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 HỌ C © U Ổ C G IA HA NCI_
TRUNG 1Á M 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 B ộ 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


1. Báo cáo tóm tắt (tiếng Việt)
a. Tên đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ khuếch đại công suất
dùng trong phát cao tần
Mã số : QT-09-13
b. Chủ trì đề tài:
ThS Đặng Thị Thanh Thủy
c. Các cán bộ tham gia:
GV Phạm Văn Thành
d. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết sóng cao tần và siêu cao tần, lý thuyết khuêch
đại công suất.
- Thiết kế chế tạo bộ khuếch đại công suât trên cône nghệ mạch dải
e. Các kết quả đạt được:
- Tổng quan lý thuyết sóng cao tần và siêu cao tần, lý thuyết khuếch đại công
- Thiết kế mạch khuếch đại công suất bằng phần mềm ADS.
- Gia công, chê tạo mạch thực nghiệm.
- Khảo sát đo đạc mạch khuêch đại công suất.
- Hướng dần 02 khóa luận tốt nghiệp
- 02 bài báo, 1 báo cáo khoa học
- Hỗ trợ 1 luận án nghiên cứu sinh
f. Tình hình kinh phí đề tài:
Chi phí hết kinh phí tạm ứn2 của đề tài:

25.000.000 VNĐ

- Thuê khốn chun mơn:

15.000.000 VNĐ

- Điện nước, cơ sở vật chất:

1.000.000 VNĐ

- Quản lý phí:

1.000.000 VNĐ

- Hội nghị, seminar:

8.000.000 VNĐ

Khoa quản lý

Chủ trì đê tài
o

'à H uy Băng

ThS. Đặng Thị Thanh Thủy

TRI ỎNG OẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
/

,

: -- y

t

\t*

*

. " V \® ^ á |M lẽ u TRƯỞNG


2. Suiĩimary (by English)
a. Prọịect title:
Study, design and fabrication o f a microwave povver amplifier
Code : QT-09-13
b. Principal investigator:
MSc Dang Thi Thanh Thuy
c. Participant
Lecturer Pham Van Thanh
d. Project's goals and research content:
- Stuđy o f theoretical basis of microwave
communication and power ampliĩier.

and ultrahigh ữequency

- Design and íabrication of a power ampliíier for microvvave communication
using the microstrip technology
e. Results:
- Review o f high frequencv and micrcnvave theory, theory of povver

amplifíer.
- Design o f circuitrv o f ampliíler bv software package ADS.
- Experimental Setup and tabrication o f amplitìer.
- Test o f circuitry.
- Conduct 02 Bachelor thesis
- 02 paper, 01 scientiíic report
- Support 1 PhD thesis
f. Financial issue:
Total supported funding:

25.000.000 VNĐ

- Manpovver:

15.000.000 VNĐ

- Electricity, water supply:

1.000.000 VNĐ

- Management cost:
- Seminar:

1.000.000 VNĐ
8.000.000 VNĐ


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 t ầ n ..........................................................05
1.3 Các bộ phát và thu siêu cao t ầ n .....................................................................................11
1.4 Đồ thị Smith.......................................................................................................................12
Chương 2. Mô phỏng mạch khuếch đại công suất bàng phần mềm A D S ................. 20
2.1 Thiết kế mô phỏng mạch khuếch đại 1w ....................................................................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 k hảo ...................................................................................................................33
Phụ lục....................................................................................................................................... 34
Scientiílc Prọịect
Phiếu đăng ký kết quả nghiên cứu KH-CN


MỞ ĐẦU

Thơng tin liên lạc bằng sóng vơ 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 khơng dây, truyền hình, điện thoại di động... đặc điêm chung
của các lĩnh vực ứng dụn 2 , này là u cầu sóng vơ tun 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
cơng 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-3Mhz30Mhz) chỉ có thể phân bố được khoảng 4000 kênh thoại hay 4 kênh video truyền
hình mà khơng 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 cịn 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 đơi 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 cơng suất rất được quan tâm chú ý. Trong báo cáo này đề cập
đến vấn đề giải quyết bài tốn cơng suất ở dài sóng này.
4


CHƯƠNG I
L Ý T H U Y Ế T SIÊ U 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 khơng 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), cịn 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 ), cịn 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 cịn thay đổi.
Hình 2.1 minh hoạ phổ tần số của sóng điện từ & phạm vi dải tần của kỹ
thuật viba

Tần số (H z)

3.105
sóng
dài

\ sóng
! trun

3.106
Ị sónạ
, ngắn

3.107

3.10*

sóng
mét
(V H P)

3.10g

3.10"’

3.10"

3.1014
!

V i ba

Hơng ngoại
'
;

ánh
sane
nhìn
thây

Bước sóng ( m)
H ìn h 1.1: P hơ tần s ố của só n g 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


* ư u 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 đơi — 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, khơng bị phản xạ trên tầng điện ly nên

có thể khai thác thơng tin vệ tinh và thông tin viba mặt đất trên cùng dải sóng mà
khơng 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 dị khí tượng phục vụ cho dự báo thời tiết (ra-đa khí
tượng), để quan sát mặt đất và thăm dị tài ngun từ xa. ngồi 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 tồn cầu .. .chứng tỏ vai trị 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 đơi
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 tốn học mơ tả các mối quan hệ

của trường điện từ và tiên đốn 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 cơng 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 qn 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 thơne 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 M Hz (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 (H 2 G H z) cho vệ tinh di
động tầm thấp, băng s (2^4GHz), băng c (4^7GHz). băng X (7 ^ 1 1GHz). băns Ku
( lK 1 4 G H z ), 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 khơng gian tự do sóng điện từ truyền theo đường thẳng mà không bị
suy hao hay ảnh hưởng có hại khác. Tuy nhiên, khơng gian tự do chi là mơi trường
lý tưởng hố và chỉ đạt được gần đúng khi năng lượng sóng siêu cao tần truyền
trong khơng khí hoặc trên bề mặt Trái Đất. Trong thực tế để thơng 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 khơng 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 mơi tương đối của khơng khí gần như bàne 1. nhưng thực chất
nó là hàm của áp suất khơng 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
T

\\v
T

3.8.105V
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 sơ điện mơi
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 mơi theo độ cao làm quỹ đạo của sóne
vơ tuyến cong về phía Trái Đất.

Hình 1.2: Quỹ dạo tia sóne bị cons
Như hình 1.2, sự khúc xạ sóns vơ tuyến đơi khi cũns có lợi. vì nó có thể mơ
rộng phạm vi hoạt độne của radar và hệ thốna thơns tin vượt ra khỏi eiới hạn cua

tầm nhìn thấy trên Trái Đất..

8


Điều kiện thời tiết đơi lúc có thể dẫn tới sự thay dổi lớn về nhiệt độ, nhiệt độ
biên đôi theo độ cao. Hăng sơ điện mơi khí qun sẽ tăng nhanh hơn mức bình
thường khi tăng độ cao. Điều kiện này đôi lúc dẫn tới hiện tượng ống dẫn sóng (cịn
được gọi là truyền lan dị thường), có nghĩa là sóne vơ tuyến có thể truyền đi một cự
ly lớn song song với bề mặt Trái Đất, qua ống dẫn tạo ra bởi tầng khơng khí trong
st q trình thay đổi nhiệt độ. Tình huống này rất giống với q trình trun lan
trong ơng dẫn sóng điện mơi, 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 q 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 mơ 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
0.002

O.CK> t

1u 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 hố mức hâp thụ điêu kiện khí qun. Một ví dụ khác khơng 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 q trình truyền sóng siêu cao tần
là sự phản xạ từ bề mặt Trái Đất (đất liền hoặc biển). Như mơ 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 hồn

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 mơi 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 khơne đơng nhất trong khí
quyển. Trong các hệ thống liên lạc, hiện tượng fading đơi 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 vơ 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 hố. Tầng điện ly bao gồm

các tầng khí quyển hình cầu với các hạt ion hố 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. Ngồi ra hiện tượng Plasma cịn 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 sơ, 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 vơ tuyến RI (Radio írequency) là những thiết bị điện
tử thu nhận và giải điều chế tín hiệu tần số vơ 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 thơng tin đã
được mã hố 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
tốn về đường truyền. Phần này trình bày nguồn gốc tính tốn 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 khơng quan trọng nữa nhưng ngược lại

nó cho sự tiện ích nhiều hơn sự tiện ích của máy tính với biểu đồ thơng 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 tốn, 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 hố:
1+r

(1.15)

Zl ~ \ - r

trong đó z l =Zl/R() chính là trở kháng chuẩn hố theo R0.
Thay r = |r |e ,í0 ta viết lại (2.15) dưới dạng:
1+ lrV*

(1.16)

1 - IV*

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

ZL

- 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

của

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 vịng 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

= const.

X

Cân bằng phần thực và phần ảo của (1.17) ta được 2 phươne trình:
(1.18)

: ( i - r , . ) 2 + r,2

2T[

(1.19)

( i - r r )- + r ,2
Sau khi biến đổi (2.16) và (2.17) ta nhận được:

<
l

1+

(

'ì 2

.

r

rL)

+ r /2 =

(1.2 0 )

V 1 + Ỵị
( 1.21 )

(r, - I ) 2 + r , \ xu

Mỗi phương trình trên biểu thị một họ đườns tròn trong mặt phang Fr . r,
1.5.1 H ọ đường trịn đẳng điện trở r
Phương trình (2.20) biểu thị họ vịne trịn 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,

rằng các vịng trịn này ln đi qua điêm r r = 1
(vì ỵ + a -

1
1+ rL

1+ rL

= 1) (hình 2.7)

V o nu , t r o n Ị r l ■=• 1

/

/

r. ệ 0

r.

\

/

ệ 0.25

r, - 1
.0

\

r , = 30.25

0.5

V
0.75

r. \ s.
il

r.

/

y
/

/
/
ỉ

Hình 1.7: Họ vịne trịn đăne điện trờ
13

Dê dàng nhận thây


Hình 1.8: Họ vịng trịn 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 (vịng
trịn có bán kính bàna, 1) đến rL=oo (vịng trịn có bán kính bàne 0).
1.5.2 H ọ vòng tròn đăng điện kháng X
Phương trình (2.21) biểu thị họ đường trịn 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
vịng trịn này ln đi qua một điểm cố định ( r, = o.r, = 1) (Hình 1.8).
Các họ vịne trịn 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 khơns vẽ tồn bộ

14


các vòng tròn điện kháng mà chỉ vẽ các đoạn nằm trong giới hạn của vịng |rỊ = 1
mà thơi (Hình 1.9).
1.5.3 Vịng trịn đẳng |/|
Trong mặt phẳng

r,,r,

người ta cũng có thể vẽ họ đường trịn đẳne \r\ là

những vịng trịn 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 trịn đẳng ri=0 (vịng trịn ngồi cùng) (Hình
1 . 10 ).

Hình 1.10: Họ vịne trịn 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

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 Vịng Irịn đang s

15


Các đường trịn đẳng s (hệ số sóng đứng) hay đẳng— (hệ số sóng chạy) cùng
s
là những đường trịn 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 -r

1

(1.22)

1- |r|

(1.23)

s ~ 1 +lrl

Để thuận tiện cho việc đọc các giá trị của s (hay —). trên trục hồnh người
s
ta khơng 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 vịng trịn ngồi cùng (|F|=1) sẽ ứng với vịng trịn s=cc.
Vì các đường trịn 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 —. Vịng trịn ngồi cùng sẽ là vịng trịn —=0, cịn điểm góc toạ độ sẽ là vịng
s
&
trịn —= 1. Ngồi ra, để thuận tiện cho tính tốn nẹười ta cịn bồ sung một thane giá
s
tri khắc đơ 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 vịng trịn ngồi cũne
2
Ả
được thực hiện từ

ỉ

_í

1 _

—= 0 đên —- 0.5.
Ầ
Ằ

Cuối cùng, đồ thị đầy đủ được thiết lập với tất cả các ghi chủở trên tạo thành
đồ thị Smith chuẩn, được chấp nhận và sử dụng rộng
1.11) [3].
1.5.5 Tóm tắt về đồ thị Smith [2Ị

16

rãitrên

tồn thếgiới

(Hình

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
khơng tổn hao.
2. Đô thị Smith nằm trong phạm vi của vịng trịn đơn vị vi hệ số phản xạ

r có

modun nhỏ hem hoặc bằng 1.

11 i
1 1
:5
1
Ịj 1 Ị TWW Hnèm---- *

1

[,1*11
1 ỡ ô

I
ô

3 5 !

<

ã

3

1

3
3

3

?
9

MDUU.V ằCAt EO PAXAWIèIRằ
3
3
* >i 1 1 • • i
<
3
2 . I I I
J » í 8 e s t s

ị 3 i

!

3 cam
f
*

'ĩ

ẽ

*

(
Ế
5

1 i > 1 ) i | B£
E ;
6
36p

i

g

ỉ Ẽ

8 • 912 ^

Hình 1.11: Đồ thị Smith chuẩn
3.

Các đường đẳng r là họ các vịng trịn có tâm nằm trên trục hồnh của đồ thị

và ln đi qua điểm có F r= 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
tr ị r = oo).

___
Đ AI HOC G U Ố C G ÌA HA NỊI

TRUNG TAM ÍH Ũ N G nu ỈHƯ v iệ n

17

CCOtCxCCO^l


4. Các đường đăng X là họ các vòng tròn có tâm năm trên trục vng

2 ĨC

với

trục hồnh tại r r= l . Có hai nhóm đường trịn đẳng x:
-

Nhóm các đường đẳng X với X > 0 (cảm kháng) là các đườne nằm ớ

phía trên của trục hồnh. Giá trị X tăng dần từ 0 đến GOvà 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
số phản xa r tai vi trí tải, dưa vào cơng thức:

V~
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 đơng hơ.

Trên mơi chiêu quay, có một vịng đánh số theo độ và một vịng đánh sơ theo
số bước sóng để tiện sử dụng.
10. Khi vẽ đường trịn đẳng s trên đồ thị Smith thì đường trịn này sẽ cắt trục
hồnh 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 1w trên Transistor JFT SHF0289

T frrn 2

Num=2
\ĩ=
€ũ

-*i

GH

S-PAR AM ETERS

Zũ=5G

Slart^o4
Slo p= 2 GHz
Slep=
C alcN oise^no

Se! S-pa iam eie r ana ly sis írequency
ranqe tí an S-param é le r fiie w iihoút

noise daía-is used, IIie noise
sim ư lalian le s u lls w il I be irrvalid

Hình 14: Sơ đồ mơ phơng

c
-30

-20

.30
.40

Ư1
-60

-70

•8C

m
TỊ

-90 ■

■100-

m1
freq= 1.030GHz
d 8 (S (1 .1 ))~ 9 0 0 l2

TU"
03
f req C-Hz

Hình 15: Mơ phỏne tham số SI l(dB)

20


m1
\
freq=1 030G H z\
.9/1 -n=.-*

/ -0 073

(1 000

-

_J8

025E-8),

freq (400 0MHz to 2.000GHz)

Hình 16: Mơ phỏng tham số SI 1 trên đồ thì Smith
•

Ket quả phối hợp đầu ra:

freq (400.0MHz to 2 000GHz)

Hình 17: Mơ phỏng tham số S22 trên đồ thì Smith
0—
-10 —

dB(S(2 2)1

-2 0

- 3 0 —1

-40—

m1
'freq=1 0 3 0 G H z
■ ;d B( s (2 ,2 ))= -70 0 7 6

-5 0 —

■60 —
.7 0 -

-80 —
0.4.

0.6

0 .8

10

12

H

16

freq. G H z

Hình 18: Mơ phỏng tham số S22 [dB]
•

Kết quả thu được khi phối hợp cả đầu vào và đâu ra:

21

18

20


m1
fr e q = 1 , 0 3 0 G H z

d B ( S ( 2 .1 ) ) = 2 3 .2 1 4

15

16

17

10

19

20

Hình 19: Mơ phỏng tham số S21[dB]

fre q (4 0 0 .0 M H z to 2 .0 0 0 G H z )

Hình 20: Mơ 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 (cơng suất
cực đại 240W).
Các đoạn mạch dải được tính tốn 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 cịn có nhiệm vụ ngăn cách dịne một chiều với tầns trước.
Hình 4.2 là mơ 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 M OSFET 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 T L 1 1 và TL12 dùng để phổi họp trở kháns eiừa đoạn TL9 với trơ kháne phức
lối ra của M OSFET với Zoưt tại tần số 1030MHZ.

22


Đoạn mạch dải TL9 cùng với tụ điện C2 có độ dài điện )J4. có điện trở đuợc
tính tốn 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 ni với cưc D cùa
MOSFET 45W.

Tia
C1
SiÌ»l=”MSJÍP1.4
W=1 3mm {()
z=50 Ohm 1=23 8 mm (»}

TL7
TL15
Subsi--"WSubr' S‘j£sỉ='WSut)r
w= 102975 mm {iyv=24 5 mm {t}
L=2.79mm{t) U30 3 mm{l}

Terml

Nnn=l

H ình 2.8. Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại 45 w
Các tham số kỹ thuật của tầng 45 w như sau:
•

Dải thơng của tầna, khuếch đại 30MHZ

•

Hệ số khuếch đại danh định 17dB nén 1 dB trong dải thơn? 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