Cú nhiều phương phỏp thiết kế bộ hạn chế cụng suất sử dụng điốt PIN, đú là: - Thiết kế bộ hạn chế cụng suất thụ động thực hiện trờn ống dẫn súng hoặc trờn
mạch dải;
- Thiết kế bộ hạn chế cụng suất tớch cực thực hiện trờn ống dẫn súng hoặc trờn mạch dải;
- Thiết kế bộ hạn chế cụng suất nửa thụ động nửa tớch cực (giả tớch cực) thực hiện trờn ống dẫn súng hoặc trờn mạch dải.
Bảng 2.2 so sỏnh ưu, nhược điểm của 3 kiểu hạn chế thụ động, tớch cực và giả tớch cực.
Vỡ khụng muốn can thiệp vào đường truyền ống dẫn súng nờn bộ hạn chế được thực hiện trờn mạch dải. Bộ hạn chế cụng suất làm việc theo dạng nửa tớch cực nửa thụ động. Cỏc điốt PIN được mắc sơn trờn đường mạch dải, được cấp nguồn và khụng cấp nguồn, cỏc điốt được mắc cỏch nhau một đoạn bằng 1/4 bước súng. Ở đầu vào bộ hạn chế cú bộ lọc cài răng lược, bộ lọc này cú tỏc dụng đỏnh lệch dải khi cụng suất cao tần vào lớn.
Bảng 2.2: So sỏnh 3 kiểu hạn chế thụ động, tớch cực và giả tớch cực.
Kiểu hạn chế Ưu điểm Nhược điểm
Hạn chế thụ động
+ Hạn chế được cỏc xung cao tần cú cụng suất lớn ở trong dải (kể cả xung cao tần khụng đồng bộ);
+ Khụng cần nguồn cung cấp; + Kết cấu gọn nhẹ;
+ Thời gian trung bỡnh giữa cỏc lần hỏng húc dài (độ tin cậy cao).
+ Nếu tớn hiệu cú ớch cú cụng suất lớn thỡ vẫn bị cắt (khụng phõn biệt được tớn hiệu cú ớch và khụng cú ớch).
Hạn chế tớch cực
+ Cú thể tạo xung điều khiển để chắn trước khi cú xung kớch phỏt đến; + Hạn chế được cỏc xung cao tần đồng bộ;
+ Tổn hao cụng suất nhỏ;
+ Thời gian trung bỡnh giữa cỏc lần hỏng húc dài (độ tin cậy cao).
+ Khụng hạn chế được cỏc xung cao tần khụng đồng bộ; + Phải cú mạch điện tạo xung điều khiển cho điốt PIN; + Yờu cầu nguồn cung cấp; + Nếu mất đường đưa xung kớch vào bộ hạn chế thỡ bộ hạn chế khụng làm việc;
+ Tăng vựng mự của ra đa (bằng đỳng độ rộng xung điều khiển điốt PIN);
+ Kết cấu phức tạp;
+ Thời gian khụi phục độ nhạy mỏy thu dài hơn.
Hạn chế giả tớch cực
+ Khụng cần sử dụng xung kớch phỏt của đài;
+ Hạn chế được cỏc xung cao tần cú cụng suất lớn ở trong dải (kể cả xung cao tần khụng đồng bộ);
+ Tổn hao cụng suất nhỏ;
+ Thời gian khụi phục độ nhạy mỏy thu nhanh;
+ Thời gian trung bỡnh giữa cỏc lần hỏng húc dài (độ tin cậy cao).
+ Yờu cầu nguồn cung cấp; + Kết cấu phức tạp.
Giỏ trị suy giảm của bộ hạn chế cụng suất là hàm của dũng thiờn ỏp cấp cho điốt PIN. Ở tần số SCT, khi cấp nguồn, trở khỏng của điốt PIN trở nờn rất nhỏ và khi khụng cấp nguồn, trở khỏng của nú trở nờn rất lớn. Nú hoạt động như một chuyển mạch cao tần. Tổn hao của bộ hạn chế khi khụng cấp nguồn cho điốt PIN:
2 0 min 2 1 lg 10 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + = p p R Z A [dB] (2.5)
Trong đú: Z0 : trở khỏng súng của mạch dải (Z0 = 50 Ω)
Rp : điện trở của điốt PIN khi khụng cấp nguồn (Id = 0) Suy giảm của bộ hạn chế khi cú cấp nguồn cho điốt PIN:
2 0 max 2 1 lg 10 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + = s s R Z A [dB] (2.6)
Trong đú: Rs : điện trở của điốt PIN khi cấp nguồn (Id ≥ 50 mA).
Bộ hạn chế cụng suất được thiết kế gồm bốn phần (xem hỡnh 2.10): Mạch hạn chế thụ động dạng cộng/ chia đụi cụng suất (1), mạch hạn chế thụ động dựa trờn bộ lọc dải thụng dạng cài răng lược (2), mạch hạn chế thụ động mắc sơn (3) và mạch hạn chế tớch cực (4).
Hỡnh 2.10: Sơ đồ khối bộ hạn chế cụng suất.
- Khi cụng suất lọt của mỏy phỏt rũ sang lớn, mạch hạn chế thụ động cộng/ chia đụi cụng suất (1) cú nhiệm vụ cắt phần đỉnh của xung phỏt lọt sang và khi khụng cú cụng suất SCT lớn đi đến, mạch hạn chế cho tớn hiệu đi qua với tổn hao khụng lớn hơn 1 dB. Khi cú cụng suất SCT lớn đi đến, đầu ra của mạch hạn chế thụ động chặn với tổn hao chặn khụng nhỏ hơn 20 dB.
Sau đốn cặp nhả điện
Xung điều khiển Mạch hạn chế thụ động cộng/chia cụng suất (1) Mạch hạn chế thụ động dựa trờn bộ lọc dải thụng dạng cài răng lược (2) Mạch hạn chế tớch cực (4) Đến bộ khuếch đại bỏn dẫn SCT tạp thấp (LNA) Mạch hạn chế thụ động mắc sơn (3) Ghộp định hướng 20 dB Tỏch súng +12 V
- Mạch hạn chế thụ động dựa trờn mạch lọc dải thụng dạng cài răng lược kết hợp hiệu ứng điốt PIN (2) cú đặc tớnh là khi cú cụng suất lọt lớn đi tới, tớnh chất bộ lọc sẽ thay đổi từ bộ lọc cài răng lược (interdigital) thành bộ lọc răng lược (combline) và đặc tuyến của bộ lọc sẽ bị đỏnh lệch lờn dải tần lớn gấp đụi tần số súng mang. Nhờ vậy trong thời gian cú xung phỏt (cú xung lọt lớn), tớn hiệu SCT đi qua mạch hạn chế thụ động dựa trờn mạch lọc dải thụng sẽ bị suy hao > 30 dB.
Nguyờn lý chuyển đổi dải thụng của bộ lọc cài răng lược thành bộ lọc răng lược: Hỡnh 2.11 và hỡnh 2.12 mụ tả cấu trỳc của hai bộ lọc cài răng lược và răng lược được thực hiện trờn mạch dải. Ta thấy sự khỏc nhau giữa hai bộ lọc này là: + Độ dài điện của cỏc thanh cộng hưởng ở bộ lọc cài răng lược: λg/4; ở bộ lọc răng lược: λg/8;
+ Ở bộ lọc cài răng lược, một đầu cuối của thanh cộng hưởng được nối đất cũn đầu kia để hở mạch. Ở bộ lọc răng lược, một đầu cuối của thanh cộng hưởng được nối đất cũn đầu kia cũng được nối đất thụng qua một tụ cao tần.
Đầu ra (Z : 50 Ω) λ g /4 0 Đầu vào (Z : 50 0 Ω) Đầu ra (Z : 50 Ω) λ g /8 0 Đầu vào (Z : 50 0 Ω)
Hỡnh 2.11: Bộ lọc cài răng lược. Hỡnh 2.12: Bộ lọc răng lược.
Mạch hạn chế thụ động dựa trờn bộ lọc dải thụng dạng cài răng lược được thiết kế dựa trờn tớnh chất của 2 bộ lọc nờu trờn kết hợp với hiệu ứng của điốt PIN với cỏc mức cụng suất SCT lớn và bộ đi qua. Cụ thể là: thiết kế bộ lọc cài răng lược với đầu cuối (đầu hở mạch) của thanh cộng hưởng được nối với điốt PIN xuống đất (hỡnh 2.13). Khi mức tớn hiệu SCT bộ đi qua, mạch tương đương của điốt PIN gồm tụ điện 0,2 pF và điện trở 3,5 MΩ. Trong trường hợp này đầu cuối của thanh cộng hưởng được nối với điện trở 3,5MΩ (≈ ∞) xuống đất, tương đương với hở mạch.
Như vậy khụng làm ảnh hưởng đến tớnh chất của bộ lọc cài răng lược, dải thụng của bộ lọc sẽ cho tớn hiệu SCT đi qua với tổn hao nhỏ bằng tổn hao của bộ lọc. Khi cú cụng suất SCT lọt lớn đi tới, điện trở của điốt PIN giảm xuống rất nhỏ (≈ 1,5 Ω), gần như bị ngắn mạch xuống đất, khi này cỏc đầu cuối của thanh cộng hưởng bị nối qua tụ xuống đất và tớnh chất bộ lọc biến thành bộ lọc răng lược.
Đầu ra (Z : 50 Ω) λ g /4 0 Đầu vào (Z : 50 0 Ω)
Hỡnh 2.13: Bộ lọc cài răng lược kết hợp với hiệu ứng điốt PIN.
Như vậy mạch hạn chế thụ động trờn cơ sở bộ lọc dải thụng dạng cài răng lược kết hợp với hiệu ứng điốt PIN khi cú mức cụng suất SCT lớn đi tới làm thay đổi kết cấu của bộ lọc, khi này độ dài điện của cỏc thanh cộng hưởng từ λg/4 trong bộ lọc cài răng lược thành λg/8 trong bộ lọc răng lược (tần số cộng hưởng của bộ lọc tăng lờn 2 lần). Kết quả là dải thụng của bộ lọc khi cú mức cụng suất SCT lớn đi tới sẽ bị đỏnh lệch lờn dải 2fo.
Với phương phỏp này ta đó hạn chế được cụng suất lọt trong thời gian phỏt. Mặt khỏc trong thời gian thu, tớn hiệu thu về rất nhỏ nờn đặc tuyến bộ lọc sẽ khụng bị thay đổi, do đú tớn hiệu thu về bị suy giảm rất ớt (chớnh bằng tổn hao của bộ lọc dải), như vậy sẽ khụng ảnh hưởng đến độ nhạy mỏy thu.
- Mạch hạn chế thụ động mắc sơn (3) cú nhiệm vụ hạn chế mức cụng suất lọt cũn dưới 22 dBm (xem hỡnh 3.4- chương 3).
- Mạch hạn chế tớch cực (4) được điều khiển theo kiểu giả tớch cực (quasi- active). Tại đầu ra mạch hạn chế thụ động cộng/ chia đụi cụng suất (1), tớn hiệu SCT được trớch một phần qua bộ ghộp định hướng 20 dB, qua bộ tỏch súng để tạo xung
điều khiển cho điốt điều khiển tớch cực. Với giải phỏp kỹ thuật này khụng cần sử dụng xung kớch phỏt của đài để tạo xung điều khiển điốt PIN (nếu sử dụng phương phỏp hạn chế tớch cực). Mạch hạn chế tớch cực cú nhiệm vụ tiếp tục hạn chế xung lọt trong thời gian phỏt và làm việc đồng bộ với xung phỏt nờn cú khả năng triệt hoàn toàn xung phỏt lọt sau đốn cặp nhả điện. Khi bắt đầu cú xung, cỏc điốt PIN được cấp dũng ≥ 15 mA, khi này điện trở của điốt PIN bị giảm xuống cũn bằng xấp xỉ (1 ữ 2) Ω được ngắn mạch xuống đất, lỳc này bộ hạn chế làm việc như một chuyển mạch cao tần, tớn hiệu cao tần đi qua nú hoàn toàn bị ngắn mạch xuống đất. Trạng thỏi chuyển mạch này được kộo dài trong thời gian xung phỏt. Cũn trong thời gian thu, điốt khụng được cấp dũng, chuyển mạch cao tần tắt, tớn hiệu cao tần từ anten về đi qua bộ hạn chế với tổn hao nhỏ và đi đến bộ khuếch đại tạp thấp.
Như vậy cú thể hạn chế hoàn toàn cụng suất lọt từ mỏy phỏt sang bảo vệ bộ khuếch đại bỏn dẫn SCT tạp thấp khụng bị đỏnh thủng bởi cụng suất lọt sau đốn cặp nhả điện và vẫn đảm bảo được độ nhạy của mỏy thu.