Topic 4 Microwave sources.pdf

JABATAN KEJ ELEKTRIK

TOPIK 4/E 5822/ - 1 -

- 1 -

TOPIK 4

Punca-punca Gelombang Mikro ( SOURCES OF MICROWAVE)

Pengenalan 1. Punca gelombang mikro terbahagi kepada dua bentuk iaitu :- i) Bentuk tiub ii) Bentuk semikonduktor 2. Tiub adalah peranti yang digunakan untuk mengawal isyarat yang besar dengan menggunakan isyarat yang

lebih kecil bagi menghasilkan penguatan, pengayunan, pensuisan dan lain-lain kendalian. 3. Tiub gelombang mikro terdiri daripada :- i) Klystron ii) Magnetron iii) Traveling wave Tube (TWT) 4. Punca-punca semikonduktor terdiri daripada :- i) Diod terowong ii) Diod Gunn iii) Diod IMPATT (impact avalanche & transit time) iv) LSA (Limited space charge Accumulation) v) Diod Varaktor ( Variable Capacitance diode) vi) Diod PIN (P intrinsic N) vii) Diod Schottky Barrier

1.0: Punca Gelombang Mikro Jenis Tiub 1.1: Klystron

1. Klystron merupakan tiub hampagas gelombang mikro yang menggunakan rongga resonan bagi menghasilkan modulasi (perubahan) halaju alur elektron dan seterusnya menghasilkan penguatan.

2. Ianya terbahagi kepada tiga iaitu:- i) Klystron dua kaviti ii) Klystron multikaviti iii) Klystron pantulan.


TOPIK 4/E 5822/ - 2 -

- 2 -

1.1.1: Klystron Dua Kaviti

Rajah 1: Skematik Klystron Dua Kaviti

1. Tiub hampagas mengandungi katod yang dipanaskan oleh filament pemanas. Pada suhu yang tinggi, katod akan memanaskan elektron dan elektron akan ditarik oleh plet anod. Oleh itu, aliran arus akan terhasil antara anod dan katod dalam tiub.

2. Elektron yang dipancarkan oleh katod akan difokuskan ke dalam alur yang sempit oleh pemfokus elektrod.

3. Elektron dalam alur akan dipercepatkan oleh sumber arus di mana voltan anod adalah lebih positif berbanding katod. Pada ketika ini, elektron bergerak dengan kelajuan yang seragam.

4. Isyarat yang hendak dikuatkan dibekalkan pada rongga pengumpul. Ianya akan dapat menjana medan elektrik dan medan magnet di dalam rongga.

5. Isyarat masukan RF akan menyebabkan adanya medan antaranya grid rongga. Halaju elektron akan mengalami perubahan (modulasi) halaju iaitu samada dipercepatkan atau diperlahankan. Interaksi antara medan elektrik RF dengan medan elektrik AT menyebabkan elektron mengalami modulasi halaju.

6. Modulasi halaju akan menyebabkan halaju lektron termodulat dan elektron-elektron akan dikumpulkan secara beransur-ansur.

7. Elektron akan bergerak bebas tanpa gangguan dalam ruang hanyut dan kelompokan elektron ditarik oleh anod.

8. Elektron ini bergerak ke pengumpul dalam keadaan banyak-banyak atau sedikit-sedikit Ini dikatakan alur elektron dimodulat.

9. Ujaan kelompokan elektron dalam rongga penangkap (catcher cavity) pada frekuensi resonan menyebabkan tenaga at dalam alur elektron ditukar kepada tenaga RF . Pengayunan akan berlaku dalam catcher cavity dengan kuasa yang lebih tinggi, menyebabkan proses penguatan berlaku.

10. Keluaran diambil pada catcher cavity menggunakan gelung gandingan.


TOPIK 4/E 5822/ - 3 -

- 3 -

1.1.2: Multikaviti Klystron

Rajah 2: Skematik Multikaviti Klystron

1. Klystron boleh juga dibina dengan penambatan gap antara buncher cavity dan catcher cavity. 2. Rongga ini akan menghasilkan lebih banyak kelompokan yang menyebabkan penguatan isyarat

bertambah. 3. Penambahan kaviti akan meningkatkan kecekapan .Gandaan kuasa tinggi. 4. Frekuensi kendalian klystron ditentukan oleh saiz masukan dan keluaran rongga. 5. Digunakan sebagai penduat berkuasa tinggi. Julat frekuensi yang diliputi 250mHz – 95 GHz.

1.1.3: Reflex Klystron – Klystron Pantul

Rajah 3: Skematik Klystron Pantul


TOPIK 4/E 5822/ - 4 -

- 4 -

1. Merupakan satu pengayun gelombang mikro berkuasa rendah (< 0.5 watt) dan digunakan secara

meluas di makmal. 2. Reflex Klystron digunakan pada julat frekuensi 4-200 Ghz dan kuasa keluarannya ialah 100 mw. 3. Filamen pemanas memanaskan katod dan menyebabkan elektron terhasil. 4. Elektron dipercepatkan oleh grid pemfokus dengan voltan positif dan difokuskan supaya alur

elektron berada pada tengah-tengah tiub klystron. 5. Elektron yang melalui rongga akan mengalami perubahan halaju yang menghasilkan kelompok

elektron. 6. Bila kelompokan elektron sampai ke plat penangkis yang negatif, ia akan kembali ditolak ke dalam

rongga. 7. Kelompokan elektron akan mengagihkan tenaga kepada rongga dan menyebabkan ayunan

berlaku pada frekuensi rongga. 8. Rongga menjadi positif dan akan menarik elektron kepadanya dan menyebabkan pengaliran arus

berlaku dan isyarat RF akan dikeluarkan melalui penganding keluaran. 1.1.4: Kegunaan Pengayun Klystron

1. Sebagai sumber dalam penjanaan gelombang mikro dan pengayun tempatan di dalam sistem

penerimaan gelombang mikro. 2. Sebagai pengayun pemodulatan frekuensi – di dalam rangkaian gelombang mikro. 3. Sebagai pengayun PAM untuk penguat berparameter yang menghasilkan kuasa pada frekuensi

tinggi. 1.2: Magnetron.

1. Merupakan kombinasi tiub hampagas cadangan binaan dalam rongga resonans dan magnet kekal yang sangat kuat.

2. Ia juga merupakan pengayun berkuasa tinggi di mana ia berupaya menghasilkan kuasa sebanyak

100 KW pada 3 GHz. 3. Magnetron digunakan untuk menghasilkan keluaran continous-wave pada kuasa rendah seperti

yang digunakan dalam ketuhar gelombang mikro atau sebagai alatan berdenyut yang menghasilkan kuasa tinggi (dalam MW) yang digunakan dalam pemancar radar.

4. Tiga jenis magnetron ialah :-

i) Magnetron frekuensi-cyclotron ii) Magnetron rintangan negatif atau anod berpecah iii) Magnetron rongga bersalun


TOPIK 4/E 5822/ - 5 -

- 5 -

1.2.1: Operasi Magnetron

Rajah 4: Skematik Magnetron

1. Anod dibuat daripada kuprum dan ianya disambungkan kepada voltan at positif yang tinggi (4KV) 2. Pusat anod dikenali sebagai selinder saling tindak merupakan satu katod bulat yang akan

memancarkan elektron apabila dipanaskan. 3. Apabila katod dipanaskan, elektron akan terhasil dan menyebabkan pengaliran arus berlaku dari

katod ke anod. 4. Walau bagaimanapun, arah elektron diubahsuai oleh tiub sekeliling dengan kekuatan medan

magnet yang dibekalkan oleh magnet kekal berbentuk C. 5. Apabila elektron bergerak, ia mempunyai medan magnet yang bergabung dengannya. Medan

magnet ini akan bersaling tindak dengan kekuatan medan dari magnet. Ini menghasilkan aliran elektron dari katod ke anod tetapi tidak secara terus sebaliknya dibiaskan kerana persesuaian voltan anod dan kekuatan medan magnet.

6. Elektron yang sampai pada anod menyebabkan aliran arus.Laluan elektron berbentuk bulatan

dalam rongga saling tindak dan menguja rongga resonan dalam pengayunan. 7. Magnetron adalah pengayun. Gelung dalam rongga akan mengambil tenaga keluar untuk

menghasilkan keluaran.

1.2.2: Kegunaan Magnetron

1. Sebagai pemanas di dalam oven gelombang mikro. Ia beroperasi pada 2.45 GHz dengan keluaran berterusan dari 400-1000W.

2. Sebagai (digunakan dalam sistem radar) yang mengeluarkan kuasa sehingga 10 000KW dengan

kitar kerja yang rendah.


TOPIK 4/E 5822/ - 6 -

- 6 -

1.3: Traveling Wave Tube (Tiub Gelombang Bergerak)

1. Ianya merupakan penguat gelomabng mikro bergandaan tinggi, rendah hingar dan mempunyai lebar jalur yang luas.

2. Dengan ciri di atas, ianya amat sesuai digunakan sebagai penguat RF dan penguat kuasa di

dalam peralatan-peralatan gelombang mikro, elektronik dan satelit 3. Ia juga digunakan bagi mengatasi kecekapan yang rendah pada klystron dua rongga.

1.3.1: Operasi Travelling Wave Tube (TWT)

Rajah 5: Binaan Fizikal TWT

1. Tiub terdiri daripada datu gelung helik yang diikat ketat pada sebuah gelung kaca yang disangga

dengan 4 rod seramik dimana panjang helik lebih kurang 6 inci dan kedua-dua hujung helik diikat dengan 2 bahagian pandu gelombang.

2. Apabila filamen pemanas memanaskan katod, elektron akan terhasil di sepanjang pertengahan

tiub bersama dengan heliks dengan pemungut di hujungnya. 3. Heliks ini dibuat lebih positif berbanding dengan anod dan voltan pada pemungut lebih positif lagi.

Oleh itu alur elektron akan tertarik pada pemungut dan mencapai halaju yang agak tinggi. 4. Alur itu dilarang daripada tersebar oleh satu magnet pemfokus. Alur difokus supaya ia dapat

melalui pertengahan heliks tanpa mengganggu dawai heliks asal. 5. Bila gelombang RF dimasukkan, ia bertemu dengan alur elektron. Pelemah heliks akan

melambatkan pergerakan elektron. Proses ini menyebabkan perubahan halaju elektron dan kelompokan elektron terhasil.

6. Apabila kelompokan awal ini tiba di lilitan kedua heliks, isyarat berfasa diperlambatkan dan ianya

menolong melakukan proses kelompokan secara beransur-ansur. 7. Dengan ini kelompokan lain akan tiba dan bertemu bagi menghasilkan kan medan elektron yang

tinggi. 8. Kelompokan elektron bertambah, dan ianya selesai pada hujung keluaran dan secara serentak

gelombang RF dalam heliks meningkat dan mencapai keadaan maksimum di hujung keluaran. 9. Keluaran tenaga daripada alur elektron dapat diperolehi dan digandakan. 10. TWT banyak digunakan sebagai penguatkuasa pada satelit.


TOPIK 4/E 5822/ - 7 -

- 7 -

Antara kebaikan TWT ialah :-

i) Sebagai penguat gelombang mikro bergandaan tinggi. ii) Hingar yang rendah iii) Lebar jalur yang luas

11. Kegunaan TWT ialah :-

i) Penguat kuasa dan penguat RF ii) Peralatan gelombang mikro iii) Peralatan elektronik iv) Peralatan Satelit

2.0: Punca Gelombang Mikro Jenis Semikonduktor

Seperti juga teknologi lain, penggunaan peranti elektronik juga telah memberi kesan terhadap teknologi

punca gelombang mikro. Keperluan terhadap peranti gelombang mikro yang bersaiz kecil telah

menyebabkan penyelidikan yang banyak terhadap bidang ini. Ini antara lain telah menghasilkan pelbagai

jenis punca gelombang mikro berbentuk semikonduktor seperti diod terowong, diod varaktor dan diod gunn.

2.1: Diod Terowong (Tunnel Diode)

1. Antara punca gelombang mikro yang selalu digunakan adalah diod terowong.

2. Struktur binaan diod terowong ditunjukkan seperti Rajah 6.

Rajah 6: Struktur binaan Diod Terowong

3. Asas diod terowong adalah daripada struktur lajur tenaga bagi semikonduktor (Rujuk Rajah 7). Elektron di dalam semikonduktor mampunyai keupayaan tenaga yang berbeza.

p+

n+

A K V


TOPIK 4/E 5822/ - 8 -

- 8 -

Rajah 7: Jalur Tenaga Simpang P-N.

4. Di dalam diod terowong, pendopan yang tinggi oleh elektron menyebabkan proses penorowongan berlaku. Kendalian operasi diod terowong adalah merujuk kepada tiga keadaan:

Voltan = 0

i. Tiada aliran arus Voltan = Vmin

ii. Elektron mempunya tenaga. Terdapat proses penorowongan elektron berlaku kerana kemampuan elektron menembusi sawar upaya simpang.

Voltan = Vmax

iii. Kelebaran simpang berkurangan (nipis), peneworongan elektron berlaku secara berkurangan. Ini mewujudkan kerintangan negatif.

5. Hasil daripada kendalian ini, satu kawasan iaitu kawasan rintangan negatif terhasil yang mana

dapat bertindak sebagai punca gelombang mikro.

2.2: Diod Gunn

1. Diod Gunn dibina daripada Gallium Arsenide (GaAs) @ Indium Phosphide (InP) yang didop dengan silikon (Si), Tellurium @ Selenium.

2. Penyambungan ohmik (substrat n+) didop dengan banyak untuk pengaliran terbaik. 3. Struktur lapisan aktif nipis didop kurang, manakala sentuhan emas telah di elektroenapan untuk

meningkatkan kerintangan. 4. Lesapan haba dialirkan pada sinki haba untuk mengurangkan pemanasan. 5. Diod Gunn menggunakan prinsip ”kesan pemindahan elektron (transferred elektron effect)”. Arus

yang meningkat, membolehkan kawasan berkenaan mempunyai keupayaan voltan yang cukup bagi memindahkan elektron kepada lajur tenaga yang lebih tinggi. Elektron-elektron akan membentuk kumpulan yang mana kumpulan yang paling hadapan akan bergerak dengan lebih pantas dan diikuti oleh kumpulan seterusnya. Apabila elektron sampai kepenghujungnya, ia akan menghasilkan denyut arus secara harmonik kepada litar tangki (LC tuned circuit) yang menghasilkan ayunan.


TOPIK 4/E 5822/ - 9 -

- 9 -

6. Walaubagaimanapun, terdapat kawasan di mana arus akan berkurangan walaupun berlaku

pertambahan nilai voltan. Ini seterusnya menghasilkan kerintangan negatif (kawasan tidak stabil). Rujuk Rajah 8.

Rajah 8: Ciri Lengkuk I-V Diod Gunn 2.3: Limited Space-Charge Accumulation (LSA)

1. limited space-charge accumulation (LSA) merupakan satu jenis mod operasi yang terdapat pada Diod Gunn.

2. Mod operasi ini mengarahkan supaya litar resonan menetapkan nilai frekuensi operasi adalah lebih

tinggi daripada nilai frekuensi transit-time. 2.4: Diod IMPATT

1. Diod IMPATT bermaksud IMPact Ionization Avalanche Transit-Time yang mana digunakan di dalam sistem elektronik berfrekuensi tinggi. Ia juga sering digunakan di dalam peranti gelombang mikro.

2. Frekuensi operasi diod IMPATT adalah di dalam julat 3 hingga 100 GHz. 3. Kelebihan diod IMPATT adalah daripada keupayaan kuasa tinggi yang dimilikinya. Namun begitu,

Diod IMPATT menghasilkan tahap hingar fasa yang tinggi, yang terhasil daripada kesan proses Avalanche. Walaubagaimanapun, keupayaan diod IMPATT sebagai punca gelombang mikro adalah sangat baik dalam kebanyakan aplikasi.

4. Struktur Diod IMPATT adalah seperti Rajah 9 dibawah. Kawasan p+ merujuk kepada kawasan

Avalanche, manakala kawasan n+ menunjukkan kawasan Drift.

Rajah 9: Struktur binaan Diod IMPATT

p+

n n+

A K -V


TOPIK 4/E 5822/ - 10 -

- 10 -

5. Dengan merujuk rajah ciri lengkuk I-V diod IMPATT, kendalian operasi Diod IMPATT adalah merujuk kepada tiga keadaan:

Voltan RF negative (1)

Elektron bergerak dari anod ke katod, arus runtuh mula terbentuk Voltan RF = 0 (2) Arus runtuhan terbentuk dan pembinaan cas lengkap Voltan RF = max negative (3) Arus runtuhan dihanyutkan dengan lengahan fasa dan kerintangan negative.

Rajah 10: Ciri Lengkuk I-V Diod IMPATT

2.5: Diod Varaktor

1. Diod Varaktor adalah peranti gelombangmikro yang menggunakan cirri simpang pn di pincang songsang untuk membentuk kapasitor di kawal voltan.

2. Rajah skematik diod varaktor adalah seperti Rajah 11.

Rajah 11: Skematik Diod Varaktor

3. Bila di pincang songsang, hampir semua diod semikonduktor mempunyai simpang kapasitan

dimana ianya diperolehi apabila dibekalkan voltan pincang balikan. Jika diod yang dihasilkan mempunyai ciri gelombang mikro yang sesuai, diod ini dipanggil Diod Varaktor.

4. Lapisan susutan menyimpan tenaga dalam bentuk medan elektrik. Contohnya ia mempunyai sifat

kapasitan (kemuatan). Di dalam diod varaktor, pendopan yang khusus boleh mengakibatkan lapisan kesusutan mempunyai nilai kemuatan yang besar. Lebar lapisan kesusutan boleh diubah


TOPIK 4/E 5822/ - 11 -

- 11 -

dengan perubahan dalam pincang balikan pada diod dan oleh itu, kemuatan merintangi simpang boleh diperoleh.

5. Kawasan susutan bertindak sebagai dielektrik kapasitor dan bahan jenis n dan p sebagai plat

kapasitor. Pada voltan pincang hadapan, kawasan kesusutan menjadi sempit dan nilai kapasitan menjadi lebar dan nilai kapasitor menjadi kurang.

6. Diod varaktor adalah setara kepada kapasitor pembolehubah. Kemuatannya boleh disesuaikan

oleh penukaran sedikit bekalan voltan padanya. Ini adalah kaedah yang sesuai untuk mengubah frekuensi salun pada litar tertala.

7. Diod varaktor diaplikasikan sebagai:

i) Pendarab frekuensi dalam mengendalikan pemancar pada frekuensi yang sangat tinggi. ii) Pengayun dikawal voltan (Voltage Controlled Oscillator) iii) Peranti asas Penguat Berparameter iv) Penjana Harmonik

2.6: Diod Schottky Barrier

1. Struktur binaan diod Schottky Barrier terdiri daripada lapisan Schottky contact, lapisan semikonduktor dan lapisan metal. Sila rujuk Rajah 12.

Rajah 12: Struktur binaan dan rajah skematik Diod Schottky Barrier

2. Ia juga dikenali sebagai hot carrier diod kerana apabila diod di pincang hadapan, elektron dari bahan jenis N mempunyai tenaga yang cukup untuk melepasi simpang dan masuk ke kawasan metal.

3. Pada simpang hadapan, proses recombination dan injection elektron dari lapisan n adalah penting. 4. Pada simpang balikan, injection elektron daripada lapisan metal adalah dominan. 5. Ciri-ciri penting lengkuk I-V Diod Schottky Barrier adalah:

i) Voltan “turn-on” ii) Faktor Ideality iii) Voltan Breakdown iv) Kerintangan sesiri

Metal N


TOPIK 4/E 5822/ - 12 -

- 12 -

Rajah 13: Ciri-ciri penting lengkuk I-V Diod Schottky Barrier

6. Ciri unik Diod Schottky Barrier jika dibandingkan dengan diod biasa: i) Peranti unipolar sementara Diod PN adalah peranti bipolar kerana ia ada elektron dan hole

sebagai pembawa majoriti. ii) Oleh kerana tiada hol dalam metal, tiada kawasan susutan. Maka diod ini boleh di’off’kan

lebih cepat daripada diod biasa.

2.7: Diod PIN

1. Diod PIN merupakan diod Positive Intrinsic Negative dengan binaan lapisan semikonduktor intrinsik tidak terdop di antara lapisan jenis-p dan jenis-n. Sila rujuk Rajah 14.

Rajah 14: Struktur binaan Diod PIN

2. Diod PIN beroperasi seperti diod biasa hanya pada isyarat yang sangat rendah. Pada isyarat berfrekuensi tinggi, diod akan beroperasi pada keadaan yang sangat linear iaitu menyerupai perintang. Rintangan berfrekuensi tinggi adalah berkadar songsang kepada arus simpang AT diod.

3. Pada simpang hadapan, diod PIN akan bertindak seperti perintang boleh ubah dan mempunyai

julat rintangan daripada 0.1Ω hingga 10kΩ (mengikut penggunaan). 4. Pada simpang balikan, diod PIN akan bertindak sebagai kapasitor konstant. 5. Ini menyebabkan diod PIN adalah sesuai digunakan sebagai punca gelombang mikro.

p+ i n+

A K -V

Topic 4 Microwave sources.pdf

Documents

Transcript of Topic 4 Microwave sources.pdf