Chương 1: Mạch dải Siêu cao tần nâng cao

Kỹ thuật siêu cao tần nâng cao + Số tín chØ : gåm : 30 tiÕt lý thuyÕt vµ tiÕt thi kÕt thóc m«n häc + Néi dung gồm chơng : chơng 1- mạch dải siêu cao tần : tiết; chơng : lọc dải tần vô tuyến siêu cao : tiết; chơng - mạch phối hợp trở kháng SCT: tiết; chơng thiết bị điều khiển SCT: tiết + Tài liệu học tập : - Bài giảng môn học kỹ thuật siêu cao tần nâng cao, - Bài tập thiết kế tính toán, - Tài liệu tham kh¶o : Stripline circuit design, Harlan Howe, Artech house, third printing 1979, Проектирование полосковых устройств СВЧ , Ульяновск 2001, Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях, Советское радио, Москва 1972, Microwave engineering, David M Pozar, John Wiley & Sons, 2005 Radio- frequency and microwave communication circuits (analysis and design), Devendra K.Misra, John Wiley &Sons Inc 2001, Microstrip fiters for RF/Microwave applications, Jia-Sheng Hong and M.J lancaster, John Wiley & Sons, Inc Newyork, 2001 Linear ferrite devices for microwave applications, Wilhelm H.von Aulock and Clifford E Fay, Academic Press, 1968, Chơng Mạch dải siêu cao tần 1.1 Các vật liệu chế tạo mạch dải SCT + Mạch dải SCT đợc chế tạo chủ yếu theo công nghệ mạch in, - u điểm: kích thớc trọng lợng nhỏ, dễ dàng tích hợp bề mặt vật thể có hình dạng phù hợp - Đợc ứng dụng rộng rãi làm đờng truyền lợng thiết bị SCT đại có kích thớc, trọng lợng nhỏ, với vi mạch siêu cao tần + Các vật liệu chủ yếu chế tạo mạch dải siêu cao tần: - Các loại điện môi làm đế, kim loại làm dải dẫn vật liệu làm chất hấp thụ điện môi kim loại 1.1.1 Vật liệu dùng để chế tạo đế mạch dải + Bản đế mạch dải: đợc chế tạo từ chất điện môi hữu vô theo công nghệ đại - Bản đế có kích thớc đến 500 x 550 mm, độ dầy từ h = 0,1-15 mm, có độ điện thẩm tơng đối lớn ` = 2-20, với tiêu hao điện nhỏ tge = 10-3-10-4 + Các yêu cầu kỹ thuật để chọn vật liệu điện môi chế tạo đế cho mạch dải: - Phải có độ ổn định dạng kích thớc hình học điều kiện khí hậu trình khai thác khác nhau, - Độ tinh khiết việc gia công bề mặt, - Tạo đợc kích thớc theo độ dầy khác nhau, - Tính đồng nhất, - Độ dẫn nhiệt dẫn điện, - Độ điện thẩm tơng đối `, - tge góc tiêu hao ®iƯn + ViƯc chän vËt liƯu theo ®é điện thẩm tơng đối ` chất điện môi dựa điều kiện khả chế tạo thiết bị siêu cao tần với mức độ tích hợp mạch cực tiểu hoá kích thớc, phải yêu cầu độ lệch cực đạị độ điện thẩm dẫn đến thay đổi tham số thiết bị nằm giới hạn làm việc cho phép + Việc chọn vật liệu theo độ tiêu hao điện tge chất điện môi đợc kết hợp với chọn vËt liƯu theo h»ng sè ε` cđa nã TÝnh ỉn định tham số tge tạo điều kiện để lặp lại tham số thiết bị mạch dải + Việc chọn độ dầy h đế điện môi dựa độ lớn độ điện thẩm, độ dầy dải dẫn kim loại, công suất truyền dải tần làm việc + Một số ý chọn vật liệu đế điện môi cho mạch dải để chế tạo thiết bị SCT trờng hợp riêng: - Với thiết bị SCT mạch dải làm việc dải tần lớn 10 GHz yêu cầu độ xác cao chế tạo sơ đồ mạch in cần chọn vật liệu có độ điện thẩm ` không lớn 7,25 Điều cho phép giảm yêu cầu độ xác chế tạo dải dẫn sơ đồ, giảm tiêu hao điện trở - Để giảm nhỏ tiêu hao nhiệt tiêu hao phản xạ cần chọn vật liệu điện môi với bề mặt gia công có độ mịn cao, chiều cao vật bất đồng nhỏ không lớn nửa ®é dÇy líp Skin δ cđa trêng vËt dÉn - Đối với thiết bị SCT mạch dải cã ®é phÈm chÊt cao nh : hép céng hëng, lọc, ghép định hớng cần chọn vật liệu điện môi có tge góc tiêu hao điện nhỏ - Đối với thiết bị có phẩm chất không cao nh : cầu vòng, cộng, trộn tần điều chế chọn vật liệu điện môi cần ý đến tham số làm ảnh hởng đến chiều dài điện chúng + Quy tắc chung chọn vật liệu điện môi cho đế mạch dải: có góc tiêu hao điện nhỏ nhất, độ ổn định độ điện thẩm tơng đối kích thớc thẳng lớn, tần số cao độ điện thẩm nhỏ + Danh sách số chất điện môi hữu vô đợc dùng phổ biến để chế tạo đế mạch dải tham số chúng: + Bảng 1.1 chất vô ( f = 5.1010Hz) Tên vật liệu Loại mac ε` tgδe C«ng dơng Sø oxit nh«m Al 203 BK 100-1 ®Õn 9,8 ®Õn 10-4 T.B SCT cã ®é chÝnh xác cao, độ bền cao, dẫn nhiệt cao Sứ oxit nhôm Al 203 BK 94-1 đến 10,3 đến 1,5.10-3 T.B SCT có độ xác cao, độ bền cao, dÉn nhiÖt cao Sø Titan TiO2 BA -35 đến 30 đến 3.10-4 Các phần tử SCT dùng nút dụng cụ Sứ Titan TiO2 MT-60 đến 4.10-4 Đế vi mạch SCT Titan CT32-1 10 7.10-4 Đế vi mạch mạch dải SCT Titan CT38-1 7,2 3.10-4 Đế vi mạch mạch dải SCT Titan CT50-1 8,5 35.10-4 Đế vi mạch mạch dải SCT đến 90 + Bảng 1.2 Chất điện môi hữu ( f = 5.1010 Hz) Difmolen Difmolen -2 2,3 ®Õn 5.10-4 Bản mạch SCT lớn -4 đến 3.10-4 Bản mạch SCT tÊm lín Teflon 2,0 B¶ng 2.1 (tiÕp) Poliphenelene Oxit -2,8 -3,8 -6,0 2,816 đến 1,5.10-3 Bản mạch SCT độ xác cao, nhiệt độ tải cao Polistirol T-3,T-5, T-7, T-10 3-16 10-3 3.10-3 Bản mạch SCT độ xác cao, độ bền va đập thấp Policabonatd T-3 KT-5, KT-10 3-10 đến 3.10-3 Bản mạch SCT độ xác cao, nhiệt độ tải cao Vải thuỷ tinh A-4 2,5 đến 10-3 Bản mạch SCT độ xác cao, nhiệt độ tải cao Vải thuỷ tinh -4MC-1 -4MC-2 2,4 2.10-3 Bản mạch lai ghép 1.1.2 Kim loại làm dải dẫn dải đất Để làm dải dẫn sóng dải đất chất phủ mạch dải: sử dụng kim loại có độ dẫn riêng lớn nh đồng, bạc, hợp kim nh đồng thau Các tham số kim loại cho bảng: Bảng 1.3 Kim loại Khối lợng riêng g/cm3 Độ dẫn riêng (S/m) Dùng làm Đồng đỏ 8,94 5,8.107 Dùng làm dải dẫn dải đất Bạc 10,5 6,1.107 Dùng để phủ Đồng thau 8,7 (4-1,67).107 Dùng làm dải đất 10 + Điện dung toàn phần mode sóng chẵn lẻ mạch dải liên kết không đối xứng tổng cộng điện dung riêng , điện dung bờ điện dung liên kết cã d¹ng sau : C ch  C P  C f  C f 1.2.73 Cl  C P  C f  C ga  C gd 1.2.74 b/ Các tham số : + Trờng hợp dải dẫn có độ dầy không : t = 0, trở sóng đặc tính độ điện thẩm hiệu dụng cho mode chẵn lẻ tính theo biểu thức : Z k CO   C Ck C o k  1 1.2.75  k hd Ck  Ck 1.2.76 số k biểu thị tơng ứng với mode sóng chẵn lẻ, điện dung C0k biểu thị giá trị điện dung trờng hợp điện môi không khí, C vận tốc ánh sáng chân không 38 + Trờng hợp dải dẫn có độ dầy hữu hạn (t 0), điện dung mạch dải tính nhờ đa vào độ rộng hiệu dụng trờng hợp mạch dải đơn không đối xứng Biểu thức độ rộng hiệu dụng Whd có dạng sau : Whdch W W 1  0,5 exp 0,69W / t  1.2.77   h h h Whdl Whdch t   h h h 1.2.78 t t / h h S /h 1.2.79 W số gia độ rộng dải dẫn mạch dải đơn không đối xứng gây ảnh hởng độ dầy hữu hạn t dải dẫn, đợc tÝnh theo c¸c biĨu thøc (1.2.24), (1.2.25) ë mơc tríc Nói chung giống nh mạch dải không đối xứng đơn, mạch dải liên kết không đối xứng biểu thị tính tán sắc mạnh, giá trị trở sóng đặc tính độ điện thẩm hiệu dụng phụ thuộc vào tần số làm việc BiĨu thøc cđa chóng cho [2] 39 + HƯ số tiêu hao (dB/m) mạch dải liên kết không đối xứng bao gồm tiêu hao kim loại điện môi cho hai mode sóng chẵn lẻ, cã biĨu thøc lµ : 8,686 RS   l h C Cl0t 240Z CO l kl  ch kl  dCl0t  dClot  W S  dClot  t  1    1    1           d W / h h d S / h h d t / h h          8,686 RS  ch 240 Z CO h C C chot    dC chot  dC chot  W S  dC chot  t                       d W / h h d S / h h d t / h h       1.2.80 1.2.81 = suy giảm dải dẫn trung tâm suy giảm dải dẫn trung tâm đất tơng ứng, C vận tốc truyền ánh sáng chân không, Cchot , Clot điện dung mode sóng chẵn lẻ điện môi giải dẫn liên kết không khí, RS điện trở mặt kim loại làm dải dẫn 40 + Hệ số tiêu hao điện môi hai mode sóng chẵn lẻ có dạng : hdch tg e ch 1.2.82  dm dB / m  27,3 ch  hd    0    hdl  tg e  dB / m  27,3  hdl    0 l dm 1.2.83 1.3 Các thiết bị siêu cao tần mạch dải Sau xét số thiết bị siêu cao tần mạch dải đợc sử dụng phổ biến kỹ thuật nh : chạc ba (mạng cực) chia công suất không đều, cầu (mạng cực), ghép định hớng v.v 1.3.1 Chạc ba chia công suất + Các chạc ba chia đôi công suất từ nhánh vào hai nhánh dải tần đợc phối hợp nhờ đoạn biến áp phần 41 t bớc sóng đặt đầu đầu vào cấp có cấu trúc mô tả hình 1.9 đặc trng tần số (dạng phẳng cực đại) hệ số sóng đứng Kd cho hình 1.10 42 tần số trung tâm dải tần lµ f  f1 f , hƯ sè sóng đứng cực đại cho phép dải thông Kdmax =1,222 Các giá trị trở sóng đặc tính chuẩn hoá đoạn đờng truyền đoạn biến áp phối hợp /4 có giá trị nh sau : cấp phối hợp : n =1, - Với sơ đồ a/ biến áp phối hợp lối ta có : Z CO  , Z C1  1,41 - Với sơ đồ b/ biến áp phối hợp lèi vµo ta cã : Z CO  , Z C1 0,707 + Chạc ba chia công suất dùng biến áp phối hợp phần t bớc sãng cÊp hai n = cã thĨ thùc hiƯn theo ba sơ đồ khác : sơ đồ hình 1.11a dùng hai biến áp phối hợp hai lối ra, sơ đồ hình 1.11b dùng biến áp phối hợp hai lối biến áp phối hợp lối vào, sơ đồ hình 1.11c dùng hai biến áp phối hợp lối vào Đặc trng tần số dạng đa thức Chebyshev hệ số sóng đứng chia công suất cho hình 1.12 43 Giá trị trở sóng đặc tính đoạn biến áp phối hợp đợc tính theo giá trị Kdmax cho dÉn ë b¶ng 3.1 44 B¶ng 3.1 tham số chạc ba chia công suất cấp hai n = với đặc trng Kd dạng đa thức Chebyshev - Với sơ đồ hình 1.11a th× : Z CO  , Z C1  Z1 , Z C  Z - Víi sơ đồ hình 1.11b : Z CO , Z C1  Z , Z C  Z / Kdmax 1,04 k = f2/f1 1,588 1,105 1,222 1,944 2,731 - Với sơ đồ hình 1.11c th× : Z1 1,201 1,219 1,250 Z CO  , Z C1  Z1 / , Z C  Z / Z2 1,665 1,640 1,600 45 1.3.2 Cầu vòng mạch dải Bộ chia công suất dạng mạng cực đợc phối hợp trở kháng nhánh đợc thực dạng cầu vòng mạch dải SCT có cấu trúc kích thớc hình học mô tả hình 1.13 - Chiều dài chu vi trung bình cầu : ltb   d tb   hd - §êng kính trung bình cầu : 30 d tb hd - Trở sóng đặc tính cầu nhánh có quan hệ sau : Z ca Z nh 46 1.3.3 Cầu vuông mạch dải Để cho cầu mạch dải có tính chắn dễ chế tạo, ta dùng dạng biến tớng cầu vòng thành dạng cầu vuông có cấu trúc hình học mô tả hình 1.14 Đối với cầu vuông, sóng hai nhánh có biên độ nhng lƯch pha mét gãc 900 nªn gäi tªn cầu vuông - Chiều dài cạnh cầu : lC hd - Hai đoạn trở sóng cầu trở sóng nhánh có hệ thức : ZC  Z nh 47 1.3.4 Bé chia đôi công suất xuyến vòng với trở Bộ chia đôi công suất hình xuyến vòng với trở tập trung R cho phÐp sù phèi hỵp tèt ë tÊt nhánh vào hai nhánh ra, đồng thời bảo đảm cách ly tốt hai nhánh Cấu trúc hình học mạch dải chia công suất đợc mô tả hình 1.14 + Giá trị trở tập trung : R = 2ZCO, + Trở sóng đặc tính hai nhánh xuyến : Z CX  Z C + ChiỊu dµi nhánh xuyến : l X  hd + §êng kÝnh xuyÕn : dX  0  0    l R  l R    hd  dX  0  0    2l R  l R    hd 48 1.3.5 Bộ ghép định hớng dạng Slayphơ a/ Cấu trúc ứng dụng : Bộ ghép định hớng dạng Slayphơ mạch dải SCT đợc ứng dụng để phân nhánh công suất tuyến truyền dẫn, chia cộng công suất, quay pha, chuyển mạch, hay trộn cân v.vBộ ghép định hớng mạch dải có cấu trúc hình học kí hiệu sơ đồ mạch điện mô tả hình 1.15 49 Các tham số ghép ®Þnh híng gåm : P + HƯ sè ghÐp : C dB   10 lg P4 P + Hệ số định hớng : DdB 10 lg P3 + HƯ sè sãng ®øng Kd , ë Pk (k = 1,2,3,4) công suất nhánh tơng ứng ghép Giá trị hệ số ghép C đợc xác định dẫn sóng đặc tính Slayphơ YSk , độ rộng dải tần lại phụ thuộc vào số Slayphơ n Bộ ghép định hớng dạng Slayphơ có chiều dài lớn độ dài đoạn Slayphơ /4 bớc sóng trung tâm, có dải tần hẹp Trong thùc tÕ kü thuËt ngêi ta chØ thiÕt kÕ c¸c ghép định hớng có số Slayphơ từ đến tuỳ theo độ rộng dải tần Bộ ghép định hớng dạng Slâyphơ chia làm hai loại : 50 - Loại : đoạn nối Slayphơ có dẫn sóng đặc tính dẫn sóng đặc tính đờng truyền Loại có cấu trúc đơn giản, song đặc trng tần số không tối u - Loại : đoạn Slayphơ có dẫn sóng đặc tính khác b/ Tính tham số ghép định hớng loại : + Sè Slayph¬ n = : chän Y1 = YCO = 1/ZCO , - Theo hƯ sè ghÐp C ®· cho vµ trë k  10 C / 20 sãng ®Ỉc tÝnh ZCO ta tÝnh hƯ sè k : - Dẫn sóng đặc tính k Y , Y  S2 Slayph¬ tÝnh theo biĨu thøc sau : S1 1 k 1 k - §é dài Slayphơ lS k lk  hai d¶i dÉn chän theo biĨu thøc : hd - Độ rộng dải dẫn Slayphơ tính từ trở sóng đặc tính ZCO.51 + Số Slayph¬ n = : Ta chän : Y1 = Y2 = YCO , YS1 = YS3 vµ tÝnh chóng theo c«ng k thøc : 1 1 k Y  YS1  S2 k Z CO Z CO + Sè Slayph¬ n = : Ta chän : Y1 = Y2 = Y3 = YCO , YS1 = YS4 , YS2 = YS3 tính chúng theo công thức : YS1  k  1 1 k Z CO  k YS 1 1 k Z CO + Chiều dài Slayphơ lS k lk đoạn Slayphơ chọn : hd + Các độ rộng W0 , Wk WS tính từ giá trị trở sóng đặc tính ZCO , ZCS ứng với loại mạch dải theo biểu thức dẫn mục 1.2 chọn chiều cao h ®é ®iƯn thÈm cđa ®Õ ε`.52 ... nhỏ tiêu hao nhiệt tiêu hao phản xạ cần chọn vật liệu điện môi với bề mặt gia công có ®é mÞn cao, chi u cao cđa vËt bÊt ®ång nhÊt nhỏ không lớn nửa độ dầy lớp Skin trờng vật dẫn - Đối với thiết... nh : cầu vòng, cộng, trộn tần điều chế chọn vật liệu điện môi cần ý đến tham số làm ảnh hởng đến chi u dài điện cđa chóng + Quy t¾c chung chän vËt liƯu điện môi cho đế mạch dải: có góc tiêu hao... dải, cấu trúc đờng sức cờng độ trờng loại, biểu thức tính tham số chúng Việc nghiên cứu tính toán chi tiết phơng pháp khác nhau, bạn đọc xem tài liệu chuyên đề nh [1], [2] [3] 12 1.2.1 Mạch dải