CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
2.1. Hạn chế các tín hiệu cường độ mạnh vào máy thu
2.1.3. Đề xuất một bộ hạn chế công suất cho hiệu quả cao
Có nhiều phương pháp thiết kế bộ hạn chế công suất sử dụng điốt PIN, đó là:
- Thiết kế bộ hạn chế công suất thụ động thực hiện trên ống dẫn sóng hoặc trên mạch dải;
- Thiết kế bộ hạn chế công suất tích cực thực hiện trên ống dẫn sóng hoặc trên mạch dải;
- Thiết kế bộ hạn chế công suất nửa thụ động nửa tích cực (giả tích cực) thực hiện trên ống dẫn sóng hoặc trên mạch dải.
Bảng 2.2 so sánh ưu, nhược điểm của 3 kiểu hạn chế thụ động, tích cực và giả tích cực.
Vì không muốn can thiệp vào đường truyền ống dẫn sóng nên bộ hạn chế được thực hiện trên mạch dải. Bộ hạn chế công suất làm việc theo dạng nửa tích cực nửa thụ động. Các điốt PIN được mắc sơn trên đường mạch dải, được cấp nguồn và không cấp nguồn, các điốt được mắc cách nhau một đoạn bằng 1/4 bước sóng. Ở đầu vào bộ hạn chế có bộ lọc cài răng lược, bộ lọc này có tác dụng đánh lệch dải khi công suất cao tần vào lớn.
Bảng 2.2: So sánh 3 kiểu hạn chế thụ động, tích cực và giả tích cực.
Kiểu hạn chế Ưu điểm Nhược điểm
Hạn chế thụ động
+ Hạn chế được các xung cao tần có công suất lớn ở trong dải (kể cả xung cao tần không đồng bộ);
+ Không cần nguồn cung cấp;
+ Kết cấu gọn nhẹ;
+ Thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc dài (độ tin cậy cao).
+ Nếu tín hiệu có ích có công suất lớn thì vẫn bị cắt (không phân biệt được tín hiệu có ích và không có ích).
Hạn chế tích cực
+ Có thể tạo xung điều khiển để chắn trước khi có xung kích phát đến;
+ Hạn chế được các xung cao tần đồng bộ;
+ Tổn hao công suất nhỏ;
+ Thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc dài (độ tin cậy cao).
+ Không hạn chế được các xung cao tần không đồng bộ;
+ Phải có mạch điện tạo xung điều khiển cho điốt PIN;
+ Yêu cầu nguồn cung cấp;
+ Nếu mất đường đưa xung kích vào bộ hạn chế thì bộ hạn chế không làm việc;
+ Tăng vùng mù của ra đa (bằng đúng độ rộng xung điều khiển điốt PIN);
+ Kết cấu phức tạp;
+ Thời gian khôi phục độ nhạy máy thu dài hơn.
Hạn chế giả tích cực
+ Không cần sử dụng xung kích phát của đài;
+ Hạn chế được các xung cao tần có công suất lớn ở trong dải (kể cả xung cao tần không đồng bộ);
+ Tổn hao công suất nhỏ;
+ Thời gian khôi phục độ nhạy máy thu nhanh;
+ Thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc dài (độ tin cậy cao).
+ Yêu cầu nguồn cung cấp;
+ Kết cấu phức tạp.
Giá trị suy giảm của bộ hạn chế công suất là hàm của dòng thiên áp cấp cho điốt PIN. Ở tần số SCT, khi cấp nguồn, trở kháng của điốt PIN trở nên rất nhỏ và khi không cấp nguồn, trở kháng của nó trở nên rất lớn. Nó hoạt động như một chuyển mạch cao tần. Tổn hao của bộ hạn chế khi không cấp nguồn cho điốt PIN:
2 0
min 10lg 1 2
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ +
=
p
p R
A Z [dB] (2.5) Trong đó: Z0 : trở kháng sóng của mạch dải (Z0 = 50 Ω)
Rp : điện trở của điốt PIN khi không cấp nguồn (Id = 0) Suy giảm của bộ hạn chế khi có cấp nguồn cho điốt PIN:
2 0
max 10lg 1 2 ⎥
⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡ +
=
s
s R
A Z [dB] (2.6)
Trong đó: Rs : điện trở của điốt PIN khi cấp nguồn (Id ≥ 50 mA).
Bộ hạn chế công suất được thiết kế gồm bốn phần (xem hình 2.10): Mạch hạn chế thụ động dạng cộng/ chia đôi công suất (1), mạch hạn chế thụ động dựa trên bộ lọc dải thông dạng cài răng lược (2), mạch hạn chế thụ động mắc sơn (3) và mạch hạn chế tích cực (4).
Hình 2.10: Sơ đồ khối bộ hạn chế công suất.
- Khi công suất lọt của máy phát rò sang lớn, mạch hạn chế thụ động cộng/
chia đôi công suất (1) có nhiệm vụ cắt phần đỉnh của xung phát lọt sang và khi không có công suất SCT lớn đi đến, mạch hạn chế cho tín hiệu đi qua với tổn hao không lớn hơn 1 dB. Khi có công suất SCT lớn đi đến, đầu ra của mạch hạn chế thụ động chặn với tổn hao chặn không nhỏ hơn 20 dB.
Sau đèn cặp nhả điện
Xung điều khiển Mạch hạn
chế thụ động cộng/chia công suất
(1)
Mạch hạn chế thụ động dựa trên bộ lọc dải thông dạng cài răng lược (2)
Mạch hạn chế tích
cực (4)
Đến bộ khuếch đại
bán dẫn SCT tạp thấp (LNA) Mạch
hạn chế thụ động mắc sơn Ghép (3)
định hướng
20 dB Tách sóng +12 V
- Mạch hạn chế thụ động dựa trên mạch lọc dải thông dạng cài răng lược kết hợp hiệu ứng điốt PIN (2) có đặc tính là khi có công suất lọt lớn đi tới, tính 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 đánh lệch lên dải tần lớn gấp đôi tần số sóng mang. Nhờ vậy trong thời gian có xung phát (có xung lọt lớn), tín hiệu SCT đi qua mạch hạn chế thụ động dựa trên mạch lọc dải thông sẽ bị suy hao > 30 dB.
Nguyên lý chuyển đổi dải thông của bộ lọc cài răng lược thành bộ lọc răng lược: Hình 2.11 và hình 2.12 mô tả cấu trúc của hai bộ lọc cài răng lược và răng lược được thực hiện trên mạch dải. Ta thấy sự khác nhau giữa hai bộ lọc này là:
+ Độ dài điện của các 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 còn đầu kia để hở mạch. Ở bộ lọc răng lược, một đầu cuối của thanh cộng hưởng được nối đất còn đầu kia cũng được nối đất thông 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)
Hình 2.11: Bộ lọc cài răng lược. Hình 2.12: Bộ lọc răng lược.
Mạch hạn chế thụ động dựa trên bộ lọc dải thông dạng cài răng lược được thiết kế dựa trên tính chất của 2 bộ lọc nêu trên kết hợp với hiệu ứng của điốt PIN với các mức công suất SCT lớn và bé 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 (hình 2.13). Khi mức tín hiệu SCT bé 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 không làm ảnh hưởng đến tính chất của bộ lọc cài răng lược, dải thông của bộ lọc sẽ cho tín hiệu SCT đi qua với tổn hao nhỏ bằng tổn hao của bộ lọc. Khi có công 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 các đầu cuối của thanh cộng hưởng bị nối qua tụ xuống đất và tính chất bộ lọc biến thành bộ lọc răng lược.
Đầu ra (Z : 50 Ω) λ g /4
0
Đầu vào (Z : 50 0 Ω)
Hình 2.13: Bộ lọc cài răng lược kết hợp với hiệu ứng điốt PIN.
Như vậy mạch hạn chế thụ động trên cơ sở bộ lọc dải thông dạng cài răng lược kết hợp với hiệu ứng điốt PIN khi có mức công suất SCT lớn đi tới làm thay đổi kết cấu của bộ lọc, khi này độ dài điện của các 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 lên 2 lần). Kết quả là dải thông của bộ lọc khi có mức công suất SCT lớn đi tới sẽ bị đánh lệch lên dải 2fo.
Với phương pháp này ta đã hạn chế được công suất lọt trong thời gian phát.
Mặt khác trong thời gian thu, tín hiệu thu về rất nhỏ nên đặc tuyến bộ lọc sẽ không bị thay đổi, do đó tín hiệu thu về bị suy giảm rất ít (chính bằng tổn hao của bộ lọc dải), như vậy sẽ không ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu.
- Mạch hạn chế thụ động mắc sơn (3) có nhiệm vụ hạn chế mức công suất lọt còn dưới 22 dBm (xem hình 3.4- chương 3).
- Mạch hạn chế tích cực (4) được điều khiển theo kiểu giả tích cực (quasi- active). Tại đầu ra mạch hạn chế thụ động cộng/ chia đôi công suất (1), tín hiệu SCT được trích một phần qua bộ ghép định hướng 20 dB, qua bộ tách sóng để tạo xung
điều khiển cho điốt điều khiển tích cực. Với giải pháp kỹ thuật này không cần sử dụng xung kích phát của đài để tạo xung điều khiển điốt PIN (nếu sử dụng phương pháp hạn chế tích cực). Mạch hạn chế tích cực có nhiệm vụ tiếp tục hạn chế xung lọt trong thời gian phát và làm việc đồng bộ với xung phát nên có khả năng triệt hoàn toàn xung phát lọt sau đèn cặp nhả điện. Khi bắt đầu có xung, các điốt PIN được cấp dòng ≥ 15 mA, khi này điện trở của điốt PIN bị giảm xuống còn bằng xấp xỉ (1 ÷ 2) Ω được ngắn mạch xuống đất, lúc này bộ hạn chế làm việc như một chuyển mạch cao tần, tín hiệu cao tần đi qua nó hoàn toàn bị ngắn mạch xuống đất.
Trạng thái chuyển mạch này được kéo dài trong thời gian xung phát. Còn trong thời gian thu, điốt không được cấp dòng, chuyển mạch cao tần tắt, tín 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 có thể hạn chế hoàn toàn công suất lọt từ máy phát sang bảo vệ bộ khuếch đại bán dẫn SCT tạp thấp không bị đánh thủng bởi công suất lọt sau đèn cặp nhả điện và vẫn đảm bảo được độ nhạy của máy thu.