Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ dao động tần số 3GHz ứng dụng cho hệ thống radar i2 37

Chương 2 nêu ra các nguyên nhân gây mất ổn định bộ dao động siêu cao tần do ảnh hưởng mất ổn định của nguồn nuôi, do ảnh hưởng của nhiệt độ..., đồng thời đề ra một số phương pháp ổn định

vi dải cho đài radar đáp ứng yêu cầu đề ra

Radar П – 37 do Liên Xô (cũ) sản xuất và đã được Cộng hoà Liên bang Nga ngày nay cải tiến là radar làm việc ở dải sóng cm có chức năng cảnh giới, ngoài ra radar này còn có nhiệm vụ dẫn đường cho không quân tiêm kích Radar П – 37 có 5 kênh thu phát riêng biệt làm việc ở 5 tần số độc lập trong dải tần số từ khoảng 2,7 GHz đến 3,1 GHz

Nội dung luận văn trình bày gồm 3 phần:

Chương 1 trình bày khái quát về các bộ dao động siêu cao tần và nghiên cứu về

mạch dải, đây là một công nghệ cho phép sản xuất mạch có độ chính xác cao, dễ sản xuất hàng loạt (bằng phương pháp tự động), mạch có kích thước bé (cả thể tích và trọng lượng), có khả năng tương thích với quy trình mạch tích hợp Trên cơ sở đó đi đến thiết kế bộ dao động bán dẫn VCO trên mạch dải đáp ứng được những chỉ tiêu yêu cầu thiết kế (dải tần làm việc, công suất ra )

Chương 2 nêu ra các nguyên nhân gây mất ổn định bộ dao động siêu cao tần (do ảnh hưởng mất ổn định của nguồn nuôi, do ảnh hưởng của nhiệt độ ), đồng thời

đề ra một số phương pháp ổn định bộ dao động, như phương pháp ổn định sử dụng hốc cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao, phương pháp ổn định sử dụng kỹ thuật vòng khoá pha…

Trên cơ sở lý thuyết chương 1 và 2, chương 3 trình bày thiết kế, chế tạo các bộ VCO trên mạch vi dải sử dụng kỹ thuật vòng khoá pha PLL

Việc ổn định tần số dao động ở 3 GHz được thực hiện bằng mạch vòng khóa pha PLL (Phase Lock Loop) Một phần đầu ra của bộ VCO sẽ được đưa đến đầu vào của PLL so sánh với tần số chuẩn và đưa ra điện áp DC điều khiển Varator của mạch dao động để điều hưởng bộ dao động đến khi fVCO = (N/R)*fChuẩn

Khi chế tạo bộ dao động cho đài rada ta có thể thay thế modul mạch tạo dao động VCO bằng IC ROS-2952+ có sẵn để giảm sự phức tạp trong chế tạo và tích hợp các modul

Với tần số làm việc của VCO từ 2,7-3,1 GHz chúng ta sử dụng bộ tổ hợp tần số ADF4113 để nâng cao độ ổn định bộ dao động VCO cho các đài rađa

Dao động chuẩn ta dùng thạch anh loại 4 chân tần số 16.9344 MHz: chân 1 không dùng, chân 2 nối đất, chân 3 nối nguồn 5V và chân 4 đưa ra tần số 16.9344MHz nối với đầu vào tham chiếu REFin của ADF4113

Để điều khiển đầu ra các tần số mong muốn, ta sử dụng vi điều khiển PIC 12F675 8 chân

Ta chọn thực hiện trên mạch dải kiểu FR4, vật liệu Teflon có hằng số điện môi εr=4.7, độ dày tấm điện môi h = 0.8mm Với loại mạch dải này, phối hợp trở kháng 50Ω ta tính được chiều rộng đường dẫn tín hiệu cao tần từ ROS-2952+ w = 1,4mm

Kết quả đo mạch dao động sau khi chế tạo thoả mãn các yêu cầu đưa ra của đài radar П – 37 (Công suất, tần số ) Khi thay đổi các giá trị nạp cho PIC điều khiển đầu

ra ta thu được các tín hiệu dao động ở tần số mong muốn trong khoảng 2,7-3,1GHz với công suất khoảng 10dBm

Kết quả đo và số liệu thực nghiệm cho thấy khả năng ứng dụng của luận văn vào thực tế cũng rất cao khi thiết kế chế tạo bộ VCO thay thế cho các bộ ngoại sai mà hiện nay các đài rađa đang sử dụng Ưu điểm là tần số ra bộ dao động có thể được điều khiển chính xác và ổn định bằng thay đổi các tham số nạp cho PIC điều khiển Nhược điểm là công suất ra bộ dao động chưa đạt mức trên 10 dBm do bị suy hao lớn trên đường truyền vi dải

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

MỞ ĐẦU 5

Chương 1: Các lý thuyết cơ sở để thiết kế bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 8

1.1.Các loại mạch dao động 8

1.1.1.Điều kiện dao động 8

1.1.2 Mạch dao động tần số thấp 9

1.1.3 Mạch dao động tần số cao 11

1.1.4 Dao động thạch anh 15

1.2 Dao động bán dẫn siêu cao tần (SMO) 17

1.2.1 Tổng quan chung 17

1.2.2 Phân loại các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 18

1.2.3 Các bộ dao động diode điện trở âm 19

1.2.4 Các bộ dao dộng transistor .23

1.2.5 Các bộ dao động khác 26

Chương 2: Độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và một số giải pháp nâng cao tính ổn định 35

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 35

2.2 Một số giải pháp nâng cao tính ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 36

2.2.1 Phương pháp ổn định sử dụng hốc cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao.36 2.2.2 Phương pháp ổn định bơm khoá pha (Injection phase locking) 38 2.2.3 Ảnh hưởng của sự không ổn định nguồn nuôi và các giải pháp ổn định 39

2.2.4 Ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ và các phương pháp ổn định .39

2.2.5 Giải pháp sử dụng vòng khóa pha để nâng cao độ ổn định của VCO 41

Chương 3: Thiết kế chế tạo bộ dao động bán dẫn siêu cao tần số 3GHz cho đài radar Π-37 46

3.1 Bộ dao động radar Π-37 46

3.1.1.Giới thiệu chung về đài radar П -37 46

3.1.2 Bộ dao động hiện đang sử dụng của đài radar П-37 47

3.2 Thiết kế bộ dao động cho đài radar П-37 48

3.2.1 Phương pháp thiết kế bộ dao động 48

3.2.2 Thiết kế bộ dao động VCO và mạch khuếch đại trên ADS 51

3.2.3 Thiết kế vòng khóa pha PLL 60

3.2.3 Chế tạo bộ dao động cho đài rada 69

3.2.4 Kết quả đo 75

KẾT LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

LỜI CAM ĐOAN

Hà Nội, ngày 28 tháng 08 năm 2011

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Tâm Minh

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT

VCO Voltage Control Oscillator

SMO Solid-state Microwave Oscillator

FET Field Effect Transistor

BARITT Barrier Injection Transit Time

IMPATT IM Pact Avalanche Transit-Time Diode TRAPATT Trapped-Plasma Avalanche Transit Time

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật siêu cao tần ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân và trong quốc phòng, ví dụ như trong các đài ra đa, trong thông tin viễn thông, trong điện thoại, trong các hệ thống điều khiển, trong điều trị chữa bệnh, trong điều khiển giao thông vv

Mạch dao động siêu cao tần được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong truyền tin, truyền hình, điều khiển tính toán, điều hành giao thông, hàng hải, nông nghiệp, y học hiện đại.v.v Trong quân sự được ứng dung trong thông tin liên lạc, phòng không, không quân, hải quân

Tuỳ theo yêu cầu và chức năng của từng thiết bị mà bộ dao động siêu cao tần

có thể được thiết kế với đèn điện tử như klistron, magnetron, có thể dùng bán dẫn như transsitor lưỡng cực (bipolar), transistor trường (FET), hoặc các loại điốt có trở kháng âm như điốt TUNNEL, điốt IMPATT (Impact Avalanche and Transit Time), điốt TRAPATT (Trapped-Plasma Avalanche Transit Time), điốt BARITT (Barrier Injection Transit Time), điốt GUNN

Ngày nay các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần (viết tắt là SMO: solid-state microwave oscillator) với ưu điểm nhỏ nhẹ, dùng nguồn thấp, tuổi thọ cao, chế độ làm việc ổn định, tạp thấp đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, ví

dụ trong các mạch định thời gian, trong kỹ thuật số và trong các mạch trộn tín hiệu Nó còn được dùng trong chức năng quan trọng khác đó là các bộ dao động tại chỗ trong các máy thu phát thay thế cho các bộ dao động dùng đèn điện tử cồng kềnh, tuổi thọ và chất lượng làm việc thấp, tạp lớn, tốn nhiều nguồn, khó điều chỉnh Các bộ SMO tạp thấp đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống rađa và thông tin

Các bộ tạo dao động bán dẫn siêu cao tần đã được các nước trên thế giới phát triển từ những năm 1970 Có thể chia các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần

Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần được sử dụng làm dao động ngoại sai trong các đài rađa thường được thực hiện dưới dạng VCO (Voltage Controlled Oscillator: bộ dao động điều chỉnh điện áp), các bộ VCO này có thể điều chỉnh tần

số dao động một cách dễ dàng bằng cách thay đổi điện áp cấp cho Varactor

Mục đích của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ dao động trên mạch

vi dải để thay thế bộ dao động cũ sử dụng đèn 3 cực của radar П-37 Radar П-37 do Liên Xô sản xuất và đã được Cộng hoà Liên bang Nga ngày nay cải tiến là radar làm việc ở dải sóng cm (dải tần làm việc từ 2,7 GHz đến 3,1 GHz) có chức năng cảnh giới ngoài ra còn có nhiệm vụ dẫn đường cho không quân tiêm kích Hiện nay các bộ phận máy thu cũ của đài radar này nói chung trong đó có bộ dao động không

có các thiết bị để thay thế Yêu cầu đặt ra là phải chế tạo được bộ dao động mới đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật để thay thế cho bộ dao động cũ của đài radar Xuất phát từ thực tiễn đó em đi sâu vào nghiên cứu để thiết kế và chế tạo một bộ dao động trên mạch vi dải cho đài radar đáp ứng yêu cầu đề ra

Nội dung luận văn trình bày gồm 3 chương:

Chương 1: Các lý thuyết cơ sở để thiết kế bộ dao động bán dẫn siêu cao tần: trình

bày khái quát về các bộ dao động siêu cao, các lý thuyết cơ sở để thiết kế bộ dao động bán dẫn siêu cao tần

Chương 2: Độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và một số giải pháp nâng cao tính ổn định: đưa ra các nguyên nhân gây mất ổn định bộ dao động

bán dẫn siêu cao tần (do ảnh hưởng mất ổn định của nguồn nuôi, do ảnh hưởng của nhiệt độ ), đồng thời đề ra một số phương pháp ổn định bộ dao động, như phương pháp ổn định sử dụng hốc cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao, phương pháp ổn định sử dụng kỹ thuật vòng khoá pha…

Chương 3: Thiết kế chế tạo bộ dao động bán dẫn siêu cao tần số 3GHz cho đài radar Π-37: Trên cơ sở lý thuyết chương 1 và 2, trình bày thiết kế, chế tạo các bộ

VCO 3GHz trên mạch vi dải sử dụng kỹ thuật vòng khoá pha PLL

Trong qúa trình làm luận văn, được sự hướng dẫn rất tận tình của các cán bộ phòng thí nghiệm phòng Thí nghiệm Radar - Viện Radar - Viện KHKT Quân sự, và thầy giáo hướng dẫn, đồng thời qua quá trình nghiên cứu tài liệu, thiết kế em đã được tìm hiểu về các bộ dao động, thiết kế sử dụng phần mềm thiết kế mạch ADS

và chế tạo các bộ VCO 3GHz Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ phòng Thí nghiệm Radar và thầy Đỗ Trọng Tuấn đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn của mình

Chương 1: Các lý thuyết cơ sở để thiết kế bộ dao động bán dẫn

siêu cao tần

1.1.Các loại mạch dao động

1.1.1.Điều kiện dao động

Hình 1.1 là sơ đồ khối một mạch dao động có hồi tiếp

Hình 1.1 Sơ đồ khối mạch dao động có hồi tiếp

Nếu pha của Vf lệch 180º so với Vin ta có hồi tiếp âm Nếu pha của Vf cùng pha với Vin (hay lệch 360º) ta có hồi tiếp dương

Hệ số khuếch đại mạch Av =

Hệ số khuếch đại của mạch hồi tiếp β =

Độ lợi của mạch khi có hồi tiếp là

(1.1) βAv = 1 → A =Vout/ Vin = ∞ → Vin = 0

Nghĩa là khi không có tín hiệu nguồn Vin mà vẫn có tín hiệu ra Vout tức mạch tự tạo

ra tín hiệu và được gọi là mạch dao động

Điều kiện để mạch dao động là:

(1.2)

Nếu βAv >> 1 (đúng điều kiện pha) thì mạch dao động đạt ổn định nhanh nhưng dạng sóng méo nhiều (thiên về vuông) còn nếu βAv > 1 và gần bằng 1 thì mạch đạt đến độ ổn định chậm nhưng dạng sóng ra ít méo Còn nếu βAv < 1 thì mạch không dao động được

1.1.2 Mạch dao động tần số thấp

Dao động dịch pha RC

Hình 1.2 là sơ đồ mạch dao động dịch pha RC Mạch này thường dùng mạch khuếch đại đảo (lệch pha 180°) nên hệ thống hồi tiếp phải lệch pha thêm 180° để tạo hồi tiếp dương Hệ thống hồi tiếp gồm ba mắt R-C, mỗi mắt có độ lệch pha tối

đa 90° nên để độ lệch pha là 180° phải dùng ba mắt R-C

Hình 1.2 Mạch dao động dịch pha RC

Mạch có thể dùng BJT, FET hoặc khuếch đại thuật toán

Tần số dao động:

(1.3) │β │= 1/29,

Dao động cầu Wien

Mạch dao động cầu Wien cũng là một dạng dao động dịch pha Mạch này thường dùng khuếch đại thuật toán theo kiểu khuếch đại không đảo nên hệ thống hồi tiếp phải có độ lệch pha 0° Mạch dao động cầu Wien căn bản như hình 1.3 Tần số và hệ số hồi tiếp được xác định bằng công thức:

(1.4)

Hình 1.3 Mạch dao động cầu Wien

Như vậy để thay đổi tần số dao động, ta có thể thay đổi một trong các thành phần trên Tuy nhiên, lưu ý là khi có hồi tiếp hệ số β thay đổi và độ lợi vòng cũng thay đổi theo, điều này có thể làm cho mạch mất dao động hoặc tín hiệu dao động bị biến dạng Ðể khắc phục điều này, người ta thường thay đổi R1, R2 hoặc C1, C2 cùng lúc (dùng biến trở đôi hoặc tụ xoay đôi) để không làm thay đổi hệ số β

1.1.3 Mạch dao động tần số cao

Dao động dịch pha không dùng được ở tần số cao vì lúc đó tụ điện phải có điện dung rất nhỏ Ðể tạo sóng tần số cao người ta thường đưa vào hệ thống hồi tiếp các mạch cộng hưởng LC (song song hoặc nối tiếp)

Dạng tổng quát của mạch dao động tần số cao như hình 1.4 Tại tần số cộng hưởng

ta có: Z1 + Z2 + Z3 = 0 Hệ số hồi tiếp được tính

(1.5) Av(oc) là độ lợi khi không tải và không hồi tiếp Av(oc) β 1 nên

Av(oc)

Tùy theo Z1 , Z2 , Z3 là cuộn cảm hay tụ điện và tích chất mạch khuếch đại ta

có các loại mạch dao động Hartley, Colpitts hay Clapp

Hình 1.4 Mạch dao động LC

Mạch dao động Colpitts

Hình 1.5 Mạch dao động Colpitts dùng JFET

So sánh với mạch tổng quát: Z1 = C1; Z2 = C2; Z3 = C3; C3: tụ liên lạc ngỏ vào làm cách ly điện thế phân cực L2: cuộn chặn cao tần (Radio-frequency choke)

có nội trở không đáng kể nhưng có cảm kháng rất lớn ở tần số dao động, dùng cách

ly tín hiệu dao động với nguồn cấp điện Tại tần số cộng hưởng: Z1 + Z2 + Z3 = 0

v(oc) là độ lợi không tải: A

v(oc) = -g

m(r

d //XL2)

Hình 1.6 Mạch dao động Colpitts dùng BJT

Mạch dao động Clapp

Dao động clapp thật ra là một dạng thay đổi của mạch dao động colpitts Cuộn cảm trong mạch dao động colpitts đổi thành mạch LC nối tiếp Tại tần số cộng hưởng, tổng trở của mạch này có tính cảm kháng Hình 1.7 là sơ đồ mạch dao động Clapp dùng FET

Tại tần số cộng hưởng: Z1 + Z2 + Z3 = 0

Nếu gọi

(1.8) Av(oc)

Hình 1.7 Mạch dao động Clapp dùng FET

Hình 1.8 Mạch dao động Hertley dùng FET

1.1.4 Dao động thạch anh

Tinh thể thạch anh (quartz crytal) là loại đá tinh thể trong thiên nhiên, chính

là dioxyt silicium (SiO

2) Khi ta áp một lực vào 2 mặt của lát thạch anh (nén hoặc kéo dãn) thì sẽ xuất hiện một điện thế xoay chiều giữa 2 mặt Ngược lại dưới tác dụng của một điện thế xoay chiều, lát thạch anh sẽ rung ở một tần số không đổi và như vậy tạo ra một điện thế xoay chiều có tần số không đổi

Rs : là điện trở biểu thị mức tiêu hao năng lượng thường

nh do hai lớp kim loại mạ ở hai mặt thạch

Hình 1.9 Mạch tương đương của thạch anh

ng của lát thạch anh tùy thuộc vào kích thướ

ày mặt cắt Khi nhiệt độ thay đổi, tần số rung động của thạch anh cũng thay đổi theo nhưng vẫn có độ ổn định tốt hơn rất nhiều so với các mạch dao động không dùng thạch anh (tần số dao động gần như chỉ tùy thuộc vào thạch anh mà không lệ thuộc mạch ngoài)

Mạch tương đương c

Tinh thể thạch anh cộng hưởng ở hai tần số khác

- Cộng hưởng nối tiếp ở tần số fs do Ls và Cs

(1.11)

- Cộng hưởng ở tần số fp do Ls , Cs và Cp mắc song song

(1.12)

Ta có thể dùng thạch anh để thay thế mạch nối tiếp LC, mạch sẽ dao động ở tần số f

S Còn nếu thay thế mạch song song LC, mạch sẽ dao động ở tần số f

p (hoặc f

op) Do thạch anh có điện cảm L

S lớn, điện dung nối tiếp rất nhỏ nên thạch anh sẽ

quyết định tần số dao động của mạch

Dao động dùng thạch anh như mạch cộng hưởng nối tiếp còn gọi là mạch dao động Pierce và được trình bày ở hình 1.10

Hình 1.10 Mạch dao động Pierce

Ta thấy dạng mạch giống như mạch dao động clapp nhưng thay cuộn dây và

tụ điện nối tiếp bằng thạch anh Dao động Pierce là loại dao động thông dụng nhất của thạch anh Hình 1.11 là loại mạch dao động Pierce dùng rất ít linh kiện Thạch anh nằm trên đường hồi tiếp từ cực thoát về cực cổng Thực tế người ta mắc thêm một tụ tinh chỉnh C

M có tác động giảm biến dạng của tín hiệu dao động

Hình 1.11 Mạch dao động Pierce dùng FET

Tần số dao động

với (1.13)

và thạch anh được dùng như mạch cộng hưởng song song

1.2 Dao động bán dẫn siêu cao tần (SMO)

1.2.1 Tổng quan chung

Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần (viết tắt là SMO: solid-state microwave oscillator) Như chúng ta đã biết bất kỳ bộ SMO điện trở âm nào cũng gồm một phần tử tích cực (là điốt điện trở âm hay tranzitor) và một mạch ngoài nối với nó Nhiệm vụ của mạch ngoài là tạo ra mạch phối hợp trở kháng giữa phần tử tích cực và tải sao cho đảm bảo được điều kiện dao động Khi khởi động, bộ SMO

từ trạng thái quá độ chuyển sang trạng thái ổn định

Ta có thể xét bộ SMO như mạch một cửa với điện trở âm sử dụng điốt IMPATT

hay GUNN hay tranzitor trường Hình 1.12 vẽ bộ SMO một cửa điện trở âm, có trở

kháng vào của phần tử tích cực là Zvào= Rvào +jXvào Trở kháng này phụ thuộc vào dòng (hoặc áp) và phụ thuộc vào tần số:

Z vào (Ijω) = R vào (Ijω) + jX vào (Ijω) (1.14)

Xvào XTải Rvào RTải

Γvào ΓTải;

Hình 1.12 Sơ đồ bộ dao động trở kháng âm một cửa

Phần tử tích cực được nối với trở kháng tải : ZTải = RTaỉ +j XTải

Theo định luật Kirchoff ta có:

Nếu có dao động thì I khác 0 và thoả mãn điều kiện dao động:

Vì điện trở tải RTaỉ >0 nên Rvào <0 Vậy nếu điện trở dương tiêu thụ công suất thì điện trở âm là nguồn sinh ra công suất Hai công thức (1.16a) và (1.16b) là điều kiện dao động của SMO Điều kiện dao động (1.16b) xác định tần số dao động Như vậy để có dao động ổn định, phải thoả mãn điều kiện: ZTaỉ= Zvào, khi có hệ số phản

Tuỳ thuộc vào lĩnh vực sử dụng còn có thêm nhiều yêu cầu: độ ổn định tần

số, tạp của bộ dao động, độ sạch của phổ tần dao động

Các bộ SMO có ưu điểm là kích thước bé, có độ ổn định cao, tạp nhỏ và cấp nguồn rất đơn giản được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như làm bộ dao động tại chỗ trong các máy thu phát thay thế cho các bộ dao động dùng đèn điện tử cồng kềnh, tuổi thọ và chất lượng làm việc thấp, tạp lớn, tốn nhiều nguồn, khó điều chỉnh

1.2.2 Phân loại các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần

Các mạch dao động tích hợp siêu cao tần bán dẫn cơ bản có thể chia làm hai nhóm sau:

− Các bộ dao động diode điện trở âm

− Các bộ dao động transitor

Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần ở dải centimet và milimét thường được làm trên hốc cộng hưởng ống sóng chữ nhật còn ở dải tần số thấp hơn thì thường làm trên mạch dải Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần được sử dụng làm dao động ngoại sai thường được thực hiện dưới dạng VCO (Voltage Controlled

Oscillator: bộ dao động điều chỉnh điện áp), các bộ VCO này có thể điều chỉnh tần

số dao động một cách dễ dàng bằng cách thay đổi điện áp cấp cho diode hoặc transitor

1.2.3 Các bộ dao động diode điện trở âm

Các điốt bán dẫn siêu cao tần trở kháng âm

Điốt bán dẫn siêu cao tần được phân thành:

Điốt Varisto là các điốt có điện trở biến đổi (bao gồm các điốt tiếp xúc điểm, điốt nghịch đảo và đa số điốt có hàng rào schottky) được dùng để: tách sóng, biến đổi dưới, giải điều chế, bộ hạn chế tốc độ cao hoặc chỉnh lưu

Điốt Varactor là các điốt có điện dung biến đổi, do có điện dung phi tuyến thay đổi được khá nhanh, tổn hao nhỏ hơn nhiều so với Varisto nên được dùng làm:

bộ dao động sóng hài, bộ điều chế hoặc biến đổi trên, các bộ khuếch đại có tạp âm

bé, tạo dao động và tạo xung

Điốt có trở kháng có thể điều chỉnh được (điốt Pin): Độ dẫn điện của các điốt này hoàn toàn tỷ lệ thuận với số lượng các hạt mang điện không cơ bản được tích luỹ Các điốt này ở dải sóng siêu cao tần có trở kháng tựa tuyến tính, giá trị của

nó thể điều khiển được bằng thiên áp một chiều hoặc thiên áp âm tần ngoài Chúng được dùng ở đảo mạch siêu cao tần; Bộ quay pha, bộ hạn chế công xuất, bộ điều chế siêu cao tần công suất, các bộ suy giảm biến đổi để điều khiển biên độ tín hiệu

Điốt siêu cao tần có trở kháng âm hiện nay chủ yếu dùng để khuếch đại và

tạo dao động siêu cao tần Có ít nhất 3 loại tuỳ thuộc vào hiệu ứng đường hầm (điốt Tunnel) hiệu ứng tạo thành thác lũ khi ion hoá do va trạm và thời gian bay (điốt Impatt, điốt Barrit) và hiệu ứng Gunn (điốt Gunn)

Điốt Tunnel do có tạp âm bé nhưng vì công suất ra nhỏ, tần số làm việc không cao nên được dùng chủ yếu làm dao động ngoại sai trong các máy thu siêu ngoại sai, trong các bộ khuếch đại tạp âm bé, các bộ điều chế, các bộ chuyển mạch công suất nhỏ tốc độ cao và bộ hạn biên

Điốt gunn và điốt thác lũ do cường độ điện trường cao, năng lượng động học của điện tử lớn hơn nhiều năng lượng nhiệt của chúng Lúc đó các điện tử này gọi là

điện tử "nóng", còn các bộ dao động và bộ khuếch đại bằng điốt thác lũ và điốt Gunn được gọi là các thiết bị trên điện tử "nóng" Cả hai loại điốt siêu cao tần này

so với dụng cụ điện tử chân không truyền thống chúng có kích thước, trọng lượng nhỏ, độ tin cậy cao, tuổi thọ dài, điện áp một chiều nhỏ nên ngày càng được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật siêu cao tần để làm các bộ dao động

Điốt siêu cao tần ở sơ đồ tạo dao động là mạng hai cực phi tuyến có trở kháng tích cực âm biến đổi nguồn năng lượng nguồn một chiều thành năng lượng dao động siêu cao tần Việc biến đổi năng lượng được thực hiện do tương tác của dòng chuyển động các hạt mang điện (điện tử hoặc lỗ trống) với điện trường xoay chiều Về mặt vật lý điốt tạo dao động là lớp phẳng chất bán dẫn tạo thành khoảng giữa điốt, giữa hai đầu cực là các đầu đưa ra (Anốt, Katốt) giới hạn không gian tương tác

Các hạt mang điện tích được tạo ra bên trong khoảng giữa hoặc được bắn ra

từ các đầu cực và chuyển động dưới các điện trường được tạo ra bởi điện áp ngoài đặt vào các đầu cực cũng như các điện tích bên trong khoảng giữa điốt

Quá trình biến đổi năng lượng ở khoảng giữa điốt bán dẫn khác với dụng cụ chân không là nó có hàng loạt đặc điểm được quy định bởi tính chất của bán dẫn, điện tích và vận tốc chuyển động của nó trong đó cũng như cường độ điện trường có thể thay đổi theo không gian và thời gian do thay đổi điều kiện bên trong và bên ngoài (vật liệu và cấu trúc bán dẫn, điện áp hoặc dòng điện đặt vào các đầu cực) Ở các điều kiện xác định, có thể xuất hiện quá trình điện tử khác nhau ở khoảng giữa điốt làm tăng hiệu quả biến đổi, điều này cho phép sử dụng khoảng giữa điốt tạo dao động siêu cao tần

Các bộ dao động điốt điện trở âm

Trong rất nhiều dụng cụ bán dẫn 2 cực có điốt điện trở âm trong dải siêu cao tần (ví dụ như điốt Tunnel, điốt Gunn, điốt IMPATT.vv ) Để tạo được mạch dao động ta đặt điốt điện trở âm vào trong một mạch cộng hưởng và nối tải với nó

Các điốt điện trở âm thường có thể đặc trưng bằng một điện trở âm phụ thuộc vào mức được mắc song song hoặc nối tiếp với một phần tử điện kháng có giá trị cố định (hình 1.13)

C’d 

R d 

C d 

G d 

Hình 1.13: Sơ đồ tương đương mạch một cửa điện trở âm

Dẫn nạp phụ thuộc vào mức Yd của điốt điện trở âm có thể viết theo biểu thức sau [3]:

j G

Y d = d + ω d = − −α + ω +β (1.18) Trong đó G0 là hỗ dẫn tín hiệu bé, C0 là dung kháng tín hiệu bé, U là giá trị hiệu dụng điện áp trên 2 đầu của điốt Nhiều trường hợp ta mô tả bằng mạch tuơng đương mắc nối tiếp, khi này trở kháng của điốt sẽ như sau:

' 0

2 ' 0

1

I C

j I R

C j R Z

d d

đã được đơn giản hoá

Trong trường hợp mạch cộng hưởng song song phương trình cân bằng sẽ là :

Y d(U)+Y =0 (1.20)

Từ phương trình trên về lý thuyết có thể xác định được tần số và biên độ Khai triển phương trình (1.19) ta có thể tiến hành phân tích nghiệm của mạch cộng hưởng song song

G ( − U2)=G

0 1 α (1.21)

( )

P p d

L C U

C

ωωβ

− (1.22) Bằng phương pháp tương tự có thể phân tích với mạch mắc nối tiếp, ta không đi chi tiết ở đây

Công suất do điốt sản sinh ra sẽ là:

α4

0 max

G

P = (1.24) Giá trị cực đại của G phẳng do vậy việc điều chỉnh để đạt giá trị công suất cực đại đơn giản

G 0 

‐Gd 

U 

Hình 1.15: Sự phụ thuộc vào điện áp của dẫn nạp âm

Đối với tín hiệu nhỏ có tần số dao động ω0 :

( 0)

0

1

d P

P C C

=

ω (1.25) Nếu β ≠ 0 khi điện áp tăng tần số sẽ giảm

Sau khi cấp nguồn cho bộ dao động và trong mạch có điện trở âm thì dao động luôn luôn xuất phát từ tạp và có biên độ tăng theo hàm mũ Điều kiện dao động G0> G, và trong quá trình dao động biên độ luôn luôn tăng cho tới khi giá trị –

Gd > G Bằng phương pháp này ta có thể đưa vào điểm làm việc

Ở mạch tương đương nối tiếp điều kiện dao động sẽ là: R0 > R

Một trong các vấn đề quan trọng của bộ dao động siêu cao tần là giá trị cực đại của công suất đầu ra Có ba yếu tố cơ bản hạn chế công suất ra của bộ dao động điốt siêu cao tần:

+ Vận tốc trôi lớn nhất của chuyển động các hạt mang điện tích trong vật thể rắn và

V

−

= (1.26)

Mà ở điểm Av.A0 =1 (1.27)

có điểm cực, và mạch này sẽ tạo dao động

Phương trình (1.26) là điều kiện dao động tổng quát của các mạch khuếch đại kiểu này

AV

A0

Hình 1.16 Mạch khuếch đại có hồi tiếp

Mô hình tuyến tính không cho biết về biên độ dao động Các mạch dao động trong thực tế luôn luôn chứa tính phi tuyến Thường các transistor sử dụng làm phần

tử khuếch đại có tính phi tuyến và tính phi tuyến của điốt bazơ-emitter hạn chế biên

độ Trong trường hợp tổng quát A0 và đôi khi Av trong phương trình (1.26) và (1.26) đều phụ thuộc vào mức và trong điều kiện dao động cần lưu ý đến điều này

Đa số người ta không tiến hành các phân tích phức tạp như vậy mà chỉ xác định tần

số dao động từ mô hình tuyến tính

Trên thực tế người ta thường không thực hiện tính toán một cách đơn giản các bộ dao động theo phương trình (1.25) mà xuất phát từ phân tích mạch tuyến tính tổng thể Người ta đã tiến hành các thí nghiệm tính các bộ dao động trực tiếp từ các tham số tán xạ S, nhưng cuối cùng rút ra kết luận là các phân tích tính từ các tham

số ma trận dẫn nap Y áp dụng tốt hơn

Trong các mạch dao động transistor siêu cao tần bản thân transistor thực hiện giới hạn điện áp hoặc dòng, do vậy để thực hiện phân tích chính xác cần phải sử dụng mô hình tín hiệu lớn

Các mạch cơ bản của dao động tham số tập trung là các mạch dao động Colpitts, Hartley và Clapp như đã trình bày ở phần 1.1.3

Trong các mạch dao động Colpit (hoặc trong các mạch dao động ba điểm ghép dung kháng) hồi tiếp diễn ra trên đường dung kháng Bởi vì ở dải tần số UHF

và tần số siêu cao, điện dung khuếch tán của transistor có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của mạch nên trước tiên các mạch dao động Colpit và Clap là các mạch có thể được áp dụng Rất nhiều khi mạch dao động Colpit được thiết kế không cần sử dụng phần tử hồi tiếp ngoài mà chính các điện dung khuếch tán của transistor đảm nhận chức năng này Tất nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm là các đặc trưng khuếch tán của transistor phụ thuộc vào nhiệt độ và phụ thuộc vào nguồn một chiều,

do tính chất này nên bản thân mạch dao động sẽ không ổn định tốt

Mạch dao động Clapp có ưu điểm là có độ ổn định tần số lớn hơn nhiều so với mạch dao động Colpit nếu ta chọn mạch cộng hưởng phù hợp, vì mạch cộng hưởng quyết định tần số dao động của mạch dao động, do đó điện dung khuếch tán của transistor có ảnh hưởng rất ít [3][4]

Mạch một cửa điện trở âm

RLL

C

Mạch hai cửa phối hợp trở  kháng 

Z0

Mạch cộng hưởng

Hình 1.17 Bộ dao động transistor điện trở âm siêu cao tần

Đầura

R0 

Mạch cộng

Bộ phân đường định hướng

Bộ khuếch đại transistor

Hình 1.18 Bộ dao động transistor siêu cao tần hồi tiếp bằng bộ ghép định hướng

Hình 1.19 cho ta thấy một sơ đồ mạch dao động hai transistor Mạch gồm hai transistor bazơ chung được nối đất, mạch cho ta công suất dao động lớn hơn

1.2.5 Các bộ dao động khác

Dựa vào đặc điểm người ta có thể chia các loại bộ dao động như:

Bộ dao động có thể điều hưởng

Trong rất nhiều nhiệm vụ trên thực tế cần thay đổi tần số dao động của các

bộ dao động mạch tích hợp siêu cao tần và cần điều hưởng được chúng.Tuỳ thuộc vào ứng dụng và tốc độ thay đổi tần số ta có thể gọi nó là điều tần ngoài điều hưởng

Điều hưởng tần số của bộ dao động điốt thực hiện do thay đổi điện kháng mạch cộng hưởng của điốt bằng phương pháp điện và cơ khí Để điều chỉnh bằng điện áp dụng các phương pháp giống như điều tần Điều hưởng tần số bằng điện thực hiện bằng cách đưa vào mạch cộng hưởng của bộ dao động một phần tử kháng được điều khiển C (Uđk), (Iđk), đó là varactor hoặc đơn tinh thể YIG có đường kính 1- 2mm Sự thay đổi tần số trong trường hợp này xảy ra do sự thay đổi năng lượng tích trữ ở trong hệ ∆f/f0 = Iδεđk/2(δεđk+ε0), ở đây δεđk là năng lượng được tích trữ trong phần tử điều khiển, (δεđk+ε0) là năng lượng tổng của điện trường hoặc từ trường được tích trữ trong mạch cộng hưởng của bộ dao động ở tần số f0, δ là hệ số trùm của điện kháng điều khiển (δ < 1)

Điều hưởng tần số bằng cơ khí ở giới hạn nhỏ (1 ÷ 2)% được thực hiện bằng cách đưa vào mạch cộng hưởng một điện kháng phụ được tạo ra bằng vít (que dò) điện môi và que dò kim loại nằm ở mặt phẳng của hộp cộng hưởng siêu cao tần Để điều hưởng tần số bằng cơ khí ở giới hạn rộng hơn (vài chục %) người ta sử dụng đoạn đường truyền ngắn mạch và có độ dài được điều chỉnh nhờ pít tông ngắn mạch

di động Trong trường hợp này, việc điều hưởng tần số của bộ doa động cũng kéo theo sự thay đổi công suất ra của nó gây nên bởi mối quan hệ tần số - điện trở âm của điốt và bởi sự thay đổi điện trở tổn hao trong mạch cộng hưởng của mạch dao động

Các bộ dao động điện trở âm nhìn qua có thể dễ dàng điều hưởng bằng cách thay đổi các tham số của mạch cộng hưỏng Chúng ta cần lưu ý rằng trong các mạch thực tế các phần tử điện kháng quyết định tần số cộng hưởng không nối được trực tiếp với hai cực của điốt ở các mạch dao động transistor lại càng phức tạp hơn, bởi

vì thường thường ở đó có nhiều phần tử hơn góp phần vào việc xác định giá trị thực của tần số dao động

Có nhiều cách điều hưởng bộ dao động:

Bằng cách thay đổi kích thước cơ khí của các mạch công hưởng (hoặc đôi khi các phần tử điều hưởng) Phương pháp điều hưỏng này với kỹ thuật mạch tích hợp siêu cao tần thường không phức tạp, nhưng với mạch cần điều hưỏng nhanh thì phương pháp này không áp dụng

Điều hưởng bằng điốt varactor bằng cách thay đổi điện áp cấp cho điốt varactor sẽ làm thay đổi điện dung kéo theo sự thay đổi tần số cộng hưởng

Điều hưởng bằng mạch cộng hưởng YIG (bằng cách thay đổi dòng phân cực)

Hai phương pháp điều hưởng sau cho khả năng điều hưỏng điện các mạch dao động tích hợp siêu cao tần

Cj

Cj(0)

0 U

Hình 1.20 Sự thay đổi dung kháng C j của điốt Varactor

Phương pháp điều hưởng bằng điốt varactor chỉ có thể điều hưởng trong dải tần hẹp (10-15%) Ưu điểm của điều hưởng bằng điốt varactor là nhanh (có thể tạo tần số điều chế 100MHz), và thực tế điều chế không đòi hỏi công suất lớn Nhược điểm của nó la việc điều hưởng được tiến hành với phần tử phi tuyến nên dẫn đến mấy nhược điểm sau: Mối liên hệ giữa tần số và điện áp điều hưỏng có tính phi tuyến; Điốt điều hưởng varactor có thể tạo ra các hài;

Bằng các mạch điều khiển điốt phù hợp có thể hạn chế tính phi tuyến của việc điều hưởng varactor xuống dưới mức 1%, điều này đã đáp ứng tốt cho phần lớn các mục tiêu trong thực tế

Các mạch cộng hưởng YIG được áp dụng cho điều hưởng dải rộng, tần số

cộng hưởng của nó và dòng điều hưỏng gần như tuyến tính

Tinh thể YIG (Yttrium Iron Garnet) khi được đặt vào từ trường nó hoạt động như một mạch cộng hưởng

Như vậy bằng cách thay đổi từ trường có thể điều hưởng một cách tuyến tính

bộ dao động Độ rộng dải điều hưởng có thể dạt được với phương pháp này là khoảng 30% tần số phách Nhưng cái này yêu cầu công suất, do cảm kháng của quận dây điện từ nên tốc độ điều hưởng bị giới hạn Do điều hưởng vòng từ nên bộ dao động bị trễ - chế tạo mạch phức tạp và đắt tiền

Các mạch dao động kiểu này được vẽ ở hình 1.21 Sau khi cuộn dây tạo ra từ trường điều hưởng, trong mạch điều hưởng có đáng kể cảm kháng, nó làm hạn chế tần số điều chế và tốc độ điều hưởng có thể áp dụng [4]

UT

UE

Đ u ra  Viên YIG 

L Vòng ghép 

Hình 1.21 Mạch cộng hưởng YIG

Nhược điểm của điều hưởng YIG: một phần do các viên YIG rất đắt, mặt khác việc chế tạo mạch, cấu trúc ghép, việc điều chỉnh các vòng là rất phức tạp Ngoài ra cần phải lưu ý rằng do việc điều hưởng bằng mạch từ nên bộ dao động điều hưởng YIG có trễ từ, có thể giảm được nó bằng cách trước tiên là chọn vật liệu

từ và sau đó là mạch từ một cách phù hợp

So sánh chi phí cho điều hưởng varactor và YIG ta thấy điều hưởng YIG đắt hơn rất nhiều nên chỉ thưởng áp dụng khi phải điều hưởng dải rộng

Bộ dao động siêu cao tần trên mạch dải

Bộ dao động điốt siêu cao tần trên mạch dải ứng dụng để sản xuất hàng lọat các mạch tích hợp siêu cao tần Chúng được dùng phổ biến cho các thiết bị trên máy bay do chúng nhẹ hơn, nhỏ hơn và độ tin cậy hơn so với hộp cộng hưởng khối (thể tích công suất và hiệu suất của bộ dao động điốt trên mạch dải nhỏ hơn các giá trị nhận được của chính điốt ấy ở cấu tạo khối

Cùng với sự phát triển công nghệ bán dẫn, vi mạch, bên cạnh các loại đường truyền đã được sử dụng trong kĩ thuật mạch điện (ống dẫn sóng, cáp đồng trục…) còn một loại đường truyền sóng siêu cao tần mà nó được ứng dụng nhiều trong các mạch có kích thước bé, đó là mạch dải Mạch dải được cấu tạo bằng cách gắn một tấm điện môi lên một nền kim loại, mặt trên tấm điện môi phủ một lớp dẫn kim loại mỏng

Mạch dải được chia làm 2 loại là mạch dải đối xứng và mạch dải không đối xứng Mạch dải không đối xứng gồm có: mạch vi dải, mạch dải coplanar (đồng phẳng), mạch dải dẫn khe, mạch dải ổn định

Mạch vi dải là mạch được sử dụng nhiều nhất trong thực tế, trường của nó được tập trung chủ yếu trong vùng điện môi giữa dải dẫn sóng và mặt nền kim loại

Do mặt trên của tấm điện môi một phần tiếp xúc với không khí nên E và H tồn tại một phần trong không khí Tại bờ phân chia điện môi-không khí thoả mãn điều kiện

bờ liên tục Trong miền không khí xuất hiện thành phần dọc của trường, do đó làm biến dạng sóng TEM -phân bố trường dạng chuẩn[3]

số điện môi hiệu dụng cảu đường truyền vi dải

Một số biểu thức dùng để tính εeff và Z01 dạng đơn giản được đưa ra ở đây:

2 / 1

10 1 2

1 2

eff

εε

h Z

4

8ln60

h

w (1.30)

) 1 ( 44 , 0 42 , 2

120 01

w

h w

h h

w

Z

− +

− +

Ví dụ, trong trường hợp độ dày của chất dẫn là hữu hạn, phương trình (1.30), (1.31) được biến đổi thành:

h Z

4

8ln60

h w

) 444 , 1 ln(

667 , 0 393 , 1

120 01

+ +

w

Z

c c

t

w t

w

π

4ln125,1

=

t

h t

h t

eff

/6,4

/)1()

Các công thức cũng áp dụng được cho các trường hợp tổng hợp khi cần phải tính độ rộng của một dây dẫn có Z0 và εr cho trước (trường hợp thông thường) Ví

dụ, một công thức dạng đóng đơn giản nhất do Wheeler đưa ra có dạng:

,42exp

81,0

/1111

/47114

,42

exp8

0 0

r

r r

r

Z

Z h

w

ε

εε

Bộ dao động điốt dùng trên dây đồng trục

Cấu tạo đông trục có đặc điểm là dải điều hưởng bằng cơ khí và bằng điện đơn giản và lớn nhất, đặc biệt tiện lợi khi sử dụng điều tần bằng Varactor Điôt được đặt ở chỗ đứt của lõi giữa dây đồng trục ở gần thành gắn mạch tạo thành tấm toả nhiệt để ghép với tải ta có thể áp dụng loại ghép bất kỳ: ghép điện cảm ghép điện dung, ghép qua cửa sổ điện cảm hoặc biến áp 1/4 bước sóng

Việc điều hưởng tần số bằng pít tông ngắn mạch di động (điều hưởng dải rộng) hoặc bằng cách dịch chuyển biết áp 1/4 bước sóng hay dùng các phần tử tinh chỉnh loại điện dung hoặc điện cảm (điều chỉnh dải hẹp)

Khi thiết kế bộ dao động điốt siêu cao tần trên ống đồng trục cần lưu ý có 3 điểm chính:

Đường kính của lõi trong đồng trục cần phải chọn sao cho khi lắp điốt không

Độ lớn của công suất ghép ra có thể được điều chỉnh bằng cách chuyển động ra hoặc vào đầu dò hoặc khung ghép

Bộ dao động kiểu đồng trục tương đối đơn giản rẻ tiền và rễ dàng điều hưởng Nhược điểm của chúng là có hệ số phẩm chất thấp (chỉ khoảng 50 ÷ 100) giống như bộ dao động ở mạch dải nhưng nặng hơn nhiều

Bộ dao động điốt siêu cao tần trên ống dẫn sóng hình chữ nhật

Cấu tạo loại ống dẫn sóng hình chữ nhật có đặc điểm là tổn hao nhỏ, dải điều hưởng tần số khá hẹp, rất thuận khi dùng trong các bộ dao động nhiều điốt Điôt thường được đặt ở phía dưới giá đỡ kề liền với thành rộng của ống dẫn sóng và được đặt song song với đường sức điện trường Hốc cộng hưởng làm việc ở mốt TE101- Ghép với tải được thực hiện qua cửa sổ điện cảm hay điện dung đặt cách điốt

một khoảng l Việc điều hưởng tần số được thực hiện bằng que dò điện môi đưa vào khoang của ống dẫn sóng ngắn mạch hoặc là bằng pit tông ngắn mạch di động Dải điều hưởng tần số và tính tuyến tính dải điều hưởng tần số sẽ tăng lên khi giảm chiều cao của ống dẫn sóng Thông thường điện áp cấp cho điốt đi qua bộ lọc tần thấp loại đồng trục Đôi khi một đầu điốt được ép chặt trực tiếp vào thành dưới của ống dẫn sóng, còn thiên áp cấp cho điốt đi qua giá đỡ mà trong trường hợp này phải được cách điện với vỏ bằng tụ thông Hình 1.23 vẽ bộ dao động trên ống sóng ghép

Hình 1.23: Bộ dao động trên ống sóng ghép trực tiếp

Bộ dao động dùng nhiều điốt

Cấu tạo của bộ dao động nhiều điốt được thực hiện trên cơ sở các phần tử giống như bộ dao động một điốt Đó là hộp cộng hưởng, giá đỡ điốt, ấm toả nhiệt, các phần tử điều chỉnh và tinh chỉnh Nó chỉ khác ở chỗ kích thước hộp cộng hưởng được chọn sao cho mắc đối xứng tất cả các điốt ở hộp cộng hưởng chung qua dây đồng trục phối hợp, điều này đảm bảo độ ổn định và hiệu qủa cao của phép cộng công suất do phân tán tham số của điốt

Chương 2: Độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần

và một số giải pháp nâng cao tính ổn định

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần

Độ ổn định là vấn đề chủ yếu khi thiết kế các bộ dao động Độ ổn định của

bộ dao động là hàm của nhiều yếu tố: như là nhiệt độ, chất lượng nguồn cung cấp, trở kháng tải và tạp của bản thân linh kiện

Như đã đề cập ở phần 1.2.1, bất kỳ bộ SMO điện trở âm nào cũng gồm một phần tử tích cực (là diode điện trở âm hay tranzitor) và một mạch ngoài nối với nó Nhiệm vụ của mạch ngoài là tạo ra mạch phối hợp trở kháng giữa phần tử tích cực

và tải sao cho đảm bảo được điều kiện dao động Khi khởi động, bộ SMO qua trạng thái quá độ chuyển sang trạng thái ổn định

Quá trình dao động của mạch phụ thuộc vào Zvào , khi bắt đầu dao động

SMO có trạng thái mất ổn định tại tần số nhất định, có nghĩa là R vào (Ijω) + R Taỉ <0

Khi có kích thích của nhiễu hoặc xung thì sẽ có dao động tại tần số ω0, khi dòng

điện tăng lên thì R vào (Ijω) + R Taỉ =0 và X vào (I 0 jω0 )+ X Tai (Ijω)=0 lúc này bộ tạo

dao động ω0 sẽ lệch tần số cho trước vì Xvào phụ thuộc vào dòng điện do: Xvào (I 0

jω0 )≠ X Taỉ (Ijω)

Để ổn định thì cần phải loại trừ các thay đổi của dòng để bộ dao động trở lại trạng thái ổn định Ta ký hiệu độ thay đổi dòng là ∂I và độ thay đổi tần số phức là

∂s (tần số phức s= ∝+jω) Nếu ta gọi ZT = Z Taỉ (s)+Z vào (I,s) khi đó ta có thể biểu

diễn ZT dưới dạng chuỗi Taylor tại I0, ω0 [4][5]:

∂

∂ +

∂

∂

∂ +

I

Z s s

Z S I Z LS Z

O O O

O

I S

T I

S

T o

o T

Vì ZT(I,s) cần bằng không để có dao động Theo (2.2), SO = jωO là tần số phức tại

điểm ban đầu Thực tế là ZT(IO,SO) = 0 và

s

Z T

∂

∂ = - j

ω

∂

∂Z T

Giải (2.1) cho ∂α + j∂ω:

I Z

Z I

Z j I s

Z I

Z j

s

T

T T

I S T

Nếu ∂I và ∂ω giảm thì cần có ∂α < 0 khi ∂I > 0 Như vậy từ (2.3) ta có:

0

0 Im

ω

T T T

T

T T

R I

X X I R

Z I

I

X I

vµo vµo m

L

I

X X

X I

m i

t X X

điều này thoả mãn khi ta có hệ số phẩm chất của mạch lớn, khi đó độ ổn định tần số cao Ta thường dùng hốc cộng hưởng hay mạch cộng hưởng điện môi có hệ số phẩm chất Q cao để nâng cao độ ổn định của bộ SMO

2.2 Một số giải pháp nâng cao tính ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần

2.2.1 Phương pháp ổn định sử dụng hốc cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao

Từ những năm 90 người ta đã thiết kế và chế tạo các bộ SMO băng X có tạp pha thấp và có độ ổn định cao bằng cách áp dụng các mạch cộng hưởng điện môi Sapphia có chất lượng cao

Bộ dao động Hốc cộng hưởng ổn định tần số

Đường truyền ra

Hình 2.1 Sơ đồ bộ SMO được ổn định bằng hốc cộng hưởng có Q cao

Hệ số phẩm chất của hốc cộng hưởng vào khoảng vài chục nghìn và có khả năng điều hưởng trong dải tần 200MHz Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bộ SMO nguyên thủy ổn định bằng hốc cộng hưởng được thiết kế sao cho hệ số phẩm chất

QT bằng vài nghìn, chỉ bị hạn chế bởi Q, QOS là hệ số phẩm chất của hốc cộng hưởng Trong trường hợp tổn hao công suất nhỏ có thể chỉ ra rằng:

QT – QTP ≅ QOS (Ptổnhao/ Pra max) (2.5)

Và fP là độ di tần của bộ SMO nguyên thủy, mà với hốc cộng hưởng ta có thể loại trừ độ di tần này, ta có:

∆fP/ fO ≅ 1/2QTP ( Ptổn hao/Pra max) (2.6) trong đó QTP là hệ số phẩm chất tải của bộ SMO nguyên thủy

Phương pháp ổn định này thường được áp dụng cho các bộ SMO điốt Gunn và điốt thác lũ băng X để có được nguồn phát tín hiệu hữu ích, đơn giản, có tạp điều chế pha thấp so với các nguồn phát khác Bằng phương pháp này có thể giảm tạp điều chế pha (FM) của bôn SMO nhỏ <10kHz

Phương pháp Galani và kỹ thuật giao thoa tạo ra bộ SMO giao thoa có độ ổn định lớn gấp 300 lần so với bộ SMO ở nhiệt độ bình thường Phát minh này cho phép các công ty nghiên cứu phát triển radar tiên tíên và hệ thống viễn thông Họ đã

đo tạp pha nhỏ nhất ngay cả trong các bộ SMO được ổn định bằng phương pháp Galani Từ năm 1974 đã phát triển các chuẩn tần số dựa trên các hốc cộng hưởng Sapphia Mạch phân biệt tần số và điều khiển nhiệt độ, mạch cộng hưởng sapphia

bù khử nhiệt độ Người ta đã nghiên cứu các phương pháp khác nhau để cải thiện

độ ổn định tần số trung tâm của bộ SMO dựa trên các bốc cộng hưởng được gắn Sapphia (SLC)

2.2.2 Phương pháp ổn định bơm khoá pha (Injection phase locking)

Chúng ta có thể sử dụng các phương pháp bù trừ khác nhau để ổn định tần

số Bằng phương pháp đồng bộ bộ SMO ta có thể đạt được độ ổn định cao và công suất ra lớn Đôi khi phương pháp ổn định này còn được gọi là phương pháp ổn định bơm khoá pha (Injection phase locking) Bằng phương pháp ổn định này có thể giảm thấp hơn nữa tạp FM của bộ SMO

Hình 2.2 Bộ dao động đồng bộ

Trong bộ dao động đồng bộ thường tín hiệu đồng bộ được đưa qua một mạch vòng (circulator) đến bộ SMO như được thấy ở hình 2.2 Bộ SMO dao động tự do được nối với một bộ dao động chuẩn và được nối với tải qua mạch vòng Tín hiệu đồng bộ này thay đổi biên độ, tần số và pha của tín hiệu đi đến tải Dưới tác động của tín hiệu đồng bộ, biên độ của điện áp dao động biến đổi phụ thuộc vào điểm làm việc, vào hệ số khuếch đại đồng bộ và vào hiệu tần số giữa bộ dao động tự do với nguồn đồng bộ

Nhưng Kurokawa đã chỉ ra rằng tạp điều biên sẽ không thay đổi với phương pháp ổn định này Vì vậy nếu muốn có bộ SMO ổn định cả pha và biên độ thì phải kết hợp cả hai phương pháp trên