Chương 4: Thiết bị điều khiển siêu cao tần Siêu cao tần nâng cao

1 Chơng 4 Các thiết bị điều khiển SCT 4.1 Khái quát về các thiết bị điều khiển siêu cao tần 4.1.1 vai trò và vị trí :+ Ngày nay trong các trang thiết bị kỹ thuật của các ngành Rada, Đ

1

Chơng 4 Các thiết bị điều khiển SCT

4.1 Khái quát về các thiết bị điều khiển siêu cao tần

4.1.1 vai trò và vị trí :+ Ngày nay trong các trang thiết bị kỹ

thuật của các ngành Rada, Điều khiển và Viễn thông làm việc ở

dải sóng Siêu cao tần thờng không thể thiếu Các thiết bị điều

khiển siêu cao tần nh các bộ : quay pha, suy giảm, Izolatơ,

xiêc-cu-la-tơ, chuyển mạch, quay mặt phẳng phân cực v.v Nhờ

có chúng mà các khối chức năng của các trang thiết bị trên trở thành một thể thống nhất làm việc hoàn hảo đáp ứng các chỉ

tiêu kỹ thuật đề ra

+ Vì vậy việc nghiên cứu để nắm đợc cấu trúc, nguyên tắc làm việc và các chỉ tiêu kỹ thuật của các thiết bị điều khiển Siêu cao tần là cần thiết và quan trọng Nó giúp cho các kỹ s, chuyên gia các chuyên ngành trên khai thác có hiệu quả trang thiết bị, tiến hành sửa chữa chúng và tiến tới tính toán thiết kế mới các thiết

bị điều khiển siêu cao tần đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt ra

2

4.1.2 Khái niệm và phân loại

+ Chúng ta gọi các thiết bị Điều khiển siêu cao tần là những

phần tử siêu cao tần nhiều cực (thờng gọi là các mạng nhiều

cực SCT) làm việc trong chế độ khi sóng siêu cao tần truyền qua

sẽ bị thay đổi chiều hay nhánh hoặc biên độ và pha cũng nh

phân cực của sóng nhờ sự điều khiển bằng điện hoặc từ

+ Có nhiều cách phân loại các thiết bị điều khiển siêu cao tần nhng phổ biến nhất là chúng ta phân loại các thiết bị điều khiển

siêu cao tần dựa theo dạng điều khiển là từ và điện

+ Thiết bị điều khiển SCT dạng từ sử dụng phần tử điều khiển là ferit bị từ hoá trong từ trờng không đổi

+ Thiết bị điều khiển dạng điện sử dụng phần tử điều khiển là diode bán dẫn PIN, diode bán dẫn Varactor hoặc bộ phóng điện khí

3

4.1.3 Các thiết bị điều khiển SCT dạng từ

- Khái niệm : Đó là các thiết bị đợc điều khiển bằng từ

trờng thực hiện nhờ phần tử điều khiển là ferit bị từ hoá Để

cho gọn sau này ta thờng gọi chúng là các thiết bị điều khiển

siêu cao tần sử dụng ferit

Chúng là loại thiết bị không thuận nghịch dựa trên các hiệu ứng

không tơng hỗ của ferit khi bị từ hoá trong từ trờng không đổi

- u nhợc điểm : chịu đợc công suất lớn, nên hay đợc ứng

dụng trong các tuyến phát của các trạng bị rađa hay viễn thông Tuy nhiên do điều khiển bằng từ trờng nên tốc độ không thật

cao (cỡ ms), kích thớc và trọng lợng lớn

- Phân loại gồm : bộ van hay Izolator, bộ quay pha không thuận

nghịch, bộ xiêc-cu-la-tơ, bộ quay mặt phẳng phân cực, bộ suy giảm, bộ chuyển mạch, bộ hạn chế công suất Trong kỹ thuật sử dụng phổ biến nhất là các bộ xiêc-cu-la-tơ, bộ van và bộ quay

pha không thuận nghịch.

4

4.1.4 Các thiết bị điều khiển SCT dạng điện

- Khái niệm : Đó là các thiết bị đợc điều khiển bằng điện áp hay dòng điện đặt trên phần tử điều khiển bán dẫn là diode PIN

, diode Varactor hoặc bộ phóng điện khí Các thiết bị điều

khiển dạng điện là thiết bị thuận nghịch

Các bộ điều khiển SCT sử dụng diode bán dẫn có đặc điểm :

- u điểm : có tốc độ điều khiển rất nhanh (cỡ micro giây), kích

thớc và trọng lợng nhỏ, tiêu thụ ít năng lợng nên thờng đợc

sử dụng trong tuyến thu của đài rađa và thiết bị viễn thông công suất nhỏ, đặc biệt thích hợp với mạch dải SCT

- Nhợc điểm : là không chịu đợc mức công suất lớn, do diode

bán dẫn PIN và Varactor dễ bị đánh thủng ở điện áp và công

suất cao

5

Các thiết bị điều khiển sử dụng bộ phóng điện khí

Các thiết bị điều khiển sử dụng bộ phóng điện khí có các đặc

+ có tốc độ điều khiển không nhanh (cỡ mili giây),

+ dễ dò các đỉnh xung gai nhọn có năng lợng khá lớn

+ tuổi thọ không cao

Trong chơng này ta chỉ nghiên cứu hai dạng bộ điều khiển SCT dùng ferit và dùng diode bán dẫn

6

4.2 Truyền sóng SCT trong Ferit bị từ hoá

4.2.1 Ferit bị từ hoá trong từ trờng không đổi

+ Ferit là hợp chất của oxyt sắt ba (Fe2O3) với một số oxyt kim loại khác nh Mn, Mg, Ni v.v…và một số nguyên tố đất hiếm

nh Ytri Nó có cấu trúc dạng đơn hoặc đa tinh thể loại Spinen

hoặc Granat Ferit là vật liệu sắt từ có hằng số điện môi tơng

đối 5 - 20, điện trở riêng khá lớn cỡ 102 -106 ôm, tg góc tiêu

hao điện rất nhỏ từ 10-2 - 10-4

+ Sự từ hoá Ferit : - Khi không có tác dụng của từ trờng

không đổi (H0 = 0) Ferit ở trạng thái bình thờng và không bị từ

hoá Nó cấu tạo bao gồm tập các vùng nhỏ gọi là các domen Trong mỗi domen các momen từ của điện tử định hớng giống

nhau tạo ra momen từ riêng của mỗi domen Nhng các momen

từ riêng của các domen trong ferit lại xắp sếp một cách hỗn loạn,

7

nên monen từ tính trên một đơn vị thể tích của ferit gọi là vectơ

từ hoá M của nó bằng không Nên kết quả là vectơ từ hoá tổng

cộng của ferit bằng không, ferit nằm ở trạng thái không bị từ hoá

có tính chất là môi trờng đẳng hớng đối với sóng điện từ

- Khi ferit đặt trong từ trờng không đổi (H0 ≠ 0), tất cả các

momen từ của điện tử trong các domen đều định hớng lại theo

hớng của từ trờng ngoài, do đó vectơ từ hoá M của ferit có giá

trị khác không Trong ferit tạo ra từ trờng tổng cộng bao gồm

từ trờng do sự từ hoá tạo ra và từ trờng ngoài Khi đó ferit

nằm trong trạng thái bị từ hoá và nó trở thành môi trờng không

đẳng hớng đối với sóng điện từ

- Polder lần đầu tiên đã dẫn ra đợc dạng ten xơ độ từ thẩm của ferit bị từ hoá trong từ trờng không đổi H0 đặt dọc theo trục toạ

độ oz nh sau:

 4 2 1 1 

0 0

0 0

0 0 2

2

0 0

2 2

0

m

eM m

eH

m M

9

4.2.2 Truyền sóng điện từ trong ferit bị từ hoá

Khi truyền sóng điện từ trong môi trờng ferit bị từ hoá xuất hiện hai hiệu ứng quan trọng đợc ứng dụng trong các thiết bị điều

khiển SCT nh sau

1/ Khi sóng điện từ phẳng truyền trong ferit bị từ hoá, thì ferit biểu hiện tính chất khác nhau lên hai sóng phân cực tròn quay trái (chỉ số - ) và quay phải (chỉ số + ) những tham số khác nhau nh :

số sóng, vận tốc pha, trở sóng và độ từ thẩm tơng ứng là :

4 2 2 1

1 ,

1 ,

10

Phần thực của độ từ thẩm μ1 biểu thị mức độ quay pha hay tốc độ biến đổi vận tốc pha của sóng,

phần ảo của độ từ thẩm μ2 biểu

thị sự tiêu hao năng lợng của

sóng trong ferit bị từ hoá

Ta vẽ đợc đồ thị của các thành

phần thực và ảo của độ từ thẩm

của ferit bị từ hoá đối với các sóng

phân cực tròn quay trái và quay

phải là hàm số của từ trờng không

đổi H0 từ hoá cho trên hình 4.1

Tại giá trị H0 = H0ch sóng phân cực

tròn quay phải bị ferit hấp thụ phần lớn năng lợng Hiện tợng

trên gọi là hiệu ứng cộng hởng sắt từ

11

2/ Khi sóng điện từ phân cực thẳng bất kỳ truyền trong môi

trờng ferit bị từ hoá mà phơng truyền sóng dọc theo phơng

của vectơ từ trờng từ hoá H0, thì mặt phẳng phân cực của sóng

(vectơ cờng độ trờng E hoặc H) bị quay đi một góc θ nào đó Hiện tợng trên gọi là hiệu ứng quay mặt phẳng phân cực

Faraday trong ferit nh mô tả trên hình 4.2 Độ lớn của góc quay

θ phụ thuộc vào cờng độ từ trờng từ hoá H0 độ dài L của ferit, chiều quay của mặt phẳng phân

cực chỉ phụ thuộc vào chiều

của vectơ từ trờng từ hoá H0

12

4.3 Bộ van cộng hởng

- Khái niệm : Bộ Van hay izolatơ là một thiết bị điều khiển siêu

cao tần dạng từ có nhiệm vụ: khi sóng siêu cao tần truyền qua nó theo một chiều thì có tiêu hao không đáng kể, còn khi truyền theo chiều ngợc lại thì bị suy giảm rất lớn Hay nói khác đi bộ izolatơ

là thiết bị điều khiển siêu cao tần chỉ cho sóng truyền qua nó theo chiều thuận và không cho sóng qua nó theo chiều ngợc lại

- ứng dụng: các bộ van đợc dùng trong tuyến siêu cao tần nhằm

để triệt sóng phản xạ từ tải quay trở về nguồn tín hiệu siêu cao

tần, đảm bảo sự cách li tốt giữa nguồn tín hiệu và tải đối với

sóng phản xạ

- Phân loại : dựa trên các hiệu ứng không thuận nghịch khác

nhau của ferit bị từ hoá mà cấu trúc và nguyên tắc làm việc của các bộ van dùng ferit rất đa dạng và khác nhau

13

Trong kỹ thuật siêu cao tần sử dụng ba loại van là: van sử dụng

hiệu ứng cộng hởng sắt từ, van sử dụng hiệu ứng Farađây và van

sử dụng hiệu ứng xê dịch trờng Mỗi loại có u và nhợc điểm

khác nhau, chúng đợc sử dụng theo nhiệm vụ yêu cầu cụ thể

Sau đây ta chỉ giới thiệu loại van dùng phổ biến nhất là bộ van

cộng hởng trên ống dẫn sóng chữ nhật

- Cấu tạo : Van cộng hởng trên ống dẫn sóng chữ nhật bao

gồm một đoạn ống dẫn sóng chữ nhật bên trong đặt một bản

mỏng ferit dọc theo đoạn ống tại tiết diện X 1 từ trờng của sóng

H 10 phân cực tròn, từ trờng không đổi từ hoá H0 đặt vuông góc với thành rộng của ống dẫn sóng Ta chọn giá trị của H0 = H0ch

để đạt đợc hiệu ứng cộng hởng sắt từ đối với sóng phân cực

tròn quay phải Tại cùng một tiết diện đặt bản ferit mảnh nhng sóng có phân cực tròn quay theo hai chiều khác nhau tơng ứng với hai chiều truyền sóng ngợc nhau nh mô tả trên hình 4.3

14

Nguyên tắc làm việc : Nếu ta truyền sóng cơ bản H10theo

chiều Z > 0 tại vị trí X1 sóng là

phân cực tròn quay phải, bản ferit

sẽ hấp thụ rất mạnh năng lợng của

sóng SCT, nên sóng truyền qua nó

bị suy giảm rất mạnh Nếu sóng

truyền theo chiều ngợc lại Z < 0 thì tại vị trí đặt bản ferit sẽ ứng với sóng phân cực tròn quay trái nên bản ferit không hấp thụ năng lợng sóng này, do vậy sóng truyền theo hớng này không bị suy giảm Thiết bị trên làm nhiệm vụ của một bộ van gọi là van cộng

15

4.4 Bộ quay pha không thuận nghịch

- Cấu tạo : bao gồm một đoạn ống dẫn sóng chữ nhật làm việc

với dạng sóng H10 bên trong có đặt bản ferit song song với mặt phẳng thành hẹp tại tiết diện X, từ trờng không đổi từ hoá H0

hớng vuông góc với thành rộng ống

dẫn sóng nhng chọn giá trị nhỏ hơn

nhiều giá trị H0ch nh cho trên hình 4.4

- Nguyên tắc làm việc : dựa trên hiệu

ứng không thuận nghịch của bản ferit

bị từ hoá về sự thay đổi các góc lệch pha

khác nhau đối với các sóng phân cực tròn

quay trái và quay phải truyền theo hai chiều thuận và nghịch

trong đoạn ống dẫn sóng chữ nhật này Kết quả cuối cùng là bộ quay pha tạo ra một góc quay pha chỉ theo một chiều truyền sóng

đợc chọn làm chiều thuận Vì vậy nó đợc gọi là bộ quay pha

không thuận nghịch Giá trị góc quay pha phụ thuộc vào vị trí

tiết diện đặt bản fe rit

thanh ferit hình trụ có đờng kính

nhỏ và chiều cao bằng hoặc nhỏ

hơn chiều cao của ống dẫn sóng chữ nhật Từ trờng không đổi

từ hoá H0 đặt hớng dọc trục của fe rit Ta có thể đặt thêm ba

thanh nhỏ điện môi tại các tâm của ba nhánh hoặc một chai

điện môi hình trụ bao thanh ferit với mục đích phối hợp trở

kháng Trên hình 4.5 mô tả bộ xiêc-cu-la-tơ dạng chữ Y trên ống dẫn sóng chữ nhật

17

Nguyên tắc làm việc : Nếu truyền sóng cơ bản H10 vào nhánh 1, sóng truyền đến vùng không gian trong ống sóng có đặt thanh ferit bị từ hoá, và đi theo hai phía của thanh ferit truyền về các nhánh 2 và 3 Do hai sóng này truyền qua ferit có vận tốc pha và góc quay pha theo hai

chiều là khác nhau Nếu ta chọn kích thớc thanh ferit và giá trị

từ trờng H0 để đạt đợc kết quả sao cho : hai sóng truyền về phía nhánh 2 là đồng biên và đồng pha nên giao thoa cộng lại, còn về phía nhánh 3 thì chúng là đồng biên nhng ngợc pha nên giao

thoa triệt tiêu nhau Kết quả chỉ có sóng truyền từ nhánh1 rẽ sang nhánh 2, không có sóng truyền sang nhánh 3 Chu trình làm việc của bộ Xiec là :

- Nếu đổi chiều vectơ từ hoá H0 theo chiều ngợc lại, thì bộ xiêc cu-la-tơ sẽ có chu trình làm việc mới là :

1 3

2

1   

1 2

3

18

4.6 Bộ Xiec-cu-la-tơ dạng chữ Y trên mạch dải

+ Cấu tạo của bộ Xiec-cu-la-tơ dạng chữ Y trên mạch dải hoặc ống dẫn sóng đồng trục làm việc ở dải sóng dới 3000 MHz cho trên hình 4.6 Điểm khác

biệt với bộ Xiec chữ Y

19

4.7 Bộ Xiec-cu-la-tơ quay mặt phẳng phân cực

Cấu tạo : bao gồm một đoạn ống dẫn sóng tròn làm việc với

sóng H 11, hai đầu của ống đợc nối với hai bộ chuyển tiếp sang ống dẫn sóng chữ nhật nhng thành rộng của nhánh 2 quay đi

một góc 450 theo chiều kim đồng hồ so với thành rộng của nhánh

1 Tại hai đầu đoạn ống dẫn sóng tròn sát với hai bộ chuyển tiếp

ta mắc hai đoạn ống dẫn sóng chữ nhật tạo nên hai nhánh 3 và 4 Thành rộng của hai nhánh này song song với trục của ống dẫn sóng tròn nhng đợc đặt lệch với nhau cũng một góc 450 theo

chiều kim đồng hồ Tại trục của đoạn ống dẫn sóng tròn ta đặt một thanh ferit hình trụ vát nhọn hai đầu có chiều dài L Trên

hình 4.7 mô tả cấu trúc nguyên tắc của bộ xiêc-cu-la-tơ này Bộ Xiec làm việc dựa trên nguyên tắc của hiệu ứng quay mặt phẳng phân cực Faraday nh tên gọi của nó Trên hình 4.8 mô tả nguyên

tắc làm việc nhờ Giản đồ điện trờng sóng H 11 và H 10 :

20

- H×nh 4.9 m« t¶ cÊu tróc thùc vµ ký hiÖu cña bé xiec lo¹i trªn

21

+ Từ trờng không đổi từ hoá ferit dùng nam châm vĩnh cửu

hoặc nhờ ống dây cho dòng điện một chiều chạy qua Để giảm phản xạ tại hai nhánh 1 và 2 ta đặt thêm hai bản điện môi hấp thụ mỏng song song với thành rộng của ống dẫn sóng Kích thớc thanh ferit hình trụ có chiều dài L và giá trị từ trờng từ hoá đợc chọn sao cho khi sóng siêu cao tần truyền qua thanh

ferit thì mặt phẳng phân cực của nó bị quay đi một góc 45 0 theo chiều kim đồng hồ. Chu trình làm việc của bộ xiêc-cu-la tơ này nh sau: 1  2  3  4  1

Nếu đổi chiều từ trờng từ hóa thì bộ xiêc sẽ làm việc theo chu trình : 1  4  3  2  1

22

4.8 Một vài ứng dụng của thiết bị ĐKSCT loại từ

1 Bộ chuyển mạch anten của đài Rada П19

2 Bộ chuyển mạch anten của đài Rada П15

23

3 Bộ chuyển mạch anten của đài ПPB16-CMAT

24

4 Bé t¸ch kªnh cao tÇn trong th«ng tin vÖ tinh

25

4.9 Các phần tử điều khiển bán dẫn

4.9.1 Diode bán dẫn PIN

Cấu tạo : Diode bán dẫn PIN có cấu tạo từ một bản vật liệu bán

dẫn Silic cao ôm có độ dầy cỡ 75 m (trong giới hạn từ 10  200

m), ở hai mặt phẳng hai đầu có pha trộn tạp chất Bo (để tạo ra bán dẫn loại P) và tạp chất Phôtpho (để tạo ra bán dẫn loại n) với

kỹ thuật khuyếch tán hình thành hai lớp chuyển tiếp p-i và i-n

Nh vậy cấu trúc của diode này gồm ba vùng là vùng ở giữa là chất bán dẫn gần tinh khiết nghèo điện tích tự do gọi là vùng i (intrinsic), hai bên là vùng giầu lỗ trống gọi là vùng p, và vùng giầu điện tử gọi là vùng n Vì vậy diode này mang tên gọi là

diode bán dẫn PIN

Tại hai đầu vùng p và n có hai tiếp xúc kim loại không mang

tính chất chỉnh lu dùng để nối với các đầu ra bên ngoài, cực

nối với bản p gọi là anot, còn cực nối với bản n gọi là catot

26

+ Tính chất : Khi không có thiên áp hoặc đặt thiên áp âm

lên diode thì diode không cho qua dòng điện siêu cao tần, nó

có trở kháng khá lớn Diode ở trạng thái tắt Khi đặt thiên áp

thuận lên diode thì nó cho qua dòng điện siêu cao tần và diode

có trở kháng rất nhỏ, nó ở trạng thái thông

+ Sơ đồ mạch tơng đơng : diode PIN trong vỏ bọc đợc biểu

thị bằng sơ đồ mạch tơng đơng trên hình 4.14 dới

27

Trong sơ đồ tơng đơng trên hình 4.14 các tham số đợc ký

hiệu nh sau : Rf là điện trở của diode khi đặt ở thiên áp thuận,

Rr và CJ là điện trở và điện dung của diode khi đặt thiên áp

ngợc, LS là điện cảm ký sinh do điện cực của diode, CP là điện dung ký sinh của vỏ diode

Các tham số của hai loại

diode PIN cho trong bảng 4.1

+ Mắc diode PIN vào đoạn

đờng truyền SCT nối tiếp

hoặc song song, sử dụng hai

trạng thái thông và tắt của

diode điều khiển nhờ

thiên áp sẽ tạo đợc các thiết

bị điều khiển SCT khác nhau

TS MA

47892-109

MA 47899-303

28

4.9.2 Diode bán dẫn Varactor

+ Cấu tạo : Diode Varactor cấu trúc từ một bản bán dẫn Silic bao

gồm ba vùng là : vùng N ở giữa và hai vùng pha tạp nồng độ cao hai bên là P+ và N+ Vùng P+ ứng với cực anot, vùng N+ ứng với cực catot của diode Do vùng N có trở kháng thấp, còn vùng P+ có

độ pha tạp cao nên giữa chúng tạo ra lớp tiếp xúc P+N rất nghèo

điện tích nằm lấn sâu vào bên trong vùng N Lớp nghèo này có độ rộng thay đổi phụ thuộc vào thiên áp đặt lên diode và do đó điện dung của diode cũng thay đổi theo giá trị thiên áp đặt lên diode Vì vậy diode mang tên là varactor (biến dung) Điện trở của các lớp tiếp xúc và vùng N rất nhỏ so với trở kháng của điện dung lớp

tiếp xúc và ít thay đổi theo thiên áp của diode

29

+ Sơ đồ mạch tơng đơng của Diode varactor

Diode Varactor có thể biểu thị bằng mạch tơng đơng gồm một

điện dung biến đổi C(v) mắc nối tiếp với một điện trở RS Trên hình 4.15 mô tả cấu trúc, đặc trng Vol-ampe và sơ đồ mạch

tơng đơng của diode Varactor trong vỏ bọc

Khi mắc diode Varactor

vào đoạn đờng truyền

30

4.9.3 Transitor trờng MESFET

Cấu trúc : Transitor bán dẫn loại kim loại-điện môi hiệu ứng

trờng viết tắt là MESFET có cấu trúc kênh dẫn giữa cực máng (Drain) tới cực nguồn (Source) dới sự điều khiển của điện áp đặt vào cực cổng (gate) đợc biểu thị bởi sơ đồ mạch điện tơng

đơng trong hai trạng thái : trở kháng thấp và trở kháng cao

mô tả trên hình 4.16 và 4.17

31

+ ở trạng thái trở kháng thấp, MESFET biểu thị bởi kênh dẫn giữa cực máng và cực nguồn là một điện trở thuần có giá trị khá Nhỏ Ron điển hình cỡ 2,5 Ω ở tần số f = 10 GHz

+ ở trạng thái trở kháng cao, MESFET có kênh dẫn giữa hai cực trên đợc biểu thị bởi dới dạng một điện trở Ro ff và một điện

dung Co ff mắc song song Giá trị điển hình ở tần số f = 10 GHz của chúng cỡ 2kΩ và 0,2 pF

+ Vì vậy mắc MESFET song song hoặc nối tiếp với một đoạn

đờng truyền và dùng điện áp điều khiển đặt vào cực cổng có thể tạo ra các thiết bị điều khiển siêu cao tần nh bộ đảo mạch, bộ chuyển mạch nhiều kênh, bộ quay pha hay bộ suy giảm v.v

32

4.10 Bộ đảo mạch dùng diode PIN

Bộ đảo mạch dùng diode PIN là sơ đồ cơ bản tạo nên các mạch

điều khiển siêu cao tần nh các bộ chuyển mạch, bộ quay pha,

bộ suy giảm đợc sử dụng rộng rãi trong các trạng bị Rada và

Viễn thông Sau đây ta xét các sơ đồ cơ bản bộ đảo mạch dùng diode PIN mắc nối tiếp, song song và hỗn hợp cả nối tiếp và

song với đoạn đờng truyền siêu cao tần

4.10.1 Sơ đồ Diode mắc nối tiếp

Sơ đồ bộ đảo mạch SCT dùng diode PIN mắc nối tiếp với đoạn

đờng truyền siêu cao tần có trở sóng đặc tính Z0 đợc mô tả trên hình 4.18 Bộ đảo mạch ở trạng thái mở cho qua tín hiệu SCT khi diode ở trạng thái thông (đợc cấp thiên áp thuận) có trở kháng rất thấp Bộ đảo mạch ở trạng đóng không cho qua tín hiệu siêu cao tần khi diode ở trạng thái tắt (đợc cấp thiên áp ngợc) có trở kháng rất cao

33

+ Tiêu hao chèn : Tiêu hao chèn của bộ đảo mạch đợc xác

định bởi tỷ số công suất truyền đến tải của bộ đảo mạch lý tởng

ở trạng thải mở (on) trên công suất truyền của bộ đảo mạch thực

tế cũng ở trạng thái mở Tiêu hao chèn ký hiệu là αCH tính theo

1 1

lg 10 2

1 lg 10

2

0

2

0 0

2

0

dB Z

X Z

R Z

R Z

34

+ Độ cách ly : Độ cách ly của bộ đảo mạch đợc định nghĩa bởi

tỷ số công suất truyền đến tải của bộ đảo mạch lý tởng ở trạng thái mở (on) trên công suất truyền đến tải của bộ đảo mạch thực

tế ở trạng thái đóng (off) tính theo thang dB đợc ký hiệu là αCL

Đối với sơ đồ diode PIN mắc nối tiếp thì độ cách ly của bộ đảo mạch cũng biểu thị bởi biểu thức (4.10.1.1) nhng trở kháng của diode ứng với trạng thái tắt có trở kháng cao

4.10.2 Sơ đồ diode mắc song song

Bộ đảo mạch dùng diode PIN theo sơ đồ mắc song song với đoạn

đờng truyền có dẫn sóng đặc tính Y0 đợc mô tả trên hình 4.19

35

+ Với sơ đồ trên, bộ đảo mạch sẽ ở trạng thái mở (on) khi diode PIN ở trạng thái tắt có trở kháng cao, tín hiệu SCT đi qua bộ đảo mạch với tiêu hao chèn nhỏ Khi diode PIN ở trạng thái thông có trở kháng nhỏ nó ngắn mạch đờng truyền nên tín hiệu bị phản xạ không truyền đi qua, bộ đảo mạch ở trạng thái đóng (off)

+ Tiêu hao chèn và độ cách ly của bộ đảo mạch trong sơ đồ diode mắc song song đợc tính theo biểu thức chung (4.10.2) sau :

Trong công thức trên, khi tính tiêu hao chèn αCH thì dẫn nạp của diode PIN ứng với trạng thái trở kháng cao (thiên áp ngợc) còn khi tính độ cách li αCL thì dẫn nạp của diode ứng với trạng thái trở kháng thấp (thiên áp thuận)

4 10 2

4

1 4

1 2

1 lg

10 2

1 lg 10

2

0

2

0 0

2

0

dB Y

B Y

G Y

G Y

36

+ Bộ đảo mạch với sơ đồ diode mắc nối tiếp có tiêu hao chèn nhỏ, nhng độ cách ly không cao, còn với sơ đồ mắc song song dùng cùng loại diode thì cho độ cách ly cao nhng lại có tiêu hao chèn lớn

4.10.3 Sơ đồ dùng diode mắc hỗn hợp nối tiếp-song song

Bộ đảo mạch dùng sơ đồ diode PIN mắc hỗn hợp cả nối tiếp và song song cải thiện đợc chỉ tiêu của bộ đảo mạch cả về độ cách

ly cao và tiêu hao chèn nhỏ nhng tốn gấp hai lần số diode và cấu trúc phức tạp hơn Sơ đồ mạch của bộ đảo mạch này đợc mô tả trên hình 4.20

37

+ Bộ đảo mạch với sơ đồ diode PIN mắc hỗn hợp nối tiếp - song song sẽ ở trạng thái mở (on) khi diode nối tiếp DS thông có trở kháng thấp ZL và diode song song DP tắt có trở kháng cao ZH Khi các diode đợc cấp thiên áp ngợc lại thì bộ đảo mạch ở

trạng thái đóng (off)

+ Do đó ta tính đợc tiêu hao chèn của bộ đảo mạch này theo

biểu thức :

+ Độ cách li của bộ đảo mạch tính theo công thức :

+ Để mở rộng dải tần làm việc của bộ đảo mạch, chúng ta có thể mắc liên tiếp các sơ đồ bộ đảo mạch cơ bản dạng nối tiếp-song song với nhau sẽ cho bộ đảo mạch dải rộng nh mong muốn

3 10

4 2

2

1 lg 10

2

0

0 0

dB Z

Z

Z Z

Z Z

H

L H

4 2

2

1 lg 10

2

0

0 0

dB Z

Z

Z Z

Z Z

L

H L

38

4.10.4 Bù phần kháng diode PIN của bộ đảo mạch

Từ biểu thức tính tiêu hao chèn và độ cách ly của bộ đảo mạch, ta thấy giá trị phần kháng của diode PIN là nhân tố làm hạn chế

chất lợng chỉ tiêu và độ rộng dải tần làm việc của bộ đảo mạch các sơ đồ mạch nêu trên Để cải thiện chỉ tiêu nh giảm tiêu hao chèn, tăng độ cách li và mở rộng dải tần làm việc của bộ đảo

mạch ngời ta dùng phơng pháp bù phần điện kháng của diode, sao cho tại tần số làm việc thiết kế f0 trở kháng của diode PIN chỉ

có giá trị thuần là Rf (ở trạng thái thông) hoặc Rr (ở trạng thái

tắt) Thí dụ đối với sơ đồ bộ đảo mạch mắc song song thì ta cần mắc thêm một điện cảm ngoài song song LSng để bù điện dung CJcủa diode ở trạng thái tắt và một điện dung ngoài mắc nối tiếp

CSng để bù điện cảm LS của diode ở trạng thái thông