Chương 4: Thiết bị điều khiển siêu cao tần Siêu cao tần nâng cao

Chơng 4 Các thiết bị điều khiển SCT
4.1 Khái quát về các thiết bị điều khiển siêu cao tần
4.1.1 vai trò và vị trí :+ Ngày nay trong các trang thiết bị kỹ
thuật của các ngành Rada, Điều khiển và Viễn thông làm việc ở
dải sóng Siêu cao tần thờng không thể thiếu Các thiết bị điều
khiển siêu cao tần nh các bộ : quay pha, suy giảm, Izolatơ,
xiêc-cu-la-tơ, chuyển mạch, quay mặt phẳng phân cực v.v...Nhờ
có chúng mà các khối chức năng của các trang thiết bị trên trở
thành một thể thống nhất làm việc hoàn hảo đáp ứng các chỉ
tiêu kỹ thuật đề ra.
+ Vì vậy việc nghiên cứu để nắm đợc cấu trúc, nguyên tắc làm
việc và các chỉ tiêu kỹ thuật của các thiết bị điều khiển Siêu cao
tần là cần thiết và quan trọng. Nó giúp cho các kỹ s, chuyên gia
các chuyên ngành trên khai thác có hiệu quả trang thiết bị, tiến
hành sửa chữa chúng và tiến tới tính toán thiết kế mới các thiết
bị điều khiển siêu cao tần đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt ra. 1


4.1.2 Khái niệm và phân loại
+ Chúng ta gọi các thiết bị Điều khiển siêu cao tần là những
phần tử siêu cao tần nhiều cực (thờng gọi là các mạng nhiều
cực SCT) làm việc trong chế độ khi sóng siêu cao tần truyền qua
sẽ bị thay đổi chiều hay nhánh hoặc biên độ và pha cũng nh
phân cực của sóng nhờ sự điều khiển bằng điện hoặc từ.
+ Có nhiều cách phân loại các thiết bị điều khiển siêu cao tần
nhng phổ biến nhất là chúng ta phân loại các thiết bị điều khiển
siêu cao tần dựa theo dạng điều khiển là từ và điện.
+ Thiết bị điều khiển SCT dạng từ sử dụng phần tử điều khiển là
ferit bị từ hoá trong từ trờng không đổi.
+ Thiết bị điều khiển dạng điện sử dụng phần tử điều khiển là
diode bán dẫn PIN, diode bán dẫn Varactor hoặc bộ phóng điện

khí.
2


4.1.3 Các thiết bị điều khiển SCT dạng từ
- Khái niệm : Đó là các thiết bị đợc điều khiển bằng từ
trờng thực hiện nhờ phần tử điều khiển là ferit bị từ hoá. Để
cho gọn sau này ta thờng gọi chúng là các thiết bị điều khiển
siêu cao tần sử dụng ferit.
Chúng là loại thiết bị không thuận nghịch dựa trên các hiệu ứng
không tơng hỗ của ferit khi bị từ hoá trong từ trờng không đổi.
- u nhợc điểm : chịu đợc công suất lớn, nên hay đợc ứng
dụng trong các tuyến phát của các trạng bị rađa hay viễn thông.
Tuy nhiên do điều khiển bằng từ trờng nên tốc độ không thật
cao (cỡ ms), kích thớc và trọng lợng lớn.
- Phân loại gồm : bộ van hay Izolator, bộ quay pha không thuận
nghịch, bộ xiêc-cu-la-tơ, bộ quay mặt phẳng phân cực, bộ suy
giảm, bộ chuyển mạch, bộ hạn chế công suất. Trong kỹ thuật sử
dụng phổ biến nhất là các bộ xiêc-cu-la-tơ, bộ van và bộ quay
pha không thuận nghịch.
3


4.1.4 Các thiết bị điều khiển SCT dạng điện
- Khái niệm : Đó là các thiết bị đợc điều khiển bằng điện áp
hay dòng điện đặt trên phần tử điều khiển bán dẫn là diode PIN
, diode Varactor hoặc bộ phóng điện khí. Các thiết bị điều
khiển dạng điện là thiết bị thuận nghịch.
Các bộ điều khiển SCT sử dụng diode bán dẫn có đặc điểm :
- u điểm : có tốc độ điều khiển rất nhanh (cỡ micro giây), kích

thớc và trọng lợng nhỏ, tiêu thụ ít năng lợng nên thờng đợc
sử dụng trong tuyến thu của đài rađa và thiết bị viễn thông công
suất nhỏ, đặc biệt thích hợp với mạch dải SCT.
- Nhợc điểm : là không chịu đợc mức công suất lớn, do diode
bán dẫn PIN và Varactor dễ bị đánh thủng ở điện áp và công
suất cao.

4


Các thiết bị điều khiển sử dụng bộ phóng điện khí
Các thiết bị điều khiển sử dụng bộ phóng điện khí có các đặc
điểm sau :
- u điểm :
+ làm việc với mức công suất lớn
+ kích thớc và trọng lợng nhỏ
- Nhợc điểm :
+ có tốc độ điều khiển không nhanh (cỡ mili giây),
+ dễ dò các đỉnh xung gai nhọn có năng lợng khá lớn
+ tuổi thọ không cao.
Trong chơng này ta chỉ nghiên cứu hai dạng bộ điều khiển SCT
dùng ferit và dùng diode bán dẫn.
5


4.2 Truyền sóng SCT trong Ferit bị từ hoá
4.2.1 Ferit bị từ hoá trong từ trờng không đổi
+ Ferit là hợp chất của oxyt sắt ba (Fe2O3) với một số oxyt kim
loại khác nh Mn, Mg, Ni v.vvà một số nguyên tố đất hiếm
nh Ytri. Nó có cấu trúc dạng đơn hoặc đa tinh thể loại Spinen

hoặc Granat. Ferit là vật liệu sắt từ có hằng số điện môi tơng
đối 5 - 20, điện trở riêng khá lớn cỡ 102 -106 ôm, tg góc tiêu
hao điện rất nhỏ từ 10-2 - 10-4 .
+ Sự từ hoá Ferit : - Khi không có tác dụng của từ trờng
không đổi (H0 = 0) Ferit ở trạng thái bình thờng và không bị từ
hoá. Nó cấu tạo bao gồm tập các vùng nhỏ gọi là các domen.
Trong mỗi domen các momen từ của điện tử định hớng giống
nhau tạo ra momen từ riêng của mỗi domen. Nhng các momen
từ riêng của các domen trong ferit lại xắp sếp một cách hỗn loạn,
6


nên monen từ tính trên một đơn vị thể tích của ferit gọi là vectơ
từ hoá M của nó bằng không. Nên kết quả là vectơ từ hoá tổng
cộng của ferit bằng không, ferit nằm ở trạng thái không bị từ hoá
có tính chất là môi trờng đẳng hớng đối với sóng điện từ.
- Khi ferit đặt trong từ trờng không đổi (H0 0), tất cả các
momen từ của điện tử trong các domen đều định hớng lại theo
hớng của từ trờng ngoài, do đó vectơ từ hoá M của ferit có giá
trị khác không. Trong ferit tạo ra từ trờng tổng cộng bao gồm
từ trờng do sự từ hoá tạo ra và từ trờng ngoài. Khi đó ferit
nằm trong trạng thái bị từ hoá và nó trở thành môi trờng không
đẳng hớng đối với sóng điện từ.
- Polder lần đầu tiên đã dẫn ra đợc dạng ten xơ độ từ thẩm của
ferit bị từ hoá trong từ trờng không đổi H0 đặt dọc theo trục toạ
độ oz nh sau:
7


x

ia
0


Với :


x 0 1


0 M
2 M2

ia

x
0

0

0
0

4.2.1.1



, a 0 2 0 2
m

, M

0 eH 0
m0

, 0

eM
m0

Trong đó e, m0 là điện tích và khối lợng của điện tử, M là giá trị
vectơ từ hoá của ferit, H0 là cờng độ từ trờng không đổi từ hoá,
M gọi là tần số cộng hởng từ quay.
Nói chung các thành phần của ten xơ Polder là các đại lợng phức
giá trị của chúng phụ thuộc vào vật liệu làm ferit và cờng độ từ
trờng từ hoá H0.

8


4.2.2 Truyền sóng điện từ trong ferit bị từ hoá
Khi truyền sóng điện từ trong môi trờng ferit bị từ hoá xuất hiện
hai hiệu ứng quan trọng đợc ứng dụng trong các thiết bị điều
khiển SCT nh sau.
1/ Khi sóng điện từ phẳng truyền trong ferit bị từ hoá, thì ferit
biểu hiện tính chất khác nhau lên hai sóng phân cực tròn quay trái
(chỉ số - ) và quay phải (chỉ số + ) những tham số khác nhau nh :
số sóng, vận tốc pha, trở sóng và độ từ thẩm tơng ứng là :

k , k , V ph



Z
,Z
,




1





, V ph

1





4.2.2.1

4.2.2.2

x a 1 i 2 , x a 1 i 2

4.2.2.3
9


Phần thực của độ từ thẩm 1 biểu thị mức độ quay pha hay tốc độ
biến đổi vận tốc pha của sóng,
phần ảo của độ từ thẩm 2 biểu
thị sự tiêu hao năng lợng của
sóng trong ferit bị từ hoá.
Ta vẽ đợc đồ thị của các thành
phần thực và ảo của độ từ thẩm
của ferit bị từ hoá đối với các sóng
phân cực tròn quay trái và quay
phải là hàm số của từ trờng không
đổi H0 từ hoá cho trên hình 4.1.
Tại giá trị H0 = H0ch sóng phân cực
tròn quay phải bị ferit hấp thụ phần lớn năng lợng. Hiện tợng
trên gọi là hiệu ứng cộng hởng sắt từ.
10


2/ Khi sóng điện từ phân cực thẳng bất kỳ truyền trong môi
trờng ferit bị từ hoá mà phơng truyền sóng dọc theo phơng
của vectơ từ trờng từ hoá H0, thì mặt phẳng phân cực của sóng
(vectơ cờng độ trờng E hoặc H) bị quay đi một góc nào đó.
Hiện tợng trên gọi là hiệu ứng quay mặt phẳng phân cực
Faraday trong ferit nh mô tả trên hình 4.2. Độ lớn của góc quay
phụ thuộc vào cờng độ từ trờng từ hoá H0 độ dài L của ferit,
chiều quay của mặt phẳng phân

cực chỉ phụ thuộc vào chiều
của vectơ từ trờng từ hoá H0.
Góc quay mặt phẳng phân cực
trên đơn vị chiều dài ferit gọi
là hằng số Faraday. Nó tính
theo biểu thức sau :
k k
x a x a 4.2.2.4


2

2

11


4.3 Bộ van cộng hởng
- Khái niệm : Bộ Van hay izolatơ là một thiết bị điều khiển siêu
cao tần dạng từ có nhiệm vụ: khi sóng siêu cao tần truyền qua nó
theo một chiều thì có tiêu hao không đáng kể, còn khi truyền theo
chiều ngợc lại thì bị suy giảm rất lớn. Hay nói khác đi bộ izolatơ
là thiết bị điều khiển siêu cao tần chỉ cho sóng truyền qua nó theo
chiều thuận và không cho sóng qua nó theo chiều ngợc lại.
- ứng dụng: các bộ van đợc dùng trong tuyến siêu cao tần nhằm
để triệt sóng phản xạ từ tải quay trở về nguồn tín hiệu siêu cao
tần, đảm bảo sự cách li tốt giữa nguồn tín hiệu và tải đối với
sóng phản xạ.
- Phân loại : dựa trên các hiệu ứng không thuận nghịch khác
nhau của ferit bị từ hoá mà cấu trúc và nguyên tắc làm việc của

các bộ van dùng ferit rất đa dạng và khác nhau.
12


Trong kỹ thuật siêu cao tần sử dụng ba loại van là: van sử dụng
hiệu ứng cộng hởng sắt từ, van sử dụng hiệu ứng Farađây và van
sử dụng hiệu ứng xê dịch trờng. Mỗi loại có u và nhợc điểm
khác nhau, chúng đợc sử dụng theo nhiệm vụ yêu cầu cụ thể.
Sau đây ta chỉ giới thiệu loại van dùng phổ biến nhất là bộ van
cộng hởng trên ống dẫn sóng chữ nhật.
- Cấu tạo : Van cộng hởng trên ống dẫn sóng chữ nhật bao
gồm một đoạn ống dẫn sóng chữ nhật bên trong đặt một bản
mỏng ferit dọc theo đoạn ống tại tiết diện X1 từ trờng của sóng
H10 phân cực tròn, từ trờng không đổi từ hoá H0 đặt vuông góc
với thành rộng của ống dẫn sóng. Ta chọn giá trị của H0 = H0ch
để đạt đợc hiệu ứng cộng hởng sắt từ đối với sóng phân cực
tròn quay phải. Tại cùng một tiết diện đặt bản ferit mảnh nhng
sóng có phân cực tròn quay theo hai chiều khác nhau tơng ứng
với hai chiều truyền sóng ngợc nhau nh mô tả trên hình 4.3.
13


Nguyên tắc làm việc :
Nếu ta truyền sóng cơ bản H10theo
chiều Z > 0 tại vị trí X1 sóng là
phân cực tròn quay phải, bản ferit
sẽ hấp thụ rất mạnh năng lợng của
sóng SCT, nên sóng truyền qua nó
bị suy giảm rất mạnh. Nếu sóng
truyền theo chiều ngợc lại Z < 0 thì tại vị trí đặt bản ferit sẽ ứng

với sóng phân cực tròn quay trái nên bản ferit không hấp thụ năng
lợng sóng này, do vậy sóng truyền theo hớng này không bị suy
giảm. Thiết bị trên làm nhiệm vụ của một bộ van gọi là van cộng
hởng.
Để tăng hiệu quả của hiệu ứng và rút ngắn chiều dài đoạn ống dẫn
sóng, ta đặt thêm một bản ferit mảnh thứ hai dọc theo tiết diện X2
và dùng từ trờng từ hoá vuông góc có chiều ngợc lại.
14


4.4 Bộ quay pha không thuận nghịch
- Cấu tạo : bao gồm một đoạn ống dẫn sóng chữ nhật làm việc
với dạng sóng H10 bên trong có đặt bản ferit song song với mặt
phẳng thành hẹp tại tiết diện X, từ trờng không đổi từ hoá H0
hớng vuông góc với thành rộng ống
dẫn sóng nhng chọn giá trị nhỏ hơn
nhiều giá trị H0ch nh cho trên hình 4.4
- Nguyên tắc làm việc : dựa trên hiệu
ứng không thuận nghịch của bản ferit
bị từ hoá về sự thay đổi các góc lệch pha
khác nhau đối với các sóng phân cực tròn
quay trái và quay phải truyền theo hai chiều thuận và nghịch
trong đoạn ống dẫn sóng chữ nhật này. Kết quả cuối cùng là bộ
quay pha tạo ra một góc quay pha chỉ theo một chiều truyền sóng
đợc chọn làm chiều thuận. Vì vậy nó đợc gọi là bộ quay pha
không thuận nghịch. Giá trị góc quay pha phụ thuộc vào vị trí
15
tiết diện đặt bản fe rit.

4.5 Bộ Xiêc-cu-la-tơ dạng chữ Y trên ống dẫn sóng
- Cấu tạo : Bộ xiêc-cu-la-tơ
chữ Y có cấu trúc bao gồm một
phân nhánh đối xứng chữ Y
trên mặt phẳng H của ống
dẫn sóng chữ nhật, tại tâm đối
xứng của phân nhánh ta đặt một
thanh ferit hình trụ có đờng kính
nhỏ và chiều cao bằng hoặc nhỏ
hơn chiều cao của ống dẫn sóng chữ nhật. Từ trờng không đổi
từ hoá H0 đặt hớng dọc trục của fe rit. Ta có thể đặt thêm ba
thanh nhỏ điện môi tại các tâm của ba nhánh hoặc một chai
điện môi hình trụ bao thanh ferit với mục đích phối hợp trở

kháng. Trên hình 4.5 mô tả bộ xiêc-cu-la-tơ dạng chữ Y trên ống
dẫn sóng chữ nhật.
16


Nguyên tắc làm việc :
Nếu truyền sóng cơ bản H10 vào nhánh 1, sóng truyền đến vùng
không gian trong ống sóng có đặt thanh ferit bị từ hoá, và đi theo
hai phía của thanh ferit truyền về các nhánh 2 và 3. Do hai sóng
này truyền qua ferit có vận tốc pha và góc quay pha theo hai
chiều là khác nhau. Nếu ta chọn kích thớc thanh ferit và giá trị
từ trờng H0 để đạt đợc kết quả sao cho : hai sóng truyền về phía
nhánh 2 là đồng biên và đồng pha nên giao thoa cộng lại, còn về
phía nhánh 3 thì chúng là đồng biên nhng ngợc pha nên giao
thoa triệt tiêu nhau. Kết quả chỉ có sóng truyền từ nhánh1 rẽ sang
nhánh 2, không có sóng truyền sang nhánh 3. Chu trình làm việc

của bộ Xiec là :

1 2 3 1

- Nếu đổi chiều vectơ từ hoá H0 theo chiều ngợc lại, thì bộ xiêc
cu-la-tơ sẽ có chu trình làm việc mới là :

1 3 2 1
17


4.6 Bộ Xiec-cu-la-tơ dạng chữ Y trên mạch dải
+ Cấu tạo của bộ Xiec-cu-la-tơ dạng chữ Y trên mạch dải hoặc
ống dẫn sóng đồng trục làm việc ở dải sóng dới 3000 MHz cho
trên hình 4.6. Điểm khác
biệt với bộ Xiec chữ Y
trên ống dẫn sóng chữ nhật
là tại tâm của phân nhánh
chữ Y ta đặt hai đĩa ferit
hình trụ ôm lấy bản dẫn
trung tâm. Nguyên tắc làm
việc của bộ này hoàn toàn
tơng tự nh bộ Xiec trên
ống dẫn sóng chữ nhật với chu trình thuận và ngợc khi đảo chiều
của từ trờng không đổi từ hoá H0.
18


4.7 Bộ Xiec-cu-la-tơ quay mặt phẳng phân cực
Cấu tạo : bao gồm một đoạn ống dẫn sóng tròn làm việc với

sóng H11, hai đầu của ống đợc nối với hai bộ chuyển tiếp sang
ống dẫn sóng chữ nhật nhng thành rộng của nhánh 2 quay đi
một góc 450 theo chiều kim đồng hồ so với thành rộng của nhánh
1. Tại hai đầu đoạn ống dẫn sóng tròn sát với hai bộ chuyển tiếp
ta mắc hai đoạn ống dẫn sóng chữ nhật tạo nên hai nhánh 3 và 4.
Thành rộng của hai nhánh này song song với trục của ống dẫn
sóng tròn nhng đợc đặt lệch với nhau cũng một góc 450 theo
chiều kim đồng hồ. Tại trục của đoạn ống dẫn sóng tròn ta đặt
một thanh ferit hình trụ vát nhọn hai đầu có chiều dài L. Trên
hình 4.7 mô tả cấu trúc nguyên tắc của bộ xiêc-cu-la-tơ này. Bộ
Xiec làm việc dựa trên nguyên tắc của hiệu ứng quay mặt phẳng
phân cực Faraday nh tên gọi của nó. Trên hình 4.8 mô tả nguyên
tắc làm việc nhờ Giản đồ điện trờng sóng H11 và H10 :
19


- H×nh 4.9 m« t¶ cÊu tróc thùc vµ ký hiÖu cña bé xiec lo¹i trªn.

20


+ Từ trờng không đổi từ hoá ferit dùng nam châm vĩnh cửu
hoặc nhờ ống dây cho dòng điện một chiều chạy qua. Để giảm
phản xạ tại hai nhánh 1 và 2 ta đặt thêm hai bản điện môi hấp
thụ mỏng song song với thành rộng của ống dẫn sóng. Kích
thớc thanh ferit hình trụ có chiều dài L và giá trị từ trờng từ
hoá đợc chọn sao cho khi sóng siêu cao tần truyền qua thanh
ferit thì mặt phẳng phân cực của nó bị quay đi một góc 450
theo chiều kim đồng hồ. Chu trình làm việc của bộ xiêc-cu-la
tơ này nh sau: 1 2 3 4 1.

Nếu đổi chiều từ trờng từ hóa thì bộ xiêc sẽ làm việc theo chu
trình : 1 4 3 2 1.

21


4.8 Mét vµi øng dông cña thiÕt bÞ §KSCT lo¹i tõ
1. Bé chuyÓn m¹ch anten cña ®µi Rada П19

2. Bé chuyÓn m¹ch anten cña ®µi Rada П15

22


3. Bé chuyÓn m¹ch anten cña ®µi ПPB16-CMAT

23


4. Bé t¸ch kªnh cao tÇn trong th«ng tin vÖ tinh

24


4.9 Các phần tử điều khiển bán dẫn
4.9.1 Diode bán dẫn PIN
Cấu tạo : Diode bán dẫn PIN có cấu tạo từ một bản vật liệu bán
dẫn Silic cao ôm có độ dầy cỡ 75 m (trong giới hạn từ 10 200
m), ở hai mặt phẳng hai đầu có pha trộn tạp chất Bo (để tạo ra
bán dẫn loại P) và tạp chất Phôtpho (để tạo ra bán dẫn loại n) với

kỹ thuật khuyếch tán hình thành hai lớp chuyển tiếp p-i và i-n.
Nh vậy cấu trúc của diode này gồm ba vùng là vùng ở giữa là
chất bán dẫn gần tinh khiết nghèo điện tích tự do gọi là vùng i
(intrinsic), hai bên là vùng giầu lỗ trống gọi là vùng p, và vùng
giầu điện tử gọi là vùng n. Vì vậy diode này mang tên gọi là
diode bán dẫn PIN.
Tại hai đầu vùng p và n có hai tiếp xúc kim loại không mang
tính chất chỉnh lu dùng để nối với các đầu ra bên ngoài, cực
nối với bản p gọi là anot, còn cực nối với bản n gọi là catot.
25