CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
2.1. Hạn chế các tín hiệu cường độ mạnh vào máy thu
2.1.2. Bộ hạn chế siêu cao tần bằng bán dẫn
2.1.2.1. Bộ hạn chế varactor thụ động
Bộ hạn chế SCT đơn giản bao gồm một điốt varactor p-n epitaxial không cấp thiên áp mắc sơn trên đường truyền giữa máy phát và tải, như mô tả trong hình 2.4a.
Khi có điện áp dương, điện áp rơi trên varactor ghim ở mức +1 V. Điện áp rơi trên varactor sẽ không giảm từ +1 V xuống cho tới khi các điện tích trong điốt được
Anten
Bộ hạn chế Máy
phát Máy
thu
R
Ghép 3dB
Anten
Máy
phát R
Bộ hạn chế
Máy thu
Chuyển mạch vòng bằng Ferit
2.4b, ở thời điểm được xác định bởi vùng gạch chéo trên và dưới đường điện áp +1 V. Trong quá trình này xảy ra sự tái hợp các hạt mang nhỏ, vì thời gian sống khoảng 50 ns là dài khi so sánh với một chu kì tín hiệu RF. Do điện áp tải khi đó bao gồm thành phần cơ bản nhỏ và chứa một lượng đáng kể các hài. Hình 2.4c mô tả đặc tuyến công suất đầu ra và đầu vào. Nếu sử dụng hai varactor mắc sơn ngược nhau, sẽ hạn chế được cả hai nửa chu kì, nhưng cần có một vài chu kì trước khi dạng sóng điện áp tải trở nên đối xứng hoàn toàn.
VG
RL RG
a. b. c.
Hình 2.4: Bộ hạn chế varactor.
a) Bộ hạn chế sử dụng varactor đơn mắc sơn.
b) Đường mô tả điện áp trên tải RL.
c) Đặc tuyến của bộ hạn chế công suất đầu vào-đầu ra dùng varactor.
Đường (1) khi tổn hao bằng 0; Đường (2) khi ở tần số cơ bản, nhiễu, hài méo;
Đường (3) ở tần số cơ bản.
Ứng dụng chính của loại bộ hạn chế này là bảo vệ máy thu của ra đa. Tuy nhiên, mạch hạn chế tương tự cũng được sử dụng để hạn chế những tín hiệu công suất tương đối thấp ở máy thu FM. Trong trường hợp này, điốt là varistor tiếp giáp điểm, nếu chúng không gây ra biến đổi điều chế biên độ và pha xảy ra với varactor.
Với tín hiệu lớn, hiệu ứng này giảm trong bộ hạn chế varactor mắc sơn ngược, nhưng vẫn bị trễ sau vài chu kỳ mới đạt được trạng thái ổn định. Điốt rào chắn Schottky, bảo đảm thay thế tốt cho varactor p-n trong mạch hạn chế. Do không chứa các hạt mang nhỏ, nó cho phép hạn chế tức thời với ít sự biến đổi điều chế pha-biên độ.
Mạch đơn giản ở hình 2.4a cho thấy điện cảm mắc nối tiếp điốt phải được kết hợp bởi một tụ nối tiếp nếu công suất RF tối thiểu được phát qua điốt ở những mức tín hiệu vào lớn. Cũng có thể tăng thêm sự bảo vệ bằng cách sử dụng 2 varactor mắc sơn cách nhau một đoạn λ/4 dọc trên đường truyền. Những dụng cụ này có thể bảo vệ máy thu khi công suất RF 100 W liên tục và trở kháng đối với thiên áp một chiều ngang qua điốt không lớn hơn 100 Ω. Với trở kháng thiên áp một chiều lớn hơn, sự kết hợp tụ thiên áp với sự dịch chuyển điện áp RF lớn có thể sớm dẫn đến đánh thủng bằng điện áp.
2.1.2.2. Bộ hạn chế điốt PIN
Nếu công suất đỉnh trên bộ hạn chế nhỏ hơn 100 kW, có thể sử dụng điốt PIN mắc sơn để thay thế đèn cặp nhả điện. Ở dưới khoảng 500 MHz, điốt hoạt động như bộ hạn chế thụ động, điện áp RF có thể tạo ra điện nạp đáng kể vào lớp I và làm giảm điện trở của nó. Tuy nhiên, ở tần số cao hiệu ứng này kém hơn và phải sử dụng thiên áp ngoài phù hợp để bảo đảm cho bộ hạn chế hoạt động.
Với một thiên áp thuận tương ứng với dòng khoảng 50 mA, điốt PIN có điện trở thuận nhỏ Rf mắc sơn với đường truyền có trở kháng đặc tính Z0. Nếu điện cảm điốt được kết hợp với một điện dung nối tiếp sao cho toàn bộ trở kháng sơn nhỏ hơn so với Z0, sự bảo vệ gần cộng hưởng được tính:
Ptới/Ptải
n
s
f L
R Z
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
Δ
≅ 2 + 02 2 ) 2 ( 4
1
ω (2.3) với Δω = 2π (độ lệch tần trung tâm dải tần); n là số tầng.
Có thể thấy từ phương trình (2.3) nếu mỗi tầng ngăn được 30 dB, thì 2 tầng ngăn được 60 dB. Khi Δω tăng, khả năng bảo vệ giảm, vì điện cảm điốt phải nhỏ đến mức có thể. Điện trở thuận điốt Rf rất quan trọng khi xác định lượng công suất tới bị hấp thụ bởi điốt đầu tiên, vì khi Pđiốt/Ptải
⎟⎟⎠⎞
⎜⎜⎝⎛
≅
0
4 Z Rf
ở giữa dải tần. Một điốt PIN điển hình có thể hấp thụ 10 W (CW) trước khi cháy hỏng.
Ở trạng thái thiên áp ngược (trạng thái tổn hao thấp), điốt PIN trở thành một tụ điện mắc nối tiếp với một điện trở nhỏ R. Trong trường hợp này, nếu tụ điện
được mắc sơn cộng hưởng với một điện cảm bổ sung, tổn hao đường truyền nhỏ giữa dải tần được tính:
Ptới/Ptải ≅1+nRsω2C2Z0 (2.4) Khi Rs, C có xu hướng không đổi với sự thay đổi chiều dày và diện tích của lớp I, những điốt có điện dung nhỏ hơn phải được sử dụng ở tần số cao. Điều quan trọng là cần giảm thiểu mức tổn hao thấp của bộ hạn chế và chắc chắn rằng tạp điốt khi cấp thiên áp ngược không đáng kể, vì chúng tác động trực tiếp vào hệ số tạp của máy thu.
Hình 2.5 mô tả một bộ hạn chế sử dụng 2 điốt PIN mắc sơn cách nhau 1/4 bước sóng. Thiết kế chú trọng việc giảm tổn hao mức thấp bằng cách sử dụng một đường truyền trở kháng thấp. Tụ mica nối tiếp cùng với vách ngăn cảm ứng điều chỉnh để bảo đảm điện cảm ngoài. Mức hạn chế và tổn hao của thiết bị này được mô tả trong hình 2.6. Nó có thể bảo vệ công suất tới 1 kW liên tục hoặc 100 kW đỉnh đối với xung ngắn hơn 25 μs, khi ống sóng toả nhiệt tốt.
Cửa số điện áp cố định Cửa sổ điện áp có thể
dịch chuyển
RF out RF in
Điốt PIN
Xung chuyển
mạch
Hình 2.5: Bộ hạn chế sử dụng 2 điốt PIN mắc sơn cách nhau 1/4 bước sóng.
Nếu cần thiết kế bộ hạn chế điốt PIN bảo đảm chịu công suất tương đương với đèn cặp nhả điện, phải sử dụng vài điốt mắc song song. Một thiết bị như vậy sử dụng 8 điốt mắc sơn trên đường cáp đồng trục 25 Ω, với các điốt được sắp xếp quanh dây lõi như những chiếc nan hoa của bánh xe. Trong trường hợp này, Z0 phải đủ lớn để giảm nhiệt điốt khi có xung cao tần (với công suất 1 MW đỉnh, độ rộng
xung 15 μs), nhưng Z0 không được quá lớn để ngăn tổn hao thiên áp ngược vượt quá 0,5 dB.
Hình 2.6: Mức hạn chế (a) và tổn hao (b) của bộ hạn chế.
2.1.2.3. Bộ hạn chế điốt PIN giả tích cực (quasi - active)
Nhược điểm lớn của bộ hạn chế chuyển mạch điốt PIN là có khả năng làm hỏng máy thu khi mạch điều khiển thiên áp hỏng. Mạch mô tả trong hình 2.7 khắc phục nhược điểm này bằng cách tách sóng một phần tín hiệu RF đến và sử dụng nó để tạo thiên áp thuận cho điốt PIN. Transistor cho phép đưa thiên áp ngược đến điốt và bằng cách đó giảm thiểu tổn hao mức thấp khi không có tín hiệu mức cao. Nếu mạch thiên áp ngược này hỏng, thiệt hại duy nhất là tăng tổn hao từ 0,1 dB đến 1 dB.
Hình 2.7: Bộ hạn chế giả tích cực sử dụng điốt PIN.
Đầu vào
D1
2 điốt D1, D2 mắc sơn trên mạch vi
R4 dải
T
R5
+30V
D2
R2
Đièt R3
tách sóng
R1
Đầu ra
D
Bộ ghép
2.1.2.4. Bộ hạn chế Varactor PIN
Những bộ hạn chế điốt PIN, dù là loại chuyển mạch tích cực hoặc giả tích cực, yêu cầu thời gian đến 1 μs trước khi đạt được bảo vệ hoàn toàn; thời gian chính xác phụ thuộc vào khả năng nạp điện nhanh của miền I. Công suất lọt sẽ giảm nếu điốt PIN có thể chuyển mạch trước khi tín hiệu có công suất cao đến, nhưng trong trường hợp hạn chế giả tích cực không thể ngăn chặn đỉnh xung rò và cần đưa vào một điốt hạn chế varactor hoạt động nhanh cách sau điốt PIN một khoảng λ/4. Hình 2.8 mô tả đặc tuyến công suất đầu vào -đầu ra của bộ hạn chế kiểu này.
Hình 2.8: Đặc tuyến công suất đầu ra của bộ hạn chế giả tích cực.
2.1.2.5. Một số mô hình bộ hạn chế công suất đã sử dụng trong thực tế [22]
Hình 2.9 mô tả một số chuyển mạch sử dụng điốt PIN mắc sơn. Hình 2.9a và b được sử dụng rộng rãi nhất và dễ dàng thực hiện trong bất kỳ hệ thống đường truyền nào. Tần số cắt của bộ lọc thông thấp được xác định bởi sườn lên của xung điều khiển ngắn nhất và nên dùng khi yêu cầu cách ly cao giữa đường cao tần và bộ điều khiển. Trong khoảng sườn lên của xung điều khiển, tần số cắt khoảng 400 MHz. Các bộ lọc đường cao tần có thể được thông ở mức cao cho chuyển mạch băng rộng cũng như băng thông cho chuyển mạch băng hẹp. Ở hình 2.9b, tụ dự trữ năng lượng, C1, hoạt động như bộ lọc thông thấp nguồn xung và đất của cao tần.
Lọc thông cao hoặc thông dải
Lọc thông cao hoặc thông dải Lọc thông thấp
VP
VRF Z0
Z0
Điốt chuyển mạch
. .
Lọc thông cao hoặc thông dải
Lọc thông cao hoặc thông dải
VRF Z0
Z0
Điốt chuyển mạch
.
.
VP
ZP
ZP
L
.
C1 a.
b.
Lọc thông cao hoặc thông dải
Lọc thông cao hoặc thông dải
VRF
Z0
Z0
Tải hình nêm
VP
ZP
Điốt chuyển mạch
.
c.
Chuyển mạch vòng
Hình 2.9: Một số mô hình bộ hạn chế công suất sử dụng trong thực tế.
Thiết kế các bộ lọc thông cao phụ thuộc vào mức rò cho phép của xung điều khiển. Nếu có sự khác nhau nhiều giữa tần số cắt của bộ lọc thông thấp và tín hiệu cao tần, thường chỉ cần ghép điện dung để giảm sự rò đến mức chấp nhận được.
Một vấn đề thường gặp với thiết kế cơ bản trong hình 2.9a là khi hoạt động ở băng rộng, khó thực hiện sự cách ly cao của tín hiệu cao tần với đường điều khiển. Sơ đồ như hình 2.9c tạo được sự cách ly cao hơn khi đưa tín hiệu điều khiển vào đường cao tần. Ở đây, một tải hình nêm polyiron được sử dụng như một bộ lọc thông thấp để hoạt động như thiết bị đầu cuối băng rộng đối với tín hiệu cao tần.