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

Trong trường hợp muốn có nguồn phát chất rắn siêu cao tần có mức công suất ra lớn hơn người ta phải sử dụng các kỹ thuật cộng công suất khác nhau cộng trong hốc cộng hưởng hoặc trên mạch

cao tần và công nghệ gia công mạch dải

báo cáo tổng kết chuyên đề

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO

M∙ số: ĐTĐL- 2005/28G Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Ngọc Minh

6715-5

11/01/2007

Hà Nội - 2007

Bản quyền 2007 thuộc Viện Rađa

Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Viện trưởng Viện Rađa trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu

Mục lục

Chương I: Tổng quan các bộ dao động bán dẫn siêu cao

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 hưởng 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

Chương II: Phương pháp thiết kế chế tạo Bộ dao động

2.1.Phương pháp thiết kế bộ dao động transitor sử dụng các tham số tín hiệu nhỏ

2.2 Phương pháp thiết kế chế tạo bộ dao động VCO trên ống sóng dùng điốt

2.3 Phương pháp thiết kế chế tạo bộ dao động trên mạch dải sử dụng điốt Gunn

Chương 3: Phân tích Các yếu tố gây ảnh hưởng đến độ

ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và

3.1 ổn định tần số có mấy phương pháp chính sau 54

3.2 Độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 56

3.3 Phương pháp ổn định sử dụng hốc cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao 58

3.4 Phương pháp ổn định bơm khoá pha (Injection phase locking) 59

3.5 ảnh hưởng của sự không ổn định nguồn nuôi và các giải pháp ổn định 60

3.6 ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ và các phương 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

B¶ng c¸c tõ viÕt t¾t:

• SCT: Siªu cao tÇn

• cw: Continous Wave: Sãng liªn tôc

• DUT: Device Under Test: §èi t−îng kiÓm 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 m¹ch in

• RF: Radio Frequency: TÇn sè v« tuyÕn

• SMD: Surface Mount Divice: Dông cô l¾p r¸p bÒ mÆt

• SPDT: Single Pole - Double Throw: Mét cùc hai ®Çu ra

• SMO: solid-state microwave oscillator

• VCO: Voltage Control Oscillator

Chương 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 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 (SCT) 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 SCT (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[1]

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 làm

hai loại chính:

- Các bộ dao động điốt trở kháng âm (như GUNN và IMPATT) thực

hiện trong hốc cộng hưởng cùng với điốt Varactor tạo thành bộ VCO

- Bộ dao động VCO được thiết kế trên mạch dải sử dụng bán dẫn trường

hoặc bán dẫn Bipolar và điốt Varactor

Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần có ưu điểm là kích thước 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 được 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 được mức công suất ra lớn hơn nhưng điốt GUNN vẫn thường được sử

dụng hơn vì có ưu điểm là tạp nhỏ hơn

Vì những ưu điểm nêu trên các bộ dao động điốt GUNN thường được 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 trường hợp muốn có nguồn phát chất

rắn siêu cao tần có mức công suất ra lớn hơn người ta phải sử dụng các kỹ thuật

cộng công suất khác nhau (cộng trong hốc cộng hưởng hoặc trên mạch dải) để

cộng các đầu ra của vài bộ dao động

Trên thế giới đã chế tạo được 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 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 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

1.1 Khái quát về 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

- Điốt Varactor là các điốt có điện dung biến đổi

- Điốt có trở kháng có thể điều khiển được (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) được dùng để: tách sóng, biến đổi dưới, giải điều chế,

bộ hạn chế tốc độ cao hoặc chỉnh lưu

Điốt Varactor do có điện dung phi tuyến thay đổi được khá nhanh, tổn

hao nhỏ hơn nhiều so với Varisto viên 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: 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 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 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 (hình 1.1)

Hai đầu cực Khoảng giữa điốt

E(x,t)

V

Hình 1.1

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

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 được 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 hoặc điều tần Trong khuôn khổ giới hạn của đề tài chúng tôi chỉ đi

sâu nghiên cứu các bộ dao động có tần số cố định Các đặc trưng chính của các

bộ dao động này là:

a) Tần số làm việc

b) Công suất ra

c) Hệ số phản xạ riêng

Tuỳ thuộc vào lĩnh vực sử dụng còn có thể liệt kê thêm nhiều yêu cầu

khác vào phần trên Nhưng thường 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 ưu điểm kích thước bé

và đòi hỏi cấp nguồn đơn giản có tạp bé Có nhiều phương 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 trường hoặc 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

1.3 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 [1]

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 (hoặc trong các khảo sát chính xác hơn: cũng phụ thuộc vào mức)

G C j G

Y d = d + ω d = ư ư α + ω + β (1.1) 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

trong đó R0 là điện trở âm tín hiệu bé, C’0 là giá trị tín hiệu bé của tụ mắc

tương đương mắc nối tiếp và I là giá trị hiệu dụng dòng sin chảy qua điốt

Hình 1.3: Sơ đồ tương đương của bộ dao động điện trở âm

Trong bộ dao động ở hình 1.3 gắn với 1 điốt là một mạch cộng hưởng và

một tải Nếu ta mắc với mạch cộng hưởng song song khi đó ta phải sử dụng mạch

P p d

L C U

C

ω ω β

ư (1.5)

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:

( 2) 2

0 2

1 U U G

GU

P= = ư α (1 6) Giá trị cực đại của nó sẽ là:

α

4

0 max

G

P = (1.7) Giá trị cực đại của G phẳng do vậy việc điều chỉnh để đạt giá trị công suất

cực đại đơn giản

Hình 1.4: Sự phụ thuộc vào điện áp của dẫn nạp âm

U

G0 -Gd

Cần lưu ý rằng chúng ta có thể tính cả tổn hao của các điốt bằng cách

cộng chúng vào tải G Bằng phương pháp phân tích này và có sửa đổi chút ít ta

có thể khẳng định rằng trong trường hợp có tổn hao vị trí công suất cực đại sẽ bị

lệch một chút về phía có ghép lỏng hơn và công suất sẽ bị giảm

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

0 ( 0)

1

d P

=

ω (1.8)

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 Hàm dẫn

tương ứng với phương trình (1.1) được vẽ ở hình 1.4 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

Theo hình 1.4 trong trường hợp phụ thuộc vào mức thì điểm làm việc sẽ

ổn định, đó là sau khi bị thay đổi nó sẽ quay trở lại vị trí cũ ở các bộ dao động

đôi khi nếu sự phụ thuộc vào mức không có dạng đơn điệu như ở hình 1.4 điểm

làm việc liên quan đến tải sẽ không ổn định, đó là sẽ xuất hiện hiện tượng từ trễ

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 tỉ số Vng/Vbh

+ Giá trị cường độ điện trường cho phép lớn nhất ở vận liệu bán dẫn, nó

phải nhỏ hơn giá trị Eđt (cường độ điện trường khi đánh thủng bán dẫn)

+ Nhiệt độ cho phép lớn nhất làm nóng cấu trúc dán dẫn và vấn đề tỏa

nhiệt cho điốt liên quan tới tham số này

Đặc tính chung của điốt siêu cao tần (trở kháng âm) là chuyển động của

những hạt mang điện tích qua không gian bay chiều dài L Chính trong không

gian bay, các hạt mang điện tích tương tác với điện trường ngoài và trong các

điều kiện xác định dẫn tới tạo dao động hoặc khuếch đại dao động siêu cao tần

Đây là tính chất chung cho phép tìm thấy biểu thức xác định công suất cực đại

của chúng Ta có công suất dao động [1]

e cp e

e

m

R

cpU R

U R

U P

1

2 0 2

1

2 0 2

1

2 1

2 2

2

ξ ξ

=

=

= (1.9)

ở đây: R1e Trở kháng tương đương của tải bằng môđun trở kháng tích

cực âm tương đương của điốt ở hài bậc 1 của tín hiệu

Um - Biên độ điện áp siêu cao tầnở các đầu cực của điốt

U0 - Điện áp một chiều đặt vào điốt

Ucp0 - Giá trị điện áp một chiều cho phép lớn nhất đối với loại điốt

b

π

ϑ π

ϑ

2 2

∂

= (1.12)

ở đây: τb = L/Vtr là thời gian chuyển động của các hạt mang điện qua

không gian bay

Vtr: Vận tốc trôi trung bình của các hạt mang điện

θb = ωτb goc bay; ω là vận tốc tín hiệu

∂ = Vtr/Vbh hệ số của vận tốc trôi

Vbh: là vận tốc của những hạt mang điện tích khi bão hoà

Để phần lớn công suất P1 được truyền ra tới tải cần phải bảo đảm

R1e>>Rth ở đây Rth là điện trở tổn hao tích cực của điốt và mạch điện Thường R1e

= 5

ta có: P1f2 ≈ 2.104

(ξcpKđt.∂θb)2 (1.15)

Do vế trái của biểu thức (1.13) và (1.15) không đổi nên nếu tăng tần số,

công suất cực đại của điốt sẽ giảm theo bình phương của tần số Điều này liên

quan đến giảm chiều dài của không gian bay do thực hiện yêu cầu sau: Cường độ

điện trường cần phải nhỏ hơn giá trị đánh thủng Eđt Mặt khác theo (1.13) và

(1.15) công suất của điốt tỷ lệ với bình phương góc bay θb Tất cả các biểu thức

có tính chất định tính và đúng trong dải tần xác định Từ các biểu thức (1.14),

(1.15) công suất của điốt có thể tăng do tăng góc bay θb với điều kiện không dẫn

tới giảm tần số dao động Tăng θb kéo theo tăng tỷ lệ thuận độ dài không gian

bay L (1.12) và cho phép tăng công suất ra của điốt (1.11)

Yếu tố thứ 3 hạn chế công suất ra là nhiệt độ cho phép lớn nhất của vật

liệu bán dẫn Cộng với điện trở nhiệt của điốt nó xác định công suất PT = ∆T/RT

có thể đưa ra qua bộ toả nhiệt Đối với Si và GaAs có thể lấy hiệu nhiệt độ của

bán dẫn và bộ toả nhiệt ∆T = 300oC

Công suất bán dẫn: Ptt = P0 - P1 (1.16)

ở đây: P0 và P1 là công suất tiêu thụ và công suất đưa ra Ptt cần không lớn

hơn PT Do vậy ở chế độ làm việc liên tục ta có:

T R

Điện trở nhiệt là tổng điện trở nhiệt của bán dẫn, của phần tiếp xúc và của

bộ toả nhiệt Do điện trở nhiệt của bản dẫn là lớn nhất nên ta có:

RT ≈ L/2SKT (1.18)

ở đây: S là diện tích của bán dẫn; KT là hệ số dẫn nhiệt

Điện dung của lớp tiếp giáp: C= Sε/L (1.19)

ở đây: ε là độ thẩm điện môi còn gọi là hằng số điện môi của bán dẫn

Thay (1.19) vào (1.18) ta có:

RT = ε/2KTC = επXcf/KT (1.20)

ở đây: Xc = 1/2πfc là dung kháng Để đảm bảo điều kiện tạo dao động

giống nhau trong toàn dải tần làm việc của bộ dao động điốt, Xc cần phải không

thay đổi

Thay (1.20) vào (1.17), tìm công thức tính lớn nhất với tần số dao động ở

chế độ làm việc liên tục:

c

T X

TK f

P

πε η

η

) 1 (

∆

= (1.21)

Hiển nhiên rằng ở chế độ làm việc xung P1 sẽ lớn hơn Khi xung có độ

trống lớn độ rộng xung bé (ở giới hạn vài às) biểu thức (1.21) có thể coi là công

suất trung bình của bộ dao động ở chế độ làm việc xung

Từ phân tích trên ta nhận được hai biểu thức khác nhau cho giá trị công

suất cực đại của bộ dao động điốt Trong trường hợp 1, xuất phát từ giá trị cho

phép của cường độ điện trường và vận tốc trôi lớn nhất của hạt mang điện tích,

theo (1.13) - (1.15) công suất dao động lớn nhất sẽ là

P1 = K1/f2, ở đây K1 = const

ở trường hợp thứ hai mối quan hệ này trên mặt phẳng toạ độ, có tung độ

là P1, hoành độ là f theo tỷ lệ lôgarit (hình 1.5)

Chúng cắt nhau ở điểm B nào đó Do phải thực hiện cả hai yêu cầu về hạn

chế công suất, công suất cực đại của bộ dao động điốt ở chế độ làm việc liên tục

cần nằm ở miền giữa các đoạn thẳng đi qua các điểm A-B-C Như vậy khi f > fB

(hình 1.5) công suất dao động được xác định bằng điện áp đánh thủng và vận tốc

trôi của hạt mang điện Khi f < fB được xác định bởi khả năng toả nhiệt cho bộ

dao động Khi chuyển từ chế độ liên tục sang chế độ xung, sự dịch chuyển này

được xác định bằng giá trị độ trống và độ rộng xung được bức xạ Do vậy khi

làm việc ở chế độ xung, công suất cực đại cần nằm ở miền giữa các đoạn thẳng

đi qua các điểm A'-B'-C' ở (hình 1.5)

Mạch và cấu tạo của các bộ dao động bằng điốt siêu cao tần

Các yêu cầu chung đối với mạch điện từ của mạch dao động điốt là đảm

bảo tần số làm việc, chế độ làm việc, dải tần số, độ ổn định tần số, hiệu suất của

mạch cộng hưởng là lớn nhất và toả nhiệt,

Tần số công tác và chế độ làm việc đã cho dược đảm bảo bằng trở kháng

đầu vào tổng của mạch ngoài Z = R + jX cần thoả mãn các điều kiện sau đây:

1- Trở kháng của mạch cộng hưởng nhìn từ hai đầu điốt phải đúng bằng

trở kháng của điốt

2 Điện trở tổn hao của mạch cộng hưởng phải bằng điện trở âm của điốt ở

tần số mong muốn R = ưr d

3 Tại các tần số khác ngoài tần số mong muốn, điện trở tổn hao phải lớn

hơn điện trở âm của điốt

Để thảo mãn các yêu cầu trên người ta sử dụng hộp cộng hưởng được tạo

ra bằng đường truyền có độ dài xác định, ghép với điốt và tải bằng thiết bị phối

ghép đặc biệt và biến áp trở kháng, nó có thể tạo ra bất đồng nhất nào đó (đột

biến trở kháng sóng, que dò điện môi, cửa sổ điện cảm, cửa sổ điện dung) ở điện

từ trường dầy Để ngăn ngừa sun hoá mạch siêu cao tần bởi nguồn một chiều, bộ

lọc thông thấp được mắc vào giữa chúng Như vậy sơ đồ khối chung của bộ dao

động điốt có dạng như hình 1.6

Tới nguồn một chiều

Hình 1.6 Sơ đồ khối tổng quát của bộ dao động điốt

Hoàn thành theo cấu tạo các phần tử của sơ đồ này phụ thuộc chủ yếu vào

loại hộp cộng hưởng, tuy nhiên trong mỗi trường hợp cần tuân theo một số

nguyên tắc chung được xác định bởi đặc tính riêng của điốt Tổn hao ở mạng

điện từ tăng lên mạnh do điện trở tổn hao của điốt Tth lớn hơn nhiều tổn hao

riêng của mạch thụ động và do điện trở âm của điốt là khá nhỏ (rđ ≤ 10Ω) nên

giá trị thực của hiệu suất mạch cộng hưởng thường không cao ηK ≤ 0,5 - 0,6

ý nghĩa quan trọng đối với bộ dao động điốt bán dẫn siêu cao tần là

phương pháp gá đặt điốt và hộp cộng hưởng sao cho điện trở tiếp xác là nhỏ nhất

và toả nhiệt lớn nhất Thông thường để gá đỡ điốt người ta dùng kẹp đàn hồi, nó

được kẹp chắt vào giá đỡ bằng êcu được đặt ở thánh kiên cố nhất của hộp cộng

hưởng Tiếp xúc của điốt với đầu kẹp đàn hồi được thực hiện trên bề mặt sườn

của vỏ điốt khi áp suất tiếp xúc không nhỏ hơn 107 Pa Toả nhiệt tốt được đảm

Bộ lọc tần thấp

Thiết bị ghép

với điốt

Hộp cộng hưởng

Biến áp trở kháng

Thiết bị ghép với đài

bảo bằng mối hàn của điốt với giá đỡ bằng đồng, cho phép giảm nhiệt độ làm

việc của điốt tức là tăng giá trị cho phép của dòng cung cấp và công suất ra của

bộ dao động hoặc là khi dòng I0 < I0cp làm tăng độ tin cậy của nó

Độ ổn định chế độ làm việc của bộ dao động điốt là không có đột biến

biên độ và tần số của dao động ở đầu ra mà chúng có thể xuất hiện do tự kích

dao động ký sinh Vấn đề là ở chỗ, ở các dải sóng cm và mm thực tế là không

thể dùng mạch điện từ một mạch cộng hưởng, nhiều mạch cộng hưởng Sự xuất

hiện các cộng hưởng phụ (ký sinh) ở các tần số khác với tần số công tác là do

ảnh hưởng của các tham số điện kháng của vỏ điốt, phối hợp không chính xác

với tải, có cộng hưởng không gian (mốt dao động) trong các hệ thống phân bố

Do vậy, sơ đồ tương đương đầy đủ của bộ dao động điốt luôn nhiều mạch cộng

hưởng và điện trở đầu vào của nó phụ thuộc vào tần số, ngoài ra các phương trình

cân bằng pha được thực hiện ở mỗi một tần số cộng hưởng riêng của sơ đồ Bởi

vì điện trở âm của điốt ở dải khá rộng thì ở một số trong số các tần số này cóthể

tự kích dao động ký sinh nến đầu vào trở kháng tích cực của sơ đồ ở tần số này

thoả mãn phương trình cân băng biên độ Tự dao động ký sinh xuất hiện đặc biệt

rõ rệt ở bộ dao động nhiều điốt và các dao động ổn định Ngoài ra do sự phân tán

lớn của các tham số điốt, độ không ổn định nguồn một chiều, sự không phối hợp

chính xác với tải vì sự thay đổi nhiệt độ Vì vậy đối với bộ dao động điốt bán dẫn

siêu cao tần cần phải điều chỉnh trở kháng vào tổng của mạch siêu cao tần ở giới

hạn đủ lớn Các phần tử điều chỉnh có thể thực hiện ở dạng vòng ngắn mạch hay

vòng hở mạch, biến áp một phần tử bước sóng (λ/4), cửa sổ điện cảm hoặc vít

điện dung Việc điều chỉnh sơ đồ là để tần số cộng hưởng riêng được xê dịch đến

tần số mà ở đó trở kháng của điốt lớn hơn trở kháng đầu vào tích cực của nó Khi

điều chỉnh như vậy thực tế không đạt được bằng một phần tử điều chỉnh mà

nhiều khi phải dùng nhiều phần tử điều chỉnh

Một phương pháp đảm bảo độ ổn định của bộ dao động điốt siêu cao tần là

áp dụng mạch ổn định, mạch ổn định đơn giản nhất gồm có mạch cộng hưởng ổn

định Lođ, Cođ được điều hưởng ở tần số làm việc và điện trở cân bằng Rcb (hình

1.7)

Rcb

L0đ C0đ

D Zt

Hình 1.7 Sơ đồ tương đương bộ dao động điốt có mạch ổn định

Nguyên lý hoạt động của mạch ổn định là ở chỗ tất cả các tần số trừ tần số

làm việc, điện trở âm của điốt được bù trừ bằng điện trở cân bằng dương ở tần

số làm việc điện trở cân bằng bị sun hoá bởi mạch ổn định nên nó không ảnh

hưởng đến các tham số của sơ đồ

Hình 1.8 Phác hoạ bộ dao động ở tần số cố định làm trên mạch dải

1.4 Các bộ dao dộng transistor

Các mạch dao động transistor về cơ bản là mạch khuếch đại có hồi tiếp mà

trong mạch với hồi tiếp dương phù hợp sẽ tạo dao động và do đó sẽ tạo dao động

hình sin Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại có hồi tiếp được thấy ở hình 9.5,

ở đây A0 ký hiệu hệ số khuếch đại phức khi không có hồi tiếp và Av là hệ số

truyền phức hai cửa hồi tiếp Hệ số khuếch đại có hồi tiếp A sẽ là:

Nền điện môi

Dây dẫn kim loại

Đầu ra

Điốt điện trở

âm

Điện áp nguồn

Mà ở điểm Av.A0 =1 (1.23)

có điểm cực, và mạch này sẽ tạo dao động

Phương trình (9.10) là điều kiện dao động tổng quất của các mạch khuếch

đại kiểu này

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

(1.9) và (1.10) 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 (1.10) 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

Hình 1.9 Mạch khuếch đại có hồi tiếp

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 Các mạch cộng hưởng được tìm ra cho đến

nay thường được ứng dụng ở dưới tần số fβ ở các tần số lớn hơn fβ quay pha hệ

số khuếch đại dòng càng lớn hơn và người ta càng ít sử dụng kết cấu mạch đơn

giản kiểu này

ở các tần lớn hơn fβ có thể áp dụng các bộ dao động trasistor điện trở âm

Trong một dạng đặc biệt của các mạch emitter lặp lại, ở đầu emitter ta nối

một tụ điện Ce Trong trường hợp này do sự di pha của hệ số khuếch đại dòng

phần thực trở kháng đầu vào của transistor sẽ có giá trị âm, bằng phương pháp

này có thể tạo ra bộ dao động transistor điện trở âm Các bộ dao động kiểu này

có thể áp dụng ở tần số trên tần số cắt (ở đây độ di pha hfe sẽ đảm bảo tạo ra điện

trở âm)

Giả thiết rằng f> fβ

Khi đó trở kháng vào sẽ là:

AVA0 = 1 (1.24)

như vậy ta đã thực hiện thành công điện trở âm

Tất cả các lập luận ở trên chỉ liên quan đến mạch có tham số tập trung

Các phần tử mạch phân bố có thể sử dụng như một phần của mạch cộng

hưởng hoặc như toàn bộ mạch cộng hưởng Ngoài ra các phần tử phân bố còn có

thể sử dụng như mạch biến đổi trở kháng hoặc như phần tử ghép ra

Các phương pháp chính để thiết kế và chế tạo các bộ dao động transistor

siêu cao tần có thể hệ thống lại như sau:

• Bằng cách giảm kích thước và sử dụng các phần tử mạch tập trung có thể chế

tạo được các bộ dao động phần tử tập trung Trong trường hợp này thiết kế

chủ yếu dựa trên các tham số dẫn nạp Y

• Thiết kế các bộ dao động transistor siêu cao tần điện trở âm Phương pháp

này có thể sử dụng các tham số Y, nhưng có thể liên hệ tốt với các tham số

tán xạ S, và đưa ra khả năng thiết kế chế tạo các bộ dao động transistor siêu

cao tần cả về mặt lý thuyết cũng như thực tiễn ví dụ theo mạch ở hình 1.10

do có hồi tiếp cảm kháng trong trường hợp nối tải ở emitter ở ghép kollektor

có điện trở âm trong dải tần rộng

• Có thể sử dụng cách thiết kế gần đúng đặc biệt tốt ở các bộ dao động tín hiệu

lớn (chế độ C), ở đây bộ ghép định hướng sẽ thực hiện hồi tiếp, dựa theo sơ

đồ ở hình 1.11- Mạch cộng hưởng đặt trên nhánh hồi tiếp sẽ xác định tần số

dao động Phải chọn hệ số ghép ở bộ ghép định hướng sao cho phù hợp với

điều kiện dao động có tính đến suy giảm chèn của mạch dao động cũng như

hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại ưu điểm của giải pháp này là: có thể sử

dụng mạch khuếch đại tín hiệu lớn thường hay gặp

Hình 1.10 Bộ dao động transistor điện trở âm siêu cao tần

Mạch một cửa

điện trở âm

Mạch cộng hưởng

RLL

C

Mạch hai cửa phối hợp trở kháng

Z0

Hình 1.11: Bộ dao động transistor siêu cao tần hồi tiếp bằng bộ ghép

định hướng

Hình 1.12: Bộ dao động siêu cao tần 2 Transitor làm việc

ở chế độ ngược nhau

Trong thực tế người ta thường hay sử dụng phương pháp suy luận và phán

đoán bằng trực giác để thiết kế các mạch dao động tích hợp siêu cao tần Từ đó

đã xuất hiện rất nhiều dạng mạch dao động khác nhau chút ít Hình 1.12 cho ta

Mạch cộng hưởng

+UT

R1

RT L

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

ở các bộ dao động transistor mức công suất ra và vấn đề ổn định tần số rất

quan trọng cũng như ở các bộ khuếch đại điện trở âm Đứng trên quan điểm nào

đó tình thế ở đây còn quan trọng hơn bởi vì các tham số của các transistor trong

nhiều mạch còn ảnh hưởng mạnh hơn đến tần số dao động

Có thể sử dụng các phương pháp ổn định tần số giống như ở các bộ dao

động điện trở âm như đã viết ở phần trên

1.5 Các 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 SCT 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

hoặc vobbulacio

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 varactỏ 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)

Bởi vì δεđkvà ε0 được xác định bằng độ phẩm chất của phần tử điều

khiểnvào mạch cộng hưởng của bộ doa động, nên biểu thức trên có thể viết ở

dạng tiện lợi hơn

1 0 1

0

1 ) 1 ( 2

= +

=

∆

dk dk

diot Q P

Q P K

I f

ở đây: Pđk là công suất tổn hao ở phần tử điều khiển

Từ đó suy ra là dải điều hưởng tần số lớn nhất được đảm bảo khi độ phẩm

chất của phầnt ử điều khiển là lớn nhất và nó được nối trực tiếp vào mạch cộng

hưởng của bộ dao động (Kmax = 1) Lúc đó việc điều hưởng tần số càng dễ dàng

hơn khi công suất ra Pđiốt càng nhỏ và độ phẩm chất Q0 của bộ dao động càng

nhỏ

Điều hưởng tần số bằng cơ khí ở giới hạn nhỏ (1 ữ 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

Nếu điều hưởng bằng hốc cộng hưởng thì cần đặc biệt thận trọng khi thiết

kế Khi này trong trường hợp chọn độ ghép không đúng, ghép quá chặt có thể

xuất hiện hiện tượng trễ từ

Có nhiều cách điều hưởng bộ dao động:

a) 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

b) Điều hưởng bằng điốt varactor (bằng cách thay đổi điện áp cấp cho điốt

varactor)

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

cực)

Hai phương pháp điều hưởng (b) và (c) cho khả năng điều hưỏng điện các

mạch dao động tích hợp siêu cao tần

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

- Việc điều hưởng phụ thuộc vào mức

Bằng các mạch điều khiển điốt phù hợp có thể hạn chế tính phi tuyến của

việc điều hưởng varactỏ xuống dưới mức 1%, điều này đã đáp ứng tốt cho phần

lớn các mục tiêu trong thực tế

Hình 1.13 vẽ sơ đồ mạch dao động Gunn điều hưởng bằng điốt varactor

dải rộng

Hình 1.13: Sơ đồ mạch dao động Gunn điều hưởng bằng

điốt varactor dải rộng

Thiên áp

Thiên áp cho varactor

Đầu ra

Điốt Gunn

Điốt Varactor

Có thể giảm các vấn đề liên quan đến tính phi tuyến và phụ thuộc vào mức

của varactor điều hưởng bằng cách áp dụng 2 điốt varactor mắc đối nhau (như ở

hình 1.9) ở dải cao tần Các điốt nếu nhìn theo điện áp một chiều điều khiển

được mắc song song với nhau

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

Hoạt động của mạch cộng hưởng gino siêu cao tần dựa trên hiện tượng

gino từ do tác động của điện trường bién môi trường trở thành không Izotrop

YIG (Yttrium Iron Garnet) tinh thể YIG 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 1.14 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

L

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

Một nhược điểm nữa của điều hưởng bằng YIG là điều chế tần số bị giới

hạn (100KHz - 1MHz) và khi điều hưởng nhanh có thể xuất hiện trễ đáng kể

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

Hình 1.15: Sơ đồ bộ dao động điốt điều hưởng varactor trên mạch dải,

Hình 1.16: Sơ đồ bộ dao động điốt điều hưởng YIG

Vòng ghép

ra Viên YIG

1.6 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

Mốt sóng truyền trên mạch dải là mốt gần TEM(kvazi- TEM) Khi thiết kế

bộ dao động có thể sử dụng phương pháp ghép ra kiểu ghép dải dẫn (hình 1.17a)

Độ rộng của bán dẫn có thể xác định được cả trong trường hợp đối xứng

và không đối xứng - Bằng các đồ thị và công thức có thể tìm thấy trong tài liệu

tham khảo [2, 10'19'21] Bộ dao động kiểu mạch dải tương đối đơn giản và có

kích thước nhỏ nhưng rất khó điều hưởng bằng cơ khí, tổn hao tương đối lớn và

hệ số phẩm chất thấp Để cải thiện hệ số phẩm chất ta có thể sử dụng mạch cộng

hưởng ổn định ngoài Mạch cộng hưởng ngoài có thể là phản xạ hoặc loại truyền

qua Trên mạch dải người ta hay sử dụng mạch cộng hưởng mạch cộng hưởng

điện môi làm mạch cộng hưởng ngoài hoặc sử dụng tinh thể YIG Loại sau hay

sử dụng để điều chế bộ dao động - Ví dụ trong máy phát sóng quét Việc này

nâng cao hệ số phẩm chất có ý nghĩa đặc biệt lớn trong việc ổn định bộ dao động

và giảm tạp (ta xét kỹ ở phần II)

Sơ đồ tương đương của bộ dao động có mạch cộng hưởng ổn định ngoài

được vẽ ở hình 1.18 Thường thì g/2 = l

Có thể xác định tần số dao động bằng cách viết phương trình cơ bản của

mạch tham chiếu T - T' và giả thiết tổng phần ảo của dẫn nạp bằng 0

2 0

1

2 1

1 1

1

r

r r

r r

r r

r

f

f f Q Q

Q f

f f f

f

f

β β

L0, C0, r0, f0, 0 là các tham số của bộ dao động chưa được ổn định

Lr, Cr, fr, Qr là các tham số của bộ dao động được ổn định

1.7 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 Việc

giá đặt điốt vào hốc cộng hưởng được vẽ ở hình 1.19a và hình 1.19b là sơ đồ

tương đương của bộ dao động điốt siêu cao tần trên dây cáp đồng trục 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

Điôt SCT

DC RF

Hình 1.19a: Bộ dao động điốt SCT trên ống sóng đồng trục

Hình 1.19b: Sơ đồ tương đương của bộ dao động điốt SCT trên dây đồng trục

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

bị hở khe (càng ít sụ mất liên tục càng tốt)

- Đường kính của lõi ngoài cáp đồng trục cần đủ nhỏ để các mốt của ống sóng

đồng trục không suất hiện

- Hệ số phần tử không tải của hốc cộng hưởng càng lớn càng tốt Bằng một vít

điều hưởng ta có thể tinh chỉnh tần số cộng hưởng - Vít này thường được đặt

giữa hốc cộng hưởng vì ở đó có điện trường cực đại

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 ữ 100)

giống như bộ dao động ở mạch dải nhưng nặng hơn nhiều

1.8 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 1.20 vẽ bộ

dao động trên ống sóng ghép trực tiếp, hình 1.21a, 1.21b là bộ dao động ghép

qua cửa sổ điện cảm và sơ đồ mạch tương đương của nó

vít điện dung

Hình 1.21a: Bộ dao động ghép qua cửa sổ điện cảm

Hình 1.21b: Sơ đồ tương đương bộ dao động ghép qua cửa sổ điện cảm

Loại thứ nhất có hệ số phẩm chất khoảng 200 ữ 1000 Còn loại thứ hai thì

cao hơn có thể đạt tới 1000 ữ 2000 Cơ cấu điều hưởng bằng cơ khí được thực

hiện bằng pít tông và vít điều hưởng (các vít này có thể làm bằng kim loại hoặc

chất điện môi

1.9 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 II

Phương pháp thiết kế chế tạo Bộ dao động

điều khiển bằng điện áp (VCO)

Như chúng ta đã nhắc ở phần trên, các bộ tạo dao động thường được chia

Phần này giới thiệu phương pháp thiết kế bộ dao động sử dụng các tham số

tín hiệu nhỏ S[1][17][18][19] Các công thức thiết kế được phát triển từ lý thuyết

cơ bản Các công thức này sau đó được ứng dụng cho 3 loại bộ dao động khác

nhau: bộ dao động có mạch cộng hưởng tham số tập trung Bipolar 3GHz, bộ dao

động mạch cộng hưởng điện môi Bipolar 3GHz và bộ dao động có mạch cộng

hưởng điện môi GaAs FET 10GHz

2.1.1 Lý thuyết chung

Transistor siêu cao tần có thể sử dụng trong các ứng dụng về tạo dao động

và khuếch đại Từ các tham số tín hiệu nhỏ S của bán dẫn, hệ số ổn định k có thể

được tính bằng:

12 21

2 22 2 11 2

2

1

S S

S S D