Báo cáo khoa học: THIẾT KẾ BỘ DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT RF LỚP E DÙNG KÍCH THÍCH ĐÈN RUBI TRONG CÁC ĐỒNG HỒ NGUYÊN TỬ RUBI

Tóm tắt: Bài báo giới thiệu thiết kế bộ dao động công suất 83 MHz lớp E hiệu suất cao dùng kích thích đèn rubi trong các đồng hồ Nguyên tử Rubi – đồng hồ có độ chính xác và ổn định rất cao sử dụng làm các nguồn định thời trong các hệ thống thông tin, đặc biệt là các hệ thống không gian như vệ tinh GPS và quốc phòng. Nguyên mẫu bộ dao động đèn đã được thiết kế, chế tạo và đo đạc thành công, đáp ứng những yêu cầu về kích cỡ mạch nhỏ, hiệu...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Báo cáo khoa học: "THIẾT KẾ BỘ DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT RF LỚP E DÙNG KÍCH THÍCH ĐÈN RUBI TRONG CÁC ĐỒNG HỒ NGUYÊN TỬ RUBI" THIẾT KẾ BỘ DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT RF LỚP E DÙNG KÍCH THÍCH ĐÈN RUBI TRONG CÁC ĐỒNG HỒ NGUYÊN TỬ RUBI Th.S NGHIÊM XUÂN ANH Bộ môn Kỹ thuật Viễn thông Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo giới thiệu thiết kế bộ dao động công suất 83 MHz lớp E hiệu suất cao dùng kích thích đèn rubi trong các đồng hồ Nguyên tử Rubi – đồng hồ có độ chính xác và ổn định rất cao sử dụng làm các nguồn định thời trong các hệ thống thông tin, đặc biệt là các hệ thống không gian như vệ tinh GPS và quốc phòng. Nguyên mẫu bộ dao động đèn đã được thiết kế, chế tạo và đo đạc thành công, đáp ứng những yêu cầu về kích cỡ mạch nhỏ, hiệu suất cao (trên 73%) và công suất tiêu thụ thấp. Summary: In this article, a design of a 83 MHz high efficiency class E power oscillator used for rubidium lamp excitement in high precision and stability Rubidium Atomic Clocks, which are used as standard timing sources for communication systems, GPS sattelite and military facilities, is presented. A prototype of this oscillator has been designed, fabricated and measured successfully and shown to have a very high efficiency of more than 73%, satisfying the requirements for a small-sized, high-efficiency circuit and low DC power consumption. Keywords: class E, power amplifier, power oscillator, lamp oscillator, lamp coil, lamp housing, rubidium vapor cell, rubidium lamp, atomic clock, high efficiency, low power consumptionn. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Bộ dao động công suất là một phần không thể thiếu được trong việc kích thích đèn rubi trong các đồng hồ nguyên tử rubi và là một chủ đề đáng quan tâm khi yêu cầu ngày càng cao về mức độ nhỏ gọn và tiêu thụ công suất thấp, đặc biệt khi chúng được dùng làm các đồng hồ chuẩn thứ cấp trong các hệ thống không gian như vệ tinh GPS, máy bay và các khí tài quốc phòng. Đèn rubi (đèn chứa khí rubi Rb87) đòi hỏi được đặt trong một điện trường hay từ trường biến thiên mạnh để được kích thích và phát sáng. Vì vậy, điện áp trên tụ hoặc dòng qua cuộn dây bao bọc nó phải càng lớn càng tốt trong khi tiêu thụ lượng công suất DC thấp nhất có thể. Trong bài báo này, bộ dao động công suất lớp E được xem là sự lựa chọn tốt nhất vì về lý tưởng nó có thể đạt hiệu suất (chuyển đổi DC sang RF) 100%. Bên cạnh đó, đèn rubi được kích thích bằng một từ trường mạnh và vì vậy một cuộn dây tự tạo (gọi là dây đèn) bao quanh đèn đã được tính toán, thiết kế. Để điều chỉnh tần số của mạch dao động này, tụ điện có thể điểu chỉnh được sử dụng kết hợp với dây đèn cho phép điều chỉnh tần số cộng hưởng. Đặc tính kỹ thuật: Điện áp nguồn: 9 - 12 VDC, tiêu thụ công suất DC thấp (hiệu suất càng cao càng tốt); tần số: bất cứ tần số RF nào, miễn là mạch dao động làm việc hiệu quả kích thích làm sáng đèn Rubi trong khi vẫn đảm bảo kích thước mạch nhỏ, gọn đến mức tối đa có thể. Trong thiết kế này, tần số thiết kế là 83 MHz (không cần chính xác). Công suất ra 1W (công suất cần thiết để kích thích đèn rubi với sóng liên tục CW được đo ở mức xấp xỉ 0.7 W - tổng công suất tiêu thụ bởi đèn rubi). Lựa chọn linh kiện: Transitor LDMOS (Lateral Diffusion MOS) của hãng Freescale mã hiệu MW6S004N được lựa chọn cho ứng dụng này vì nó có công suất ra cực đại là 4 W, điện áp phá hủy là 68 V (lớn hơn 3 lần điện áp nguồn 12V (48V) – điện áp collector cực đại của khuếch đại công suất lớp E) thỏa mãn những yêu cầu về mặt công suất cũng như điện áp nguồn cấp đề ra. Việc phân cực và cấp nguồn cho transistor không đòi hỏi nguồn DC lưỡng cực và vì vậy giúp cho việc thiết kế các mạch này trở nên đơn giản. Dải tẩn số làm việc của transitor này từ 0 đến 2000 MHz rất phù hợp cho ứng dụng này. Mọi thông số kỹ thuật của transistor này được cho trong [1]. Vị trí của bộ dao động đèn: Như hình 1 chỉ ra, mạch Lamp Exciter kết hợp với Cavity & Lamp chính là phần nằm trong thiết kế được giới thiệu trong bài báo này. Hình. 1 Sơ đồ khối đồng hồ nguyên tử [2] II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Mạch khuyếch đại công suất lớp E Trong bộ khuếch đại công suất lớp E được mô tả bởi Sokal [3], [7], transistor đóng vai trò một công tắc đóng-mở và các sóng điện áp và dòng điện drain/colector không đồng thời chồng lấn nhau (xem hình 2b). Điều này giúp giảm thiểu tiêu thụ công suất và tăng tối đa hiệu suất của mạch khuếch đại. Đặc tính của mạch khuếch đại lớp E có thể được xác định bằng việc tìm các sóng điện áp và dòng điện collector ở trạng thái xác lập. Mạch tải của bộ khuếch đại bao gồm một tụ điện C nối song song với transistor, một điện cảm nối tiếp L, một mạch điều hưởng nối tiếp L0C0 và một điện trở tải R (hình 2a). Thông thường, tụ điện song song C có thể đại diện cho điện dung nội ở cửa ra của transistor cộng với điện dung ngoại do mạch tải đưa vào. Cực collector của transistor được nối vào nguồn cấp qua cuộn chặn RF có điện kháng cao ở tần số cơ bản. Phần tử tích cực được xem là một công tắc (switch) lý tưởng được điều khiển sao cho phần tử này thực hiện đóng mở giữa hai trạng thái ON và OFF. Vì thế, dạng sóng điện áp collector được xác định bởi công tắc này khi nó ở trạng thái đóng (ON) và bởi đáp ứng quá độ của mạch tải khi công tắc ở trạng thái tắt (OFF). Hình 2. Dạng sóng “mong muốn” của dòng và áp collector/drain của bộ khuếch đại lớp E Các phương trình thiết kế cho mạch khuếch đại lớp E sử dụng phần tử tập trung được giới thiệu trong [3]. Trong tài liệu này, ta có thể tìm được các cách thức và qui trình tối ưu, điều chỉnh cho mạch khuếch đại lớp E. 2.2. Mạch dao động hồi tiếp dùng transistor ...