ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
__***
_________
Đề tài
NGHIÊN CỨU, THIÉT KÉ VÀ CHÉ TẠO B ộ
KHUÉCH ĐẠI CÔNG SUẤT DÙNG TRONG PHÁT
CAO TẰN
Mã số: QT-09-13
Chủ trì đề tài: ThS Đặng Thị Thanh Thiíy
ĐA ì HỌC ©U Ổ C G IA HA NCI_
TRUNG 1ÁM Ih O n G TirJ Thư v iệ n
Hà nội- 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
ĩfc 'ệ'
NGHIÊN CỨU, THIÉT KÉ VA CHÉ TẠO Bộ KHƯÉCH ĐẠI
CÔNG SUẤT DÙNG TRONG PHÁT CAO TẦN
Mã số: QT-09-13
Chủ trì đề tài: ThS Đặng Thị Thanh Thủy
Cán bộ tham gia: ThS Phạm Văn Thành
Hà nội- 2009
MỤC LỤC
Lời mở đầu 04
Chương 1. Lý thuyết siêu cao tần
.
.05
1.1 Giới thiệu chung 05
1.2 Một số đặc điểm của truyền sóng siêu cao tầ n 05
1.3 Các bộ phát và thu siêu cao tần 11
1.4 Đồ thị Smith 12

hình mà không làm nhiễu lẫn nhau. Sonẹ với lượng kênh cần sử dụng như trên khi
dùng dải sóng cm,chỉ cần khoảng khá nhỏ từ bước sóng ^=2,992 đến 3 cm.
- Ở dải sóng siêu cao tần thì kích thước của các phần tử và thiết bị so sánh
được với chiều dài bước sone.thậm chí tronẹ nhiều trườns hợp chúng còn lớn hơn
nhiều so với bước song. Trong kỹ thuật ra-đa, như đã biết, diện tích phản xạ hiệu
dụng của mục tiêu tỷ lệ với kích thước tươne đôi của mục tiêu so với bước sóng, do
vậy dùng ra-đa viba sẽ nhận được diện tích phản xạ hiệu dụng lớn. Nếu xét cá đặc
tính ưu việt của Ãnsten viba vê độ tăng ích thì rõ ràng là dải tần viba trở nên rất
thích họp cho kỹ thuật ra-đa.
Tuy nhiên ờ dải sónẹ cao tân và siêu cao tân. tín hiệu thường bị suy hao rất
nhiều do đó vấn đề công suất rất được quan tâm chú ý. Trong báo cáo này đề cập
đến vấn đề giải quyết bài toán công suất ở dài sóng này.
4
C H Ư Ơ N G I
LÝ T H U Y Ế T SIÊU C A O T Ầ N
1.1. Giới thiệu chung [2]
Thuật ngữ “viba” (microwaves) là để chỉ những sóng điện từ có bước sóng
rất nhỏ, ứng với phạm vi tần sổ 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 300 GHz (f = 3.1011 Hz), ứng
với bước sóng X = 1 mm (sóng milimet), còn giới hạn dưới có thề khác nhau tuv
thuộc vào các quy ước theo tập quán sử dụng. Một số nước coi "sóng cực ngấn" là
những sóng có tần số cao hon 30 MHz ( bước sóng Ằ < lOm ), còn một số nước
khác coi "viba" là những sóng có tần số cao hơn 300 MHz ( bước sóng 7. < 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.
Hình 2.1 minh hoạ phổ tần số của sóng điện từ & phạm vi dải tần của kỹ
thuật viba
Tần số (Hz)

' Af _
tân tương đôi — có giá trị nhât định. (Thật vậy, 1% của 30 GHz là 300 MHz, trong
khi đó 1% của 300 MHz chỉ là 3 MHz).
- Sóng viba truyền theo đường thẳng, không bị phản xạ trên tầng điện ly nên
có thể khai thác thông tin vệ tinh và thông tin viba mặt đất trên cùng dải sóng mà
không ảnh hưởng đến nhau, có thể sử dụng lại tần số trên nhữns cự ly không lớn.
- Trone kỹ thuật ra-đa, như đã biết, diện tích phản xạ hiệu dụnq của mục tiêu
tỷ lệ với kích thước tương đối của mục tiêu so với bước sóng, do vậy dùng ra-đa
viba sỗ nhận được điện tích phản xạ hiệu dụng lớn. Neu xét cả đặc tính ưu việt của
Ăngten viba về độ tăng ích thì rõ ràne là dải tân viba trở nên rất thích hợp cho kỹ
thuật ra-đa.
- Như đã biết, dải tần viba rất gần gũi với các tần sô cộng hưởng của nhiều
phân tử, nguyên tử nên kỹ thuật viba có thể đem lại nhiều ứng dụng trone nehiên
cứu cơ bản, trone viễn thám, trong y học và trong kỳ thuật nhiệt (lò viba).
Ngày nay, kỹ thuật viba được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực thực tiễn, nhưna
nhữn^ ứng dụne, chính và quan trọng nhất là trong kỹ thuật ra-đa và trong thône tin.
Các hệ thống ra-đa, viba được dùng đê phát hiện các mục tiêu trên không,
trên biển và trên bộ. dùng để bám và điều khiên các đối tượna bav. dùng trong các
hệ thống lái tự động, để thăm dò khí tượng phục vụ cho dự báo thời tiết (ra-đa khí
tượng), để quan sát mặt đất và thăm dò tài nguyên từ xa. ngoài vũ trụ (viễn thám).
6
Các hệ thống thông tin dùng dải tần viba (thông tin viba) đang được phát
triển rộng khắp trên thế giới, bao gồm cả thông tin cố định và di động, thông tin nội
hạt và đường dài, đặc biệt là thông tin quốc tế qua vệ tinh và các hệ thông tin định
vị toàn cầu .chứng tỏ vai trò rất quan trọne của dải tần viba và kỹ thuật viba.
* Vài nét về sự phát triển
Kỹ thuật viba vốn được coi là một kỹ thuật đã có lịch sử phát triển tương đôi
lâu vì nền tảng của nó là lý thuyết về sóng điện từ đã được phát hiện từ cách đây
trên 100 năm, còn ứng dụng đầu tiên của nó là kỹ thuật ra-đa cũng đã được phát
triển từ thời kỳ chiến tranh thế giới thứ hai.

chỉ có thể diễn giải dưới dạng thống kê.
* Ánh hưởng của khí quyến.
Hằng sổ điện môi tương đối của không khí gần như bàne 1. nhưng thực chất
nó là hàm của áp suất không khí, nhiệt độ và độ âm. Từ thực nshiệm người ta rút ra
kết quả đối với tần số siêu cao là: s r =
1 + 10
79 p \ \v 3.8.105 V
T T
T
( 2. 1)
Tron^ đó p là áp suất khí tính theo milibar, T là nhiệt độ tính theo độ Kelvin.
V là áp suât hơi nước tính theo milibar. Kêt quả này cho thây răng hăng sô điện môi
nói chung là giảm (gần bàng 1) khi độ cao tăng, vì áp suất và độ ẩm giảm nhanh
hơn nhiệt độ. Sự thay đôi của hăng sô điện môi theo độ cao làm quỹ đạo của sóne
vô tuyến cong về phía Trái Đất.
Hình 1.2: Quỹ dạo tia sóne bị cons
Như hình 1.2, sự khúc xạ sóns vô tuyến đôi khi cũns có lợi. vì nó có thể mơ
rộng phạm vi hoạt độne của radar và hệ thốna thôns tin vượt ra khỏi eiới hạn cua
tầm nhìn thấy trên Trái Đất
8
Điều kiện thời tiết đôi lúc có thể dẫn tới sự thay dổi lớn về nhiệt độ, nhiệt độ
biên đôi theo độ cao. Hăng sô điện môi khí quyên sẽ tăng nhanh hơn mức bình
thường khi tăng độ cao. Điều kiện này đôi lúc dẫn tới hiện tượng ống dẫn sóng (còn
được gọi là truyền lan dị thường), có nghĩa là sóne vô tuyến có thể truyền đi một cự
ly lớn song song với bề mặt Trái Đất, qua ống dẫn tạo ra bởi tầng không khí trong
suôt quá trình thay đổi nhiệt độ. Tình huống này rất giống với quá trình truyên lan
trong ông dẫn sóng điện môi, ống dẫn này có chiều cao giới hạn từ 50 - 5000 feet,
và có thể gần bề mặt Trái Đất hoặc có độ cao lớn hơn. Một ảnh hưởng khác nữa
liên quan tới khí quyển, đó là sự suy giảm, lúc đầu nó xuất hiện bởi vì quá trình hấp
thụ năng lượng siêu cao tần qua hơi nước và oxy phân tử. Quá trình hấp thụ lớn

lớn, các khả năng bị nhiễu, chậm và nghe trộm được hạn chế đáng kể từ mặt đất.
* Ánh hưỏng của mặt đất
Một yếu tố có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình truyền sóng siêu cao tần
là sự phản xạ từ bề mặt Trái Đất (đất liền hoặc biển). Như mô tả trong hình 2.4 một
mục tiêu của radar (hoặc Ăngten thu) có thể bị loại bỏ do sóng trực tiếp từ máy phát
và sóng phản xạ từ mặt đất. Sóng phàn xạ nói chung có biên độ nhỏ hơn sóng trực
tiếp, do khoảng cách truyền xa hơn và mặt đất không phải là một vật phản xạ hoàn
hảo. Tuy nhiên tín hiệu thu được tại mục tiêu hoặc máy thu sẽ là vectơ tổng của hai
thành phần sóng và nó phụ thuộc vào các pha liên quan của hai sóng, nó có thể lớn
hơn hoặc nhỏ hơn bản thân sóng trực tiếp.
Hình 1.4: Sóng trực tiếp và sóng phản xạ qua bề mặt Trái Đất
Bởi vì xét trên phương diện bước sóng, các cự ly liên quan thường là rât lớn.
thậm chí một sự thay đổi nhở về hầns số điện môi cùa khí quyển có thể gây fading
(những dao động dài) hoặc hiện tượng nhấp nháy (những đao động ngắn) về độ dài
tín hiệu. Những ảnh hưởng này có thê gây ra do sự khône đông nhất trong khí
quyển. Trong các hệ thống liên lạc, hiện tượng fading đôi lúc có thế được hạn chế
nhờ vận dụng thực tế là hiện tượng íầding của hai kênh liên lạc có các tân số khác
nhau, sự phân cực khác nhau, hoặc vị trí vật lv khác nhau. Vì vậy. chúng ta có thể
giảm hiện tượng fading đối với một đường thône tin liên lạc bằng cách kết hợp các
nguồn ra của hai hay nhiều kênh: gọi là hệ thống phân tập.
Một ảnh hưởng khôns nhỏ nữa là nhiễu xạ. lúc này sóng vô tuvến tán xạ
năng lượng ở các vùng lân cận của giới hạn trons tầm nhìn theo phương năm neana.
10
do đó rất dễ dàng đưa ra một phạm vi giới hạn dựa trên phương nằm ngang đó, ảnh
hưởng này thường rất nhỏ đối với các tần số siêu cao tần. Tất nhiên là khi gặp các
chướng ngại vật như đồi, núi, hoặc các toà nhà lớn trên đường truyền thì mức độ
nhiễu xạ có thể lớn hơn.
Trong một hệ thống radar, những sự phản xạ bên naoài thường xuất phát từ
địa hình, cây cối, nhà cửa, mặt biển. Những vệt dội nhiễu như vậy dội lại làm giảm
hoặc che mờ mục tiêu thực, hoặc đôi lúc tạo thành mục tiêu giả, đặc biệt trong

tính đã phát triển thì ứng dụng biểu đồ này không quan trọng nữa nhưng ngược lại
nó cho sự tiện ích nhiều hơn sự tiện ích của máy tính với biểu đồ thông thường.
Ngày nay biểu đồ Smith là một phần của thiết kế máy tính (CAD) với phần mềm
thiết kế siêu cao tần. Nhờ có nó ta có thể dễ dàng tính toán, hiểu được mạch lọc
đường truyền siêu cao tần, dễ dàng giải quyết các công việc của kỹ thuật siêu cao
tần như vấn đề phối hợp trở kháng.
Đồ thị này chính là biểu diễn hình học của hệ thức:
Hay viết dưới dạng trở kháng chuẩn hoá:
1
+ r
Zl ~ \-r
trong đó zl =Zl/R() chính là trở kháng chuẩn hoá theo R0.
Thay r = |r|e ,í0 ta viết lại (2.15) dưới dạng:
1 + lrV*
(1.15)
1- IV*
(1.16)
Một giá trị bất kỳ của hệ số phản xạ r có thể được biểu diễn lên hệ toạ độ
cực dưới dạng một bán kính vectơ |r 1 và £Ó C pha tp. Như vậy. ứna với mỗi điêm
trên mặt phẳng của hệ số phản xạ có một giá trị của hệ số phản xạ hoàn toàn xác
định, và một giá trị trở kháng z hoàn toàn xác định.
Thay Z L - rL + ixL và r = r , + /r, vào (2.16) ta nhận được:
, _ 0 + r,.) + ÍĨ,
r, + ix, -

:

— (1.1/)
( i- r ,) - ; r ,
Trong đó rL và XL lần lượt là điện trở và điện kháng c ủ a tải.

1.5.1 Họ đường tròn đẳng điện trở r
Phương trình (2.20) biểu thị họ vòne tròn đẳng điện trở. có tâm nằm trên trục
hoành ( r, = 0) tại hoành độ y =
V
1 , có bán kính a -
1 + rL
1 + r,
Dê dàng nhận thây
rằng các vòng tròn này luôn đi qua điêm r r = 1
1
(vì ỵ + a -
1 + rL 1 + rL
= 1) (hình 2.7)
Vonu, tron Ịrl ■=• 1
/
/ /
r. ệ 0 r. ệ 0.25 r,
- V- 1 r , = 3 r. \ s.
\ \
.0 0.25 0.5 0.75 i l r.
/
/
/ ỉ
/
y
Hình 1.7: Họ vòne tròn đăne điện trờ
13
Hình 1.8: Họ vòng tròn đăng điện kháng
, ri
Hình 1.9: Vòng tròn đắng điện trở và điện kháng trên cùne đồ thị.

1+ r
S = — T-1 (1.22)
1 - r
1 1 - |r|
s ~
1 + lrl
(1.23)
Để thuận tiện cho việc đọc các giá trị của s (hay —). trên trục hoành người
s
ta không khẳc độ theo giá trị của s. Điểm gốc toạ độ (ứng với r|=0) sẽ tương ửnR
với S=1 (đường tròn đẳng s=l). Khi |F| lấy các giá trị từ 0 đến 1 thì s sẽ nhận giá trị
từ 1 đến
co. Trong khoảng 0—>1 của trục thực, neười ta khắc độ theo s với các ẹiá trị
s từ 1—>00. Như vậy vòng tròn ngoài cùng (|F|=1) sẽ ứng với vòng tròn s=cc.
Vì các đường tròn đẳng s có tâm là gốc toạ độ nên việc xác định — chi là
phép lấy đối xứng qua tâm. Như vậy, nửa bên trái của trục thực r r sẽ được khắc độ
theo —. Vòng tròn ngoài cùng sẽ là vòng tròn — =0, còn điểm góc toạ độ sẽ là vòng
s &
tròn — = 1. Ngoài ra, để thuận tiện cho tính toán nẹười ta còn bồ sung một thane giá
s
tri khắc đô theo — trên chu vi của đồ thị. Bởi vì phân bổ sóng đứng trên đườne dâv
Ẳ
X ' ỉ
đươc lăp lai theo chu kỳ — nên việc khăc độ — theo chu vi vòng tròn ngoài cũne
2 Ả
ỉ _ í 1 _
được thực hiện từ — = 0 đên — - 0.5.
Ầ Ằ
Cuối cùng, đồ thị đầy đủ được thiết lập với tất cả các ghi chủ ở trên tạo thành
đồ thị Smith chuẩn, được chấp nhận và sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới (Hình

TRUNG TAM ÍH Ũ NG nu ỈHƯ việ n
17 CCOtCxCCO^l
4. Các đường đăng X là họ các vòng tròn có tâm năm trên trục vuông 2 ÓC với
trục hoành tại r r= l. Có hai nhóm đường tròn đẳng x:
- Nhóm các đường đẳng X với X > 0 (cảm kháng) là các đườne nằm ớ
phía trên của trục hoành. Giá trị X tăng dần từ 0 đến GO và được ghi trên mồi đường.
- Nhóm các đường đẳng X với X < 0 (dung kháng) là các đườne nàm ở
phía dưới của trục hoành. Giá trị X giảm dần từ 0 đến - 00 và được ghi trên mỗi
đường
5. 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 cho
một trở kháng z = r+ix, đồng thời cũng biểu thị cho hệ số phản xạ tại điểm có trở
kháng z.
6. Tâm điêm của đô thị Smith là giao điếm của đường đẳng r=l và đường đắne
x=0 (nằm trên trục hoành), do đó điểm này dại biểu cho trở kháng thuần trở Z=1
(nghĩa là Z=R0). Đây là điểm tượng trưng cho điện trở chuẩn R(), cho phép thực hiện
phối hợp trở kháng trên đường dây. Thật vậy, đây chính là điểm có hệ số phản xạ
r=0 và hệ số sóng đứnẹ s=l.
7. Điểm tận cùng bên trái cùa trục hoành là giao điểm của đườna đẳne r=0 và
đường đẳng x=0, do đó biểu thị cho trở kháng z=0 (tức z=0), nẹhĩa là ứng với
trường hợp ngắn mạch. Tại đây ta có hệ số phản xạ r=-l.
8. Điểm tận cùng bên phải của trục hoành là điểm đặc biệt mà tất cả các đườnR
đẳng r và đẳng X đều đi qua. Tại đây ta có r=co, x=00. do đó z=oo (tức Z=oo), nghĩa là
ứng với trường hợp hở mạch. Tại đây ta có hệ sô phản xạ r= l.
9. Hệ số phản xạ tại vị trí / trên đườne, truyền có thể được xác định khi biết hệ
V ~
số phản xa r tai vi trí tải, dưa vào công thức: r(/) = —
K
r(l) = re~2ipI (1.24)
Đồ thị Smith cho phép thực hiện phép tính này khi quay vectơ r trên đồ thị

ly sis írequency
éler fiie wiihoút
ie noise
I be irrvalid
Hình 14: Sơ đồ mô phông
-*i
S-PARAMETE RS
Slart^o 4
Slop= 2 GHz
Slep=
CalcN oise^n o
Se! S-paiam eie r ana
ranqe tí an S-param
noise daía-is used, II
simưlalian le s ulls wil
c
-30
-20
.30
.40
Ư1
-60
-70
•8C
-90 ■
■ 100-
freq C-Hz
Hình 15: Mô phỏne tham số SI l(dB)
mỊ
T

'freq=1 030GH z
■ ; d B( s (2 ,2 ))= -70 076
21
m 1
f r e q = 1 ,0 3 0 G H z
d B (S (2 .1 )) = 2 3.2 1 4
1 5 1 6 17 10 1 9 2

0
Hình 19: Mô phỏng tham số S21[dB]
freq (40 0.0 M H z to 2.0 00 G Hz )
Hình 20: Mô phóng tham số S21 trên đồ thị Smith
2.2 Thiết kế mô phỏng mạch khuếch đại 45W và 200W
Bộ khuếch đại 200w được thiết kế bao gồm 2 tầng, tầng 1 công suất 45 w.
(công suất cực đại 60W) đưa tới kích tầng 2 lắp trên MOSFET 200W (công suất
cực đại 240W).
Các đoạn mạch dải được tính toán chặt chẽ tùy thuộc vào phươne pháp phối
họp trở kháng và có thể được điều chỉnh để phối hợp trở kháng tốt nhất. Trong đó
đoạn mạch dải TL8 và tụ điện C1 dùng để phối hợp với trờ kháng ra 50Q của tầna
trước. Tụ C1 còn có nhiệm vụ ngăn cách dòne một chiều với tầns trước.
Hình 4.2 là mô phỏng mạch khuếch đại công suất 200W. Đoạn mạch dải
TL14 và TL15 dùng để phổi hợp trở kháng giữa đoạn TL7 với trở khán® phức lối
vào của MOSFET với z,n tại tần số 1030 MHZ. Đoạn mạch dải TL17 có độ dài điện
bàns X/4 ghép với với neuồn điện áp một chiêu phân cực cho MOSFET. Đoạn mạch
dải TL11 và TL12 dùng để phổi họp trở kháns eiừa đoạn TL9 với trơ kháne phức
lối ra của MOSFET với Zoưt tại tần số 1030MHZ.
2 2
Đoạn mạch dải TL9 cùng với tụ điện C2 có độ dài điện )J4. có điện trở đuợc
tính toán xác định cho phép quay pha phù hợp để phối hợp trở kháng với tải 50Q là
lôi vào của các bộ cộng. Tụ điện C2 còn dùng để ngăn cách điện áp một chiều cua

Hình vẽ các kết quả mô phỏng tầng khuếch đại 45W bằng phần
ADS2006A
oí T- p'
oí (N
ÍO òo ơ)
0 0 0 2 0 4 0.6 0 8 1 0 1.2 1 4 16 1& 2 0
íreq, GHz
Hình 2.9. Kết quả mô phỏng tham số s n , s 22, S21 của tầng 1.
^ 800
cõ
ầ 600-
m3
freq=1,030GHz
vswr{S11 )=1.049
m3
0-0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1 4 1 6 1.8 20
freq GHz
Hình 2.10. Kết quả mô phỏng tỉ số sóng đứng vswr(si i) của tần2
0 —

ự>
ổ
m3
frẽq=1,030GHz
dB(S(2.2 ))=-27.71i
rri3
▼
0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 10 12 14 16 10 2 0
treo GH /.
Hình 2.11. Kết quả mô phòng tham số s

để ghép điện áp nguồn nuôi với cưc D của MOSFET 200W.
Các tham số kỹ thuật của tầne 200W như sau:
• Dải thông của tầng khuếch đại 30MHZ
• Hệ số khuếch đại danh định 17dB nén 1 dB trong dái thône cùa b ộ
khuếch đại.
25