đề tài siêu cao tần_tổng quang mạng switch

Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH SWITCH I. GIỚI THIỆU: Các mạch điều khiển bán dẫn như bộ chuyển mạch ( switches ) , bộ dòch pha ( phase shifters ), bộ suy giảm ( attenuator), … đã được sử dụng rộng trong các hệ thống radar, viễn thông, vô tuyến hay các hệ thống điều khiển việc truyền tín hiệu, điều chỉnh pha, biên độ tín hiệu .Tại tần số vô tuyến, sóng vi ba, sóng milimet, nhiều vấn đề về băng thông, tốc độ chuyển mạch, điều chỉnh công suất và tần số hoạt động cao đã được giải quyết. Trong hệ thống vi ba, bộ phận truyền nhận (tranceiver) đòi hỏi có các bộ chuyển mạch cộng suất thấp hoặc cao. Các bộ chuyển mạch công suất thấp được dùng trong các bộ dòch pha (phase shifters), và bộ suy giảm( attenuator). PIN Diodes và MESFETs hay những loại transistor khác được sử dụng rộng rãi trong công nghệ MICs và MMICs. Cho các mạch điều khiển sóng viba. PIN Diode có độ suy giảm thấp và có công suất điều khiển cao hơn MESFET, nhưng MESFET vẫn được sử dụng trong các mạch tích hợp nhiều hơn bởi tính mềm dẻo trong các thiết kế, hiệu suất băng thông rộng, tương thích với công nghệ MMIC bởi kích thước nhỏ, chi phí thấp,trọng lượng nhẹ và tốc độ chuyển mạch là nano giây. Tuy nhiên, trong giới hạn của đề tài này, chúng em chỉ trình bày về việc ứng dụng PINDiode trong thiết kế mạch switch nên kết quả cũng có ít nhiều hạn chế. II. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT MẠCH SWITCH : Một switch lý tưởng, khi ở trạng thái ON mọi tín hiệu công suất được truyền qua nó mà không có suy hao nào. Khi ở trạng thái OFF, không có tín hiệu nào rò ró qua switch được.Trong thực tế, luôn có độ suy hao tín hiệu khi switch dẫn và có tín hiệu rò ró qua switch khi nó ở trạng thái OFF. Để đánh giá độ suy hao khi switch dẫn và độ cách ly khi switch tắt, người ta dùng hai thông số : insertion loss và isolation SVTH : Nguyễn Duy An, Phạm Văn Lónh - 1 - Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương 1. Insertionloss: là tỉ số giữa công suất được cấp đến tải ở trạng thái “ON” của một switch lí tưởng với công suất thực được cấp đến tải của một switch thực tế ở trạng thái “ON” và được đo bằng đơn vò là Decibel (dB): Pout Pin ossInsertionl log10= 2. Isolation: là tỉ số giữa công suất được cấp đến tải của một switch ở trạng thái “ON” với công suất thực sự được cấp đến tải của switch ở trạng thái “OFF” và được tính bằng đơn vò Decibel (dB) : Pout Pin Isolation log10= Một switch tốt sẽ có độ suy hao khi dẫn (insertion loss) nhỏ và độ cách ly lớn. Ngoài ra còn có các thông số khác được xem xét tuỳ theo ứng dụng của switch :tốc độ chuyển mạch (switching speed), công suất cao (high power), độ cách ly cao ( high isolation), băng thông rộng ( broadband), III. CẤU TẠO CỦA PINDIODE : Diode bán dẫn PIN gồm có một bản silic cao ohm phẳng có độ dày khoảng 75um (trong giới hạn từ 10 đến 200um), ở hai mặt phẳng đầu có trộn tạp chất là bo (để tạo ra vùng dẫn loại p) và photpho ( để tạo ra vùng dẫn loại n) với kỹ thuật khuếch tán tạo ra các lớp chuyển tiếp p-i và i-n ở sát hai mặt phẳng hai đầu. Vùng cao ôm ở giữa gọi là vùng i rất nghèo điện tích tự do. Tại hai mặt phẳng của hai vùng p và n gắn hai tiếp xúc kim loại để làm anode và cathode cho diode như ở hình 1.a. PIN Diode có đặc tính như sau : nếu đặt vào diode một thiên áp âm một chiều ( điện áp âm đặt vào vùng p) hoặc thiên áp không thì hiệu thế tiếp xúc của các lớp chuyển tiếp p-i và i-n sẽ ngăn cản các điện tích tự do từ vùng p ( các lỗ trống ) và vùng n ( các điện tử) phun vào vùng i ( còn gọi là vùng bazo) nên diode có trở kháng rất lớn ( R cỡ từ đơn vò đến hàng chục kilo_ohm). Sơ đồ tương đương có dạng ở hình 1.b ( diode mắc song song) và hình 1.c (diode mắc nối tiếp). đây C là điện dung tổng cộng của diode (có giá trò cỡ 0.3 – 1 pF), r_ là điện trở biểu thò sự tiêu hao biểu thò sự tiêu hao của diode (cỡ vài ohm), C_ là điện dung lớp bazơ của diode ( cỡ 0.05- 5pF). Khi đặt thiên áp thuận lên diode (diện dung dương vào vùng p) thì hàng rào thế của các lớp chuyển tiếp hạ thấp làm cho điện tử SVTH : Nguyễn Duy An, Phạm Văn Lónh - 2 - Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương và lỗ trống phun từ vùng n và vùng p vào vùng i làm cho điode thông. Sơ đồ trạng thái này thể hiện trên hình 1.d. Ở đây r+ là điện trở thuần khá nhỏ (cỡ vài ohm), Ls chỉ điện cảm kí sinh lối ra của diode ( cỡ 0.2-2nH). IV. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA PIN DIODE : Các bộ chuyển mạch swithes siêu cao gồm có PIN Diode được mắc vào một đoạn đường truyền theo sơ đồ nối tiếp hoặc song song hoặc hỗn hợp nối tiếp song song như hình 2.a, b, c. Ở sơ đồ hình 2.a, khi diode có thiên áp thuận, bộ chuyển mạch mở vì diode thông cho sóng siêu cao tần đi qua với tiêu hao rất nhỏ. Khi diode co thiên áp ngược, nó tắt làm bộ chuyển mạch đóng siêu cao không truyền qua. Với sơ đồ hình 2.b, khi diode có thiên áp thuận, nó thông làm đường truyền ngắn mạch qua diode, sóng siêu cao không truyền qua, bộ chuyển mạch ở chế độ đóng. Khi diode có thiên áp ngược, nó tắt, đường truyền cho sóng siêu cao đi qua, bộ chuyển mạch ở chế độ mở. Với sơ đồ hỗn hợp hình 2.c, bộ chuyển mạch sẽ mở cho sóng siêu cao tần nếu diode nối tiếp có thiên áp thuận và diode song song có thiên áp ngược. Ngược lại bộ chuyển mạch sẽ đóng không cho sóng siêu cao tần truyền qua khi diode nối tiếp có thiên áp ngược và diode song song có thiên áp thuận. SVTH : Nguyễn Duy An, Phạm Văn Lónh - 3 - r_ R C_ p n Hình 1.a Hình 1.b Cii Hình 1.c Hình 1.d Ls r + Hình 2.a Hình 2.b Hình 2.c Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương IV. CÁC LOẠI CHUYỂN MẠCH : Có 2 loại chính : có phản ánh ( reflective) và không phản ánh ( nonreflective ) Switches thường có một ngỏ vào , một hay nhiều ngõ ra ( chỉ có một ngõ ra được nối mạch với ngõ vào ) Cấu hình : nối tiếp, song song, nối tiếp – song song . Single pole single throw Single pole four throw Single pole double throw CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH SWITCH Dạng mạch căn bản: DC block PIN DC block Capacitor Diod Capacitor Port 1 Port 2 C2 C3 RF choke RF choke Vcc SVTH : Nguyễn Duy An, Phạm Văn Lónh - 4 - Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương Hoạt động: Tụ C1 và C2 sẽ ngắn mạch khi hoạt động ở tần số cao,đồng thời có tác dụng ngăn dòng DC (dùng để phân cực Diod)không lan truyền trên đường dây truyền sóng. Các cuộn RF choke được chọn sau cho trở kháng của nó rất lớn khi hoạt động ở tần số cao.Chúng sẻ ngắn mạch với dòng DC. Khi PIN diode có thiên áp thuận, diode thông cho sóng siêu cao tần đi qua với tiêu hao rất nhỏ. Khi diode co thiên áp ngược, nó tắt làm bộ chuyển mạch đóng siêu cao không truyền qua Trong đề tài này ta dùng mạch switch cho đường truyền vi dải(microstrip).Sơ đồ mạch thựctế: 50 Port2 50 Port1 L = 0.025m W =0.0785mm Mlin2 Mlin1 L = 0.025m W = 4.7mm V1 C1 L = 0.025m W = 0.0785mm Mlin3 S = 0.2mm W = 0.413mm 0.413mm Mgap2 S = 0.2mm W = 0.413mm 0.413mm Mgap1 Mgap1 và Mgap2 tương ứng với các tụ C3 và C2 ,Mlin1,Mlin2 và Mlin3 tương ứng với các cuộn cảm RF choke Đường truyền có trở kháng đặc tính 50 ohms,Mlin2 và Mlin3 có trở kháng đặc tính 100 ohms,chiều dài chọn 4 λ .Mlin1 có trở kháng đặc tính 10 ohms và cũng có chiều dài là 4 λ Chọn Er=4 ; Substrate height = 0.3mm; Strip height = 0 cho mỗi loại đường truyền,ta tính được độ rộng của từng đoạn dây như hình vẻ. Sau đây, ta dùng Aplac để mô phỏng hai thông số Insertion Loss và Isolation. Cả hai thông số đều là tỉ số giữa công suất tín hiệu vào và công suất tín hiệu ra( tính bằng dB) khi switch mở và tắt. Ta biết rằng trong ma trận tán xạ (scattering) , [S 21 ] 2 diễn tả công suất truyền từ cửa 1 sang cửa 2. Vì vậy, ta sẽ vẽ đồ thò độ lớn S 21 xung quanh tần số trung tâm trong 2 trường hợp switch mở (insertion loss) và switch đóng (isolation). SVTH : Nguyễn Duy An, Phạm Văn Lónh - 5 - Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương Ta sử dụng biến Var Vcontrol để điều khiển switch. Vòng lặp loop để tính S21 tại từng tần số trong khoảng [2Ghz , 200Ghz] 2.000G 51.500G 101.000G 150.500G 200.000G -150.00 -112.50 -75.00 -37.50 0.00 -180.00 -90.00 0.00 90.00 180.00 Insertion Loss APLAC 7.80 Student version FOR NON-COMMERCIAL USE ONLY Mag dB f/Hz PHASE PORT1 to PORT2 PORT1 to PORT2 2.000G 51.500G 101.000G 150.500G 200.000G -400.00 -331.25 -262.50 -193.75 -125.00 -180.00 -90.00 0.00 90.00 180.00 Isolation Loss APLAC 7.80 Student version FOR NON-COMMERCIAL USE ONLY Mag dB f/Hz PHASE PORT1 to PORT2 PORT1 to PORT2 Ta mong muốn Insertion loss càng nhỏ càng tốt và isolation càng lớn càng tốt. Chương trình: $ MEASUREMENTS: $ Call Vcontrol=5 Sweep "Insertion Loss, Control On" + LOOP FreqSteps FREQ LIN FreqStart FreqStop + W 0 + Y Mag dB -150 0 SVTH : Nguyễn Duy An, Phạm Văn Lónh - 6 - Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương Display + W 0 + Y "PORT1 to PORT2" MagdB(S(2,1)) + PHA "PORT1 to PORT2" Pha(S(2,1)) EndSweep Call Vcontrol=0 Sweep "Insertion Loss, Control Off" + LOOP FreqSteps FREQ LIN FreqStart FreqStop + W 0 + Y Mag dB -400 -125 Display + W 0 + Y "PORT1 to PORT2" MagdB(S(2,1)) + PHA "PORT1 to PORT2" Pha(S(2,1)) EndSweep CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA PINDIODE \ PIN Diode có thể được sử dụng như bộ chuyển mạch, bộ suy giảm, bộ lọc, bộ khuếch đại trong các mạch. Nó cũng có thể là một bộ điều chế biên độ. Hình dưói minh hoạ một ứng dụng của PINDiode. đây PINDiode được dùng như một bộ chuyển mạch truyền nhận (TR) trong bộ truyền vô tuyến. Khi S1 mở, D1,D2 không được phân cực, trở kháng chúng lên rất cao. D1 không cho tín hiệu từ bộ truyền đến anten nhận nhưng D2 thì không làm suy hao tín hiệu vào bộ nhận. Khi S1 đóng, D1,D2 có trở kháng rất thấp. D1 cho tín hiệu từ bộ truyền đến anten thu. Trong khi đó D2 gây ngắn mạch đường truyền và không có tín hiệu đi qua dến anten thu. SVTH : Nguyễn Duy An, Phạm Văn Lónh - 7 - Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương PIN Diode T/R switching Sơ đồ mạch sau đây minh hoạ một phương pháp lựa chọn bộ lọc. Đây là một phần trong mạch thu sóng ngắn Heathkit SW – 7800. SVTH : Nguyễn Duy An, Phạm Văn Lónh - 8 - Antenna D1 C4 C1 Antenna transmitter Receiver Antenna Lambda/4 RFC1 RFC2 D1 C1 D2 RFC3 S1 V+ BPF1 BPF2 V+ (12Vdc) RF Out C2 C3 D2 S1 Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương Một ứng dụng khác của PIN Diode là bộ đo sự biến thiên điện áp trong mạch RF . điện trở R1 dùng để cung cấp điện áp phân cực cho diode D1, R2 đóng vai trò hạn dòng khi diode phân cực thuận. Mạch suy giảm có độ suy giảm 10dB và có băng thông rất rộng. CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG CỦA MẠCH SWITCH Mạch switch có rất nhiều ứng dung trong viễn thông. Ngoài những ứng dụng trực tiếp, chúng còn là thành phần để xây dựng nên nhiều loại mạch khác. SVTH : Nguyễn Duy An, Phạm Văn Lónh - 9 - D1 BPF RF Amp R2=10k R1=10k Anttenuation +12Vdc Antenna C1 PIN Diode RF attenuation RF input receiver bandpass filter switching Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương 4.1 Mạch switch ứng dụng trong ghép kênh ⊗ 4.2 Mạch switch ứng dụng trong bộ thu phát Loại mạch này thưòng được dùng trong radar. Trong radar sóng điện từ từ bộ khuếch đại được đưa đến anten để bức xạ ra ngoài không gian. Khi gặp được mục tiêu cần đònh vò, sóng sẽ bò phản xạ lại và được anten thu và đưa tới bộ thu để xử lý. Để cách ly giữa hướng phát và hướng thu, mạch switch phải có độ cách ly tốt. Nếu không, tín hiệu từ hướng phát có công suất lớn sẽ bò rò ró vào hướng thu và phá hỏng bộ thu. KẾT LUẬN PIN Diode rất hữu dụng và có rất nhiều ứng dụng trong các hệ thống viễn thông, vô tuyến, các mạch điều khiển : switches, phase shifter, … Mạch switch rất thường gặp trong các mạch điện tử thông tin. Và có nhiều dạng mạch khác nhau tuỳ theo mục đích sử dụng. Công nghệ bán dẫn ra đời đánh dấu một bước ngoặc mới cho lónh vực Điện tử _Viễn Thông và Công nghệ Thông tin.Nhiệm vụ của các kó sư Điện tử là hiểu rỏ về các linh kiện bán dẫn và vận dụng chúng một cách linh hoạt vào công việc của mình. SVTH : Nguyễn Duy An, Phạm Văn Lónh - 10 - 1×N Switch f c Transmitter Receiver 1 2 switch [...].. .Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương TÀI LIỆU THAM KHẢO     Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần – Vũ Đình Thành Microwave Engineering – Pozar Mạch siêu cao tần-Vũ Đình Thành Kỹ thuật siêu cao tần - Kiều Khắc Lâu MỤC LỤC Chương 1: tổng quan về mạch Switch Chương 2 : thiết kế mạch Switch Chương 3: ứng dụng của PIN Diode Chương 4: ứng dụng của mạch Switch SVTH : Nguyễn . Phạm Văn Lónh - 10 - 1×N Switch f c Transmitter Receiver 1 2 switch Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương TÀI LIỆU THAM KHẢO  Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần – Vũ Đình Thành  Microwave. Microwave Engineering – Pozar  Mạch siêu cao tần- Vũ Đình Thành  Kỹ thuật siêu cao tần - Kiều Khắc Lâu MỤC LỤC Chương 1: tổng quan về mạch Switch Chương 2 : thiết kế mạch Switch Chương 3: ứng dụng của. input receiver bandpass filter switching Đề tài : Kỹ Thuật Siêu Cao Tần GVHD : Ts Phan Hồng Phương 4.1 Mạch switch ứng dụng trong ghép kênh ⊗ 4.2 Mạch switch ứng dụng trong bộ thu phát