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 nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ cộng chia công suất
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.1 MB, 64 trang )
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 tổng kết chuyên đề
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo
các bộ cộng/chia công suất
M số: ĐTĐL- 2005/28G
Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Ngọc Minh
6715-2
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 cộng/chia công suất
1
mục lục
Lời nói đầu 3
Chơng I: Tổng quan về các bộ cộng / chia công suất 4
1.1. Khái quát chung 4
1.2. Các bộ cộng hốc cộng hởng 5
1.2.1. Bộ cộng hốc cộng hởng ống dẫn sóng HCN 7
1.2.2. Bộ cộng hốc cộng hởng hình trụ 13
1.3. Các bộ cộng lai và ghép chuỗi (Bộ cộng tổng hợp) 14
1.3.1. Bộ cộng lai (Bộ cộng Hybrid) 14
1.3.2. Bộ cộng ghép chuỗi 19
1.4. Các bộ cộng không cộng hởng-N đờng 20
1.4.1. Bộ cộng Wilkinson và đờng tia 20
1.4.2. Bộ cộng ống dẫn sóng hình nón 21
1.4.3. Bộ cộng Rucker 23
1.5. Các bộ cộng mức chip 24
1.6. Các bộ cộng trong không gian 25
1.7. Bộ cộng đa mức 27
1.8. Các kỹ thuật cộng khác 28
1.8.1. Bộ cộng ống sóng dẫn điện môi 28
1.8.2. Bộ cộng đẩy-kéo 29
1.8.3. Bộ cộng mạch cộng hởng CAP - mũ 30
1.8.4. Bộ cộng ống dẫn sóng planar 31
1.8.5. Bộ cộng phân bố 31
1.8.6. Cộng công suất hài 32
1.9. Kết luận 32
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 cộng/chia công suất
2
Chơng II: Một số giải pháp cộng / chia công suất ở dải
sóng cm thờng sử dụng trong thực tế 34
2.1. Thiết kế bộ cộng công suất bốn điốt băng X dùng điốt Gunn 34
2.1.1. Bộ cộng công suất và các đặc trng 36
2.1.2. Những kết luận rút ra qua đỉều chỉnh thực nghiệm 37
2.2. Cấu trúc bộ cộng/chia công suất kiểu ống sóng nhiều cổng 39
2.2.1. Thiết kế bộ cộng/chia công suất tối u 40
2.2.2. Phân tích đặc tính kỹ thuật của bộ chia 43
2.2.3. Phân tích đặc tính kỹ thuật của bộ cộng 47
2.3. Bộ cộng công suất trong không gian 20 W trên ống sóng 51
2.3.1. Khái niệm 51
2.3.2. Hiệu năng công suất đợc cộng 52
2.3.3. Các kết quả đo 54
2.3.4. Thiết kế bộ cộng công suất 56
2.4. Thiết kế bộ cộng/chia công suất kiểu Wilkinson trên mạch dải 57
2.5. Thiết kế bộ cộng chia công suất 3 GHz cho ra đa 37 57
2.5.1. Giới thiệu chung về đài ra đa 37 57
2.5.2. Tham số kỹ thuật chính của ra đa 37 58
2.5.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của bộ cộng/chia công suất 58
2.5.4. Lựa chọn kiểu loại vật liệu mạch in 58
Kết luận 61
Tài liệu tham khảo 62
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 cộng/chia công suất
3
Lời nói 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 làm việc ở dải sóng siêu cao tần
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, quân đội
ta hiện đang 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 chiến tranh 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 sẵn sàng chiến đấu cho quân đội ta.
Trong kỹ thuật siêu cao tần một vấn đề hay gặp là thiết kế các bộ cộng/
chia công suất (Combiner/Splitter), nó có chức năng cộng /chia các nguồn phát
để tạo ra các mức công suất khác nhau đáp ứng yêu cầu làm việc giữa các modun
(hoặc khối) trong một thiết bị hoặc giữa các thiết bị trong một hệ thống.
Việc thiết kế chế tạo các bộ cộng/chia công suất 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 xuất hiện sóng phản xạ công suất từ đầu ra trở lại đầu vào của bộ
cộng/chia, sự cách ly giữa các đầu ra không đảm bảo gây ảnh hởng lẫn nhau, do
vậy công suất tại các đầu ra sẽ không đạt mức yêu cầu và thờng làm rối loạn
chức năng của hệ thống. Đề tài: "Tổng quan các phơng pháp thiết kế các bộ
cộng/ chia công suất ở dải sóng siêu cao tần" trình bày một cách khái quát về các
kỹ thuật cộng/chia công suất ở dải sóng siêu cao tần nh các bộ cộng mức chip,
các bộ cộng mức mạch, các bộ cộng không gian và các bộ cộng đa mức (kết hợp
3 bộ cộng trên) đồng thời cũng trình bày giải pháp thực hiện một số bộ cộng/chia
công suất dải sóng cm hiện đang sử dụng trong thực tế nh bộ cộng công suất
trên ống sóng và bộ cộng/ chia công suất trên mạch dải
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 cộng/chia công suất
4
Chơng i
Tổng quan về các bộ cộng / chia công suất
1.1. Khái quát chung
Trong dải sóng siêu cao tần các bộ cộng công suất đợc ứng dụng trong
dải sóng mét, centimét và milimét. Các linh kiện tích cực trong bộ cộng thờng
là các điốt Gunn hoặc điốt IMPATT, mặc dù trong tơng lai các thiết bị 3 đầu
cuối (three-teminal) có thể đợc phát triển cho dải sóng milimét.
Do yêu cầu đòi hỏi ngày càng cao đối với các hệ thống rađa và các hệ
thống thông tin ở dải sóng centimét và dải milimét cần phải có các máy phát bán
dẫn công suất cao. Các hệ thống sóng milimét này có thể có anten nhỏ hơn, cung
cấp độ rộng dải tần lớn hơn và độ phân giải tốt hơn so với các hệ thống sóng siêu
cao tần. Hiện tại, đèn sóng chạy (TWT) vợt trội hơn các bộ khuếch đại và máy
phát bán dẫn về công suất đầu ra hoặc về hiệu suất (Tuy nhiên, các thiết bị bán
dẫn có độ tin cậy cao hơn, kích thớc và trọng lợng nhỏ hơn, đòi hỏi nguồn
điện áp thấp). Công suất đầu ra từ một thiết bị bán dẫn đơn sẽ đợc giới hạn chủ
yếu bởi các vấn đề về nhiệt và trở kháng. Để đáp ứng sự đòi hỏi của một số hệ
thống thì cần thiết phải cộng công suất để đạt đợc mức công suất cao. Các
phơng pháp cộng công suất đợc trình bày trên hình 1.1. Các phơng pháp này
chủ yếu đợc chia làm 4 loại [6]:
Các bộ cộng mức chip.
Các bộ cộng mức mạch.
Các bộ cộng không gian.
Các bộ cộng đa mức ( kết hợp 3 bộ cộng trên ).
Các bộ cộng mức mạch có thể đợc chia tiếp ra làm hai loại: bộ cộng cộng
hởng và không cộng hởng.
Các bộ cộng cộng hởng bao gồm kỹ thuật cộng trong hốc cộng hởng
hình chữ nhật hoặc trong hốc cộng hởng ống dẫn sóng hình trụ.
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 cộng/chia công suất
5
Hình 1.1. Các kỹ thuật cộng khác nhau
Kỹ thuật cộng không cộng hởng bao gồm: bộ cộng ghép lai (hybrid), bộ
cộng ống dẫn sóng hình nón, bộ cộng đờng-tia, bộ cộng hởng ghép chuỗi và
bộ cộng kiểu Wilkinson.
Trong vài thập kỷ qua ngời ta đã chế tạo thành công các bộ cộng hốc
cộng hởng đến 220GHz cho các ứng dụng dải hẹp. Các bộ cộng không cộng
hởng đã đợc phát triển trong các hệ thống dải rộng đến tần số 60GHz và các
bộ cộng ghép lai là loại hay đợc sử dụng nhất.
1.2. Các bộ cộng hốc cộng hởng
Bộ cộng hốc cộng hởng đầu tiên đợc Kurokawa và Magathaes đa ra là
bộ cộng công suất 12 điốt làm việc là ở băng-X [7]. Mạch gồm một hốc cộng
hởng ống dẫn sóng chữ nhật với các điốt đợc cắm trong các môdun gắn điốt
dạng ống dẫn sóng trục đợc ghép ngang trong thành ống dẫn sóng.
Các k
ỹ
thuật cộn
g
Bộ cộng
mức chip
Bộ cộng
mức mạch
Bộ cộng
không gian
Bộ cộng
đa mức
Bộ cộng khác:
- ống dẫn sóng
điện môi.
- Đẩy kéo.
- Hốc cộng
hởng chóp.
- Mạch phân bố
- Điều hoà.
Bộ cộng
hốc cộng hởng
Bộ cộng
không cộng hởng
Bộ cộng
hốc cộng
hởng
hình chữ
nhật
(HCN)
Bộ
cộng
hốc
cộng
hởng
hình trụ
Bộ
cộng
N
đờng
Bộ
cộng
tổng
hợp
Bộ cộng
ống dẫn
sóng
hình nón
Bộ cộng
đờng -tia
Bộ cộng
Wilkinson
Bộ cộng
ghép lai
Bộ
cộng
ghép
chuỗi
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 cộng/chia công suất
6
Kurokawa đã phát triển lý thuyết mạch dao động và chỉ ra cấu hình mạch
dao động tạo đợc dao động ổn định không phụ thuộc vào vấn đề mode đa-điốt
[7]. Sau đó Harp và Stover đã chỉnh lại cấu hình bộ cộng bằng cách thay hốc ống
dẫn sóng cộng hởng hình chữ nhật bằng hốc ống dẫn sóng cộng hởng hình trụ
nhằm tăng thêm mật độ gá lắp để có thể cộng đợc số lợng điốt nhiều hơn trong
một thể tích nhỏ [8]. kỹ thuật cộng này đã đợc sử dụng để xây dựng các bộ
cộng công suất bán dẫn cho các ứng dụng khác nhau.
Các bộ cộng có thể đợc sử dụng nh một bộ dao động, bộ khuyếch đại
khoá-tiêm, hoặc bộ khuyếch đại ổn định.Trong trờng hợp các bộ khuyếch đại
khoá-tiêm thì dải tần khoá đã chuẩn hoá
0
2
f
f
có liên hệ một cách gần đúng với
hệ số khuếch đại công suất
L
P
P
0
nh sau:
2/1
0
0
22
=
Le
P
P
Qf
f
(1.1)
Trong đó: + f
0
: là tần số dao động tự do;
+
f: là độ rộng băng khi khoá một bên;
+ P
0
: là công suất bộ dao động tự do;
+ P
L
: công suất tín hiệu khoá-tiêm.
Trong đa số các trờng hợp, Q
e
có giá trị thay đổi trong khoảng từ 20 đến
100 và
L
P
P
0
thay đổi từ 10 đến 20 dB. Do đó dải tần khoá thay đổi trong
khoảng từ 0,2 đến 3%.
Bộ cộng hốc cổng hởng có các u điểm sau:
- Hiệu suất cộng nói chung cao, vì các đầu ra công suất của các thiết bị sẽ
cộng trực tiếp không có tổn hao đờng dẫn.
- Bộ cộng hốc cộng hởng có khả năng cộng đợc một số các điốt đạt tới
300GHz.
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 cộng/chia công suất
7
- Các bộ cộng có kích thớc nhỏ, gọn và đợc sử dụng cho việc xây dựng
khối đối với các bộ cộng đa mức.
- Tạo ra sự cách ly giữa các điốt nhằm tránh sự thay đổi trở kháng qua lại
do việc ghép kiểu hốc cộng hởng.
Nhợc điểm của các bộ cộng hốc cộng hởng:
- Độ rộng dải tần bị giới hạn nhỏ hơn một vài %, mặc dù một vài kỹ thuật
đã đợc đa ra để giảm hệ số phẩm chất Q của mạch nhng nh vậy độ
rộng dải tần cũng tăng lên không đáng kể [5].
- Số lợng các điốt đợc cộng trong một hốc đợc giới hạn bởi vấn đề về
mode, từ đó số lợng mode sẽ tăng lên cùng với kích thớc hốc.
- Sự điều chỉnh về điện hoặc về cơ khí là khó.
1.2.1. Bộ cộng hốc cộng hởng ống dẫn sóng HCN
Các giải pháp cộng này thờng đợc áp dụng ở dải sóng dm, cm và mm.
a. Giới thiệu chung
Các bộ cộng hốc cộng hởng ống dẫn sóng hình chữ nhật đã đợc
Kurokawa và Magalhaes mô tả nh hình 1.2.
Hình 1.2. Mặt cắt ngang và cấu hình bộ cộng ống dẫn sóng Kurokawa
Mỗi điốt đợc cắm ở một đáy của một đờng đồng trục. Đờng đồng trục
đã đợc ghép từ trờng tại thành bên của hốc ống dẫn sóng. Một đầu của đờng
đồng trục đợc tải bằng một bộ hấp thụ hình nêm nhằm làm ổn định dao động.
Để ghép phù hợp vào hốc ống dẫn sóng, các mạch đồng trục cần phải đặt vào vị
Điốt Tới tải
g
/4
g
/2
Hốc ống dẫn sóng
Bộ biến đổi
/4
Tới nguồn
thiên áp
g
/4
g
/2
g
/4
Từ trờng
Chất dẫn ở tâm
đờng đồng trục
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 cộng/chia công suất
8
trí từ trờng cực đại của hốc. Do đó, các cặp điốt cần phải cách nhau một nửa
bớc sóng (
2
g
) dọc theo ống sóng (hình 1.2).
Hốc cộng hởng đợc tạo thành bởi cửa sổ điện cảm và pittông ngắn
mạch. Sử dụng mạch này có thể nhận đợc công suất trung bình là 10,5W ở tần
số 9,1GHz với hiệu suất là 6,2% bằng cách cộng 12 điốt IMPATT. Để tăng dung
lợng điốt, có thể đặt 2 hoặc nhiều điốt trên cả phía từ trờng yếu nh đợc thấy
ở hình 1.3 [5].
Hình 1.3. Mạch dung lợng 2 điốt của Kurokawa đã đợc thay đổi
Mạch tơng đơng đợc đơn giản hoá của bộ cộng gần tần số cộng hởng
của hốc đợc mô hình hoá nh hình 1.4. R, L, C dùng để mô tả hốc cộng hởng.
N
1
, N
2
, N
N
là các hệ số ghép giữa mỗi môdun đồng trục và hốc. R
0
mô tả điện
trở Eccosorb và dẫn nạp của linh kiện Y
D
. Đối với một hốc cộng hởng HCN thì
tần cộng hởng cho bởi:
222
,,
222
.
2
1
+
+
=
d
q
b
p
a
n
f
pnm
à
(1.2)
Trong đó:
+ a: Độ rộng ống dẫn sóng (trục x); b: Độ cao ống dẫn sóng (trục y);
+ c: Độ dài hốc cộng hởng (trục z), với các số lẻ tơng ứng (số mode)
m, n, p.
Điốt
/4
/2
Phân bố biên
độ từ trờng
Bộ biến đổi /4
Thiên áp
Bộ hấp thụ
hình nêm
Hốc ống
dẫn sóng
-
-
Cửa sổ
điện cảm
g
/4
g
/4
g
/2
Ghép đôi
môdun
Pít tông
ngắn mạch
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 cộng/chia công suất
9
Hình 1.4. Mạch tơng đơng của bộ cộng hốc cộng hởng
Các tần số hốc cộng hởng có thể đợc tính toán một cách dễ dàng khi các
kích thớc hốc cộng hởng đợc cho trớc. Hốc sẽ đợc thiết kế sao cho các
mode lân cận rơi vào vùng tần số mong muốn sẽ có giãn cách tha. Ví dụ: ở
94GHz với a = 0,1; b = 0,05; nếu c = 1,5
g
thì 3 mode rơi vào dải từ 70GHz đến
120GHz mà trong dải này các điốt IMPATT có điện trở âm (xem bảng 1.1).
Giãn cách các mode xấp xỉ 20GHz. Nếu c = 3
g
thì sẽ có 6 mode và giãn cách
giữa các mode xấp xỉ 10GHz.
Bảng 1.1. Các tần số cộng hởng của một hốc cộng hởng băng-w
Khi tăng độ dài hốc, giãn cách giữa các mode sẽ giảm và khi đó cùng
một lúc nhiều mode đợc kích thích, thì về thực chất sẽ làm giảm hiệu suất cộng.
Các môdun đợc ghép ở thành bên có thể đợc u tiên sắp xếp. Tuy nhiên, các
môdun ghép ở thành bên có thể đặt tuỳ ý sao cho kích thích chỉ ở mode mong
muốn.
n = 1 m = 0
c
p = 1 p = 2 p = 3 p = 4 p = 5 p = 6 p = 7 p = 8
c = 1,5
g
63,89 76,58 94 114 135,45 157,75 180,59 203,78
c = 3
g
60,30 63,89 69,46 76,58 84,87 94 103,77 114
f(GHz)
out
p
ut
N:1
C
L
R
L
2
L
2
L
1
L
1
R
0
R
0
-Y
1D
-Y
nD
N
1
:1
N
n
:1
Môdun ống dẫn sóng
đồng trụ ghép ngang
Điốt
Hốc cộng hởng
Bộ hấp thụ Eccosorb
.
.
.
.
.
.
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 cộng/chia công suất
10
Bộ cộng xây dựng theo khối có một cấu trúc gá điốt ống dẫn sóng đồng
trục ghép ngang. Levin đã tiến hành phát triển đầu tiên phân tích lý thuyết cấu
trúc này [9]. Khi thiết kế bộ cộng công suất các mạch tơng đơng của các bộ
cộng đã đợc Chang và Ebert sửa đổi và đợc kiểm tra bằng thực nghiệm [5].
Khối cấu thành bộ cộng là một cấu trúc gá điốt ống dẫn sóng đồng trục ghép
ngang. Một cấu trúc chung đã đợc chỉ ra trên hình 1.5 và mạch tơng đơng
của nó trên hình 1.6. Đờng đồng trục có các đờng kính khác nhau trên các mặt
cắt cao và mặt cắt thấp, Z
1
, Z
2,
Z
3
và Z
4
là các trở kháng tải ở mỗi đầu một cách
tơng ứng, Z
0
là trở kháng đặc trng của ống dẫn sóng, Z
01
và Z
02
là trở kháng
đặc trng của các đờng đồng trục.
p
Z
0
là một thành phần cảm kháng do thanh
(post) trong ống dẫn sóng đợc kích thích bằng mode
0n
TE .
'
và
p1
,
p2
tính
cho các ảnh hởng ở chỗ nối ống dẫn sóng đồng trục.
Hình 1.5. Cấu trúc gắn điốt ống dẫn sóng đồng trục
Với mạch tơng đơng này, trở kháng Z1N2 nhìn vào mạch tại vị trí điốt
có thể đợc tính toán bằng 3 cửa khác đợc tải Z
2
, Z
3
và Z
4
. Tỉ số công suất R
đợc định nghĩa bằng R
3
/ R
1
và đợc tính toán liên quan đến lợng công suất đi
đến tải so với lợng đợc tiêu tán ở tải đã đợc ổn định Z
1
. Mạch có thể đợc tối
u hoá để phối hợp trở kháng mạch với trở kháng điốt và làm giảm bớt công suất
tiêu tán trong mạch đã đợc ổn định.
Bộ hấp thụ Eccsorb (Z
1
) đợc đặt tại đầu cuối môdun đồng trục đối diện
với điốt, nó dùng để ổn định mạch cộng. Bộ hấp thụ Eccsorb có thể là hình nêm
để đạt đợc các mức trở kháng khác nhau. Một đầu cuối hoàn toàn hình nêm sẽ
cho ta hoạt động ổn định nhất, nhng trả giá là hiệu suất giảm bởi vì tiêu tán
A
d
1
d
2
d
a
b
A
a. Nhìn từ đỉnh.
2
l
1
l
3
l
4
l
Z1
Z2
Z3
Z4
2r
b. Nhìn từ cạnh.
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 cộng/chia công suất
11
công suất. Để nâng cao hiệu suất thì trở kháng tải cần phải đợc giảm sao cho
công suất tiêu tán trên tải nhỏ đi và công suất ghép ra ngoài ống dẫn sóng sẽ tăng
lên. Tuy nhiên, trở kháng tải thấp thì thờng dẫn đến ổn định kém. Việc sử dụng
bộ hấp thụ Eccsorb làm nêm hoàn toàn, một phần hoặc dạng phẳng sẽ tuỳ thuộc
vào các mức trở kháng điốt khác nhau, các yêu cầu của mạch và các ứng dụng.
Hình 1.6. Mạch tơng đơng của cấu trúc gắn điốt ống dẫn sóng đồng trục
Bộ cộng hốc cộng hởng HCN có thể dùng đối với chế độ làm việc liên
tục (CW) hoặc xung ngắn. Trong quá trình làm việc xung ngắn, tiêu tán nhiệt
của điốt thờng không phải là vấn đề nhng dạng xung của dòng thiên áp cho
mỗi điốt phải đợc điều chỉnh để giảm việc nhảy tần số mà ngợc lại làm tăng
hiệu suất cộng [5]. Mặt khác, công suất đầu ra chỉ đợc cộng một phần trong
khoảng thời gian có xung. Còn trong quá trình làm việc liên tục, tiêu tán nhiệt do
các điốt ở gần có thể là nguyên nhân khắt khe làm tăng nhiệt trên điốt nh vậy sẽ
làm giảm đi độ tin cậy. Điều khiển nhiệt và toả nhiệt phù hợp là các tham số
thiết kế xác định cần xem xét trong các bộ cộng tín hiệu liên tục (CW).
b. Các kết quả thực nghiệm
Từ khi có bộ cộng của Kurokawa rất nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung
nhằm cải thiện và áp dụng mạch trong dải tần siêu cao tần và sóng milimét.
Với điốt IMPATT hoạt động trong chế độ xung, một bộ cộng 2 điốt băng-
W đã đợc thực hiện tạo ra công suất 20,5W ở 92,4GHz với hiệu suất cộng 82%.
Các điốt làm việc với độ rộng xung 100-ns và chu kỳ 0,5%. Mỗi điốt tạo ra xấp
Z1
Z2
Z1N1
Z1N2
Z
op
Z
o1
Z
o2
Y
2p
Y
1p
1
l
2
l
Y
1:N
R
1
R
3
1
3
Z
0
Z
0
3
l
4
l
Z
3
Z
4
-jX
b
-jX
b
Z1N3
Z1N4
A
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 cộng/chia công suất
13
rộng dải tần trên 3GHz bằng việc cộng 4 điốt với công suất đầu ra riêng rẽ từ
125mW đến 150 mW [5]. Các điốt đã đợc gắn trên các góc của hốc cộng hởng
HCN làm việc trong mode TE
101
.
1.2.2. Bộ cộng hốc cộng hởng hình trụ
Các giải pháp cộng này thờng đợc áp dụng ở dải sóng dm, cm và mm,
đặc biệt khi phải cộng nhiều điốt với nhau.
Bộ cộng hốc cổng hởng hình trụ đợc Harp và Stover đa ra đầu tiên [8].
Bộ cộng hốc cổng hởng hình trụ nh hình 1.8, bao gồm một số các môdun đồng
trục giống nhau trên thiết bị ngoại vi của hốc cộng hởng hình trụ.
Công suất đầu ra đối với mỗi điốt sẽ đợc cộng bởi môdun đồng trục ghép
ngang và hốc cộng hởng hình trụ. Công suất đợc cộng sẽ đợc ghép tới tải
thông qua đầu dò cáp đồng trục trên hốc cộng hởng và đầu chuyển đổi ống dẫn
sóng. Sơ đồ cộng ở đây đã đợc thiết lập tốt và rất thành công ở dải tần số sóng
siêu cao tần do nó có kích thớc nhỏ và cấu trúc đối xứng. Tuy nhiên, ở tần số
cao hơn hốc cộng hởng hình trụ sẽ ít đáp ứng yêu cầu do các lí do sau đây:
- Giới hạn về mode, điều này đa đến việc cộng chỉ đợc một số lợng
nhỏ các điốt ở tần số cao bởi vì đờng kính của hốc cộng hởng ảnh hởng đến
số lợng các điốt trong bộ cộng hình trụ. Bằng việc tăng đờng kính hốc cộng
hởng sẽ bố trí đợc nhiều các điốt hơn, số mode trong một dải tần cho trớc
đờng đồng
trục
Từ
t
rờng
Thiên áp
Hốc bộ cộng
Bộ biến đổi
Đầu chuyển đổi ống dẫn
sóng - cáp đồng trục
Bộ xoay vòng
vào - ra
Hình 1.8. Bộ cộng hốc cộng hởng hình trụ
đờng đồng
trục
Phần tử đầu
cuối Eccosorb
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 cộng/chia công suất
14
cũng tăng lên nhanh chóng. Ngợc lại, hốc cộng hởng HCN có thể bố trí nhiều
điốt bằng cách tăng chiều dài của hốc nhng giữ nguyên hai kích thớc kia. Kết
quả là số mode bậc cao trong hốc cộng hởng HCN sẽ tăng chậm hơn. Một giải
pháp kỹ thuật để giải quyết vấn đề này là sử dụng hốc cộng hởng mode bậc cao
để nhận đợc bộ cộng có hiệu suất cao [8].
- Đầu dò đồng trục vào-ra rất khó chế tạo ở tần số cao và nó có thể hạn
chế độ rộng dải tần và hiệu suất cộng nếu nó không đợc thiết kế và chế tạo
chính xác. Với các lí do trên thì mọi nỗ lực chỉ giới hạn trong việc thực hiện
đợc bộ cộng hốc cộng hởng hình trụ ở tần số sóng milimét. Một bộ cộng 4 và
8 điốt đã đợc thực hiện ở 37GHz với công suất đầu ra 3,6W và 5W liên tục một
cách tơng ứng [5].
1.3. Các bộ cộng lai và ghép chuỗi (Bộ cộng tổng hợp)
1.3.1. Bộ cộng lai (Bộ cộng Hybrid)
Các giải pháp cộng này thờng đợc áp dụng ở dải sóng cm và mm.
Không giống nh các bộ cộng cộng hởng đợc mô tả ở phần 1.2, bộ
cộng lai (Hybrid) có khả năng cho độ rộng dải tần lớn (lớn hơn 5%), do vậy việc
thiết kế bộ cộng có thể đạt đợc mà không phụ thuộc vào đặc tính lai. Bộ ghép
lai cũng cung cấp sự cách ly tốt giữa các nguồn, nh vậy sự ảnh hởng lẫn nhau
của thiết bị và các vấn đề về tính không ổn định trong quá trình làm việc nhiều
thiết bị đợc giảm đến mức tối thiểu.Vì vậy, phơng pháp thiết kế đợc đa về
thiết kế mạch lai và thiết kế môdun điốt. Môdun điốt có thể là một mạch điốt
đơn hoặc một bộ cộng. Phần này bàn về môdun điốt đơn và phân cấp môdun
cộng nh sơ đồ cộng đa mức sẽ đợc bàn đến ở phần 1.7.
Sơ đồ khối của bộ cộng ghép lai 3-dB đợc thấy ở hình 1.9.
Hình 1.9. Sơ đồ khối bộ cộng ghép-lai
Nguồn
(I)
Nguồn
(II)
đầu vào
đầu ra
4
3
1
2
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 cộng/chia công suất
15
Trong nhiều trờng hợp, bộ cộng đợc hoạt động trong chế độ khoá- tiêm
để đồng chỉnh pha. Khi công suất đầu vào đợc đa tới cổng 1 thì công suất sẽ
đợc ghép nh nhau đối với cổng 2 và 3, còn cổng 4 đợc cách ly với cổng 1.
Nếu cổng 2 và 3 đợc tải bằng một cặp bộ khuếch đại phối hợp thì khi một tín
hiệu đợc đa tới cổng 1 sẽ đợc khuếch đại và đợc phản xạ lại từ các cổng 2,
3. Các sóng phản xạ sẽ đợc cộng thêm vào tại cổng 4 nhng bị triệt tiêu tại
cổng 1 do mối quan hệ pha giữa hai sóng phản xạ. Nh vậy, công suất đợc đa
tới cổng 1 sẽ đợc khuếch đại và đợc tích luỹ tại cổng 4.
Quá trình phân tích ở [5] đã chỉ ra rằng công suất đầu ra của một bộ cộng
ghép lai 3-dB đợc xác định bởi:
(
)
(
)
2
10).cos.2(101
20/10/
0
DD
++
=
(1.3)
Góc pha đầu ra là:
(
)
(
)
()
()
20/
20/
1
0
10.cos1
10.sin
tan
D
D
+
=
(1.4)
Trong đó:
D: hệ số chênh lệch công suất (dB);
: độ lệch pha từ mối liên hệ về pha phù hợp cần có để cộng tối u
hai nguồn công suất. Trong một hệ thống thực tiễn, các sai số về biên độ và pha
có thể đợc quy cho là do các đặc tính khác nhau của các nguồn và các đặc tính
không lý tởng của bộ ghép lai 3-dB. Hiệu suất cộng từ cổng vào đợc cho bởi:
()
+
++
==
)
10
(
2010
0
1012
10cos2101
D
DD
m
c
P
P
(1.5)
Hình 1.10 chỉ ra các đặc tính đầu ra của bộ cộng ghép lai là một hàm của
hiệu đầu vào với độ lệch pha coi nh một tham số [5]. Hiệu suất cộng đợc tính
theo công thức trên và đợc vẽ nh hình 1.11. Để hiệu suất cộng cao thì sai số
pha nghiêm trọng hơn nhiều so với sự không cân bằng biên độ của các nguồn.
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 cộng/chia công suất
16
Hiệu suất cộng cao hơn 90% có thể đạt đợc đối với sự thay đổi biên độ trong
một phạm vi lớn miễn là sai số pha giữ không quá 30
0
.
Hình1.10. Đặc tính đầu ra của bộ ghép lai
Hình 1.11. Hiệu suất cộng công suất của bộ cộng ghép-lai
Nếu bộ cộng đợc sử dụng nh một bộ dao động hơn là một bộ khuếch
đại thì khi số lợng các nguồn đầu vào tăng lên, dẫn đến bộ cộng khó hoạt động
hơn nhiều ở điểm làm việc tối u với cùng tần số dao động. Do đó, một chế độ
làm việc khoá-tiêm hoặc ổn định sẽ phù hợp hơn để cộng một số lớn các nguồn
đầu vào dùng bộ ghép lai.
Bây giờ ta xem xét một bộ khuếch đại cộng lai đối xứng với K tầng. Số
các bộ khuếch đại riêng lẻ đòi hỏi là:
3.0
-3.0
-2.0
-1.0 0.0
1.0
2.0
Hiệu côn
g
suất - dB
0
0
5
0
10
0
20
0
30
0
40
0
50
0
=90
0
60
0
70
0
80
0
60
50
40
30
20
10
0
Pha đầu ra - độ
90
0
80
0
70
0
60
0
50
0
40
0
30
0
=20
0
3.0
2.0
1.0
-3.0
-2.0
-1.0 0.0
1.0
2.0
3.0
Hiệu côn
g
suất - dB
Công suất ra chuẩn hoá
3.0
-3.0
-2.0
-1.0 0.0
1.0
2.0
Hiệu côn
g
suất - dB
90
0
5
0
10
0
20
0
30
0
40
0
50
0
=0
0
60
0
70
0
80
0
50
60
70
80
90
100
Hiệu suất công công suất-%
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 cộng/chia công suất
17
N = 2
K
(1.6)
Công suất đợc cộng tại đầu ra của bộ cộng với mỗi môdun có hệ số
khuếch đại G
i
và công suất đầu ra P
i
khi này sẽ là [11]:
i
i
k
k
h
k
add
P
G
L
L .1 2
2
=
(1.7)
Trong đó: L
h
: là hệ số tổn hao chèn liên quan đến lai (mỗi đờng). Nó sẽ
đợc xem xét đối với một ghép lai có tổn hao (L
h
>1) và có hệ số khuếch đại
môdun hữu hạn (G
i
< ), số tầng ghép lai có thể sử dụng để cộng là giới hạn.
Công suất đợc cộng không thể tăng lên một cách tuỳ tiện mà phải căn cứ vào
việc tăng số K. Điều này đa ra một giới hạn cho công suất đầu ra có
thể nhận đợc với phơng pháp này. Để minh hoạ cho điều này, ta định nghĩa
hiệu suất cộng công suất toàn phần là:
=
=
i
k
h
k
h
i
add
T
G
L
L
N
2
1
.
(1.8)
Hiệu suất cộng công suất toàn phần đợc định nghĩa bằng tỉ số công suất
thực ở đầu ra bộ cộng trên công suất của N thiết bị. Hiệu suất này đợc vẽ đối
với hệ số khuếch đại của môdun là 6dB và 15dB nh hàm của K và hệ số tổn hao
chèn vào L
h
ở hình 1.12.
Hình 1.12. Hiệu suất cộng của bộ khuyếch đại đợc cộng- lai
L=0.2dB
L=0.4dB
L=0.6dB
L=0.2dB
L=0.4dB
L=0.6d
B
G
i
=15dB
G
i
=6dB
0
1
2
3
4
5
20
40
60
80
100
Hiệu suất cộng - %
K- số tầng lai
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 cộng/chia công suất
18
Đối với hệ số khuếch đại môdun 6-dB, hiệu suất cộng là rất thấp. Tuy
nhiên, đối với hệ số khuếch đại 15-dB, hiệu suất cộng là rất cao và có thể cộng
số lợng lớn các tầng với hiệu suất toàn phần rất tốt.
Việc phân tích ở trên đã cung cấp cho việc thiết kế chính xác một bộ cộng
ghép lai. Cân bằng biên độ và mối liên hệ pha phù hợp cần phải đạt đợc giữa
các nguồn riêng lẻ tại cùng tần số. Do đó, trong phát triển bộ cộng, đòi hỏi phải
có cấu hình hốc riêng hoặc cấu hình môdun để bám phù hợp về biên độ, pha và
tần số. Khi số thiết bị tăng thì khó khăn trong việc đạt đợc mối liên quan theo
yêu cầu giữa các nguồn cũng tăng. Sự tổn hao chèn của bộ ghép lai cũng đa ra
một giới hạn trên về số lợng các bộ khuếch đại đợc cộng. Nhng tiếc rằng, sự
tổn hao đó lại tăng lên cùng với tần số. Do đó, phơng pháp lai gần nh không
đợc a chuộng đối với việc cộng một số lợng lớn các thiết bị, đặc biệt là ở tần
số cao hơn.
Các dạng của bộ ghép lai 3-dB bao gồm có bộ ghép kiểu Wilkinson hai
đờng, bộ ghép nhánh, bộ ghép bẫy chuột(rat-race) đã đợc xây dựng rất
thuận tiện trên mạch vi dải hoặc mạch tích hợp sóng milimét. Mạch ghép lai
khe-ngắn mạch (short-slot) đợc phổ biến hơn trong dạng ống dẫn sóng. Bộ ghép
3-dB cũng có thể đợc xây dựng trên thiết bị ống dẫn sóng điện môi.
Tổng kết lại bộ cộng ghép lai có những u điểm sau:
- Thiết kế dễ hiểu và có cấu trúc mạch đơn giản.
- Nó có tiềm năng độ rộng dải tần lớn (lớn hơn 5%). Độ rộng dải tần phụ thuộc
vào độ rộng dải của môdun điốt và sự mất cân bằng pha/biên độ của mạch
ghép lai.
- Nó có sự cách ly giữa cổng với cổng cao, vì vậy sự ảnh hởng giữa các thiết bị
đã đợc giảm đi tối thiểu. Sự cách ly phụ thuộc vào bộ ghép lai và thờng lớn
hơn 20dB.
Nhợc điểm của bộ cộng ghép lai nh sau:
- Chỉ cộng đợc cực đại là 4 môdun do các vấn đề về tổn hao và pha.
- Bộ cộng tơng đối lớn so với các bộ cộng khác.
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 cộng/chia công suất
19
- Giới hạn trên của tần số đối với bộ cộng ghép lai ống dẫn sóng là khoảng
140GHz do tổn hao của bộ ghép lai. Tuy nhiên, bộ ghép ống dẫn sóng điện môi
có thể đợc dùng lên đến tần số tới 300GHz.
- Nó có tổn hao đờng dẫn.
1.3.2. Bộ cộng ghép chuỗi
Các giải pháp cộng này thờng đợc áp dụng ở dải sóng dm, cm và mm.
Bộ cộng ghép chuỗi có cấu hình đợc thấy ở hình 1.13 [5]. Công suất đầu
ra từ các bộ dao động 1, 2, , N đợc ghép thông qua các bộ ghép định hớng
D
1
, D
2
, , D
n
đến đờng truyền chính. Nếu bỏ qua sự tổn hao, hệ số ghép cần
thiết cho thấy rằng: các tầng khác đợc cộng vào bằng cách nối đơn giản nguồn
mới vào tuyến sau tầng thứ N. Nhng ở tần số cao, việc kết hợp các bộ ghép
khác nhau và các bộ dịch pha khác nhau là rất khó.
Kết quả thực nghiệm: Việc dùng sơ đồ cộng ghép lai đã đợc thực hiện ở
tần số sóng milimét băng-W và băng-V. Kuno và English đã công bố đầu tiên bộ
cộng 4 điốt ở tần số 60GHz [11]. Một bộ khuếch đại 2 tầng đã đợc thực hiện,
trong đó sử dụng bộ cộng 2 điốt cho tầng đầu tiên và bộ cộng 4 điốt cho tầng thứ
hai.
Hình 1.14. Bộ cộng/khuyếch đại IMPATT 2 tầng băng-V
~
ISOLATOR
X
~
Nguồn 1
X
~
Nguồn 1
X
~
Nguồn 1
Bộ điều
chỉnh pha
Nguồn
H
ình 1.13. Bộ cộng ghép chuỗi
D
1
D
2
D
N
đầu ra
Bộ cách ly
Lai khe ngắn
-
3dB
Bộ cách ly
RF đầu vào
Bộ khuyếch đại IMPATT
Bộ khuyếch đại IMPATT
Bộ phối hợp
ghép lai
RF đầu ra
Lai khe ngắn
-
3dB
đầu cuối
Tầng ra bộ cộng công suất
Tầng bộ kích thích
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 cộng/chia công suất
20
Công suất liên tục ở đầu ra đạt đợc 1W, với hệ số khuyếch đại tín hiệu
nhỏ 22dB và độ rộng dải tần là 6GHz trong dải 60GHz. Sơ đồ khối bộ khuyếch
đại đợc mô tả ở hình 1.14. Sau đó bộ khuyếch đại đã đợc hoàn chỉnh để tạo ra
CW là 2,5W ở tần số 61GHz bằng cách sử dụng 4 điốt IMPATT kép công suất
lớn [5]. ở băng-W, một sơ đồ cộng ghép lai đợc sử dụng để ghép bốn bộ cộng 2
điốt tạo ra 63W công suất đỉnh đầu ra dùng tám điốt từ 10W đến 13W [5].
1.4. Các bộ cộng không cộng hởng-N đờng
Các giải pháp cộng này thờng đợc áp dụng ở dải sóng m, dm, cm và
mm.
Các bộ cộng không cộng hởng-N đờng bao gồm các cấu hình mạch
Wilkinson, ống dẫn sóng hình nón, đờng-tia và Rucker. Nói chung, bộ cộng
không cộng hởng- N đờng có u điểm về độ rộng dải tần lớn. Nhng nó lại
vấp phải các vấn đề về mode và sự cách ly. Vật liệu điện trở cần thiết thờng
đợc đa vào giữa các linh kiện hoặc đa vào hộp để tăng sự cách ly giữa các
linh kiện tích cực và tránh kích thích các mode bậc cao. Vì lí do này, bộ cộng
không cộng hởng-N đờng khó thực hiện đợc ở tần số trên 60GHz.
1.4.1. Bộ cộng Wilkinson và đờng tia
Bộ cộng/chia công suất theo kiểu Wilkinson đợc minh họa trên hình
1.15. Cổng đầu vào với trở kháng Z
0
đợc nối với đầu ra N đờng có trở kháng
đặc trng
0
, các đờng đó có độ dài là /4. Sự cách ly giữa N cổng đợc
thực hiện bằng cách là nối hình sao điện trở tới N cổng.
Hình 1.15. Bộ cộng N- đờng kiểu Wilkinson
Vấn đề với các điện trở cách ly Wilkinson là ở tần số cao nó không thể nối
tất cả các điện trở trong mạch planar. Để giải quyết vấn đề này ngời ta đã đa
Z
0
Z
d
Z
d
Z
d
0
ZN
.
.
.
.
.
.
điểm trung
tính
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 cộng/chia công suất
22
Bộ cộng đợc thực hiện bởi Russel và Harp ở băng-X [12] và nó cũng có
tiềm năng rất lớn đối với các ứng dụng dải tần rộng. Sơ đồ bộ cộng công suất
ống dẫn sóng hình nón đợc mô tả ở hình 1.17. Bộ cộng công suất ống dẫn sóng
hình nón đối với các thiết bị 2 đầu cuối gồm có một cấu trúc ghép-đầu dò vào-
ra, một ống dẫn sóng hình nón và các môdun gắn điốt. Các điốt có thể đợc gắn
trực tiếp trong ống dẫn sóng hình nón hoặc đợc gắn trong ống dẫn sóng HCN
sau đó đợc gắn tới ống dẫn sóng hình nón. Tín hiệu đầu vào từ bộ xoay vòng
(circulator) sẽ đợc ghép bằng một đầu dò ống dẫn sóng tới đờng hình nón. Khi
đó sóng TEM sẽ truyền lan xuống tới ống dẫn sóng hình nón và năng lợng của
nó đợc chia cho các môdun điốt. Mỗi môdun điốt làm việc nh một bộ khuyếch
đại phản xạ. Công suất đợc khuếch đại sau đó đợc cộng đồng pha tại ống dẫn
sóng hình nón và đi ngợc tới bộ mạch vòng. Bất kỳ tính không đồng nhất và
tính gián đoạn đều tạo ra các mode bậc cao, nó sẽ làm giảm hiệu suất cộng. Các
bộ lọc mode có thể đợc liên kết trong ống dẫn sóng hình nón bằng việc gia
công các khe đồng tâm phối hợp trở kháng ở chóp nón ngoài để nén các mode
bậc cao. Các khe đồng tâm lấp đầy bằng các vật liệu gây tổn hao.
Cấu hình này bao gồm nhiều đầu chuyển đổi khác nhau: từ ống dẫn sóng
HCN tới ống dẫn sóng đồng trục, từ đờng đồng trục tới ống dẫn sóng hình nón
và từ ống dẫn sóng hình nón tới ống dẫn sóng HCN. Các chuyển đổi này cần
phải đợc thiết kế tốt để duy trì hoạt động dải rộng và hạn chế tối thiểu kích
thích của các mode bậc cao.
Các thành phần trờng của các mode khác nhau trong ống dẫn sóng hình
nón có thể đợc tìm thấy bằng việc giải các phơng trình Maxwell và các
phơng trình Helmholtz trong hệ toạ độ cầu [5]. Mode trội hơn là mode TEM,
với độ dài bớc sóng của tần số cắt vô hạn thì các thành phần tồn tại của nó là:
jkre
r
V
=
sin
1
.
2
cot
2
cot
ln.
2
1
(1.9)
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 cộng/chia công suất
23
jkre
r
=
sin
1
.
2
1
(1.10)
Trở kháng đặc trng của ống dẫn sóng hình nón có thể đợc định nghĩa từ
hai công thức (1.9) và (1.10):
=
2
cot
2
cot
ln60
2
1
0
(1.11)
Mức trở kháng này có thể đợc thiết kế để phối hợp trở kháng đờng đồng
trục và trở kháng ống dẫn sóng tại các chỗ tiếp giáp. Mặc dù bộ cộng hình nón
có u điểm độ rộng dải tần rộng, nhng nó có nhợc điểm sau:
- Nó có các vấn đề về mode và đòi hỏi có các bộ lọc mode.
- Nó có các vấn đề về sự cách ly với các linh kiện tích cực.
- Cấu trúc của nó dẫn đến khó thiết kế và xây dựng đối với các tần số trên
60 GHz.
Một vài các bộ cộng công suất hình nón đã đợc xây dựng từ băng-X tới
băng-K
a
. Bộ cộng 8 điốt băng-X đã đợc thực hiện với độ rộng băng 15% và độ
tăng ích 6-dB [12]. ở băng-K
u
, một bộ cộng 8 điốt đợc xây dựng sử dụng các
điốt IMPATT GaAs để tạo ra 17,9W công suất đầu ra ở 14,6 GHz [12].
1.4.3. Bộ cộng Rucker
Rucker đã mô tả kỹ thuật cộng không cộng hởng N- đờng và sau đó
Kurokawa đã phân tích [5]. Kỹ thuật này cho bộ cộng 5 điốt sử dụng 5 đờng
truyền đồng trục, mỗi đờng truyền có độ dài gần 1/4 bớc sóng (hình 1.18)
đợc tải bằng linh kiện và đợc bố trí dạng tia xung quanh mạch nguồn chung và
mạch ra chung. Điện trở R
ổnđịnh
đợc nối vào lõi giữa của cáp đồng trục để
hạn chế tối thiểu sự mất ổn định. Tụ C
c
giữa đĩa ghép đầu ra và mỗi lõi giữa
của cáp đồng trục cho độ ghép cần thiết với tải chung R
L
.
Đầu ra công suất CW vợt quá 4W ở tần số 7GHz và 3W ở 9GHz đã đợc
chế tạo sử dụng các điốt 0,5W đến 1W [5].
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 cộng/chia công suất
24
1.5. Các bộ cộng mức chip
Cộng công suất có thể nhận đợc bằng việc sử dụng một cấu hình đa chip
bao gồm hai hoặc nhiều hơn các chip linh kiện tích cực độc lập đợc kết nối với
nhau để đạt đợc dao động ổn định hoặc khuếch đại với đầu ra công suất cao
hơn. Bộ cộng mức chip đầu tiên do Josenhans đa ra [13] là bộ cộng ba điốt
IMPATT nối tiếp về điện và song song về nhiệt trên một bộ tản nhiệt kim cơng.
Cách bố trí này cho trở kháng tổng thể cao và điện trở nhiệt thấp. Bộ cộng có
công suất ra 4,5W ở tần số 13GHz với hiệu suất cộng 6,4% đã đợc công bố.
Hạn chế cơ bản của việc cộng mức chip là phối hợp trở kháng mạch và sự tơng
tác của linh kiện.
Khi tần số tăng lên thì kích thớc bên trở nên nhỏ đi và sự tơng tác về
nhiệt giữa các linh kiện có thể sẽ hạn chế số các điốt đợc cộng.
Hình 1.19. (a) Cấu trúc bộ cộng mức chip, (b) Cộng qua dãy điốt
Z
01
Z
01
Z
01
Z
01
Z
01
C
c
Z
02
R
ổn định
Tụ rẽ mạch
Hình 1.18. Bộ cộng 5- đờng Rucke
r
R
L
Nguồn chung
thiên áp cho
các điốt
đầu ra
chung
điố
t
Tụ
(a)
(b)
