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

Chơng Các thiết bị điều khiển SCT 4.1 Khái quát thiết bị điều khiển siêu cao tần 4.1.1 vai trò vị trí :+ Ngày trang thiết bị kỹ thuật ngành Rada, Điều khiển Viễn thông làm việc dải sóng Siêu cao tần thờng thiếu Các thiết bị điều khiển siêu cao tần nh : quay pha, suy giảm, Izolatơ, xiêc-cu-la-tơ, chuyển mạch, quay mặt phẳng phân cực v.v Nhờ có chúng mà khối chức trang thiết bị trở thành thể thống làm việc hoàn hảo đáp ứng tiêu kỹ thuật đề + Vì việc nghiên cứu để nắm đợc cấu trúc, nguyên tắc làm việc tiêu kỹ thuật thiết bị điều khiển Siêu cao tần cần thiết quan trọng Nó giúp cho kỹ s, chuyên gia chuyên ngành khai thác có hiệu trang thiết bị, tiến hành sửa chữa chúng tiến tới tính toán thiết kế thiết bị điều khiển siêu cao tần đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt 4.1.2 Khái niệm phân loại + Chúng ta gọi thiết bị Điều khiển siêu cao tần phần tử siêu cao tần nhiều cực (thờng gọi mạng nhiều cực SCT) làm việc chế độ sóng siêu cao tần truyền qua bị thay đổi chiều hay nhánh biên độ pha nh phân cực sóng nhờ điều khiển điện từ + Có nhiều cách phân loại thiết bị điều khiển siêu cao tần nhng phổ biến phân loại thiết bị điều khiển siêu cao tần dựa theo dạng điều khiển từ điện + Thiết bị điều khiển SCT dạng từ sử dụng phần tử điều khiển ferit bị từ hoá từ trờng không đổi + Thiết bị điều khiển dạng điện sử dụng phần tử điều khiển diode bán dẫn PIN, diode bán dẫn Varactor phóng điện khí 4.1.3 Các thiết bị điều khiển SCT dạng từ - Khái niệm : Đó thiết bị đợc điều khiển từ trờng thực nhờ phần tử điều khiển ferit bị từ hoá Để cho gọn sau ta thờng gọi chúng thiết bị điều khiển siêu cao tần sử dụng ferit Chúng loại thiết bị không thuận nghịch dựa hiệu ứng không tơng hỗ ferit bị từ hoá từ trờng không đổi - u nhợc điểm : chịu đợc công suất lớn, nên hay đợc ứng dụng tuyến phát trạng bị rađa hay viễn thông Tuy nhiên điều khiển từ trờng nên tốc độ không thật cao (cỡ ms), kích thớc trọng lợng lớn - Phân loại gồm : van hay Izolator, quay pha không thuận nghịch, xiêc-cu-la-tơ, quay mặt phẳng phân cực, suy giảm, chuyển mạch, hạn chế công suất Trong kỹ thuật sử dụng phổ biến xiêc-cu-la-tơ, van quay pha không thuận nghịch 4.1.4 Các thiết bị điều khiển SCT dạng điện - Khái niệm : Đó thiết bị đợc điều khiển điện áp hay dòng điện đặt phần tử điều khiển bán dẫn diode PIN , diode Varactor phóng điện khí Các thiết bị điều khiển dạng điện thiết bị thuận nghịch Các điều khiển SCT sử dụng diode bán dẫn có đặc điểm : - u ®iĨm : cã tèc ®é ®iỊu khiĨn rÊt nhanh (cì micro giây), kích thớc trọng lợng nhỏ, tiêu thụ lợng nên thờng đợc sử dụng tuyến thu đài rađa thiết bị viễn thông công suất nhỏ, đặc biệt thích hợp với mạch dải SCT - Nhợc điểm : không chịu đợc mức công suất lớn, diode bán dẫn PIN Varactor dễ bị đánh thủng điện áp công suất cao Các thiết bị điều khiển sử dụng phóng điện khí Các thiết bị điều khiển sử dụng phóng điện khí có đặc điểm sau : - u điểm : + làm việc với mức công suất lớn + kích thớc trọng lợng nhỏ - Nhợc ®iĨm : + cã tèc ®é ®iỊu khiĨn kh«ng nhanh (cỡ mili giây), + dễ dò đỉnh xung gai nhọn có lợng lớn + tuổi thọ không cao Trong chơng ta nghiên cứu hai dạng điều khiển SCT dùng ferit dùng diode bán dÉn 4.2 Trun sãng SCT Ferit bÞ tõ hoá 4.2.1 Ferit bị từ hoá từ trờng không đổi + Ferit hợp chất oxyt sắt ba (Fe2O3) với số oxyt kim loại khác nh Mn, Mg, Ni v.vvà số nguyên tố đất nh Ytri Nó có cấu trúc dạng đơn đa tinh thể loại Spinen Granat Ferit vật liệu sắt từ có số điện môi tơng đối - 20, điện trở riêng lớn cỡ 102 -106 ôm, tg góc tiêu hao điện nhỏ từ 10-2 - 10-4 + Sù tõ ho¸ Ferit : - Khi tác dụng từ trờng không đổi (H0 = 0) Ferit trạng thái bình thờng không bị từ hoá Nó cấu tạo bao gồm tập vùng nhỏ gọi domen Trong domen momen từ điện tử định hớng giống tạo momen từ riêng domen Nhng momen từ riêng domen ferit lại xắp sếp cách hỗn loạn, nên monen từ tính đơn vị thể tích ferit gọi vectơ từ hoá M không Nên kết vectơ từ hoá tổng cộng ferit không, ferit nằm trạng thái không bị từ hoá có tính chất môi trờng đẳng hớng sóng điện từ - Khi ferit đặt từ trờng không đổi (H0 0), tất momen từ điện tử domen định hớng lại theo hớng từ trờng ngoài, vectơ từ hoá M ferit có giá trị khác không Trong ferit t¹o tõ trêng tỉng céng bao gåm tõ trêng từ hoá tạo từ trờng Khi ferit nằm trạng thái bị từ hoá trở thành môi trờng không đẳng hớng sóng điện từ - Polder lần dẫn đợc dạng ten xơ độ từ thẩm ferit bị từ hoá từ trờng không đổi H0 đặt dọc theo trục toạ độ oz nh sau:  x      ia   Víi :   x   1    0 M    M2  ia x 0  0   4.2.1.1    , a   2   m  , M   eH m0 , 0  eM m0 Trong e, m0 điện tích khối lợng điện tử, M giá trị vectơ từ hoá ferit, H0 cờng độ từ trờng không đổi từ hoá, M gọi tần số cộng hởng từ quay Nói chung thành phần ten xơ Polder đại lợng phức giá trị chúng phụ thuộc vào vật liệu làm ferit cờng độ từ trờng từ hoá H0 4.2.2 Truyền sóng điện từ ferit bị từ hoá Khi truyền sóng điện từ môi trờng ferit bị từ hoá xuất hai hiệu ứng quan trọng đợc ứng dụng thiết bị ®iỊu khiĨn SCT nh sau 1/ Khi sãng ®iƯn tõ phẳng truyền ferit bị từ hoá, ferit biểu tính chất khác lên hai sóng phân cực tròn quay trái (chỉ số - ) quay phải (chỉ số + ) tham số khác nh : số sóng, vận tốc pha, trở sóng độ từ thẩm tơng ứng : k   , k      , V ph     Z  ,Z  ,      , V ph    4.2.2.1 4.2.2.2     x  a  1  i 2 ,     x  a  1  i 4.2.2.3 Phần thực độ từ thẩm biểu thị mức độ quay pha hay tốc độ biến đổi vận tốc pha sóng, phần ảo độ từ thẩm biểu thị tiêu hao lợng sóng ferit bị từ hoá Ta vẽ đợc đồ thị thành phần thực ảo độ từ thẩm ferit bị từ hoá sóng phân cực tròn quay trái quay phải hàm số từ trờng không đổi H0 từ hoá cho hình 4.1 Tại giá trị H0 = H0ch sóng phân cực tròn quay phải bị ferit hấp thụ phần lớn lợng Hiện tợng gọi hiệu ứng cộng hởng sắt từ 10 b Nguyên tắc làm việc : + Các diode PIN hai trạng thái thông tắt đợc biểu thị mạch tơng đơng LC mắc song song với giá trị điện kháng JX điện nạp JB Nguyên tắc làm việc bé quay pha nµy còng gièng nh bé quay pha hai tải kháng nhng đoạn đờng truyền dài t /4 hai diode song song đợc thay diode mắc nối tiếp nên cho kích thớc nhỏ nhiều + Khi hai diode mắc song song đợc cấp thiên áp ngợc nằm trạng thái tắt, biểu thị điện nạp jB1 mang tính dung, diode mắc nối tiếp đợc cấp thiên áp thuận nằm trạng thái thông tuơng đơng nh điện kháng JX1 mang tính cảm Sơ đồ quay pha trạng thái có dạng lọc thông thấp làm tăng chiều dài điện đờng truyền tức có tác dụng gi÷ chËm pha cđa sãng trun qua 62 + NÕu cấp thiên áp cho diode mắc song song nối chiều ngợc lại diode mắc song tơng đơng nh điện cảm JB2 , diode mắc nối tiếp tơng đơng nh điện dung -JX2 quay pha trạng thái có dạng lọc thông cao nên làm giảm chiều dài điện đờng truyền tức làm nhanh pha sóng truyền + Rõ ràng thay đổi trạng thái thông tắt diode PIN nối tiếp song song tạo đợc quay pha góc pha mong muốn Bộ quay pha gọi tên quay pha dạng thông thấp-thông cao c TÝnh chÊt: + Bé quay pha trun qua d¹ng tập trung có kết cấu nhỏ, chắn cho dải tần công tác rộng, với bit pha 1800 đạt cỡ 10-20% bit pha 450 lên đến actave 63 + Nhợc điểm : cần thêm diode PIN mắc nối tiếp khó lắp ráp mạch cấp thiên áp cho diode phức tạp + Góc quay pha bé  B1  nµy tÝnh theo biĨu thøc :   Arctg   B   1 Víi : 2B X1  B1     X  sin        B1  tg     X2  1 , B2 B1 X1 : X , X điện kháng chuẩn hoá diode mắc nối tiếp trạng thái thông (chỉ số 1) tắt (chỉ số 2), B1 , B2 điện nạp chuẩn hoá diode mắc song song trạng thái tắt (chỉ số 1) trạng thái thông (chỉ sè 2) 64 4.11.6 Bé quay pha sè bit mạch dải Trong trang bị Rada Viễn thông, để tạo quay pha có góc pha đó, ngời ta thờng nối tầng quay pha bit đơn 11,250, 22,50 , 450 , 900 1800 thực điều khiển thiên áp cho diode theo quy luật định Trên hình 4.39 mô tả cấu trúc quay pha bit dạng phản xạ dùng cầu lai ghép dB công nghệ mạch dải dùng Rada mặt đất công suất cao 65 4.12 Bộ giới hạn công suất SCT dùng diode bán dẫn a Khái niệm phân loại : + Bộ giới hạn công suất siêu cao tần (Limiter) dùng diode bán dẫn thiết bị để hạn chế mức công suất SCT truyền qua với mức ngỡng cho + Bộ hạn chế có nhiệm vụ bảo vệ máy thu khỏi mức công suất lớn máy phát tới trực tiếp tránh tải làm hỏng thu nhạy đầu vào máy thu Bộ giới hạn làm nhiệm vụ bảo vệ máy thu khỏi xung công suất đến đài phát lân cận + Nguyên tắc làm việc giới hạn công suất SCT dùng diode bán dẫn (PIN Varactor) dựa thay đổi trở kháng diode phụ thuộc vào mức công suất sóng SCT tới diode để cho công suất sóng truyền qua không vợt mét møc ngìng ®· cho tríc 66 + Bé giíi hạn công suất SCT đợc chia làm hai loại : giới hạn công suất thụ động giới hạn công suất tích cực + Bộ giới hạn thụ động sử dụng diode bán dẫn Varactor mắc song song vào đoạn đờng truyền với trở sóng đặc tính ZC0 làm phần tử điều khiển mức công suất SCT truyền qua Diode Varactor cã trë kh¸ng vïng tiÕp xóc p-n (điện dung CJ) tự động thay đổi phụ thuộc vào mức công suất sóng SCT tới diode đảm bảo cho công suất sóng truyền qua giới hạn không vợt mức ngỡng cho Bộ giới hạn thụ động làm việc không cần cấp thiên áp cho diode varactor + Bộ giới hạn thụ động làm việc với mức công suất nhỏ, có tốc độ phản ứng nhanh Nó đợc dùng làm tầng cuối bảo vệ cho máy thu có độ nhạy cao trang bị Rada Viễn thông 67 + Bộ giới hạn tích cực sử dụng diode bán dẫn PIN mắc song song vào đoạn đờng truyền trở sóng đặc tính ZC0 làm phần tử điều khiển mức công suất sóng SCT truyền qua Bộ giới hạn làm việc dựa thay đổi trở kháng toàn phần diode PIN phụ thuộc vào mức công suất sóng tới diode nhờ cấp thiên áp cho cách thích hợp để đảm bảo công suất sóng SCT truyền qua không vợt mức ngỡng cho + Bộ giới hạn tích cực làm việc với mức công suất trung bình lớn Nó có tốc độ phản ứng chậm so với giới hạn thụ động Nó có cấu trúc phức tạp có mạch cấp thiên áp cho diode PIN Bộ giới hạn tích cực thờng đợc sử dụng làm tầng đầu bảo vệ cho máy thu trớc nguồn công suất lớn máy phát trực tiếp máy phát đài lân cận 68 b Bộ giới hạn công suất thụ động Cấu tạo : Bộ giới hạn công suất thụ động đợc cấu tạo bao gồm số diode Varactor mắc song song vào đoạn đờng truyền có trở sóng đặc tính ZC0 cách khoảng /4 nh mô tả hình 4.40 Nguyên tắc làm việc : + Khi công suất sóng SCT tới đầu vào giới hạn mức nhỏ ( 1mW) Diode varactor biểu thị nh điện dung nhỏ nên có trở kháng toàn phần cao nhiều so với ZC0 có giá trị không đổi Vì sóng SCT truyền qua giới hạn với tiêu hao chèn diode bé (nhỏ 100 W) Công suất sóng lối với công suất sóng lối vào Hiệu ứng giới hạn công suất trờng hợp cha sảy 69 + Khi công suất sóng lối vào tăng dần lên khoảng từ 1- 100 mW, tác động công suất sóng SCT, điện dung lớp tiếp xúc Varactor bắt đầu tăng dần, làm trở kháng diode giảm dần dẫn đến tiêu hao chèn diode tăng lên Kết công suất sóng lối bắt đầu giảm so với lối vào, hiệu ứng hạn chế công suất bắt đầu hoạt động + Mức công suất vào ứng với tiêu hao chèn giới hạn tăng đến giá trị dB so với mức công suất vào nhỏ đợc gọi mức công suất ngỡng giới hạn Møc c«ng st ngìng cđa diode varactor cÊu tróc định phụ thuộc vào độ dày W vùng nghèo + Nếu tiếp tục tăng công suất sóng lối vào lên W, trở kháng diode giảm gần đến không diode ngắn mạch đờng truyền làm cho sóng bị phản xạ trở lại, có phần công suất sóng 70 nhỏ truyền qua giới hạn công suất lối vào tiếp tục tăng Bộ giới hạn hạn chế đợc sóng c«ng st lín trun qua nã øng víi møc ngìng cho cách tự động không cần cấp thiên áp cho diode từ bên + Bộ giới hạn thụ động sơ đồ hình 4.40 bao gồm ba diode Varactor mắc song song với đoạn đờng truyền trở sóng ZC0 cách /4 Các diode có độ đày lớp nghèo khác để tạo mức công suất ngỡng khác Diode D1 làm nhiệm vụ hạn chế mức công suất lớn coi nh bảo vệ thô cho hai diode D2 D3 phía sau Diode D2 hạn chế mức công suất nhỏ so với D1 lớn so với D3, bảo vệ cho D3 Diode D3 có mức công suất ngỡng nhỏ làm nhiệm vụ bảo vệ tinh cho ba tầng giới hạn tầng đầu nhậy máy thu với tốc độ nhanh 71 + Chú ý : Ta thay đổi mức công suất ngỡng diode Varactor ứng với độ đầy vùng nghèo W cho cách cấp thiên áp cố định cho diode Nếu cấp thiên áp thuận cho diode làm giảm giá trị ngỡng, ngợc lại cấp thiên áp ngợc làm tăng giá trị ngỡng Trên hình 4.41 mô tả sơ đồ giới hạn công suất thụ động với mạch cấp thiên áp thuËn cho diode varactor nhê mét diode chØnh lu kh¸c mắc song song 72 Bộ giới hạn công suất tích cực Cấu tạo : Bộ giới hạn công suất tích cực có cấu tạo tơng tự nh giới hạn thụ động, nhng sử dụng diode PIN đợc cấp thiên áp thay cho diode varactor Sự giới hạn công suất làm việc dựa điều khiển thay đổi trở kháng toàn phần diode PIN từ mạch điều khiển thiên áp bên Nguyên tắc làm việc : + Khi công suất vào nhỏ mức ngỡng, diode đặt dới thiên áp ngợc, có trở kháng lớn, nên cho sóng SCT qua với tiêu hao chèn nhỏ Công suất công suất vào, hiệu ứng hạn chế công suất cha hoạt động + Khi công suất sóng vào tăng dần lên giá trị vợt mức ngỡng, thiên áp diode đợc điều chỉnh giảm dần đến không sau chuyển thành thuận làm cho trở kháng toàn phần 73 diode giảm dần theo mức công suất sóng vào tăng, dẫn đến tiêu hao chèn giới hạn tăng làm cho công suất giảm giảm + Khi công suất vào đạt mức lớn, thiên áp diode đợc điều chỉnh thuận ngắn mạch đờng truyền, làm phản xạ sóng trở lại lối vào Công suất giới hạn giữ nguyên giá trị ngỡng + Việc cấp thiên áp cho diode PIN đợc thực nhờ diode chỉnh lu khác mạch điều khiển nh sơ đồ mô tả hình 4.42 Mức thiên áp cấp cho diode PIN đợc tự động điều chỉnh mức công suất vào Để nâng cao mức công suất cho giới hạn, ta sử dụng sơ đồ mắc nhiều diode PIN song song vị trí cách khoảng /4 74 c Bộ giới hạn bảo vệ máy thu đài rada Trên hình 4.43 mô tả sơ đồ nguyên lý bảo vệ máy thu đài rada 19 sử dụng diode PIN kết hợp với lọc thông dải đầu vào 75 d Bộ giới hạn bảo vệ máy thu đài Rada máy bay c«ng suÊt 200W 76 ... độ dài L ferit, chi u quay mặt phẳng phân cực phụ thuộc vào chi u vectơ từ trờng từ hoá H0 Góc quay mặt phẳng phân cực đơn vị chi u dµi ferit gäi lµ h»ng sè Faraday Nã tÝnh theo bi u thøc sau :...   x  a  1  i 2 4.2.2.3 Phần thực độ từ thẩm bi u thị møc ®é quay pha hay tèc ®é bi n ®ỉi vËn tốc pha sóng, phần ảo độ từ thẩm bi u thị tiêu hao lợng sóng ferit bị từ hoá Ta vẽ đợc đồ... tần truyền qua bị thay đổi chi u hay nhánh bi n độ pha nh phân cực sóng nhờ điều khiển điện từ + Có nhiều cách phân loại thiết bị điều khiển siêu cao tần nhng phổ bi n phân loại thiết bị điều