Bài giảng Kỹ thuật siêu cao tần

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.71 MB, 99 trang )

BỘ MÔN VIỄN THÔNG
KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

-------------------------------------------------------------------------------------

KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
CHƯƠNG 1

om

LÝ THUYẾT

co

ng

.c

ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SÓNG

1

on

g

th

an

Phan Hong Phuong

NỘI DUNG

du

-------------------------------------------------------------------------------------

cu

u

1. KHÁI NIỆM
2. PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN SÓNG
3. CÁC THÔNG SỐ THỨ CẤP
4. HIỆN TƯNG PHẢN XẠ SÓNG
5. HIỆN TƯNG SÓNG ĐỨNG
6. TRỞ KHÁNG ĐƯỜNG DÂY
Phan Hong Phuong

2

1
CuuDuongThanCong.com

/>

1. KHÁI NIỆM

-------------------------------------------------------------------------------------

Tần số cao

.c

om

Tần số thấp

co

ng

Z = R + jωL
Trở về

3

Phân tích mạng siêu cao tần

u

du

on

g

th

an

Phan Hong Phuong

cu

Kích thước
mạch ~ λ

Lý thuyết
mạch

Lý thuyết ĐDTS
1-D Wave Theory

Lý thuyết
trường

Mở rộng

PT Maxwell trong

lý thuyết mạch

trường hợp đặc biệt
Phan Hong Phuong

4

2
CuuDuongThanCong.com

/>

1. KHÁI NIỆM (tiếp theo)

-------------------------------------------------------------------------------------

Tín hiệu phân bố theo thời gian và không gian
tạo ra sự trễ pha khi truyền từ nguồn đến tải;
Khi tín hiệu có tần số thấp (bước sóng lớn hơn
nhiều so với chiều dài đường dây λ >> l ) có thể

om

bỏ qua sự phân bố theo không gian, đường dây như
đoạn nối tắt;

.c

Khi λ ≈ l ta cần tính đến sự trễ pha;

co

ng

Ở vùng tần số siêu cao λ << l độ trễ pha trở nên
đáng kể.
Phan Hong Phuong

5

g

th

an

Trở về

on

1. KHÁI NIỆM (tiếp theo)

cu

u

du

-------------------------------------------------------------------------------------

Trở về

Phan Hong Phuong

6

3
CuuDuongThanCong.com

/>

2. PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN SÓNG

------------------------------------------------------------------------------------i( x, t ) i( x+Δx, t )
Nguồ n
Tải
R ⋅ Δx L ⋅ Δx
v( x+Δx, t)

v (x , t )

Z0

ZL

G ⋅ Δx
x x+Δx

0

l

C ⋅ Δx

x+Δ x

x

om

R [Ω/m] - diễn tả sự tổn hao kim loại tạo
thành dây dẫn

.c

G [S/m] - diễ n tả sự rò rỉ giữa 2 dây dẫ n ,
tứ c độ dẫn điệ n củ a lớp điệ n môi

ng

L [H/m] - diễn tả điện cảm giữa 2 dây dẫn
do trườn g từ xung quanh chúng

co

C [F/m] - diễ n tả điệ n dung giữ a 2 dâ y dẫ n

Trở về

7

g

th

an

Phan Hong Phuong

on

Nghiệm của phương trình truyền sóng
V(x) = V+ e − γx + V-e γx
I(x) = I + e − γx + I-e γx

cu

u

du

I(x) =

Z0 =

R + jωL
G + jω C

: Trở kháng đặc tính

λ=

− V−
V
Z0 = + =
I+
I−

Đường dây không toån hao

V(z) = V+ e − jβx + V-e − jβx
V
V
I(z) = + e − jβx − − e − jβx
Z0
Z0
Trở về

1
[ V+ e − γx − V-e γx ]
Z0

2π
β

vp =

γ = α + jβ = jω LC
β = ω LC

ω
= λf
β

Z0 =

2π
2π
=

β ω LC
ω
1
vp = =
Phan Hong Phuong
β
LC
α=0

L
C

λ=

8

4
CuuDuongThanCong.com

/>

3. CÁC THÔNG SỐ THỨ CẤP
-------------------------------------------------------------------------------------

1. Hệ số truyền sóng (propagation constant):

γ (ω) = ( R + jωL)(G + jωC) = α + jβ
α (ω) - hệ số suy hao [Neper/m], β(ω) - hệ số pha [rad/m]

R + jωL

G + jωC

Z0 =

om

2. Trở kháng đặc tính (characteristic impedance):
[Ω]

co

ng

.c

ω
v
=
[m/s]
ϕ
3. Vận tốc truyền sóng (phase velocity):
β
1
[s/m]
4. Hằng số thời gian (time constant): τ =
v
ϕ
Phan Hong Phuong
9
Minh họa

g

th

an

Trở về

on

4. HIỆN TƯNG PHẢN XẠ SÓNG

du

-------------------------------------------------------------------------------------

V−e γx

cu

u

Nguồn

V+ e − γx

Tải

Z0

ZL

Γ( x )
0

Γ(l )

x

Hệ số phản xạ điện áp:

Γv ( x ) =

l

V− e γx

V+ e − γx

=

V− 2 γx
e
V+

γx
Hệ số phản xạ dòng điện: Γ ( x ) = I − e = −Γ ( x)
i
v

I + e − γx
Trở về

Phan Hong Phuong

10a
Minh họ

5
CuuDuongThanCong.com

/>

4. HIỆN TƯNG PHẢN XẠ SÓNG
(tiếp theo)
--------------------------------------------------------------Γ(l ) = ΓL =

x=l ;

ΓL =

V− 2 γl
e
V+

Z L − Z 0 Y0 − YL
=
Z L + Z 0 Y0 + YL

;

Γ( x ) = ΓL e − 2 γd

om

Tại tải

Đường dây không tổn hao hoặc tổn hao thấp:
ZL − R0
ZL + R 0

ng

⇒ ΓL = 0
⇒ Phối hợp trở kháng giữa tải và đường dây;

co

ZL = R0

ΓL =

⇒

.c

Z0 ≡ R 0

Phan Hong Phuong

11

Minh họa

g

th

an

Trở về

on

5. HIỆN TƯNG SÓNG ĐỨNG
Biên độ sóng

Sóng tới

e −αx

cu

u

du

-------------------------------------------------------------------------------------

Sóng phản xạ

e αx

0

l x

VSWR =

Vmax 1+ | Γ |
=
Vmin 1− | Γ |

Khoảng cách giữa 2 bụng sóng gần nhất là λ/2;
Khoảng cách giữa 2 nút sóng gần nhất là λ/2;
Khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng gần nhất là λ/4;
Trở về

Phan Hong Phuong

Mô tả

12

Minh họa

6
CuuDuongThanCong.com

/>

6. TRỞ KHÁNG ĐƯỜNG DÂY (1)

-------------------------------------------------------------------------------------

Z0 , γ

Nguồn

Tải

Z0

ZL

Z( x) =

Ζ( x )
l

x

Z( x ) = Z 0

ng

Z L + jR 0 tg(β d )
R 0 + jZ L tg(β d )

co

Z( x) = R 0

.c

Đường dây không tổn hao:

Z L + Z 0 th( γd )
Z 0 + Z L th( γd )

om

0

V( x)
I( x )

Trở về

13a
Minh họ

g

th

an

Phan Hong Phuong

on

6. TRỞ KHÁNG ĐƯỜNG DÂY (2)

du

-------------------------------------------------------------------------------------

Z( x ) = R 0

Minh họa

∀x

cu

u

Phối hợp trở kháng: ZL= R0, Γ(x)=0
Tải nối taét Z L = 0

βd = 2π βd = 3π / 2

βd = π

βd= π/2

|Γ| = 1

u

i

d

λ

Z( x ) = jR 0 tg (βd ) = jX (d )

Trở về

X(x)

3λ 4

λ2

λ4

Phan Hong Phuong

14

7
CuuDuongThanCong.com

/>

6. TRỞ KHÁNG ĐƯỜNG DÂY (3)

-------------------------------------------------------------------------------------

Tải hở mạch Z L = ∞

Z( x ) = − jR 0 ctg(β x )

|Γ| = 1

βd = 2π

βd = 3π / 2

βd = π

Tải thuần kháng

X(x)

u
i
λ

3λ 4

λ4

.c

X + R 0 tg(β d ) ⎞
⎛
⎟

Z( x ) = j⎜⎜ R 0 L
R 0 + X L tg(β d ) ⎟⎠
⎝

λ2

om

d

Z L = jX L

βd= π /2

co

ng

|Γ| = 1
Trở về

15

cu

u

du

on

g

th

an

Phan Hong Phuong

Trở về

Phan Hong Phuong

16

8
CuuDuongThanCong.com

/>

BÀI TẬP VÍ DỤ (1)

-------------------------------------------------------------------------------------

1. Tính trở kháng vào và hệ số phản xạ Zin, Γin ở đầu
vào đường dây truyền sóng trên hình vẽ. Giả sử các
đoạn dây truyền sóng đều không tổn hao. Tần số tín
hiệu là 1 GHz.
λ
1.5

R 0 = R 01 = R 02 = 50Ω

1.59nH

om

R 02

0.2λ

R 01
0.5
λ

1.59nH

1.59nH

ng

Zin , Γin

R0

.c

R0

co

2.2λ

Trở về

17

g

th

an

Phan Hong Phuong

on

BÀI TẬP VÍ DỤ (2)

du

------------------------------------------------------------------------------------

cu

u

2.Giả sử các đường dây truyền sóng trên hình 1 đều
có điện trở đặc tính là 50Ω. Tính trở kháng ZL.

Trở về

Phan Hong Phuong

18

9
CuuDuongThanCong.com

/>

BÀI TẬP VÍ DỤ (3)

------------------------------------------------------------------------------------

co

ng

.c

om

3. Giả sử các đường dây truyền sóng trên hình 1 đều
có điện trở đặc tính là 50Ω. Tính trở kháng ZL.

Trở về

19

on

g

th

an

Phan Hong Phuong

BÀI TẬP

du

-------------------------------------------------------------------------------------

cu

u

3. Sử dụng đồ thị Smith thiết kế mạch phối hợp trở
kháng trên hình 1 dùng single-stub có điện trở đặc
tính là 50Ω, đầu cuối stub hở mạch. Tần số hoạt động
R L = 75Ω, CL =. 8pF
của mạch là 1 GHz. Cho

50Ω

Mạch PHTK

50Ω

RL

CL

0.1λ

Trở về

Phan Hong Phuong

20

10
CuuDuongThanCong.com

/>

Chương 2: ĐỒ THỊ SMITH

ZS

ng

.c

om

I. Giới Thiệu

an

ES

x

x

d

l

on

g

th

0

ZL

co

Z0

cu
u

du

Γ( x), Z ( x)

1

cu
u
g

on

du
an

th

ng

co

0
x

d

om

ES

.c

ZS

Z0
ZL
x

l

2

1+ Γ
Z = Z0
1− Γ

om

Chỉ Xét Trở Kháng đã chuẩn hoaù theo Z 0

co

ng

.c

Z 1+ Γ
⇒ z=

=
= r + jx
Z0 1 − Γ

cu
u

du

on

g

th

an

Γ = Re(Γ) + j Im(Γ)

3

4

cu
u
g

on

du
an

th

ng

co

.c

om

om

cu
u

du

on

g

th

an

co

ng

.c

1
⎧ r
⎫
Tâm : ⎨
, 0 ⎬ , Bán kính =
1+ r
⎩1 + r ⎭

5

6

cu
u
g

on

du
an

th

ng

co

.c

om

cu
u

du

on

g

th

an

co

ng

.c

om

1

⎧ 1⎫
Tâm : ⎨1, ⎬ , Bán kính =
x
⎩ x⎭

7

II. Đồ Thị Smith

cu
u

du

on

g

th

an

co

ng

.c

om

1) Mô Tả Đồ Thị Smith

8

Vòng Tròn
Đơn Vị Γ = 1, r = 0

Im(Γ)

.c

om

Các đường
tròn đẳng r

co

ng

Nối tắt
Γ = −1, z = 0

Hở Mạch
Γ = 1, z = ∞

Re(Γ)