Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ nạp điện không dây cho điện thoại di động

thành năng lượng sóng siêu cao tần truyền về Trái Đất. Trên mặt đất, các trạm thu nhận sóng siêu cao tần rồi chuyển hóa năng lượng của chúng thành năng lượng điện một chiều dùng cho các ứng dụng sinh hoạt hang ngày. 1.2. Tổng hợp các nghiên cứu phần phát của WPT[11]. Bộ phát sóng siêu cao tần công suất lớn trong WPT là thành phần quan trọng nhất. Các bộ phát phải gọn nhẹ nhằm mục đích giảm giá thành và hiệu suất cao để giảm ảnh hưởng về nhiệt. Linh kiện bán dẫn ngày càng nhỏ gọn và nhẹ. Các bộ khuếch đại bán dẫn có thể trở thành nhân tố làm giảm giá thành của hệ thống với nhiều mức yêu cầu về công suất. Điều này thể hiện qua việc công suất của hệ thống được tổ hợp qua các mô đun riêng lẻ. Qua tổng hợp các công trình đã công bố cho thấy các công trình nghiên cứu về bộ phát ứng dụng cho WPT còn ít, trong khi đó các công trình nghiên cứu sử dụng cho hệ thống thông tin đã phát triển nhiều và có nhiều thành công. Tuy nhiên, chúng ta không thể áp dụng hoàn toàn kết quả này cho hệ thống WPT bởi vì những khác biệt cơ bản sau: o Với WPT vấn đề hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng điện một chiều thành sóng siêu cao tần là quan trọng nhất. o Hệ thống WPT đòi hỏi công suất phát lớn, độ định hướng cao dẫn đến phải xây dựng các anten mảng pha. Như vậy, chúng ta cũng cần phải thiết kế mạch khuếch đại có công suất lớn và anten mảng có độ định hướng cao. o Ổn định nhiệt cho hệ thống cũng là một yêu cầu quan trọng được đặt ra khi thiết kế bộ phát cho WPT. Mặt khác, hầu hết các công trình chỉ tập trung vào việc nghiên cứu phần khuếch đại công suất mà chưa đi sâu vào các thành phần khác của tuyến phát như: mạch khuếch đại đệm, mạch khuếch đại công suất, antenna phát cũng như các thành phần của bộ thu như antenna thu, mạch lọc, mạch chỉnh lưu, mạch phối hợp trở kháng. Từ đó, luận văn đề xuất xây dựng các thành phần của tuyến phát-thu năng lượng sóng siêu cao tần cho hệ thống truyền năng lượng không dây ứng dụng cho việc sạc điện thoại di động, cụ thể gồm: thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại đệm, mạch khuếch đại công suất, anten thu – phát, bộ chỉnh lưu. Trong đó, nghiên cứu đề 13 xuất giải pháp phối hợp trở kháng dải rộng, kết hợp việc thay đổi thang trở và dùng phần tử tập trung đặc trưng cho hệ thống khuếch đại công suất dùng cho hệ thống truyền năng lượng không dây cũng như có thể ứng dụng cho hệ thống truyền thông tin hoạt động trong băng tần S. 1.3. Tìm hiểu Anten mảng vi dải nhiều phần tử[2] - Trong các hệ thống thu phát năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần, các anten đóng vai trò vô cùng quan trọng trong khía cạnh định hướng năng lượng nên anten ảnh hưởng rất lớn đến hiêu suất thu phát của cả hệ thống. - Vì vậy, với hệ thống WPT, chúng ta phải sử dụng anten mảng vi dải nhiều phần tử để điều chỉnh chính xác chùm tia vi ba. Anten mảng nhiều phần tử là loại anten định hướng, nó có thể điều khiển hướng của chùm tia vi ba. - Anten mảng là một loại anten thuộc loại anten thông minh mới phát triển trong những thập niên gần đây. - Gồm nhiều anten phần tử cùng loại được sắp xếp theo một quy tắc nhất định nhằm mục đích nâng cao độ định hướng của anten. Hình 1.2: Anten mảng vi dải nhiều phần tử. 14 1.4. Tổng hợp các nghiên cứu về Rectenna[8] 1.4.1. Rectenna - Rectenna là một từ ghép của từ Rectifier và từ Antenna. Đây là một thuật ngữ xuất hiện trong nửa cuối thế kỉ 20. Thuật ngữ này mô tả công nghệ sử dụng cho phương pháp truyền năng lượng không dây mà ở đó tại thiết bị thu sử dụng các anten để thu năng lượng tín hiệu sóng điện từ sau đó được chuyển đổi dạng năng lượng từ năng lượng sóng điện từ sang năng lượng dòng điện một chiều DC. 1.4.2. Các nghiên cứu về rectenna - Rectenna công suất lớn cho hệ thống truyền năng lượng không dây khoảng cách gần là chủ đề được rất nhiều nhà khoa học trẻ quan tâm trong những năm gần đây. Có nhiều cách tiếp cận bài toán này: o Sử dụng các bộ lọc LC cho phía phát là cách tiếp cận nâng cao hiệu suất và công suất của hệ thống truyền năng lượng không dây khoảng cách gần. Với phương pháp này tác giả đã đạt được hiệu suất 73% và công xuất đạt 2.5kW. Đây là công bố của tác giả Kazuya và Kan Akatsu trên tạp chí khoa học IEEE 2017 chủ đề Wireless Power Transmitter. o Một số tác giả Ding Binh Lin, His Tseng Chou, Jui-Hung và Yu-Lin Cheng đi theo hướng phân tích các đặc điểm ứng xử của sóng điện từ trong trường gần, từ đó tối ưu thiết kế anten thu và phát để nâng cao hiệu suất truyền năng lượng. Hướng đi này cũng đã đạt được một số kết quả khá khả quan. o Một số các nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu suất phía phát. Tập trung nâng hiệu suất của bóng khuếch đại để làm tang hiệu suất tạo chùm tia năng lượng công suất lớn cho phép truyền năng lượng đi hiệu quả hơn. - Tóm lại, các thiết kế trên để đáp ứng tăng mức công suất truyền tải đều phải yêu cầu tăng kích thước và số lượng các bộ rectenna. Một điểm hạn chế nữa đó chính là sự giới hạn về mức công suất của từng đơn vị rectenna sẽ không thể vượt qua ngưỡng 30dBm mà hiệu suất vẫn đảm bảo cao. 15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 2.1. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần 2.1.1. Giới thiệu chung[4] - Sóng siêu cao tần là các sóng vô tuyến bước sóng rất nhỏ được trải dài từ 1mm đến 1m (tần số nằm trong dải từ 300MHz đến 300GHz) - Kỹ thuật siêu cao tần là kỹ thuật thiết kế hệ thống truyền thông trong dải sóng siêu cao tần - Mạch siêu cao tần là một nhóm các thiết bị vật lý bao gồm các ống dẫn sóng, các bộ suy giảm điện áp các bộ xoay pha, bộ trộn, bộ tách sóng, và vô số các đường nối được sắp xếp hoặc kết nối với nhau để tạo ra hiệu ứng mong muốn của sóng cao tần. - Băng tần là một miền của phổ tần số truyền thông, ở đó các kênh thường được sử dụng hoặc được thiết lập với cùng mục đích. Dưới đây là bảng tổng hợp các bảng tần số cơ bản. Bảng 1: Băng tần sóng cao tần theo IEEE. Băng tần Tần số Tên gọi – Bước sóng Băng HF 3 tới 30 MHz Tần số cao:10-100m Băng VHF 30 tới 300 MHz Tần số rất cao:1-10m Băng UHF 300 tới 1000 MHz Tần số cực cao:0.3-1m Băng L 1 tới 2 GHz Sóng dài:15-30cm Băng S 2 tới 4 GHz Sóng ngắn: 7.5-15cm Băng C 4 tới 8 GHz Dải tần nằm giữa băng S và X: 3.75-7.5cm Băng X 8 tới 12 GHz Sử dụng trong Thế chiến II cho hệ thống điều khiển hỏa lực, X có nghĩa là chữ thập:2.5-3.75cm Băng Ku 12 tới 18 GHz Kurz-under 1.67-2.5cm Băng K 18 tới 27 GHz Kurz:1.11-1.67cm 16 Băng Ka 27 tới 40 GHz Kurz-above :0.75-1.11cm Băng mm 40 tới 300 GHz Dùng cho hoạt động kiểm thử thông tin dùng giữa các vệ tinh trong cụm vệ tinh: 1-7.5mm - Băng S là một phần của băng tần vi ba thuộc phổ điện từ. Nó được định nghĩa theo một tiêu chuẩn của IEEE cho sóng vô tuyến với tần số trong dải 2 tới 4 HGz, tần số 3 GHz là ranh giới giữa UHF và SHF. Băng S được dùng cho radar thời tiết, radar tàu biển, thông tin vệ tinh, truyền năng lượng không dây và đặc biệt được NASA dùng cho lien lạc giữa tàu con thoi và trạm không gian quốc tế. Ở một số nước, băng S được dùng cho truyền hình vệ tinh gia đình, thử nghiệm truyền năng lượng không dây dùng sóng siêu cao tần. 2.1.2. Các tham số cơ bản 2.1.2.1. Đường truyền sóng Đường truyền sóng là đường truyền dẫn sóng điện từ. Một đường truyền sóng thường được mô tả như một hệ gồm hai dây dẫn song song (khi truyền dẫn sóng TEM cần ít nhất 2 vật dẫn ) với một phần tử rất ngắn như trình bày trên Hình 2.1 (a) .Ta có một mạch tương đương biểu diễn bởi 4 phần tử tập trung được mô tả trên Hình 2.1 (b). Hình 2.1: Đường truyền sóng (a) và mạch tương đương (b). Trong đó: + G: Điện dẫn song song trên một đơn vị dài (S/m). + C: Điện dung song song trên một đơn vị dài (F/m). 17 Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ taọ ra một dòng điện trong dây dẫn theo chiều ngược lại đó là thành phần cảm ứng, cũng sẽ có một điện trở hữu hạn nối tiếp trong các dây dẫn. + R: Điện trở nối tiếp (Ω); + L: Điện cảm nối tiếp (H); Áp dụng định luật Kirchhoff ta có phương trình đường truyền: (2.1) (2.2) Lấy đạo hàm các phương trình ta được: (2.3) (2.4) Với với là một số phức. Vậy phương trình truyền sóng của đường truyền là phương trình vi phân tuyến tính. Nghiệm chung của phương trình truyền sóng: (2.5) (2.6) Các hàm V(z) và I(z) mô tả dòng và thế tại mọi vị trí z trên đường truyền. Sóng hay truyền theo phương +z. Sóng hay truyền theo phương –z. Hình 2.2: Sóng truyền trên đường truyền. 18 2.1.2.2. Hệ số phản xạ Nếu định nghĩa hệ số phản xạ là tỷ số của sóng phản xạ trên sóng tới thì ta xác định được hệ số phản xạ tại z = 0 (vị trí mắc tải). (2.7) (2.8) Rõ ràng biên độ phản xạ có giá trị bằng hoặc nhỏ hơn 1 hay |Γ| ≤ 1 Áp dụng công thức trên ta có: (2.9) ] (2.10) Dựa vào các biểu thức trên ta có thể thấy rằng điện áp và dòng điện trên đường truyền được xác định bởi sự “xếp chồng” của hai sóng tới và sóng phản xạ. Do vậy biên độ |V| và |I| tại mỗi vị trí z sẽ có giá trị khác nhau. Có những điểm, biên độ |V| hoặc |I| luôn đạt cực đại, ngược lại có giá trị luôn đạt cực tiểu, nghĩa là biên độ điện áp (dòng điện) có dạng dao động theo z. Sóng này gọi là sóng đứng. Như vậy hiện tượng sóng đứng sẽ xảy ra khi hệ số phản xạ khác 0 (Γ≠0). Khi Γ = 0 trên đường truyền chỉ có một sóng là sóng tới có dạng sóng chạy. Như vậy sóng chạy sẽ xảy ra khi: Γ = 0 hay ta nói đường truyền được phối hợp trở kháng. 2.1.2.3. Hệ số sóng đứng điện áp (VSWR) Có những điểm, biên độ |V| hoặc |I| luôn đạt cực đại hoặc cực tiểu, nghĩa là biên độ điện áp (dòng điện) có dạng dao động theo z. Ta xét sóng điện áp trên một đường truyền: (2.11) Biên độ điện áp: | | | || | (2.12) Viết lại công thức trên theo (2.12), lấy l = -z, ta có: | | | || | (2.13) Có thể biểu thị dưới dạng: Γ = |Γ| Công thức (2.13) sẽ có dạng: | | | || | | | (2.14) Ta nhận thấy V đạt giá trị cực đại khi , tương ứng với: (2.15) 19 Ta nhận thấy V đạt giá trị cực tiểu khi , tương ứng với: (2.16) Từ (2.15) ta xác định khoảng cách giữa hai điểm cực đại kề nhau: (2.17) Với đường truyền không tổn hao , do đó . Khoảng cách giữa hai điểm cực đại và cực tiểu kề nhau là: (2.18) Từ đó . Ta có hình ảnh sóng đứng điện áp trên đường dây truyền sóng không tổn hao: Hình 2.3: Sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao tổn có mắc tải đầu cuối. Hình 2.4: Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao tổn có mắc tải đầu cuối. 20 Các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực tiểu được gọi là điểm “nút”, còn các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực đại gọi là điểm “bụng”. Các điểm nút và điểm bụng của sóng đứng dòng điện cũng định nghĩa tương tự. Rõ rang điểm nút của sóng đứng điện áp sẽ tương ứng với điểm bụng của sóng đứng dòng điện và ngược lại. Tại các điểm bụng của sóng đứng ta có: | | | |) (2.19) | | | |) (2.20) Còn tại điểm nút ta có: | | | |) (2.21) | | | |) (2.22) Tỷ siis biên độ của điện áp tại điểm bụng và điểm nút được gọi là hệ số sóng đứng, viết tắt là VSWR. | | | | 1 ≤ VSWR ≤ (2.23) Khi Γ = 0 ta có hệ số sóng đứng VSWR = 1, nghĩa là biên độ của sóng điện áp (hoặc dòng điện) có giá trị như nhau trên suốt chiều dài của đường truyền. Sóng trên đường truyền được gọi là sóng chạy. Từ công thức trên ta cũng rút ra được quan hệ giữa hệ số sóng đứng S và hệ số phản xạ Γ: | | (2.24) 2.1.2.4. Công suất trung bình truyền theo đường dây truyền sóng Ta khảo sát công suất trung bình theo đường truyền, qua điểm có tọa độ z, ta có công thức: | | | | (2.25) Ta thấy: | | là công suất trung bình của sóng tới. | | | | là công suất trung bình sóng phản xạ Như vậy, công suất trung bình = hiêu công suất trung bình sóng tới – công suất trung bình sóng phản xạ. Ta có một số nhận sét sau: + Khi Γ = 0, phối hợp trở kháng: toàn bộ công suất được truyền cho tải. + Khi Γ = 1, công suất sóng tới và sóng phản xạ có giá trị bằng nhau do đó công suất truyền cho tải bằng 0. 21 + Khi Γ ≠ 0, không phải toàn bộ công suất được truyền cho tải mà còn có một bộ phận bị phản xạ lại gây tổn hao công suất. Ta gọi đó là tổn hảo do phản xạ (tỷ số giữa công suất phản xạ và công suất đến). 2.2. Giản đồ Smith Trong kỹ thuật siêu cao tần các bài toán phân tích thiết kế các mạch điện ở tần số siêu cao thường dẫn tới việc giải các hệ phương trình rất phức tạp. Để đơn giản hóa các bài toán, chúng ta có thể giải thông qua các đồ thị giản đồ. Và giản đồ được biết đến, sử dụng rộng rãi và là công cụ đồ họa hữu dụng dành cho các kỹ sử điện tử, đặc biệt là điện tử cao tần là Giản đồ Smith được Phillip Smith phát minh tại phòng thí nghiệm Bell Telephone vào năm 1939. Giản đồ có thể sử dụng để biểu diễn nhiều tham số của đường dây truyền dẫn cũng như mạch cao tần (trở kháng, dẫn nạp, hệ số phản xạ). Giản đồ này được biểu diễn hình học bởi biểu thức: (2.26) Viết chuẩn hóa dưới dạng (chia cho R0) (2.27) Với Γ = |Γ| , biểu thức chuẩn hóa có dạng: | | | | (2.28) Hệ số phản xạ Γ bất kỳ có thể biểu diễn lên hệ tọa độ dưới dạng một bán kính vector |Γ| và góc pha θ. Ứng với mỗi điểm trên mặt phẳng của hệ số phản xạ có một giá trị của hệ số phản xạ và một giá trị trở kháng z xác định. Ta có, và thay vào biểu thức ban đầu: (2.29) Trong đó: là điện trở của tải, là trở kháng của tải. là phần thực của hệ số phản xạ Γ. là phần ảo của hệ số phản xạ Γ. Trên mặt phẳng hệ số phản xạ (giới hạn trong vòng tròn bán kính bằng một và |Γ| ≤ 1) có thể vẽ được 2 họ đường cong, một họ gồm những đường đẳng r=const và một họ gồm những đừng đẳng điện kháng x=const. (2.30) (2.31) Biến đổi ta nhận được: (2.32) (2.33) 22 Mỗi phương trình trên biểu thị một họ đường tròn trong mặt phẳng , Hình 2.5: Các vòng tròn đẳng r trong mặt phẳng phức Γ. - Vòng tròn đẳng r: o Các đường đẳng r là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trúc hoành của giản đồ và luôn đi qua điểm có . Giá trị r của mỗi vòng tròn đẳng r được ghi dọc theo trục hoành, từ 0 → (điểm bên trái ứng với giá trị r = 0, điểm bên phải ứng với giá trị r = ). o Ta có những nhận xét sau:  Khi r=0, đường tròn r=0 có tâm tại (0,0) bán kính đơn vị 1. Đây là đường tròn có tâm tại gốc tọa độ của mặt phẳng phức Γ án kính là 1. Tất cả các giá trị của hệ số phản xạ trên đường tròn này đều tương ứng với trở kháng đường dây thuần kháng với thành phần điện trở bị triệt tiêu. Ta có thể kiểm chứng được rằng trong điều kiện trở kháng đường dây là thuần kháng hoặc bằng 0 (hay ) thì |Γ|=1.  Khi r=1, ta có đường tròn đẳng r=1 đi qua gốc tọa độ của Γ có tâm là (1/2,0) bán kính 0.5. Đường tròn này có tâm nằm trên trục . Ta nói rằng mọi điểm hệ số phản xạ Γ nằm trên vòng tròn đều tương ứng với trở kháng của đường dây có phần thực R đúng bằng trở kháng chuẩn hóa . 23  Khi r → , đường tròn có tâm tại (1,0) bán kính 0. Đường tròn này biến thành một điểm trong mặt phẳng phức Γ nằm tại tọa độ (1,0).  Khi r tăng, bán kính của đường tròn đẳng r nhỏ daanm tâm đường tròn di chuyển về phía Γ =1. Hình 2.6: Các vòng tròn đẳng x trong mặt phẳng phức Γ. - Vòng tròn đẳng x o Các đường đẳng x là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trục vuông góc với trực hoành tại . Có hai nhóm đường tròn đẳng x:  Nhóm các đường đẳng x với x>0 (cảm kháng) là các đường nằm ở phía trên của trục hoành. Giá trị x tang dần từ 0 đến và được ghi trên mỗi đường.  Nhóm các đường đẳng x với x<0 (dung kháng) là các đường nằm ở phía dưới của trục hoành. Giá trị x giảm dần từ 0 đến và được ghi trên mỗi đường. o Ta có nhận xét sau:  Khi x=0, vòng tròn đẳng x biến thành một đường thẳng và nằm trên trục hoành của của mặt phẳng phức Γ và với trở kháng đường dây là thuần trở thì hệ số phản xạ Γ là số thực.  Khi x→ , vòng tròn đẳng x biến thành một điểm nằm tại điểm 24 (1,0) trong mặt phẳng phức Γ, nghĩa là tại điểm .  Mặt khác, do hệ số phản xạ trên đường truyền |Γ|≤1 nên ta chỉ vẽ các vòng tròn đẳng x nằm trong vòng trong có đơn vị |Γ|=1. Hình 2.7: Các vòng tròn đẳng |Γ| và đẳng S trong mặt phẳng phức Γ. - Các vòng tròn đẳng |Γ| o Trong mặt phẳng , người ta cũng có thể vẽ họ đường tròn đẳng |Γ| là những vòng tròn đồng tâm, có tâm điểm đặt tại gốc tọa độ ( và có bán kính là |Γ| nhận các giá trị từ 0 đến 1. Vòng tròn |Γ|=0 trùng với điểm gốc tọa độ, còn vòng tròn |Γ|=1 trung với vòng tròn đẳng (vòng tròn ngoài cùng trong hình trên) o Các giá trị góc θ biểu diễn vector Γ trong mặt phẳng phức được khắc trên chu vi của đồ thị Smith. Góc để tính θ là trục thực còn chiều dương của θ là chiều ngược với chiều chuyển động của kim đồng hồ, còn chiều âm là chiều chuyển động của kim đồng hồ - Các vòng tròn đẳng S o Các vòng tròn đẳng S (hệ số sóng đứng) hay đẳng (hệ số sóng chạy) cũng là những đường tròn đồng tâm giống như các đường đẳng |Γ| 25 nhưng giá trị của S và được xác định theo |Γ|, ta có công thức: | | | | (2.34) | | | | (2.35) o Để tiện cho việc đọc các giá trị của S hay (1/S) trên trục hoành người ta không khắc độ theo giá trị S. Điểm gốc tọa độ (ứng với |Γ|=0) sẽ tương ứng với S=1 (đường tròn đẳng S=1). Khi |Γ| lấy các giá trị từ 0 đến 1 thì S sẽ nhận giá trị từ 1 đến . Trong khoảng từ 0 đến 1 của trục thực, người ta khắc độ theo S với các giá trị từ 1 đến . Như vậy, vòng tròn ngoài cùng (|Γ|=1) sẽ ứng với vòng tròn S= . o Vì các đường tròn đẳng S có tâm là gốc tọa độ nên việc xác định 1/S chỉ là phép lấy đối xứng qua tâm. Như vậy nửa bên trái của trục thực sẽ được khắc độ theo 1/S. Vòng tròn ngoài cùng sẽ là vòng tròn còn điểm gốc tọa độ sẽ là vòng tròn . Ngoài ra, để thuận tiện cho việc tính toán người ta còn bổ sung một thang giá trị khắc theo trên chu vi của đồ thị. Bởi vì phân bố sóng đưng trên đường dây lặp lại theo chu kỳ nên việc khắc độ theo chu vi vòng tròn cũng được thực hiện từ đến . o Cuối cùng, đồ thị đầy đủ được thiết lập với tất cả các ghi chú tạo thành giản đồ Smith chuẩn. 26 Hình 2.8: Giản đồ Smith. o Sau đây ta tóm lược các điểm đáng chú ý của giản đồ Smith:  Tất cả các giá trị trở kháng trên giản đồ Smith đều là trở kháng chuẩn hóa theo một điện trở chuẩn định trước, thường là trở kháng đặc tính Z0 của đường truyền không tổn hao.  Giản đồ Smith nằm trong phạm vi của vòng tròn đơn vị vì hệ số phản xạ Γcó mô đun nhỏ hơn hoặc bằng 1.  Các đường đẳng r và các đường đẳng x là họ các đường tròn trực giao với nhau. Giao điểm của một đường đẳng r và một đường đẳng x bất kỳ sẽ biểu thị một trở kháng z = r+ ix, đồng thời cũng biểu thị hệ số phản xạ tại điểm trở kháng z.  Tâm điểm của giản đồ Smith là giao điểm của đường đẳng r=1 và đường đẳng x=0 (nằm trên trục hoành), do đó điểm này đại biểu cho trở kháng thuần z=1. Đây là điểm đặc trưng trở kháng 27 thuần Z0 cho phép phối hợp trở kháng trên đường dây (đây là điểm có hệ số phản xạ=0 và hệ số sóng đứng là 1).  Điểm tận cùng bên trái của trục hoành là giao điểm của đường đẳng r=0 và đường đẳng x=0, do đó biểu thị cho trở kháng z=0 (tức Z=0), nghĩa là ứng với trường hợp ngắn mạch. Tại đây hệ số phản xạ Γ=-1.  Điểm tận cùng bên phải của trục hoành là điểm đặc biệt mà tất cả các đường đẳng r và đẳng x đều đi qua. Tai đây có r= , x= , do đó z= (tức Z= ), nghĩa là ứng với trường hợp hở mạch. Tại đây ta có hệ số phản xạ Γ=1.  Hệ số phản xạ tại vị trí l trên đường truyền có thể được xác định khi biết hệ số phản xạ Γ tại vị trí tải, dựa vào công thức: Γ(l)=Γ  Giản đồ Smith cho phép thực hiện phép tính này khi quay vector Γ trên giản đồ một góc quay ứng với một độ dịch chuyển bằng 2βl, trong đó β= .  Góc quay này có thể xác định theo độ (từ -180 độ đến 180 độ), hoặc theo số bước sóng (từ 0 đến 0.5λ cho mỗi vòng quay).  Theo quy định của giản đồ Smith:  Chiều quay từ tải hướng về nguồn là thuận chiều kim đồng hồ.  Chiều qua từ nguồn hướng về tải là ngược chiều kim đồng hồ.  Trên mỗi chiều quay, có một vòng đánh số theo độ và một vòng đánh số theo bước sóng.  Khi vẽ đường tròn đẳng S trên giản đồ Smith thì đường tròn này sẽ cắt trục hoành tại 2 điểm. Giao điểm nằm phía bên phải của tâm giản đồ biểu thị cho vị trí trên đường dây có z= , với . Đây chính là điểm bụng của sóng đứng. Ngược lại, giao điểm nằm trái của tâm giản đồ biểu thị cho vị trí trên đường dây có z= , với =1/S. Đây chính là điểm nút của sóng đứng. Trên giản đồ Smith cũng nhận thấy ngày khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng bằng 0.25λ. 28 2.3. Kỹ thuật phối hợp trở kháng 2.3.1. Khái quát chung. - Phối hợp trở kháng là một vấn đề rất quan trọng của kỹ thuật siêu cao tần, là một phần của quá trình thiết kế mạch liên hệ thống siêu cao tần dựa trên cơ sở áp dụng những kiến thức về lí thuyết đường truyền sóng. - Nội dung của phối hợp trở kháng được minh họa ở hình 2.9, trong đó sử dụng một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng. - Mạch phối hợp thường là một mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết kế sao cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng đặc trưng Z0 của đường truyền. - Khi ấy sự phản xạ sóng ở phía trái của mạch phối hợp về phía đường truyền dẫn sẽ không còn nữa, chỉ còn trong phạm vi giới hạn giữa tải và mạch phối hợp, cũng có thể là phản xạ qua lại nhiều lần. Quá trình phối hợp cũng được coi là quá trình điều chỉnh. Hình 2.9: Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao giữa trở kháng tải bất kỳ và đường truyền dẫn sóng. - Sự phối hợp trở kháng hay điều chỉnh là quan trọng về những lý do sau: o Khi thực hiện phối hợp trở kháng công suất truyền cho tải sẽ đạt được cực đại còn tổn thất đường truyền là cực tiểu. o Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỉ số tín hiệu/tạp nhiễu của hệ thống khác trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âm thấp o Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần, phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khi phân chia công suất. 2.3.2. Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung. - Mạch phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung là loại mạch đơn giản nhất do chỉ dùng hai phần tử điện kháng mắc thành hình chữ nhật( thuận hoặc nghịch) được gọi là mạch hình L. 29 Hình 2.10: Mạch phối hợp trở kháng hình L. - Trước hết ta rút ra hai biểu thức giải thích cho các phần tử của hai loại mạch hình L sau đó sẽ trình bày phương pháp xác định giá trị các phần tử bằng cách áp dụng giản đồ Smith. + Khảo sát hình (a): Giả sử điều kiện để đạt được phối hợp trở kháng là trở kháng nhìn từ đường truyền vào mạch phối hợp bao gồm cả tải bằng Z0 nghĩa là: (2.36) + Biến đổi tách riêng từng phần phần thực, phần ảo sẽ nhận được hai phương trình với hai ẩn số X và B: (2.37) (2.38) + Giải hai phương trình trên ta được: √ √ (2.39) + Mạch được ứng dụng trong trường hợp Z0 < RL (2.40) + Tiếp theo khảo sát sơ đồ (b) để đạt được phối hợp dẫn nạp vào nhìn từ đường truyền về phía mạch phối hợp bao gồm cả hai tải phải bằng 1/Z0, nghĩa là: (2.41) + Thực hiện biến đổi tách riêng từng phần thực và phần ảo của biểu thức, ta nhận được hau phương trình với hai ẩn số X và B: (2.42) (2.43) + Giải hải phương trình trên: √ (2.44) √ (2.45) 30 + Vậy mạch dùng trong trường hợp Z0>RL + Thiết kế phối hợp trở kháng dạng L dùng giản đồ Smith: - Trường hợp Z0<RL, trở kháng tải chuẩn hóa XL= ̅L= = sẽ có phần thực rL>1. Do vậy điểm biểu diễn của zL trên giản đồ smith sẽ nằm bên trong vòng tròn r=1. - Ngược lại Z0>RL được biểu diễn cho zL trên giản đồ smith sẽ nằm bên ngoài vòng tròn r=1. - Hình 2.11 chỉ ra 8 khả năng ghép nối mạch phối hợp trở kháng kiểu L. Hình 2.11: Các sơ đồ phối hợp trở kháng kiểu L. - Các sơ đồ phối hợp trở kháng kiểu L dùng để biến đổi một trở kháng bất kỳ nào đó (chẳng hạn trở kháng của anten với được truyền cho trước với trở kháng Z0). Mỗi sơ đồ gồm 2 phần tử tính từ trái sang phải, phần từ thứ nhất có thể mắc nối tiếp với tải (kí hiệu S) hoặc song song với tải (kí hiệu SH) và phần tử thứ 2 cũng có thể SH hoặc S với tải. Giả sử như sơ đồ [1] là phần tử L mắc nối tiếp với trở tải ZL, phần tử thứ 2 là C mắc song song với trở tải, khi đó ký hiệu sơ đồ [1] là [LSCSH]. Sơ đồ [2] và sơ đồ [1] đổi chỗ cho nhau cùng là L nối tiếp và C song song nhưng đổi thứ tự cho nhau. Khi đó sơ đồ [2] ký hiệu [CSHLS]. Tương tự như vậy với các sơ đồ [3] và [4], [5] và [6], [7] 31 và [8]. 2.3.3. Phối hợp trở kháng dùng dây chêm - Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu một phương pháp phối hợp trở kháng sử dụng đoạn đường truyền ngắn mạch hoặc hở mạch (gọi là dây nhánh hay dây chêm), được mắc song song hoặc nối tiếp với được truyền đặ