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

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật siêu cao tần - Chương 1: Lý thuyết đường dây truyền sóng - Phan Hong Phuong

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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
8. 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
9. 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
10. 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