Bài giảng Kỹ thuật siêu cao tần - Chương 1: Lý thuyết đường dây truyền sóng - Phan Hồng Phương

 BỘ MÔN VIỄN THÔNG 
 KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
 -------------------------------------------------------------------------------------
 KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
 CHƯƠNG 1
 LÝ THUYẾT
 ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SÓNG
 Phan Hong Phuong 1
 NỘI DUNG
-------------------------------------------------------------------------------------
1. KHÁI NIỆM
2. PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN SÓNG
3. CÁC THÔNG SỐ THỨ CẤP
4. HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ SÓNG
5. HIỆN TƯỢNG SÓNG ĐỨNG
6. TRỞ KHÁNG ĐƯỜNG DÂY
 Phan Hong Phuong 2
 1
 1. KHÁI NIỆM
 -------------------------------------------------------------------------------------
 Tần số thấp Tần số cao
 Z = R + jωL
Trở về Phan Hong Phuong 3
 Phân tích mạng siêu cao tần
 Kích thước
 mạch ~ λ
 Lý thuyết Lý thuyết ĐDTS Lý thuyết
 mạch 1-D Wave Theory trường
 Mở rộng PT Maxwell trong
 lý thuyết mạch trường hợp đặc biệt
 Phan Hong Phuong 4
 2
 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 dâyλ >> l ) có thể
 bỏ qua sự phân bố theo không gian, đường dây như
 đoạn nối tắt;
 ™ Khiλ ≈ l ta cần tính đến sự trễ pha;
 Ở vùng tần số siêu caoλ << l độ trễ pha trở nên
 đáng kể.
 Phan Hong Phuong 5
Trở về
 1. KHÁI NIỆM (tiếp theo)
 -------------------------------------------------------------------------------------
 Trở về Phan Hong Phuong 6
 3
 2. PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN SÓNG
 -------------------------------------------------------------------------------------
 i)(x,t) i(x+Δx,t
 Nguồn Tải R ⋅ Δx L ⋅ Δx
 Z0 v(x, t) v(x+Δx,t)
 ZL
 G⋅ Δx C⋅ Δx
 0 x x+Δx l x x+Δx
 R [Ω /m] - diễn tả sự tổn hao kim loại tạo 
 thành dây dẫn
 G [S/m] - diễn tả sự rò rỉ giữa 2 dây dẫn,
 tức độ dẫn điện của lớp điện môi
 L [H/m] - diễn tả điện cảm giữa 2 dây dẫn
 do trường từ xung quanh chúng
 C [F/m] - diễn tả điện dung giữa 2 dây dẫn
 Trở về Phan Hong Phuong 7
 Nghiệm của phương trình truyền sóng
 −γx γx
 V(x) = V+e + V-e 1 −γx γx
 −γx γx I(x) = [V+e − V-e ]
 I(x) = I+e + I-e Z0
 R + jωL : Trở kháng đặc tính
 Z0 =
 G + jωC ω
 2π v = = λf
 V+ − V− λ = p
 Z0 = = β β
 I+ I−
 Đường dây không tổn hao
 γ = α + jβ = jω LC L
 Z0 =
 − jβx − jβx β = ω LC C
V(z) = V+e + V-e 2π 2π
 V V α = 0 λ = =
I(z) = + e−jβx − − e−jβx β ω LC
 Z0 Z0 ω 1
 vp = =
 Trở về Phan Hong Phuongβ LC 8
 4
 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]
 2. Trở kháng đặc tính (characteristic impedance):
 R + jωL
 Z = [Ω]
 0 G + jωC
 ω
 v = [m/s]
 3. Vận tốc truyền sóng (phase velocity): ϕ β
 1
 4. Hằng số thời gian (time constant): τ = [s/m]
 v
 Phan Hong Phuongϕ 9
Trở về Minh họa
 4. HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ SÓNG
 -------------------------------------------------------------------------------------
 γx −γx
 NguồnV−e V+e Tải
 Z0
 ZL
 Γ(x) Γ(l)
 0x l
 V eγx V
 Hệ số phản xạ điện áp: Γ (x) = − = − e2γx
 v −γx
 V+e V+
 I eγx
 Hệ số phản xạ dòng điện: Γ (x) = − = −Γ (x)
 i −γx v
 I +e
Trở về Phan Hong PhuongMinh họa 10
 5
 4. HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ SÓNG
 (tiếp theo)
 ---------------------------------------------------------------
 V− 2γl
 Tại tải x = l ; Γ(l) = ΓL = e
 V+
 ZL − Z0 Y0 − YL −2γd
 ΓL = = ; Γ(x) = ΓLe
 ZL + Z0 Y0 + YL
 ™Đường dây không tổn hao hoặc tổn hao thấp:
 ZL − R 0
 Z0 ≡ R 0 ⇒ ΓL =
 ZL + R 0
 ZL = R0 ⇒ ΓL = 0
 ⇒ Phối hợp trở kháng giữa tải và đường dây;
 Phan Hong Phuong 11
 Trở về Minh họa
 5. HIỆN TƯỢNG SÓNG ĐỨNG
 -------------------------------------------------------------------------------------
 Biên độ sóng
 Sóng tới e−αx
 Sóng phản xạ e αx
 0 l x
 V 1+ | Γ |
 VSWR = max =
 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;
 Phan Hong Phuong 12
Trở về Mô tả Minh họa
 6
 6. TRỞ KHÁNG ĐƯỜNG DÂY (1)
 -------------------------------------------------------------------------------------
 NguồnZ0 ,γ Tải
 Z0 V(x)
 ZL Z(x) =
 I(x)
 Ζ(x)
 0x l
 ZL + Z0th(γd)
 Z(x) = Z0
 Z0 + ZLth(γd)
 Đường dây không tổn hao:
 ZL + jR0tg(βd)
 Z(x) = R0
 R0 + jZLtg(βd)
 Trở về Phan Hong PhuongMinh họa 13
 6. TRỞ KHÁNG ĐƯỜNG DÂY (2)
 -------------------------------------------------------------------------------------
 ™ Phối hợp trở kháng: ZL= R0, Γ(x)=0 Minh họa
 Z(x) = R0 ∀x
 Z = 0 βd2= 2π βd2= 3π/ βd= π βd= π/
 ™ Tải nối tắt L X(x)
 u
 |Γ| = 1 i
 d
 λ 3λ 4 λ 2 λ 4
Z(x) = jR0tg(βd) = jX(d)
 Trở về Phan Hong Phuong 14
 7
 6. TRỞ KHÁNG ĐƯỜNG DÂY (3)
 -------------------------------------------------------------------------------------
 ™ Tải hở mạch ZL = ∞ Z(x) = −jR0ctg(βx)
 βd2= 2π βd2= 3π/ βd= π βd= π /
 |Γ| = 1 X(x)
 u
 ™ Tải thuần kháng i
 d
 λ 3λ 4 λ 2 λ 4
 ZL = jXL
 ⎛ XL + R 0tg(βd)⎞
Z(x) = j⎜ R 0 ⎟
 ⎝ R 0 + XLtg(βd)⎠
 |Γ| = 1
Trở về Phan Hong Phuong 15
Trở về Phan Hong Phuong 16
 8
 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
 1.59nH
 R0 = R01 = R02 = 50Ω R02
 R0 R0 1.59nH
 0.2λ R 01
 Zin ,Γin 1.59nH
 0.
 5 λ
 2.2λ
Trở về Phan Hong Phuong 17
 BÀI TẬP VÍ DỤ (2)
 --------------------------------------------------------------------------------
 -----
 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
 BÀI TẬP VÍ DỤ (3)
 --------------------------------------------------------------------------------
 -----
 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 Phan Hong Phuong 19
 BÀI TẬP
 -------------------------------------------------------------------------------------
 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
 của mạch là 1 GHz. ChoR = 75Ω,C = . 8pF
 L L
 50Ω Mạch PHTK 50Ω RL CL
 0.1λ
Trở về Phan Hong Phuong 20
 10