Báo cáo tổng kết dự án: Hoàn thiện công nghệ thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp thấp - Trần Văn Hùng

177 trang cucquyet12 2680

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo tổng kết dự án: Hoàn thiện công nghệ thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp thấp - Trần Văn Hùng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bao_cao_tong_ket_du_an_hoan_thien_cong_nghe_thiet_ke_che_tao.pdf

Nội dung text: Báo cáo tổng kết dự án: Hoàn thiện công nghệ thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp thấp - Trần Văn Hùng

bé khoa häc vµ c«ng nghÖ Dù ¸n s¶n xuÊt thö nghiÖm ®éc lËp cÊp nhµ n−íc trung t©m khoa häc kü thuËt vµ c«ng nghÖ qu©n sù B¸o c¸o khoa häc tæng kÕt dù ¸n s¶n xuÊt thö nghiÖm Hoµn thiÖn c«ng nghÖ thiÕt kÕ, chÕ t¹o bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn t¹p thÊp (§∙ söa ch÷a theo kÕt luËn cña H§ nghiÖm thu c¬ së ngµy 13.07.2006) 6242 Hµ Néi 07. 2006
bé khoa häc & c«ng nghÖ bé quèc phßng dù ¸n s¶n xuÊt thö nghiÖm ®éc lËp cÊp nhµ n−íc trung t©m khoa häc kü thuËt vµ c«ng nghÖ qu©n sù B¸o c¸o khoa häc tæng kÕt dù ¸n Hoµn thiÖn c«ng nghÖ thiÕt kÕ, chÕ t¹o bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn t¹p thÊp C¬ quan chñ qu¶n dù ¸n: Bé Khoa häc vµ C«ng nghÖ C¬ quan chñ tr× dù ¸n: Trung T©m KHKT&CNQS/BQP §¬n vÞ thùc hiÖn dù ¸n: ViÖn Ra®a/Trung T©m KHKT&CNQS Chñ nhiÖm dù ¸n: TS. NCVC. TrÇn V¨n Hïng C¸c ®¬n vÞ hîp t¸c chÝnh: 1. Qu©n chñng PK-KQ: Phßng Ra®a/CôcKT; E291/F371; E927/F371. 2. Tr−êng ®¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi. 07. 2006
Lêi nãi ®Çu N¨m 1980 ®−îc sù gióp ®ì cña mét ViÖt kiÒu t¹i Céng hoµ Ph¸p, ViÖn Kü thuËt Qu©n sù ®· triÓn khai thùc hiÖn ®Ò tµi cÊp ViÖn: “Nghiªn cøu thiÕt kÕ chÕ t¹o vµ ¸p dông thö bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn t¹p ©m thÊp vµo tuyÕn thu ra®a d¶i sãng 10 cm” vµ ®· ®−îc ®¸nh gi¸ nghiÖm thu xuÊt x¾c, nh−ng ®Ò tµi kh«ng ®−îc tiÕp tôc ph¸t triÓn do lóc ®ã chóng ta gÆp rÊt nhiÒu khã kh¨n vÒ nguån vËt t− linh kiÖn vµ kinh phÝ ®¶m b¶o. N¨m 1992 ViÖn Kü thuËt Qu©n sù phèi hîp víi ViÖn Kü thuËt Phßng kh«ng thùc hiÖn ®Ò tµi cÊp Bé Quèc phßng: “Nghiªn cøu chÕ t¹o thay thÕ khèi, ph©n khèi, côm chi tiÕt hay háng hãc trong khÝ tµi phßng kh«ng b»ng linh kiÖn vµ c«ng nghÖ míi”, trong ®ã viÖc nghiªn cøu chÕ t¹o vµ ¸p dông bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn b»ng b¸n dÉn tr−êng cã néi t¹p nhá vµo tuyÕn thu cña ®µi ra®a c¶nh giíi dÉn ®−êng lµm viÖc ë d¶i sãng 10 cm ®· ®−îc ®¸nh gi¸ tèt vµ cã chØ lÖnh cho më ®Ò tµi ¸p dông thö. N¨m 1997 ViÖn Kü thuËt Qu©n sù tham gia dù ¸n c¶i tiÕn ®µi ra®a c¶nh giíi dÉn ®−êng Π37 (lµm viÖc ë d¶i sãng 10cm) cña Qu©n chñng Phßng kh«ng t¹i Nhµ m¸y Quèc phßng A29 víi néi dung: c¶i tiÕn tuyÕn thu cao tÇn, trong ®ã ®Ìn khuÕch ®¹i siªu cao tÇn YB99 ®−îc thay thÕ b»ng bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn b¸n dÉn tr−êng t¹p thÊp. Tuy kÕt qu¶ ®¹t ®−îc cã nhiÒu kh¶ quan (nghiÖm thu ®−îc ba bé trªn tæng sè n¨m bé), song vÉn cßn nhiÒu ®iÓm tån t¹i nh−: ®é nh¹y m¸y thu kh«ng ®ång ®Òu ë c¸c kªnh; khã ®¶m b¶o ®é nh¹y cña kªnh thu lµm viÖc ë phÝa tÇn sè cao; ®é bÒn cña bé khuÕch ®¹i (kh¶ n¨ng chÞu ®ùng møc c«ng suÊt lín ë ®Çu vµo m¸y thu) kh«ng cao; ®é tin cËy lµm viÖc thÊp Nguyªn nh©n chÝnh cña nh÷ng tån t¹i ®ã lµ do: ViÖc nghiªn cøu tÝnh to¸n thiÕt kÕ ch−a hîp lý, khi thiÕt kÕ ch−a thùc sù b¸m s¸t c¸c yªu cÇu tæng thÓ vÒ chØ tiªu kü thuËt vµ t×nh tr¹ng ho¹t ®éng thùc tÕ cña ®µi ra®a Π37; C«ng nghÖ chÕ t¹o cßn ®¬n gi¶n vµ mang tÝnh chÊt thñ c«ng; ChÊt l−îng vËt t− linh kiÖn kh«ng ®¶m b¶o; Tr×nh ®é vµ kinh nghiÖm thùc tÕ cña ®éi ngò c¸n bé tham gia thùc hiÖn ch−a cao; Sù xuèng cÊp cña khÝ tµi do thêi gian khai th¸c sö dông dµi dÉn ®Õn sù biÕn ®æi c¸c tham sè kü thuËt mét c¸ch khã kiÓm so¸t ®−îc Trªn c¬ së kÕt qu¶ ®· ®¹t ®−îc cña c¸c ®Ò tµi nghiªn cøu vµ c¸c dù ¸n c¶i tiÕn ra®a, tr−íc nh÷ng yªu cÇu cÊp b¸ch vÒ vËt t− thay thÕ cña c¸c lo¹i khÝ tµi ra®a, n¨m 2001 Thñ tr−ëng Bé Quèc Phßng ®· giao cho Ph©n viÖn Ra®a (ViÖn Ra®a ngµy nay) chñ tr× thùc hiÖn Dù ¸n s¶n xuÊt thö nghiÖm cÊp Nhµ n−íc “Hoµn thiÖn c«ng nghÖ
thiÕt kÕ, chÕ t¹o bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn t¹p thÊp”. Ngµy 15 th¸ng 1 n¨m 2002 Bé tr−ëng Bé KHCNMT (nay lµ Bé KH-CN) ra quyÕt ®Þnh sè 49/Q§-BKHCNMT phª duyÖt Dù ¸n vµ Dù ¸n ®−îc triÓn khai thùc hiÖn th«ng qua Hîp ®ång nghiªn cøu khoa häc vµ ph¸t triÓn c«ng nghÖ sè 01/2002/H§-DA§L ngµy 24.1.2002 gi÷a Bé Khoa häc, C«ng nghÖ vµ M«i tr−êng; Bé Quèc Phßng vµ Trung t©m KHKT&CNQS. Môc tiªu cña Dù ¸n lµ: Hoµn thiÖn quy tr×nh c«ng nghÖ chÕ t¹o bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn t¹p thÊp cho ra®a c¶nh giíi dÉn ®−êng Π37 lµm viÖc ë d¶i sãng 10 cm vµ tiÕn tíi thùc hiÖn thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c bé khuÕch ®¹i cao tÇn cho c¸c ®µi ra®a lµm viÖc ë c¸c d¶i sãng kh¸c ®Ó chñ ®éng nguån vËt t− thay thÕ, ®¶m b¶o kh¶ n¨ng chiÕn ®Êu cña c¸c lo¹i khÝ tµi ra®a trong qu©n ®éi ta hiÖn nay. Dù ¸n nµy ®· tËp trung gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò c¬ b¶n sau: - Kh¶o s¸t vµ ®¸nh gi¸ chÝnh x¸c t×nh tr¹ng kü thuËt thùc tÕ tuyÕn siªu cao tÇn cña c¸c ®µi ra®aΠ37, trªn c¬ së ®ã x¸c ®Þnh l¹i chØ tiªu kü thuËt cña bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p thÊp cho phï hîp. - X¸c ®Þnh vµ x©y dùng quy tr×nh tÝnh to¸n thiÕt kÕ bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p thÊp cho ra®a Π37 (bao gåm hai phÇn: m¹ch b¶o vÖ vµ m¹ch khuÕch ®¹i siªu cao tÇn t¹p thÊp) trªn c¬ së nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ vµ linh kiÖn míi. - S¶n xuÊt 10 bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn theo quy tr×nh tÝnh to¸n thiÕt kÕ ®· x¸c ®Þnh, l¾p ®Æt s¶n phÈm vµo ra®a Π37 ®Ó chiÕn ®Êu thö nghiÖm. - Tæ chøc ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ thö nghiÖm, trªn c¬ së ®ã ®−a ra c¸c kÕt luËn vµ kiÕn nghÞ ®Ó cã thÓ tiÕn hµnh triÓn khai s¶n xuÊt vµ ®−a s¶n phÈm vµo trang bÞ. B¸o c¸o khoa häc nµy tr×nh bµy c¸c phÇn c¬ b¶n nh− sau: PhÇn mét: Kh¶o s¸t ®¸nh gi¸ t×nh tr¹ng thùc tuyÕn cao tÇn ra®a Π37 PhÇn hai: X©y dùng chØ tiªu kü thuËt cho K§CT t¹p thÊp øng dông ë ra®a Π37 PhÇn ba: C¬ së lý thuyÕt ®Ó tÝnh to¸n thiÕt kÕ bé K§CT t¹p thÊp PhÇn bèn: ThiÕt kÕ, chÕ t¹o bé K§CT t¹p thÊp øng dông trong ra®a Π37 PhÇn n¨m: X©y dùng quy tr×nh thiÕt kÕ, chÕ t¹o, kiÓm tra, l¾p ®Æt bé K§CT Trong suèt qu¸ tr×nh thùc hiÖn, dù ¸n lu«n nhËn ®−îc sù quan t©m ñng hé nhiÖt t×nh vµ cã hiÖu qu¶ cña c¸c ngµnh, c¸c cÊp cña Bé KH-CN; Bé QP; c¸c ®¬n vÞ phèi hîp vµ c¸c ®ång nghiÖp. §iÒu ®ã ®· t¹o ®iÒu kiÖn rÊt thuËn lîi cho sù thµnh c«ng cña dù ¸n. Nhãm thùc hiÖn dù ¸n - ViÖn Ra®a xin ch©n thµnh c¶m ¬n tÊt c¶ nh÷ng sù ñng hé ®ã!
Môc lôc PhÇn 1 Kh¶o s¸t vµ ®¸nh gi¸ thùc tr¹ng tuyÕn siªu cao Trang 3 tÇn ®µi ra®a Π37 1.1 Nh÷ng vÊn ®Ò chung 3 1.1.1 HÖ thèng ph¸t 3 1.1.2 HÖ thèng thu 4 1.1.3 ThiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten 5 1.2 §¸nh gi¸ thùc tr¹ng tuyÕn siªu cao tÇn ra®a Π37 8 1.2.1 Tæng quan 8 1.2.2 KÕt qu¶ kh¶o s¸t thùc tÕ 11 1.2.2.1 Kh¶o s¸t c«ng suÊt lät tõ m¸y ph¸t sang m¸y thu 11 1.2.2.2 Kh¶o s¸t ®iÒu kiÖn vµ m«i tr−êng lµm viÖc 15 1.2.2.3 Kh¶o s¸t tÇn suÊt háng cña ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn YB394 16 1.3 KÕt luËn phÇn mét 17 PhÇn 2 X©y dùng chØ tiªu kü thuËt bé K®ct t¹p thÊp øng 18 dông trong tuyÕn thu ®µi ra®a Π37 2.1 Yªu cÇu chung ®èi víi s¶n phÈm cña Dù ¸n 18 2.2 X©y dùng s¬ ®å khèi cña bé K§CT t¹p ©m thÊp 19 2.3 ChØ tiªu kü thuËt cña bé K§CT t¹p ©m thÊp 19 2.4 KÕt luËn phÇn hai 20 PhÇn 3 C¬ së lý thuyÕt ®Ó tÝnh to¸n thiÕt kÕ bé K§CT 21 t¹p ©m thÊp 3.1 §−êng truyÒn siªu cao tÇn 21 3.1.1 Kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ ®−êng truyÒn 21 3.1.2 M« h×nh vËt lý vµ c¸c tham sè s¬ cÊp 22 3.1.3 Ph−¬ng tr×nh truyÒn sãng 23 3.1.4 Sù ph¶n x¹ sãng trªn ®−êng truyÒn, hÖ sè ph¶n x¹ 25 3.1.5 §−êng truyÒn vi d¶i 31 3.1.5.1 CÊu tróc h×nh häc cña ®−êng truyÒn vi d¶i 31 3.1.5.2 Nh÷ng tham sè c¬ b¶n cña ®−êng truyÒn vi d¶i 32 3.1.5.3 C¸c tæn hao trong ®−êng truyÒn vi d¶i 33 3.1.5.4 C¸c ®Æc tÝnh vµ yªu cÇu ®èi víi vËt liÖu lµm m¹ch d¶i 33 3.2 Ma trËn t¸n x¹ 33 3.2.1 Lý thuyÕt m¹ng hai cæng 34
3.2.2 Tham sè t¸n x¹ 34 3.2.3 C¸c tÝnh chÊt cña tham sè t¸n x¹ 37 3.2.4 §å thÞ dßng tÝn hiÖu 38 3.2.5 Tham sè cña m¹ng hai cæng 40 3.3 G¶n ®å Smith 44 3.3.1 C¬ së x©y dùng 44 3.2.2 TÝnh to¸n phèi hîp trë kh¸ng b»ng gi¶n ®å Smith 45 3.4 Kh¶o s¸t thiÕt kÕ bé khuÕch ®¹i ®¹i cao tÇn 47 3.4.1 S¬ ®å chøc n¨ng cña bé khuÕch ®¹i cao tÇn 47 3.4.2 Kh¶o s¸t sù æn ®Þnh cña m¹ch K§CT 48 3.4.3 Phèi hîp trë kh¸ng ®Çu vµo vµ ®Çu ra cña m¹ch K§CT 57 3.4.4 HÖ sè khuÕch ®¹i khi phèi hîp trë kh¸ng hoµn toµn 60 3.4.5 TÝnh to¸n bé K§CT víi gi¸ trÞ khuÕch ®¹i cho tr−íc 62 3.4.6 TÝnh to¸n bé K§CT víi hÖ sè t¹p tèi −u 64 3.4.7 TÝnh to¸n bé K§CT cã nhiÒu tÇng khuÕch ®¹i 67 3.5 Kh¶o s¸t thiÕt kÕ bé h¹n chÕ c«ng suÊt cao tÇn 68 3.5.1 Nh÷ng vÊn ®Ò chung 68 3.5.2 Mét sè m¹ch h¹n chÕ c«ng suÊt cao tÇn kiÓu thô ®éng 70 3.5.2.1 CÊu tróc cña ®ièt pin 70 3.5.2.2 øng dông cña ®ièt pin ë mét sè m¹ch HCCS cao tÇn 72 3.6 KÕt luËn phÇn ba 85 PhÇn 4 TÝnh to¸n thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o bé K®ct t¹p thÊp 86 øng dông trong tuyÕn thu ®µi ra®a Π37 4.1 TÝnh to¸n thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o bé K§CT t¹p thÊp 86 4.1.1 TÝnh to¸n thiÕt kÕ bé K§CT t¹p thÊp 86 4.1.1.1 X¸c ®Þnh chØ tiªu kü thuËt cña bé K§CT 86 4.1.1.2 Chän s¬ ®å khèi cho m¹ch K§CT 86 4.1.1.3 Chän linh kiÖn transistor cho m¹ch K§CT 87 4.1.1.4 TÝnh to¸n thiÕt kÕ m¹ch K§CT 89 4.1.1.4.1 TÝnh to¸n sè tÇng khuÕch ®¹i 89 4.1.1.4.2 TÝnh to¸n tÇng ®Çu vµo 91 4.1.1.4.3 TÝnh to¸n tÇng ®Çu ra 101 4.1.1.4.4 TÝnh to¸n ®−êng truyÒn trë kh¸ng 50Ω trªn m¹ch d¶i CT 104
4.1.1.4.5 TÝnh to¸n kÝch th−íc hép cña bé K§CT 105 4.1.1.5 X©y dùng s¬ ®å nguyªn lý cña m¹ch K§CT 106 4.1.1.6 X©y dùng b¶n vÏ thiÕt kÕ cña bé K§CT 106 4.1.2 ChÕ t¹o bé K§CT t¹p thÊp 107 4.1.2.1 Gia c«ng m¹ch d¶i CT 107 4.1.2.2 CÊy d¸n vµ hµn linh kiÖn 107 4.1.2.3 Gia c«ng c¬ khÝ 108 4.1.2.4 L¾p r¸p bé K§CT t¹p thÊp 109 4.1.3 KiÓm tra ®¸nh gi¸ tham sè kü thuËt cña bé K§CT t¹p thÊp 109 4.1.3.1 §o ®Æc tuyÕn biªn ®é tÇn sè cña bé K§CT t¹p thÊp b»ng 109 m¸y ®o tæng hîp siªu cao tÇn MARCONI 6200B 4.1.3.2 §o hÖ sè khuÕch ®¹i cña bé K§CT t¹p thÊp b»ng m¸y ph¸t 110 tÝn hiÖu chuÈn Γ4-80 4.2 TÝnh to¸n thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o bé h¹n chÕ c«ng suÊt cao tÇn 111 4.2.1 TÝnh to¸n thiÕt kÕ bé HCCS cao tÇn 111 4.2.1.1 X¸c ®Þnh chØ tiªu kü thuËt cña bé HCCS cao tÇn 111 4.2.1.2 X¸c ®Þnh s¬ ®å chøc n¨ng cña m¹ch HCCS cao tÇn 112 4.2.1.3 Chän vËt t− linh kiÖn cho m¹ch HCCS cao tÇn 113 4.2.1.4 TÝnh to¸n thiÕt kÕ m¹ch HCCS cao tÇn 115 4.2.1.4.1 TÝnh to¸n sè tÇng h¹n chÕ 116 4.2.1.4.2 TÝnh to¸n ®−êng truyÒn trë kh¸ng 50Ω vµ c¸c tham sè phèi 118 hîp trªn m¹ch d¶i cao tÇn 4.2.1.4.3 TÝnh to¸n kÝch th−íc hép cña bé HCCS cao tÇn 119 4.2.1.5 X©y dùng s¬ ®å nguyªn lý m¹ch HCCS cao tÇn 119 4.2.1.6 X©y dùng b¶n vÏ thiÕt kÕ cña bé HCCS cao tÇn 120 4.2.2 ChÕ t¹o bé HCCS cao tÇn 121 4.2.2.1 Gia c«ng m¹ch d¶i cao tÇn 121 4.2.2.2 CÊy d¸n vµ hµn linh kiÖn 121 4.2.2.3 Gia c«ng c¬ khÝ 121 4.2.2.4 L¾p r¸p bé HCCS cao tÇn 122 4.2.3 KiÓm tra ®¸nh gi¸ tham sè kü thuËt cña bé HCCS cao tÇn 122 4.2.3.1 §¸nh gi¸ tæn hao th«ng qua cña bé HCCS cao tÇn ë trong 122 phßng thÝ nghiÖm 4.2.3.2 §¸nh gi¸ kh¶ n¨ng lµm viÖc cña bé HCCS trªn ®µi ra®a Π37 125 4.3 GhÐp nèi hÖ thèng vµ thö nghiÖm tæng thÓ s¶n phÈm 127
4.3.1 GhÐp nèi hÖ thèng 127 4.3.2 §¸nh gi¸ tham sè kü thuËt vµ thö nghiÖm tæng thÓ s¶n phÈm 129 4.3.2.1 §¸nh gi¸ TSKT cña s¶n phÈm ë trong phßng thÝ nghiÖm 129 4.3.2.2 §¸nh gi¸ ®é nh¹y m¸y thu ra®a Π37 víi bé K§CT t¹p thÊp 129 4.3.3 Ch¹y thö nghiÖm thùc tÕ s¶n phÈm trªn c¸c ®µi ra®a Π37 134 PhÇn 5 X©y dùng quy tr×nh thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o bé K®ct 135 t¹p thÊp øng dông trong tuyÕn thu ®µi ra®a Π37 5.1 X©y dùng quy tr×nh thiÕt kÕ 135 5.1.1 Quy tr×nh thiÕt kÕ bé HCCS cao tÇn 135 5.1.2 Quy tr×nh thiÕt kÕ bé K§CT t¹p thÊp 137 5.2 X©y dùng quy tr×nh chÕ t¹o s¶n phÈm 140 5.3 X©y dùng quy tr×nh kiÓm tra hiÖu chØnh s¶n phÈm 142 5.3.1 Quy tr×nh kiÓm tra hiÖu chØnh s¶n phÈm ë phßng thÝ nghiÖm 142 5.3.2 Quy tr×nh kiÓm tra s¶n phÈm trªn ®µi ra®a Π37 145 5.4 X©y dùng quy tr×nh l¾p ®Æt s¶n phÈm vµo ®µi ra®a Π37 148 PhÇn 6 KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ 150 Tµi liÖu tham kh¶o 152
kÝ hiÖu vµ c¸c ch÷ viÕt t¾t CS C«ng suÊt CT Cao tÇn HCCS H¹n chÕ c«ng suÊt K§ KhuÕch ®¹i K§CT KhuÕch ®¹i cao tÇn LNA (Low Noise Amplifier) KhuÕch ®¹i t¹p ©m thÊp MAG (Maximum Available Gain) HÖ sè khuÕch ®¹i hiÖu dông lín nhÊt PPL (Passive Power Limiter) H¹n chÕ c«ng suÊt thô ®éng RL (Return Loss) Tæn hao trë vÒ VSWR HÖ sè sãng ®øng
PhÇn Mét kh¶o s¸t vµ ®¸nh gi¸ thùc tr¹ng tuyÕn siªu cao tÇn ®µi ra®a c¶nh giíi dÉn ®−êng Π37 1.1. Nh÷ng vÊn ®Ò chung. Ra®a Π37 lµm viÖc ë d¶i sãng 10 cm, nã ®¶m b¶o nhiÖm vô ph¸t hiÖn, x¸c ®Þnh to¹ ®é môc tiªu vµ thùc hiÖn dÉn ®−êng cho kh«ng qu©n, v× thÕ nã cã vÞ trÝ ®Æc biÖt quan träng trong m¹ng c¶nh giíi phßng kh«ng cña chóng ta hiÖn nay. C¸c ®µi Π37 cña Liªn X« cò gióp ta ®Òu ®−îc s¶n xuÊt tõ nh÷ng n¨m 70 cña thÕ kØ tr−íc vµ cã c¸c thÕ hÖ kh¸c nhau, c¸c thÕ hÖ hÖ nµy kh¸c nhau ë møc ®é c¶i tiÕn mét sè hÖ thèng trong ®µi (chñ yÕu c¶i tiÕn ë c¸c hÖ thèng thu, ph¸t vµ chèng nhiÔu), ë ViÖt Nam hiÖn ®ang cã c¸c thÕ hÖ: Π37-1; Π37M2; Π37M3. Theo thèng kª, hiÖn nay chóng ta cã kho¶ng 22 bé ®µi ra®a Π37 trong ®ã 18% sè ®µi cã chÊt l−îng cÊp hai, 77% sè ®µi cã chÊt luîng cÊp ba vµ 5% sè ®µi cã chÊt l−îng cÊp n¨m (cÊp n¨m lµ cÊp cã chÊt l−îng kÐm nhÊt). Cã thÓ thÊy hÇu hÕt c¸c ®µi ra®a Π37 cña ta ®· xuèng cÊp do qu¸ thêi gian khai th¸c sö dông. Trong nh÷ng n¨m qua, ®Ó ®¶m b¶o chiÕn ®Êu cho ra®a Π37 chóng ta ®· th−êng xuyªn (®Þnh kú vµ ®ét xuÊt) tiÕn hµnh söa ch÷a hiÖu chØnh, tuy nhiªn chÊt l−îng s¶n phÈm sau söa ch÷a ch−a cao, mét trong nh÷ng nguyªn nh©n chÝnh ¶nh h−ëng ®Õn chÊt l−îng söa ch÷a lµ thiÕu vËt t− thay thÕ, ®Æc biÖt lµ c¸c chñng lo¹i vËt t− cña tuyÕn siªu cao tÇn. TuyÕn siªu cao tÇn cña ra®a Π37 bao gåm c¸c thµnh phÇn: thu cao tÇn, ph¸t cao tÇn vµ hÖ thèng anten-®−êng truyÒn. §Æc ®iÓm kü thuËt c¬ b¶n cña mét sè thµnh phÇn trong tuyÕn siªu cao tÇn nµy lµ: 1.1.1. HÖ thèng ph¸t. M¸y ph¸t t¹o ra c¸c xung n¨ng l−îng siªu cao tÇn qua hÖ thèng anten ®−êng truyÒn bøc x¹ vµo kh«ng gian. Thµnh phÇn cña hÖ thèng gåm: - Bé chØnh l−u cao ¸p BBC ®iÖn ¸p +(6 -7)KV dßng t¶i 300 mA . - Cuén c¶m n¹p cho phÐp nhËn ®−îc trªn cuén tr÷ n¨ng ®iÖn ¸p +(12÷14) KV-lín gÊp ®«i ®iÖn ¸p nguån vµo do khèi BBC t¹o ra. - §ièt ghim ®Ó cè ®Þnh ®iÖn ¸p mét chiÒu trªn d©y dµi gi¶ khi thay ®æi tÇn sè lÆp l¹i cña xung kÝch. 3
- Cuén tr÷ n¨ng Y2 t¹o xung d¹ng h×nh thang biªn ®é kho¶ng 16KV, trë kh¸ng sãng 24Ω. Sè l−îng m¾t n¹p lµ 8 ( tuú theo chÕ ®é kÝch mµ ta sö dông 5 hay 8 m¾t). - Kho¸ cao tÇn cao ¸p ch©n kh«ng BB-20 ®Ó chuyÓn m¹ch c¸c m¾t cña d©y tr÷ n¨ng khi thay ®æi c¸c chÕ ®é lµm viÖc (thay ®æi chÕ ®é kÝch ph¸t). - BiÕn ¸p xung Y5 ®Ó phèi hîp trë kh¸ng cña ®Ìn magnhetr«n víi trë kh¸ng sãng cña d©y tr÷ n¨ng vµ t¨ng ®iÖn ¸p xung ®−a ®Õn catèt ®Ìn magnhetr«n. - §Ìn ph¸t magnhetr«n МИ29 vµ hÖ thèng nam ch©m vÜnh cöu lµ nguån t¹o ra c¸c dao ®éng siªu cao tÇn c«ng suÊt lín ®Ó ®−a lªn anten. - C«ng t¾c phãng ®iÖn dïng ®Ìn khÝ hy®r« lo¹i ТГИ- 400/16 chÞu ®−îc ®iÖn ¸p cao, dßng lín, néi trë nhá vµ cã ®Æc tÝnh ®iÓm ho¶ d−¬ng . - Kho¸ ®iÒu khiÓn (®ièt cã ®iÒu khiÓn T50) ®ù¬c më nhê xung cña bé so s¸nh, khi kho¸ më th× kh«ng cßn dao ®éng trong m¹ch n¹p. - C¸c m¹ch ®iÌu khiÓn, kiÓm tra vµ b¶o vÖ ®Ó b¶o vÖ hÖ thèng ph¸t khái c¸c sù cè bÊt th−êng nh− ®¸nh löa, qu¸ t¶i, qu¹t m¸t háng, nguån sai pha C¸c chØ tiªu kü thuËt c¬ b¶n cña hÖ thèng: - Sè l−îng kªnh ph¸t: 5 (mçi kªnh lµm viÖc ë 1 tÇn sè cè ®Þnh trong d¶i sãng 10cm). - C«ng suÊt trung b×nh cña mçi kªnh ph¸t: ≥ 700 W. - C«ng suÊt xung cña mçi kªnh ph¸t: ≥700 KW . - §é réng xung ph¸t: (2,5 ÷ 2,9)µs ë chÕ ®é “KÝch th−a” 1 vµ “KÝch th−a” 2. - §é réng xung ph¸t: (1,4 ÷2,0)µs ë chÕ ®é “KÝch mau” 1 vµ “KÝch mau” 2. - TÇn sè lÆp l¹i cña xung ph¸t: 375Hz víi chÕ ®é “kÝch th−a” 1; 330 Hz víi chÕ ®é “kÝch th−a” 2; 750 Hz ë chÕ ®é “kÝch mau” 1 vµ “kÝch mau” 2. 1.1.2. HÖ thèng thu. HÖ thèng thu ra®a Π37 ®−îc thiÕt kÕ theo s¬ ®å m¸y thu ngo¹i sai mét lÇn trén tÇn cã m¹ch tù ®éng ®iÒu chØnh tÇn sè cña bé dao ®éng ngo¹i sai. Thµnh phÇn chÝnh cña m¸y thu gåm: - Bé chuyÓn ®æi tõ èng sãng ch÷ nhËt kÝch th−íc (34x72)mm sang c¸p ®ång trôc 50Ω ®Ó ghÐp chuyÓn m¹ch anten víi ®Çu vµo m¸y thu - ВПС. - Bé khuyÕch ®¹i cao tÇn dïng ®Ìn sãng ch¹y УВ-99 hoÆc b¸n dÉn УВ-394. - Bé dao ®éng ngo¹i sai СГ- 01. - Bé chia c«ng suÊt cña bé dao ®éng ngo¹i sai ДM-01. 4
- Bé trén kªnh tÝn hiÖu vµ chän läc tÇn sè ВСС. - Bé trén tÇn kªnh tù ®éng ®iÒu chØnh tÇn sè dao ®éng ngo¹i sai. - Bé khuÕch ®¹i trung tÇn kªnh biªn ®é vµ khuÕch ®¹i trung tÇn kªnh t−¬ng can. - Bé trén tÝn hiÖu kªnh biªn ®é vµ bé trén tÝn hiÖu kªnh t−¬ng can. C¸c chØ tiªu kü thuËt c¬ b¶n cña hÖ thèng: - Sè l−îng kªnh thu: 05 - HÖ sè t¹p cña mçi kªnh thu: ≤ 6,5 dB - §é nh¹y cña mçi m¸y thu: ≥ 105dBm (®èi víi c¶ hai lo¹i ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn YB99 vµ YB394). 1.1.3. ThiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten. ChuyÓn m¹ch anten ®Ó truyÒn n¨ng l−îng siªu cao tÇn c«ng suÊt lín tõ m¸y ph¸t ®Õn anten vµ sãng ph¶n x¹ tõ môc tiªu vÒ m¸y thu víi ®é tæn hao nhá nhÊt. Ngoµi ra, thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten cßn ph¶i ®¶m b¶o ng¨n c«ng suÊt cao tÇn tõ ®−êng ph¸t lät sang ®−êng thu (®é c¸ch ly ph¸t-thu) vµ ng¨n tÝn hiÖu ph¶n x¹ tõ môc tiªu vµo phÝa m¸y ph¸t (®é ®Þnh h−íng). Trong ra®a Π37, chuyÓn m¹ch anten thùc hiÖn theo nguyªn lý kho¸ chuyÓn m¹ch rÏ nh¸nh (h×nh 1.1), ë ®©y, ®Ìn chøa khÝ phãng ®iÖn b¶o vÖ m¸y thu ®Æt ë nh¸nh thu vµ m¾c nèi tiÕp ®Ìn chøa khÝ phãng ®iÖn (®Ìn nèi th«ng) ë phÝa nh¸nh ph¸t. §Ó tr¸nh ¶nh h−ëng cña kªnh thu ®Õn sù lµm viÖc cña kªnh ph¸t vµ cña kªnh ph¸t ®Õn kªnh thu th× ph¶i ®Æt chÝnh x¸c ®Ìn phãng ®iÖn b¶o vÖ m¸y thu vµ ®Ìn phãng ®iÖn th«ng m¹ch ®−êng ph¸t ®Õn nh¸nh rÏ ra anten víi c¸c ®o¹n t−¬ng øng λ/4 vµ λ/2. Khi m¸y ph¸t ph¸t xung c¶ hai ®Ìn ®Òu lµm viÖc vµ chóng cã ®iÖn trë rÊt nhá gÇn b»ng ®iÖn trë ng¾n m¹ch, xung m¸y ph¸t ®i vµo anten vµ ®−êng vµo m¸y thu bÞ ng¾n m¹ch bëi ®Ìn phãng ®iÖn b¶o vÖ m¸y thu, khi ®ã ®o¹n mét phÇn t− b−íc sãng ®ãng vai trß chÝnh. Khi kÕt thóc xung ph¸t, ®Ìn phãng ®iÖn nèi th«ng ®−êng ph¸t bÞ hë, nªn ®iÖn trë cña nã rÊt lín vµ khi di chuyÓn vÒ nh¸nh anten b»ng ®o¹n mét phÇn hai b−íc sãng sÏ t¹o ra trë kh¸ng rÊt lín nh×n tõ anten vÒ m¸y ph¸t, ®iÒu ®ã sÏ t¹o sù ng¨n c¸ch lín kh«ng cho tÝn hiÖu vµo m¸y ph¸t. ChuyÓn m¹ch anten cña ra®a Π37 thùc hiÖn trªn èng sãng ch÷ nhËt kÝch th−íc (34x72)mm, ghÐp n¨ng l−îng ë thµnh hÑp èng sãng cho ®Ìn phãng ®iÖn nèi th«ng m¸y ph¸t vµ ë thµnh réng èng sãng cho ®Ìn phãng ®iÖn b¶o vÖ m¸y thu. GhÐp ë thµnh hÑp èng sãng cã kh¶ n¨ng tæn hao nhá khi ph¸t vµ ng¨n c¸ch lín khi thu, ghÐp 5
ë thµnh réng èng sãng cã kh¶ n¨ng tæn hao nhá khi thu vµ ng¨n c¸ch lín khi ph¸t. Anten M¸y thu M¸y ph¸t λ/4 λ/2 H×nh 1.1. S¬ ®å chuyÓn m¹ch anten lo¹i rÏ nh¸nh. §Ìn phãng ®iÖn nèi th«ng m¸y ph¸t dïng lo¹i PP-7 chung cho c¶ n¨m kªnh ph¸t, hép céng h−ëng cho PP-7 d¹ng h×nh xuyÕn. Hép h×nh xuyÕn kÕt hîp víi hai cùc phÔu cña PP-7 t¹o ra hép céng h−ëng, ®iÒu chØnh céng h−ëng b»ng thay ®æi kho¶ng c¸ch khe gi÷a hai cùc phÔu cña PP-7. §Ìn phãng ®iÖn b¶o vÖ m¸y thu cã d¹ng mét ®o¹n èng sãng ch÷ nhËt chiÒu dµi b»ng λ/4, hai ®Çu bÞt b»ng hai v¸ch céng h−ëng. Do hép céng h−ëng cã hÖ sè phÈm chÊt cao, d¶i tÇn sÏ hÑp nªn ph¶i dïng bèn lo¹i ®Ìn cã kÝch th−íc kh¸c nhau cho n¨m kªnh thu (PP-2 ë kªnh 1,3; PP-3 ë kªnh 5; PP-4 ë kªnh 2 vµ PP-20 ë kªnh 4). S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng chuyÓn m¹ch anten d−íi d¹ng d©y song hµnh ë h×nh 1.2. Tíi anten c KhuÕch ®¹i cao tÇn c λ/2 λ/4 a b a b λ/4 Tõ m¸y ph¸t H×nh 1.2. S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña chuyÓn m¹ch anten ra®a Π-37 6
Trong s¬ ®å h×nh 1.2, ®Ìn phãng ®iÖn PP-7 cïng víi hép céng h−ëng cña nã t−¬ng ®−¬ng nh− m¹ch céng h−ëng song song nèi vµo ®iÓm aa ghÐp víi èng sãng chÝnh ë thµnh hÑp qua ®o¹n mét phÇn t− b−íc sãng ®iÓm bb. Khung céng h−ëng nµy cã ®é phÈm chÊt rÊt cao nªn khi céng h−ëng (ë tr¹ng th¸i kh«ng ®¸nh löa) cã trë kh¸ng rÊt lín, khi mÊt céng h−ëng (khi phãng ®iÖn) cã trë kh¸ng rÊt nhá. Sö dông tÝnh chÊt thay ®æi trë kh¸ng rÊt lín nµy ®Ó lµm bé th«ng m¹ch vµ hë m¹ch ®−êng ph¸t cña chuyÓn m¹ch anten. S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng nµy chØ thùc hiÖn víi mèt sãng truyÒn lµ H10. §iÓm cc nèi ë thµnh réng èng sãng vÏ s¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña ®Ìn phãng ®iÖn b¶o vÖ m¸y thu, ë ®©y nã t−¬ng ®−¬ng víi ®o¹n èng sãng cã chiÒu dµi b»ng mét phÇn t− b−íc sãng ng¾n m¹ch ®Çu cuèi khi ph¸t vµ hë m¹ch khi thu. ë chÕ ®é thu, lóc nµy c¸c ®Ìn phãng ®iÖn kh«ng lµ viÖc, ë ®iÓm aa cã trë kh¸ng ®Çu vµo rÊt lín, chuyÓn qua ®o¹n mét phÇn t− b−íc sãng cã trë kh¸ng rÊt nhá lµm chËp m¹ch ®−êng d©y song hµnh ë ®iÓm bb. Tõ ®iÓm bb ®Õn ®iÓm cc cã chiÒu dµi b»ng nöa b−íc sãng, cho nªn t¹i ®iÓm cc còng cã trë kh¸ng rÊt nhá, lµm chËp m¹ch d©y song hµnh t¹i ®ã sÏ ng¨n kh«ng cho n¨ng l−îng thu nhËn tõ anten vµo m¸y ph¸t vµ nã chØ ®i vµo m¸y thu qua ®Ìn phãng ®iÖn ch÷ nhËt kh«ng bÞ tæn hao lín. §Ìn phãng ®iÖn ch÷ nhËt liªn kÕt víi èng sãng ë thµnh réng ®Ó cã ®iÖn trë ®Çu vµo cña ®Ìn phãng ®iÖn phèi hîp víi ®iÖn trë èng sãng tèt sÏ gi¶m sù tæn hao tÝn hiÖu tõ anten vµo m¸y thu. ë chÕ ®é ph¸t, c¸c ®Ìn phãng ®iÖn lµm viÖc (phãng ®iÖn), khung céng h−ëng cña ®Ìn phãng ®iÖn PP-7 bÞ mÊt céng h−ëng, ®iÖn trë ®Çu vµo cña nã trë nªn rÊt nhá (®iÓm aa) qua ®o¹n mét phÇn t− b−íc sãng trë kh¸ng trë nªn rÊt lín (®iÓm bb) nèi song song víi ®−êng chÝnh. Cã thÓ coi ®−êng d©y ë ®iÓm nµy chØ cã t¶i lµ trë kh¸ng ®Æc tÝnh cña èng sãng, tøc lµ kh«ng cã sù bÊt ®ång nhÊt nµo trªn ®−êng truyÒn. Bëi vËy n¨ng l−îng cao tÇn tù do ®i tõ magnhetron ®Õn anten mµ kh«ng bÞ ph¶n x¹ tõ ®Ìn PP-7. T¹i ®iÓm cc cã trë kh¸ng rÊt lín, do c¸ch ®ã mét ®o¹n mét phÇn t− b−íc sãng cã sù ng¾n m¹ch do sù ®¸nh löa cña ®Ìn phãng ®iÖn ch÷ nhËt, bëi vËy n¨ng l−¬ng cao tÇn tõ m¸y ph¸t kh«ng vµo m¸y thu. Cã thÓ nhËn thÊy, lo¹i chuyÓn m¹ch anten rÏ nh¸nh cã kÕt cÊu vµ nguyªn lý kh¸ ®¬n gi¶n nh−ng l¹i tån t¹i mét sè nh−îc ®iÓm sau: - §Ìn phãng ®iÖn ph¶i dïng hai lo¹i kh¸c nhau. - Lµm suy gi¶m râ rÖt c«ng suÊt ph¸t khi ph¸t. 7
- C«ng suÊt lät tõ phÝa m¸y ph¸t sang phÝa m¸y thu cao. - D¶i th«ng tÇn lµm viÖc hÑp. Trªn ®©y chóng ta ®· xem xÐt ®Õn hÖ thèng ph¸t vµ thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten lµ nh÷ng phÇn cã ¶nh h−ëng c¬ b¶n ®Õn chÊt l−îng vµ kh¶ n¨ng ho¹t ®éng cña m¸y thu ra®a Π37. Víi thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten, chøc n¨ng ng¨n c«ng suÊt m¸y ph¸t lät vµo m¸y thu cã thÓ ®−îc coi nh− mét bé phËn b¶o vÖ m¸y thu, nÕu c«ng suÊt lät sang lín, bé khuÕch ®¹i cao tÇn ®Çu vµo m¸y thu sÏ bÞ háng (®Æc biÖt lµ c¸c bé khuÕch ®¹i cao tÇn b»ng b¸n dÉn tr−êng vèn rÊt yÕu tr−íc c«ng suÊt m¹nh cña tÝn hiÖu ®Çu vµo), ®©y lµ nguyªn nh©n trùc tiÕp vµ lµ yÕu tè quan träng nhÊt quyÕt ®Þnh ®Õn kh¶ n¨ng lµm viÖc cña bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn t¹p thÊp. Víi hÖ thèng ph¸t, sù ho¹t ®éng æn ®Þnh (æn ®Þnh vÒ tÇn sè vµ æn ®Þnh vÒ c«ng suÊt ph¸t) cña nã quyÕt ®Þnh ®Õn chÊt l−îng lµm viÖc cña m¸y thu. 1.2. §¸nh gi¸ thùc tr¹ng tuyÕn siªu cao tÇn ra®a Π37. Môc ®Ých cña viÖc kh¶o s¸t lµ ®Ó ®−a ra ®−îc c¸c ®¸nh gi¸ chÝnh x¸c vÒ thùc tr¹ng cña tuyÕn siªu cao tÇn - tuyÕn cã ¶nh h−ëng trùc tiÕp ®Õn chÊt l−îng vµ ®é bÒn cña c¸c bé khuÕch ®¹i cao tÇn, ®Æc biÖt lµ c¸c bé khuÕch ®¹i cao tÇn sö dông b¸n dÉn tr−êng t¹p ©m thÊp trong m¸y thu ra®a Π37. Trªn c¬ së ®ã sÏ thiÕt kÕ vµ x©y dùng chØ tiªu kü thuËt cña bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn t¹p ©m thÊp cña Dù ¸n cho phï hîp víi t×nh tr¹ng thùc tÕ ®ã. 1.2.1. Tæng quan. Do nh÷ng ®Æc thï: c«ng suÊt ph¸t lín (700KW xung), tÇn sè lµm viÖc cao (tõ 2,71GHz ®Õn 3,10GHz), ®Ìn ph¸t dïng lo¹i magnhetron nªn khi ho¹t ®éng c¸c tham sè kü thuËt cña m¸y ph¸t ra®a Π37 th−êng kh«ng æn ®Þnh, nhÊt lµ trong ®iÒu kiÖn ®µi ra®a ®· xuèng cÊp nh− hiÖn nay th× trong m¸y ph¸t th−êng xuyªn x¶y ra c¸c hiÖn t−îng ®¸nh löa ®Ìn ph¸t, tÇn sè vµ c«ng suÊt ph¸t ra kh«ng æn ®Þnh, kh«ng n©ng ®−îc dßng ph¸t lªn gi¸ trÞ danh ®Þnh Trong hÖ thèng chuyÓn m¹ch anten, c¸c ®Ìn phãng ®iÖn b¶o vÖ m¸y thu vµ nèi th«ng m¸y ph¸t do s¶n xuÊt ®· l©u nªn chÊt l−îng hiÖn nay rÊt kÐm, h¬n n÷a l¹i kh«ng cã m¸y ®o chuyªn dông ®Ó kiÓm tra chÊt l−îng thùc tÕ cña ®Ìn mµ chØ ®¸nh gi¸ b»ng m¾t th−êng. Mét ®Ìn phãng ®iÖn ®−îc coi lµ tèt nÕu khi m¸y ph¸t lµm viÖc, qua lç trßn quan s¸t trªn th©n ®Ìn nh×n thÊy s¸ng ®Òu vµ ¸nh s¸ng cã mµu tÝm hoa cµ, nÕu ®Ìn kÐm chÊt l−îng th× ¸nh s¸ng kh«ng liªn tôc vµ cã mµu tr¾ng. V× c«ng 8
suÊt cña m¸y ph¸t lín céng víi ®iÒu kiÖn lµm viÖc trong m«i tr−êng nãng Èm cao cho nªn c¸c ®Öm ch×, ®Öm lß so cho ®Ìn phãng ®iÖn trong chuyÓn m¹ch anten rÊt mau háng g©y ®¸nh löa trong èng sãng vµ lµm lät c«ng suÊt lín tõ phÝa m¸y ph¸t vµo m¸y thu. §é Èm cao còng lµ yÕu tè g©y ¶nh h−ëng ®Õn tuyÕn èng dÉn sãng cña ®µi ra®a. TuyÕn èng sãng cña ®µi ra®a Π37 theo thiÕt kÕ nã kh«ng ®−îc sÊy kh« tr−íc khi ph¸t cho nªn khi trong èng sãng ®é Èm qu¸ cao th× sÏ g©y ®¸nh löa khi n©ng c«ng suÊt ph¸t lªn gi¸ trÞ danh ®Þnh. Mét sè phÇn tö trong m¸y ph¸t (cuén chÆn, biÕn thÕ cao ¸p, biÕn thÕ xung ) cña mét sè ®µi ra®a kh«ng ®¶m b¶o chÊt l−îng nªn hay g©y ra qu¸ t¶i vµ c¸c sù cè kh¸c trong qu¸ tr×nh lµm viÖc cña ®µi ra®a. TÊt c¶ c¸c yÕu tè trªn ®©y lµ nguyªn nh©n trùc tiÕp g©y ¶nh h−ëng ®Õn kh¶ n¨ng lµm viÖc tin cËy vµ ®é bÒn cña m¸y thu ®µi ra®a. Thùc tr¹ng c¸c m¸y thu cña c¸c ®µi ra®a Π37 hiÖn nay phÇn lín kh«ng ®¶m b¶o chØ tiªu ®é nh¹y toµn tuyÕn theo gi¸ trÞ danh ®Þnh (105dBm), lý do chñ yÕu cña t×nh tr¹ng nµy lµ ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn (m¹ch ®Çu vµo cña tuyÕn thu) bÞ kÐm chÊt l−îng dÇn theo thêi gian ho¹t ®éng (hÖ sè khuÕch ®¹i gi¶m vµ hÖ sè t¹p t¨ng). §èi víi c¸c bé khuÕch ®¹i cao tÇn dïng ®Ìn sãng ch¹y YB99, do ®Æc ®iÓm vÒ nguyªn lý cÊu t¹o (tù ®iÒu chØnh møc suy gi¶m ®èi víi tÝn hiÖu vµo cã møc c«ng suÊt lín) mµ kh¶ n¨ng chÞu ®ùng møc c«ng suÊt ë ®Çu vµo t−¬ng ®èi cao, nªn nã ®¶m b¶o ®−îc ®é bÒn vµ ®é tin cËy sö dông kh¸ cao, tuy nhiªn ®iÓm yÕu cña lo¹i ®Ìn nµy lµ phô thuéc nhiÒu vµo chÕ ®é nguån nu«i - ®Æc biÖt lµ ®iÖn ¸p sîi ®èt cho nªn ®Ìn hay bÞ háng vµ suy gi¶m tham sè kü thuËt khi nguån nu«i kh«ng æn ®Þnh. §Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn YB394 ®−îc thiÕt kÕ chÕ t¹o ®Ó thay thÕ ®Ìn sãng ch¹y YB99 víi môc ®Ých n©ng cao chÊt l−îng m¸y thu khi nã kh¾c phôc ®−îc nh÷ng nh−îc ®iÓm cña lo¹i ®Ìn sãng ch¹y nh− hÖ sè t¹p lín, kÝch th−íc vµ khèi l−îng lín, chÕ ®é cÊp nguån phøc t¹p. CÊu t¹o cña ®Ìn gåm hai phÇn, phÇn b¶o vÖ vµ phÇn khuÕch ®¹i. S¬ ®å chøc n¨ng cña ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn YB394 chØ ra ë h×nh 1.3. ThiÕt bÞ b¶o vÖ cã chøc n¨ng h¹n chÕ møc c«ng suÊt lín cña tÝn hiÖu vµo ®Õn møc chÞu ®ùng ®−îc (kho¶ng +10dBm) cña m¹ch khuÕch ®¹i vµ truyÒn víi tæn hao th«ng qua nhá ®èi víi c¸c tÝn hiÖu vµo cã c«ng suÊt nhá (tÝn hiÖu ph¶n x¹ tõ môc tiªu). Chøc n¨ng nµy ®−îc thùc hiÖn trªn c¬ së sö dông m¹ch h¹n chÕ kiÓu thô ®éng 9
víi c¸c phÇn tö chuyÓn m¹ch lµ c¸c pin ®ièt h¹n chÕ siªu cao tÇn. Nguån +5v100mA M¹ch khuÕch ®¹i Vµo M¹ch b¶o vÖ Ra (pin ®ièt h¹n chÕ siªu cao tÇn siªu cao tÇn) (trªn b¸n dÉn tr−êng) H×nh 1.3. S¬ ®å chøc n¨ng ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn YB394 PhÇn khuÕch ®¹i cao tÇn ®−îc thùc hiÖn trªn m¹ch khuÕch ®¹i b»ng b¸n dÉn tr−êng cã néi t¹p nhá, nã ®¶m b¶o chØ tiªu hÖ sè khuÕch ®¹i tÝn hiÖu vµ hÖ sè t¹p cÇn thiÕt cho tuyÕn cao tÇn cña m¸y thu. C¸c ®Æc tr−ng kü thuËt c¬ b¶n cña ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn YB394 nh− sau: - HÖ sè khuÕch ®¹i: (23-30)dB. - HÖ sè t¹p: ≤ 3dB. - Møc c«ng suÊt cùc ®¹i cña tÝn hiÖu vµo: ≤ 1W trung b×nh. Víi c¸c ®Æc tr−ng kü thuËt nh− trªn cã thÓ nhËn thÊy khi sö dông YB394 th× ®é nh¹y cña m¸y thu ®−îc ®¶m b¶o tèt h¬n v× hÖ sè t¹p cã trÞ sè nhá (3dB so víi tõ 7dB ®Õn 11dB cña c¸c ®Ìn sãng ch¹y). Tuy nhiªn, còng nhËn thÊy ®iÓm yÕu cña ®Ìn lµ kh¶ n¨ng chÞu ®ùng møc c«ng suÊt lín cña tÝn hiÖu vµo rÊt thÊp (1W trung b×nh), ®iÓm yÕu nµy lµ nguyªn nh©n chÝnh dÉn ®Õn sù kÐm chÊt l−îng rÊt nhanh cña ®Ìn. Tõ cÊu t¹o nguyªn lý vµ vËt t− linh kiÖn ®−îc sö dông trong hai lo¹i ®Ìn, cã thÓ nãi r»ng: nÕu ë ®Ìn sãng ch¹y chÊt l−îng vµ ®é bÒn cña ®Ìn phô thuéc chñ yÕu vµo chÕ ®é cÊp nguån (chÊt l−îng cña nguån nu«i) th× ë ®Ìn t¹p thÊp YB394 phô thuéc chñ yÕu vµo møc c«ng suÊt cña tÝn hiÖu ®Çu vµo - bëi v×, b¸n dÉn tr−êng lµ phÇn tö rÊt yÕu víi c«ng suÊt tÝn hiÖu. KÕt luËn nµy rÊt cã gi¸ trÞ v× nã lµ ®iÓm c¬ b¶n ®Ó xem xÐt khi thùc hiÖn thiÕt kÕ chØ tiªu kü thuËt cña bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p ©m thÊp cña Dù ¸n mµ nã cã kÕt cÊu nguyªn lý vµ ph−¬ng ¸n sö dông vËt t− linh kiÖn gÇn t−¬ng tù nh− ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn YB394. Qua qu¸ tr×nh khai th¸c sö dông vµ c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu ®¸nh gi¸ cho thÊy, nguyªn nh©n chÝnh g©y háng vµ lµm kÐm chÊt l−îng ®Ìn YB394 lµ møc c«ng suÊt ®Çu vµo cña ®Ìn lín (lín h¬n 1W trung b×nh) lät tõ m¸y ph¸t sang m¸y thu qua thiÕt 10
bÞ chuyÓn m¹ch anten. Ngoµi ra, mét sè nguyªn nh©n kh¸c còng ¶nh h−ëng lín ®Õn chÊt l−îng cña ®Ìn nh−: tÝn hiÖu ph¶n x¹ tõ vïng ®Þa vËt gÇn ®µi cã møc c«ng suÊt lín, c¸c yÕu tè m«i truêng (nhiÖt ®é lµm viÖc trong ®µi ra®a vµ tÝnh chÊt cña vïng khÝ hËu n¬i ®Æt ®µi). Theo nguyªn lý cÊu t¹o cña c¸c thµnh phÇn trong tuyÕn siªu cao tÇn ra®a Π37 th× møc c«ng suÊt lät tõ m¸y ph¸t sang m¸y thu phô thuéc vµo c¸c yÕu tè: - ChÊt l−îng ®Ìn phãng ®iÖn b¶o vÖ m¸y thu cña thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten. - ChÊt l−îng c¸c vßng ®Öm lß so b»ng thÐp vµ vßng ®Öm b»ng ch× ®Ó ghÐp ®Ìn phãng ®iÖn víi èng sãng cña thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten. - Sù lµm viÖc æn ®Þnh cña m¸y ph¸t vµ ®−êng truyÒn siªu cao tÇn (kh«ng g©y ®¸nh löa ë ®Ìn ph¸t vµ trong èng dÉn sãng, kh«ng g©y qu¸ t¶i biÕn thÕ cao ¸p ). - Sè l−îng c¸c m¸y ph¸t cïng lµm viÖc trong mét thêi ®iÓm ë ®µi ra®a. Hai phÇn tö b¸n dÉn quan träng trong thµnh phÇn cña bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p thÊp lµ pin ®ièt h¹n chÕ cao tÇn vµ transistor tr−êng (FET) ®Òu rÊt nh¹y c¶m víi nhiÖt ®é m«i tr−êng lµm viÖc (tÝnh chÊt cña linh kiÖn b¸n dÉn), nÕu ph¶i lµm viÖc liªn tôc trong ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é cao (≥ 400c) th× c¸c linh kiÖn b¸n dÉn ®ã rÊt nhanh háng. M«i tr−êng khÝ hËu xung quanh lµ yÕu tè g©y ra hiÖn t−îng «xy ho¸ c¸c phÇn tö linh kiÖn dÉn ®Õn t×nh tr¹ng kh«ng tiÕp xóc, ch¸y chËp trong m¹ch ®iÖn vµ lµm háng ®Ìn. 1.2.2. KÕt qu¶ kh¶o s¸t thùc tÕ. ViÖc kh¶o s¸t ®−îc tiÕn hµnh trùc tiÕp trªn c¸c ®µi Π37 cña mét sè tr¹m ra®a cña Qu©n chñng PK-KQ n»m ë c¶ ba vïng miÒn ®Êt n−íc vµ trªn c¸c ®Ìn YB394 háng ®−îc thu håi tõ c¸c tr¹m ra®a trong c¶ n−íc. 1.2.2.1. Kh¶o s¸t c«ng suÊt lät tõ m¸y ph¸t sang m¸y thu. S¬ ®å thùc hiÖn phÐp ®o c«ng suÊt lät thÓ hiÖn ë h×nh 1.4. M¸y ph¸t M¸y ®o c«ng ra®a suÊt M3-232A Ra®a Π37 ChuyÓn ChuyÓn ®æi èng sãng Bé suy gi¶m m¹ch anten sang c¸p ®ång trôc cè ®Þnh 30dB H×nh 1.4. S¬ ®å m¹ch ®o c«ng suÊt lät trªn ra®a Π37. 11
Ph−¬ng ph¸p kh¶o s¸t: ®o trùc tiÕp gi¸ trÞ c«ng suÊt trung b×nh ë ®Çu vµo m¸y thu (ë ®Çu ra cña bé chuyÓn ®æi èng sãng - c¸p ®ång trôc). C¸c kÕt qu¶ ®o thùc tÕ ®−îc ghi l¹i nh− sau: ë Nhµ m¸y A29- Biªn Hoµ/§ång Nai (®µi ra®a Π37 c¶i tiÕn - th¸ng 2/2001). a. §o ë ®Çu vµo cña mét kªnh thu (m¸y thu sè 3): - Anten ra®a h−íng vÒ phÝa kh«ng cã ®Þa vËt vïng gÇn vµ chØ ph¸t m¸y ph¸t sè 3: Dßng m¸y ph¸t sè 3 Gi¸ trÞ c«ng suÊt trung b×nh ë ®Çu vµo (mA) kªnh thu sè 3 (mW) 40 647 50 881 60 1017 - Anten ra®a h−íng vÒ phÝa cã ®Þa vËt vïng gÇn vµ chØ ph¸t m¸y ph¸t sè 3: Dßng m¸y ph¸t sè 3 Gi¸ trÞ c«ng suÊt trung b×nh ë ®Çu vµo (mA) kªnh thu sè 3 (mW) 40 671 50 933 60 1184 - Thùc hiÖn nèi lÇn l−ît bèn m¸y ph¸t cßn l¹i vµ anten ra®a h−íng vÒ phÝa kh«ng cã ®Þa vËt vïng gÇn: M¸y ph¸t Gi¸ trÞ c«ng suÊt trung b×nh ë ®Çu vµo (Dßng ph¸t lµ 50 mA) kªnh thu sè 3 (mW) Khi nèi m¸y sè 1 881 Khi nèi m¸y sè 1 vµ 2 915 Khi nèi m¸y sè 1,2 vµ 4 988 Khi nèi m¸y sè 1,2,4 vµ 5 1082 - Thay ®Ìn phãng ®iÖn b¶o vÖ m¸y thu (PP-2) cho kªnh thu sè ba vµ chØ nèi m¸y ph¸t sè ba: Dßng m¸y ph¸t sè 3 Gi¸ trÞ c«ng suÊt trung b×nh ë ®Çu vµo (mA) kªnh thu sè 3 (mW) 40 581 50 787 60 912 12
b. §o ë ®Çu vµo cña n¨m kªnh thu khi c¶ n¨m m¸y ph¸t cïng lµm viÖc: Dßng c¸c m¸y Gi¸ trÞ c«ng suÊt trung b×nh ë ®Çu vµo c¸c kªnh thu (mW) ph¸t (mA) Kªnh thu 1 Kªnh 2 Kªnh 3 Kªnh 4 Kªnh 5 40 921 889 932 972 877 50 1089 987 1082 1115 910 60 1105 1008 1341 1378 1012 ë Tr¹m ra®a T42/F371 - Sãc S¬n/Hµ Néi (th¸ng 3/2002). Thùc hiÖn ®o khi c¶ n¨m m¸y ph¸t cïng lµm viÖc: Dßng ph¸t Gi¸ trÞ c«ng suÊt trung b×nh ë ®Çu vµo c¸c kªnh thu (mW) (mA) Kªnh 1 Kªnh 2 Kªnh 3 Kªnh 4 Kªnh 5 30 942 920 932 1027 977 40 1069 990 1210 1533 1310 50 §¸nh löa §¸nh löa §¸nh löa §¸nh löa 1236 ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t ë Tr¹m ra®a T43/F371 - KÐp/B¾c Giang (th¸ng 3/2002). Thùc hiÖn ®o khi c¶ n¨m m¸y ph¸t cïng lµm viÖc: Dßng ph¸t Gi¸ trÞ c«ng suÊt trung b×nh ë ®Çu vµo c¸c kªnh thu (mW) (mA) Kªnh 1 Kªnh 2 Kªnh 3 Kªnh 4 Kªnh 5 30 967 1020 1007 1027 997 40 1119 1231 1466 1263 1110 50 1423 1654 §¸nh löa §¸nh löa 1473 ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t ë Tr¹m ra®a T26/F361 - Tõ Liªm/Hµ Néi (th¸ng 3/2002). Thùc hiÖn ®o khi c¶ n¨m m¸y ph¸t cïng lµm viÖc: Dßng ph¸t Gi¸ trÞ c«ng suÊt trung b×nh ë ®Çu vµo c¸c kªnh thu (mW) (mA) Kªnh 1 Kªnh 2 Kªnh 3 Kªnh 4 Kªnh 5 30 1042 1120 1031 1184 989 40 1222 1390 1310 1231 1190 50 §¸nh löa §¸nh löa §¸nh löa §¸nh löa §¸nh löa ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t ë Tr¹m ra®a T29/F375 - S¬n Trµ/§µ N½ng (th¸ng 5/2002). Thùc hiÖn ®o khi c¶ n¨m m¸y ph¸t cïng lµm viÖc: Dßng ph¸t Gi¸ trÞ c«ng suÊt trung b×nh ë ®Çu vµo c¸c kªnh thu (mW) (mA) Kªnh 1 Kªnh 2 Kªnh 3 Kªnh 4 Kªnh 5 30 973 1034 962 1157 1223 40 1095 1348 1210 1604 1310 50 §¸nh löa §¸nh löa §¸nh löa §¸nh löa §¸nh löa ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t 13
ë Tr¹m ra®a T33/F367 - Vòng Tµu/Bµ RÞa-Vòng Tµu (th¸ng 5/2002). Thùc hiÖn ®o khi c¶ n¨m m¸y ph¸t cïng lµm viÖc: Dßng ph¸t Gi¸ trÞ c«ng suÊt trung b×nh ë ®Çu vµo c¸c kªnh thu (mW) (mA) Kªnh 1 Kªnh 2 Kªnh 3 Kªnh 4 Kªnh 5 30 922 939 1007 929 982 40 1172 1231 1348 1130 1260 50 1324 1452 §¸nh löa 1269 §¸nh löa ®Ìn ph¸t ®Ìn ph¸t NhËn xÐt kÕt qu¶ kh¶o s¸t: 1. TÝn hiÖu ®Çu vµo m¸y thu (®Çu vµo ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn) cã møc c«ng suÊt thay ®æi phøc t¹p, nã phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè: - VÞ trÝ ®Æt ®µi ra®a (vïng ®Þa vËt gÇn ®µi). - Sè l−îng c¸c kªnh ph¸t cña ®µi ra®a lµm viÖc trong cïng mét thêi ®iÓm. - ChÊt l−îng cña thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten: VÒ nguyªn lý ho¹t ®éng, thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten mµ ra®a Π37 sö dông lµ lo¹i rÏ nh¸nh, nã cã nh−îc ®iÓm c¬ b¶n lµ c«ng suÊt ph¸t lät sang m¸y thu lín vµ d¶i th«ng tÇn hÑp. C¸c nh−îc ®iÓm nµy do tÝnh chÊt céng h−ëng cña hép céng h−ëng cã ®Ìn phãng ®iÖn ph¶i chÕ t¹o cã ®é phÈm chÊt rÊt cao vµ chÝnh ®é phÈm chÊt rÊt cao nµy l¹i kÐo theo tû sè trë kh¸ng cña nã thay ®æi rÊt lín khi bÞ lÖch tÇn sè mét l−îng nhá so víi tÇn sè céng h−ëng. ChÊt l−îng cña chuyÓn m¹ch anten dùa trªn tû sè trë kh¸ng cña khung céng h−ëng khi céng h−ëng vµ khi mÊt céng h−ëng, nÕu ®iÒu chØnh ®óng céng h−ëng tû sè nµy rÊt cao, cßn khi lÖch mét l−îng nhá, tû sè nµy gi¶m rÊt nhanh vµ do ®ã lµm gi¶m chÊt l−îng cña chuyÓn m¹ch anten. VÒ cÊu t¹o, thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten ra®a Π37 cã nh−îc ®iÓm: §Ìn phãng ®iÖn b¶o vÖ m¸y thu d¹ng èng sãng ch÷ nhËt, khi l¾p vµo èng sãng sao cho b¶o ®¶m tiÕp xóc tèt vÒ ®iÖn theo chu vi ch÷ nhËt cña ®Ìn lµ rÊt khã, ng−êi ta ph¶i dïng hai do¨ng ch× (hoÆc sîi kim lo¹i) h×nh ch÷ nhËt khi Ðp s¸t b»ng c¸c èc vÝt ®Ó t¹o ra sù tiÕp xóc tèt, thùc hiÖn ®iÒu nµy ®èi víi thî söa ch÷a kh«ng ph¶i lµ khã, nh−ng víi tr¾c thñ kh«ng ph¶i dÔ, nÕu tiÕp xóc kh«ng tèt sÏ g©y ra ®¸nh löa ë c¸c khe hë do¨ng ch× khi ph¸t vµ c«ng suÊt cao tÇn lät sang m¸y thu sÏ lín. §Ìn phãng ®iÖn nèi th«ng m¸y ph¸t PP-7 ®Æt trong hép céng h−ëng xuyÕn ph¶i ®iÒu chØnh kho¶ng c¸ch khe gi÷a hai cùc phÔu ®Ó ®¹t tÇn sè céng h−ëng ë mét trong n¨m kªnh ph¸t, ®iÒu nµy lµm ë nhµ m¸y cã thiÕt bÞ ®o kh«ng khã, nh−ng khi lµm ë ®¬n vÞ, tr¾c thñ nhËn 14
biÕt sù céng h−ëng b»ng mµu s¾c cña tia löa ®iÖn trong ®Ìn (cã mµu xanh hoa cµ lµ ®¹t) sÏ kh«ng b¶o ®¶m ®ñ ®é chÝnh x¸c sù céng h−ëng vµ sÏ lµm gi¶m chÊt l−îng kho¸ thu - ph¸t. VÒ mÆt lý thuyÕt, chuyÓn m¹ch anten lo¹i rÏ nh¸nh ®é c¸ch ly ph¸t - thu cã thÓ ®¹t tíi gÇn 40dB. Nh−ng víi c¸c ®µi ra®a Π37 khi ®· khai th¸c sö dông l©u n¨m th× th«ng sè nµy cã thÓ chØ cßn ë møc tõ 26dB ®Õn 30dB. 2. Do chÊt luîng cña c¸c ®µi ra®a Π37 ®· xuèng cÊp nªn hÇu hÕt c¸c kªnh ph¸t kh«ng lµm viÖc ®−îc (x¶y ra hiÖn t−îng ®¸nh löa vµ qu¸ t¶i trong m¸y ph¸t) khi t¨ng dßng ph¸t lªn 50mA trong khi yªu cÇu dßng lµm viÖc ®Õn 60mA. C¸c hiÖn t−îng ®¸nh löa ®ã sÏ g©y nh÷ng ®ét biÕn xung (t¹o c¸c ®Ønh xung cã biªn ®é lín ë ®Çu vµo m¸y thu) vµ lµm háng ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn (háng theo ®iÖn ¸p). 3. Gi¸ trÞ c«ng suÊt lät tõ m¸y ph¸t sang m¸y thu rÊt cao, ë møc dßng ph¸t lµ 40mA hÇu hÕt c¸c gi¸ trÞ ®ã ®Òu lín h¬n 1w liªn tôc (v−ît qu¸ giíi h¹n chÞu ®ùng 1w cña ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn YB394) nªn ®· lµm háng (háng theo c«ng suÊt) hoÆc lµm gi¶m chÊt l−îng cña c¸c ®Ìn YB394. 1.2.2.2. Kh¶o s¸t ®iÒu kiÖn m«i tr−êng lµm viÖc: N−íc ta cã khÝ hËu nhiÖt ®íi giã mïa víi ®é nãng, Èm rÊt cao (mïa hÌ vµ mïa kh« nhiÖt ®é ngoµi trêi lªn tíi h¬n 400c, mïa m−a nhiÒu n¬i cã ®é Èm ≥ 95%), ë nh÷ng vïng ven biÓn kh«ng khÝ cßn cã muèi víi nång ®é lín. Sù t¸c ®éng cña m«i tr−êng kh¾c nghiÖt ®ã ®· ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn ®é bÒn cña ®Ìn YB394, trong khi ®ã c«ng nghÖ ®ãng kÝn l¹i ch−a ®¶m b¶o ng¨n ®−îc sù thÈm thÊu cña kh«ng khÝ vµo bªn trong ®Ìn. ViÖc kh¶o s¸t møc ®é ¶nh h−ëng cña m«i tr−êng ®èi víi ®Ìn YB394 ®−îc tiÕn hµnh theo ph−¬ng ph¸p: th¸o mét sè ®Ìn háng thu håi tõ c¸c ®¬n vÞ vÒ. §èi víi c¸c ®Ìn thu håi tõ c¸c ®µi ra®a lµm viÖc ë c¸c vïng ven biÓn: Sè ®Ìn kh¶o s¸t lµ 05 chiÕc (03 chiÕc cña tr¹m ra®a 29, 02 chiÕc cña tr¹m ra®a 22). KÕt qu¶ cho thÊy: 3/5 ®Ìn bÞ «xy ho¸ nÆng, ch©n c¸c linh kiÖn vµ m¹ch in gØ sÐt, gÉy ®øt do kh«ng khÝ cã h¬i muèi ¨n mßn, c¸c ®−êng m¹ch bÞ gØ xanh. 2/5 ®Ìn bÞ «xy mét phÇn ë ®Çu vµo khèi b¶o vÖ vµ khèi khuÕch ®¹i. §èi víi c¸c ®Ìn thu håi tõ c¸c ®µi ra®a lµm viÖc ë s©u trong ®Êt liÒn: Sè ®Ìn kh¶o s¸t lµ 06 chiÕc (03 chiÕc cña tr¹m 53, 02 chiÕc cña tr¹m 26 vµ 01 chiÕc cña tr¹m 31). KÕt qu¶ kh¶o s¸t cho thÊy: 2/6 ®Ìn kh«ng bÞ «xy ho¸ vµ 4/6 ®Ìn cßn l¹i cã 15
bÞ «xy ho¸ nh−ng kh«ng ®¸ng kÓ. Trªn c¬ së kÕt qu¶ kh¶o s¸t, nhËn thÊy: do nhµ s¶n xuÊt xö lý c«ng nghÖ ch−a tèt nªn ®Ìn YB394 kh«ng ®¶m b¶o ®−îc c¸c ®iÒu kiÖn lµm viÖc trong m«i tr−êng khÝ hËu cña n−íc ta. §©y lµ mét yÕu tè g©y ¶nh h−ëng ®Õn chÊt l−îng cña ®Ìn, tuy kh«ng g©y háng ®ét biÕn nh− yÕu tè c«ng suÊt lät tõ m¸y ph¸t sang nh−ng nã ¶nh h−ëng tõ tõ theo thêi gian lµm viÖc vµ lµm gi¶m tuæi thä cña ®Ìn. 1.2.2.3. Kh¶o s¸t tÇn suÊt háng cña ®Ìn YB394. §Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p ©m thÊp YB394 ®−îc nhËp vµo ViÖt Nam tõ n¨m 1994 ®Ó thay thÕ dÇn cho c¸c ®Ìn sãng ch¹y YB99 trong ®µi ra®a Π37. Theo lý lÞch, tuæi thä cña ®Ìn lµ 10.000 giê nh−ng thùc tÕ sö dông cho thÊy ®Ìn YB394 rÊt nhanh háng, nhiÒu ®Ìn míi sö dông (400-500) giê mµ ®é khuÕch ®¹i ®· bÞ suy gi¶m, ®Æc biÖt cã ®Ìn chØ ho¹t ®éng ®−îc (10-20) giê lµ háng ngay, hÇu nh− kh«ng cã ®Ìn nµo ®¶m b¶o ®−îc tuæi thä 10.000 giê nh− ghi trong lý lÞch. Trong mét ®µi ra®a П37 cã n¨m ®Ìn YB394 vµ sè giê më m¸y b×nh qu©n lµ100 giê mçi th¸ng. Qua qu¸ tr×nh theo dâi viÖc sö dông ®Ìn YB394 ë c¸c tr¹m ra®a cña Qu©n chñng PK-KQ nhËn thÊy t×nh tr¹ng nh− sau: §èi víi c¸c ®µi ra®a П37 ë c¸c tr¹m ra®a vïng ven biÓn (tr¹m 22;29;33): Sau 04 th¸ng: 2/5 ®Ìn cã hÖ sè khuÕch ®¹i bÞ suy gi¶m tõ (1-3)dB. Sau 06 th¸ng: 3/5 ®Ìn cã hÖ sè khuÕch ®¹i bÞ suy gi¶m tõ (2-5)dB. Sau 12 th¸ng 2/5 ®Ìn bÞ háng h¼n, kh«ng sö dông ®−îc. Sau 18 th¸ng 3/5 ®Ìn bÞ háng h¼n, kh«ng sö dông ®−îc . Sau 24 th¸ng c¶ 05 ®Ìn ®Òu háng h¼n, kh«ng sö dông ®−îc. §èi víi c¸c ®µi ra®a П37 ë c¸c tr¹m ra®a kh¸c: Sau 04 th¸ng: 1/5 ®Ìn cã hÖ sè khuÕch ®¹i bÞ suy gi¶m tõ (1-3)dB. Sau 06 th¸ng 1/5 ®Ìn suy gi¶m hÖ sè khuÕch ®¹i tõ (1-5)dB. Sau 12 th¸ng 1/5 ®Ìn háng vµ thªm 1 ®Ìn suy gi¶m hÖ sè khuÕch ®¹i tõ (2-5)dB. Sau 18 th¸ng 2/5 ®Ìn háng vµ thªm 2 ®Ìn suy gi¶m hÖ sè khuÕch tõ (2-5)dB. Sau 24 th¸ng 3/5 ®Ìn háng. Sau 30 th¸ng c¶ 5 ®Ìn ®Òu háng hoµn toµn, kh«ng sö dông ®−îc . Qua kÕt qu¶ kh¶o s¸t cho thÊy: tÇn suÊt háng cña ®Ìn YB394 rÊt cao, hÇu nh− kh«ng ®Ìn YB394 nµo ®¶m b¶o ®−îc sè giê lµm viÖc tèt theo quy ®Þnh (10.000 giê), chÝnh yÕu tè nµy ®· g©y ¸p lùc rÊt lín cho kh¶ n¨ng ®¶m b¶o nguån vËt t− thay thÕ. 16
1.3. KÕt luËn phÇn mét. 1. TÊt c¶ c¸c ®µi ra®a Π37 cña ta hiÖn nay ®Òu xuèng cÊp, hÇu hÕt c¸c hÖ thèng trong ®µi kh«ng ®¶m b¶o c¸c chØ tiªu kü thuËt theo yªu cÇu, chÊt l−îng cña c«ng t¸c söa ch÷a vµ ®¶m b¶o kü thuËt ch−a cao mµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n quan träng lµ nguån vËt t− thay thÕ kh«ng ®Çy ®ñ vµ kh«ng ®¶m b¶o chÊt l−îng nhÊt lµ c¸c vËt t− ®Æc chñng cña tuyÕn siªu cao tÇn. 2. VÒ nguyªn lý, thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten cña ra®a Π37 (theo nguyªn lý chuyÓn m¹ch rÏ nh¸nh) cã nhiÒu nh−îc ®iÓm, mét trong nh÷ng nh−îc ®iÓm quan träng cña lo¹i chuyÓn m¹ch nµy lµ ®Ó c«ng suÊt cña m¸y ph¸t lät sang phÝa m¸y thu lín vµ chÝnh ®©y lµ nguyªn nh©n chñ yÕu lµm háng ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn cña m¸y thu nhÊt lµ c¸c ®Ìn sö dông b¸n dÉn tr−êng néi t¹p nhá. 3. VÒ cÊu t¹o, thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten cña ra®a Π37 sö dông phÇn tö chuyÓn m¹ch lµ c¸c ®Ìn phãng ®iÖn kh«ng cã ®iÖn ¸p måi v× thÕ tèc ®é chuyÓn m¹ch kh«ng nhanh, chÊt l−îng h¹n chÕ c«ng suÊt (chøc n¨ng b¶o vÖ m¸y thu) kh«ng cao vµ viÖc l¾p ghÐp víi thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch anten phøc t¹p (ph¶i ®¶m b¶o ®é tiÕp xóc tèt vµ kh«ng cã khe hë gi÷a ®Ìn vµ èng sãng). Víi nh÷ng ®iÓm h¹n chÕ nh− vËy nªn ®Ìn phãng ®iÖn ®Ó lät c«ng suÊt cña tÝn hiÖu ph¸t vµo m¸y thu lín g©y ¶nh h−ëng ®Õn kh¶ n¨ng lµm viÖc cña ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn. 4. §Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn YB394 do LB Nga s¶n xuÊt, cÊu t¹o cña nã gåm hai phÇn: Bé khuÕch ®¹i cao tÇn dïng b¸n dÉn tr−êng néi t¹p nhá; M¹ch b¶o vÖ (trªn c¸c pin ®ièt h¹n chÕ siªu cao tÇn) cã chøc n¨ng b¶o vÖ bé khuÕch ®¹i tõ møc c«ng suÊt lín 1,3 KW xung vµ 1W trung b×nh ë ®Çu vµo. Víi ng−ìng c«ng suÊt ®Çu vµo nh− vËy cã thÓ kh¼ng ®Þnh ®Ìn YB394 kh«ng ®¸p øng ®−îc ®iÒu kiÖn lµm viÖc thùc tÕ trªn c¸c ®µi ra®a Π37 ®ang cã ë ta hiÖn nay, v× theo kÕt qu¶ kh¶o s¸t th× møc c«ng suÊt cao tÇn ë ®Çu vµo m¸y thu ®Òu lín hín hoÆc xÊp xØ b»ng 1W trung b×nh. 5. M«i tr−êng khÝ hËu cña n−íc ta còng lµ mét nguyªn nh©n quan träng lµm ¶nh h−ëng ®Õn chÊt l−îng cña ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn, ®Æc biÖt khi mµ viÖc xö lý c«ng nghÖ ë ®Ìn YB394 ch−a tèt. 6. TÇn suÊt háng cña ®Ìn YB394 rÊt cao, h¬n n÷a do ®Æc ®Æc ®iÓm c«ng nghÖ chÕ t¹o nªn khi khi ®Ìn háng chóng ta kh«ng thÓ söa ch÷a, phôc håi ®−îc v× thÕ mµ hµng n¨m ®Ó ®¶m b¶o cho chiÕn ®Êu ta ph¶i nhËp khÈu víi sè l−îng lín ®ÌnYB-394 víi gi¸ thµnh ®¾t. 17
PhÇn hai X©y dùng chØ tiªu kü thuËt bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p ©m thÊp øng dông trong tuyÕn thu ®µi ra®ac¶nh giíi dÉn ®−êng Π37 Trªn c¬ së ph©n tÝch vµ ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ kh¶o s¸t c¸c ®µi ra®a Π37 hiÖn cã, tiÕn hµnh thiÕt kÕ x©y dùng chØ tiªu kü thuËt cho bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p ©m thÊp cña Dù ¸n ®¶m b¶o phï hîp vµ ®¸p øng ®−îc yªu cÇu lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn thùc tÕ cña c¸c ®µi ra®a Π37 hiÖn nay. Ngoµi ra, viÖc thiÕt kÕ chØ tiªu kü thuËt cho bé khuÕch ®¹i cao tÇn cßn ®−îc thùc hiÖn trªn c¬ së tham chiÕu c¸c chØ tiªu kü thuËt cña ®Ìn khuÕch ®¹i cao tÇn YB394 do LB Nga chÕ t¹o, ®©y lµ lo¹i ®Ìn ®−îc chän lµm mÉu ®Ó thiÕt kÕ chÕ t¹o bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p ©m thÊp cña Dù ¸n. 2.1. Yªu cÇu chung ®èi víi s¶n phÈm cña Dù ¸n. S¶n phÈm cña Dù ¸n lµ bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p ©m thÊp sö dông trong tuyÕn thu cña ®µi ra®a Π37, nã ph¶i ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu chung nh− sau: Yªu cÇu vÒ kü thuËt: + §¶m b¶o hÖ sè t¹p, ®©y lµ chØ tiªu quyÕt ®Þnh ®Õn ®é nh¹y cña toµn tuyÕn thu ra®a Π37. Ngoµi hÖ sè t¹p ©m cña tuyÕn anten ®−êng truyÒn cao tÇn ®· ®−îc mÆc ®Þnh ë nhµ m¸y s¶n xuÊt ra®a, th× hÖ sè t¹p cña bé khuÕch ®¹i cao tÇn (do ta s¶n xuÊt) sÏ quyÕt ®Þnh hÖ sè t¹p (®é nh¹y) cña toµn tuyÕn thu ®µi ra®a. + §¶m b¶o hÖ sè khuÕch ®¹i ®Ó t¹o møc c«ng suÊt tÝn hiÖu cÇn thiÕt cho thiÕt bÞ phÝa sau (bé trén tÇn vµ c¸c bé khuÕch ®¹i trung tÇn) lµm viÖc b×nh th−êng. Yªu cÇu vÒ sö dông vµ cÊu tróc: + Bé khuÕch ®¹i cao tÇn ph¶i lµm viÖc tin cËy trong ®iÒu kiÖn t×nh tr¹ng kü thuËt thùc tÕ cña c¸c ®µi ra®a ra®a Π37 cña ta hiÖn nay, cã sè giê lµm viÖc kh«ng háng (tuæi thä) t−¬ng ®èi cao. + Bé khuÕch ®¹i cao tÇn ph¶i lµm viÖc æn ®Þnh vµ kh«ng tù kÝch trong hÖ thèng thu cña ®µi ra®a, ph¶i duy tr× ®−îc c¸c ®Æc tr−ng kü thuËt trong giíi h¹n cho phÐp khi cã sù thay ®æi c¸c tham sè cña m«i tr−êng bªn ngoµi (nhiÖt ®é, ®é Èm, ¸p suÊt) vµ nguån nu«i. + ChÕ ®é cÊp nguån kh«ng phøc t¹p. + ViÖc kiÓm tra c¸c tham sè kü thuËt thuËn tiÖn vµ ®¬n gi¶n. 18
+ DÔ ph¸t hiÖn vµ nhanh chãng kh¾c phôc c¸c háng hãc. + §¶m b¶o ®é bÒn c¬ häc khi va ®Ëp vµ rung xãc. + Thao t¸c th¸o l¾p thuËn tiÖn vµ tèn Ýt thêi gian. + KÝch th−íc vµ träng l−îng phï hîp. + ChuÈn ho¸ vËt t− linh kiÖn, nguån cung cÊp vËt t− linh kiÖn æn ®Þnh. 2.2. X©y dùng s¬ ®å khèi cña bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p ©m thÊp. S¬ ®å khèi cña bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p ©m thÊp cña Dù ¸n thÓ hiÖn trªn h×nh 2.1. S¬ ®å nµy ®−îc x©y dùng trªn c¬ së tham kh¶o s¬ ®å khèi cña ®Ìn YB394. Bé h¹n chÕ Bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt siªu cao tÇn Vµo siªu cao tÇn t¹p ©m thÊp Ra +(8-18)v/100mA H×nh 2.1. S¬ ®å khèi bé K§CT t¹p thÊp øng dông ë m¸y thu ra®a Π37 S¬ ®å h×nh 2.1 gåm hai khèi: Khèi h¹n chÕ c«ng suÊt siªu cao tÇn cã nhiÖm vô b¶o vÖ khèi khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p ©m thÊp kh«ng bÞ háng bëi møc c«ng suÊt lín cña tÝn hiÖu cao tÇn ë ®Çu vµo. Nã thùc hiÖn h¹n chÕ c«ng suÊt tÝn hiÖu cao tÇn tõ møc 2W trung b×nh ë ®Çu vµo xuèng møc (3- 5)mW trung b×nh, cã nghÜa lµ ®¶m b¶o ®é h¹n chÕ trong d¶i tõ 28dB ®Õn 23dB. [møc (3- 5)mW trung b×nh lµ møc giíi h¹n chÞu ®ùng ®−îc (kh«ng háng) cña b¸n dÉn tr−êng tÇng ®Çu tiªn cña bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p thÊp]. Khèi khuÕch ®¹i siªu cao tÇn t¹p ©m thÊp ®¶m b¶o nhiÖm vô khuÕch ®¹i tÝn hiÖu siªu cao tÇn yÕu ë ®Çu vµo víi hÖ sè khuÕch ®¹i (28-32)dB vµ hÖ sè t¹p ≤ 3dB. 2.3. ChØ tiªu kü thuËt cña bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p ©m thÊp. ChØ tiªu kü thuËt bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p ©m thÊp øng dông cho tuyÕn thu ra®a Π37 ®−îc Dù ¸n x©y dùng thÓ hiÖn trong b¶ng 2.1. B¶ng 2.1. tt Tªn chØ tiªu ®vt Gi¸ trÞ Ghi chó 1 D¶i tÇn lµm viÖc GHz 2,7-3,1 Nh− ®Ìn YB394 2 HÖ sè khuÕch ®¹i trong d¶i tÇn lµm viÖc dB 28-32 Nh− ®Ìn YB394 19
3 HÖ sè t¹p trong d¶i tÇn lµm viÖc dB ≤ 3 Nh− ®Ìn YB394 4 Møc c«ng suÊt trung b×nh max ®Çu vµo W 2,0 §Ìn YB394 lµ 1,0 5 Møc c«ng suÊt xung max ®Çu vµo Kw 2,3 §Ìn YB394 lµ 1,3 6 Møc h¹n chÕ c«ng suÊt tÝn hiÖu cao tÇn dB 28 §Ìn YB394 lµ 20 7 Tæn hao th«ng qua cña bé h¹n chÕ dB ≤ 2,0 §Ìn YB394 lµ 1,6 8 §iÖn ¸p nguån nu«i V +(8-18) §Ìn YB394 lµ +5 9 Dßng tiªu thô mA ≤ 100 Nh− ®Ìn YB394 10 Lo¹i ®Çu gi¾c vµo - ra §Çu N YB394 lµ ®Çu SMA 11 VËt liÖu lµm vá hép Nh«m YB394: ThÐp (t«n) 12 D¹ng hép Khèi hép ch÷ nhËt 13 KÝch th−íc hép (Dµi x Réng x Cao)mm 150 x 113 x 36 14 Träng l−îng Kg 0,9 §Ìn YB394 lµ 0,4 15 Thêi gian th¸o, l¾p trªn ®µi ra®a Phót 3 Nh− ®Ìn YB394 16 Sè giê lµm viÖc kh«ng háng Giê 1.000 YB394 lµ 10.000 (theo lý lÞch) 17 Kh¶ n¨ng söa ch÷a phôc håi khi háng Cã kh¶ YB394 kh«ng cã hãc. n¨ng kh¶ n¨ng söa ch÷a. 18 D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc 0C Tõ -20 YB394 ®Õn +70 -60 ®Õn +70 2.4. KÕt luËn phÇn hai. Khi tÝnh to¸n thiÕt kÕ bé K§CT t¹p ©m thÊp th× viÖc quan träng ®Çu tiªn lµ ph¶i x¸c ®Þnh râ c¸c yªu cÇu vÒ kü thuËt, sö dông vµ cÊu tróc cña nã. V× ®©y ®−îc coi nh− lµ kh©u x©y dùng ®Çu bµi cho bµi to¸n thiÕt kÕ, ®Æt ®Çu bµi cµng râ rµng th× thiÕt kÕ cµng chÝnh x¸c vµ s¶n phÈm t¹o ra sÏ ®¸p øng cµng tèt c¸c yªu cÇu lµm viÖc thùc tÕ. Cã bé chØ tiªu kü thuËt, khi thiÕt kÕ ng−êi thiÕt kÕ cã thÓ linh ho¹t trong viÖc lùa chän gi¶i ph¸p kü thuËt, gi¶i ph¸p c«ng nghÖ còng nh− ph−¬ng ¸n vËt t− linh kiÖn ®¶m b¶o cho s¶n phÈm. ViÖc x¸c ®Þnh c¸c yªu cÇu vÒ kü thuËt, sö dông vµ cÊu tróc cña bé K§CT t¹p thÊp ph¶i ®−îc dùa trªn c¸c c¬ së: Yªu cÇu kü chiÕn thuËt cña m¸y thu ra®a sö dông bé K§CT t¹p thÊp ®−îc thiÕt kÕ; T×nh tr¹ng kü thuËt thùc t¹i cña ®µi ra®a sÏ sö dông bé K§CT ®−îc thiÕt kÕ; Tr×nh ®é kü thuËt vµ n¨ng lùc c«ng nghÖ hiÖn t¹i. 20
PHẦN BA CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI CAO TẦN TẠP ÂM THẤP 3.1. §−êng truyÒn siªu cao tÇn. Đường truyền siêu cao tần là một bộ phận quan trọng trong tuyến siêu cao tần, hiện có rất nhiều các loại đường truyền khác nhau ở các dải sóng khác nhau. Trong các mạch siêu cao tần, bước sóng của tín hiệu có thể bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của các bộ phận và đường truyền giữa chúng, có nghĩa là có thể diễn ra những thay đổi quan trọng về pha tín hiệu dọc theo đường truyền và có sự biến đổi trở kháng danh định của một thiết bị hoặc một thành phần mà tín hiệu đi qua. Những biến đổi trở kháng này gây ra các sóng phản xạ trên đường truyền, vì vậy điều quan trọng là phải mô tả chính xác các tính chất của đường truyền ở tần số cao, điều này dẫn đến sự phát triển của một lĩnh vực lý thuyết mạch về các đường truyền tức là đường nối giữa các bộ phận của mạch có chiều dài đáng kể so với bước sóng. Việc lựa chọn một đường truyền nào đó để sử dụng chủ yếu dựa vào khả năng ứng dụng hay sự sẵn có của công nghệ và mỗi loại cụ thể với các ưu nhược điểm riêng. Trong phạm vi của Dự án, chỉ tập trung nghiên cứu cấu trúc cũng như các tham số cơ bản của đường truyền vi dải. 3.1.1. Khái niệm cơ bản về đường truyền. Đường truyền là các thiết bị hay hệ để giới hạn đường truyền lan các dao động điện từ hay các dòng năng lượng điện từ theo hướng đã cho, đường truyền dùng để truyền dẫn năng lượng siêu cao tần gọi là đường truyền siêu cao tần. Trong kỹ thuật siêu cao tần đường truyền đồng nhất được sử dụng là chủ yếu, đó là loại đường truyền mà dọc theo hướng truyền sóng tiết diện ngang không thay đổi và môi trường chứa trong nó là đồng nhất. Đường truyền đồng nhất có các loại: đường truyền hở và đường truyền kín. Trong đường truyền hở tại tiết diện ngang không có vòng kim loại bao bọc vùng truyền năng lượng siêu cao tần, đường truyền hở có nhiều dạng khác nhau như: đường dây đôi, mạch dải, đường truyền sóng mặt Đối với đường truyền kín thì trong nó phải có ít nhất một mặt vật dẫn (kim loại) để bao bọc hoàn toàn vùng truyền năng lượng siêu cao tần. Đường truyền kín 21
là các loại ống kim loại rỗng có tiết diện khác nhau bên trong có thể nhét đầy các chất điện môi đồng nhất khác nhau hoặc không khí hay chân không, chúng được gọi là ống dẫn sóng. Có nhiều loại ống sóng như: ống dẫn sóng đồng trục, ống dẫn sóng chữ nhật, ống dẫn sóng trụ tròn Khi chọn kiểu đường truyền cần kể đến các yêu cầu: Tổn hao nhỏ; Điều chỉnh đơn giản; Thể tích, trọng lượng nhỏ; Các tham số ổn định; Sản xuất loạt. Ở dải sóng mét, người ta ứng dụng đường dây đôi (song hành) và cáp đồng trục hay ống dẫn sóng đồng trục để truyền dẫn năng lượng siêu cao. Đường dây đôi có cấu trúc đơn giản và cho kích thước ngang khá gọn, dễ điều chỉnh phối hợp. Nhưng ở dải sóng dm, ống dẫn sóng hay cáp đồng trục được dùng phổ biến để truyền dẫn năng lượng siêu cao. Đường dây đôi không được sử dụng trong dải sóng này vì tổn hao do bức xạ và hiệu ứng bề mặt. Trong dải sóng cm đường truyền siêu cao phổ biến là các ống sóng chữ nhật và trụ tròn vì nó cho tiêu hao nhỏ, kích thước phù hợp, ống dẫn sóng đồng trục hay cáp đồng trục ít được dùng vì tổn hao do hiệu ứng bề mặt ở lõi trong và tổn hao trong điện môi rất lớn, nó chỉ đúng với khoảng cách ngắn và công suất nhỏ. Trong dải sóng milimét, đường truyền siêu cao phổ biến là mạch dải. 3.1.2. Mô hình vật lý và các tham số sơ cấp. Xét một đường truyền sóng chiều dài l, đặt tương ứng với trục toạ độ x từ toạ độ x = 0 đến toạ độ x = l. Đầu vào đường truyền có nguồn tín hiệu ES và điện trở trong ZS, đầu cuối của đường truyền được kết thúc bởi tải ZL. Sóng tín hiệu từ nguồn ES lan truyền theo hướng Ox đến tải ZL Đường truyền sóng ZS ZL E S O x x + ∆x l Trục toạ độ x Hình 3.1: Mô hình vật lý của đường truyền Giả sử chiều dài l lớn hơn nhiều lần so với bước sóng λ nên hệ thống có thông số phân bố. Xét tại một điểm trên đường truyền có toạ độ x bất kỳ. Trên đoạn 22
vi phân chiều dài [x, x + ∆x] cũng có hiện tượng lan truyền sóng tuy nhiên do ∆x << λ nên ta có thể thay thế đoạn đường truyền ∆x có thông số phân bố bằng một đoạn mạch điện tương đương có tham số tập trung như hình vẽ dưới đây: i(x,t) i(x + ∆x,t) R.∆x L.∆x v(x,t) C.∆x G.∆x v(x + ∆x ,t) Điểm toạ độ x Điểm toạ độ x + ∆x Hình 3.2: Mạch điện thay thế cho đoạn đường truyền có độ dài ∆x Các tham số tuyến tính của đường truyền gồm: Điện cảm tuyến tính L đơn vị [H/m] đặc trưng cho điện cảm tương đương của một đơn vị chiều dài đường truyền; Điện dung tuyến tính C, đơn vị [F/m], đặc trưng cho điện dung của lớp điện môi phân cách hai dây dẫn kim loại của một đơn vị chiều dài của đường truyền; Điện trở tuyến tính R, đơn vị [Ohm/m], đặc trưng cho điện trở thuần của dây dẫn cấu tạo nên một đơn vị chiều dài đường truyền. Điện trở tuyến tính R liên quan đến tổn hao kim loại (do dây dẫn không phải là điện dẫn lý tưởng), là hằng số hoặc biến thiên theo tần số của tín hiệu lan truyền; Điện dẫn tuyến tính G đơn vị [S/m], đặc trưng cho điện dẫn thuần của lớp điện môi phân cách trong một đơn vị chiều dài đường truyền. Điện dẫn tuyến tính G liên quan đến tổn hao điện môi (do điện môi không cách điện lý tưởng). Trong sơ đồ mạch điện tương đương trên, một cách tổng quát, đều hiện diện cả hai loại tổn hao: R mắc nối tiếp L tạo thành trở kháng nối tiếp: Z = R + jωL (3.1) Và G mắc song song với C tạo thành dẫn nạp song song Y = G + jωC (3.2) Chúng ta gọi L, C, G, R là các thông số sơ cấp của đường truyền. 3.1.3. Phương trình truyền sóng. Các đại lượng vật lý của tín hiệu trong mạch tương đương là điện thế v(x,t), v(x + ∆x,t) và dòng điện i(x,t), i(x + ∆x,t) tại toạ độ x và x + ∆x của đường truyền và tại thời điểm khảo sát t. 23
Theo định luật Kirchoff về điện áp chúng ta có: ∂i(x,t) v(x,t) = v(x + ∆x,t) + R * ∆x *i(x,t) + L * ∆x * (3.3) ∂t Theo định luật Kirchoff về dòng điện chúng ta có: ∂v(x + ∆x, t) i(x, t) = i(x + ∆x, t) + G * ∆x * v(x + ∆x, t) + C * ∆x * (3.4) ∂t Viết lại hệ phương trình trên trong miền tần số: V(x,ω) = V(x + ∆x,ω) + (R + jωL)*∆x*I(x,ω) (3.5) I(x,ω) = I(x + ∆x,ω) + (G + jωL)*∆x*V(x + ∆x,ω) (3.6) Chuyển vế hai phương trình trên và chia cho ∆x chúng ta nhận được V (x + ∆x,ω) −V (x,ω) = −(R + jωL)* I(x,ω) (3.7) ∆x I(x + ∆x,ω) − I(x,ω) = −(G + jωC)*V (x + ∆x,ω) (3.8) ∆x Biến đổi 2 phương trình trên chúng ta nhận được ∂V (x,ω) = −(R + jωL)* I(x,ω) (3.9) ∂x ∂I(x,ω) = −(G + jωC)*V (x,ω) (3.10) ∂x Đây là hệ hai phương trình vi phân tuyến tính của hai đại lượng điện áp V(x,ω) và dòng điện I(x,ω) tại toạ độ bất kỳ x trên đường truyền sóng và tại tần số bất kỳ của tín hiệu. Biến đổi hệ hai phương trình bằng cách tính đạo hàm riêng bậc hai của mỗi nghiệm theo x: ∂ 2V (x,ω) = (R + jωL)*(G + jωC)*V (x,ω) (3.11) ∂x 2 ∂ 2 I(x,ω) = (G + jωC)*(R + jωL)* I(x,ω) (3.12) ∂x 2 Đặt γ (ω) = (R + jωL)*(G + jωC) được gọi là hệ số truyền sóng là một hằng số với toạ độ x, ta có: ∂ 2V (x,ω) = γ 2 (ω) *V (x,ω) (3.13) ∂x 2 24
∂ 2 I (x,ω ) = γ 2 (ω ) * I (x,ω ) (3.14) ∂x 2 Giải hệ 2 phương trình trên chúng ta nhận được nghiệm như sau: −γ (ω ),x γ (ω )x V ()x,ω = V+ .e +V−e (3.15) −γ (ω )x γ (ω )x I()x,ω = I + e + I − e (3.16) Trong đó V+, V-, I+, I-: Là các hằng số tuỳ định được xác định bởi điều kiện về điện áp và dòng điện tại điểm nguồn (x = 0) và tại điểm tải (x = l) của đường truyền sóng, tức là điều kiện bờ của bài toán 3.1.4. Sự phản xạ sóng trên đường truyền siêu cao tần, hệ số phản xạ. Điện áp và dòng điện tại điểm bất kỳ x trên đường dây luôn luôn có thể được xem là tổng của một sóng tới và một sóng phản xạ. Sóng tới xuất phát từ nguồn tín hiệu đặt ở đầu vào đường dây đi về phía tải, sóng phản xạ đi từ tải về phía nguồn là sóng phát sinh ra do hiện tượng phản xạ của sóng tới trên tải ở đầu cuối đường dây. Sóng phản xạ lan truyền với cùng vận tốc như sóng tới (nhưng ngược chiều), có biên độ và pha phụ thuộc không những vào biên độ và pha của sóng tới mà còn phụ thuộc vào mối tương quan của trở kháng tải ZL ở cuối đường dây với trở kháng đặc tính Z0 của đường dây. Theo công thức 3.15 điện áp tại điểm toạ độ x bất kỳ được viết như sau: −γ ()ω ,x γ (ω )x V ()x,ω = V+ .e +V− e −γ ()ω Trong đó: V+e ;V−γ (ω) tượng trưng cho sóng tới và phản xạ tại x. Hệ số phản xạ về điện áp Γv (x) tại điểm x là tỉ số giữa sóng điện áp phản xạ và sóng điện áp tới tại điểm x đó: γ ()ω .x V−e V− 2γ ()ω .x Γv ()x = −γ ()ω .x = e (3.17) V+ e V+ Các trị số V+ và V- là các hằng số phụ thuộc vào điều kiện nguồn và tải. Hệ 2γx số phản xạ điện áp Γv ()x sẽ biến thiên theo toạ độ x bởi hệ số e . Tại tải (x = l), hệ số phản xạ điện áp là: V− 2γ ()ω .l Γv ()l = e (3.18) V+ Tại điểm toạ độ x bất kỳ, nếu đặt: d = l – x là khoảng cách từ điểm x đang 25
khảo sát đến tải, ta có thể viết hệ số phản xạ điện áp: V− 2γ ()ω .x V− 2γ ()(ω . l−d ) V− 2γ ()ω .l −2γ ()ω .d Γv ()x = e = e = e .e (3.19) V+ V+ V+ So sánh (3.18) với (3.19), ta có: −2γ (ω )d Γv ()x = Γv ()l .e (3.20) Vậy, hệ số phản xạ điện áp Γv (x) tại điểm toạ độ x bất kỳ sẽ phụ thuộc vào hệ số phản xạ điện áp tại tải Γv (l) và khoảng cách d từ điểm đang khảo sát x đến tải. Dựa trên đặc tính này, ta có thể suy ra Γv (x) tại điểm nào bất kỳ trên đường dây nếu đã biết trước Γv (l) tại tải. Trong biểu thức (3.19) một cách tổng quát Γv (l) là một số phức, hệ số truyền sóng γ cũng là số phức ()γ = α + jβ , do đó Γv (x) cũng là số phức. Các hệ số phản xạ điện áp Γ có thể được biểu diễn bởi các điểm trong mặt phẳng Γ . Chúng ta có một số phức có thể được biểu diễn như sau: γ = α + jβ (3.21) Nên (3.20) được viết lại như sau: −2αd − j2βd Γv ()x = Γv ()l .e .e (3.22) Trong đó: Hệ số e −2αd là số thực phụ thuộc vào hệ số suy hao α và càng giảm khi d càng lớn (càng đi xa khỏi tải về phía nguồn). Hệ số e− j2βd là số phức có module luôn bằng đơn vị và góc pha − 2βd tỉ lệ với hệ số pha β và càng giảm khi d càng lớn. Từ các nhận xét trên về biểu thức (3.22) ta có thể rút ra: Khi di chuyển trên đường truyền sóng từ tải về phía nguồn một khoảng cách d, hệ số phản xạ điện áp Γv sẽ di chuyển trên một quỹ tích hình xoáy trôn ốc trong mặt phẳng phức Γ . Quỹ tích xuất phát từ điểm có hệ số phản xạ điện áp tải Γv (l) và xoay theo chiều kim đồng hồ (đi về phía nguồn) một góc 2βd với suy giảm module của vector Γv bởi hệ số e −2αd . Đặc biệt, nếu đường truyền sóng không tổn hao (α = 0 ) thì từ (3.22), ta có: −2 jβd Γv ()x = Γv ()l .e (3.23) Quỹ tích của Γv lúc này là một vòng tròn tâm gốc toạ độ và đi qua điểm Γv ()l . Hệ số phản xạ điện áp Γv (x) tại điểm x bất kỳ chỉ là sự xoay pha của hệ số 26
phản xạ điện áp tại tải Γv ()l . Do đó: Γv ()x = Γv ()l (3.24) Theo (3.22) góc xoay pha khi di chuyển khoảng cách d là 2βd . Ta có thể biểu diễn góc xoay pha như sau: 2π d 2βd = 2 d = 2π. (3.25) λ λ 2 Nói cách khác, góc pha của hệ số phản xạ điện áp Γv sẽ xoay một lượng 2π (xoay một vòng tròn quanh gốc toạ độ trong mặt phẳng phức Γv ) khi di chuyển khoảng cách d bằng một nửa lần bước sóng λ của tín hiệu. Với khoảng cách d bất kỳ, góc pha sẽ xoay quanh gốc toạ độ một lượng tỷ lệ với d theo (3.25). Ta còn nhận thấy, chiều xoay của góc pha là cùng chiều kim đồng hồ khi ta di chuyển về phía nguồn hoặc chiều xoay là ngược chiều kim đồng hồ khi di chuyển về phía tải trên đường truyền sóng. Các nhận xét trên về quỹ tích của điểm phức Γv trong mặt phẳng hệ số phản xạ điện áp sẽ được áp dụng để xây dựng đồ thị Smith. Tương tự hệ số phản xạ điện áp Γv , ta cũng có thể định nghĩa hệ số phản xạ dòng điện Γi trên đường truyền sóng. Theo 3.16 dòng điện tại điểm x bất kỳ cũng được coi là tổng của sóng dòng điện tới và sóng dòng điện phản xạ: −γ (ω )x γ (ω )x I i (x,ω) = I + e + I −e Do tính chất vật lý của đường truyền sóng, các quan hệ điện áp sóng tới V+ với dòng điện sóng tới I+ và quan hệ giữa sóng điện áp phản xạ V- và sóng dòng điện phản xạ I-, chiều của dòng phản xạ ngược dòng tới, nên I- có dấu âm: V+ V− I + = và I − = - (3.26) Z 0 Z 0 Trong đó Z0 là một hằng số phức phụ thuộc và cấu trúc vật lý của đường truyền sóng, được gọi là trở kháng đặc tính của đường truyền sóng, đơn vị [Ω] Hệ số phản xạ dòng điện Γi (x) tại điểm x được định nghĩa: γ (ω )x I −e I − 2γ ()ω x Γi ()x = −γ ()ω x = e (3.27) I +e I + 27
Là tỉ số giữa dòng điện phản xạ và sóng dòng điện tới tại điểm x đó. V − − Z 0 2γ ()ω x V− 2γ ()ω x Γi ()x = e = − e (3.28) V+ V+ Z 0 So sánh (3.28) với (3.17), ta rút ra: Γi ()x = −Γv ()x (3.29) Vậy, hệ số phản xạ về dòng điện là đối của hệ số phản xạ về điện áp do chiều của dòng điện sóng tới và sóng phản xạ là ngược chiều nhau theo qui ước. Trong thực tế, hệ số phản xạ điện áp Γv thường được sử dụng như hệ số phản xạ Γ của đường dây; do đó ta nói đến hệ số phản xạ là ngầm hiểu rằng đó là hệ số phản xạ theo điện áp: Γ(x) ≡ Γv (x) (3.30) Để minh hoạ về các hệ số Γv , Γi , xét hai đường truyền sóng 1 và 2 phân cách nhau bởi mối nối ở mặt phản xạ hình 3.3. Giả sử sóng tới điện áp và dòng điện đều có biên độ là 1. Tại mặt phản xạ, một đại lượng điện áp biên độ Γv và một đại lượng dòng điện biên độ Γi =- Γv được phản xạ về phía nguồn. Do đó, một sóng điện áp biên độ 1+ Γv và một sóng dòng điện biên độ 1+ Γi =1- Γv sẽ được tiếp tục truyền về phía tải trên đường truyền sóng 2. Mặt phản xạ Đường truyền sóng 1 Đường truyền sóng 2 Công suất sóng tới 1 Sóng tới điện áp 1 Sóng truyền điện áp 1+ Γ V Tải Nguồn Sóng phản xạ ΓV Công suất sóng truyền 2 Sóng tới dòng điện 1 1 − ΓV Công suất sóng phản xạ 2 Sóng truyền dòng điện1+ ΓI = 1- ΓV − Γ Sóng phản xạ ΓI V Hình 3.3: Hiện tượng phản xạ tại mặt phản xạ Như vậy, nếu tính theo công suất tín hiệu, ta có công suất sóng tới là 1, công 28
2 suất sóng phản xạ trên mặt phản xạ là Γv .Γi = −Γv (Dấu - biểu thị công suất sóng phản xạ đi ngược chiều truyền sóng), và công suất sóng truyền về phía tải trên đường truyền sóng 2 là: 2 ()()1+ Γv . 1+ Γi = (1+ Γv )(1− Γv ) = 1− Γv (3.31) 2 Như vậy, một phần sóng công suất Γv sẽ bị phản xạ ngược về trên mặt 2 phẳng phản xạ và một phần sóng công suất 1− Γv sẽ được truyền đi tiếp tục. Định luật bảo toàn công suất được áp dụng đúng trong trường hợp này. Xét một đường dây truyền sóng có trở kháng đặc tính Z0, hệ số truyền sóng γ, chiều dài l; đầu cuối được kết thúc bởi tải ZL (hình 3.4). Đặc biệt, tại tải ZL (x = l), ta có: Dòng điện I(l) Đường truyền sóng 1 Tải ZL Điện áp V(l) Hệ số phản xạ ΓL Trở kháng đặc tính Z0 0 l x Hình 3.4 −γl γl V ()l = V+ e +V−e (3.32) V V I()l = + e −γl − − eγl (3.33) Z 0 Z 0 Mặt khác, từ hình 3.4, ta thấy điện áp trên tải V(l) và dòng điện qua tải I(l) quan hệ với nhau theo định luật Ohm. V ()l Z = (3.34) L I()l Từ (3.32), (3.33) và (3.34), ta có thể viết: −γl γl V+ e +V−e Z L = Z 0 −γl γl (3.35) V+ e −V−e Theo định nghĩa của hệ số phản xạ điện áp ở (3.17), ta suy ra: 1+ Γ()l Z = Z (3.36) L 0 1− Γ()l 29
Người ta thường sử dụng trở kháng chuẩn hóa được định nghĩa là: Z 1 + Γ l L ( ) (3.37) z L = = Z 0 1 − Γ()l Z − Z Hoặc: Γ()l = L 0 (3.38) Z L + Z 0 Công thức (3.36) và (3.37) xác định mối quan hệ giữa hệ số phản xạ trên tải Γ()l và trở kháng của tải ZL. Đây là mối quan hệ 1-1, có nghĩa là một giá trị của ZL tương ứng và chỉ tương ứng với một giá trị duy nhất của Γ(l) (quan hệ tương đương). Ta sẽ sử dụng tính chất này để định nghĩa đồ thị Smith. Một cách tổng quát, ZL và Z0 đều là giá trị phức, do đó, Γ(l) cũng là số phức: Γ(l) = Γ(l).arg Γ(l) (3.39) Trong đó: Γ()l tượng trưng tỉ số giữa biên độ sóng điện áp phản xạ và biên độ sóng điện áp tới; arg Γ()l tượng trưng cho góc lệnh pha giữa sóng phản xạ và sóng tới. Nếu Γ = 0 thì không có sóng phản xạ. Để Γ = 0 thì theo phương trình (3.38) ta có ZL = Z0 tức là trở kháng tải phải bằng trở kháng đặc trưng của đường truyền, gọi trường hợp này là phối hợp trở kháng. Khi không phối hợp thì không phải toàn bộ công suất của nguồn sẽ rơi trên tải mà sẽ có tổn hao người ta định nghĩa tổn hao là (RL) RL = -20*logΓ (đơn vị là: dB) (3.40) Như vậy, nếu phối hợp Γ = 0 thì tổn hao ngược bằng vô cùng (không có phản xạ). Nếu phản xạ Γ = 1 (phản xạ hoàn toàn) thì tổn hao ngược RL = 0. Khi có hiện tượng phản xạ trên đường truyền thì điện áp của tín hiệu trên đường truyền sẽ xuất hiện các điểm cực tiểu và cực đại của điện áp (các điểm ứng với nút sóng và bụng sóng). Biết rằng, điện áp và dòng điện trên đường truyền bao gồm tổng sóng tới và sóng phản xạ tạo thành sóng đứng, hệ số sóng đứng được định nghĩa: V VSWR = max (3.41) Vmin Theo hiện tượng giao thoa thì điện áp trên đường dây đạt cực đại khi mà điện áp của sóng tới và điện áp của sóng phản xạ đồng pha nhau, theo các công thức tính 3.15 và 3.17 ta có: 30
-γl Vmax = V+e (1+ |Γ(l)|) (3.42) Điện áp trên đường dây đạt cực tiểu khi điện áp của sóng tới và điện áp của sóng phản xạ ngược pha nhau theo 2.15 và 2.17 chúng ta có: -γl Vmin = V+e (1- |Γ(l)|) (3.43) Từ 3.41, 3.42 và 3.43 chúng ta có biểu thức tính hệ số sóng đứng như sau: 1+ Γ(l) VSWR = (3.44) 1− Γ(l) Từ 3.44 cho thấy hệ số sóng đứng có giá trị 1 ≤ VSWR ≤ ∞. 3.1.5. Đường truyền vi dải. Khi cÇn truyÒn n¨ng luîng cao tÇn cã møc c«ng suÊt kh«ng lín th× ®ường truyền vi dải (microstrip) là vật liệu thông dụng nhất để tạo ra một đường truyền sóng do dễ sản xuất, khối lượng nhẹ (lợi thế so với ống dẫn sóng) dễ tương thích với các qui trình công nghệ của mạch tích hợp. Phạm vi trở kháng đặc trưng hợp lý, tổn hao thấp, dải thông tương đối rộng. 3.1.5.1. Cấu trúc hình học của đường truyền vi dải. t w h εr Hình 3.5: Đường truyền vi dải hở. Hình 3.5 minh hoạ một đường truyền vi dải hở với ba thành phần chính của cấu trúc dải, chất dẫn trên nền điện môi và mặt phẳng kim loại tiếp đất, Hình 3.5 cũng chỉ ra bốn tham số chính được sử dụng trong thiết kế đường truyền vi dải h, w, t và εr. Hình 3.6 và hinh 3.7 minh họa mặt cắt của hai cấu trúc liên quan, hình 3.6 là đường truyền vi dải được bọc ngoài khi mặt phẳng tiếp đất ở độ cao h1 ở phía trên đường truyền vi dải tuy nhiên các cạnh bên vẫn hở, hình 3.7 minh họa đường truyền vi dải trong hộp với dây dẫn hoàn toàn được bọc kín trong một lớp ngoài bằng kim 31
loại tiếp đất. Mặt phẳng nối đất trên cùng Bọc xung quanh h h1 Hình 3.6 Hình 3.7 Đườ ng truyền vi dải được bọc ngoài. Đường truyền vi dải trong hộp. Trong thực tế, hầu hết đường truyền vi dải được bọc trong một số dạng hộp kim loại, do đó cấu trúc cuối cùng là cấu trúc thực tế nhất, tuy nhiên hầu hết các phương trình thiết kế lại dựa trên cấu trúc hở hoặc được bọc ngoài, điều này có thể gây ra sự không thống nhất giữa các kết quả lý thuyết và đo lường. Sau đây sẽ nghiên cứu một số các tham số cơ bản của đường truyền vi dải dạng không đối xứng, một dạng đang được sử dụng rất nhiều trong thực tế hiện nay. 3.1.5.2. Những tham số cơ bản của đường truyền vi dải. - Dải tần công tác của đường truyền dải không đối xứng nằm trong giới hạn 100MHz - 50.000 MHz - Điện trở sóng của đường truyền tải không đối xứng 377h ZS = (3.45) ⎡ −0.0836⎤ ⎢ −0.0724⎛ w⎞ ⎥ ε w⎢1+1.735ε ⎜ ⎟ ⎥ ⎣⎢ ⎝ h ⎠ ⎦⎥ - Sự hạn chế các kích thước hình học của đường truyền: chiều rộng đáy a được xác định bởi bất đẳng thức: a ≥ 3w (3.46) Nên giảm nhỏ chiều dày lớp nền h để đảm bảo tổn hao do bức xạ nhỏ. Nhưng để đảm bảo giá trị điện trở sóng là không đổi thì việc giảm h cần kèm theo giảm chiều rộng giải w và do đó dẫn đến tăng tổn hao trong dây dẫn. Hiện nay người ta đã sản xuất hàng loạt các lớp nền tiêu chuẩn cho lớp nền của đường truyền vi dải: h = 0.25; 0.5; 0.75; 1.0; 1.5; 2.0; 4.0; 6.0 (3.47) 32
Để khử bỏ các sóng bậc cao trong đường truyền cần giảm nhỏ chiều rộng w của dải dẫn điện, mặt khác việc giảm chiều rộng dải lại dẫn đến việc tăng tổn hao trong dây dẫn. 3.1.5.3. Các tổn hao trong đường truyền vi dải. Có bốn yếu tố chính gây tổn hao năng lượng trong các cấu trúc đường truyền vi dải: Tổn hao chất dẫn; Tổn hao điện môi; Tổn hao bức xạ; Sự truyền sóng bề mặt Hai yếu tố đầu là hiệu ứng tiêu tán bởi vì chúng liên quan đến các đường truyền vi dải đồng dạng, hai yếu tố sau là ký sinh bởi vì chúng chỉ xuất hiện ở các điểm gián đoạn của đường truyền vi dải (chỗ uốn cong, các bước theo chiều rộng ). 3.1.5.4. Các đặc tính và các yêu cầu đối với vật liệu làm mạch dải. Vật liệu điện môi dùng làm nền mạch dải cần có các tính chất sau: Hằng số điện môi cao; Góc tổn hao điện môi nhỏ; Hằng số điện môi không thay đổi ở một dải tần rộng; Giá trị điện trở riêng lớn; Độ bền điện đủ tốt; Độ dẫn điện lớn. Các vật liệu làm dây dẫn trong các đường truyền mạch dải và vi mạch dải cần được đánh giá bằng các chỉ tiêu chất lượng cơ bản sau: Độ dẫn điện cao; Hoà tan tốt khi tẩy bằng hóa chất và dễ gắn kết với các kim loại khác; Dễ phân tán và mạ điện trên lớp nền. 3.2. Ma trËn t¸n x¹. Khi các tham số ABCD và tham số Y được dùng để phân tích mạng siêu cao tần thì có những vấn đề phát sinh trong quá trình đo đạc những tham số này với tần số siêu cao, quá trình này bao gồm: Việc tạo mạch hở và ngắn mạch đầu cuối của hệ thống mạng, cùng với việc đo điện áp và dòng điện. Ta thấy rằng rất khó có thể đạt được mạng hở và ngắn mạch với chất lượng cao ở tần số trên 1GHz và việc đóng mở thiết bị thực hiện theo cách này có thể làm hỏng thiết bị do sự phản xạ tác động lên thiết bị. Một vấn đề khác nảy sinh trong quá trình đo điện áp và dòng điện ở tần số cao thông thường chỉ cho những đại lượng có thể đo được như là hệ số sóng đứng (VSWR), hệ số phản xạ, công suất Tham số dễ đo nhất là công suất tới và công suất phản xạ, điều kiện thử lý tưởng là khi mạng hai cổng được phối hợp tải. Những tham số dựa trên những điều kiện này là tham số tán xạ hay còn gọi là tham số S. Sau đây sẽ tìm hiểu một cách cụ thể các tham số tán xạ, cũng như ý nghĩa vật lý của chúng. 33
3.2.1. Lý thuyết mạng hai cổng. Một mạng bất kỳ có thể có một số cổng nào đó (hai hoặc lớn hơn). Các tham số của mạng có thể được giải thích rất rõ bằng các điều kiện của một mạng mà chỉ với 2 cổng (đầu vào và đầu ra). Để đặc trưng cho khả năng của một mạng, một vài bộ tham số bất kỳ có thể được sử dụng, mỗi một bộ tham số cho chúng ta một số thuận lợi nhất định trong phân tích và thiết kế mạch điện tử. Mỗi một bộ tham số liên hệ với một bộ 4 biến gắn với một chế độ của mạng 2 cổng. Hai trong bốn biến này miêu tả sự kích thích của mạng (các biến độc lập) và 2 biến còn lại biểu diễn sự phản ứng của mạng theo sự kích thích (các biến phụ thuộc). Ví dụ, một mạng hai cổng dưới đây được kích thích bởi điện áp nguồn V1 và V2: I1 I2 Mạng V1 hai cổng V2 Hình 3.8 Thì các dòng điện I1 và I2 sẽ liên hệ với nhau theo các biểu thức sau: I1 = Y11V1 + Y12V2 (3.48) I2 = Y21V1 + Y22V2 (3.49) Trong trường hợp này với các điện áp của cổng được lựa chọn giống như các biến độc lập và các dòng điện là các biến phụ thuộc thì mối liên hệ giữa các tham số được gọi là các tham số điện dẫn ngắn mạch hay còn gọi là tham số Y. Mỗi phép đo được thực hiện với một cổng được kích thích bởi điện áp nguồn khi cổng khác là được ngắn mạch. Tất cả các bộ tham số đều mang thông tin về một mạng và mỗi một bộ tham số luôn luôn có thể được tính toán với bất kỳ một bộ tham số nào khác. 3.2.2. Tham số tán xạ. Tham số tán xạ hay còn gọi chung là tham số S là một bộ tham số liên hệ với các sóng lan truyền trong một mạng có n cổng. Chúng ta biết rằng phần lớn các phép đo đạc với các tham số khác được thực hiện trên đầu vào và đầu ra của linh kiện là phải ngắn mạch và hở mạch. Điều này rất khó thực hiện đặc biệt là ở tần số cao nơi mà cuộn cảm và tụ điện làm cho việc ngắn mạch và hở mạch rất khó đạt được. Tại tần số cao, việc đo các tham số loại này yêu cầu phải tinh chỉnh, riêng việc chỉnh tại mỗi một tần số đo để phản ánh các điệu kiện ngắn mạch và hở mạch 34
lên các cực của linh kiện không chỉ bất tiện và làm mệt mỏi. Việc mắc sơn tại đầu vào và đầu ra có thể là nguyên nhân xuất hiện các dao động làm sai lệch phép đo. Các tham số S thường được đo đạc với linh kiện được nối vào nguồn và tải có trở kháng là 50Ω và điều này là rất ít cơ hội cho các dao động có thể xảy ra. Một thuận lợi quan trọng của tham số S xuất phát từ thực tế các sóng truyền không như các điện áp và dòng điện trên các cực, nó không thay đổi độ lớn tại mỗi một điểm trên đường truyền không tổn hao. Điều này có nghĩa là các tham số tán xạ có thể được đo đạc trên mỗi một linh kiện xác định tại một vài khoảng cách với thiết bị đo đạc miễn là linh kiện đo và thiết bị được nối với nhau bằng một đường truyền không có tổn hao. Các tham số tán xạ biểu diễn mối quan hệ của các biến (ai, bi). Các biến ai và bi là các giá trị phức chuẩn hoá của các sóng tới và các sóng phản xạ từ cổng thứ i của mạng. Chúng được định nghĩa dưới dạng các điện áp Vi và dòng điện Ii trên các cực và trở kháng tuỳ ý Zi * V i + Z i I i V i − Z i I i ai = bi = (3.50) 2 ReZ i 2 ReZ i Phần lớn các phép đo đạc và sự tính toán của các tham số tán xạ thích hợp với các trở kháng Zi có phần thực dương. Để xác định các phương trình sóng định nghĩa các tham số S chúng ta hãy xem xét một mạng hai cổng dưới đây: ZS a1 a2 b Mạng hai cổng S ZL b1 b2 Hình 3.9: Mạng hai cổng a1, và a2 là các sóng tới. b1, b2 là các sóng phản xạ Các biến độc lập a1 và a2 là các sóng điện áp tới đã được chuẩn hoá: V 1 + I 1 Z 0 V i1 a1 = = (3.51) 2 Z 0 Z 0 V 2 + I 2 Z 0 V i2 a2 = = (3.52) 2 Z 0 Z 0 35
Các biến phụ thuộc b1, b2 là các điện áp phản xạ chuẩn hoá: V 1 − I1 Z 0 V r1 b1 = = (3.53) 2 Z 0 Z 0 V 2 − I 2 Z 0 V r 2 b2 = = (3.54) 2 Z 0 Z 0 Các phương trình tuyến tính biểu diễn một mạng 2 cổng có dạng như sau: b1 = S11a1 + S12a2 (3.55) b2 = S21a1 + S22a2 (3.56) Trong đó: b1 S11 = Hệ số phản xạ đầu vào khi đầu ra được phối hợp. a1 =0 a2 b1 S12 = Hệ số truyền ngược với đầu vào được phối hợp. a2 =0 a1 b2 S21 = Hệ số truyền thuận với đầu ra được phối hợp. a1 =0 a2 b2 S22 = Hệ số phản xạ đầu ra với đầu vào được phối hợp. a2 =0 a1 V 1 − Z 0 b1 I1 Z1 − Z 0 Chú ý rằng: S11 = = = a1 V 1 Z1 + Z 0 + Z 0 I1 1+ S11 Theo công thức 3.36 thì Z1 = Z0( ) 1− S11 V 1 Trong đó Z1 = là trở kháng đầu vào tại cổng 1. I1 Các phương trình tính toán nói trên cho thấy được các tham số tán xạ là các đại lượng khuếch đại và các hệ số phản xạ, cả hai đại lượng này rất quen thuộc với người tính toán thiết kế mạch khuếch đại cao tần. Một thuận lợi quan trọng khác của tham số tán xạ là nó cho biết mối quan hệ giữa các biến độc lập và các biến phụ thuộc với các sóng công suất khác nhau: 36
2 a1 = Công suất tới trên đầu vào của mạng. = Giá trị công suất từ một nguồn có trở kháng Z0. 2 a2 = Công suất tới trên đầu ra của mạng. = Công suất phản xạ từ tải. 2 b1 = Công suất phản xạ từ đầu vào của mạng. = Giá trị công suất từ một nguồn có trở kháng Z0 trừ đi công suất rơi trên đầu vào của mạng. 2 b2 = Công suất phản xạ từ đầu ra của mạng = Công suất sóng tới trên tải. = Công suất mong muốn rơi trên tải Z0. Bốn phương trình trên cho thấy rằng tham số S liên quan chặt chẽ đến hệ số khuếch đại và tổn hao do mất phối hợp của bộ khuếch đại, các đại lượng thường được quan tâm nhiều hơn là các phương trình điện áp tương ứng. 3.2.3. Các tính chất của tham số tán xạ. 3.2.3.1. Tính chất thuận nghịch. Nếu sự dịch chuyển từ cổng 1 tới cổng 2 giống như từ cổng 2 đến cổng 1 thì T thiết bị có tính thuận nghịch, nghĩa là S12 = S21. Trong trường hợp này S = S trong đó T thể hiện ma trận chuyển vị (điều kiện này có thể mở rộng ra mạng có thể nhiều hơn 2 cổng): ⎡S11 S 21 ⎤ [S] = ⎢ ⎥ (3.57) ⎣S12 S 22 ⎦ Nhiều thiết bị và mạng có tính nghịch đảo, trừ bộ khuếch đại, thiết bị thụ động và thiết bị có nam châm phân cực từ tính. Mạng hai cổng trong những trường hợp ngoại lệ này gọi là không có tính thuận nghịch. Điện trở, tụ điện, cuộn cảm và đường truyền đều có tính thuận nghịch. 3.2.3.2. Tính đối xứng. Nếu thiết bị hay mạng có tính đối xứng vật lý thì không có cách nào để phân biệt cổng 1 và cổng 2 vì S12 = S21 và S11 = S22 ⎡S11 S 21 ⎤ [S] = ⎢ ⎥ (3.58) ⎣S 21 S11 ⎦ 37
S = ST tất cả phần tử nằm trên đường chéo của các ma trận là bằng nhau. 3.2.3.3. Sự bảo toàn năng lượng. Trong trường hợp mạng không tổn hao xét ma trận S trong trường hợp này chúng ta có: [S*][S] = [I] (3.59) Ma trận S* là ma trận chuyển vị liên hợp của S: * * * ⎡S11 S21 ⎤ [S ] = ⎢ * * ⎥ (3.60) ⎣S12 S22 ⎦ ⎡1 0⎤ Dấu * chỉ giá trị liên hợp và [I] là ma trận đơn vị ⎢ ⎥ ⎣0 1⎦ Tính chất 3.59 của ma trận S có thể được chứng minh như sau: Tổng công suất: 2 2 2 2 * * ⎡a1 ⎤ * * ⎡b1 ⎤ P = P1 + P2 = a1 + a2 − (b1 + b2 )= [][]a1 a2 ⎢ ⎥ − b1 b2 ⎢ ⎥ ⎣a2 ⎦ ⎣b2 ⎦ Như vậy: P = a* a − b* b Theo định nghĩa [b] = [S][a]; [b*] = [Sa]* = [a*][S*] Ta có: P = [a*][a]- [a*][S*][S][a] = [a*]([I]- [S*][S])[a] Đối với mạch bảo toàn P ≡ 0 vì [I] = [S*][S] Về phần tử của ma trận ta có: * * ⎡ 2 2 * * ⎤ ⎡S11 S21 ⎤ ⎡S11 S12 ⎤ S11 + S 21 S11S12 + S21S 22 ⎡1 0⎤ ⎢ * * ⎥ ⎢ ⎥ = ⎢ 2 2 ⎥ = ⎢ ⎥ S S S S * * 0 1 ⎣ 12 22 ⎦ ⎣ 21 22 ⎦ ⎣⎢S11S12 + S 22 S 21 S11 + S21 ⎦⎥ ⎣ ⎦ Vì vậy đối với mạng không tổn hao: 2 2 2 2 S11 + S 21 = S12 + S 22 (3.61) Nếu thêm điều kiện là mạng nghịch đảo (S12 = S21) 2 2 S11 = S 22 (3.62) Và S11, S22 chỉ khác nhau về pha. 3.2.4. Đồ thị dòng tín hiệu. Đồ thị dòng tín hiệu rất có ích cho việc phân tích mạng siêu cao tần khi có sóng tới và các sóng phản xạ. Trước tiên, xét qui luật và tính chất để xây dựng đồ thị dòng tín hiệu và xét kỹ thuật đơn giản hoá và giải với đồ thị dòng tín hiệu. 38
Đồ thị dòng tín hiệu có các nhánh và các nút: Nút: Tất cả các cổng i của mạng siêu cao tần có hai nút ai và bi. Nút ai biểu thị sóng tới tại cửa i và nút bi biểu thị sóng phản xạ tại cửa i. Nhánh: Nhánh là đường giữa nút a và b nó biểu diễn dòng chảy từ nút a tới nút b. Các nhánh đều có tham số S hoặc là hệ số phản xạ liên quan. Chúng ta hãy xét đồ thị dòng tín hiệu của một mạng 2 cổng sau: a1 S21 b2 a1 a2 Mạng hai S11 S22 b1 cổng b2 b1 S12 a2 Mạng hai cổng Đồ thị dòng tín hiệu Hình 3.10: Đồ thị dòng tín hiệu Nhìn vào đồ thị dòng tín hiệu sóng có biên độ a1 vào tại cổng vào 1 chia làm 2 phần qua S11 tới đầu ra tại nút b2 và ra tại đầu ra tại cổng 2. Nếu tải có hệ số phản xạ khác không mắc vào cổng 2 thì sóng này sẽ phản xạ một phần trở lại mạch cổng 2 tại nút a2. Một phần của sóng phản xạ lại ra khỏi cổng 2 qua S22 một phần chuyển tới cổng 1 qua S12. Khi biểu diễn mạng ở tần số siêu cao người ta thường rút gọn để dễ xử lý. Có bốn qui tắc để rút gọn các nhánh nối giữa hai nút: Qui tắc1 (qui tắc nối tiếp): Hai nhánh có chung nút mà chỉ có một sóng vào hay sóng ra thì có thể hợp nhất thành một nhánh có hệ số là tích của các hệ số nhánh gốc. Hình vẽ sau minh hoạ qui tắc này: S S S21 S32 21 32 => U U U1 U2 U3 1 2 Từ hình vẽ cho thấy: U3 = S32U2 = S32S21U1. Qui tắc 2 (qui tắc song song): Hai nhánh có thể xuất phát từ một nút chung đến một nút chung khác có thể hợp nhất thành một nhánh mà hệ số của nó là tổng của các hệ số đầu tiên của các nhánh gốc. 39
Sa+Sb Sa U1 U2 => Sb U1 U2 Từ hình vẽ chúng ta có: U2 = SaU1 +SbU1 = (Sa + Sb)U1. Qui tắc 3 (qui tắc nhánh riêng): Khi nút có nhánh riêng (nhánh tự xuất phát và kết thúc tại nút) có hệ số là S thì có thể loại nhánh riêng này bằng cách nhân hệ 1 số của các nhánh tới nút này với . Hình vẽ sau mô tả qui tắc này. 1− S S22 S 21 1− S22 S21 S32 S32 => U U1 U U U1 U2 3 2 3 Từ gốc đồ thị ta có: U2 = S21U1 + S22 và U3 = S32U2 S 32 S 21 Thay U2 vào U3 ta có: U3 = U1 1− S 22 Qui tắc 4 (qui tắc tách): Một nút có thể tách thành hai nút riêng biệt, các nhánh ra và vào đều nối với nút gốc. Hình vẽ sau biểu diễn qui tắc này. S21 S42 U4 , U4 U 4 S S 21 32 S21 S32 => U 1 U2 U3 U1 U2 U3 Từ hình vẽ chúng ta có: U4 = S42U2 = S21S42U1. 3.2.5. Các tham số của mạng hai cổng. 3.2.5.1. Hệ số phản xạ đầu vào và hệ số phản xạ đầu ra. Hình vẽ 3.11 biểu diễn một mạng hai cổng được nối vào một nguồn có trở kháng nguồn ZS và một tải có trở kháng tải ZL. ΓIN là hệ số phản xạ đầu vào ΓOUT là hệ số phản xạ đầu ra của mạng. 40
ZS a1 a2 Mạng hai cổng bS ZL ΓIN ΓOUT b1 b2 Hình 3.11: Mạng hai cổng. Ta có đồ thị dòng tín hiệu của mạng như sau: 1 S21 bS a1 b2 S22 ΓL ΓS S11 b1 a2 S12 Hình 3.12: Đồ thị dòng tín hiệu Theo các qui tắc rút gọn đồ thị dòng tín hiệu có thể được rút gọn lại như sau: 1 1 bS a1 bS a1 S21 b2 S22 ΓS ΓIN ΓS S11 ΓL b S b1 1 12 a2 Hình 3.13: Đồ thị dòng tín hiệu dạng rút gọn. Để xác định sóng b1 phản xạ ngược trở lại đầu vào chúng ta hãy tìm các đường truyền sóng có thể có từ a1 đến b1. Nhìn vào đồ thị dòng tín hiệu chúng ta thấy có các đường sau: S11, S21ГLS12, S21ГLS22ГLS12, S21ГLS22ГLS22ГLS12, Như vậy chúng ta có biểu thức sau: b = S a + S Г S a n (3.63) 1 11 1 21 L 12 1 {1+ S 22ΓL + + (S 22ΓL ) + } Biểu thức trong dấu ngoặc chính là một cấp số nhân lùi vô hạn với công bội là S22ГL. Do đó tổng của một cấp số nhân lùi vô hạn được tính: n 1 1+ S22ΓL + + ()S 22ΓL + = (3.64) 1− S 22ΓL S 21ΓL S12 a1 b1 = S11a1 + (3.65) 1− S 22ΓL 41
Do đó hệ số phản xạ đầu vào được tính: b1 S 21ΓL S12 ГIN = = S11 + (3.66) a1 1− S 22ΓL Để tính hệ số phản xạ đầu ra của mạng đồ thị dòng tín hiệu được rút gọn: S b 1 21 b b b S a1 2 S2 2 S22 ΓL ΓOUT ΓS S11 ΓL b1 S a2 a2 12 Hình 3.14: Đồ thị dòng tín hiệu dạng rút gọn. Tính toán hoàn toàn tương tự hệ số phản xạ đầu ra của mạng cũng nhận được biểu thức sau: b2 S 21ΓS S12 ГOUT = = S22 + (3.67) a2 1− S11ΓS 3.2.5.2. Hệ số khuếch đại công suất của mạng hai cổng. Hệ số khuếch đại công suất của mạng hai cổng được tính bằng biểu thức: P G = 2 (3.68) P1 Trong đó: P1 là công suất trên đầu vào của mạng hai cổng được tính bằng: 1 2 2 P1 = ()a1 − b1 (3.69) 2 Theo công thức 3.66 chúng ta có 1 2 2 P1 = a1 ()1− ΓIN (3.70) 2 P2 là công tổn hao trên tải đầu ra, được tính bằng biểu thức: 1 2 2 1 2 2 P2 = ()b2 − a2 = b2 (1− ΓL ) (3.71) 2 2 Như vậy ta có: 2 2 P b2 (1− ΓL ) G = 2 = (3.72) P 2 2 1 a1 ()1− ΓIN Từ đồ thị dòng tín hiệu hình 3.14 dễ dàng ngoại suy ra mối quan hệ của b2 với a1 như sau: 42
n b2 = S 21a1 {1+ S22ΓL + + (S 22ΓL ) + } (3.73) Do đó ta có: b S 2 = 21 (3.74) a1 1− S22ΓL Thay phương trình 3.74 vào phương trình 3.72, nhận được: 2 2 S21 (1− ΓL ) G = (3.75) 2 2 ()1− S 22ΓL ()1− ΓIN Thay phương trình 3.66 vào phương trình 3.75 nhận được: 2 2 P S21 (1− ΓL ) G = 2 = (3.76) P ⎛ 2 ⎞ 1 2 S Γ S 1− S Γ ⎜1− S + 21 L 12 ⎟ 22 L ⎜ 11 1− S Γ ⎟ ⎝ 22 L ⎠ 2 2 S 21 (1− ΓL ) hay G = với ∆S = S S – S S (3.77) 2 2 11 22 12 21 ()1− S 22ΓL S11 − ∆SΓL 3.2.5.3. Hệ số khuếch đại truyền. Hệ số khuếch đại truyền (tham số thường được dùng trong thiết kế các bộ khuếch đại tần số cao) được định nghĩa bằng tỉ số giữa công suất đầu ra P2 được phân phát đến tải bởi một nguồn với công suất hiệu dụng lớn nhất từ nguồn đó. P2 GT = (3.78) PSCCMAX Công suất rơi trên tải đầu ra: 1 2 2 1 2 2 P2 = ()b2 − a2 = b2 (1− ΓL ) (3.79) 2 2 Theo đồ thị dòng tín hiệu 3.12 và hình 3.13 tại đầu vào của mạng hai cổng nguồn có khả năng cung cấp một công suất là: 2 1 2 (1− ΓIN ) PSCC = bS 2 (3.80) 2 ()1− ΓIN ΓS * Vậy công suất hiệu dụng lớn nhất của nguồn đạt được khi ΓIN = ΓS 2 bS PSCCMAX = 2 (3.81) 2()1− ΓS Hệ số khuếch đại truyền của mạng hai cổng được tính như sau: 43
2 P2 b2 2 2 GT = = ()1− ΓS ()1− ΓL (3.82) P 2 SCCMAX bS Theo đồ thị dòng tín hiệu hình 3.14 ta có: n bS 2 b2 = bS 2 + bS 2ΓOUT ΓL + + bS 2 ()ΓOUT ΓL → b2 = (3.83) 1− ΓOUT ΓL Mặt khác ta lại có: bS S 21 bS S 21 bS 2 = → b2 = (3.84) ()1− S11ΓS ()()1− S11ΓS 1− ΓOUT ΓL Vậy hệ số khuếch đại truyền được tính như sau: 2 2 2 P S 21 (1− ΓS )(1− ΓL ) G = 2 = (3.85) T P 2 SCCMAX ()()1− S11ΓS 1− ΓOUT ΓL Thay công thức 3.67 vào công thức 3.85 chúng ta được 2 2 2 P S21 (1− ΓS )(1− ΓL ) G = 2 = (3.86) T P 2 SCCMAX ()()1− S11ΓS 1− S 22ΓL − S12 S21ΓS ΓL 3.3. Gi¶n ®å Smith. 3.3.1. Cơ së xây dựng. Trong kỹ thuật siêu cao tần, các bài toán phân tích và thiết kế các mạch điện hoạt động ở tần số siêu cao thường dẫn đến việc giải các hệ thống phương trình phức rất dài dòng và phức tạp. Điều này gây khó khăn không ít cho thiết kế, nhất là khi cần có ngay một lời giải cho các vấn đề kỹ thuật trong một thời gian ngắn nhất. Để đơn giản hoá việc tính toán, phương án giải bằng đồ thị tỏ ra khá hiệu quả và nhanh chóng. Phép giải bằng đồ thị không những đơn giản mà còn giứp người thiết kế theo dõi sát việc tính toán bằng những động tác biến đổi rất hình tượng và dễ hiểu. Trong khuynh hướng đó, một số kiểu đồ thị trở kháng được hình thành nhằm giúp giải quyết việc phân tích mạch điện siêu cao tần từ kết cấu đơn giản như đường dây truyền sóng đến các mạch điện phức tạp hơn như mạch khuếch đại siêu cao tần, mạch phối hợp trở kháng Tuy nhiên, kiểu đồ thị đang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là dạng đồ thị hệ số phản xạ trở kháng đường dây, được xây dựng bởi Phillip H.Smith năm 1939, được gọi là đồ thị Smith. Một cách tổng quát đồ thị Smith được xây dựng dựa trên mối quan hệ giữa hệ số phản xạ Γ(x) và trở kháng đường dây Z(x) tại một điểm x bất kỳ trên đường truyền sóng. 44
Trở kháng đường dây: 1+ Γ(x) Z(x) = Z0 (3.87) 1− Γ(x) hoặc trở kháng đường dây chuẩn hoá: 1+ Γ(x) z(x) = (3.88) 1− Γ(x) Z(x) − Hệ số phản xạ: Γ(x) = Z 0 (3.89) Z(x) + Z 0 z(x) − Z(x) hoặc Γ(x) = 1 Trong đó trở kháng chuẩn hóa z(x) = z(x) + 1 Z 0 Mối quan hệ trên là 1-1 (quan hệ tương đương), có nghĩa là một giá trị của trở kháng đường dây chuẩn hoá z(x) tương ứng và chỉ tương ứng với một giá trị duy nhất của hệ số phản xạ Γ(x). Điều này cho phép ta gán một điểm phức Γ(x) bất kỳ trong mặt phẳng số phức hệ số phản xạ Γ tương ứng với một giá trị trở kháng chuẩn hoá duy nhất z(x). Khi hệ số phản xạ Γ(x) thay đổi thì trở kháng chuẩn hoá z(x) (và do đó trở kháng Z(x) cũng thay đổi tương ứng, và điểm phức sẽ di chuyển thành một quĩ đạo trong mặt phẳng phức hệ số phản xạ Γ). Cần chú ý rằng trong thực tế, do Γ(x) luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng 1 nên quĩ đạo của z(x) chỉ gói gọn trong phạm vi vòng tròn gốc toạ độ, bán kính đơn vị. Đồ thị Smith sẽ được xây dựng từ mặt phẳng phức Γ này. Giản đồ Smith là phương tiện cơ bản để giải quyết các bài toán ở tần số siêu cao. Cách sử dụng và công dụng của giản đồ Smith đã được đề cập rất nhiều trong các tài liệu kỹ thuật siêu cao tần, ở đây chỉ mô tả một cách khái quát giản đồ Smith. 3.3.2. Tính toán phối hợp trở kháng dùng giản đồ Smith. Phối hợp trở kháng bao giờ cũng là vấn đề rất được quan tâm trong kỹ thuật siêu cao tần. Nhiệm vụ cơ bản của vấn đề phối hợp trở kháng ở tần số siêu cao là làm sao đảm bảo trong tuyến siêu cao hệ số sóng đứng Kd hay hệ số sóng chạy Kch đạt yêu cầu đề ra trong một dải tần nhất định. Có rất nhiều phương pháp phối hợp trở kháng mang lại kết quả cao. Trong đó phối hợp trở kháng bằng giản đồ Smith là phương pháp đơn giản và hiệu quả hơn hẳn. Kỹ thuật này sử dụng giá trị cố định của điện kháng hoặc điện nạp để khử phần tử điện kháng có trở kháng không phối 45
hợp. Phần thực được điều chỉnh nhờ thêm dây có độ dài cần thiết để quay điểm trở kháng trên giản đồ Smith trước khi khử phần tử điện kháng. Có bốn tổ hợp phần tử điện kháng: tổ hợp dung kháng hoặc cảm kháng mắc nối tiếp (điện kháng) hoặc mắc song song (dẫn nạp). Vì vậy, có thể chọn phần tử chính xác để phối hợp với phần tử điện kháng, phụ thuộc vào điểm ta đạt tới trên biểu đồ Smith. Kỹ thuật thiết kế được chỉ ra trên hình vẽ sau: Z0 Γ Z0 ΓL hoặc Hình 3.15: Kỹ thuật phối hợp điện kháng Độ dài của đường truyền Z0 được cộng với trở kháng đầu cuối. Xoay điểm trở kháng trên đường tròn có tâm là tâm của biểu đồ Smith (đường tròn đẳng SWR) theo chiều hướng về nguồn phát. Xoay điểm đến phần thực của điện kháng hoặc phần thực của dẫn nạp bằng 1, tại điểm này ta có thể thêm một trong bốn phần tử điện kháng bằng cách di chuyển điểm dọc theo góc điện trở hoặc điện dẫn tới tâm của biểu đồ (điều kiện phối hợp trở kháng). Đây là một kỹ thuật cơ bản của kỹ thuật siêu cao tần. Hình vẽ 3.16 dưới đây minh hoạ việc phối hợp trở kháng trên giản đồ Smith. Kỹ thuật bày sẽ được trình bày kỹ khi tính toán thiết kế bộ khuếch đại ở phần sau. Hình 3.16: Phối hợp trở kháng dùng giản đồ Smith. 46
3.4. Kh¶o s¸t thiÕt kÕ bé khuÕch ®¹i cao tÇn t¹p thÊp. 3.4.1. Sơ đồ chức năng của bộ khuếch đại cao tần. Bộ khuếch đại cao tần dùng để nâng cao độ nhạy của máy thu.Yêu cầu chủ yếu đối với bộ KĐCT này là độ khuếch đại khá (≤ 30dB) trong khi mức tạp âm bản thân phải nhỏ nhất. Giá trị dải thông bộ KĐCT không đòi hỏi cao vì nó rộng hơn rất nhiều dải thông của máy thu. Mặt khác trong các bộ khuếch đại bằng bán dẫn luôn tồn tại mạch phản hồi (tham số tán xạ của bán dẫn S12 nói chung là khác không), nên có thể dẫn đến sự làm việc không ổn định, tức là gây ra hiện tượng tự kích. Sơ đồ tổng quát của một bộ KĐCT được biểu diễn như trên hình vẽ sau: Phối hợp Phối hợp Z đầu vào Z đầu ra ZS S [GS] [G0] [GL ] ZL ΓS ΓIN ΓOUT ΓL Hình 3.17: Sơ đồ chức năng của bộ KĐCT. Trong đó: GS là mạch phối hợp đầu vào của linh kiện (hay còn gọi là mạch vào) bao gồm các phần tử thụ động là các linh kiện tập trung hoặc phân tán. Ảnh hưởng đến độ mất đối xứng giữa trở kháng đặc tính của nguồn và hệ số phản xạ đầu vào của linh kiện. Tuỳ theo các tham số của linh kiện khuếch đại thì giá trị nhỏ nhất của hệ số tạp âm có thể xảy ra khi phối hợp trở kháng hoặc khi mất phối hợp tối ưu. Khi phối hợp trở kháng hoàn toàn thì công suất truyền từ nguồn đến đầu vào của linh kiện đạt giá trị lớn nhất. Hay nói cách khác là nó đảm bảo lượng tín hiệu truyền từ nguồn đến linh kiện ít bị tiêu hao trong quá trình truyền dẫn. Khi làm mất phối hợp GS một cách tối ưu thì biến đổi trở kháng của nguồn tín hiệu đến giá trị đảm bảo trị số tạp âm của bộ khuếch đại cao tần là nhỏ nhất. GL là mạch phối hợp đầu ra của bộ khuếch đại cao tần với bộ trộn (đối với máy thu siêu ngoại sai) hoặc với bộ tách sóng (trong máy thu khuếch đại thẳng). Ảnh hưởng đến độ mất đối xứng giữa trở kháng đặc trưng của tải và hệ số phản xạ đầu ra của linh kiện. Nếu đầu ra được phối hợp hoàn toàn với tải thì công suất được khuếch đại bởi linh kiện sẽ được hấp thụ ở trên tải là lớn nhất và sẽ không có các 47
sóng phản xạ ngược trở lại linh kiện. Trong nhiều trường hợp chúng ta thường đánh mất phối hợp trên đầu ra để đảm bảo công suất cho tầng phía sau. G0 là các linh kiện tích cực đảm bảo khuếch đại tín hiệu. Khi thiết kế các bộ khuếch đại cao tần thì lựa chọn các transistor thông qua tần số làm việc và hệ số tạp nội bộ của nó. Hệ số tạp là một tham số cực kỳ quan trọng trong thiết kế bộ khuếch đại cao tần bởi vì tạp âm của bộ khuếch đại quyết định đến độ nhạy của thiết bị thu. Thiết kế một bộ KĐCT phải đảm bảo tính toán chính xác các yêu cầu đặt ra đối với bộ khuếch đại cao tần. Từ những phân tích ở trên chúng ta nhận thấy bài toán thiết kế bộ khuếch đại cao tần chủ yếu là bài toán tính toán phối hợp trở kháng đầu vào và đầu ra theo các yêu cầu cho trước của bộ khuếch đại cần thiết kế. Bài toán phối hợp trở kháng đối với một tần số nhất định thì không quá khó nhưng để tính toán phối hợp trong cả một dải tần làm việc của bộ khuếch đại đảm bảo các yêu cầu đối với một bộ KĐCT là một bài toán rất phức tạp. Nh÷ng néi dung c¬ b¶n cña viÖc thiÕt kÕ m¹ch khuÕch ®¹i lµ: Chän mét ®iÓm thÕ hiÖu sau ®ã sö dông th«ng sè t¸n x¹ vµ th«ng sè t¹p ®Ó hoµn tÊt trän vÑn mét m¹ch riªng; Chän transistor trªn c¬ së hÖ sè khuÕch ®¹i t−¬ng øng víi tÇn sè yªu cÇu, møc t¹p ë tÇn sè ®ã, c¸c chÕ ®é thiªn ¸p; Chän lo¹i hßm hép bao gãi. Dưới đây khảo sát phương pháp thiết kế bộ khuếch đại cao tần tần tạp thấp dùng tham số S như là một công cụ để thiết kế. 3.4.2. Khảo sát sự ổn định. Đối với bộ khuếch đại khi làm việc không ổn định có thể gây ra hiện tượng tự kích, phát sinh dao động ký sinh, làm giảm công suất có ích, gây méo tín hiệu, điều chỉnh khó khăn, gây quá tải, có thể làm hỏng phần tử tích cực dùng để khuếch đại. Đối với mạch khuếch đại dùng transistor lưỡng cực và transistor trường để xét tính ổn định của nó khá phức tạp và nhiều khi không thể thực hiện được. Những khó khăn này xuất phát từ hai nguyên nhân cơ bản sau: Thứ nhất để thành lập được phương trình đặc trưng của mạch cần phải dựa vào sơ đồ vật lý tương đương của transistor, mà sơ đồ tương đương của transistor trong dải siêu cao tần là khá phức tạp và thường chỉ mô tả gần đúng. Thứ hai trong dải siêu cao tần đối tượng đo được không phải là điện áp hay dòng điện mà là các sóng tới và sóng phản xạ. Phù hợp với nó transistor cũng được đặc trưng bằng các tham số sóng (ma trận tham số tán 48
xạ và ma trận tham số sóng). Vì những yếu tố trên nên ở đây tập chỉ trung khảo sát sự ổn định của bộ khuếch đại cao tần dùng tham số tán xạ. Khi thiết kế bộ khuếch đại rất dễ xảy ra hiện tượng tự kích (dao động ngược), cần phải khử các dao động ngược đó trong các bộ khuếch đại cao tần. Một mạng 2 cổng có thể được mô tả một cách hoàn chỉnh bằng các tham số tán xạ của chúng (tham số S). Các tham số tán xạ cho phép tính toán sự không ổn định về điện thế (hướng dao động ngược), giá trị khuếch đại hiệu dụng lớn nhất, các trở kháng đầu vào và đầu ra, hệ số khuếch đại công suất. Tham số S cũng cho phép tính toán các trở kháng nguồn và trở kháng tải tối ưu và sự phối hợp trở kháng hoàn toàn của chúng. Tham số tán xạ giúp chúng ta dễ dàng lựa chọn các trở kháng nguồn và tải cho một giá trị khuếch đại đặc biệt. Một đặc trưng quan trọng của mạng 2 cổng là |S21| # |S12| và thông thường |S21| >> |S12|. Xét một mạng 2 cổng được mắc vào một nguồn có trở kháng ZS và một tải có trở kháng ZL(Hình 3.18). Biên độ của hệ số phản xạ nguồn |ΓS| và biên độ của hệ số phản xạ tải |ΓL| là nhỏ hơn 1. Điều này có nghĩa là các trở kháng nguồn và tải có phần thực dương. ZS a a 1 2 Mạng hai cổng bS ZL ΓIN ΓOUT b 1 b 2 Hình 3.18: Mạng hai cổng Trước tiên chúng ta nghiên cứu một trường hợp của mạng 2 cổng với S12 = 0 (transistor đơn hướng - công suất truyền theo hướng ngược bằng 0). Trường hợp này rất tiện lợi bởi vì nó cho chúng ta khẳng định một qui luật chắc chắn mà không phải nặng về tính toán. Đồ thị dòng tín hiệu của mạng hai cổng trong trường hợp này như sau: S b 1 a 21 b S 1 2 S22 ΓL ΓS S11 b1 a2 Hình 3.19: Đồ thị dòng tín hiệu khi S12 = 0 49
Theo công thức 3.86 chúng ta có hệ số khuếch đại truyền được tính bằng: 2 2 2 S 21 (1− ΓS )(1− ΓL ) GT = 2 (3.90) ()()1− S11ΓS 1− S 22 ΓL − S12 S 21ΓS ΓL Khi S12 = 0 thì chúng ta có phương trình của hệ số khuếch đại truyền 2 2 1− ΓS 2 1− ΓL GT = 2 S 21 2 (3.91) 1− S11ΓS 1− S 22ΓL 2 2 1− ΓS 1− ΓL Với G1 = 2 và G2 = 2 1− S11ΓS 1− S 22 ΓL Khi |S22| 1 hoặc |S11| > 1 mạng 2 cực có khả năng không ổn định và chúng sẽ sinh ra các dao động ngược. Bởi vì khi các hệ số phản xạ có các giá trị lớn hơn 1 thì tổng các sóng phản xạ sẽ lớn hơn tổng của các sóng tới. Do đó các điều kiện |S22| > 1 hoặc |S11| > 1 chỉ ra rằng các dao động có thể xuất hiện trong bộ khuếch đại nếu chúng ta lựa chọn các trở kháng nguồn và trở kháng tải không hợp lý. Ta sẽ lần lượt khảo sát các trường hợp của mạng 2 cổng với từng trường hợp cụ thể. 3.4.2.1. Sự ổn định của mạng 2 cổng trong trường hợp chung (S12 # 0). Một mạng 2 cổng là ổn định tuyệt đối nếu các hệ số phản xạ đầu vào và đầu 50
ra (nhìn từ đầu vào và đầu ra) có các biên độ nhỏ hơn 1, mà không phụ thuộc vào biên độ của các hệ số phản xạ nguồn và tải ΓS <1 và ΓL < 1 tại các điểm đầu vào và đầu ra của mạng 2 cổng. Các trở kháng nhìn từ đầu vào và đầu ra có các phần thực dương và các hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra Γout, Γin phụ thuộc vào các trở kháng nguồn và tải. Theo công thức 3.66 có biểu thức của hệ số phản xạ đầu vào S 21ΓL S12 ΓIN = S11 + (3.93) 1− S 22ΓL Biến đổi công thức trên nhận được biểu thức của hệ số phản xạ đầu vào như sau: ∆S S 21S12 1 ΓIN = + với ∆S = (S11S22 - S21S12) (3.94) S 22 S 22 1− S 22ΓL Hệ số phản xạ tải ΓL một giá trị phức có biên độ |ΓL| < 1. Kết quả là nó sẽ nằm trong đường tròn C1, với tâm tại gốc (O1) bán kính = 1 (hình 3.20). Vị trí của ΓIN có thể được xác định bằng một chuỗi các ảo phép biến đổi hình học bằng cách chúng ta lần lượt vẽ các đường tròn O1, O2, O3, O4, O5, O6 có các phương trình được xác định theo các thành phần của công thức 3.94. Thực Trong đó: S22ΓL → được biểu diễn bằng đường tròn C2 có Hình 3.20 tâm O2 =0; bán kính R2 = S22 1- S22ΓL→ được biểu diễn bằng đường tròn C3 có tâm O3 = 1; bán kính R3 = S22 1 1 → được biểu diễn bằng đường tròn C4 có tâm O4 = ; bán 1− S Γ 2 22 L 1− S 22 S 22 kính R4 = 2 1− S 22 S 21S12 1 → được biểu diễn bằng đường tròn C5 có tâm O5 = S 22 1− S 22ΓL S S S 21S12 21 12 2 ; bán kính R5 = 2 S 22 ()1− S 22 1− S 22 51
∆S S 21S12 1 + → được biểu diễn bằng đường tròn C6 có tâm O6 = S 22 S 22 1− S 22 ΓL ∆S S 21S12 S 21S12 + ; bán kính R6 = S 2 2 22 S 22 ()1− S 22 1− S 22 Khi hệ số phản xạ đầu ra của mạng hai cổng S22 < 1 thì bán kính của đường tròn C4 cũng nhỏ (tương ứng với tâm O4 của nó). Từ mối liên hệ giữa ΓIN và ΓL chúng ta thấy xuất hiện một vấn đề là: Nếu ΓL nằm trong đường tròn C1 thì nó nằm trong đường tròn C6 khi S22 < 1. Biên độ của hệ số phản xạ đầu vào (bán kính R6) nhìn từ đầu vào của mạng 2 cổng là nằm bên trong đường tròn C6. Do đó Γin < 1 nếu S S R = 21 12 < 1 thì kết quả là |S S | < 1 - |S |2 6 2 21 12 22 1− S 22 Nhận thấy rằng bán kính của đường tròn C1 = 1, chúng ta có thể nói rằng mạng hai cổng ổn định tuyệt đối nếu C6 là hoàn toàn nằm trong đường tròn C1. Kết quả là |O6| + R6 < 1 2 2 O6 ≤ 1 − R6 2 2 ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ (3.95) ∆S S S 1 ⎜ S 21 S12 ⎟ ⎜ + 12 21 ⎟ ≤ 1 − ⎜ 2 ⎟ ⎜ 2 ⎟ S 22 S 22 1 − S ⎜ 1 − S ⎟ ⎝ 22 ⎠ ⎝ 22 ⎠ O6 và R6 là các giá trị phức, để đạt được các biên độ phải bình phương các 2 * gía trị phức của chúng lên o6 = O6 x O6 . Biến đổi phương trình 3.95 nhận được hệ số ổn định K, hay còn gọi là hệ số ổn định Linvill: 2 2 2 1− S − S + ∆S K = 11 22 ≥ 1 (3.96) 2 S 21 S12 Ta vừa kiểm tra hệ số phản xạ đầu vào ΓIN nhìn từ đầu vào của mạng cổng, kết quả đã cho một điều kiện ổn định tuyệt đối. Kiểm tra tương tự đối với đầu ra ta có: b2 S 21ΓS S12 ΓOUT = = S 22 + (3.97) a2 1− S11ΓS 2 Điều này dẫn đến kết quả là |S21S12| < 1 - |S11| và do đó chúng ta một mạng hai cổng là ổn định tuyệt đối trên cả đầu vào và đầu ra khi các hệ số phản xạ và các 52
hệ số khuếch đại ngược và thuận thoả mãn các điều kiện. 2 Đầu ra: |S21S12| < 1 - |S11| 2 Đầu vào: |S21S12| < 1 - |S22| Kết hợp các điều kiện ổn định đầu vào và đầu ra cho các điều kiện ổn định của mạng hai cổng là: 2 2 2 1− S11 − S 22 + ∆S ∆S = S11 S 22 − S 21 S12 ≤ 1 và K = ≥ 1 (3.98) 2 S 21 S12 Khi K lớn hơn 1 và ∆S nhỏ hơn 1, thì linh kiện ổn định tuyệt đối với bất kỳ tổ hợp của các trở kháng nguồn và các trở kháng tải. Nếu khi tính toán K nhỏ hơn 1 hoặc ∆S lớn hơn 1 thì linh kiện tiềm tàng một nguy cơ mất ổn định và sẽ phát sinh các dao động. Trong trường hợp này phải rất cẩn thận trong việc lựa chọn các trở kháng nguồn và các trở kháng tải. Điều kiện này không có nghĩa là linh kiện không được sử dụng, nó chỉ được sử dụng khi lựa chọn trở kháng nguồn và trở kháng tải hợp lý. Đây là trường hợp có thể gặp trong khi thiết kế các bộ khuếch đại. 3.4.2.2. Khả năng mất ổn định. Khi hệ số ổn định Linvill chỉ ra khả năng mất ổn định, linh kiện sẽ phát sinh các dao động với một số tổ hợp của trở kháng nguồn và tải. Nghĩa là khi lựa chọn giá trị của trở kháng nguồn và trở kháng tải không cẩn thận sẽ rất dễ xảy ra dao động. Khi K nhỏ hơn 1 hoặc ∆S lớn hơn 1 điều này là rất quan trọng trong việc lựa chọn các trở kháng nguồn và trở kháng tải. Một trong các phương pháp xác định các trở kháng nguồn và tải để cho bộ khuếch đại làm việc ổn định là vẽ các vòng tròn ổn định lên trên giản đồ Smith. Vòng tròn ổn định trên giản đồ Smith biểu diễn giới hạn của các giá trị của trở kháng nguồn và trở kháng tải, mà các trở kháng nguồn và trở kháng tải này làm cho linh kiện hoạt động ổn định hay không ổn định. Chu vi của đường tròn là quĩ tích của các điểm mà làm cho hệ số ổn định K = 1. Hơn nữa các giá trị bên trong hoặc bên ngoài của đường tròn biểu diễn vùng làm việc không ổn định của linh kiện. Tâm và các bán kính của các vòng tròn ổn định đầu vào đầu ra được tìm như sau. Biến đổi công thức 3.94 và 3.97 nhận được: S11 − ∆SΓL ΓIN = (3.99) 1− S 22 ΓL 53
S 22 − ∆SΓS ΓOUT = (3.100) 1− S11ΓS Khi một mạng hai cổng tiềm tàng một khả năng mất ổn định, cần xác định các vùng làm việc ổn định của nó (tức là đi tìm các giá trị của ΓS và ΓL mà các giá trị của ΓS và ΓL làm cho |Γin| < 1 và |Γout| < 1). Để xác định biên giới của vùng ổn định và không ổn định hãy xem xét các giá trị lớn nhất có thể (bằng 1) của các hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra nhìn từ đầu vào và đầu ra của linh kiện. Đối với đầu ra của linh kiện chúng ta chứng minh rằng vòng tròn ổn định đầu ra C2 (với tâm O2 và bán kính R2) được xác định bởi ΓS. Giá trị ΓL được xác định bằng phương trình |Γin| = 1. Như vậy ta có: 2 2 S11 − ∆SΓL = 1− S22ΓL (3.111) 2 2 * 2 S11 + ∆SΓL − 2Re al()S11∆SΓL = 1+ S 22 ΓL − 2Re al(S 22 ΓL ) (3.112) 2 ΓL − 2Re al()AΓL + B = 0 (3.113) với A và B được định nghĩa như sau * S22 − S11∆S A = 2 2 (3.114) S22 − ∆S 1− S 22 B = 2 2 (3.115) S 22 + ∆S 2 2 2 ΓL − 2Re al()AΓL + A − A + B = 0 (3.116) Biến đổi phương trình trên nhận được một phương trình đường tròn trên mặt * 2 2 * 2 phẳng phức: ΓL − A = A − B , có tâm tại A với bán kính A − B . * * * S22 − S11∆S O2 = A = 2 2 (3.117) S22 − ∆S 2 S S 12 21 (3.118) R2 = A − B = 2 2 S22 − ∆S Chứng minh tương tự đối với đầu vào của linh kiện với ΓS và |Γout| nhận được các vòng tròn ổn định cho linh kiện: * * S11 − S22 ∆S S12 S21 Đầu vào: O1 = 2 2 R1 = 2 2 (3.119) S11 − ∆S S11 − ∆S 54