1

CHÖÔNG IIMOÄT SOÁ KHAÙI NIEÄM CÔ

BAÛN VEÀ CAO TAÀN

2

2.1 HIEÄU ÖÙNG DA (SKIN EFFECT)

2.2 CUOÄN CAÛM VAØ TUÏ ÑIEÄN

2.3 BAÙN DAÃN COÂNG SUAÁT CAO TAÀN

2.4 TRUYEÀN COÂNG SUAÁT LÔÙN (MAXIMUM POWER TRANSFER)

2.5 MAÏCH ÑIEÀU HÖÔÛNG SONG SONG VAØ NOÁI TIEÁP (PARALLEL AND SERIAL TUNED CIRCUIT)

2.6 MAÏCH PHOÁI HÔÏP TRÔÛ KHAÙNG

3

2.1 HIEÄU ÖÙNG DA (SKIN EFFECT) Doøng cao taàn chæ chaûy ôû lôùp voû ngoaøi daây daãn. Taàn soá caøng taêng thì ñoä saâu lôùp daãn ñieän caøng giaûm, ñieän trôû veà maët xoay chieàu cuûa daây daãn caøng taêng do töø tröôøng taäp trung maïnh ôû loõi daây daãn, laøm taêng ñieän caûm cuïc boä loõi, caùc haït ñieän tích dòch chuyeån veà phía beà maët cuûa daây, nôi töø tröôøng yeáu hôn. Trong khi doøng moät chieàu hoaëc doøng coù taàn soá thaáp chaûy qua toaøn boä maët caét daây daãn. Ñoä saâu lôùp daãn ñieän cuûa hieäu öùng da xaùc ñònh bôûi:

f-taàn soá (HZ) - ñoä saâu lôùp daãn ñieän (mm)

Ñieän trôû xoay chieàu ( AC) cuûa daây daãn taïi taàn soá naøo ñoù ñöôïc tính :

RDC -ñieän trôû moät chieàu daây daãn.DCArea –dieän tích maët caét daây daãn doøng DC.ACArea –dieän tích maët caét daây daãn doøng AC.

4

Ví duï :Tính ñieän trôû xoay chieàu daây daãn coù ñöôøng kính 0.664mm taïi f=10 MHz.Cho RDC=60.97/km.

Giaûi:  DCArea=r1

2 = (0.664/2)2 = 0.3257 mm2

ACArea = DCArea - r22

; r2 =r1 - .ACArea =0.3257- (0.664/2 - 0.021)2 =

0.0411mm2 RAC =60.97*(0.3257/0.0411) = 483.5/km

r1r2

Ñoä sau lôùp daãn ñieän cuûa daây daãn theo taàn soá .

f (mm)

1MHz10MHz

100MHz1GHz4GHz6GHz10GHz

0,06640.0210

0.006640.00210.0010

0.000860.000664

 

5

2.2 CUOÄN CAÛM VAØ TUÏ ÑIEÄN

Cuoän caûm vaø tuï ñieän laø hai linh kieän cao taàn cô baûn.

Teân goïi

Kyù hieäu Maïch töôngñöông

Trong ñoù

Cuoän caûmL: ñieän caûm

r: ñieän trôû toån hao cuoän daây

Tuï ñieänC: ñieän dung

rs: ñieän trôû toån hao tuï ñieän

L r

C rs

6

• Dung khaùng: XC =

• Heä soá phaåm chaát tuï ñieän .

Thöôøng bieåu dieån toån hao tuï ñieän qua heä soá tieâu taùn (Dissipation Factor) .

Giaù trò naøy raát nhoû do QC lôùn vaø ít thay ñoåi, do ñoù trong maïch ñieän töông ñöông hay boû qua ñieän trôû rS.

• Heä soá phaåm chaát cuoän caûm: , caûm khaùng: XL= L, r thay ñoåi theo taàn soá neân QL cuõng thay ñoåi.

7

2.3 BAÙN DAÃN COÂNG SUAÁT CAO TAÀN

Ñeå coù ñöôïc coâng suaát lôùn ôû taàn soá cao, BJT coâng suaát cao taàn ñöôïc cheá taïo baèng coâng ngheä ñaëc bieät, nhieàu tieáp giaùp Emitters nhaèm taêng chu vi daãn ñieän doøng cao taàn, giaûm ñieän trôû cöïc Base vaø caùc ñieän dung kyù sinh.

E

B

C

Ñieän trôû

caân baèng doøng

Emiter

Base

Hình 2.1 Caáu truùc BJT coâng suaát cao taàn

Soá tieáp giaùp Emitter coù theå vaøi chuïc, vaøi traêm hoaëc hôn nöõa.

8

Hình 2.2 Maïch töông ñöông ngoõ vaøo BJT coâng suaát cao taàn

E

B

Baûn chaát BJT luoân toàn taïi caùc ñieän dung moái noái (Cb’e,Cb’c ,Cce ) aûnh höôûng tôùi heä soá khuyeách ñaïi ôû taàn soá cao, giôùi haïn taàn soá hoaït ñoäng cuûa BJT. Thoâng thöôøng khuyeách ñaïi coâng suaát cao taàn maéc E chung cho coâng suaát lôùn. Tuy nhieân ôû taàn soá cao, hoài tieáp aâm ñieän aùp qua Cb’c taêng, laøm giaûm ñoä khuyeách ñaïi. Tuï naøy taùc ñoäng nhö tuï Miller töông ñöông coù giaù trò lôùn ngoõ vaøo: CMiller eq = Cb’c (1+ Av), trong ñoù Av –heä soá khuyeách ñaïi ñieän aùp.

9

E

Hình 2.3 Ñieän dung ngoõ vaøo BJT ôû taàn soá cao

B

C

Do ñoù trôû khaùng vaøo cuûa BJT (ZiQ), Av heä soá khueách ñaïi doøng Ai , heä soá khuyeách ñaïi coâng suaát Ap, ñeàu giaûm khi taàn soá taêng. BJT theå hieän quaùn tính , ñaùp öùng vaøo -ra khoâng töùc thôøi. Giöõa doøng vaøo IB vaø doøng ra IC coù söï dòch pha, bieân ñoä doøng IC giaûm. Trôû khaùng vaøo vaø ra cuûa BJT nhoû. Maéc B chung laø moät giaûi phaùp cuûa khuyeách ñaïi coâng suaát cao taàn ôû taàn soá cao, tuy nhieân heä soá khuyeách ñaïi coâng suaát seõ nhoû hôn so vôùi maéc E chung . JFET vaø MOSFET coù caáu truùc baùn daãn khaùc BJT, chuùng coù trôû khaùng vaøo lôùn, ñieän dung tieáp giaùp CGS nhoû, hoaït ñoäng toát ôû taàn soá cao vôùi coâng suaát lôùn oån ñònh hôn BJT, JFET, MOSFET coâng suaát cao taàn ñang ñöôïc duøng raát nhieàu trong caùc heä thoáng thoâng tin hieän ñaïi nhö traïm goác BTS ñieän thoaïi di ñoäng teá baøo, phaùt thanh , truyeàn hình, vi ba, SSPA ( Solid Stade power Amp ), thoâng tin veä tinh VSAT v.v…

10

1 2,2

E=1V

RS=1

RL/ RS

E

a)

Hình 2.4 a/ Nguoàn cung caáp coâng suaát cho taûi

b/ Söï phuï thuoäc coâng suaát taûi theo .

b)

ZL

19

2.4 TRUYEÀN COÂNG SUAÁT LÔÙN (MAXIMUM POWER TRANSFER)

11

Coâng suaát treân taûi : PRL=VRL.I= I2.RL.

XS , X laø phaàn khaùng cuûa noäi trôû nguoàn vaø taûi Khi XS = -X thì coâng suaát treân taûi laø Khaûo saùt söï bieán thieân theo RL baèng caùch laáy ñaïo haøm, cho baèng zero.  Suy ra RS= RL. Khi ñoù coâng suaát treân taûi laø cöïc ñaïi:  Ñoà thò bieán thieân theo RL cho ôû hình 2.4b. Vaäy trôû khaùng nguoàn baèng trôû khaùng taûi RS+jXS= RL-jX hay RL= RS vaø XS = -X, seõ coù söï truyeàn coâng suaát lôùn nhaát ra taûi. Ta noùi coù phoái hôïp trôû khaùng. Neáu yeâu caàu truyeàn coâng suaát lôùn nhaát trong caû moät daûi taàn soá thì giaù trò thích hôïp cho phoái hôïp trôû khaùng khoâng phaûn xaï laø ZL= ZS hay RL+jX = RS+jXS . Tuy nhieân hieäu suaát seõ nhoû hôn so vôùi 1 taàn soá. Vaán ñeà naøy lieân quan ñeán söï löïa choïn truyeàn tín hieäu treân daây truyeàn soùng.

12

2.5 MAÏCH ÑIEÀU HÖÔÛNG SONG SONG VAØ NOÁI TIEÁP (PARALLEL AND SERIAL TUNED CIRCUIT)

Maïch ñieàu huôûng song song: Cho maïch L,C song song trong ñoù r - ñieän trôû toán hao cuûa cuoän daây. Trôû khaùng töông ñöông maïch ñieàu höôûng:

XL= L - caûm khaùng cuoän daây.

dung khaùng cuûa tuï ñieän.Thoâng thöôøng r << XL neân:

. Taïi coäng höôûng coù

- laø trôû khaùng ñaëc tính. Thay theá vaøo bieåu thöùc tính trôû khaùng:

C

L

r

Hình 2.5 Maïch ñieàu höôûng song song

13

Zeq

Zeq

Hình 2.6 Ñaùp tuyeán Zeq().

goïi laø heä soá phaåm maïch coäng höôûng song song.

Baêng thoâng .

Taïi coäng höôûng = 0, trôû khaùng maïch coäng höôûng song song coi nhö thuaàn trôû coù Req(0) lôùn. Leäch coäng höôûng = n0 (n=2,3,4…), trôû khaùng Zeq ( = n0 ) coi nhö

thuaàn khaùng raát nhoû

Ñaùp tuyeán Zeq() coù daïng:

(0)

14

Ví duï :ôû hình 2.5 coù C =10 pF ; Q=200; fo =10MHZ . Tính theo Req(o) vaø r?

Giaûi : Req(o)=

Gheùp moät phaàn ñieän caûm maïch coäng höôûng:

0 Ze = P2 .Req (0) Req (0)

heä soá gheùp vaøo khung coäng höôûng.

L=L1+L2

a

b

CL

Hình 2.7 Gheùp moät phaàn ñieän caûm

0 Ze Req(o)

heä soá gheùp

Gheùp moät phaàn ñieän dung maïch coäng höôûng:

15

a

b

L

Hình 2.8 Gheùp moät phaàn ñieän dung

Caùc bieán theå caùch gheùp maïch ñieàu höôûng:

a

b

L

d

c

Hình 2.9 a/ gheùp moät phaàn ñieän dung ngoõ vaøo, ñieän caûm ngoõ ra.

b/ gheùp moät phaàn ñieän caûm ngoõ vaøo vaø ra.

a

b

CL3

c

d

16

Maïch ñieàu höôûng song song vaø caùc bieán theå duøng laøm maïch tieàn choïn loïc ngoõ vaøo maùy thu, taûi choïn loïc cao taàn, boä loïc trung taàn, dao ñoäng, phoái hôïp trôû khaùng v.v…

Maïch ñieàu höôûng ñieän töû: thay theá tuï C trong maïch ñieàu höôûng song song bôûi varicap.

+

-

a)

Cv

Vb)

Hình 2.10 a/ kyù hieäu varicaùp. B/ Ñaëc tuyeán varicaùp

c/ maïch ñieàu höôûng ñieän töû

Cv

C1

L

+ VT R

c)

17

Maïch ñieàu höôûng noái tieáp:

Trôû khaùng töông ñöông

Toång trôû:

Goùc pha:

Taïi coäng höôûng noái tieáp 0 coù neân Zeq (0 )=r. Maïch ñieàu höôûng noái tieáp thöôøng ñöôïc duøng laøm maïch loïc.

r L C

18

2.6 MAÏCH PHOÁI HÔÏP TRÔÛ KHAÙNG

Moät trong nhöõng vaán ñeà quan troïng cuûa maùy phaùt, maùy thu laø phoái hôïp trôû khaùng coù choïn loïc taàn soá giöõa caùc taàng coâng suaát ra cao taàn vôùi anten phaùt hay giöõa anten thu vôùi ngoõ vaøo maùy thu ñeå truyeàn coâng suaát tín hieäu lôùn nhaát vaø loaïi nhieãu. Caùc maïch phoái hôïp trôû khaùng coù daïng LC, bieán aùp hay toå hôïp giöõa chuùng .Xeùt maïch phoái hôïp trôû khaùng cao taàn hình 2.11

Hình 2.11 Nguoàn coù phoái hôïp trôû khaùng taûi

a/ lyù töôûng Zi = ZL thuaàn trôû

b/ bieán ñoåi trôû khaùng Zi thaønh ZL hoaëc ngöôïc laïi

Zi

a)

EZL= Zi

Nguoàn RF

Zi

b)

EZL Zi

Nguoàn RF

Maïch phoái

hôïp trôû khaùng

ZL

19

Vôùi tröôøng hôïp a) Zi =ZL coâng suaát treân taûi cöïc ñaïi.

ÔÛ cao taàn (RF) ít khi Zi vaø ZL laø thuaàn trôû maø bao giôø cuõng coù phaàn khaùng naøo ñoù. ÔÛ tröôøng hôïp toång quaùt Zi ZL hình b/ caàn coù maïch phoái hôïp trôû khaùng ñeå truyeàn coâng suaát tín hieäu lôùn nhaát ra taûi.

Ví duï nhö caàn truyeàn coâng suaát maùy phaùt cao taàn ra taûi laø anten phaùt.

Daïng phoái hôïp trôû khaùng ñôn giaûn nhaát hình goàm coù cuoän caûm L vaø tuï ñieän C vôùi caùc caáu hình khaùc nhau: Zi

a)

ZL

Nguoàn RF

C

L Zi

b)

ZL

Nguoàn RF

C

L

Zi=Ri

c)

ZL=

RL

Nguoàn RF

CL

Zi=Ri

d)

ZL=

RL

Nguoàn RF

CL

Hình 2.12 Boán kieåu maïch phoái hôïp trôû khaùng ñôn giaûn hình

20

Bieán aùp laø moät trong nhöõng thaønh phaàn phoái hôïp trôû khaùng thích hôïp nhaát. Bieán aùp loõi saét duøng ôû taàn soá thaáp, deã daøng bieán ñoåi trôû khaùng theo yeâu caàu tuyø vaøo tyû soá voøng daây cuoän sô caáp vaø thöù caáp.

Bieán aùp loõi khoâng khí duøng ôû taàn soá cao coù hieäu suaát thaáp hôn bieán aùp loõi saét taàn soá thaáp.

Moät loaïi loõi saét töø ñaëc bieät hình xuyeán ñöôïc cheá taïo laøm bieán aùp phoái hôïp trôû khaùng ôû taàn soá cao. Kieåu bieán aùp töï ngaãu loõi xuyeán cuõng ñöôïc duøng ñeå phoái hôïp trôû khaùng giöõa caùc taàng.

L

i

s

p

Z

Z

n

n

np , ns soá voøng cuoän sô vaø thöù caáp.

Hình 2.15 Phoái hôïp trôû khaùng duøng bieán aùp loõi saét töø

Zinp nS ZL

T

21

Moät vaøi daïng maïch phoái hôïp trôû khaùng thöôøng gaëp vaø coâng thöùc tính toaùn:

Hình 2.13

Cout

R1 C1

RL

C2L1

R1C1

RL

L

Cout C2

)1(

)/(

)/()1(

)/(

/

2

11

12

1

1

2

2

1

Q

XRRQRX

RRQ

RRRX

QRX

CLL

L

LLC

C

Q choïn Q choïn

22

R1 C2

RL

L2

Cout L1

C1

R1

C2 RL

LCout C1

)(

;

2

12

21

1

1

1

11

C

LCL

LLCC

CL

X

RRXX

RR

RRXQRX

XXout

Q choïn

1

1

1

1

2

1

2

1)(

RR

RRX

QRX

XX

RRXX

LLC

C

CC

LCL out

Q choïn

23

Hình 2.14

R1

C RL

L1CoutL2

1

)1(

;

1

21

11

1

12

1

L

CLL

CL

R

AB

QRA

BQ

AXBRX

XQRXout

Q choïn,

24

Bieán aùp laø moät trong nhöõng thaønh phaàn phoái hôïp trôû khaùng thích hôïp nhaát. Bieán aùp loõi saét duøng ôû taàn soá thaáp, deã daøng bieán ñoåi trôû khaùng theo yeâu caàu tuyø vaøo tyû soá voøng daây cuoän sô caáp vaø thöù caáp.

Bieán aùp loõi khoâng khí duøng ôû taàn soá cao coù hieäu suaát thaáp hôn bieán aùp loõi saét taàn soá thaáp.

Moät loaïi loõi saét töø ñaëc bieät hình xuyeán ñöôïc cheá taïo laøm bieán aùp phoái hôïp trôû khaùng ôû taàn soá cao. Kieåu bieán aùp töï ngaãu loõi xuyeán cuõng ñöôïc duøng ñeå phoái hôïp trôû khaùng giöõa caùc taàng.

L

i

s

p

Z

Z

n

n

np , ns soá voøng cuoän sô vaø thöù caáp.

Hình 2.15 Phoái hôïp trôû khaùng duøng bieán aùp loõi saét töø

Zinp nS ZL

T

25

Hình 2.16 Phoái hôïp trôû khaùng duøng bieán aùp töï ngaãu

Zi

np nS ZL

a / giaûm trôû khaùng

Zinp

nS

ZL

b / naâng trôû khaùng

Töông töï bieán aùp loõi khoâng khí, bieán aùp loõi Ferrite buoäc töø tröôøng taïo bôûi cuoän sô caáp taäp trung vaøo loõi, nhôø ñoù coù moät soá öu ñieåm quan troïng sau:

Thöù nhaát laø loõi Ferrite khoâng böùc xaï naêng löôïng cao taàn do ñoù khoâng caàn boïc giaùp, trong khi ôû loõi khoâng khí thì ngöôïc laïi vì khoâng taäp trung ñöôïc töø tröôøng. Phaàn maïch maùy thu, maùy phaùt duøng loõi khoâng khí phaûi boïc kim traùnh giao thoa tín hieäu vôùi phaàn maïch khaùc.

Thöù hai laø haàu heát töø tröôøng taïo bôûi cuoän sô caáp ñeàu caét qua cuoän thöù caáp neân tyû soá voøng daây cuoän sô - thöù caáp, tyû soá ñieän aùp vaøo - ra hay tyû soá trôû khaùng töông töï nhö ôû bieán aùp taàn soá thaáp.

26

Trong nhieàu thieát keá maïch cao taàn môùi, bieán aùp loõi xuyeán ñöôïc duøng phoái hôïp trôû khaùng giöõa caùc taàng. Ñoâi khi cuoän sô vaø thöù caáp cuûa loaïi bieán aùp naøy ñöôïc duøng laøm ñieän caûm cuûa maïch ñieàu höôûng.

Cuoän caûm loõi xuyeán duøng ôû RF coù öu ñieåm hôn loõi khoâng khí vì ñoä töø thaåm cao cuûa loõi daãn ñeán ñieän caûm lôùn, ñaëc bieät khi ñöa theâm loõi saét vaøo thì ñieän caûm taêng voït.

Vôùi öùng duïng trong cao taàn, ñieàu ñoù coù nghóa laø giaù trò ñieän caûm seõ taêng neáu theâm moät soá ít voøng daây maø kích thöùôc cuoän caûm vaãn nhoû. Vaøi voøng daây coù ñieän trôû nhoû töùc laø heä soá phaåm chaát Q cuûa cuoän daây lôùn hôn so vôùi loõi khoâng khí.

Cuoän daây loõi xuyeán töø thöïc söï thay theá cuoän daây loõi khoâng khí trong caùc maùy phaùt hieän ñaïi. Öùng duïng nhieàu nhaát cuûa noù laø giaûm thieåu soá voøng daây maø vaãn cho giaù trò ñieän caûm lôùn. Bieán aùp loõi xuyeán töø coù theå ñaáu noái cho pheùp phoái hôïp trôû khaùng daûi roäng ôû cao taàn.

27

Daáu chaám chæ pha cuûa voøng daây, tyû soá voøng daây bieán aùp 1: 1 cuõng laø tyû soá phoái hôïp trôû khaùng.

Hình 2.17 Bieán aùp Balun keát noái ñoái xöùng hay baát ñoái xöùng taûi vôùi nguoàn cao taàn

Zi

1:1

•

•

ZL=

Zi

a / Nguoàn ñoái xöùng – taûi baát ñoái xöùng

Zi

1:1

•

•

ZL=

Zi

b / Nguoàn baát ñoái xöùng – taûi ñoái xöùng

Hình 2.18 Bieán aùp Balun phoái hôïp taêng – giaûm trôû khaùng.

Zi

1:1

•

•

ZL=4Zi

a / Taêng trôû khaùng töø Zi sang ZL=4Zi

Zi

1:1

•

•

4i

L

Zz

b / Giaûm trôû khaùng töø Zi sang 4

iL

ZZ

28

Nhieàu bieán aùp Balun khaùc coù tyû soá bieán ñoåi trôû khaùng 9 :1 ; 16:1 coù ñöôïc baèng caùch maéc noái tieáp bieán aùp Balun cho tyû soá bieán ñoåi lôùn. Ñieàu chuù yù caùc voøng daây khoâng ñöôïc gaây neân coäng höôûng ôû taàn soá laøm vieäc daûi roäng.

Bieán aùp Balun daûi roäng höõu ích cho thieát keá khuyeách ñaïi coâng suaát cao taàn daûi roäng, khoâng caàn phaûi ñieàu chænh phöùc taïp phaàn coâng suaát cao taàn, tuy nhieân loïc haøi baäc cao khoâng ñöôïc toát. Moät giaûi phaùp khaéc phuïc laø thieát keá phaàn möùc coâng suaát nhoû duøng maïch ñieàu höôûng loaïi haøi baäc cao, taàng coâng suaát ra cao taàn daûi roäng. Boä khuyeách ñaïi coâng suaát ra cao taàn coù theå hoaït ñoäng ôû cheá ñoä A, B, C vaø D (cheá ñoä ñoùng-môû).

Hình 2.19 Khuyeách ñaïi coâng suaát cao taàn cheá ñoä A daûi roäng duøng bieán aùp Balun phoái hôïp trôû khaùng.

16:1

•

•

1:4

•

•

RFC

+ VCC

RA

4:1 4:1

RFin

•

•

29

Trong nhieàu tröôøng hôïp, aêng ten naèm treân coät cao caùch xa maùy phaùt, maùy thu. Ví duï anten thu TV, anten maùy phaùt thanh - phaùt hình, anten viba v.v…Daây truyeàn soùng noái giöõa anten phaùt vôùi ngoõ ra maùy phaùt hoaëc ngoõ vaøo maùy thu vôùi anten thu coù trôû khaùng baèng nhau truyeàn coâng suaát lôùn nhaát. Coù hai loaïi daây truyeàn soùng cô baûn:

1) Daây caân baèng (Balanced line) goàm hai daây daãn song song caùch ñieän vaø caùch nhau moät khoaûng xaùc ñònh coøn goïi laø daây song haønh. Doøng cao taàn chaûy treân moãi daây nhö nhau so vôùi ñaát nhöng ngöôïc chieàu nhau, khoâng daây naøo noái ñaát.

2) Daây baát caân baèng (Unbalanced line) goàm moät daây daãn tín hieäu caùch ñieän vôùi moät daây boïc noái ñaát, coøn goïi laø cable ñoàng truïc.

Ví duï: daây song haønh TV coù trôû khaùng 300, ñöôïc noái vôùi anten thu coù trôû khaùng 300. Caùp ñoàng truïc 50 noái giöõa ngoõ ra maùy phaùt vôùi anten phaùt baát ñoái xöùng coù trôû khaùng 50.

30

Thoâng soá caùp ñoàng truïc

Moâ phoûng baèng maùy tính Duøng maùy tính ñeå phaân tích, tính toaùn, moâ phoûng caùc maïch vaø heä thoáng thoâng tin ñaõ thöïc söï trôû neân caàn thieát cho vieäc hoïc, nghieân cöùu, saûn xuaát. Trong caùc chöông cuûa taøi lieäu naøy ñeàu coù phaàn ví duï moâ phoûng vaø phaàn baøi taäp nghieân cöùu cho sinh vieân.