KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN

CuuDuongThanCong.com

/>

Chương 1
 ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SÓNG

CuuDuongThanCong.com

/>

Khái niệm




Môn học kỹ thuật siêu cao tần liên quan đến các 
mạch điện hoặc các phần tử điện hoạt động với các 
tín hiệu điện từ ở vùng tần số siêu cao (thường nằm 
trong phạm vi 1 Ghz đến 300 Ghz, tương ứng với 
bước sóng từ  30 cm đến 1 mm)
Tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronic 
Engineers)  đã định nghĩa các dãi băng tần trong 
vùng tần số siêu cao như trong bảng 1.1:

CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Khái niệm

CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Khái niệm





Đường dây nối từ điểm nguồn đến điểm đích lớn hơn nhiều lần 
so với bước sóng , tín hiệu siêu cao tần phải mất một thời gian để 
lan truyền đến điểm tải => dùng mô hình siêu cao tần. 
Ta gọi đó là hiện tượng truyền sóng trên đường dây.
Truyền sóng siêu cao tần trên đường dây có các hệ quả sau:
 Có sự trễ pha của tín hiệu tại điểm thu so với tín hiệu tại điểm 
phát vthu(t)=vnguồn(t­T)






Khoảng thời gian trễ này tỉ lệ với chiều dài  l  của đường 

truyền
Có sự suy hao về biên độ tín hiệu tại nơi thu so với biên độ 
tín hiệu tại nơi phát
Có sự phản xạ sóng trên tải và trên nguồn. Điều này dẫn đến 
hiện tượng sóng đứng trên đường dây.
CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Khái niệm


Khái niệm thông số tập trung và thông số phân bố:
 Thông số tập trung của mạch điện: là các đại lượng đặc 
tính điện xuất hiện hoặc tồn tại ở 1 vị trí nào đó được xác 
định của mạch điện. Thông số tập trung được biểu diễn bởi 1 
phần tử điện tương ứng, ví dụ như các phần tử điện trở, điện 
cảm, điện dung, nguồn áp, transistor….
 Thông số phân bố (thông số rải) của mạch điện: cũng là 
các đại lượng đặc tính điện , nhưng chúng không tồn tại ở tại 
duy nhất một vị trí cố định trong mạch điện, mà chúng được 
phân bố rãi đều trên chiều dài của mạch điện đó. 

CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>


Phương trình truyền sóng trên đường dây
Mô hình vật lý­ Các thông số sơ cấp

CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Phương trình truyền sóng trên đường dây
Mô hình vật lý­ Các thông số sơ cấp
Các thông số tuyến tính của đường truyền gồm:
•Điện cảm tuyến tính L, đơn vị [H/m], tính trên một
đơn vị chiều dài đường truyền.
•Điện dung tuyến tính C, đơn vị [F/m],
•Điện trở tuyến tính R, đơn vị [Ohm/m].
•Điện dẫn tuyến tính G, đơn vị [S/m],

CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Phương trình truyền sóng trên đường dây
Mô hình vật lý­ Các thông số sơ cấp
Trong sơ đồ mạch điện tương đương trên, một cách 
tổng quát, đều có sự hiện diện của cả hai loại tổn 
hao: R mắc nối tiếp L tạo thành trở kháng nối tiếp

                             Z = R + jω L
  Và G mắc song song với C tạo thành dẫn nạp song 
song
                                Y = G + jω C
 L, C, R, G là các thông số sơ cấp của đường 
truyền sóng


CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Phương trình truyền sóng trên đường 
dây




Kirchhoff điện áp
∂i ( x, t )
v( x, t ) = v( x + ∆x, t ) + R.∆x.i ( x, t ) + L.∆x.
∂t
Kirchhoff dòng điện
i ( x, t ) = i ( x + ∆x, t ) + G.∆x.v( x + ∆x, t ) + C.∆x.



Viết trong miền tần số


∂v( x + ∆x, t )
∂t

 V ( x, ω ) = V ( x + ∆x, ω ) + ( R + jωL).∆x.I ( x, ω )

 I ( x, ω ) = I ( x + ∆x, ω ) + (G + jωC ).∆x.V ( x + ∆x, ω )

 ∂ 2V ( x, ω )
2
=
γ
(ω ).V ( x, ω )

2
∂x
 2
 ∂ I ( x, ω ) = γ 2 (ω ).I ( x, ω )
 ∂x 2
CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Phương trình truyền sóng trên đường dây
Hệ số truyền sóng





Dạng nghiệm: 
Hệ số truyền sóng: γ (ω ) = ( R + jωL)(G + jωC )
hệ số truyền sóng  là một số phức
γ = α + jβ

CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Phương trình truyền sóng trên đường dây
 Nghiệm của phương trình truyền sóng. 
Sóng tới và sóng phản xạ






Ta đặt V(x) là điện áp tại tọa độ bất kỳ x trên đường truyền sóng 
và tại tần số bất kỳ  cuả tín hiệu.
Một sóng hướng từ nguồn về đến tải, biên độ sóng  giảm dần do 
có suy hao trên đường dây, pha của sóng trễ dần. Ta gọi thành 
phần này là sóng tới.
một sóng huớng từ tải trở về nguồn, biên độ sóng cũng giảm dần 
do có suy hao trên đường dây. Ta gọi thành phần này là sóng 
phản xạ.


CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Phương trình truyền sóng trên đường dây
 Nghiệm của phương trình truyền sóng. 
Sóng tới và sóng phản xạ


Điện áp V(x)  tại điểm có tọa độ bất kỳ x trên đường 
truyền sóng đều có thể được coi là tổng của hai thành 
phần sóng tới và sóng phản xạ cùng gặp nhau tại 
điểm x tại thời điểm t  đang khảo sát.

CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Phương trình truyền sóng trên đường dây
 Nghiệm của phương trình truyền sóng. 
Sóng tới và sóng phản xạ


dòng điện I(x, ) cũng được biểu diễn dưới dạng 

CuuDuongThanCong.com


Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Phương trình truyền sóng trên đường dây
 Các thông số thứ cấp
 Hệ số truyền sóng
Hệ số truyền sóng: γ (ω ) = ( R + jωL)(G + jωC )
 hệ số truyền sóng  là một số phức
γ = α + jβ
 α
      là hệ số suy hao, đơn vị [Np/m] hoặc [dB/m]
 β    là hệ số pha, đơn vị [rad/m] hoặc [0 /m]
2π
β=
λ
Nếu đường truyền không tổn hao:






R =  0 ( Không có tổn hao kim loại)
G =  0 (Không có tổn hao điện môi)
Hệ số truyền sóng trở thành:

γ (ω ) = jω LC


CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Phương trình truyền sóng trên đường dây
 Các thông số thứ cấp
 Trở kháng đặc tính


Trở kháng đặc tính
Z 0 (ω ) =

R + jω L
G + jω C

Z 0 (ω ) = R0 (ω ) + jX 0 (ω )


Đường truyền không tổn hao (R = 0, G = 0)
L
Z0 =
= R0
C

CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008


/>

Phương trình truyền sóng trên đường dây
 Các thông số thứ cấp
 vận tốc truyền sóng (vận tốc pha)










vận tốc truyền sóng (vận tốc pha)

ω
Vϕ =
β

Nếu tín hiệu là một tổ hợp gồm nhiều tần số khác nhau thì mỗi 
thành phần sẽ lan truyền nhanh hay chậm tùy theo tần số của 
nó. 
Như vậy các tần số sẽ đến đầu cuối của đường dây không tại 
cùng một thời điểm. 
Kết quả là tại cuối đường dây tổ hợp lại không tái tạo lại tín hiệu 
giống hệt tín hiệu ban đầu ta có sự méo dạng tín hiệu. 
Hiện tượng này gọi là sự tán xạ tần số.


CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Phương trình truyền sóng trên đường dây
 Các thông số thứ cấp
 vận tốc truyền sóng (vận tốc pha)




Thông thường , hiện tượng tán xạ xảy ra trên các 
đuờng truyền có tổn hao, đường truyền ghép hoặc có 
sự bất đồng nhất trong cấu trúc, gây méo dạng lớn. 
Trong trường hợp đặc biệt, khi đường truyền không 
tổn hao
Vϕ =

CuuDuongThanCong.com

ω
=
β

1
LC

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008


/>

Phương trình truyền sóng trên đường dây
 Các thông số thứ cấp
 hằng số thời gian


Hằng số thời gian  của một đường truyền sóng được 
định nghĩa là khoảng thời gian cần thiết để sóng lan 
truyền được một đơn vị chiều dài của đường truyền, 
[s/m]

1 β
τ= =
Vϕ ω

CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Tổn hao trên đường dây truyền sóng
Tổn hao kim loại






Tần số thấp: (chiều dài của đường truyền sóng là rất 
nhỏ so với bước sóng), tổn hao kim loại chủ yếu do 
điện trở của dây dẫn. (RDC )
tần số cao: ( chiều dài đường truyền lớn hơn hoặc 
xấp xỉ bước sóng), đường truyền còn có thêm tổn hao 
do hiệu ứng da của dây dẫn (skin effect) (RAC )
R  =  RDC   +  RAC



 Hiệu ứng da xảy ra dòng điện tín hiệu chảy qua tiết 
diện dây dẫn không còn phân bố đều trên mặt phẳng 
tiết diện mà có khuynh hướng tập trung tại vùng bề 
mặt chu vi của dây dẫn
CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Tổn hao trên đường dây truyền sóng
Tổn hao kim loại
 skin effect


Lý thuyết đã chứng minh rằng sự phân bố mật độ 
dòng điện giảm dần khi đi từ bề mặt về phía vùng 
giữa của tiết diện theo dạng hàm số mũ âm.

CuuDuongThanCong.com


Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Tổn hao trên đường dây truyền sóng
Tổn hao khác






Tổn hao điện môi Trong điều kiện lý tưởng , lớp điện 
môi phân cách giữa hai lớp dây dẫn của đường truyền 
sóng phải là cách điện hoàn toàn
trong thực tế , ta vẫn phải xét đến điện trở hữu hạn 
của lớp điện môi
đường dây truyền sóng còn chịu các dạng tổn hao 
khác như  



tổn hao do bức xạ sóng  ( ở tần số rất cao),
 tổn hao do cấu trúc không đồng nhất của đường dây (dây bị 
gấp khúc, chổ kết nối các đường dây, các linh kiện ghép thêm 
trên đường dây hoặc các tác dụng ký sinh…..)
CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008


/>

Hiện tượng phản xạ sóng trên đường dây 
 hệ số phản xạ




Điện áp tại điểm tọa độ x bất kỳ có thể được viết

Hệ số phản xạ về điện áp tại điểm x là tỉ số giữa sóng 
điện áp phản xạ và sóng điện áp tới tại điểm x 

V− e γ (ω ) x V− 2γ (ω ) x
Γv ( x) =
=
e
−γ ( ω ) x
V+ e
V+

CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Hiện tượng phản xạ sóng trên đường dây 
 hệ số phản xạ




Tại tải ( x= l ), hệ số phản xạ điện áp là 

V− 2γ (ω ) l
Γv ( x) =
e
V+

CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

/>

Hiện tượng phản xạ sóng trên đường dây 
 hệ số phản xạ



Tại điểm tọa độ x bất kỳ, nếu ta đặt d = l – x

V− 2γ (ω ) x V− 2γ (ω ).(l − d ) V− 2γ (ω ).l −2γ (ω ). d
Γv ( x) =
e
= e
=
e
.e

V+
V+
V+

Γv ( x) = Γv (l ). e
CuuDuongThanCong.com

Copyright © by N.T.K ­ 8/2008

−2γ (ω ) . d

/>