tổ hợp tần số ...…………………………………………….42

4.2

Chế tạo bộ VCO…………………………………………………… 44

4.3

Chế tạo modul bộ chia/cộng Wilkinson ………………………………..47

4.3.1 Lựa chọn vật liệu và linh kiện……………………………………..47
4.3.2 Chế tạo……………………………………………………………..48
4.3.2.1 Bộ chia/cộng 2…………………………………………………….49


4.3.2.2 Bộ chia/cộng 4…………………………………………………….50
4.3.2.3 Bộ chia/cộng 8…………………………………………………….52
4.4

Thử nghiệm ……………………………………………………………...53

4.4.1 Thử nghiệm bộ chia/cộng 1:2……………………………………...53
4.4.2 Thử nghiệm bộ chia/cộng 1:4……………………………………...54
4.4.3 Thử nghiệm bộ chia/cộng 1:8……………………………………...55
KẾT LUẬN………………………………………………………………………56

TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………57


DANH MỤC CÁC HÌNH VE
Hình 1.1:

Phân loại radar theo chất lượng và kỹ thuật

Hình 1.2:

Phổ tần số của sóng điện từ

Hình 1.3:

Dây dẫn song song và Mô hình tương đương

Hình 1.4:

Dây dẫn với trở kháng đặc trưng Z0, hệ số truyền γ và được
giới hạn bởi trở kháng tải Zt

Hình 1.5:

Giản đồ Smith

Hình 1.6:

Biểu diễn điểm bụng và điểm nút của sóng đứng trên biểu đồ
Smith

Hình 1.7:

Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản

Hình 1.8:

Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung

Hình 1.9:

Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh

Hình 1.10:

Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây nhánh song song

Hình 1.11:

Sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4

Hình 1.12:

Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ

Hình 1.13:

Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp

Hình 2.1:

Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha

Hình 2.2:

Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL

Hình 2.3:

Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp

Hình 2.4:

Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha


Hình 2.5:

Cấu trúc của 1 bộ so pha số

Hình 2.6:

Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập

Hình 2.7:

Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng
nhau

Hình 2.8:

Sơ đồ cấu trúc của bộ tạo tín hiệu chuẩn

Hình 2.9:

Sơ đồ cấu trúc của bộ lọc nén phương pháp tích cực

Hình 3.1:

Sơ đồ bộ chia/cộng công suất

Hình 3.2:

Bộ chia đôi Wilkinson

Hình 3.3:

Sơ đồ bộ chia Wilkinson dưới dạng đối xứng và chuẩn hóa

Hình 3.4:

(a) Chế độ chẵn

Hình 3.5:

Sơ đồ phân tích bộ chia Wilkinson để tìm s11

Hình 3.6:

Bộ chia cộng Wilkinson không đều

Hình 3.7:

Sơ đồ bộ chia Wilkinson N đường

Hình 3.8:

Sơ đồ mô phỏng bộ chia/cộng Wilkinson 1:2

Hình 3.9:

Kết quả mô phỏng của bộ chia/cộng Wilkinson 1:2

Hình 3.10:

Thiết kế layout của bộ chia/cộng Wilkinson 1:2

Hình 3.11:

Sơ đồ mô phỏng bộ chia/cộng Wilkinson 1:4

Hình 3.12:

Kết quả mô phỏng của bộ chia/cộng Wilkinson 1:4

Hình 3.13:

Thiết kế layout của bộ chia/cộng Wilkinson 1:4

Hình 3.14:

Sơ đồ mô phỏng bộ chia/cộng Wilkinson 1:8

(b) Chế độ lẻ


Hình 3.15:

Kết quả mô phỏng của bộ chia/cộng Wilkinson 1:8

Hình 3.16:

Thiết kế layout của bộ chia/cộng Wilkinson 1:8

Hình 4.1:

Sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số dùng PLL

Hình 4.2:

Sơ đồ nguyên lý bộ tổ hợp tần số

Hình 4.3:

Bộ tổ hợp tần số với bàn phím đặt các giá trị tùy ý

Hình 4.4:

Mạch VCO

Hình 4.5:

Đo đặc trưng Tần số - Điện áp của bộ dao động VCO

Hình 4.6:

Phổ tín hiệu tại tần số 860MHz

Hình 4.7:

Đặc trưng Tần số - Điện áp của bộ dao động VCO

Hình 4.8:

Các loại trở công suất

Hình 4.9:

Vỏ hộp nhôm và connector N

Hình 4.10:

Mạch in bộ chia 2 sau khi phay

Hình 4.11:

Lắp đặt mạch in bộ chia 2 vào hộp nhôm

Hình 4.12:

Bộ chia 2 hoàn chỉnh

Hình 4.13:

Mạch in bộ chia 4 sau khi phay

Hình 4.14:

Lắp đặt mạch in bộ chia 4 vào hộp nhôm

Hình 4.15:

Bộ chia 4 hoàn chỉnh

Hình 4.16:

Mạch in bộ chia 8 sau khi phay

Hình 4.17:

Bộ chia 8 hoàn chỉnh

Hình 4.18:

Mô hình thử nghiệm bộ chia/cộng 1:2


Hình 4.19:

Kết quả đo bộ chia/cộng 1:2 tại tần số 800 ÷ 900MHz

Hình 4.20:

Mô hình thử nghiệm bộ chia/cộng 1:4

Hình 4.21:

Kết quả đo bộ chia/cộng 1:4 tại tần số 800 ÷ 900MHz

Hình 4.22:

Mô hình thử nghiệm bộ chia/cộng 1:8

Hình 4.23:

Kết quả đo bộ chia/cộng 1:8 tại tần số 800 ÷ 900MHz


1

MỞ ĐẦU
Radar ra đời từ những năm chiến tranh thế giới thứ 2 được nhiều nước trên
thế giới nghiên cứu và chế tạo để phục vụ cho chiến tranh . Sau chiến tranh, các
nhà khoa học lại tập trung nghiên cứu cải thiện các đài sóng cm, sóng mm để áp

dụng trong quân sự, thiên văn và đời sống xã hội.
Không còn là công cụ độc quyền của quân đội, radar đã thâm nhập vào
cuộc sống vì radar thế hệ mới nhỏ hơn, rẻ hơn, dễ sản xuất hơn và tính năng kỹ
thuật cao.
Tầm quan trọng của radar hay những thiết bị hoạt động theo nguyên tắc
giống như vậy ngày nay là rất lớn. Vì vậy việc không ngừng nghiên cứu ứng
dụng của radar trong cuộc sống luôn luôn là vấn đề cấp thiết.
Radar thế hệ cũ có nguyên lý dùng đèn tự dao động tuy có công suất phát
lớn, xung hẹp nhưng nhược điểm làđộ ổn định không cao . Vì vậy đ ề tài luận
văn thạc sỹ “ Nghiên cứu, thiết kếchếtạo máy phát radar tầm thấp dải sóng dm
theo nguyên lý cộng công suất trong má y ” nhằm chếtạo các modul công suất cơ
bản tổ hợp thành máy phát công suất lớn hoạt động ở dải sóng dm. Các modul
công suất cơ bản sẽkhuếch đại dao động tạo ra từ bộ tổ hợp tần số dùng


mạch vòng bám pha PLL kết hợp bộ tạo dao động VCO cho độ ổn định tần số
cao. Các modul công suất được tổ hợp nhờ các bộ chia /cộng công suất sử dụng
cầu Wilkinson .


2

Chương 1

Lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần

1.1 Tổng quan về kỹ thuật radar

Hình 1.1 Phân loại radar theo chất lượng và kỹ thuật
Tùy thuộc theo thông tin yêu cầu, các hệ thống radar có chất lượng và kỹ thuật

khác nhau. Theo hình 1.1 ta có thể thấy được một sự phân loại theo tiêu chí này.
Radar ghi hình ảnh / Radar không ghi hình ảnh:
Radar ghi hình ảnh sẽ tạo ra một bức ảnh của đối tượng hay khu vực quan sát.
Loại radar này đã và đang dùng để chụp ảnh Trái đất, các hành tinh, thiên thạch,
các vật thể khác trong vũ trụ, và dùng để phân loại mục tiêu cho các hệ thống
quân sự.
Ứng dụng của radar không ghi hình ảnh điển hình là đo tốc độ (speed gauses) và
máy đo độ cao bằng radar (radar altimeters - RA). Chúng cũng được gọi là máy
đo tán xạ (scatterometers) vì chúng đo lường các đặc điểm tán xạ của đối tượng
hay khu vực quan sát.
Radar sơ cấp: Radar sơ cấp phát đi các tín hiệu cao tần và thu về xử lí
các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu.


3

Radar thứ cấp: Trong các hệ radar này, máy bay có hệ thống đáp phát
(transponder - transmitting responder). Khối đáp phát này sẽ tự động trả lời sự
dò hỏi bằng cách phát đi mã trả lời.
Radar xung: phát đi tín hiệu xung năng lượng cao. Sau mỗi tín hiệu xung
sẽ có một khoảng thời gian nghỉ dài để nhận tín hiệu phản xạ, trước khi có xung
mới phát đi. Hướng, khoảng cách và thậm chí độ cao, độ cao so với mặt nước
biển của mục tiêu có thể xác định được từ vị trí của ăng-ten và thời gian truyền
của xung tín hiệu.
Radar liên tục: phát đi tín hiệu cao tần một cách liên tục. Tín hiệu vọng
được nhận và xử lí trên các trạm thu tách biệt trạm phát.
Radar liên tục không điều chế: tín hiệu phát có biên độ và tần số không đổi. Các
thiết bị này chuyên dùng đo tốc độ, tìm kiếm, giám sát vận tốc mục tiêu, điều
khiển tên lửa…, không dùng đo khoảng cách. Ví dụ súng bắn tốc độ của cảnh
sát. Thiết bị mới hơn, Lidar, sử dụng trong dải tần laze và không chỉ đo tốc độ.

Radar liên tục có điều chế: tín hiệu được điều tần. Loại radar này dùng để
đo cự li và trong những yêu cầu phép đo liên tục (ví dụ đo độ cao so với mực
nước biển của máy bay hoặc trong radar khí tượng).
Radar song địa tĩnh (Bistatic radar): Hệ thống radar dựa trên 2 điểm có
khoảng cách lớn, tín hiệu đi được truyền từ một điểm đến một vệ tinh trên cao,
tín hiệu phản hồi lại trái đất được nhận ở đầu kia.
Radar xung sử dụng chuỗi các xung có điều chế. Trong phân loại này, có
một phân chia nhỏ hơn theo tần số lặp lại xung (Pulse Repetition Frequency PRF), như là radar tần số lặp lại xung thấp, trung bình hoặc cao. Radar PRF thấp
chủ yếu để xác định cự ly chứ không quan tâm đến vận tốc mục tiêu. Radar PRF
cao mới dùng để xác định vận tốc đối tượng. Radar sóng liên tục hay radar xung
đều có thể đo được cả cự ly và vận tốc khi sử dụng các kỹ thuật điều chế khác
nhau.
Bảng 1.1 đưa ra một phân loại radar theo tần số làm việc. Với mỗi băng
tần khác nhau, nguyên tắc hoạt động của các hệ radar có phần khác nhau, và đặc
biệt sẽ có những ứng dụng đặc trưng.


4

Bảng 1.1: Các băng tần số của radar
Kí hiệu

Tần số (GHz)

HF

0,003 - 0,03

VHF

0,03 - 0,3

UHF

0,3 – 1,0

Băng L

1,0 – 2,0

Băng S

2,0 – 4,0

Băng C

4,0 – 8,0

Băng X

8,0 - 12,5

Băng Ku

12,5 - 18,0

Băng K

18,0 - 26,5

Băng Ka

26,5 - 40,0

MMW

> 34,0

Cấu trúc đưa ra để xây dựng máy phát bao gồm việc chế tạo các modul
khuếch đại công suất lớn và tổ hợp công suất từ các modul này để tạo ra công
suất lối ra tổng cộng. Lý thuyết siêu cao tần là lý thuyết nền tảng để giải quyết
các vấn đề trên.
1.2

Giới thiệu chung về kỹ thuật siêu cao tần [1],[2],[4],[5]

Sóng siêu cao tần có khả năng đâm xuyên lớn nên nó có phạm vi phủ
sóng lớn hơn, nó không bị tầng điện ly hấp thụ nên nó là phương tiện hữu ích để
liên lạc giữa vũ trụ và trái đất.
-

Sóng siêu cao tần có tính định hướng cao khi bức xạ từ những vật có kích
thước lớn hơn so với bước sóng.
-

Sóng siêu cao tần cho phép khoảng tần sử dụng rất lớn, tức là chúng ta
có thể sử dụng số kênh rất lớn , đáp ứng được nhu cầu truyền lượng
thông tin ngày càng tăng.

5

Với nhiều ưu điểm trong việc truyền sóng như vậy nên sóng siêu cao tần
ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong lĩnh vực thông tin liên lạc
không dây.
Thuật ngữ “viba” hay sóng siêu cao tần (microwaves) là để chỉ những
sóng điện từ có bước 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 toàn thế giới. Giới hạn trên của dải thường được coi là tới 300 GHz (f =
3.1011 Hz), ứng với bước sóng λ = 1 mm (sóng milimet), còn giới hạn dưới có
thể khác nhau tuỳ thuộc vào các quy ước theo tập quán sử dụng. Một số nước
coi "sóng cực ngắn" là những sóng có tần số cao hơn 30 MHz (bước sóng λ ≤
10m), còn một số nước khác coi "viba" là những sóng có tần số cao hơn 300
MHz (bước sóng λ≤ 1m).
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 1.2 minh hoạ phổ tần số của sóng
điện từ & phạm vi dải tần của kỹ thuật viba.

Hình 1. 2

Phổ tần số của sóng điện từ

Trong ứng dụng thực tế, dải tần của vi ba còn được chia thành các băng tần
nhỏ hơn như
-

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

Ưu việt của dải tần viba và ứng dụng của kỹ thuật viba trong thực tiễn


6

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 Ăngten là hàm tỷ lệ thuận với kích thước

-

tương đối của Ăngten so với bước sóng. Do vậy, tăng ích của Ăngten viba
dễ đạt được giá trị cao.
Dải tần thực tế trong thông tin viba dễ dàng đạt được giá trị lớn ứng với

-

dải tần tương đối

∆f

có giá trị nhất định. (Thật vậy, 1% của 30 GHz là 300
f

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 những cự
ly
không lớn.
Một số đặc điểm của truyền sóng siêu cao tần :
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 chỉ 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 cần phả
i quan tâm đến một số hiện tượng cụ thể có ảnh hưởng tới hoạt động của các hệ
thống siêu cao tần. Một điều quan trọng 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.
Có 3 loại ảnh hưởng quan trọng mà chúng ta cần quan tâm đến khi làm
việc với sóng siêu cao tần:
-

Ảnh hưởng của khí quyển

-

Ảnh hưởng của mặt đất


7
-

1.3

Ảnh hưởng Plasma
Lý thuyết đường truyền:

Hình 1. 3

Dây dẫn song song và Mô hình tương đương

Nhìn chung, các đường truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song để
tín hiệu điện áp truyền qua.
Trước hết, chúng ta khảo sát một đường truyền gồm một cặp dây dẫn
song song như hình vẽ. Hai dây dẫn này được 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 ngược 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 [ Ω/m]
Một đoạn ngắn ∆z của đường truyền được biểu diễn trên sơ đồ tương

đương như hình 1.3. Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian.
Phương trình truyền sóng trên đường dây được xác định như sau:


8

U (z, t ) = U1e−αz e j (ωt −βz ) +U 2 e−αz e j (ωt +βz )

I (z,t)= I1e−αz e j(ωt −βz ) + I2e−αz e j(ωt +βz )
Trong đó, α và β được xác định như sau

(R + jωL)(G + jωC)

 = α + jβ =

Một số đại lượng của đương truyền mà chúng ta cần quan tâm
Trở kháng đặc trưng Z0 được xác định bởi

-

Z 0=

U+
0

I+

=

U−
0

I−

0

0

hay
R + jωL
G + jωC

Z 0 = R + jωL =
γ

Nếu đường truyền không tổn hao thì ta có
Z0= C

L

Vận tốc pha

-

v = L2 − L1 = ω
φ
β
t2 − t1

Vận tốc nhóm:

v

g

=

L −L
2

1

=

∆ω

t2

∆β

− t1

Đối với dây dẫn không tổn hao ta có β = ω LC do đó

vφ =

ω
β

=

1
LC

;

vg =

∂
ω
∂β

−1
 ∂β 

1

 ∂ω 

LC

=

 =

Ta xét một dây dẫn với trở kháng đặc trưng Z0, hệ số truyền γ và được
giới hạn bởi trở kháng tải Zt như hình 1.4.


9

Hình 1. 4

Dây dẫn với trở kháng đặc trưng Z0, hệ số truyền γ
và được giới hạn bởi trở kháng tải Zt

Hệ số phản xạ ΓL tại tải ZL được xác định như sau :
Z
−Z
Γ

L

=

L

0

Z +Z

L
0

Hệ số phản xạ trên đường truyền tại điểm vị trí z = -l :
Γ(− l ) =

U b e− jβl
Ufe

jβ l

= Γ(0)e−2 jβl

Hệ số sóng đứng trên đường truyền:
U
1+ Γ
S = SWR = m ax =
U m in

1−Γ


10

1.4

Giản đồ Smith

Hình 1. 5
1.

Giản đồ Smith

Tất cả các giá trị trở kháng trên biểu đồ Smith đều là trở kháng chuẩn hoá theo
một điện trở chuẩn định trước, thường là trở kháng đặc trưng R 0 của đường dây
không tổn hao.
2.

Biểu đồ Smith nằm trong phạm vi của vòng tròn đơn vị vì hệ số phản xạ Γ

có modun nhỏ hơn hoặc bằng 1.
3.

Các đường đẳng r là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trục hoành của biểu
đồ và luôn đi qua điểm có Γr=1. Giá trị r của mỗi vòng tròn đẳng r được ghi
dọc theo trục hoành, từ 0→∞ (điểm bên trái ứng với giá trị r = 0, điểm bên
phải ứng với giá trị r = ∞).


11
4.

Các đường đẳng x là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trục vuông góc với
trục hoành tại Γr=1. Có hai nhóm đường tròn đẳng x:
- Nhóm

các đường đẳng x với x > 0 (cảm kháng) là các đường nằm ở phía

trên của trục hoành. Giá trị x tăng dần từ 0 đến ∞ và được ghi trên mỗi
đường.

-

Nhóm các đường đẳng x với x < 0 (dung kháng) là các đường nằm
phía dưới của trục hoành. Giá trị x giảm dần từ 0 đến - ∞ và được ghi trên

ở

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 điểm của biểu đồ Smith là giao điểm của đường đẳng r = 1 và đường

đẳng x = 0 (nằm trên trục hoành), do đó điểm này đại biểu cho trở kháng thuần
trở z = 1 (nghĩa là Z = R0). Đây là điểm tượng trưng cho điện trở chuẩn R0, cho
phép thực hiện phối hợp trở kháng trên đường dây. Thật vậy, đây chính là điểm
có hệ số phản xạ Γ = 0 và hệ số sóng đứng S = 1.
7.

Điểm tận cùng bên trái của trục hoành là giao điểm của đường đẳng r=0 và
đường đẳng x=0, do đó biểu thị cho trở kháng z = 0 (tức Z = 0), nghĩa là
ứng với trường hợp ngắn mạch. Tại đây ta có hệ số phản xạ Γ = -1.

8.

Điểm tận cùng bên phải của trục hoành là điểm đặc biệt mà tất cả các đường
đẳng r và đẳng x đều đi qua. Tại đây ta có r=∞, x=∞, do đó z=∞ (tức

Z=∞), nghĩa là ứng với trường hợp hở mạch. Tại đây ta có hệ số phản xạ Γ = 1.
9.

Hệ số phản xạ tại vị trí l trên đường truyền có thể được xác định khi biết

hệ số phản xạ Γ tại vị trí tải, dựa vào công thức: Γ(l ) =

V−
0

e−2iβl
+
V0

Γ(l ) = Γe−2iβl

Biểu đồ Smith cho phép thực hiện phép tính này khi quay vectơ Γ trên đồ
2 π
thị một góc quay ứng với một độ dịch chuyển bằng 2βl, trong đó β = λ .


12

Góc quay này có thể xác định theo độ (từ -1800 đến 1800), hoặc theo số
bước sóng (từ 0 đến 0,5 λ cho mỗi vòng quay).
Theo quy định của biểu đồ Smith:
-

Chiều quay từ tải hướng về nguồn là thuận chiều kim đồng hồ.

-

Chiều quay từ nguồn hướng về tải là ngược chiều kim đồng hồ.

Trên mỗi chiều quay, có một vòng đánh số theo độ và một vòng đánh số
theo số bước sóng để tiện sử dụng.
10. Khi vẽ đường tròn đẳng S trên biểu đồ Smith thì đường tròn này sẽ cắt
trục hoành tại 2 điểm. Giao điểm nằm phía bên phải của tâm biểu đồ biểu thị cho
vị trí trên đường dây có z= rmax+i0, với rmax=S. Đây chính là điểm bụng của
sóng đứng. Ngược lại, giao điểm nằm phái trái của tâm biểu đồ biểu thị cho vị trí
trên đường dây có z=rmin+i0, với rmin=1/S. Đây chính là điểm nút của sóng đứng
(hình 1.6). Trên biểu đồ Smith cũng nhận thấy ngay khoảng cách giữa bụng sóng
và nút sóng bằng 0,25 λ .

Hình 1. 6

Biểu diễn điểm bụng và điểm nút

của sóng đứng trên biểu đồ Smith


13

1.5

Các phương pháp phối hợp trở kháng
Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản được mô tả ở hình 1.7, trong đó sử dụng

một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường 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 Z o
của đường truyền.

Hình 1. 7

Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản

Mạch phối hợp trở kháng là phần quan trọng của một mạch siêu cao tần vì
những lý do sau:
-

Khi nguồn và tải được phối hợp trở kháng với đường truyền, năng lượng tối
đa từ nguồn sẽ được truyền đến tải còn năng lượng tổn hao trên đường
truyền là nhỏ nhất.

-

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 anten, bộ khuếch đại
tạp âm thấp v.v.

-

Đối 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.
Sau đây chúng ta đề cập đến các phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản:

1.5.1 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung:
Đây là mạch phối hợp đơn giản nhất gồm hai phần tử điện kháng mắc
thành hình chữ L được gọi là mạch hình L, có sơ đồ như vẽ ở hình 1.8. Giả thiết
đường truyền dẫn không tổn hao (hay tổn hao thấp), có nghĩa Z 0 là đại lượng
thuần trở.


14

Hình 1. 8

Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung

Nếu trở kháng đặc trưng của tải z L=ZL/Z0 nằm trong đường tròn 1+jx trên
đồ thị Smith, chúng ta sử dụng sơ đồ 1.8a. Ngược lại nếu z L nằm ngoài đường
tròn 1+jx, sơ đồ 1.8b thường được sử dụng.
1.5.2 Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh:
Phối hợp trở kháng bằng dây nhánh là phương pháp được sử dụng khá
phổ biến do đơn giản và dễ điều chỉnh. Có thể mắc dây nhánh vào đường truyền
theo sơ đồ song song hoặc nối tiếp với đoạn dây hở mạch hoặc ngắn mạch (xem
Hình 1.9)
d

d

A

A

Y0

Y0

YL

Z0

Z0

A

A

Y0

Z0

l

(a)
Hình 1. 9

ZL

l

(b)

Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh

1.5.3 Phối hợp dùng 2 dây nhánh:
Phương pháp phối hợp trở kháng bằng một dây nhánh có ưu điểm là đơn
giản và có thể sử dụng để phối hợp cho mọi trường hợp trở kháng đặc trưng của
tải có phần thực khác 0. Tuy nhiên nhược điểm của nó là sử dụng một đoạn
đường truyền có độ dài biến đổi đặt giữa tải và dây nhánh. Trong một số trường


15

hợp chúng ta sử dụng phương pháp phối hợp trở kháng dùng 2 dây nhánh nằm
cách nhau một đoạn cố định. Tuy nhiên phương pháp này không thể sử dụng cho
mọi trường hợp của trở kháng tải.
Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng 2 đây nhánh được mô tả ở Hình 1.10a,
trong đó tải có thể nằm cách dây nhánh đầu tiên một khoảng bất kì. Tuy nhiên,
trong thực tế chúng ta thường sử dụng sơ đồ 1.10b, với tải đặt ngay sát dây
nhánh thứ nhất. Sơ đồ 1.10b thường dễ thực hiện hơn mà vẫn không làm mất
tính tổng quát của bài toán. Hai dây nhánh sử dụng trong sơ đồ hình 1.10 là 2
dây nhánh song song vì chúng có thể được thực hiện đơn giản hơn các dây
nhánh nối tiếp tuy nhiên về mặt lý thuyết các dây nhánh nối tiếp hoàn toàn có
thể sử dụng để phối hợp trở kháng bằng phương pháp này. Các dây nhánh có thể
hở mạch hoặc ngắn mạch.

Hình 1. 10 Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây nhánh song song


16

1.5.4

Phối hợp bằng đoạn dây lamda/4:
Đoạn dây λ/4 là phương pháp đơn giản để phối hợp một trở kháng tải thực

với đường truyền. Một đặc điểm của đoạn dây λ/4 là chúng ta dễ dàng mở rộng
phương pháp này để phối hợp cho cả một dải tần số. Tuy nhiên, nhược điểm của
phương pháp sử dụng đoạn dây λ/4 là chỉ sử dụng được để phối hợp cho trường
hợp trở kháng tải là thực. Với một trở kháng tải phức chúng ta có thể sử dụng
một đoạn đường truyền hoặc dùng dây nhánh để đưa trở kháng này về trở kháng
thực, sau đó dùng phương pháp đoạn dây λ/4 để phối hợp.
Hình 1.11 biểu diễn sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4 để phối hợp giữa trở
kháng tải ZL thực với đường truyền có trở kháng đặc trưng Z0.

Hình 1. 11 Sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4
1.5.5

Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ:

Đây là trường hợp tổng quát hơn của phương pháp phối hợp bằng đoạn
dây λ/4. Trong phương pháp này chúng ta dùng một dây truyền sóng có độ dài l
bất kỳ mắc nối tiếp để phối hợp một trở kháng phức Z L với một đường truyền
sóng có trở kháng đặc tính Z0 (Hình 1.12).
A
Z0

Za
A

ZL

l

Hình 1. 12 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ
Ở đây chúng ta cần xác định Za và l dể có thể phối hợp ZL với Z0.


17

1.5.6

Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp:

Sơ đồ của mạch phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp được
vẽ ở Hình 1.13.
A
Z0

B
Za

A

Z0

ZL

B
l1

l2

Hình 1. 13 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp Trong
bài toán này các đoạn dây phối hợp có trở kháng đặc tính Z0 và Za đã
biết trước, cần xác định độ dài của chúng để có được trở kháng nhìn từ A-A về
tải đạt được giá trị bằng Z0, nghĩa là đảm bảo không có sóng phản xạ trên
đường truyền chính.