TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

TIỂU LUẬN MƠN KỸ THUẬT
SIÊU CAO TẦN
Đề Tài: Tìm hiểu về đồ thị dịng tín hiệu
và ứng dụng
Người hướng dẫn : TS.Hồ Mạnh Cường
Người thực hiện

: Hoàng Nghĩa Sáng

Mã sinh viên

: 18810540010

Lớp

: D13DT&KTMT

Hà Nội,ngày,20 tháng 12 năm 2021
MỤC LỤC


Trang
Mở đầu …………………………………………………………………………… ..1
Phần I: Phân tích mạng siêu cao tần...…………………………………………..… 2
1. Khái niệm về mạng siêu cao tần…………………………………………….. 2
2. Phân tích mạng siêu cao tần................……………………………………
2

Phần II: Đồ thị dịng tín hiệu……………..………………………………………... 4
1.
2.
3.
4.

Khái niệm đồ thị dịng tín hiệu ………………………………………………4
Đồ thị dịng tín hiệu biểu diễn mạng 2 cổng………………………………….5
Đồ thị dịng tín hiệu biểu diễn mạng 1 cổng………………………………….6
Các quy tắc phân tích đồ thị dịng tín hiệu ………………………………… 7

Phần III:Ứng Dụng
Kết luận……………………………………………………………………

11


MỞ ĐẦU
Siêu cao tần là một lĩnh vực đặc thù của ngành Điện tử Viễn thông, khảo
sát các hiện tượng truyền sóng và đặc tính hoạt động của các mạch điện ở tần số
siêu cao. Vùng tần số được định nghĩa là siêu cao tùy thuộc hoàn toàn vào quan
điểm của người phân tích thiết kế và sử dụng thiết bị mà không nhất thiết phải
giới hạn từ mốc tần số nào trở lên. Có thể diễn giải một cách nơm na tần số tín
hiệu là siêu cao khi kích thước của mạch điện so sánh được với bước sóng
truyền của tín hiệu.
Với sự phát triển vượt bậc như thế thì mơn kỹ thuật siêu cao tần đã trở
thành một môn học chuyên ngành cho nhiều ngành khoa học, kỹ thuật
như:Điện, Điện tử,Tin học,Viễn thơng,Tự động hóa ...
Trong xu hướng bùng nổ của kỹ thuật viễn thông trên thế giới, nhất là kỹ
thuật mới về thông tin vệ tin, vi ba, ra đa, quang học, các vấn đề về về kỹ thuật

Siêu cao tần lại trở thành một vấn đề rất quan trọng của các nhà nguyên cứu,
thiết kế và phát triển kỹ thuật mới.
Đồ thị dịng tín hiệu là một kỹ thuật bổ sung rất hữu ích cho việc phân
tích các mạng siêu cao tần theo sóng truyền và sóng phản xạ. Vì vậy, trong q
trình học mơn Kỹ thuật siêu cao tần em đã được sự hướng dẫn của thầy Hồ
Mạnh Cường em đã tìm hiểu và nghiên cứu về đề tài “Tìm hiểu về đồ thị dịng
tín hiệu và ứng dụng ”.

3


Phần I: Phân tích mạng siêu cao tần.
1.Khái niệm về mạng siêu cao tần.
Các mạch điện hoạt động ở tần số thấp ở đó kích thước mạch tương đối
nhỏ so với bước sóng có thể được xem là liên kết các phần tử tập trung tích cực
và thụ động có điện áp và dòng điện được xác định tại bất cứ điểm nào trên
mạch. Trong tình huống này các kích thước mạch đủ nhỏ sao cho sự thay đổi về
pha nhỏ không đáng kể giữa một điểm này với một điểm khác trong mạch.
Ngồi ra, các trường có thể được xem như là các trường TEM hỗ trợ bởi hai hay
nhiều dây dẫn. Điều này dẫn tới một loại nghiệm cận tĩnh điện cho các phương
trình Maxwell và các định luật Kirchhoff cho điện áp và dòng điện cùng các
khái niệm về trở kháng trong lý thuyết mạch. Như bạn đọc đã biết, có nhiều kỹ
thuật mạnh và hữu ích cho phân tích các mạch điện tần số thấp. Nói chung, các
kỹ thuật này không thể áp dụng trực tiếp cho các mạch cao tần. Tuy nhiên, mục
đích của chương này là chỉ ra các khái niệm về mạch và mạng có thể được mở
rộng như thế nào để giải quyết nhiều bài tốn phân tích và thiết kế cao tần được
quan tâm trong thực tế. Lý do chính để làm điều này là ta sẽ dễ dàng hơn khi áp
dụng các ý tưởng đơn giản và trực giác của phân tích mạch cho một bài tốn cao
tần so với việc giải các phương trình Maxwell cho cùng bài tốn. Phân tích
trường cho ta nhiều thơng tin về bài tốn đang được xem xét hơn những gì ta

thực sự muốn hoặc cần. Tức là, do nghiệm của các phương trình Maxwell cho
một bài tốn đã cho là hồn chỉnh, nó cho ta các trường điện và từ tại mọi điểm
trong không gian. Nhưng thường chúng ta chỉ quan tâm đến điện áp hay dịng
điện tại các cực, cơng suất chảy qua thiết bị hay một số đại lượng "toàn cục"
khác tương phản với mô tả chi tiết về đáp ứng tại mọi điểm trong không gian.
Một lý do khác cho việc sử dụng phân tích mạch hay mạng là vì khi đó sẽ rất dễ
sửa đổi bài tốn gốc, hoặc kết hợp một số phần tử khác nhau lại và tìm đáp ứng
mà khơng cần phân tích chi tiết hành vi của mỗi phần tử khi kết hợp với các lân
cận của nó. Phân tích trường sử dụng các phương trình Maxwell cho những bài
tốn như vậy khó khăn vơ ích. Tuy nhiên có những tình huống ở đó các kỹ thuật
mạch như vậy được coi là đơn giản quá mức và dẫn tới những kết quả khơng
chính xác. Trong những trường hợp như vậy ta phải sử dụng phương pháp phân
tích trường với các phương trình Maxwell. Một phần trong chương trình đào tạo
4


các kỹ sư cao tần là tạo khả năng xác định khi nào các khái niệm phân tích
mạch có thể áp dụng và khi nào thì chúng cần phải được loại trừ. Trình tự cơ
bản cho phân tích mạng cao tần được mô tả như sau: Trước tiên chúng ta xét
một loạt bài toán kinh điển, cơ bản sử dụng phân tích trường và các phương
trình Maxwell. (Như ta đã thực hiện trong Chương cho nhiều loại đường truyền
và ống dẫn sóng khác nhau). Khi thực hiện điều này chúng ta cố gắng đạt được
các đại lượng có thể có liên hệ trực tiếp tới một tham số đường truyền hay mạch
điện. Ví dụ, khi ta phân tích các đường truyền và ống dẫn sóng khác nhau chúng
ta đã rút ra hằng số truyền lan và trở kháng đặc tính của đường truyền. Điều này
cho phép đường truyền hay ống dẫn sóng được coi như một phần tử phân bố đặc
trưng bởi độ dài, hằng số truyền lan và trở kháng đặc tính của nó. Tới đây,
chúng ta có thể kết nối nhiều phần tử khác nhau và sử dụng lý thuyết đường
truyền và/hoặc lý thuyết mạch để phân tích hành vi của toàn bộ hệ thống các
phần tử, kể cả các hiệu ứng như hệ số phản xạ, tổn hao, chuyển đổi trở kháng,

và chuyển tiếp từ một loại môi trường truyền dẫn này sang môi trường khác
(chẳng hạn từ cáp đồng trục sang đường truyền vi dải). Như chúng ta sẽ thấy,
chuyển tiếp giữa các đường truyền khác nhau hay các điểm gián đoạn trên
đường truyền nhìn chung không thể được xem là một kết nối đơn giản giữa hai
đường truyền mà phải được xét bởi một số kiểu mạch điện tương đương để tính
cho cả các điện kháng liên quan tới sự chuyển tiếp hay sự gián đoạn.
Trở kháng , điện áp và dòng điện tương đương.
+ Việc đo điện áp và dòng điện ở dải siêu tần rất là khó khăn. Trường hợp có
các cặp điện cực là loại sóng TEM (cáp đồng trục, đường truyền dải) có thể dễ
dàng hơn loại phi TEM.

Ở đây đường tích phân bắt đầu từ dây (+) và kết thúc ở dây (-).

Ở đây đường tích phân là một đường cong kín bất kỳ bao quanh dây (+), khơng
phải (-). Trở kháng đặc tính của đối với các sóng truyền lan:

5


+ Trường hợp đường truyền khơng phải là loại sóng TEM (Ống dẫn sóng). Xét
mode chủ đạo TE10 (giả thiết hằng số truyền sóng của đường truyền).

Ở phương trình phụ thuộc vào vị trí x cũng như độ dài lấy tích phân dọc theo
chiều y. Từ cơ sở này người ta xây dựng phương trình điện áp và dịng điện
tương đương cho trường hợp tổng quát:

2. Phân tích mạng siêu cao tần.
2.1 Ma trận truyền ABCD
Các mạng SCT thường gặp trong thực tế bao gồm một mạng 2 cổng hoặc
dãy cascade của các mạng 2 cổng. Các ma trận đặc trưng (S, Z, Y) của dãy các

mạng 2 cổng bằng tích các ma trận 2 x 2 (ABCD) của mạng 2 cổng.
Ma trận ABCD được định nghĩa :
6


Hình 1.1
Kết nối mạng hai cổng:

Hình 1.2

Quan hệ với ma trận trở kháng:

7


Ta có:

Bảng các tham số ABCD của một số mạng hai cổng hữu ích:

Hình 1.3
2.2 Ma trận trở kháng và ma trận dẫn nạp
tại một điểm nhất định trên cổng thứ n, một mặt phẳng kết cuối tn được định
nghĩa điện áp và dịng điện tương đương cho các sóng tới (Vn + , In + ) và sóng
phản xạ (Vn - , In - ) như hình

8


Hình 1.4


Ma trận trở kháng [Z]:

Ma
trận
dẫn
nạp
[Y]:

9


Ma trận trở kháng và dẫn nạp là nghịch đảo:

Các tham số trở kháng và dẫn nạp đều liên hệ với điện áp và dịng điện cổng và
được tính:

Lưu ý:
+ Đối với mạch tương hỗ thì ma trận [Z] (hoặc [Y]) có zij hoặc yij (i ≠ j) đối
xứng với nhau qua đường chéo chính.
+ Đối với mạch khơng tổn hao thì ma trận [Z] (hoặc [Y]) có các giá trị thuần ảo.
2.3 Ma

trận tán xạ

-Ma trận tán xạ phù hợp hơn với các phép đo trực tiếp từ các sóng tới, sóng
phản xạ và sóng truyền đi ở dải siêu cao tần. Vì kích thước của mạch so sánh
được với bước sóng điểm lệch pha giữa các phần tử là lớn.

10



-Ma trận tán xạ được định nghĩa theo mối quan hệ qua sóng tới, sóng phản xạ
tại cổng.
-Giả sử Vn+ sóng tới và Vn- sóng phản xạ từ cổng n.
+ Ma trận tán xạ [S]:

Hình 1.5
+ Các tham số tán xạ liên hệ với tín hiệu điện áp tới và phản xạ, được tính:

11


Trong đó tham số Sii là hệ số phản xạ nhìn từ cổng i khi các cổng khác được kết
cuối bằng tải phối hợp, tham số Sij là hệ số truyền từ cổng j tới cổng i khi các
cổng khác được kết cuối bằng tải phối hợp. + Các tham số tán xạ liên hệ với tín
hiệu điện áp tới và phản xạ, được tính: + Ma trận [S] được xác định qua các ma
trận [Z] hoặc [Y]: Giả sử trở kháng đặc tính của tất cả các cổng Z0n = 1

Phần II: Đồ thị dịng tín hiệu.
1.Khái niệm đồ thị dịng tín hiệu.

-Là một kỹ thuật bổ sung rất hữu ích cho việc phân tích mạng siêu cao tần
theo sóng truyền và sóng phản xạ.
12


-Các thành phần chính của đồ thị dịng tín hiệu là các nút và nhánh.
+ Nút (Nodes): mỗi cổng i của mạng SCT có hai nút là ai và bi . Nút ai
được định nghĩa là sóng vào (tới) cổng i, trong khi nút bi được định nghĩa là
sóng phản xạ lại từ cổng i. Điện áp tại một nút bằng tổng tất cả tín hiệu đi vào

nút đó.
+ Nhánh (branches): nhánh là đường dẫn có hướng giữa hai nút đại diện
cho dịng tín hiệu từ nút này sang nút khác. Mỗi nhánh có một tham số tán xạ
liên quan hoặc hệ số phản xạ.
Sóng tới với biên độ a 1 được tách thành 2, phần qua S11 (và ra khỏi cổng 1 như
một sóng phản xạ b1) và phần truyền qua S21 tới node b2. Tại node b2 sóng ra
khỏi cổng 2. Nếu có một tải với hệ số phản xạ zero được nối vào cổng 2 thì
sóng này sẽ tái phản xạ một phần và đi vào mạng tại node a2. Một phần sẽ tái
phản xạ ra khỏi cổng 2 qua S22 và 1 phần có thể được truyền ra khỏi cổng 1 qua
S12.
2.Đồ thị dịng tín hiệu biểu diễn mạng 2 cổng.

Hình biểu diễn một chuyển tiếp giữa một cáp đồng trục và một đường truyền vi
dải và được xem như la một ví dụ về một mạng hai cửa. Các mặt phẳng kết cuối
có thể được xác định tại bất kỳ điểm nào trên hai đường truyền; một lựa chọn
thuận tiện có thể được chỉ ra trên hình vẽ. Nhưng do sự gián đoạn về mặt vật lý
tại nơi chuyển tiếp nên năng lượng điện và /hoặc từ có thể được tích trữ gần chỗ
nối dẫn tới các hiệu ứng về phản kháng. Đặc trưng cho các hiệu ứng như vậy có
thể đạt được bằng cách đo hay phân tích lý thuyết (mặc dù việc phân tích có thể
là khá phức tạp) và được biểu diễn bởi một "hộp đen" hai cửa như trên Hình (b).
Các đặc điểm của chuyển tiếp khi đó có thể được biểu diễn theo các tham số
mạng (Z, Y, S, hoặc ABCD) của mạng hai cửa. Cách giải quyết như vậy có thể
được áp dụng cho nhiều khớp nối hai cửa khác nhau chẳng hạn như chuyển tiếp
từ một loại đường truyền này sang một loạt đường truyền khác, các gián đoạn
đường truyền chẳng hạn như các thay đổi nhảy bậc về độ rộng hay uốn cong, vv
13


(a) định nghĩa sóng tới và sóng phản xa. (b) đồ thị dịng tín hiệu
Hình 2.1

3.Đồ thị dịng tín hiệu biểu diễn mạng 1 cổng.

Trong phần này chúng ta sẽ thảo luận một số đặc điểm cơ bản của trở kháng
điểm nguồn đối với các mạng một cửa. Trước hết xét mạng một cửa bất kỳ.
Công suất phức được đưa tới mạng này được cho bởi

trong đó P` là thực và đại diện cho cơng suất trung bình được tiêu thụ bởi mạng
còn Wm và We đại diện cho năng lượng từ trường và điện trường tương ứng.
Lưu ý rằng véc tơ pháp tuyến đơn vị trong Hình hướng vào bên trong khối. Nếu
ta xác định các trường mode ngang thực e¯ và h¯ qua mặt phẳng cực của mạng
sao cho

14


với sự chuẩn hóa sao cho

khi đó ( có thể được biểu diễn dưới dạng điện áp và dòng điện

Khi đó trở kháng vào sẽ là

Do đó chúng ta thấy rằng phần thực R của trở kháng vào liên hệ với công suất
tiêu thụ trong khi phần ảo X liên quan tới năng lượng tĩnh tích trữ trong mạng.
Nếu mạng là khơng tổn hao thì P`=0 và R=0. Khi đó Zin là thuần ảo với điện
kháng.

nó là dương đối với tải là điện cảm (Wm > We) và là ảo đối với tải điện dung
(Wm < We)

15



(a) mạng một cổng đồ và thị dịng tín hiệu. (b) Nguồn và đồ thị dịng tín
hiệu.
Hình 2.2

4.Các quy tắc phân tích đồ thị dịng tín hiệu.

- Quy tắc 1 (quy tắc nối tiếp): hai nhánh, có nút chung chỉ có một sóng
đến và một sóng đi (các nhánh nối tiếp), có thể được kết hợp để tạo thành
một nhánh duy nhất có hệ số chính là tích của các hệ số nhánh ban đầu.

Hình 2.3

-Quy tắc 2 (quy tắc song song): Hai nhánh từ một nút chung đến một nút
chung khác (các nhánh song song) có thể được kết hợp thành một nhánh duy
nhất có hệ số chính là tổng của các hệ số nhánh ban đầu.

16


Hình 2.4
Quy tắc 3 (quy tắc vịng tự lặp): Khi một nút có một vịng tự lặp (một
nhánh bắt đầu và kết thúc trên cùng một nút) của hệ số S, thì vịng tự lặp có
thể được loại bỏ bằng cách nhân các hệ số của nhánh đi vào nút đó với
1/(1 - S).

Hình 2.5

Quy tắc 4 (quy tắc chia tách): Một nút có thể được chia tách thành hai nút

riêng biệt miễn là đồ thị kết quả có chứa một và chỉ một tổ hợp của các
nhánh đầu vào, đầu ra riêng biệt (vịng khơng tự lặp) kết nối với nút ban
đầu.

Hình 2.6
+ Ví dụ:

17


Hình 2.7

18


Phần III: Ứng dụng.
Đồ thị dịng tín hiệu được ứng dụng trong việc phân tích các hệ thống phản hồi
nhiều vòng lặp và xác định ảnh hưởng của một phần tử hoặc thông số cụ thể
trong một hệ thống phản hồi tổng thể.
Chúng ta có thể sử dụng đồ thị dịng tín hiệu để tính tốn các biểu thức vào ra
cho các mạng n cổng.
Ví dụ :
Ta có mạng 2 cổng như hình dưới

19


Hình 3.1

Từ đồ thị dịng tín hiệu chúng ta có thể suy ra được các biểu thức:


Ứng dụng đồ thị dịng tín hiệu để hiệu chuẩn trình phân tích mạng Thru-ReflectLin.
Là một ứng dụng sâu hơn của đồ thị dòng tín hiệu, trong việc hiệu chuẩn máy
phân tích mạng bằng kỹ thuật Thru-Reflect-Line (TRL). nó được dùng để đo
các thơng số tán xạ của thiết bị hai cổng.

Hình 3.2

tại các mặt phẳng tham chiếu được chỉ định.Một mạng máy phân tích đo các
thơng số tán xạ là tỷ số của biên độ điện áp phức tạp. Mặt phẳng cho các phép
đo như vậy thường ở một số điểm trong máy phân tích chính nó, vì vậy phép đo
sẽ bao gồm tổn thất và độ trễ pha do tác động của đầu nối, cáp và bộ chuyển
tiếp phải được sử dụng để kết nối thiết bị cần thử nghiệm (DUT) vào máy phân
tích. các hiệu ứng này được gộp lại với nhau trong một hộp lỗi hai cổng được
đặt ở mỗi cổng giữa mặt phẳng tham chiếu đo lường thực tế và mặt phẳng tham
chiếu mong muốn cho DUT hai cổng. Quy trình hiệu chuẩn được sử dụng để
20


xác định đặc điểm của các hộp lỗi trước khi đo DUT; sau đó lỗi thực tế đã được
sửa chữa.Các tham số tán xạ của DUT có thể được tính tốn từ dữ liệu đo được
của mạng một cổng có thể được coi là phiên bản rút gọn của trường hợp hai
cổng.
Chúng ta có thể sử dụng đồ thị luồng tín hiệu để suy ra bộ phương trình cần
thiết để tìm các tham số phân tán cho các hộp lỗi trong quy trình hiệu chuẩn
TRL. áp dụng các kết nối Thru, Reflect và Line tại mặt phẳng tham chiếu cho
DUT và đo các thông số tán xạ cho ba trường hợp. Giả định trở kháng đặc tính
giống nhau cho các cổng 1 và 2, và các hộp lỗi là tương hỗ và giống hệt nhau
cho cả hai cổng. Các hộp lỗi được đặc trưng bởi ma trận tán xạ [S] và, cách
khác, bởi ma trận ABCD. Do đó S21 = S12 cho cả hai hộp lỗi. Lưu ý rằng các

cổng 1 và 2 của hộp lỗi nằm ở vị trí đối diện vì chúng được kết nối đối xứng. Để
tránh nhầm lẫn trong ký hiệu, chúng ta sẽ biểu thị các thông số tán xạ đo được
cho Thru, Reflect và Line các kết nối tương ứng là ma trận [T], [R] và [L].
sắp xếp cho kết nối Thru và kết nối tương ứng đồ thị dịng tín hiệu. Quan sát
rằng chúng ta đã sử dụng thực tế rằng S21 = S12 và các hộp lỗi giống hệt nhau
và được sắp xếp đối xứng. Biểu đồ luồng tín hiệu có thể dễ dàng giảm bằng
cách sử dụng các quy tắc phân hủy để cung cấp các thông số tán xạ đo được tại
mặt phẳng đo lường về các tham số tán xạ của các hộp lỗi như :

21


Theo phép đối xứng, chúng ta có T22 = T11, và theo phép tương hỗ, chúng ta có
T21 = T12.

22


Hình 3.3
Ta có:

để cung cấp các tham số tán xạ tại các mặt phẳng tham chiếu của DUT. Bởi vì
chúng ta đang làm việc với một tầng gồm ba mạng hai cổng, nên việc sử dụng
các tham số ABCD rất thuận tiện. Do đó, chúng ta chuyển đổi các tham số tán
xạ của hộp lỗi thành các tham số ABCD tương ứng, và chuyển đổi các tham số
tán xạ đo được của tầng thành tham số Am Bm Cm Dm tương ứng. Nếu chúng
ta sử dụng A B C D để biểu thị các tham số cho DUT, thì chúng ta có:

trong đó sự thay đổi trong các phần tử của ma trận cuối cùng dẫn đến việc đảo
ngược các cổng cho hộp lỗi tại cổng 2 của DUT .Sau đó, các tham số ABCD

cho DUT có thể được xác định như:

23


Kết Luận.
Qua bài báo cáo em đã hiểu và nắm vững lý thuyết về đồ thị dịng tín
hiệu.Sử dụng thành thạo đồ thị dịng tín hiệu để phân tích các mạch siêu cao tần
phân bố đơn giản và tính tốn các mạch phối hợp trở kháng.Thông qua môn học
kỹ thuật siêu cao tần, giúp em hiểu biết thêm nhiều thứ thơng qua ứng dụng của
nó như thơng tin vệ tinh, vi ba, radar, quang học.
Do trình độ và thời gian cịn hạn chế, em chưa thể tìm hiểu hết được các
kiến thức cũng như các ứng dụng của đồ thị dịng tín hiệu. Vì vậy, báo cáo cịn
nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý của thầy

24


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Hồ Mạnh Cường, KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN.
[2]. Nghiêm Xuân Anh, Cơ Sở Kỹ Thuật Siêu Cao Tần, 31. 3. 2005.
[3]. David M. Pozar, Microwave Engineering.

25