Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối
Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực siêu cao tần sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần và công nghệ gia công mạch dải nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
Báo cáo tổng kết đề tài độc lập cấp nhà nước: Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực siêu cao tần sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần và công nghệ gia công mạch dải
Mục lục
Bảng các từ viết tắt 3
Chơng I: Tổng quan các bộ dao động bán dẫn siêu cao
tần và các giải pháp thiết kế chế tạo 4
1.1 Khái quát về các điốt bán dẫn siêu cao tần (trở kháng âm) 5
1.2. Khái quát các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 8
1.3. Các bộ dao động điốt điện trở âm 9
1.4. Các bộ dao dộng transistor 18
1.5. Các bộ dao động có thể điều hởng 23
1.6. Bộ dao động siêu cao tần trên mạch dải 28
1.7. Bộ dao động điốt dùng trên dây đồng trục 29
1.8. Bộ dao động điốt siêu cao tần trên ống dẫn sóng hình chữ nhật 31
1.9. Bộ dao động dùng nhiều điốt 32
Chơng II: Phơng pháp thiết kế chế tạo Bộ dao động
điều khiển bằng điện áp (VCO) 33
2.1.Phơng pháp thiết kế bộ dao động transitor sử dụng các tham số tín hiệu nhỏ
S 33
2.1.1. Lý thuyết chung 33
2.1.2. Các bớc thiết kế 36
2.2. Phơng pháp thiết kế chế tạo bộ dao động VCO trên ống sóng dùng điốt
Gunn và điốt Varactor 46
2.3. Phơng pháp thiết kế chế tạo bộ dao động trên mạch dải sử dụng điốt Gunn
và điốt varactor 51
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
2
Chơng 3: Phân tích Các yếu tố gây ảnh hởng đến độ
ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và
một số giải pháp nâng cao tính ổn định 54
3.1. ổn định tần số có mấy phơng pháp chính sau 54
3.2. Độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 56
3.3. Phơng pháp ổn định sử dụng hốc cộng hởng có hệ số phẩm chất cao 58
3.4. Phơng pháp ổn định bơm khoá pha (Injection phase locking) 59
3.5. ảnh hởng của sự không ổn định nguồn nuôi và các giải pháp ổn định 60
3.6. ảnh hởng thay đổi nhiệt độ và các phơng pháp ổn định 61
3.7. Lựa chọn giải pháp kỹ thuật và giải pháp công nghệ để thực hiện bộ VCO
dải sóng cm 65
Kết luận 66
Tài liệu tham khảo 67 Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
3
Bảng các từ viết tắt:
SCT: Siêu cao tần.
cw: Continous Wave: Sóng liên tục.
DUT: Device Under Test: Đối tợng kiểm tra.
IMPATT: IM Pact Avalanche Transit-Time Diode.
TRAPATT: Trapped-Plasma Avalanche Transit Time.
BARITT: Barrier Injection Transit Time).
MIC: Micro IC.
PCB: Printed Circuit Board: Bo mạch in.
RF: Radio Frequency: Tần số vô tuyến.
SMD: Surface Mount Divice: công cụ lắp ráp bề mặt.
SPDT: Single Pole - Double Throw: Một cực hai đầu ra.
SMO: solid-state microwave oscillator.
VCO: Voltage Control Oscillator. Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
4
Chơng 1
Tổng quan các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và
các giải pháp thiết kế chế tạo
Kỹ thuật siêu cao tần ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực
của nền kinh tế quốc dân và trong quốc phòng, ví dụ nh 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 (SCT) đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
khác nhau nh 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 đợc 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 đợc thiết kế với đèn điện tử nh klistron, magnetron, có thể dùng bán
dẫn nh transsitor lỡng cực (bipolar), transistor trờng (FET), hay các loại điốt
có trở kháng âm nh 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 SCT (viết tắt là SMO: solid-state
microwave oscillator) với u điểm nhỏ nhẹ, dùng nguồn thấp, tuổi thọ cao, chế
độ làm việc ổn định, tạp thấp đã và đang đợc 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 đợc 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 lợng 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[1].
Các bộ tạo dao động bán dẫn siêu cao tần đã đợc các nớc trên thế giới phát
triển từ những năm 1970. Có thể chia các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần làm
hai loại chính:
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
5
- Các bộ dao động điốt trở kháng âm (nh GUNN và IMPATT) thực
hiện trong hốc cộng hởng cùng với điốt Varactor tạo thành bộ VCO.
- Bộ dao động VCO đợc thiết kế trên mạch dải sử dụng bán dẫn trờng
hay bán dẫn Bipolar và điốt Varactor.
Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần có u điểm là kích thớc bé, có độ
ổn định cao, tạp nhỏ và cấp nguồn rất đơn giản, các bộ dao động này có thể sử
dụng làm máy phát (có sử dụng kỹ thuật cộng công suất). Tuy nhiên, công suất
ra cực đại có thể đạt đợc với mỗi bộ dao động là giới hạn (khoảng 500-
750mW liên tục đối với điốt Gunn băng tần X). Mặc dù với điốt IMPATT có
thể đạt đợc mức công suất ra lớn hơn nhng điốt GUNN vẫn thờng đợc sử
dụng hơn vì có u điểm là tạp nhỏ hơn.
Vì những u điểm nêu trên các bộ dao động điốt GUNN thờng đợc sử
dụng làm dao động ngoại sai trong các đài rađa và trong các máy thu, vì đòi hỏi
mức công suất ra rất thấp chỉ 10 mW (ví dụ:ở đài rađa K8-60 công suất đi
đến 4 điốt trộn tần chỉ cần >2mW). Trong trờng hợp muốn có nguồn phát chất
rắn siêu cao tần có mức công suất ra lớn hơn ngời ta phải sử dụng các kỹ thuật
cộng công suất khác nhau (cộng trong hốc cộng hởng hay trên mạch dải) để
cộng các đầu ra của vài bộ dao động.
Trên thế giới đã chế tạo đợc rađa dải sóng mm (dải tần phủ từ 30GHz-
300GHz) có máy phát bán dẫn công suất lớn .
Các bộ dao động bán dẫn SCT ở dải centimet và milimét thờng đợc làm
trên hốc cộng hởng ống sóng chữ nhật còn ở dải tần số thấp hơn thì thờng
làm trên mạch dải Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần đợc sử dụng làm dao
động ngoại sai trong các đài rađa thờng đợc thực hiện dới 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.
1.1 Khái quát về các điốt bán dẫn siêu cao tần (trở kháng âm)
Điốt bán dẫn siêu cao tần đợc phân thành:
- Điốt Varisto là các điốt có điện trở biến đổi
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
6
- Điốt Varactor là các điốt có điện dung biến đổi
- Điốt có trở kháng có thể điều khiển đợc (điốt Pin).
- Điốt có trở kháng âm: điốt TUNNEL, IMPATT, TRAPATT BARITT
và GUNN
Điốt Varisto (bao gồm các điốt tiếp xúc điểm, điốt nghịch đảo và đa số
điốt có hàng rào schottky) đợc dùng để: tách sóng, biến đổi dới, giải điều chế,
bộ hạn chế tốc độ cao hay chỉnh lu.
Điốt Varactor do có điện dung phi tuyến thay đổi đợc khá nhanh, tổn
hao nhỏ hơn nhiều so với Varisto viên đợc dùng làm: bộ dao động sóng hài, bộ
điều chế hay 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 đợc: Độ dẫn điện của các điốt này
hoàn toàn tỷ lệ thuận với số lợng các hạt mang điện không cơ bản đợc tích luỹ.
Các điốt này ở dải sóng siêu cao tần có trở kháng tựa tuyến tính, giá trị của nó
thể điều khiển đợc bằng thiên áp một chiều hay thiên áp âm tần ngoài Chúng
đợc 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 từng trường hợp vào hiệu ứng đờng 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 nhng vì công suất ra nhỏ, tần số làm việc
không cao nên đợc dùng chủ yếu làm ngoại sai tại chỗ trong các máy thu ngoại
sai, trong các bộ khuếch đại tạp âm bé, các bộ điều chế, các bộ đảo mạch công
suất nhỏ tốc độ cao và bộ hạn biên.
Điốt gunn và điốt thác lũ do cờng độ điện trờng cao, năng lợng động
học của điện tử lớn hơn nhiều năng lợng 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 đợc gọi là các thiết bị trên điện tử "nóng". Cả hai loại điốt siêu
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
7
cao tần này so với công cụ điện tử chân không truyền thống chúng có kích
thớc, trọng lợng nhỏ, độ tin cậy cao, tuổi thọ dài, điện áp một chiều nhỏ nên
ngày càng đợc 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 lợng nguồn một chiều thành năng
lợng dao động siêu cao tần. Việc biến đổi năng lợng đợc thực hiện do tơng
tác của dòng chuyển động các hạt mang điện (điện tử hay lỗ trống) với điện
trờng 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 đa ra (Anốt, Katốt) giới hạn
không gian tơng tác (hình 1.1).
Hai đầu cực
Khoảng giữa điốt
E(x,t)
V Hình 1.1
Các hạt mang điện tích đợc tạo ra bên trong khoảng giữa hay đợc bắn
ra từ các đầu cực và chuyển động dới các điện trờng đợc tạo ra bởi điện áp
ngoài đặt vào các đầu cực cũng nh các điện tích bên trong khoảng giữa điốt.
Quá trình biến đổi năng lợng ở khoảng giữa điốt bán dẫn khác với công cụ chân
không là nó có hàng loạt đặc điểm đợc quy định bởi tính chất của bán dẫn, điện
tích và vận tốc chuyển động của nó trong đó cũng nh cờng độ điện trờng 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 hay 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
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
8
giữa điốt làm tăng hiệu quả biến đổi, điều này cho phép sử dụng khoảng giữa
điốt tạo dao động siêu cao tần.
1.2. Khái quát các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần
Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần có thể chia ra làm hai nhóm: bộ dao
động điốt điện trở âm và bộ dao động tranzistor. Ngày nay hai nhóm này vẫn
luôn luôn cạnh tranh với nhau trong các lĩnh vực ứng dụng.
Các yêu cầu
Các mạch có một cửa, tạo ra các tín hiệu hình sin đều đợc gọi là các bộ
dao động. Các bộ dao động này là các nguồn tín hiệu không thể thiếu trong các
hệ thống đo và truyền thông tin siêu cao tần. Các bộ dao động này có thể có tần
số cố định hay điều tần. Trong khuôn khổ giới hạn của đề tài chúng tui chỉ đi
sâu nghiên cứu các bộ dao động có tần số cố định. Các đặc trng chính của các
bộ dao động này là:
a) Tần số làm việc
b) Công suất ra
c) Hệ số phản xạ riêng
tuỳ từng trường hợp vào lĩnh vực sử dụng còn có thể liệt kê thêm nhiều yêu cầu
khác vào phần trên. Nhng thờng thì độ ổn định tần số, tạp của bộ dao động, độ
sạch của phổ tần dao động là quan trọng hơn cả. Trong một số ứng dụng đôi khi
độ ổn định biên độ dao động cũng quan trọng.
Các bộ tạo dao động bán dẫn siêu cao tần (SCT) có u điểm kích thớc bé
và đòi hỏi cấp nguồn đơn giản có tạp bé. Có nhiều phơng pháp thiết kế chế tạo
bộ dao động bán dẫn SCT: trên ống sóng dùng điốt gunn, điốt varactor trên mạch
dải sử dụng bán dẫn trờng hay điốt Gunn và điốt varactor.
Các mạch dao động tích hợp siêu cao tần bán dẫn cơ bản có thể chia làm
hai nhóm sau:
a) Các bộ dao động điốt điện trở âm.
b) Các bộ dao động transitor.
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
9
1.3. Các bộ dao động điốt điện trở âm
Trong rất nhiều công cụ bán dẫn 2 cực có điốt điện trở âm trong dải siêu
cao tần (ví dụ nh điốt Tunnel, điốt Gunn, điốt IMPATT.vv ). Để tạo đợc mạch
dao động ta đặt điốt điện trở âm vào trong một mạch cộng hởng và nối tải với
nó [1].
Các điốt điện trở âm thờng có thể đặc trng bằng một điện trở âm phụ
thuộc vào mức đợc mắc song song hay nối tiếp với một phần tử điện kháng có
giá trị cố định (hay trong các khảo sát chính xác hơn: cũng phụ thuộc vào mức)
(hình 1.2).
Hình 1.2: Sơ đồ tơng đơng mạch một cửa điện trở âm
Dẫn nạp phụ thuộc vào mức Y
d
của điốt điện trở âm có thể viết theo biểu
thức sau:
(
)
(
)
2
0
2
0
11 UCjUGCjGY
ddd
++=+= (1.1)
Trong đó G
0
là hỗ dẫn tín hiệu bé, C
0
là dung kháng tín hiệu bé, U là giá
trị hiệu dụng điện áp trên 2 đầu của điốt. Nhiều trờng hợp ta mô tả bằng mạch
tuơng đơng mắc nối tiếp, khi này trở kháng của điốt sẽ nh sau:
I.1. Lựa chọn đối t−ợng nghiên cứu:
Căn cứ vào nhu cầu cấp bách và khả năng kỹ thuật, khả năng công nghệ của
ta, chúng tui đã chọn đối t−ợng nghiên cứu của đề tài gồm 2 nhánh chính (phân chia
theo địa chỉ ứng dụng các sản phẩm của đề tài):
• Nghiên cứu thiết kế chế tạo toàn bộ 02 tuyến thu cao tần đài rađa P-37, bao
gồm nghiên cứu thiết kế chế tạo:
- 02 bộ hạn chế công suất
- 02 bộ khuếch đại tạp thấp
- 02 bộ trộn tần cân bằng
- 02 bộ dao động ngoại sai VCO
- 01bộ lọc dải thông
- 02 bộ cộng/ chia công suất
- 02 bộ tiền khuếch đại trung tần
- 02 bộ tự động điều chỉnh tần số (riêng bộ tiền khuếch đại trung
tần và bộ tự động điều chỉnh tần số là không có trong nội dung
của Hợp đồng vì kinh phí bị hạn chế, nh−ng để có thể lắp lên
đài và đánh giá toàn bộ tuyến thu cao tần chúng tui đã thực
hiện).
• Nghiên cứu thiết kế chế tạo 02 bộ chuyển mạch điốt PIN và 02 bộ khuếch đại
tạp thấp dải rộng trên mạch dải cho 02 kênh thu của đài rađa 55Ж6
I.2. Cách tiếp cận, ph−ơng pháp nghiên cứu, kỹ thuật đ∙ sử dụng
- Căn cứ kết quả nghiên cứu tổng quan các tài liệu và công trình đã có liên quan
đến đề tài, chọn ph−ơng pháp thiết kế và giải pháp công nghệ tiên tiến của n−ớc
ngoài phù hợp với công nghệ Việt nam nhằm tạo ra đ−ợc sản phẩm có chất l−ợng
cao có thể áp dụng trong thực tế.
- Kế thừa các kết quả nghiên cứu của các đề tài, dự án liên quan đến đề tài đã đ−ợc
thực hiện từ tr−ớc đến nay.
- Lựa chọn mạch dải phù hợp (cả về chức năng kỹ thuật và khả năng công nghệ của
n−ớc ta) và lựa chọn linh kiện gắn bề mặt đáp ứng các yêu cầu chức năng kỹ thuật
đề ra để thiết kế chế tạo các mạch tích hợp thụ động SCT và các mạch tích hợp tích
cực SCT.
- Nghiên cứu thiết kế các mạch tích hợp thụ động SCT và các mạch tích hợp tích
cực SCT từ các linh kiện bề mặt có thể mua từ các hãng của Mỹ hay các n−ớc
châu âu, sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần, dựa vào các tham số tán xạ
S tính toán các mạch phối hợp trở kháng vào/ ra và giữa các tầng, thiết kế và mô
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực siêu cao tần sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần và công nghệ gia công mạch dải nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
Báo cáo tổng kết đề tài độc lập cấp nhà nước: Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực siêu cao tần sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần và công nghệ gia công mạch dải
Mục lục
Bảng các từ viết tắt 3
Chơng I: Tổng quan các bộ dao động bán dẫn siêu cao
tần và các giải pháp thiết kế chế tạo 4
1.1 Khái quát về các điốt bán dẫn siêu cao tần (trở kháng âm) 5
1.2. Khái quát các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 8
1.3. Các bộ dao động điốt điện trở âm 9
1.4. Các bộ dao dộng transistor 18
1.5. Các bộ dao động có thể điều hởng 23
1.6. Bộ dao động siêu cao tần trên mạch dải 28
1.7. Bộ dao động điốt dùng trên dây đồng trục 29
1.8. Bộ dao động điốt siêu cao tần trên ống dẫn sóng hình chữ nhật 31
1.9. Bộ dao động dùng nhiều điốt 32
Chơng II: Phơng pháp thiết kế chế tạo Bộ dao động
điều khiển bằng điện áp (VCO) 33
2.1.Phơng pháp thiết kế bộ dao động transitor sử dụng các tham số tín hiệu nhỏ
S 33
2.1.1. Lý thuyết chung 33
2.1.2. Các bớc thiết kế 36
2.2. Phơng pháp thiết kế chế tạo bộ dao động VCO trên ống sóng dùng điốt
Gunn và điốt Varactor 46
2.3. Phơng pháp thiết kế chế tạo bộ dao động trên mạch dải sử dụng điốt Gunn
và điốt varactor 51
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
2
Chơng 3: Phân tích Các yếu tố gây ảnh hởng đến độ
ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và
một số giải pháp nâng cao tính ổn định 54
3.1. ổn định tần số có mấy phơng pháp chính sau 54
3.2. Độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 56
3.3. Phơng pháp ổn định sử dụng hốc cộng hởng có hệ số phẩm chất cao 58
3.4. Phơng pháp ổn định bơm khoá pha (Injection phase locking) 59
3.5. ảnh hởng của sự không ổn định nguồn nuôi và các giải pháp ổn định 60
3.6. ảnh hởng thay đổi nhiệt độ và các phơng pháp ổn định 61
3.7. Lựa chọn giải pháp kỹ thuật và giải pháp công nghệ để thực hiện bộ VCO
dải sóng cm 65
Kết luận 66
Tài liệu tham khảo 67 Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
3
Bảng các từ viết tắt:
SCT: Siêu cao tần.
cw: Continous Wave: Sóng liên tục.
DUT: Device Under Test: Đối tợng kiểm tra.
IMPATT: IM Pact Avalanche Transit-Time Diode.
TRAPATT: Trapped-Plasma Avalanche Transit Time.
BARITT: Barrier Injection Transit Time).
MIC: Micro IC.
PCB: Printed Circuit Board: Bo mạch in.
RF: Radio Frequency: Tần số vô tuyến.
SMD: Surface Mount Divice: công cụ lắp ráp bề mặt.
SPDT: Single Pole - Double Throw: Một cực hai đầu ra.
SMO: solid-state microwave oscillator.
VCO: Voltage Control Oscillator. Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
4
Chơng 1
Tổng quan các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và
các giải pháp thiết kế chế tạo
Kỹ thuật siêu cao tần ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực
của nền kinh tế quốc dân và trong quốc phòng, ví dụ nh 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 (SCT) đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
khác nhau nh 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 đợc 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 đợc thiết kế với đèn điện tử nh klistron, magnetron, có thể dùng bán
dẫn nh transsitor lỡng cực (bipolar), transistor trờng (FET), hay các loại điốt
có trở kháng âm nh 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 SCT (viết tắt là SMO: solid-state
microwave oscillator) với u điểm nhỏ nhẹ, dùng nguồn thấp, tuổi thọ cao, chế
độ làm việc ổn định, tạp thấp đã và đang đợc 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 đợc 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 lợng 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[1].
Các bộ tạo dao động bán dẫn siêu cao tần đã đợc các nớc trên thế giới phát
triển từ những năm 1970. Có thể chia các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần làm
hai loại chính:
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
5
- Các bộ dao động điốt trở kháng âm (nh GUNN và IMPATT) thực
hiện trong hốc cộng hởng cùng với điốt Varactor tạo thành bộ VCO.
- Bộ dao động VCO đợc thiết kế trên mạch dải sử dụng bán dẫn trờng
hay bán dẫn Bipolar và điốt Varactor.
Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần có u điểm là kích thớc bé, có độ
ổn định cao, tạp nhỏ và cấp nguồn rất đơn giản, các bộ dao động này có thể sử
dụng làm máy phát (có sử dụng kỹ thuật cộng công suất). Tuy nhiên, công suất
ra cực đại có thể đạt đợc với mỗi bộ dao động là giới hạn (khoảng 500-
750mW liên tục đối với điốt Gunn băng tần X). Mặc dù với điốt IMPATT có
thể đạt đợc mức công suất ra lớn hơn nhng điốt GUNN vẫn thờng đợc sử
dụng hơn vì có u điểm là tạp nhỏ hơn.
Vì những u điểm nêu trên các bộ dao động điốt GUNN thờng đợc sử
dụng làm dao động ngoại sai trong các đài rađa và trong các máy thu, vì đòi hỏi
mức công suất ra rất thấp chỉ 10 mW (ví dụ:ở đài rađa K8-60 công suất đi
đến 4 điốt trộn tần chỉ cần >2mW). Trong trờng hợp muốn có nguồn phát chất
rắn siêu cao tần có mức công suất ra lớn hơn ngời ta phải sử dụng các kỹ thuật
cộng công suất khác nhau (cộng trong hốc cộng hởng hay trên mạch dải) để
cộng các đầu ra của vài bộ dao động.
Trên thế giới đã chế tạo đợc rađa dải sóng mm (dải tần phủ từ 30GHz-
300GHz) có máy phát bán dẫn công suất lớn .
Các bộ dao động bán dẫn SCT ở dải centimet và milimét thờng đợc làm
trên hốc cộng hởng ống sóng chữ nhật còn ở dải tần số thấp hơn thì thờng
làm trên mạch dải Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần đợc sử dụng làm dao
động ngoại sai trong các đài rađa thờng đợc thực hiện dới 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.
1.1 Khái quát về các điốt bán dẫn siêu cao tần (trở kháng âm)
Điốt bán dẫn siêu cao tần đợc phân thành:
- Điốt Varisto là các điốt có điện trở biến đổi
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
6
- Điốt Varactor là các điốt có điện dung biến đổi
- Điốt có trở kháng có thể điều khiển đợc (điốt Pin).
- Điốt có trở kháng âm: điốt TUNNEL, IMPATT, TRAPATT BARITT
và GUNN
Điốt Varisto (bao gồm các điốt tiếp xúc điểm, điốt nghịch đảo và đa số
điốt có hàng rào schottky) đợc dùng để: tách sóng, biến đổi dới, giải điều chế,
bộ hạn chế tốc độ cao hay chỉnh lu.
Điốt Varactor do có điện dung phi tuyến thay đổi đợc khá nhanh, tổn
hao nhỏ hơn nhiều so với Varisto viên đợc dùng làm: bộ dao động sóng hài, bộ
điều chế hay 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 đợc: Độ dẫn điện của các điốt này
hoàn toàn tỷ lệ thuận với số lợng các hạt mang điện không cơ bản đợc tích luỹ.
Các điốt này ở dải sóng siêu cao tần có trở kháng tựa tuyến tính, giá trị của nó
thể điều khiển đợc bằng thiên áp một chiều hay thiên áp âm tần ngoài Chúng
đợc 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 từng trường hợp vào hiệu ứng đờng 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 nhng vì công suất ra nhỏ, tần số làm việc
không cao nên đợc dùng chủ yếu làm ngoại sai tại chỗ trong các máy thu ngoại
sai, trong các bộ khuếch đại tạp âm bé, các bộ điều chế, các bộ đảo mạch công
suất nhỏ tốc độ cao và bộ hạn biên.
Điốt gunn và điốt thác lũ do cờng độ điện trờng cao, năng lợng động
học của điện tử lớn hơn nhiều năng lợng 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 đợc gọi là các thiết bị trên điện tử "nóng". Cả hai loại điốt siêu
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
7
cao tần này so với công cụ điện tử chân không truyền thống chúng có kích
thớc, trọng lợng nhỏ, độ tin cậy cao, tuổi thọ dài, điện áp một chiều nhỏ nên
ngày càng đợc 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 lợng nguồn một chiều thành năng
lợng dao động siêu cao tần. Việc biến đổi năng lợng đợc thực hiện do tơng
tác của dòng chuyển động các hạt mang điện (điện tử hay lỗ trống) với điện
trờng 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 đa ra (Anốt, Katốt) giới hạn
không gian tơng tác (hình 1.1).
Hai đầu cực
Khoảng giữa điốt
E(x,t)
V Hình 1.1
Các hạt mang điện tích đợc tạo ra bên trong khoảng giữa hay đợc bắn
ra từ các đầu cực và chuyển động dới các điện trờng đợc tạo ra bởi điện áp
ngoài đặt vào các đầu cực cũng nh các điện tích bên trong khoảng giữa điốt.
Quá trình biến đổi năng lợng ở khoảng giữa điốt bán dẫn khác với công cụ chân
không là nó có hàng loạt đặc điểm đợc quy định bởi tính chất của bán dẫn, điện
tích và vận tốc chuyển động của nó trong đó cũng nh cờng độ điện trờng 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 hay 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
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
8
giữa điốt làm tăng hiệu quả biến đổi, điều này cho phép sử dụng khoảng giữa
điốt tạo dao động siêu cao tần.
1.2. Khái quát các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần
Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần có thể chia ra làm hai nhóm: bộ dao
động điốt điện trở âm và bộ dao động tranzistor. Ngày nay hai nhóm này vẫn
luôn luôn cạnh tranh với nhau trong các lĩnh vực ứng dụng.
Các yêu cầu
Các mạch có một cửa, tạo ra các tín hiệu hình sin đều đợc gọi là các bộ
dao động. Các bộ dao động này là các nguồn tín hiệu không thể thiếu trong các
hệ thống đo và truyền thông tin siêu cao tần. Các bộ dao động này có thể có tần
số cố định hay điều tần. Trong khuôn khổ giới hạn của đề tài chúng tui chỉ đi
sâu nghiên cứu các bộ dao động có tần số cố định. Các đặc trng chính của các
bộ dao động này là:
a) Tần số làm việc
b) Công suất ra
c) Hệ số phản xạ riêng
tuỳ từng trường hợp vào lĩnh vực sử dụng còn có thể liệt kê thêm nhiều yêu cầu
khác vào phần trên. Nhng thờng thì độ ổn định tần số, tạp của bộ dao động, độ
sạch của phổ tần dao động là quan trọng hơn cả. Trong một số ứng dụng đôi khi
độ ổn định biên độ dao động cũng quan trọng.
Các bộ tạo dao động bán dẫn siêu cao tần (SCT) có u điểm kích thớc bé
và đòi hỏi cấp nguồn đơn giản có tạp bé. Có nhiều phơng pháp thiết kế chế tạo
bộ dao động bán dẫn SCT: trên ống sóng dùng điốt gunn, điốt varactor trên mạch
dải sử dụng bán dẫn trờng hay điốt Gunn và điốt varactor.
Các mạch dao động tích hợp siêu cao tần bán dẫn cơ bản có thể chia làm
hai nhóm sau:
a) Các bộ dao động điốt điện trở âm.
b) Các bộ dao động transitor.
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO
9
1.3. Các bộ dao động điốt điện trở âm
Trong rất nhiều công cụ bán dẫn 2 cực có điốt điện trở âm trong dải siêu
cao tần (ví dụ nh điốt Tunnel, điốt Gunn, điốt IMPATT.vv ). Để tạo đợc mạch
dao động ta đặt điốt điện trở âm vào trong một mạch cộng hởng và nối tải với
nó [1].
Các điốt điện trở âm thờng có thể đặc trng bằng một điện trở âm phụ
thuộc vào mức đợc mắc song song hay nối tiếp với một phần tử điện kháng có
giá trị cố định (hay trong các khảo sát chính xác hơn: cũng phụ thuộc vào mức)
(hình 1.2).
Hình 1.2: Sơ đồ tơng đơng mạch một cửa điện trở âm
Dẫn nạp phụ thuộc vào mức Y
d
của điốt điện trở âm có thể viết theo biểu
thức sau:
(
)
(
)
2
0
2
0
11 UCjUGCjGY
ddd
++=+= (1.1)
Trong đó G
0
là hỗ dẫn tín hiệu bé, C
0
là dung kháng tín hiệu bé, U là giá
trị hiệu dụng điện áp trên 2 đầu của điốt. Nhiều trờng hợp ta mô tả bằng mạch
tuơng đơng mắc nối tiếp, khi này trở kháng của điốt sẽ nh sau:
I.1. Lựa chọn đối t−ợng nghiên cứu:
Căn cứ vào nhu cầu cấp bách và khả năng kỹ thuật, khả năng công nghệ của
ta, chúng tui đã chọn đối t−ợng nghiên cứu của đề tài gồm 2 nhánh chính (phân chia
theo địa chỉ ứng dụng các sản phẩm của đề tài):
• Nghiên cứu thiết kế chế tạo toàn bộ 02 tuyến thu cao tần đài rađa P-37, bao
gồm nghiên cứu thiết kế chế tạo:
- 02 bộ hạn chế công suất
- 02 bộ khuếch đại tạp thấp
- 02 bộ trộn tần cân bằng
- 02 bộ dao động ngoại sai VCO
- 01bộ lọc dải thông
- 02 bộ cộng/ chia công suất
- 02 bộ tiền khuếch đại trung tần
- 02 bộ tự động điều chỉnh tần số (riêng bộ tiền khuếch đại trung
tần và bộ tự động điều chỉnh tần số là không có trong nội dung
của Hợp đồng vì kinh phí bị hạn chế, nh−ng để có thể lắp lên
đài và đánh giá toàn bộ tuyến thu cao tần chúng tui đã thực
hiện).
• Nghiên cứu thiết kế chế tạo 02 bộ chuyển mạch điốt PIN và 02 bộ khuếch đại
tạp thấp dải rộng trên mạch dải cho 02 kênh thu của đài rađa 55Ж6
I.2. Cách tiếp cận, ph−ơng pháp nghiên cứu, kỹ thuật đ∙ sử dụng
- Căn cứ kết quả nghiên cứu tổng quan các tài liệu và công trình đã có liên quan
đến đề tài, chọn ph−ơng pháp thiết kế và giải pháp công nghệ tiên tiến của n−ớc
ngoài phù hợp với công nghệ Việt nam nhằm tạo ra đ−ợc sản phẩm có chất l−ợng
cao có thể áp dụng trong thực tế.
- Kế thừa các kết quả nghiên cứu của các đề tài, dự án liên quan đến đề tài đã đ−ợc
thực hiện từ tr−ớc đến nay.
- Lựa chọn mạch dải phù hợp (cả về chức năng kỹ thuật và khả năng công nghệ của
n−ớc ta) và lựa chọn linh kiện gắn bề mặt đáp ứng các yêu cầu chức năng kỹ thuật
đề ra để thiết kế chế tạo các mạch tích hợp thụ động SCT và các mạch tích hợp tích
cực SCT.
- Nghiên cứu thiết kế các mạch tích hợp thụ động SCT và các mạch tích hợp tích
cực SCT từ các linh kiện bề mặt có thể mua từ các hãng của Mỹ hay các n−ớc
châu âu, sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần, dựa vào các tham số tán xạ
S tính toán các mạch phối hợp trở kháng vào/ ra và giữa các tầng, thiết kế và mô
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links