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 chuyển mạch điốt pin

Bé KH & CN Bé quèc phßng

Trung t©m KhKt - CnQs

ViÖn Ra®a

§Ò tµi ®éc lËp cÊp Nhµ n−íc:

Nghiªn cøu thiÕt kÕ chÕ t¹o m¹ch tÝch hîp thô ®éng

vµ tÝch cùc siªu cao tÇn sö dông phÇn mÒm thiÕt kÕ

m¹ch siªu cao tÇn vµ c«ng nghÖ gia c«ng m¹ch d¶i.

b¸o c¸o khoa häc

Nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o

c¸c bé chuyÓn m¹ch ®ièt pin

M∙ sè: §T§L- 2005/28G

Chñ nhiÖm ®Ò tµi: TS NguyÔn ThÞ Ngäc Minh

6715-3

11/01/2007

Hµ Néi - 2007

B¶n quyÒn 2007 thuéc ViÖn Ra®a

§¬n xin sao chÐp toµn bé hoÆc tõng phÇn tµi liÖu nµy ph¶i göi ®Õn ViÖn tr−ëng ViÖn Ra®a

trõ tr−êng hîp sö dông víi môc ®Ých nghiªn cøu.

§Ò tµi: §T§L- 2005/28G Nghiªn cøu thiÕt kÕ chÕ t¹o m¹ch tÝch hîp thô ®éng vµ tÝch cùc SCT

sö dông phÇn mÒm thiÕt kÕ m¹ch SCT vµ c«ng nghÖ gia c«ng m¹ch d¶i.

B¸o c¸o khoa häc: Nghiªn cøu, thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c bé chuyÓn m¹ch ®ièt PIN

1

môc lôc

C«ng thøc tÝnh to¸n mét sè ®¹i l−îng dïng trong b¸o c¸o. 4

B¶ng c¸c tõ viÕt t¾t. 4

Më ®Çu 5

Ch−¬ng I: Tæng quan vÒ c¸c ®ièt b¸n dÉn siªu cao tÇn. 6

1.1. §ièt cao tÇn. 6

1.1.1. Kh¸i qu¸t vÒ c¸c ®ièt b¸n dÉn siªu cao tÇn. 6

1.1.2. M¹ch ®iÖn t−¬ng ®−¬ng. 7

1.1.3. Ho¹t ®éng cña ®ièt ë c¸c tÇn sè siªu cao. 8

1.2. Nghiªn cøu mét vµi lo¹i ®ièt siªu cao tÇn th−êng gÆp. 8

1.2.1. §ièt Tunnel. 8

1.2.2. §ièt biÕn dung-Varicap. 10

1.2.3. §ièt PIN. 12

1.2.4. S¬ l−îc vÒ bé h¹n chÕ c«ng suÊt dïng ®ièt PIN. 14

1.3. M¹ch t−¬ng ®−¬ng cña ®ièt PIN. 17

1.3.1. M¹ch t−¬ng ®−¬ng khi thiªn ¸p ng−îc. 17

1.3.2. M¹ch t−¬ng ®−¬ng khi thiªn ¸p thuËn. 19

Ch−¬ng II: Tæng quan c¸c gi¶i ph¸p thiÕt kÕ chÕ t¹o

bé chuyÓn m¹ch siªu cao tÇn sö dông ®ièt PIN. 20

2.1. C¸c d¹ng m¾c ®ièt. 21

2.1.1. §ièt m¾c shunt. 21

2.1.2. §ièt m¾c nèi tiÕp. 25

2.2. Tæn hao ë c«ng suÊt cao. 25

2.3. C¸c giíi h¹n cña ®ièt. 28

2.3.1. Møc c«ng suÊt vµ tèc ®é chuyÓn m¹ch. 28

2.3.2. Giíi h¹n lý thuyÕt. 29

2.3.3. Tèc ®é chuyÓn m¹ch cña ®ièt PIN. 30

2.4. §é lín c«ng suÊt xung mµ mét ®ièt PIN cã thÓ xö lý. 33

2.5. §é mÐo tÝn hiÖu thÊp ë chuyÓn m¹ch ®ièt PIN

sö dông dông cô l¾p r¸p bÒ mÆt (SMD). 40

2.5.1. C¸c lo¹i mÐo th−êng gÆp. 40

2.5.2. Kh¶o s¸t ®ièt PIN. 43

2.6. D¶i th«ng cña bé chuyÓn m¹ch ®ièt PIN. 44

§Ò tµi: §T§L- 2005/28G Nghiªn cøu thiÕt kÕ chÕ t¹o m¹ch tÝch hîp thô ®éng vµ tÝch cùc SCT

sö dông phÇn mÒm thiÕt kÕ m¹ch SCT vµ c«ng nghÖ gia c«ng m¹ch d¶i.

B¸o c¸o khoa häc: Nghiªn cøu, thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c bé chuyÓn m¹ch ®ièt PIN

2

Ch−¬ng III: Tæng quan vÒ m¹ch d¶i siªu cao tÇn. 45

3.1. M¹ch d¶i vµ c¸c tham sè c¬ b¶n cña m¹ch d¶i. 45

3.1.1. Ph©n lo¹i m¹ch d¶i. 45

3.2. M¹ch vi d¶i. 47

3.2.1. CÊu tróc h×nh häc cña ®−êng truyÒn vi d¶i. 47

3.2.2. T¹o ph−¬ng thøc. 48

3.2.3. C¸c tham sè c¬ b¶n. 49

3.2.4. Sù ph©n t¸n trong ®−êng truyÒn vi d¶i. 52

3.3. C¸c linh kiÖn c¬ b¶n dïng trong m¹ch vi d¶i. 54

3.3.1. TÝnh to¸n cho tô ®iÖn. 55

3.3.2. TÝnh to¸n cho ®iÖn trë. 55

3.3.3. TÝnh to¸n cho ®iÖn c¶m. 56

Ch−¬ng IV: TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ chÕ t¹o bé chuyÓn m¹ch

®ièt PIN. øng dông lµm bé h¹n chÕ c«ng suÊt b¶o vÖ

m¸y thu Ra®a P-37. 57

4.1. Nguyªn t¾c thiÕt kÕ chuyÓn m¹ch. 57

4.1.1. ChuyÓn m¹ch SPDT cho d¶i 0,5 ®Õn 4,0 GHz. 57

4.1.2. Qu¸ tr×nh thiÕt kÕ bé läc chuyÓn m¹ch ®a ®−êng. 59

4.1.3. Nh÷ng yªu cÇu ®iÒu khiÓn c¬ b¶n. 62

4.1.4. Xem xÐt chuyÓn m¹ch. 63

4.1.5. H¹n chÕ m¹ch thiªn ¸p. 64

4.2. Bé h¹n chÕ siªu cao tÇn b»ng b¸n dÉn. 65

4.2.1. Bé h¹n chÕ varactor. 66

4.2.2. Bé h¹n chÕ ®Ý«t PIN. 68

4.2.3. Bé h¹n chÕ ®ièt PIN gi¶ tÝch cùc. 70

4.2.4. Bé h¹n chÕ varactor-PIN. 71

4.2.5. Tæng kÕt. 71

4.3. Mét sè m« h×nh vµ m¹ch ®· sö dông trong thùc tÕ. 72

4.3.1. S¬ ®å khèi cña mét bé h¹n chÕ c«ng suÊt. 72

4.3.2. ChuyÓn m¹ch SPDT- M« h×nh chuyÓn m¹ch gi¶m mÐo. 73

4.3.3. Më réng d¶i th«ng cña bé chuyÓn m¹ch ®ièt PIN

(SPDT) m¾c shunt. 76

4.4. TÝnh to¸n thiÕt kÕ cho m¹ch thùc tÕ. 79

4.4.1. VÞ trÝ bé h¹n c«ng suÊt trong Ra®a. 79

§Ò tµi: §T§L- 2005/28G Nghiªn cøu thiÕt kÕ chÕ t¹o m¹ch tÝch hîp thô ®éng vµ tÝch cùc SCT

sö dông phÇn mÒm thiÕt kÕ m¹ch SCT vµ c«ng nghÖ gia c«ng m¹ch d¶i.

B¸o c¸o khoa häc: Nghiªn cøu, thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c bé chuyÓn m¹ch ®ièt PIN

3

4.4.2. Bé h¹n chÕ c«ng suÊt b¶o vÖ m¸y thu. 81

4.4.3. ThiÕt kÕ khèi xung ®iÒu khiÓn. 82

4.4.4. ThiÕt kÕ bé chuyÓn m¹ch ®ièt PIN 85

KÕt luËn. 86

Tµi liÖu tham kh¶o 87

§Ò tµi: §T§L- 2005/28G Nghiªn cøu thiÕt kÕ chÕ t¹o m¹ch tÝch hîp thô ®éng vµ tÝch cùc SCT

sö dông phÇn mÒm thiÕt kÕ m¹ch SCT vµ c«ng nghÖ gia c«ng m¹ch d¶i.

B¸o c¸o khoa häc: Nghiªn cøu, thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c bé chuyÓn m¹ch ®ièt PIN

4

C«ng thøc tÝnh mét sè ®¹i l−îng dïng trong b¸o c¸o vµ b¶ng tÇn sè.

• HÖ sè ph¶n x¹:

0

0

Z Z

Z Z

L

L

+

− Γ =

• HÖ sè truyÒn dÉn T: T = 1+ Γ

• Tæn hao ph¶n håi (Return Loss - RL): RL = −20lg Γ [dB]

• HÖ sè tæn hao chÌn (Insersion Loss - IL): IL = −20lg[T] [dB]

• HÖ sè sãng ®øng (SWR): − Γ

+ Γ = 1

1

SWR

• B¶ng tÇn sè:

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

• B¶ng c¸c tõ viÕt t¾t:

• cw: Continous Wave: Sãng liªn tôc.

• DUT: Device Under Test: §èi t−îng kiÓm tra.

• IMPATT: IM Pact Avalanche Transit-Time Diode.

• MIC: Micro IC.

• PCB: Printed Circuit Board: Bo m¹ch in.

• RF: Radio Frequency: TÇn sè v« tuyÕn.

• SMD: Surface Mount Divice: Dông cô l¾p r¸p bÒ mÆt.

• SPDT: Single Pole - Double Throw: Mét cùc hai ®Çu ra.

§Ò tµi: §T§L- 2005/28G Nghiªn cøu thiÕt kÕ chÕ t¹o m¹ch tÝch hîp thô ®éng vµ tÝch cùc SCT

sö dông phÇn mÒm thiÕt kÕ m¹ch SCT vµ c«ng nghÖ gia c«ng m¹ch d¶i.

B¸o c¸o khoa häc: Nghiªn cøu, thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c bé chuyÓn m¹ch ®ièt PIN

5

Më ®Çu

Ngµy nay, khoa häc kü thuËt nãi chung vµ kü thuËt v« tuyÕn ®iÖn nãi

riªng ph¸t triÓn rÊt m¹nh mÏ. C¸c thiÕt bÞ v« tuyÕn ®iÖn lµm viÖc ë d¶i sãng siªu

cao tÇn ®−îc sö dông trong c¸c lÜnh vùc nh−: th«ng tin sãng ng¾n, th«ng tin tiÕp

søc, th«ng tin vÖ tinh, truyÒn h×nh, truyÒn sè liÖu, ra®a, chiÕn tranh ®iÖn tö, ... ®·

cã nh÷ng b−íc tiÕn lín vµ cã nhiÒu øng dông réng r·i trong qu©n sù vµ ®êi sèng.

Trong khi ®ã, n−íc ta hiÖn nay sö dông phæ biÕn c¸c thiÕt bÞ ë d¶i sãng siªu cao

tÇn ®· l¹c hËu so víi thÕ giíi. Mét vÊn ®Ò ®Æt ra lµ ph¶i c¶i tiÕn n©ng cao chÊt

l−îng cña c¸c thiÕt bÞ ®ã ®¸p øng kÞp thêi yªu cÇu cña cuéc sèng s¶n xuÊt vµ

chiÕn ®Êu hiÖn ®¹i. Cïng víi sù ra ®êi cña nhiÒu linh kiÖn b¸n dÉn chÊt l−îng

cao lµm viÖc ë d¶i sãng siªu cao tÇn, cho phÐp b¸n dÉn ho¸ tõng bé phËn, tõng

khèi cña thiÕt bÞ ®Ó n©ng cao ®é tin cËy, gi¶m kÝch th−íc, träng l−îng, ph¶i phï

hîp víi ®iÒu kiÖn gia c«ng c¬ khÝ ë n−íc ta ®Ó gãp phÇn n©ng cao tÝnh n¨ng còng

nh− kh¶ n¨ng ho¹t ®éng cho c¸c thiÕt bÞ v« tuyÕn d©n sù vµ qu©n sù.

Trong kü thuËt siªu cao tÇn cã mét vÊn ®Ò hay gÆp lµ thiÕt kÕ c¸c bé

chuyÓn m¹ch tèc ®é cao, nã cã chøc n¨ng dÉn hoÆc ng¨n tÝn hiÖu ®Õn nh÷ng

cæng mµ chóng ta mong muèn.

C«ng nghÖ vi d¶i lµ c«ng nghÖ míi, b»ng viÖc sö dông kü thuËt bay h¬i

trong ch©n kh«ng vµ kü thuËt ¨n mßn cho phÐp s¶n xuÊt m¹ch cã ®é chÝnh x¸c

cao, dÔ s¶n xuÊt hµng lo¹t (b»ng ph−¬ng ph¸p tù ®éng), m¹ch cã kÝch th−íc bÐ

(c¶ thÓ tÝch vµ träng l−îng), cã kh¶ n¨ng t−¬ng thÝch víi quy tr×nh m¹ch tÝch

hîp, ph¹m vi trë kh¸ng ®Æc tr−ng hîp lý, tæn hao thÊp, d¶i th«ng t−¬ng ®èi réng,

nh−ng nã cã giíi h¹n vÒ møc c«ng suÊt t−¬ng ®èi thÊp so víi èng dÉn sãng. V×

vËy, nã th−êng ®−îc øng dông nhiÒu h¬n trong c¸c linh kiÖn thô ®éng nh−: bé

chuyÓn m¹ch, bé suy hao, bé läc, bé céng/chia, bé ®Þnh h−íng vµ bé di pha.

ThiÕt kÕ, chÕ t¹o bé chuyÓn m¹ch trªn m¹ch vi d¶i ®ßi hái ph¶i tÝnh

to¸n c¸c tham sè thiÕt kÕ vµ qu¸ tr×nh gia c«ng chÝnh x¸c. NÕu kh«ng tÝnh to¸n

vµ thiÕt kÕ chÝnh x¸c th× sÏ kh«ng ®¶m b¶o ®−îc ®é c¸ch ly gi÷a c¸c cæng; còng

nh− lµm t¨ng tæn hao gi÷a c¸c cæng cÇn th«ng suèt; dÉn ®Õn kh«ng ®¹t møc yªu

cÇu vµ th−êng lµm rèi lo¹n chøc n¨ng cña hÖ thèng.

§Ò tµi: §T§L- 2005/28G Nghiªn cøu thiÕt kÕ chÕ t¹o m¹ch tÝch hîp thô ®éng vµ tÝch cùc SCT

sö dông phÇn mÒm thiÕt kÕ m¹ch SCT vµ c«ng nghÖ gia c«ng m¹ch d¶i.

B¸o c¸o khoa häc: Nghiªn cøu, thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c bé chuyÓn m¹ch ®ièt PIN

6

Ch−¬ng I: Tæng quan vÒ c¸c ®ièt b¸n dÉn siªu cao tÇn.

1.1 §ièt cao tÇn:

Tr−íc hÕt, chóng ta t×m hiÓu xem ®ièt siªu cao tÇn cã kh¸c g× so víi ®ièt

th−êng. §ièt thuéc lo¹i linh kiÖn tÝch cùc. C¸c phÇn tö nµy cã thÓ ®−îc sö dông

víi c¸c chøc n¨ng kh¸c nhau nh−: t¸ch sãng, trén, t¹o n¨ng l−îng ®iÒu khiÓn tÝn

hiÖu, nh− kh¶ n¨ng ®iÒu khiÓn suy hao b»ng ®iÖn tö, di pha, vµ chuyÓn m¹ch.

1.1.1 Kh¸i qu¸t vÒ c¸c ®ièt b¸n dÉn siªu cao tÇn:

§ièt b¸n dÉn siªu cao tÇn ®−îc ph©n thµnh:

• §ièt Varistor lµ c¸c ®ièt cã ®iÖn trë biÕn ®æi.

• §ièt Varactor lµ c¸c ®ièt cã ®iÖn dung biÕn ®æi.

• §ièt cã trë kh¸ng cã thÓ ®iÒu khiÓn ®−îc (®ièt PIN hoÆc ®ièt Plasma).

• §ièt cã trë kh¸ng ©m.

+> §ièt Varistor (bao gåm c¸c ®ièt cã tiÕp xóc ®iÓm, ®ièt nghÞch ®¶o vµ

®a sè ®ièt cã hµng rµo Schottky) ®−îc dïng ®Ó t¸ch sãng, biÕn ®æi d−íi, gi¶i ®iÒu

chÕ, bé h¹n chÕ tèc ®é cao hoÆc chØnh l−u.

+> §ièt Varactor do cã ®iÖn dung phi tuyÕn thay ®æi ®−îc kh¸ m¹nh, tæn

hao nhá h¬n nhiÒu so víi Varsito nªn ®−îc dïng lµm: bé dao ®éng sãng hµi, bé

®iÒu chÕ hoÆc biÕn ®æi trªn, c¸c bé khuÕch ®¹i cã t¹p ©m bÐ, t¹o dao ®éng vµ t¹o

xung.

+> §ièt cã trë kh¸ng ®iÒu chØnh ®−îc: §é dÉn ®iÖn cña c¸c ®ièt nµy hoµn

toµn tû lÖ thuËn víi sè l−îng c¸c h¹t mang ®iÖn kh«ng c¬ b¶n ®−îc tÝch luü. C¸c

®ièt nµy ë d¶i sãng siªu cao tÇn cã trë kh¸ng tùa tuyÕn tÝnh, gi¸ trÞ cña nã cã thÓ

®iÒu khiÓn ®−îc b»ng thiªn ¸p mét chiÒu hoÆc thiªn ¸p ©m tÇn ngoµi. Chóng

®−îc dïng ë ®¶o m¹ch siªu cao tÇn, bé quay pha, bé h¹n chÕ c«ng suÊt, bé ®iÒu

chÕ siªu cao tÇn c«ng suÊt, c¸c bé suy gi¶m biÕn ®æi ®Ó ®iÒu khiÓn biªn ®é tÝn

hiÖu.

+> §ièt siªu cao tÇn cã trë kh¸ng ©m. HiÖn nay chñ yÕu dïng ®Ó khuÕch

®¹i vµ t¹o dao ®éng siªu cao tÇn. Cã Ýt nhÊt 3 lo¹i tuú thuéc vµo hiÖu øng ®−êng

hÇm (®ièt Tunnel), hiÖu øng t¹o thµnh th¸c lò khi ion ho¸ do va ch¹m vµ thêi

gian bay (®Ý«t Impatt, ®ièt Barrit) vµ hiÖu øng Gunn (®ièt Gunn).

§ièt Tunnel do cã tËp ©m bÐ nh−ng v× c«ng suÊt ra rÊt nhá, tÇn sè lµm viÖc

kh«ng cao nªn ®−îc dïng chñ yÕu lµm ngo¹i sai t¹i chç cho c¸c m¸y thu ngo¹i