Lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần

Chia sẻ: Nguyen Thi Hong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

Thêm vào BST

Báo xấu

277
lượt xem 97
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung giáo trình như sau: giới thiệu các phần tử tích cực sử dụng trong mạch siêu cao tần, nguyên lý hoạt động và phạm vi ứng dụng của chúng, lý thuyết đường truyền, đồ thị Smith và phân tích mạch cao tần. Giáo trình là Tài liệu tham khảo bổ ích và hữu dụng cho sinh viên.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần

Cơ S K Thu t Siêu Cao T n Nghiêm Xuân Anh 31. 3. 2005
ii http://www.ebook.edu.vn
http://www.ebook.edu.vn M cl c 1 Gi i thi u 1 1.1 S b t đ u c a truy n d n không dây . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Ph t n s vô tuy n hi n nay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Lý thuy t đư ng truy n 11 2.1 Phương trình truy n sóng trên đư ng dây . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.1 Mô hình m ch đi n thông s t p trung c a đư ng truy n - Các thông s sơ c p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.2 Phương trình truy n sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.3 Nghi m c a phương trình sóng. Sóng t i và sóng ph n x . . . . . . . . 16 2.1.4 Các thông s th c p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2 Các đư ng truy n sóng và ng d n sóng th c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.1 Phương trình Helmholtz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.2 Nghi m t ng quát cho các sóng TEM, TE và TM . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.3 Truy n sóng trong không gian t do . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.4 Dây song hành - twin wire line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.5 Cáp đ ng tr c - Coaxial Cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.6 ´ Ông d n sóng hình ch nh t -Rectangular Waveguide . . . . . . . . . . 32 2.2.7 Đư ng truy n d i - stripline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.2.8 Đư ng truy n vi d i - Microstrip line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.9 Đư ng truy n đ ng ph ng coplanar-CPW . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2.10 T n hao trên đư ng dây truy n sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.3 Hi n tư ng ph n x sóng trên đư ng dây - H s ph n x . . . . . . . . . . . . . 50 2.4 Các lo i suy hao, sóng đ ng và phương trình tr kháng đư ng truy n . . . . . . 55 iii
iv http://www.ebook.edu.vn M CL C 2.4.1 Suy hao ph n h i - Return Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.4.2 Hi n tư ng sóng đ ng và h s sóng đ ng . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.4.3 Tr kháng vào c a đư ng truy n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.5 Các đư ng truy n c ng hư ng và ph n c ng hư ng . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.5.1 Đư ng truy n m t ph n tư bư c sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.5.2 Đư ng truy n n a bư c sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.5.3 Tr kháng đư ng truy n khi t n s thay đ i . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3 Đ th Smith 67 3.1 Cơ s c a đ th Smith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.2 Các đ th vòng tròn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.3 Đ th Smith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.3.1 Mô t đ th Smith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.2 Đ c tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.4 ´ Ưng d ng cơ b n c a đ th Smith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.4.1 Tính h s sóng đ ng, h s ph n x và tr kháng đư ng dây . . . . . . 87 3.4.2 Tính tr kháng m ch ph c h p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.5 Ph i h p tr kháng và đi u ch nh ph i h p tr kháng . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.5.1 Ph i h p tr kháng b ng các ph n t t p trung (các m ng hình L) . . . . 92 3.5.2 M ch đi u ch nh ph i h p tr kháng dùng m t dây chêm . . . . . . . . 97 3.5.3 Đi u ch nh ph i h p tr kháng hai dây chêm - Double-Stub Tunning . . 107 4 Phân tích m ch cao t n 111 4.1 Tr kháng và đi n áp và dòng đi n tương đương . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.1.1 Đi n áp và dòng đi n tương đương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.1.2 Khái ni m v tr kháng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2 Nh ng đ c đi m tr kháng c a các m ng m t c a . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.3 Các ma tr n tr kháng và d n n p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.4 Ma tr n tán x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.5 Ma tr n truy n (ABCD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.6 Các m ng hai c a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
http://www.ebook.edu.vn Danh sách hình v 1.1 Mã Morse qu c t v n còn là chu n cho tín hi u c p c u - SOS (...—...) . . . . . 3 1.2 D ng đi u ch c a mã Morse, đư c minh h a cho ch R. Ngày nay, d ng xung như ch ra trên s đư c s d ng đ gi m ph t n phát, nhưng máy phát spark gap c a Marconi không còn nghi ng gì n a đã làm r ng băng t n r t nhi u . . . 4 1.3 Joel Earl Hudson đang đ ng c nh máy phát spark gap c a Marconi vào năm 1907. 5 1.4 Ngu n năng lư ng chính cho máy phát c a Marconi t i South Wellfleet . . . . . 6 1.5 Tr m phát vô tuy n đ u tiên c a Marconi t i South Wellfleet, Cap Cod, Massachusetts. Ngư i dân đ a phương d đoán r ng các anten s b gi t đ ngay cơn bão đ u tiên. H đã đúng, và Marconi đã d ng chúng l i . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1 Đư ng truy n sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 M ch đi n tương đương c a đo n đư ng truy n vi phân . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Sóng t i và sóng ph n x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4 (a) Đư ng truy n hai dây nói chung và (b) ng d n sóng khép kín . . . . . . . . 23 2.5 Dây song hành - M t ph ng ti t di n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.6 Dây song hành - Phân b trư ng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.7 Cáp đ ng tr c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.8 Phân b trư ng trong cáp đ ng tr c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.9 D ng hình h c c a ng d n sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.10 Đư ng truy n d i (a) D ng hình h c. (b) Các đư ng s c t trư ng và đi n trư ng 37 2.11 D ng hình h c và m t c t ngang đư ng truy n vi d i . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.12 Các đư ng s c t trư ng và đi n trư ng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.13 C u trúc tương đương c a đư ng truy n vi d i c n TEM, đó l p đi n môi n n b dày d và h ng s đi n môi tương đ i r đư c thay th b ng môi trư ng đ ng nh t có h ng s đi n môi tương đ i hi u d ng epsilone . . . . . . . . . . . . . . 42 2.14 Đư ng truy n coplanar (CPW) chu n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 v
vi http://www.ebook.edu.vn DANH SÁCH HÌNH V 2.15 M t đ dòng đi n trên ti t di n (a) dây d n tròn (b) d i d n hình ch nh t . . . . 47 2.16 Quan h gi a (a) R và t n s (b) Suy hao và t n s . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.17 Góc t n hao δ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.18 Bi u di n s bi n thiên c a h s ph n x Γ theo α và . . . . . . . . . . . . . 51 2.19 Đư ng truy n đư c k t cu i tr kháng t i ZL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.20 Minh h a sóng t i, sóng ph n x và sóng t ng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.21 Minh h a sóng đ ng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.22 M t đư ng truy n k t cu i b i m t ng n m ch . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.23 (a) Đi n áp (b) dòng đi n và (c) tr kháng (Rin = 0 ho c ∞) bi n đ i d c đư ng truy n đ u cu i ng n m ch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.24 M t đư ng truy n k t cu i b i m t ng n m ch . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.25 (a) Đi n áp (b) dòng đi n và (c) tr kháng (Rin = 0 ho c ∞) bi n đ i d c đư ng truy n có t i h m ch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.26 Ph n x và truy n đi t i giao c a hai đư ng truy n có tr kháng đ c tính khác nhau 63 2.27 B chuy n đ i tr kháng m t ph n tư bư c sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1 Đ th Smith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2 ánh x gi a m t ph ng z và m t ph ng Γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.3 Ánh x r gi a m t ph ng z và m t ph ng Γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4 Ánh x x gi a m t ph ng z và m t ph ng Γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.5 Bi u di n vòng tròn trong m t ph ng ph c Γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.6 Các vòng tròn đ ng r trong m t ph ng ph c Γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.7 Các vòng tròn đ ng x trong m t ph ng ph c Γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.8 Đ th Smith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.9 Đ th Smith h n h p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.10 L y đ i x ng Γ qua g c t a đ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.11 Đ th Smith minh h a ví d 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.12 Đ th Smith minh h a ví d 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.13 Đ th Smith minh h a ví d 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.14 B ng và nút sóng trên đ th Smith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.15 M ch đi n minh h a ví d 3.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.16 Đ th Smith minh h a ví d 3.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
http://www.ebook.edu.vn DANH SÁCH HÌNH V vii 3.17 M ch đi n minh h a ví d 3.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.18 Đ th Smith minh h a ví d 3.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.19 M ng không t n hao ph i h p m t t i có tr kháng b t kỳ v i m t đư ng truy n 91 3.20 M ng ph i h p hình L (a) M ng đư c dùng khi zL n m trong vòng tròn 1 + jx (b) M ng đư c dùng khi zL n m ngoài vòng tròn 1 + jx . . . . . . . . . . . . . 92 3.21 L i gi i cho ví d 3.7 (a) Đ th Smith cho các m ch ph i h p L . . . . . . . . . 94 3.22 Hai kh năng cho m ch ph i h p L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.23 Quan h gi a đ l n c a h s ph n x v i t n s c a m ch ph i h p Hình 3.22 . 96 3.24 Các m ch đi u ch nh ph i h p dùng dây chêm đơn (a) Dây chêm song song. (b) Dây chêm n i ti p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.25 L i gi i cho Ví d 3.8. Đ th Smith cho các m ch đi u ch nh ph i h p dùng dây chêm song song h m ch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.26 Hai gi i pháp cho m ch đi u ch nh ph i h p dây chêm song song . . . . . . . . 100 3.27 Đ l n c a h s ph n x theo t n s cho các m ch đi u ch nh ph i h p tr kháng Hình 3.26 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.28 L igi i cho Ví d 3.9- Đ th Smith cho các m ch đi u ch nh ph i h p dùng dây chêm n i ti p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.29 Hai gi i pháp đi u ch nh ph i h p dùng dây chêm n i ti p . . . . . . . . . . . . 103 3.30 Đ l n c a h s ph n x theo t n s cho các m ch đi u ch nh ph i h p tr kháng trên Hình 3.29 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.31 L i gi i cho Ví d 3.10- Đ th Smith cho b đi u ch nh ph i h p dùng dây chêm đơn ng n m ch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.32 M ch ph i h p dây chêm kép (a) M ch ban đ u có t i kho ng cách b t kỳ k t dây chêm th nh t (b) M ch tương đương có t i n m t i dây chêm th nh t . . 107 3.33 Đ th Smith mô t ho t đ ng c a m t m ch đi u ch nh ph i h p tr kháng hai dây chêm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 3.34 Hai gi i pháp đi u ch nh ph i h p dây chêm kép . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.35 Đ l n c a h s ph n x theo t n s cho các m ch ph i h p c a Hình 3.34 . . . 110 4.1 D ng hình h c c a ng d n sóng m t ph n ch a ch t đi n môi và đư ng truy n tương đương c a nó . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 4.2 M ng m t c a b t kỳ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.3 M ng N c ng b t kỳ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.4 D ch chuy n các m t ph ng tham chi u đ i v i m t m ng N c ng . . . . . . . . 125 4.5 M ng N c ng có tr kháng đ c tính khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
viiihttp://www.ebook.edu.vn DANH SÁCH HÌNH V 4.6 (a) M ch hai c ng; (b) K t n i chu i m ch hai c ng . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.7 M ng hai c a v i tr kháng t i và ngu n t ng quát . . . . . . . . . . . . . . . . 133
http://www.ebook.edu.vn Chương 1 Gi i thi u Chương này gi i thi u t ng quan v l ch s c a thông tin vô tuy n (không dây) và m t s ng d ng chính c a công ngh này. Bên c nh đó, n i dung môn h c s đư c tóm lư c đ qua đó giúp ngư i đ c có cái nhìn khái quát v môn h c. 1.1 S b t đ u c a truy n d n không dây WIRELESS TELEGRAPHY-Vào th i đi m khi m i quan h đang căng th ng gi a Tây Ban Nha và Qu c gia này, không gì có th đư c chào đón hơn m t bi n pháp thi t th c có th mang thông tin đi n gi a các đi m cách xa nhau trên m t đ t, và gi a các tàu chi n trên bi n mà không c n b t kỳ k t n i đư c s p đ t trư c nào gi a hai đi m. Vào năm ngoái Guglielmo Marconi, m t sinh viên ngư i Italia, đã phát tri n m t h th ng đi n báo không dây có th truy n các tín hi u Morse thông minh t i nh ng nơi cách xa trên 10 d m (1 d m ≈ 1.6 km). Tuy nhiên, ngư i thi t k m t thi t b phù h p cho nh ng yêu c u v đi n báo không dây đ t nư c này l i là nhà phát minh ngư i M . Sau nhi u tháng thí nghi m W.J.Clarke thu c công ty Cung c p Đi n c a M đã thi t k m t thi t b đi n báo không dây hoàn ch nh có kh năng s nhanh chóng đư c đưa vào s d ng. -Scientific American April, 1898 Thông báo này xu t hi n vào g n th i đi m b t đ u c a công ngh vô tuy n. T đi n Webmaster li t kê hơn 150 đ nh nghĩa b t đ u b ng t radio (vô tuy n), đ nh nghĩa đ u tiên là. 1a ... s phát và nh n các xung đi n ho c tín hi u b ng sóng đi n t mà không c n dây d n k t n i (bao g m wireless (không dây), television (truy n hình) và radar). Cho đ n nay thu t ng không dây (wireless) đư c s d ng đ ng nghĩa v i vô tuy n (radio). Ngày nay các ng d ng c a thông tin vô tuy n bao g m không ch các đài phát thanh AM (đi u biên), FM (đi u t n) và truy n hình, mà còn r t nhi u các ng d ng khác c a vô tuy n như đi n tho i kéo dài (cordless phone), đi n tho i di đ ng t bào (cell phone), đi u khi n t xa TV và VCR, khóa xe hơi t xa, m c a gara ...vv. 1
2 http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG 1. GI I THI U Có m t s nghi v n đư c đ t ra là ai th c s đã là ngư i phát minh vô tuy n là m t phương th c truy n tin? Mahlon Loomis, m t nha sĩ ngư i M , đã th nghi m đi n báo không dây b ng vi c s d ng hai dây đ ng có s h tr c a hai con di u, dư i là lá đ ng m nh, làm anten và m t đ ng h đo có th đo đư c dòng đi n r t bé đ c m nh n nh ng thay đ i v dòng ch y qua dây th hai khi n i đ t c a dây d n th nh t b ng t quãng. Ông đã nh n đư c b ng sáng ch vào năm 1873 cho h th ng này. James Clerk Maxwell, ngư i đã có b n phương trình Maxwell n i ti ng, đã tiên đoán v s lan truy n c a sóng đi n t trong chân không vào năm 1862. Alexander Popov đư c cho là "đã s d ng thi t b c a mình đ đ t đư c thông tin ph c v nghiên c u v đi n khí quy n ... Vào ngày 7 tháng 5 năm 1895, trong m t bu i thuy t trình trư c H i các nhà V t lý Nga c a St. Petersburg ông tuyên b r ng mình đã phát đi và nh n đư c các tín hi u m t kho ng cách 600 yards(1 yard = 91.44 cm). Vào năm 1888 Heinrich Hertz th c hi n trình di n m t thí nghi m trong l p h c t i Đ i h c bách khoa Karlsruhe Berlin v vi c t o ra và thu nh n các sóng đi n t truy n lan như Maxwell đã tiên đoán. Oliver Lodge, m t giáo sư thu c đ i h c Liverpool th nghi m v i đi n báo không dây vào năm 1888 và ông đã sáng ch ra m t h th ng vào năm 1897. Marconi đã mua b ng sáng ch c a ông vào năm 1911. Trong ti m th c c a công chúng Guglielmo Marconi là ngư i danh ti ng nh t v vi c "phát minh" ra radio. Ông đã đư c trao b ng sáng ch vì đi u đó; vì v y, Cơ quan c p B ng sáng ch tin r ng ông đã phát minh ra vô tuy n. Tuy nhiên, báo cáo c a H i quân M tuyên b Marconi ch c ch n không th đư c g i là nhà phát minh. Đóng góp c a ông y ch y u là các lĩnh v c nghiên c u ng d ng và phát tri n k thu t. Ông y có m t s nh y bén r t th c d ng trong kinh doanh, và ông y không b c n tr b i cùng s kh n trương th c hi n các nghiên c u cơ b n, đi u đã làm cho Lodge và Popov ch m tr trong vi c phát tri n m t h th ng vô tuy n thương m i Đi u này có l là m t mô t chính xác v vai trò c a Marconi trong vi c phát tri n công ngh vô tuy n, m t môi trư ng thông tin m i. Nikola Tesla có b ng sáng ch s m hơn, m c dù tâm đi m công vi c c a ông dư ng như nh m đ n truy n năng lư ng ch không ph i là thông tin qua sóng vô tuy n. Tesla đư c bi t đ n v i cu n dây Tesla t o ra đi n cao áp, các tín hi u nh n đư c trên th c t g m các c m nhi u (b t ngu n t vi c phóng đi n m nh trong khí quy n mà ông th c hi n) lan truy n vòng quanh trái đ t. Vào năm 1943 Tòa án t i cao M ra phán quy t r ng các b ng sáng ch c a Marconi không h p l do nh ng mô t trư c đó c a Tesla, nhưng vào th i đi m đó c Marconi và Tesla đ u đã qua đ i. T đ u nh ng năm 1900, radio đã có m t trong nhi u ng d ng thông tin. Vào năm 1962, George Southworth, m t nhà nghiên c u n i ti ng trong lĩnh v c vi ba, vi t m t cu n sách v 40 năm kinh nghi m c a mình trong lĩnh v c này. Ông b t đ u: M t trong nh ng phát tri n k thu t ngo n m c nh t c a th i đ i c a chúng ta là vô tuy n. T s kh i đ u mang tính bư c ngo t c a th k b t đ u v i đi n báo gi a tàu th y v i đ t li n, vô tuy n đã đư c phát tri n m r ng qua nhi u năm sang đi n báo gi a các châu l c, truy n hình, nghiên c u vũ tr và sang c thông tin v tinh.
http://www.ebook.edu.vn 1.1. S B T Đ U C A TRUY N D N KHÔNG DÂY 3 Ngày nay, sau hơn 40 năm, Southworth đã có th làm cho danh sách các ng d ng vô tuy n c a mình dài ra thêm n a. Các ng d ng m i s bao g m thi t b m c a gara, các v tinh đ nh v toàn c u GPS, đi n tho i t bào (cell phone), m ng máy tính không dây (Wireless LAN), các ng d ng radar như đo t c đ , d n đư ng tàu th y và máy bay, do thám quân s , d n đư ng vũ khí, ki m soát không lưu và các h th ng ngăn ng a va ch m cho ô tô. Ph t n cho các thi t b không dây th c t b t đ u t 535 kHz và đi u khi n tivi m r ng t i d i h ng ngo i. S phát tri n c a các ng d ng không dây dư ng như không bao gi là có đi m k t. Ch c ch n th p k qua đã cho th y s bùng n trong phát tri n các ng d ng và s lư ng h th ng cũng r t l n. B ng ch ng là s ng d ng c a đi n tho i di đ ng, mà ngày nay c nh tranh gay g t v i đi n tho i c đ nh v s lư ng ng d ng. Hình 1.1: Mã Morse qu c t v n còn là chu n cho tín hi u c p c u - SOS (...—...) H u h t toàn b m t mã mã Morse đư c cho trong Hình 1.1. Mã Morse v n còn h u ích, m c dù r t ít ngư i có th d ch nó ngay l p t c. M t tín hi u báo hi u c p c u s d ng mã trong Hình 1.1 có th đư c phát đi nh s d ng m t máy phát ho c th m chí là m t chi c đèn ch p flash. Truy n vô tuy n c a Marconi ban đ u s d ng đi u ch xung mã, ch m và g ch đư c th c hi n b ng vi c t t và b t máy phát. M t s phao c u h hàng h i có th đư c nh n bi t b i mã Morse mà đèn c a chúng ch p sáng. Ngày nay, n u Marconi còn s ng ch c h n ông s c n m t gi y phép phát sóng, và n u như ông mu n ti p t c v i k thu t truy n d n trư c đây c a mình thì gi y phép c a ông ch c ch n s b đình ch do ph t n phát quá r ng (Hình 1.2). Ngu n RF c a Marconi là b dao đ ng spark gap (Hình 1.3) chi m m t băng t n truy n r t r ng. Đư c c p năng lư ng b i m t máy phát đi n vài s c ng a, máy phát khi ho t đ ng có th nghe th y cách đó vài d m mà không c n máy thu radio. Marconi đ t thành t u l n nh t là vào tháng 12 năm 1901, khi ký t "s" đư c nh n t i St.John’s, Newfoundland. Nó đư c phát đi t Poldhu, Cornwall Anh qu c, 1800 d m ngang qua Đ i Tây Dương. T tr m South Wellfleet (Hình 1.4, 1.5), chính Marconi đã phát đi b n tin qua Đ i Tây Dương đ u tiên vào ngày 17 tháng 1 năm 1903, m t thông đi p t t ng th ng M g i t i vua nư c Anh.
4 http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG 1. GI I THI U Hình 1.2: D ng đi u ch c a mã Morse, đư c minh h a cho ch R. Ngày nay, d ng xung như ch ra trên s đư c s d ng đ gi m ph t n phát, nhưng máy phát spark gap c a Marconi không còn nghi ng gì n a đã làm r ng băng t n r t nhi u 1.2 Ph t n s vô tuy n hi n nay Ph t n s vô tuy n ngày nay r t ch t tr i. Đ t đư c m t gi y phép thương m i đ phát sóng kèm theo là b n ph n s d ng băng t n m t cách hi u qu , s d ng băng t n mang thông tin c n truy n ph i càng h p theo nhu c u th c t càng t t (B ng 1.1 và 1.2). Ch m i phân b t n s cho nư c M không thôi cũng không th b trí đ vào m t b ng có kích thư c tương đ i. Vi c phân b t n s chi m nhi u trang v đi u lu t và qui đ nh c a U ban Truy n thông Liên bang, và có hàng trăm chú thích. Do có nh ng thay đ i thư ng xuyên v qui đ nh và đi u lu t nên n b n m i nh t luôn c n đư c tham kh o. Như chúng ta th y trên B ng 1.3, nh ng ngư i chơi radio nghi p dư ngày nay đư c phân b r t nhi u t n s . Đi u này là do l ch s các n l c tiên phong c a h , đ c bi t là các t n s cao hơn. Chúng ta có đư c s phát tri n nhanh chóng v vô tuy n sóng ng n là nh ph n l n vào các k t qu th nghi m c a nh ng ngư i khai thác vô tuy n nghi p dư. George Southworth ch ra r ng vào kho ng năm 1930: Đi u thú v là trong khi nh ng ngư i làm đi n tho i (nh ng nhà nghiên c u t i Phòng thí nghi m c a Bell Telephone) đang th c hi n công trình nghiên c u chuyên sâu v các t n s th p hơn ... thì nhi u đi u x y ra th gi i bên ngoài v i các t n s cao hơn ... Ngư i ta nói r ng ưu đi m c a sóng ng n đã đư c khám phá đ u tiên
http://www.ebook.edu.vn 1.2. PH T N S VÔ TUY N HI N NAY 5 Hình 1.3: Joel Earl Hudson đang đ ng c nh máy phát spark gap c a Marconi vào năm 1907. b i m t ngư i chơi vô tuy n nghi p dư, ngư i đã t t o cho mình m t máy thu sóng ng n và sau khi nghe đã phát hi n ra r ng anh ta có th nghe các sóng hài c a các tr m phát qu ng bá xa ... v i kho ng cách xa hơn kho ng cách đó t n s cơ b n có th nghe đư c. Các tay chơi vô tuy n nghi p dư sau đó t t o cho mình các máy phát sóng ng n và ngay sau đó xúc ti n truy n thông hai chi u. Ho t đ ng đ ng th i c a lư i phân b b c x ph c t p, m t ph n c a nó đư c cho trong B ng 1.3, ph thu c vào m i ngư i s d ng chi m d ng t n s chính xác c a mình, d ng đi u ch , đ r ng băng t n và công su t b c x hi u d ng và hơn n a, không xâm nh p vào các băng t n khác b ng vi c phát các tín hi u gi v i thi t b c a mình. Đây là nhi m v và thách th c B ng 1.1: n đ nh băng t n chung f λ Băng t n Mô t 4 3 30-300 Hz 10 − 10 km ELF T n s c c th p 300-3000 Hz 103 − 102 km VF Âm t n 3-30 kHz 100-10 km VLF T n s r t th p 30-300 kHz 10-1 km LF T n s th p 0.3-3 MHz 1-0.1 km MF Trung t n 3-30 MHz 100-10 m HF Cao t n 30-300 MHz 10-1 m VHF T n s r t cao 300-3000 MHz 100-10 cm UHF T n s c c cao 3-30 GHz 10-1 cm SHF T n s siêu cao 30-300 GHz 10-1 mm EHF T n s vô cùng cao (sóng milimet)
6 http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG 1. GI I THI U Hình 1.4: Ngu n năng lư ng chính cho máy phát c a Marconi t i South Wellfleet B ng 1.2: Các băng t n viba ký hi u theo ch cái f (GHz) Tên băng t n 1-2 Băng L 2-4 Băng S 4-8 Băng C 8-12.4 Băng X 12.4-18 Băng Ku 18-26.5 Băng K 26.5-40 Băng Ka đ i v i k thu t cao t n ngày nay. Vi c n đ nh chung các băng t n đư c cho trong B ng 1.1 và các băng t n vi ba đư c đ t tên theo ch cái đư c cho trong B ng 1.2. Ngoài ra, ti n t c a các đơn v thư ng d ng như kilo-, Mega-, Giga- ... vv trong m i quan h v i các đơn v chu n thông qua các h s tương ng đư c cho trong B ng 1.4. Môn h c K thu t siêu cao t n liên quan đ n các m ch đi n ho c các ph n t đi n ho t đ ng v i các tín hi u đi n t vùng t n s siêu cao. Ph m vi c a t n s này tùy thu c vào các qu c gia và các t ch c qu c t khác nhau, thư ng n m trong ph m vi t 1 GHz đ n 300 GHz, tương ng v i bư c sóng t 30 cm đ n 1 mm (xem B ng 1.1) Môn h c s đư c chia ra làm hai ph n và đư c phân b trong hai h c kỳ liên ti p. Ph n th nh t là "Lý Thuy t Cơ s Siêu cao t n" còn ph n th hai s trình bày v "M ch Siêu Cao T n". Lý thuy t Cơ s Siêu cao t n bao g m nh ng n i dung chính sau đây:
http://www.ebook.edu.vn 1.2. PH T N S VÔ TUY N HI N NAY 7 Hình 1.5: Tr m phát vô tuy n đ u tiên c a Marconi t i South Wellfleet, Cap Cod, Massachusetts. Ngư i dân đ a phương d đoán r ng các anten s b gi t đ ngay cơn bão đ u tiên. H đã đúng, và Marconi đã d ng chúng l i 1. Cơ s truy n sóng trên đư ng truy n sóng. Gi i thi u các lo i đư ng dây truy n sóng dùng trong m ch siêu cao t n bao g m: Dây song hành, cáp đ ng tr c, đư ng truy n vi d i (microstrip line), đư ng truy n d i (strip line), coplanar waveguilde CPW, ng d n sóng hình ch nh t, hình tròn vv... 2. Đ th Smith- M t công c h u ích trong vi c gi i quy t các bài toán như ph i h p tr kháng, phân tích và thi t k m ch siêu cao t n như các b khu ch đ i cao t n (LNA, công su t) ... vv. 3. Ma tr n tán x - là cơ s cho vi c phân tích đánh giá m ch siêu cao t n như kh năng truy n d n như Suy hao xen, Suy hao ph n h i vv... M ch Siêu cao t n bao g m nh ng n i dung chính sau đây: 1. Gi i thi u các ph n t tích c c s d ng trong m ch siêu cao t n, nguyên lý ho t đ ng và
8 http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG 1. GI I THI U B ng 1.3: Phân b t ns M T n s [kHz] M c đích phân b 490-510 Distress (telegraph) 510-535 Government 535-1605 AM radio 1605-1750 Land/mobile public safety 1800-2000 Amateur radio T n s [MHz] M c đích phân b 26.96-27.23, 462.525-467.475 Citizen band radios 30.56-32, 33-34, 35-38, 39-40, 40.02-40.98, Private mobil radio (taxis, trucks, buses, 41.015-46.6, 47-49.6, 72-73, 74.6-74.8, railroads) 75.2-76, 150.05-156.2475, 157.1875-161.575, 162.0125-173.4 220-222, 421-430, 451-454, 456-459, 460-512 746-824, 851-869, 896-901, 935-940 74.8-75.2, 108-137, 328.6-335.4, 960-1215, Aviation (communication and radar) 1427-1525, 220-2290, 2310-2320, 2345-2390 162.0125-173.2 Vehicle recovery (LoJack) 50-54, 144-148, 216-220, 222-225, 420-450, Amateur radio 902-928, 1240-1300, 2300-2305, 2390-2450 72-73, 75.2-76, 218-219 Radio control (personal) 54-72, 76-88, 174-216, 470-608 Television broadcasting VHF and UHF 88-99, 100-108 FM radio broadcasting 824-849 Cellular telephones 1850-1990 Personal communications 1910-1930, 2390-2400 Personal comm. (unlicensed) 1215-1240, 1350-1400, 1559-1610 Global Positioning Systems (GPS) T n s [GHz] M c đích phân b 0.216-0.220, 0.235-0.267, 0.4061-0.45, 0.902- Radar, all types 0.928, 0.960-1.215, 1.215-2.229, 2.320- 2.345, 2.360-2.390, 2.7-3.1, 3.1-3.7, 5.0- 5.47, 5.6-5.925, 8.5-10, 10.0-10.45, 10.5- 10.55, 13.25-13.75, 14-14.2, 15.4-16.6, 17.2- 17.7, 24.05-24.45, 33.4-36, 45-46.9, 59-64, 66-71, 76-77, 92-100 2.390-2.400 LANs (unlicensed) 2.40-2.4835 Microwave ovens 45.5-46.9, 76-77, 95-100, 134-142 Vehicle, anticollision, navigation 10.5-10.55, 24.05-24.25 Police speed radar 0.902-0.928, 2.4-2.5, 5.85-5.925 Radio frequency identi.cation (RFID) 3.7-4.2, 11.7-12.2, 14.2-14.5, 17.7-18.8, 27.5- Geostationary satellites with .xed earth 29.1, 29.25-30, 40.5-41.5, 49.2-50.2 receivers 1.610-1626.5, 2.4835-2.5, 5.091-5.25, 6.7- Nongeostationary satellites, mobile receivers 7.075, 15.43-15.63 (big LEO, global phones) 0.04066-0.0407, 902-928, 2450-2500, 5.725- Unlicensed industrial, scienti.c, and medical 5.875, 24-24.25, 59-59.9, 60-64, 71.5-72, communication devices 103.5-104, 116.5-117, 122-123, 126.5-127, 152.5-153, 244-246
http://www.ebook.edu.vn 1.2. PH T N S VÔ TUY N HI N NAY 9 T n s [GHz] M c đích phân b 3.3-3.5, 5.65-5.925, 10-10.5, 24-24.25, 47- 47.2 Amateur radio 6.425-6.525, 12.7-13.25, 19.26-19.7, 31-31.3 Cable television relay 27.5-29.5 Local multipoint TV distribution 12.2-12.7, 24.75-25.05, 25.05-25.25 Direct broadcast TV (from satellites) 0.928-0.929, 0.932-0.935, 0.941-0.960, Fixed microwave (public and private) 1.850- 1.990, 2.11-2.20, 2.450-2.690, 3.7-4.2, 5.925-6.875, 10.55-10.68, 10.7-13.25, 14.2- 14.4, 17.7-19.7, 21.2-23.6, 27.55-29.5, 31- 31.3, 38.6-40 B ng 1.4: Các ti n t chu n Ti n t Vi t t t H s tera T 1012 giga G 109 mega M 106 kilo k 103 hecto h 102 deka da 10 deci d 10−1 centi c 10−2 milli m 10−3 micro m 10−6 nano n 10−9 pico p 10−12 femto f 10−15 atto 10−18 ph m vi ng d ng c a chúng 2. Nguyên t c thi t k m ch khu ch đ i siêu cao t n (LNA, công su t), m ch dao đ ng siêu cao t n 3. M ch chia công su t, ghép đ nh hư ng và ghép h n h p (hybrid), Circulator và Isolator và cu i cùng là các đi m gián đo n (discontinuities). 4. M ch l c siêu cao t n (thông d i, cao, th p, ch n d i). Tùy theo kh i lư ng th i gian dành cho bài t p l n (hay thi t k môn h c) sinh viên s đư c giao nhi m v thi t k m t m ch c th (tùy ch n ho c đư c giao).
10 http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG 1. GI I THI U
http://www.ebook.edu.vn Chương 2 Lý thuy t đư ng truy n Xét nhi u khía c nh lý thuy t đư ng truy n làm c u n i cho s cách bi t gi a phép phân tích trư ng và lý thuy t m ch cơ s , và vì v y nó r t quan tr ng trong phân tích m ch siêu cao t n. Như chúng ta s th y, hi n tư ng lan truy n sóng trên các đư ng dây có th đư c ti p c n t vi c m r ng lý thuy t m ch, ho c t s bi n đ i đ c bi t các phương trình Maxwell; Trong khuôn kh c a chương trình chúng ta s ch trình bày cách ti p c n t quan đi m lý thuy t m ch cơ s và ch ra s truy n lan sóng này đư c mô t b i các phương trình r t gi ng các phương trình sóng cho truy n lan sóng ph ng như th nào. Khi kho ng cách t ngu n đ n t i c a m t m ch đi n có chi u dài so sánh đư c v i bư c sóng ho c l n hơn nhi u l n so v i bư c sóng thì tín hi u đư c phát đi t ngu n ph i m t m t kho ng th i gian (m t vài chu kỳ) đ lan truy n đ n t i. Ta g i đó là hi n tư ng truy n sóng trên đư ng dây. Truy n sóng siêu cao t n trên đư ng dây có các h qu sau: • Có s tr pha c a tín hi u t i đi m thu so v i tín hi u t i đi m phát. vr (t) = vt (t − τ.l) (2.1) Kho ng th i gian tr này s t l v i chi u dài c a đư ng truy n. Trong đó τ là kho ng th i gian c n thi t đ sóng di chuy n đư c m t đơn v chi u dài c a đư ng truy n [s/m] • Có s suy hao biên đ tín hi u khi lan truy n vr (t) = K(l).vt (t − τ.l) (2.2) H s suy hao K(l) < 1 và ph thu c vào chi u dài c a đư ng truy n. • Có s ph n x sóng trên t i và trên ngu n. Đi u này d n đ n hi n tư ng sóng đ ng trên đư ng dây. Sóng đ ng, hay còn g i là sóng d ng, là sóng mà luôn duy trì v trí không đ i. Hi n tư ng này có th xu t hi n do môi trư ng chuy n đ ng ngư c v i chi u di chuy n c a sóng, ho c nó có th xu t hi n trong m t môi trư ng tĩnh do s giao thoa gi a hai sóng chuy n đ ng ngư c chi u nhau. 11
12 http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG 2. LÝ THUY T ĐƯ NG TRUY N đây ta không xét v trư ng h p môi trư ng chuy n đ ng mà là môi trư ng tĩnh (đư ng truy n). Sóng đ ng trên đư ng truy n là sóng mà trong đó phân ph i dòng, áp hay cư ng đ trư ng đư c t o thành b i s x p ch ng hai sóng lan truy n ngư c chi u nhau. K t qu là m t lo t các nút (không d ch chuy n) và các đi m b ng sóng (d ch chuy n t i đa) t i nh ng đi m c đ nh d c theo đư ng truy n. Sóng đ ng như v y có th đư c hình thành khi m t sóng đư c truy n vào m t đ u c a đư ng truy n và b ph n x ngư c tr l i t đ u kia do s b t ph i h p tr kháng, h m ch ho c ng n m ch. Các hi n tư ng trên s đư c phân tích c th trong các ph n sau. M t s khái ni m khác cũng c n đ c p đây đó là m ch đi n thông s t p trung và m ch đi n có thông s phân b hay phân b r i. Thông s t p trung c a m ch đi n là các đ i lư ng đ c tính đi n xu t hi n ho c t n t i m t v trí nào đó c a m ch đi n. Thông s t p trung c a m t ph n t đi n có th xác đ nh đư c thông qua phân tích, tính toán ho c có th đo đư c tr c ti p. Ch ng h n các ph n t đi n tr , đi n c m, đi n dung, ngu n áp, ngu n dòng, diode, transitor ... đ u là các ph n t thông s t p trung. Thông s d i c a m ch đi n cũng là đ i lư ng đ c tính đi n, nhưng không t n t i duy nh t m t v trí c đ nh, mà chúng r i đ u trên chi u dài c a m ch đi n đó. Thông s phân b thư ng đư c dùng trong các h th ng truy n sóng (đư ng dây truy n sóng, ng d n sóng, không gian t do) bi u th các đ c tính tương đương v đi n c a h th ng. Thông s phân b thư ng là các thông s tuy n tính đư c xác đ nh trên m t đơn v chi u dài c a đư ng truy n sóng. Chúng ta không th đo đ c tr c ti p giá tr c a các thông s phân b mà ch có th suy ra chúng t các phép đo tương đương trên các thông s khác. V n đ này s đư c đ c p chi ti t hơn ph n sau. 2.1 Phương trình truy n sóng trên đư ng dây Trong ph n này, chúng ta s tìm cách thi t l p phương trình nêu lên m i quan h gi a đi n áp và dòng đi n t i m t đi m có t a đ b t kỳ trên đư ng truy n sóng, t đó gi i phương trình tính đi n áp, dòng đi n và rút ra các đ c tính truy n sóng. M t cách t ng quát, đ kh o sát m t h truy n sóng chúng ta ph i xu t phát t h phương trình Maxwell trong môi trư ng không ngu n, trong đó có các đ i lư ng v t lý cơ b n là cư ng đ đi n trư ng E và cư ng đ t trư ng H. × E = −jωµH (2.3a) × H = jω E (2.3b) .D = 0 (2.3c) .B = 0 (2.3d)