Luận văn Nghiên cứu thiết kế chế tạo modun khuếch đại công suất dùng trong máy phát Radar dải sóng DM (820 - 900Mhz)

ển mạch Duplexer sẽ chuyển hệ thống radar từ chế độ phát sang chế độ thu. Trong trạng thái phát, chuyển mạch sẽ nối anten với bộ phận phát và không kết nối với bộ phận thu. Bộ thu sẽ được cách lý với xung truyền có công suất cao để bảo vệ bộ thu tránh bị hỏng những bộ phận có độ nhạy cao. Ngay sau quá trình phát, chuyển mạch sẽ ngắt kết nối với bộ phận truyền và kết nối bộ thu với anten. Hình 1.3. Sơ đồ kết nối anten Khối tạo sóng Waveform Generator Bộ phận phát tín hiệu số được xây dựng bởi sự liên kết với nguồn tín hiệu số với bộ chuyển đổi D/A. Trong quá trình hoạt động thì bộ nhớ số được sử dụng dể lưu giữ tín hiệu dạng số. Bộ nhớ sẽ đọc ra các đặc trưng của dạng sóng yêu cầu. Ở đó tạo ra các dạng xung một cách rất linh hoạt và mềm dẻo. Khối dao động Local Osillators Khối dao động là bộ phận không thể thiếu trong kỹ thuật siêu cao tần như radar. Bản chất của khối dao động là một thiết bị hoạt động và truyền tần số vào bộ phận viễn thông. Bộ dao động điều chỉnh được thường sử dụng tụ biến dung để điều chỉnh tần số dao động. Khối dao động điều chỉnh điện áp(VCO) là khối dao động mà yếu tố biến đổi cơ bản là diode biến dung. VCO được điều chỉnh trên băng tần của nó bởi điện áp một chiều DC sạch áp vào diode biến dung. Mạch vòng bám pha sẽ được sử dụng để điều khiển tần số của VCO. Khối trộn tần(Mixer) Trộn tần là quá trình tác động lên hai tín hiệu sao cho trên đầu ra bộ trộn tần nhận được các thành phần tần số tổng hoặc hiệu của hai tín hiệu đó. Bộ trộn tần có nhiệm vụ cho ra một tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha hoặc hiệu tần số của hai tín hiệu vào. Giả sử tín hiệu điều khiển và tín hiệu ra có điện thế được viết bởi công thức sau: (1.3) Khi đó tín hiệu ra của bộ tách sóng pha sẽ là: (1.4) (1.5) (1.6) Từ công thức trên ta thấy tín hiệu ra của bộ tách sóng pha bao gồm cả tổng và hiệu tần số của hai tín hiệu vào. Tuy nhiên mạch lọc thông thấp không cho phép tín hiệu tổng đi qua mà chỉ cho phép tín hiệu vi sai đi qua. Mixer được sử dụng để truyền tín hiệu trong một dải phổ này tới một dải phổ khác. Trong truyền dẫn radar, Mixer được sử dụng để truyền trực tiếp tần số của tín hiệu (IF) được tạo ra bởi bộ tạo dao động sang tín hiệu cao tần RF. Khối thực hiện điều đó được gọi là bộ biến đổi tăng tần số lên. Trong radar nhận tín hiệu thì Mixer lại làm nhiệm vụ ngược lại là giảm tần số thu được xuống từ tần số RF về trung tần IF. Hình 1.4. Mô hình hoạt động bộ trộn tần Khối khuếch đại công suất (Power Amplifier) Khối khuếch đại là một thiết bị biến đổi tín hiệu có biên độ nhỏ ở đầu vào thành một tín hiệu có biên độ lớn ở đầu ra mà dạng tín hiệu không thay đổi. Thực chất khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng của nguồn cung cấp một chiều được biến đổi thành năng lượng xoay chiều có quy luật giống như quy luật của tín hiệu điều khiển. Mạch khuếch đại được chia thành nhiều loại khác nhau: Theo dạng tín hiệu cần khuếch đại: khuếch đại tín hiệu liên tục( khuếch đại micro, âm thanh) và khuếch đại tín hiệu xung( radarr, máy thu hình, các thiết bị tính toán, điều khiển). Theo dải tần số tín hiệu cần khuếch đại: mạch khuếch đại một chiều (f= 0 và tần số thấp), mạch khuếch đại tần thấp( f= 16Hz đến 20KHz), khuếch đại trung tần và cao tần( f > 20KHz) Theo đặc tuyến tần số: mạch khuếch đại cộng hưởng( hệ số khuếch đại K đạt giá trị lớn nhất tại tần số cộng hưởng), khuếch đại dải hẹp( K không thay đổi trong một dải hẹp tần số và suy giảm rõ rệt ngoài vùng này), khuếch đại dải rộng( dải tần làm việc cỡ vài chục MHz). Theo trở tải: khuếch đại điện trở, khuếch đại biến thế, khuếch đại cộng hưởng, khuếch đại điện cảm Theo tính chất các đại lượng vật lý lấy ra: khuếch đại thế (KU), khuếch đại dòng (Ki), khuếch đại công suất (Kp). Thông thường các tín hiệu cần thu có tần số từ hàng chục MHz đến hàng trăm MHz thậm chí đến hàng chục GHz. Tín hiệu thu được thường rất nhỏ, cần phải khuếch đại lên nhiều lần, để có tín hiệu đủ lớn( trên vài chục vôn) đáp ứng yêu cầu của mạch tách sóng. Nếu dùng nhiều tầng khuếch đại sẽ dẫn đến kết cấu và kỹ thuật phức tạp và rất dễ bị tự kích làm độ nhạy không cao, chất lượng kém. Ngày nay, hầu hết tất cả các máy thu đều hoạt động theo nguyên tắc thu đổi tần. Tín hiệu thu từ ăng ten có tần số thu được đưa vào một bộ biến đổi tần. Trong máy thu có bộ dao động nội phát ra dao động có tần số tần số là wn. Dao động này cũng được đưa vào bộ biến đổi tần trộn với tín hiệu wth. Ở lối ra của bộ biến tần sẽ thu được tín hiệu có tần số: (1.7) Khi cần thu tín hiệu có tần số wth bất kỳ, thì dù wth biến đổi thế nào cũng biến đổi một lượng tương tự để luôn đảm bảo có giá trị cố định. Vậy là tần số trung gian giữa wth và và được gọi là khuếch đại trung tần. Khuếch đại trung tần hoạt động ở tần số thấp nên dễ khuếch đại và hệ số khuếch đại đạt được rất lớn, tính ổn định cao và cũng rất gọn nhẹ, dễ chế tạo. Đối với máy pháy radar thì khối khuếch đại công suất được sử dụng để khuếch đại tín hiệu cao tần trước khi phát. Trong lịch sử có nhiều kiểu bộ khuếch đại được sử dụng trong radar, chẳng hạn như ống khuếch đại có điều khiển lưới, khuếch đại từ trường chéo(CFAs), ống truyền sóng(TWTs),Đối với bộ khuếch đại công suất lớn, các tham số quan trọng là hệ số khuếch đại và độ ổn định trong dải tần làm việc. Hệ số khuếch đại lớn mà vẫn đảm bào được sự ổn định trong dải tần làm việc Khối khuếch đại tạp âm thấp(Low Noise Amplifier) Tín hiệu thu được thường có biên độ rất nhỏ và có lẫn tạp. Mục đích của bộ khuếch đại tạp âm thấp(LNA) là nâng tín hiệu lên công suất theo yêu cầu trong khi tín hiệu đã bị lẫn thêm tạp và có thể bị méo dạng tín hiệu vì vậy sự phục hồi của tín hiệu có thể gây một sự trễ trong hệ thống. Bộ LNA là bộ khuếch đại với tạp âm thấp. Tín hiệu tạp được xác đinh bằng hệ số tín hiệu tạp lối vào trên hệ số tín hiệu tạp lối ra. LNA được sử dụng ở phần đầu của khối radar thu. Tham số khuếch đại có lẫn tạp âm thấp, nhất là ở sóng siêu cao tần. Khối điều khiển xử lý tín hiệu (Signal Processing/Data Processing/Control Subsysttôis) Công nghệ xử lý tín hiệu tùy thuộc vào tín hiệu thu được chưa được trộn. Một số công nghệ xử lý tín hiệu thông thường được sử dụng trong radar là hệ số tương quan, bộ lọc Doppler, phản xạ ảnh, Khối xử lý dữ liệu sử dụng bộ biến đổi dữ liệu được tạo ra bởi khối tín hiệu trực tiếp vào khi radar hoạt động. Khối xử lý tín hiệu là một khối rất phức tạp cả về công nghệ lẫn thuật toán. Khối điều khiển anten (Antenna Positioning Systtôi) Trong một số hệ thống radar, anten được điều khiển theo vị trí. Trong đó mô tơ được sử dụng để điều khiển vị trí của anten. Nếu anten chỉ cần quay ở một tốc độ đơn thuần nhất định thì chỉ cần mô tơ đơn là đủ cho việc đó. Còn nếu anten quay với các tốc độ khác nhau thì một vài các bộ phận hỗ trợ điều khiển anten sẽ được sử dụng. Khối nguồn(Power Systtôi) Radar là một hệ thống điện tử rất phức tạp. Mỗi thành phần đều cần có khối nguồn để vận hành. Trong quá trình hoạt động, mỗi bộ phận lại cần các giá trị điện áp khác nhau. Để đáp ứng các giá trị nguồn khác nhau đó, chỉ cần sử dụng một nguồn bên ngoài, sau đó điện áp được biến đổi thành các mức điện áp cần thiết. Để biến đổi điện áp DC thành các mức điện áp DC thường sử dụng các nguồn Switching điều chỉnh. Các nguồn Switching điều chỉnh là mạch điện tử ở đó sử dụng các cuộn dây, các transistor hoặc tụ điện như là phần tử dự trữ năng lượng để truyền tải năng lượng từ khối vào tới các khối ra. Khối hiển thị (display) Khối màn hình hiển thị có chức năng hiển thị các thông tin- thông số kỹ thuật của hệ thống radar, thông tin về mục tiêu mà radar thu được. Khối có chức năng giúp con người giao tiếp vơi hệ thống radar. CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THU PHÁT SIÊU CAO TẦN 1. Giới thiệu chung Thuật ngữ “viba” hay sóng siêu cao tần (microwaves) là để chỉ những sóng điện từ có bước sóng rất nhỏ, ứng với phạm vi tần số rất cao của phổ tần số vô tuyến điện. Phạm vi của dải tần số này cũng không có sự quy định chặt chẽ và thống nhất toàn thế giới. Giới hạn trên của dải thường được coi là tới 300GHz (f = 3.1011 Hz), ứng với bước sóng l = 1 mm(sóng milimet), còn giới hạn dưới có thể khác nhau tuỳ thuộc vào các quy ước theo như tập quán sử dụng. Một số nước coi "sóng cực ngắn" là những sóng có tần số cao hơn 30 MHz ( bước sóng l ≤ 10m ), còn một số nước khác coi "viba" là những sóng có tần số cao hơn 300 MHz ( bước sóng l ≤ 1 m ). Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và những thành tựu đạt được trong việc chinh phục các băng tần cao của phổ tần số vô tuyến, khái niệm về phạm vi dải tần của "viba" cũng có thể còn thay đổi. UHF (Ultra High Frequency): f = 300 MHz ÷ 3 GHz SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz EHF (Extrtôiely High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz Máy phát siêu cao tần, công suất lớn hoạt động trong dải tần 820Mhz đến 900Mhz của đài radar tầm thấp được xây dựng dựa trên phương pháp tổ hợp công suất trong máy. Khối công suất là tổ hợp của nhiều modul công suất nhỏ để tạo ra khối có công suất lối ra lớn. Do vậy lý thuyết siêu cao tần là nền tảng để giải quyết vấn đề trên. Thiết kế mạch khuếch đại công suất trong kỹ thuật siêu cao tần Khi nghiên cứu đường truyền đối với các tín hiệu tần thấp, ta thường coi các đường dây nối(hay đường truyền) là ngắn mạch. Điều này chỉ đúng khi kích thước của mạch là nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu. Còn đối với tín hiệu cao tần và đặc biệt đối với tín hiệu siêu cao thì ta phải có những nghiên cứu đặc biệt về đường truyền. Trong các hệ thống siêu cao tần và sóng milimet, bước sóng của tín hiệu có thể bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của các bộ phận và đường truyền của chúng. Điều này 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 sự biến đổi trở kháng này gây ra các sóng phản xạ trên đường truyền. Điều này sẽ dẫn đến sự tổn hao năng lượng trên đường truyền do năng lượng bị phản xạ. Luợng năng lượng bị phản xạ được xác định bởi hệ số phản xạ G, có quan hệ với trở kháng. Sơ đồ mạch điện tương đương được sử dụng rộng rãi trong tần số radio(RF) và trong sóng siêu cao tần để mô tả trạng thái mạch điện trong cả hai trường hợp phần tử tích cực và phần tử thụ động. Trong mạng hai cổng thì các yếu tố truyền như là hằng số trở kháng Z, yếu tố dẫn nạp Y, và hệ số tán xạ S là các tham số quan trọng nhất thể hiện tính chất đặc biệt của các yếu tố phi tuyến như transistor lưỡng cực hoặc transistor trường, khi chúng ta thiết kế các bộ khuếch đại hoặc các bộ dao động. Mô hình tương đương tham số tập trung của đường truyền Hình 2.1. Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương Nhìn chung, các đường truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song để tín hiệu điện áp truyền qua. Trước hết, chúng ta khảo sát một đường truyền gồm một cặp dây dẫn song song như hình vẽ. Hai dây dẫn này được mô hình hoá bằng: Điện dung song song tính theo chiều dài đơn vị của dây dẫn C [ F/m] Điện dẫn song song tính theo đơn vị dài [S/m] Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ tạo 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. Điện cảm nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ H/m] Điện trở nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ W/m] Một đoạn ngắn ∆z của đường truyền được biểu diễn trên sơ đồ tương đương như (hình 2.1). Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian. Phương trình sóng và nghiệm Xét một đoạn rất ngắn của đường dây truyền sóng. Sơ đồ tương đương của đoạn dây với các giá trị điện áp và dòng điện được hiển thị như ở hình 2.1b. Áp dụng định luật Kirchhoff, ta có thể viết các hệ thức sau đây đối với điện áp và dòng điện trên đoạn mạch, tại các thời điểm t: Đối với điện áp ta có: (2.1) Đối với dòng điện: (2.2) Ký hiệu: Chia (2.1) và (2.2) cho và cho ® , ta nhận được: (2.3) (2.4) Đối với tín hiệu hình sin, tần số ta có thể viết: ; Thay vào (2.3) và (2.4) ta nhận được: (2.5) (2.6) Thay (2.7) ta có thể viết lại (2.5) và (2.6): (2.8) Để tách riêng biến số, ta biến đổi vi phân (2.8) theo vật liệu và biến đổi đơn giản sẽ nhận được phương trình riêng biệt đối với V và I: (2.9) Phương trình (2.9) hệ phương trình vi phân bậc 2 của V và I cho phép tính V, I tại các điểm bất kỳ trên đường dây khi biết các thông số Z, Y của đường dây và các điều kiện biên. Truyền sóng trên đường dây. Nghiệm của phương trình vi phân Bây giờ ta tìm nghiệm của phương trình vi phân (2.9). Đặt Theo (2.7) ta có: Ta nhận thấy là một số phức, có thể viết (2.10) Hệ phương trình (2.9) có thể được viết lại (2.11) Theo lý thuyết về phương trình vi phân, ta có nghiệm của (2.11) (2.12a) (2.12b) Công thức (2.12a) và (2.12b) biểu thị các sóng điện áp và dòng điện trên đường dây, trong đó, số hạng chứa biểu thị cho sóng truyền theo hướng +z (sóng thuận), còn số hạng chứa biểu thị cho sóng truyền theo hướng -z (sóng ngược), với g là hệ số truyền sóng phức được xác định theo (2.10) và biểu thị cho biên độ điện áp và dòng điện sóng thuận. và biểu thị cho biên độ điện áp và dòng điện sóng ngược. Từ (2.5) ta suy ra: Áp dụng (2.12a) ta nhận được: (2.13a) Ký hiệu , ta viết lại (2.13a): (2.13b) So sánh (2.13b) với (2.12b) ta rút ra được các mối quan hệ sau: ; (2.14) Trong đó (2.15) Từ (2.14) có thể viết (2.16) Khi chuyển biểu thức biểu thị hàm sóng về miền thời gian, ta cần nhân thêm với hàm mũ , nghĩa là: Lưu ý rằng biên độ của điện áp V0 (hoặc dòng điện I0) cũng là các đại lượng phức, ví dụ: do đó: Nếu viết dưới dạng hàm lượng giác, ta có biểu thức của sóng điện áp trên đường dây: (2.17) Vận dụng các phép chứng minh và suy luận như khi nghiên cứu lý thuyết sóng điện từ phẳng trong giáo trình “Lý thuyết trường điện từ”, ta xác định được ý nghĩa vật lý cũng như các mối quan hệ của các số hạng trong (2.17): - hệ số pha của sóng, có quan hệ với bước sóng công tác bởi: (2.18) và có quan hệ với vận tốc pha của sóng bởi: (2.19) Các biểu thức nhận được ở trên là các công thức tổng quát cho trường hợp đường truyền dẫn sóng thực tế có tổn hao, nghĩa là khi các dây dẫn không phải là vật dẫn lý tưởng (R¹0) và điện môi trong không gian giữa các dây dẫn không phải là điện môi lý tưởng (d¹0). Xét trường hợp đường dây truyền sóng không tổn hao: Đối với trường hợp đường dây truyền sóng lý tưởng ta có: R=0; d=0 Thay vào (2.10), ta nhận được: (2.20) Suy ra: (2.21) Trở kháng đặc tính của đường truyền được xác định theo (2.15): là đại lượng thực (2.22) Nghiệm tổng quát của V và I trên đường dây truyền sóng không tổn hao, theo (2.12a) và (2.13a) sẽ có dạng: (2.23a) (2.23b) Bước sóng trong đường dây, theo (2.18) bằng: (2.24) Và vận tốc pha của sóng: (2.25) Thiết kế bộ khuếch đại siêu cao tần sử dụng ma trận tán xạ [S] Ở các tần số microwave, không thể đo trở kháng và dẫn nạp của transistor một cách trực tiếp. Trong khi đó, có thể đo được ma trận tán xạ của nó. Vì vậy, phương pháp thiết kế sử dụng ma trận tán xạ luôn được sử dụng rộng rãi. Các tham số Sij của transistor đo được bằng cách chèn transistor vào một mạch test với các đường truyền 50W, đặt đúng thiên áp cần hoạt động và đo các tham số Sij dùng máy phân tích mạng. Việc thiết kế một bộ khuếch đại cao tần thường theo những mục đích sau: Hệ số khuếch đại công suất cực đại Tầng đầu tiên có noise figure nhỏ. Điều này yêu cầu trở kháng nguồn cụ thể. Giá trị tối ưu cho noise figure thấp nhất được cho bởi các nhà sản xuất transistor. Hệ số khuếch đại ổn định, nghĩa là không có dao động. Hệ số khuếch đại thích hợp và đồng đều trên một khoảng băng tần nhất định. Đáp ứng pha là hàm tuyến tính theo w (không méo, chỉ có trễ nhóm) Không nhạy với những thay đổi nhỏ của các tham số Sij. Tất cả các mục tiêu trên không phải yêu cầu cùng một lúc. Trong khi thiết kế, có thể có yêu cầu này chống lại yêu cầu kia, ví dụ: hy sinh hệ số khuếch đại để đổi lấy độ ổn định. Để thiết kế các bộ khuếch đại hệ số khuếch đại công suất lớn, tạp âm thấp, cần phải sử dụng đến các khái niệm vòng tròn ổn định, vòng tròn hằng số hệ số khuếch đại công suất, vòng tròn hằng số mất phối hợp trở kháng và vòng tròn hằng số noise figure được biểu diễn trên đồ thị Smith. Tất cả các mạch khuếch đại tần số thấp khác như khuếch đại đẩy kéo cân bằng (balanced push-pull amplifier), khuếch đại chồng tầng (cascode amplifiers) và khuếch đại sóng chạy (traveling-wave amplifier) cũng được sử dụng ở tần số microwave. Một transistor không ổn định có thể được ổn định bằng cách đặt một điện trở ở lối vào, lối ra hoặc cả hai nhằm giảm hệ số khuếch đại công suất và tăng noise figure. Độ ổn định cũng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phản hồi âm. Trong thiết kế các bộ khuếch đại công suất lớn, cần phải xét đến đặc trưng phi tuyến, phải chú ý hơn tới sự tiêu tán công suất của transistor và việc thiết kế đầy đủ tản nhiệt. Một bộ khuếch đại công suất lớn, để đạt được độ ổn định cần phải đặt một tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ đầu tiên. Do đó, phương pháp thiết kế mạng 2 cổng tuyến tính cũng rất cần thiết trong phần khuếch đại tín hiệu lớn. Các tham số tán xạ của mạng hai cổng Khái niệm điện áp tới và điện áp phản xạ và các tham số của dòng điện có thể được làm rõ bởi mạng một cổng được minh họa trên hình 2.2. Ở đó trở kháng Z được nối với nguồn tín hiệu VS với trở kháng lối vào ZS. Trong một số trường hợp, dòng điện I và điện áp V bao gồm cả thành phần tới và thành phần phản xạ. Khi trở kháng tải bằng với trở kháng kết hợp với nguồn lối vàothì dòng điện lối ra bằng dòng điện lối vào. Trong trường hợp này, mạch điện được phối hợp trở kháng, công suất truyền tín hiệu là lớn nhất. Hình 2.2. Sơ đồ tương đương mạng một cổng Từ sơ đồ mạch điện, ta có: Điện áp lối ra tải tính theo điện áp lối vào như sau: Kết quả là, công suất lối vào đạt giá trị lớn nhất là bằng công suất của nguồn tín hiệu lối vào. Công suất lối vào cũng có thể được tính theo điện áp lối vào Vi theo biểu thức (2.27) Hệ số chuẩn hóa của tín hiệu lối vào a được định nghĩa là căn bậc hai của công suất lối vào Pi được cho bởi biểu thức sau: Tương tự, hệ số chuẩn hóa của tín hiệu phản xạ b được định nghĩa là căn bậc hai của công suất phản xạ cho bởi biểu thức: Công suất lối vào cũng được tính theo dòng điện lối vào và công suất phản xạ được tính theo dòng điện phản xạ như sau: Do vậy, thành phần đặc trưng cho sóng tới và sóng phản xạ được tính như sau: Hằng số a và hằng số b có thể gọi tắt là tín hiệu chuẩn hóa sóng tới và tín hiệu chuẩn hóa sóng phản xạ đối với cả dòng điện và điện áp. Điện áp V và dòng điện I có mối liên hệ với a và b như sau: Trong đó: Trở kháng lối vào ZS thường là hoàn toàn tích cực và xác định, do đó nó thường được sử dụng làm trở kháng chuẩn hóa, trong kỹ thuật thiết kế mạch sóng cực ngắn, trở kháng đặc biệt của mạng hai cổng bao gồm đường truyền và các đầu nối, trở kháng này được gọi là trở kháng chuẩn hóa và gắn với giá trị là 50. Điều này rất quan trọng cho việc tính toán các hệ số S khi mà tất cả các đường truyền, nguồn và tải sẽ được coi là các trở kháng phức. Khi mà , với Z0 là trở kháng chuẩn hóa. Tỷ số giữa tín hiệu chuẩn hóa phản xạ và tín hiệu chuẩn hóa lối vào được gọi là hệ số phản xạ được định nghĩa bởi: với Z= V/I. Ta biết rằng, điện áp và dòng điện trên đường truyền bao gồm tổng của sóng tới và sóng phản xạ tạo thành sóng đứng. Nếu G = 0 thì không có phản xạ. Để có G = 0 thì theo phương trình (2.39) ta phải có , tức trở kháng tải bằng trở kháng đặc trưng của đường truyền. Ta gọi trường hợp này là phối hợp trở kháng. Đối với mạng hai cổng, sơ đồ tương đương như hình 2.3. các sóng phản xạ chuẩn hóa b1 và b2 có liên hệ với các sóng chuẩn hóa lối vào a1 và a2 như sau: Hoặc viết dưới dạng ma trận Hình 2.3. Sơ đồ tương đương mạng hai cổng Các hệ số chuẩn hóa sóng tới a1, a2 và các hệ số chuẩn hóa sóng phản xạ b1 và b2 liên quan với nguồn điện áp và trở kháng lối vào và trờ tải như sau: s11, s12, s21 và s22 là các tham số tán xạ S của mạng hai cổng. Từ biểu thức (2.42) nếu cho a2 = 0 thì: Trong đó s11 là hệ số sóng phản xạ tại cổng vào ra ngoài khi cổng ra được phối hợp trở kháng. Và s21 là hệ số truyền từ cổng vào tới cổng ra khi cổng ra được phối hợp trở kháng. Tương tự, ta cũng tính được các hệ số s12 và s22 khi cho các điều kiện biên như sau: Trong đó, s12 là hệ số truyền và s22 là hệ số phản xạ khi lối vào được phối hợp trở kháng. Trong kỹ thuật thiết kế mạch khuếch đại siêu cao tần sử dụng transstor, ta quan tâm đến hệ số phản xạ s11 và hệ số truyền ngược s12 và s21. Bởi vì trong quá trình truyền tín hiệu từ lối vào tới lối ra, nếu s11 càng nhỏ thì điều đó thể hiện trong quá trình truyền tín hiệu trong mạch xẩy ra hiện tượng sóng phản xạ càng nhỏ, dẫn đến tổn hao do sóng phản xạ nhỏ,công suất truyền sẽ lớn. Một số phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản được mô tả ở hình 2.4, 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 sóng Zo của đường truyền. Hình 2.4. Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản Mạch phối hợp trở kháng là phần quan trọng của một mạch siêu cao tần vì những lý do sau: Khi nguồn và tải được phối hợp trở kháng với đường truyền, năng lượng tối đa từ nguồn sẽ được truyền đến tải còn năng lượng tổn hao trên đường truyền là nhỏ nhất. Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ 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 v.v... Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp điện cho dàn anten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khi phân chia công suất. Sau đây chúng ta đề cập đến các phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản: Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung Đây là mạch phối hợp đơn giản nhất gồm hai phần tử điện kháng mắc thành hình chữ L được gọi là mạch hình L, có sơ đồ như vẽ ở hình 2.5. Giả thiết đường truyền dẫn không tổn hao (hay tổn hao thấp), có nghĩa Z0 là đại lượng thuần trở. Hình 2.5. Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung Nếu trở kháng đặc trưng của tải zL=ZL/Z0 nằm trong đường tròn 1+jx trên đồ thị Smith, chúng ta sử dụng sơ đồ 2a. Ngược lại nếu zL nằm ngoài đường tròn 1+jx, sơ đồ 2b thường được sử dụng. Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh Phối hợp trở kháng bằng dây nhánh là phương pháp được sử dụng khá phổ biến do đơn giản và dễ điều chỉnh. Có thể mắc dây nhánh vào đường truyền theo sơ đồ song song hoặc nối tiếp với đoạn dây hở mạch hoặc ngắn mạch (xem Hình 2.6) (a) (b) Hình 2.6. Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh Phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh Phương pháp phối hợp trở kháng bằng một dây nhánh có ưu điểm là đơn giản và có thể sử dụng để phối hợp cho mọi trường hợp trở kháng đặc trưng của tải có phần thực khác 0. Tuy nhiên nhược điểm của nó là sử dụng một đoạn đường truyền có độ dài biến đổi đặt giữa tải và dây nhánh. Trong một số trường hợp chúng ta sử dụng phương pháp phối hợp trở kháng dùng 2 dây nhánh nằm cách nhau một đoạn cố định. Tuy nhiên phương pháp này không thể sử dụng cho mọi trường hợp của trở kháng tải. Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng 2 đây nhánh được mô tả ở Hình 2.7a, trong đó tải có thể nằm cách dây nhánh đầu tiên một khoảng bất kì. Tuy nhiên, trong thực tế chúng ta thường sử dụng sơ đồ 2.7b, với tải đặt ngay sát dây nhánh thứ nhất. Sơ đồ 2.7b thường dễ thực hiện hơn mà vẫn không làm mất tính tổng quát của bài toán. Hai dây nhánh sử dụng trong sơ đồ hình 2.7 là 2 dây nhánh song song vì chúng có thể được thực hiện đơn giản hơn các dây nhánh nối tiếp tuy nhiên về mặt lý thuyết các dây nhánh nối tiếp hoàn toàn có thể sử dụng để phối hợp trở kháng bằng phương pháp này. Các dây nhánh có thể hở mạch hoặc ngắn mạch. Hình 2.7. Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây nhánh song song Phối hợp trở kháng bằng doạn dây lamda/4 Đoạn dây λ/4 là phương pháp đơn giản để phối hợp một trở kháng tải thực với đường truyền. Một đặc điểm của đoạn dây λ/4 là chúng ta dễ dàng mở rộng phương pháp này để phối hợp cho cả một dải tần số. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp sử dụng đoạn dây λ/4 là chỉ sử dụng được để phối hợp cho trường hợp trở kháng tải là thực. Với một trở kháng tải phức chúng ta có thể sử dụng một đoạn đường truyền hoặc dùng dây nhánh để đưa trở kháng này về trở kháng thực, sau đó dùng phương pháp đoạn dây λ/4 để phối hợp. Hình 2.8 biểu diễn sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4 để phối hợp giữa trở kháng tải ZL thực với đường truyền có trở kháng đặc trưng Z0. Hình 2.8. Sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ Đây là trường hợp tổng quát hơn của phương pháp phối hợp bằng đoạn dây λ/4. Trong phương pháp này chúng ta dùng một dây truyền sóng có độ dài l bất kỳ mắc nối tiếp để phối hợp một trở kháng phức ZL với một đường truyền sóng có trở kháng đặc trưng Z0 (Hình 2.9). Hình 2.9 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ Ở đây chúng ta cần xác định Za và l dể có