Các thành phần ngoại vi trong hệ thống truyền dẫn vi ba số

Các dây dẫn sóng (phiđơ) là các phương tiện để dẫn các sóng điện từ.

Có 4 loại dây dẫn sóng sau: hai dây (song hành), cáp đồng trục, ống dẫn sóng, dây dẫn mảnh và siêu mảnh.

Đường dây song hành chỉ sử dụng ở phần tần số thấp trong băng tần viba, nguyên nhân là do tổn hao bức xạ, suy hao do chất điện môi và hiệu ứng mặt ngoài. Ở tần số trên 200MHz, sử dụng cáp đồng trục có hiệu quả hơn.

Cáp đồng trục khắc phục suy hao bức xạ do sử dụng phương pháp che chắn bằng cách cho dây dẫn ngoài bao quanh dây dẫn trong. Tuy nhiên, chúng có những hạn chế do suy hao ở chất điện môi và suy hao hiệu ứng bề mặt, dẫn đến, khả năng về công suất bị hạn chế.

Ống dẫn sóng có đặc tính tốt hơn so với phần lớn các loại dây dẫn khác. Chúng được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật ra đa với công suất yêu cầu cao.

Khi ở tần số cao hơn, đặc biệt là gần băng tần sóng mili, dây dẫn mảnh (stripline) và siêu mảnh (microstrip) có những ưu điểm rõ rệt. Nhiều hệ thống tần số cao được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu công suất thấp. Các mạch điện công suất thấp sử dụng kỹ thuật mạch tích hợp vi ba đơn khối (MMIC) hay kỹ thuật mạch tích hợp vi ba lai ghép (HMIC) với mạ đồng trên bản mạch in là đường truyền dẫn. Dây dẫn mảnh và siêu mảnh được sử dụng vì chúng thích ứng với công nghệ sản xuất bản mạch in.

6.2 Dây song hành

Khi biết được điện cảm và điện dung trên độ dài đơn vị, có thể tìm ra đặc tính trở kháng của bất kỳ đường dây nào theo công thức: Z₀ =

Các giá trị của L và C phụ thuộc vào cấu trúc hình học trên đường dây. Các dây song hành có khonảg cách hữu hạn giữa các dây và một đường kính dây xác định. Các hệ số này có thể được sử dụng nhiều hơn các giá trị L và C trên độ dài đơn vị. Nhờ việc sử dụng các hệ số này, chúng ta có thể tính toán các đặc tính trở kháng cho đường dây song hành bằng phương trình sau:

Z₀ = (276)(log₁₀ 2D/d)

Trong đó:

Z₀ = Đặc tính trở kháng,

D = Khoảng cách giữa 2 dây dẫn

d = Đường kính của dây dẫn

_r = hằng số điện môi tương đối ( = 1 cho không khí)


6.3 Cáp đồng trục

Dây dẫn thứ hai của dây song hành trở thành lớp vỏ bao quanh dây dẫn trong, như vậy ta có cáp đồng trục. Dây dẫn trong có thể được đỡ bởi các lớp đệm điện môi khi sử dụng không khí làm chất điện môi. Chất điện môi có thể dùng làm lớp đỡ cho dây dẫn trong là pôliêtilen hoặc một chất điện môi tương tự. Một loại cáp đồng trục rất quen thuộc là dây dẫn nối may thu truyền hình với một ăng ten. Các đặc tính điện của các loại cáp đồng trục khác nhau có thể khác nhau đáng kể, đặc biệt ở các tần số vi ba, do các kích thước của cáp và việc lựa chọn và tạo chất điện môi

Dây dẫn ngoài (võ) của cáp đồng trục nối với đất, nên cáp đồng trục được xem như dây dẫn không cân bằng. Điều này có thể so sánh với đường dây cân bằng như dây dẫn song hành cho T.V, ở đó 2 dây dẫn tín hiệu đều cách ly đất. Biến áp phối hợp sử dụng để phối hợp một dây dẫn đồng trục với dây dẫn song hành T.V hoặc ăng ten được gọi là biến áp cân bằng.

Cáp đồng trục sử dụng cho hệ thống vi ba có đường kính lớn hơn rất nhiều so với loại sử dụng để thu truyền hình thông thường. Trong hệ thống vi ba số thường sử dụng các loại cáp có đường kính dây dẫn ngoài 7/8 insơ (1 insơ = 2,54 cm) và 15/8 insơ với các chất điện môi xốp hoặc không khí.

Dải đặc tính trở kháng cho các cáp đồng trục thường từ 40 đến 150 . Đặc tính trở kháng của cáp đồng trục sử dụng chất điện môi đồng nhất, cứng.

Các cáp đồng trục có thể sử dụng được ở tần số tới 40 GHz. Tuy nhiên, hoạt động ở dải tần cao hơn được thực hiện trên bản mạch MMIC mà không cần cáp. Truyền lan qua cáp đồng trục được thực hiện qua mốt TEM (sóng điện từ ngang), do một cáp đồng trục là một đường truyền dẫn 2 dây. Trong một cáp đồng trục, sóng TEM được gọi là mốt sóng chủ yêu hay mốt trội và là mốt hoạt động ưu tiên. Khi hoạt động trong mốt trội, các tần số từ DC tới một vài GHz đều có thể truyền lan được. Vì lý do này, cáp đồng trục được xem như một loại dây dẫn băng rộng.

Khi ở tần số cao hơn, bước sóng của tín hiệu và các kích thước vật lý của dây dẫn liên quan đến chế độ hoạt động. Khi một bước sóng (ở tần số cao) bằng hoặc nhỏ hơn kích thước vật lý của dây dẫn thì sẽ tồn tại các chế độ truyền lan sóng bậc cao hơn. Kích thước tới hạn của cáp đồng trục là một hàm của chu vi chất điện môi giữa dây dẫn trong và dây dẫn ngoài. Các mốt bậc cao hơn này phân bố các trường năng lượng của chúng trong lớp điện môi giữa hai lớp dẫn.

Các mốt bậc cao được phân thành các sóng TE (sóng điện ngang) hoặc TM (sóng từ ngang). Sóng TE là một sóng điện ngang trong đó từ trường nằm trong hướng truyền lan sóng và điện trường nằm ngang (vuông góc) với hướng truyền lan. Đối với sóng từ ngang (TM), thành phần điện trường nằm trong hướng truyền lan và từ trường vuông góc với nó.

Các mốt bậc ao được chỉ rõ bằng các chỉ số dưới m và n. Chúng được viết là TE_mm và TM_mm . Các chỉ số dưới liên quan tới số nửa bước sóng có thể tồn tại xung quanh chu vi của đường tròn. Bậc thấp nhất trong các mốt bậc cao này tương ứng là TE₁₁ và TM₀₁. Có thể có nhiều mốt bậc cao khác.

Tần số hoạt động đối với cáp đồng trục được chọn bên dưới các mốt thấp nhất. Điều này đảm bảo việc truyền lan quan mốt TEM, đó là mốt chính đối với cáp đồng trục. Các mốt cao hơn không được ưa dùng vì việc truyền năng lượng không hiệu quả. Vấn để xẩy ra khi yêu cầu các tần số cao hơn, do các bước sóng ngắn hơn có thể tạo ra các mốt cao hơn. Để giải quyết vấn đề này thì đường kính của cáp đồng trục phải giảm. Việc giảm đường kính sẽ làm giảm khả năng xử lý công suất bị giới hạn do hiện tượng đánh thủng điện áp. Hiện tượng đánh thủng có thể xẩy ra giữa các lớp dẫn đặt gần nhau. Tóm lại, đường kính giảm gây ra hạn chế chủ yếu của cáp đồng trục là khả năng xử lý công suất thấp. Tuy nhiên, cáp đồng trục có thể được sử dụng cho khoảng cách ngắn ở tần số cao với suy hao không đáng kể.

Suy hao tăng theo tần số và suy hao của cáp đồng trục sử dụng chất điện môi xốp thì hơi lớn hơn loại sử dụng chất điện môi không khí. Để giảm tối thiểu suy hao gây ra bởi chất điện môi xốp thì một số thiết kế sử dụng các đai tròn để tách dây dẫn trong và dây dẫn ngoài, trong khi các thiết kế khác lại sử dụng một màng xoắn. Khi không khí được sử dụng làm chất điện môi phải chú ý giữ khô không khí. Đôi khi không khí được thay bằng một khí trơ như nitrô nén. Nếu khí nitrô được sử dụng thì hiện tượng đánh thủng sẽ không mạnh vì nitrô ít bị hiện tượng đánh thủng hơn không khí. Trong bất cứ trường hợp nào, giải pháp được đưa ra cũng dung hoà giữa mục đích sử dụng và loại chất điện môi. Cáp đồng trục có thể có cấu trúc mềm dẻo, cứng hoặc bán cứng theo mục đích sử dụng.

6.4 Ống dẫn sóng hình chữ nhật

Ống dẫn sóng là một ống kim loại rỗng dùng để truyền lan sóng điện từ. Không giống như cáp đồng trục, ống dẫn sóng không sử dụng dây dẫn trong. Giống như hàm ý trong tên của nó, ống dẫn sóng sử dụng ống để dẫn sóng từ nguồn tới đích. Có ba loại ống dẫn sóng cơ bản: ống dẫn sóng cứng (hình chữ nhật), ống dẫn sóng tròn và ống dẫn sóng hình elip. Mỗi loại ống dẫn sóng có một phạm vi ứng dụng riêng.

Ống dẫn sóng được chế tạo bằng đồng hoặc nhôm. Ống dẫn sóng cứng được dùng trong khoảng cách vài insơ đến 10 foot (1 foot = 0,3048m). Ống dẫn sóng tròn thường được dùng trong khoảng 20 foot, trong khi ống dẫn sóng elip, mềm có thể dùng được với cuộn 400 foot.

Ở các tần số cực cao và đối với các đoạn ngắn, mặt trong của ống dẫn sóng thường được tráng bạc hoặc vàng. Khi năng lượng phản xạ ở mặt trong, nó tạo ra dòng xoáy ở mặt trong và do đó làm suy hao tín hiệu truyền lan. Lớp tráng này làm giảm suy hao mặt trong.

Các ống dẫn sóng chỉ truyền lan các tín hiệu ở trên tần số cắt được xác định bởi độ rộng của ống dẫn sóng. Một nửa bước sóng của tín hiệu truyền lan phải "vừa" trong độ rộng của ống dẫn sóng. Như trong bảng 4.13, các tần số dưới 3 GHz không thể truyền được trong ống dẫn sóng WR-229. Điều này là do độ rộng 229% insơ của ống dẫn sóng nhỏ hơn một nửa bước sóng của các tín hiệu có tần số dưới 3 GHz.

Các ống dẫn sóng có hình dạng đơn nhất là do một số lý thuyết vi sóng cơ bản. Xem xét một máy phát tín hiệu được trình bày trong hình 4.11. Những hiểu biết cơ bản về điện tử cho chúng ta thấy rằng mạch này sẽ làm ngắn mạch máy phát. Tuy nhiên, sẽ là không ngắn mạch nếu độ rộng s bằng 1/4 bước sóng tần số tín hiệu. Trong trường hợp đó, ngắn mạch b sẽ chuyển tất cả dòng điện phản hồi về máy phát. Tổng độ dài đường truyền bằng một nửa bước sóng (hoặc lệnh pha 180⁰). Các dòng tới và dòng phản hồi triệt tiêu lẫn nhau, kết quả là dòng trên mạng bằng "0". Do đó, một mạch ngắn mạch 1/4 bước sóng là một bộ cách ly tín hiệu hiệu quả.

Trở kháng đối với phần ngắn mạch này tỷ lệ với tang (tg) của (bs), trong đó  =360⁰/ . Nếu s nhỏ hơn nhiều so với  trong trường hợp các mạch tần số thấp , thì thực tế tg (s) = 0 và do đó trở kháng = 0. Điều này phù hợp với hiểu biết của chúng ta về các ngắn mạch tần số thấp. Mặt khác, nếu s = /4 thì s = 90⁰ = ∞ tức là trở kháng của một bộ cách điện hoàn hảo.

Mặc dù về mặt lý thuyết việc tìm ra đoạn /4 có thể được sử dụng như một bộ cách điện cho các mạch tần số thấp rất có ích, nhưng chúng không thực tế lắm. ở tần số 60Hz, bộ cách ly sẽ dài 750 dặm!

Một ống dẫn sóng hình chữ nhật có thể coi như một chuỗi ngắn mạch một phần tư sóng. Khi ghép nối tiếp nhiều ngắn mạch sẽ tạo ra ống dẫn sóng hình chữ nhật. Điều này được trình bày trong hình 4.12.

Độ rộng của ống dẫn sóng hình chữ nhật đơn giản là bằng 2s =a. Kích thước này thiết lập giới hạn thấp của tần số có thể truyền lan trong ống dẫn sóng. Giới hạn này về bước sóng được biểu diễn _C = 2a. Bất cứ tín hiệu nào có bước sóng lớn hơn bước sóng cắt này sẽ không truyền được trong ống dẫn sóng. Xét ống dẫn sóng hình chữ nhật WR-90. Kích thước bên trong a của nó bằng 0,9 insơ hay 2,286 cm. Bước sóng cắt có thể được tính theo phương trình trên là: _C = 2 (2,286)cm = 4,572

Tần số cắt tương ứng là: f_c = c/_C= 3x10⁸/4,572/10^-2 = 6,56 x 10⁹Hz = 6,56 GHz.

Bất cứ tín hiệu nào có tần số thấp hơn 6,56 GHz đều không thể truyền lan trong ống dẫn sóng WR-90. Các tần số cao hơn f_c có thể truyền lan trong ống dẫn sóng do các kích thước nửa bước sóng của chúng nhỏ hơn _C. Vì thế một ống dẫn sóng có thể được coi như một bộ lọc thông cao.



Hình 4.12: Ống dẫn sóng hình chữ nhật là một chuỗi đoạn ngắn mạch /4

b. Vận tốc truyền sóng

Vận tốc truyền lan sóng trong ống dẫn sóng là thấp hơn trong không gian tự do. Vận tốc thấp hơn này là do các phương thức truyền lan trường. Đường đi của một mặt sóng ở tần số vi ba tương đối thấp là theo hình chữ chi. Nhưng do đường truyền dài, thực tế mặt sóng truyền lan rất chậm trong ống dẫn sóng. Ở tần số cao hơn, thực tế mặt sóng hoặc nhóm sóng truyền lan trong một khoảng cách cho trước cần ít thời gian hơn.

Vận tốc chuyển động theo trục của một mặt sóng hoặc một nhóm sóng được gọi là vận tốc nhóm. Mối tương quan giữa vận tốc nhóm với vận tốc chuyển động chéo tạo ra một hiện tượng khác thường. Vận tốc truyền lan dường như lớn hơn vận tốc ánh sáng.

Nếu một thiết bị sử dụng để xác định 2 vị trí trên thành ống dẫn sóng, khoảng cách giữa 2 vị trí này sẽ là P. Khoảng cách này lớn hơn khoảng cách L hoặc khoảng cách G. Sự dịch chuyển của tiếp điểm giữa sóng và thành ống là ở tại một vận tốc lớn hơn. Vì pha của tín hiệu đã thay đổi trên khoảng cách P, vận tốc này được gọi là vận tốc pha V_P.

Giống như với cáp đồng trục, tần số thấp nhất có thể truyền lan qua một ống dẫn sóng được coi như một sóng trội hoặc mốt sóng chính. Đối với mốt sóng chính, một nửa bước sóng tồn tại trong độ rộng ống dẫn sóng cho phép một điện trường E bằng 0 ở các mặt bên. Tại tần số của mốt chính này, ống dẫn sóng có vai trò trở kháng. Việc ghép nhiều nửa bước sóng hơn sẽ cho các mốt truyền lan bậc cao hơn. Các mốt bậc cao hơn được định rõ với các chỉ số dưới m và n (giống như các cáp đồng trục). Chỉ số m cho biết số dao động nửa sóng của điện trường hoặc từ trường theo chiều rộng của ống dẫn sóng. Chỉ số n cho biết số dao động nửa sóng của điện trường hoặc từ trường theo chiều hẹp. Mốt TE chủ yếu là TE₁₀ trong khi mốt TM chủ yếu là TM₁₁. Mốt chính đối với một ống dẫn sóng có các đặc tính sau:

- Có bước sóng hoạt động dài nhất

- Có hiệu suất truyền năng lượng lớn nhất

- Có cấu trúc trường đơn giản nhất

- Có phương thức đơn giản nhất để đưa sóng vào (hoặc lấy sóng ra).

6.5 Ống dẫn sóng có thanh dẫn bên trong (Ridged Wave guide)

Ống dẫn sóng này có đặc tính là tăng độ rộng băng tần công tác. Tần số cắt thấp hơn trong khi các mốt bậc cao có các tần số cắt cao hơn. Như vậy ống dẫn sóng có thanh dẫn bên trong là một ống dẫn sóng băng rộng. Thanh dẫn bên trong được lắp thêm vào làm giảm khả năng xử lý công suất của ống dẫn sóng. Trở kháng của ống dẫn sóng loại này thấp hơn trở kháng của ống dẫn sóng hình chữ nhật.

Trở kháng của ống dẫn sóng thay đổi theo thanh dẫn thêm vào. Một ứng dụng chính của ống dẫn sóng có thanh dẫn bên trong là dùng làm ống dẫn thích ứng trở kháng do trở kháng của nó có thể thay đổi dễ dàng bằng cách làm cho phần thanh dẫn trong ống thon dần.

6.6 Ống dẫn sóng tròn

Ống dẫn sóng tròn là một loại ống dẫn sóng phổ biến khác. Nó có các đặc tính rất giống với cáp đồng trục và trong thực tế nó có các mốt chính hay mốt trội giống như các mốt bậc cao của cáp đồng trục, đó là các mốt TE₁₁ và TM₀₁. Sự khác nhau chủ yếu là các số nguyên m và n tương ứng với số bước sóng xung quanh chu vi của mặt trong và số nửa bước sóng cắt đường kính trong. Với cùng một băng tần hoạt động, ống dẫn sóng tròn có kích thước lớn hơn ống dẫn sóng hình chữ nhật và điều này có thể được coi như một nhược điểm. Tuy nhiên, hình dạng tròn của nó thích hợp với việc quay tròn ở các anten rađa. Nó có khả năng xử lý công suất cao hơn một ống dẫn sóng hình chữ nhật có kích thước tương đồng. Một ống dẫn sóng tròn có thể sử dụng đồng thời cho cả các sóng phân cực đứng và phân cực ngang. Ống dẫn sóng tròn thường được sử dụng nhất để truyền sóng giữa nguồn phát và anten.

Chỉ có thể thay đổi kích thước trong ống dẫn sóng tròn là đường kính (hoặc bán kính). Do đó, không thể loại bỏ các mốt bậc cao chỉ bằng cách chọn các kích thước vật lý. Hơn nữa, các tần số cắt của các mốt bậc cao là gần với tần số cắt của mốt chính, như vậy việc sử dụng ống dẫn sóng tròn thường bị tránh trừ trường hợp đã định trước.

6.7 Ống dẫn sóng elip

Ống dẫn sóng hình elip là một trong số những loại phi đơ được sử dụng phổ biến nhất cho các hệ thống vi ba số hoạt động ở dải tần từ 3,4 đến 23,6 GHz. Nó làm giảm được yêu cầu "thẳng đứng" khi sử dụng phi đơ do ống dẫn sóng này ở dạng các cuộn 400 phút ( 1phút = 0,3048 m) và mềm dẻo. Ống dẫn sóng có hình bầu dục và thường được chế tạo từ đồng cuộn (đồng được tạo thành từng lớp và nhôm. Các mặt bằng đồng cuộn đem lại cho ống dẫn sóng elip sức chịu nén tuyệt vời và độ mềm dẻo cao. Ống dẫn sóng hình elip được chia làm hai loại: tiêu chuẩn và cao cấp. Sự khác nhau của 2 loại này là ở mức độ suy hao năng lượng sóng vi ba khi truyền qua. Thông số quan trọng nhất là VSWR. Ở ống dẫn sóng cao cấp thông số này thấp hơn. Loại cao cấp được khuyến nghị cho các hệ thống có mật độ kênh cao hoặc khoảng cách dài. Loại tiêu chuẩn được dùng cho các hệ thống chuyển tiếp vô tuyến khoảng cách trung bình và ngắn với mật độ kênh trung bình và thấp và cho các hệ thống vi ba chuyển tiếp truyền hình màu ở khoảng cách trung bình. Mốt hoạt động chính đối với ống dẫn sóng elip là TE₁₁, tương đương với mốt TE₁₀ trong ống dẫn sóng hình chữ nhật. Việc hoạt động trong băng tần mà ở đó chỉ tồn tại mốt chính có thể khử méo dạng sóng do chuyển đổi mốt và giảm thiểu VSWR.

Do các đấu nối đến thiết bị đầu cuối vô tuyến và ănten thường thiết kế cho ống dẫn sóng hình chữ nhật nên cần phải sử dụng bộ chuyển đổi (hoặc đầu nối) để nối ống dẫn sóng elip. Các đầu nối này có thể có một cơ chế điều chỉnh bằng việc sử dụng các vít điều chỉnh để điều chỉnh điện trường bù cho sự không thích ứng. Một đầu nối ống dẫn sóng chữ nhật elip có thể điều chỉnh điển hình được minh hoạ trong hình 5.16. Đầu nối (connector) thường có một lối vào áp suất mà không khí hoặc khí nitrơ khô có thể được đưa vào.

6.8 Dây dẫn mảnh và siêu mảnh

Dây dẫn mảnh là một loại phổ biến của các dây dẫn thu nhỏ. Dây dẫn mảnh có hình dạng một dây cáp đồng trục dẹt với một dây dẫn mỏng gắn vào hoặc một dây dẫn 3 lớp. Khi một lớp dẫn được bỏ đi thì lớp dẫn trung tâm sẽ nằm trên của chất cách điện, dây dẫn trở thành siêu mảnh.

Dây dẫn mảnh có ưu điểm trong chế tạo nhờ sự đa dạng về các chất điện môi, chất nền và sử dụng các kỹ thuật mạch in. Nó nhỏ hơn ống dẫn sóng và cáp đồng trục và có độ rộng băng tần lớn hơn. Các tần số hoạt động bắt đầu từ băng L (1,0 GHz) và có thể lên tới băng mili (trên 40 GHz).

Dây dẫn mảnh có cấu trúc 2 dây đều đúng với dây dẫn mảnh. Suy hao bức xạ được giảm nhỏ nhất do bản chất của cấu trúc dây dẫn mảnh là được bao bọc, nhưng suy hao do chất điện môi và hiệu ứng bề mặt vẫn tồn tại.

Dây dẫn siêu mảnh là một trong số các loại dây dẫn được sử dụng phổ biến nhất. Với sự phát triển của các công nghệ ở tần số cao và HMIC, MMIC công suất thấp, dây dẫn siêu mảnh có thể có các linh kiện tích cực hoặc thụ động kết hợp với nó được sản xuất trực tiếp ở trên hoặc gắn vào mạch in. Cả các IC đơn khối và các mạch lai ghép đều có thể được sử dụng. Các vạch đồng trở thành các đường dẫn trong đường truyền dẫn. Bằng cách thay đổi các vạch đồng, tính gián đoạn có thể được tạo ra để đạt được các thông số LC tương đương hoặc để sử dụng trong việc thích ứng trở kháng.

Những suy hao đối với dây dẫn siêu mảnh là do hiệu ứng bề mặt, chất điện môi hoặc bức xạ. Do việc bỏ mặt dẫn trên cùng nên hiệu quả che chắn bị mất. Điều này nghĩa là dây dẫn siêu mảnh có suy hao lớn hơn do bức xạ. Phần lớn các suy hao phụ thuộc vào tần số. Kích thước tương đối nhỏ của các mạch dây dẫn siêu mảnh cho phép phần lớn các suy hao là chấp nhận được. Các chất nền và chất điện môi mới cũng có thể làm giảm suy hao.