Bộ KH & CN Bộ quốc phòng Trung tâm KhKt - CnQs Viện Rađa Đề tài độc lập cấp Nhà nớc: Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực siêu cao tần sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần và công nghệ gia công mạch dải. báo cáo khoa học Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ chuyển mạch điốt pin M số: ĐTĐL- 2005/28G Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Ngọc Minh 6715-3 11/01/2007 Hà Nội - 2007 Bản quyền 2007 thuộc Viện Rađa Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Viện trởng Viện Rađa trừ trờng hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu. Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN 1 mục lục Công thức tính toán một số đại lợng dùng trong báo cáo. 4 Bảng các từ viết tắt. 4 Mở đầu 5 Chơng I: Tổng quan về các điốt bán dẫn siêu cao tần. 6 1.1. Điốt cao tần. 6 1.1.1. Khái quát về các điốt bán dẫn siêu cao tần. 6 1.1.2. Mạch điện tơng đơng. 7 1.1.3. Hoạt động của điốt ở các tần số siêu cao. 8 1.2. Nghiên cứu một vài loại điốt siêu cao tần thờng gặp. 8 1.2.1. Điốt Tunnel. 8 1.2.2. Điốt biến dung-Varicap. 10 1.2.3. Điốt PIN. 12 1.2.4. Sơ lợc về bộ hạn chế công suất dùng điốt PIN. 14 1.3. Mạch tơng đơng của điốt PIN. 17 1.3.1. Mạch tơng đơng khi thiên áp ngợc. 17 1.3.2. Mạch tơng đơng khi thiên áp thuận. 19 Chơng II: Tổng quan các giải pháp thiết kế chế tạo bộ chuyển mạch siêu cao tần sử dụng điốt PIN. 20 2.1. Các dạng mắc điốt. 21 2.1.1. Điốt mắc shunt. 21 2.1.2. Điốt mắc nối tiếp. 25 2.2. Tổn hao ở công suất cao. 25 2.3. Các giới hạn của điốt. 28 2.3.1. Mức công suất và tốc độ chuyển mạch. 28 2.3.2. Giới hạn lý thuyết. 29 2.3.3. Tốc độ chuyển mạch của điốt PIN. 30 2.4. Độ lớn công suất xung mà một điốt PIN có thể xử lý. 33 2.5. Độ méo tín hiệu thấp ở chuyển mạch điốt PIN sử dụng dụng cụ lắp ráp bề mặt (SMD). 40 2.5.1. Các loại méo thờng gặp. 40 2.5.2. Khảo sát điốt PIN. 43 2.6. Dải thông của bộ chuyển mạch điốt PIN. 44 Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN 2 Chơng III: Tổng quan về mạch dải siêu cao tần. 45 3.1. Mạch dải và các tham số cơ bản của mạch dải. 45 3.1.1. Phân loại mạch dải. 45 3.2. Mạch vi dải. 47 3.2.1. Cấu trúc hình học của đờng truyền vi dải. 47 3.2.2. Tạo phơng thức. 48 3.2.3. Các tham số cơ bản. 49 3.2.4. Sự phân tán trong đờng truyền vi dải. 52 3.3. Các linh kiện cơ bản dùng trong mạch vi dải. 54 3.3.1. Tính toán cho tụ điện. 55 3.3.2. Tính toán cho điện trở. 55 3.3.3. Tính toán cho điện cảm. 56 Chơng IV: Tính toán và thiết kế chế tạo bộ chuyển mạch điốt PIN. ứng dụng làm bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu Rađa P-37. 57 4.1. Nguyên tắc thiết kế chuyển mạch. 57 4.1.1. Chuyển mạch SPDT cho dải 0,5 đến 4,0 GHz. 57 4.1.2. Quá trình thiết kế bộ lọc chuyển mạch đa đờng. 59 4.1.3. Những yêu cầu điều khiển cơ bản. 62 4.1.4. Xem xét chuyển mạch. 63 4.1.5. Hạn chế mạch thiên áp. 64 4.2. Bộ hạn chế siêu cao tần bằng bán dẫn. 65 4.2.1. Bộ hạn chế varactor. 66 4.2.2. Bộ hạn chế đíôt PIN. 68 4.2.3. Bộ hạn chế điốt PIN giả tích cực. 70 4.2.4. Bộ hạn chế varactor-PIN. 71 4.2.5. Tổng kết. 71 4.3. Một số mô hình và mạch đã sử dụng trong thực tế. 72 4.3.1. Sơ đồ khối của một bộ hạn chế công suất. 72 4.3.2. Chuyển mạch SPDT- Mô hình chuyển mạch giảm méo. 73 4.3.3. Mở rộng dải thông của bộ chuyển mạch điốt PIN (SPDT) mắc shunt. 76 4.4. Tính toán thiết kế cho mạch thực tế. 79 4.4.1. Vị trí bộ hạn công suất trong Rađa. 79 Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN 3 4.4.2. Bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu. 81 4.4.3. Thiết kế khối xung điều khiển. 82 4.4.4. Thiết kế bộ chuyển mạch điốt PIN 85 Kết luận. 86 Tài liệu tham khảo 87 Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN 4 Công thức tính một số đại lợng dùng trong báo cáo và bảng tần số. Hệ số phản xạ: 0 0 ZZ ZZ L L + = Hệ số truyền dẫn T: + = 1 T Tổn hao phản hồi (Return Loss - RL): = lg20RL [dB] Hệ số tổn hao chèn (Insersion Loss - IL): ]lg[20 TIL = [dB] Hệ số sóng đứng (SWR): + = 1 1 SWR Bảng tần số: VHF 3 - 30 kHz L 1 - 2 GHz LF 30 - 300 kHz S 2 - 4 GHz MF 0,3 - 3 MHz C 4 - 8 GHz HF 3 - 30 MHz X 8 - 12 GHz VHF 30 - 300 MHz Ku 12 - 18 GHz UHF 0,3 - 3 GHz K 18 - 27 GHz SHF 3 - 30 GHz Ka 27 - 40 GHz U 40 - 60 GHz Bảng các từ viết tắt: cw: Continous Wave: Sóng liên tục. DUT: Device Under Test: Đối tợng kiểm tra. IMPATT: IM Pact Avalanche Transit-Time Diode. MIC: Micro IC. PCB: Printed Circuit Board: Bo mạch in. RF: Radio Frequency: Tần số vô tuyến. SMD: Surface Mount Divice: Dụng cụ lắp ráp bề mặt. SPDT: Single Pole - Double Throw: Một cực hai đầu ra. Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN 5 Mở đầu Ngày nay, khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật vô tuyến điện nói riêng phát triển rất mạnh mẽ. Các thiết bị vô tuyến điện làm việc ở dải sóng siêu cao tần đợc sử dụng trong các lĩnh vực nh: thông tin sóng ngắn, thông tin tiếp sức, thông tin vệ tinh, truyền hình, truyền số liệu, rađa, chiến tranh điện tử, đã có những bớc tiến lớn và có nhiều ứng dụng rộng rãi trong quân sự và đời sống. Trong khi đó, nớc ta hiện nay sử dụng phổ biến các thiết bị ở dải sóng siêu cao tần đã lạc hậu so với thế giới. Một vấn đề đặt ra là phải cải tiến nâng cao chất lợng của các thiết bị đó đáp ứng kịp thời yêu cầu của cuộc sống sản xuất và chiến đấu hiện đại. Cùng với sự ra đời của nhiều linh kiện bán dẫn chất lợng cao làm việc ở dải sóng siêu cao tần, cho phép bán dẫn hoá từng bộ phận, từng khối của thiết bị để nâng cao độ tin cậy, giảm kích thớc, trọng lợng, phải phù hợp với điều kiện gia công cơ khí ở nớc ta để góp phần nâng cao tính năng cũng nh khả năng hoạt động cho các thiết bị vô tuyến dân sự và quân sự. Trong kỹ thuật siêu cao tần có một vấn đề hay gặp là thiết kế các bộ chuyển mạch tốc độ cao, nó có chức năng dẫn hoặc ngăn tín hiệu đến những cổng mà chúng ta mong muốn. Công nghệ vi dải là công nghệ mới, bằng việc sử dụng kỹ thuật bay hơi trong chân không và kỹ thuật ăn mòn cho phép sản xuất mạch có độ chính xác cao, dễ sản xuất hàng loạt (bằng phơng pháp tự động), mạch có kích thớc bé (cả thể tích và trọng lợng), có khả năng tơng thích với quy trình mạch tích hợp, phạm vi trở kháng đặc trng hợp lý, tổn hao thấp, dải thông tơng đối rộng, nhng nó có giới hạn về mức công suất tơng đối thấp so với ống dẫn sóng. Vì vậy, nó thờng đợc ứng dụng nhiều hơn trong các linh kiện thụ động nh: bộ chuyển mạch, bộ suy hao, bộ lọc, bộ cộng/chia, bộ định hớng và bộ di pha. Thiết kế, chế tạo bộ chuyển mạch trên mạch vi dải đòi hỏi phải tính toán các tham số thiết kế và quá trình gia công chính xác. Nếu không tính toán và thiết kế chính xác thì sẽ không đảm bảo đ ợc độ cách ly giữa các cổng; cũng nh làm tăng tổn hao giữa các cổng cần thông suốt; dẫn đến không đạt mức yêu cầu và thờng làm rối loạn chức năng của hệ thống. Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN 6 Chơng I: Tổng quan về các điốt bán dẫn siêu cao tần. 1.1 Điốt cao tần: Trớc hết, chúng ta tìm hiểu xem điốt siêu cao tần có khác gì so với điốt thờng. Điốt thuộc loại linh kiện tích cực. Các phần tử này có thể đợc sử dụng với các chức năng khác nhau nh: tách sóng, trộn, tạo năng lợng điều khiển tín hiệu, nh khả năng điều khiển suy hao bằng điện tử, di pha, và chuyển mạch. 1.1.1 Khái quát về các điốt bán dẫn siêu cao tần: Điốt bán dẫn siêu cao tần đợc phân thành: Điốt Varistor là các điốt có điện trở biến đổi. Điốt Varactor là các điốt có điện dung biến đổi. Điốt có trở kháng có thể điều khiển đợc (điốt PIN hoặc điốt Plasma). Điốt có trở kháng âm. +> Điốt Varistor (bao gồm các điốt có tiếp xúc điểm, điốt nghịch đảo và đa số điốt có hàng rào Schottky) đợc dùng để tách sóng, biến đổi dới, giải điều chế, bộ hạn chế tốc độ cao hoặc chỉnh lu. +> Điốt Varactor do có điện dung phi tuyến thay đổi đợc khá mạnh, tổn hao nhỏ hơn nhiều so với Varsito nên đợc dùng làm: bộ dao động sóng hài, bộ điều chế hoặc biến đổi trên, các bộ khuếch đại có tạp âm bé, tạo dao động và tạo xung. +> Điốt có trở kháng điều chỉnh đợc: Độ dẫn điện của các điốt này hoàn toàn tỷ lệ thuận với số lợng các hạt mang điện không cơ bản đợc tích luỹ. Các điốt này ở dải sóng siêu cao tần có trở kháng tựa tuyến tính, giá trị của nó có thể điều khiển đợc bằng thiên áp một chiều hoặc thiên áp âm tần ngoài. Chúng đợc dùng ở đảo mạch siêu cao tần, bộ quay pha, bộ hạn chế công suất, bộ điều chế siêu cao tần công suất, các bộ suy giảm biến đổi để điều khiển biên độ tín hiệu. +> Điốt siêu cao tần có trở kháng âm. Hiện nay chủ yếu dùng để khuếch đại và tạo dao động siêu cao tần. Có ít nhất 3 loại tuỳ thuộc vào hiệu ứng đờng hầm (điốt Tunnel), hiệu ứng tạo thành thác lũ khi ion hoá do va chạm và thời gian bay (đíôt Impatt, điốt Barrit) và hiệu ứng Gunn (điốt Gunn). Điốt Tunnel do có tập âm bé nhng vì công suất ra rất nhỏ, tần số làm việc không cao nên đợc dùng chủ yếu làm ngoại sai tại chỗ cho các máy thu ngoại [...]... thiết kế trên nền mạch dải là vì: mạch dải dễ dàng chế tạo và đặc biệt gọn nhẹ hơn nhiều so với sử 16 Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN 1.3.1 Mạch tơng đơng khi thiên áp ngợc: Sử dụng mạch tơng đơng khi thiên... thái thiên áp ngợc và chỉ ra rằng, thậm chí ở tần số siêu cao tần rất cao, có thể dùng điốt bán dẫn trong chuyển mạch 19 Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN Chúng ta xem xét các vấn đề của điốt mắc shunt trên... Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN Dòng trong điốt PIN đợc tạo bởi sự tái hợp hạt mang điện tích trong miền I Các ảnh hởng của sự khuếch tán và sự trôi đợc miêu tả theo quy luật của điốt Trong bán dẫn, mật... 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN Giá trị của R thay đổi từ 0,5 đến 10k Điện áp đánh thủng của điốt PIN là tơng đối lớn: từ vài trăm vôn đến vài nghìn vôn Nhiệt độ cho phép cực đại Tmax 1500C * Nh vậy có 2 cách dùng điốt PIN. .. mạch tơng đơng của điốt không thay đổi khi tăng công suất cao tần- một tiền đề không luôn luôn đúng Lấy ví dụ, nếu biên độ điện 28 Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN áp cao tần vợt quá điện áp đánh thủng, điốt. .. rằng, độ cách ly sẽ giảm không đáng kể theo tần số Đối với mô hình đơn giản đợc 24 Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN xem xét ở đây, một vài biện pháp cải tiến có thể đợc thực hiện bằng cách sử dụng điốt có... phức tạp hoá thêm, kết hợp với biểu thức chính xác cao sẽ không cung cấp một hiểu biết đáng kể về hoạt động của chuyển mạch Rõ ràng, trong những ứng 18 Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN dụng mà điều kiện của... áp cao tần ở trạng thái tổn hao chèn VVISO: RF Voltage at Isolation: Điện áp cao tần ở trạng thái cách ly 31 Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch điốt PIN tiên bởi dòng thiên áp thuận, If Nếu thiên áp thuận đặt vào thiết. .. công suất cao của bộ hạn chế kiểu mắc nối tiếp đợc quyết định bởi công suất phản xạ trong quá trình hạn chế Nếu trở kháng điốt là: Z = R F + jX L , thì độ cách ly kiểu mắc nối tiếp N là: 26 Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển. .. dùng điốt PIN: Thực tế bộ hạn chế công suất là một dạng của bộ chuyển mạch Các bộ chuyển mạch có thể đóng ngắt nhiều cổng cao tần với nhau; còn bộ hạn chế công suất chỉ thực hiện trên hai cổng mà thôi Việc sử dụng các điốt PIN để hạn chế công suất siêu cao tần, dùng điốt PIN nh một bộ bảo vệ siêu cao tần đã đợc nghiên cứu rộng rãi Các điốt PIN đã đợc đa vào làm các bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu Điốt . 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển. Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển mạch. 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ chuyển