Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô đun phát công suất cho đài ra đa thế hệ mới làm việc trong dải sóng DM luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 70

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ    NGUYỄN ĐÌNH THẾ ANH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ ĐUN PHÁT CÔNG SUẤT CHO ĐÀI RA ĐA THẾ HỆ MỚI LÀM VIỆC TRONG DẢI SÓNG DM LUẬN VĂN THẠC SỸ HÀ NỘI – 2011 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ    NGUYỄN ĐÌNH THẾ ANH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ ĐUN PHÁT CÔNG SUẤT CHO ĐÀI RA ĐA THẾ HỆ MỚI LÀM VIỆC TRONG DẢI SĨNG DM Ngành: Cơng nghệ Điện tử - Viễn Thơng Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG HÀ NỘI - 2011 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com iv MỤC LỤC MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RA ĐA 1.1 Lịch sử phát triển Ra đa [4] 1.2 Nguyên tắc hoạt động [6] 1.3 Phân loại đài Ra đa [6] 1.3.1 Theo cơng dụng chia đài đa thành loại sau: 1.3.2 Theo dấu hiệu kỹ thuật 1.3.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát đài đa cảnh giới CHƯƠNG 12 KỸ THUẬT THU PHÁT SIÊU CAO TẦN 12 2.1 Lý thuyết đường truyền:[1] 12 2.1.1 Cách biểu diễn hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ hệ có phần tử tập trung 13 2.1.2 Phương trình vi phân đường dây 14 2.1.3 Nghiệm phương trình vi phân 16 2.1.4 Đường truyền khơng tổn hao có mắc tải đầu cuối 19 2.1.5 Tóm tắt số quan hệ định lượng đường dây có sóng đứng 28 2.2 Đồ thị smith [1] 29 2.2.1 Giới thiệu 29 2.2.2 Họ đường tròn đẳng điện trở r: 31 2.2.3 Họ đường tròn đẳng điện kháng x 34 2.2.4 Vòng tròn đẳng | | 35 2.3 Một số phương pháp phối hợp trở kháng 37 2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung 38 2.3.2 Phối hợp trở kháng dùng dây nhánh 39 2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh 40 2.3.4 Phối hợp trở kháng doạn dây lamda/4 41 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com v 2.3.5 Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài 42 2.3.6 Phối hợp trở kháng đoạn dây mắc nối tiếp 42 CHƯƠNG 44 THỰC NGHIỆM 44 3.1 Yêu cầu thiết kế 45 3.2 Mô kết tính tốn phối hợp trở kháng: 46 3.3 Mạch layout chế tạo 50 3.1.5 Đo đạc kết nhận xét: 53 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT RADA Radio Detection And Ranging - RADA RA ĐA EHF Extremely High Frequecy Tần số cực cao LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SHF Super High Frequency Tần số siêu cao UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cách săn bắt mồi lồi dơi Hình 1.2: Phân loại đài đa Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc tổng quát đài đa cảnh giới Hình 2.1: Biểu diễn mạch tương đương đoạn đường truyền sóng siêu cao tần Hình 2.2: Mạng đơn giản hình T hay đối xứng đường truyền sóng siêu cao tần Hình 2.3: Sơ đồ đường truyền khơng tổn hao có mắc tải đầu cuối Hình 2.4: Sóng đứng điện áp đường truyền khơng tổn hao có mắc tải đầu cuối Hình 2.5: Sóng đứng dịng điện sóng đứng điện áp đường truyền khơng tổn hao có mắc tải đầu cuối Hình 2.6: Họ vịng trịn đẳng điện trở Hình 2.7: Họ vịng trịn đẳng điện kháng Hình 2.8: Vịng trịn đẳng điện kháng phía trục hồnh Hình 2.9: Vịng trịn đẳng điện kháng phía trục hồnh Hình 2.10: Vịng trịn đẳng điện trở điện kháng biểu đồ Hình 2.11: Họ vịng trịn đẳng | | Hình 2.12: Biểu đồ Smith chuẩn Hình 2.13: Sơ đồ phối hợp trở kháng Hình 2.14: Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung Hình 2.15: Phối hợp trở kháng đoạn dây nhánh Hình 2.16: Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng dây nhánh song song LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com viii Hình 2.17: Sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4 Hình 2.18: Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài Hình 2.19: Phối hợp trở kháng hai đoạn dây mắc nối tiếp Hình 3.1: Cấu trúc máy phát cho đài đa hệ Hình 3.2: Mơ hình mơ đun khuếch đại cơng suất sở Hình 3.3: Mơ phối hợp trở kháng đầu vào Hình 3.4: Mơ phối hợp đầu Hình 3.5: Kết phối hợp trở kháng đầu vào Hình 3.6: Kết phối hợp trở kháng đầu Hình 3.7: Mơ phối hợp trở kháng đầu vào_2 Hình 3.8: Mơ phối hợp trở kháng đầu _ Hình 3.9: Kết mơ phối hợp trở kháng đầu vào_2 Hình 3.10: Kết mô phối hợp trở kháng đầu _ Hình 3.11: Mạch layout_1 Hình 3.12: Mạch chế tạo_1 Hình 3.13: Đo đạc đánh giá kết _ Hình 3.14: Mạch layout_2 Hình 3.15: Đo đạc đánh giá kết _ Hình 3.16: Khảo sát tín hiệu tần số 860Mhz phân tích phổ Hình 3.17: Khảo sát tín hiệu tần số 890Mhz Hình 3.18: Khảo sát tín hiệu tần số 820 Mhz Hình 3.19: Dải thơng khuếch đại công suất LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Các dơi nhỏ bé phát tiếng kêu siêu âm từ mũi, nhận tiếng vọng qua hai ăng ten hai tai, chúng phân tích để tìm kiếm định vị mồi Từ cách thức săn mồi loài dơi số động vật khác với phát triển khoa học kỹ thuật, nhà khoa học phát minh hệ thống phát định vị mục tiêu, hay gọi đa (Radio Detection And Ranging - RADA) Trong chiến tranh, hàng loạt đài đa cho đời với nhiều chiến thuật khác nhau, nâng cao khả chiến đấu cho quân đội Sau chiến tranh, nhà khoa học tập trung cải tiến, chế tạo đài đa phục vụ quân mà lĩnh vực thiên văn đời sống xã hội phục vụ cho lợi ích lồi người Với tên đề tài luận văn : “ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô đun phát công suất cho đài đa hệ làm việc dải sóng dm”, lý thuyết thực nghiệm, luận văn thực nội dung sau: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động chung đài đa - Tìm hiểu kỹ thuật thu phát siêu cao tần Tìm hiểu sâu kỹ thuât phối hợp trở kháng chế tạo thành công khối khuếch đại công suất 45 W, hoạt động dải tần 820Mhz – 890Mhz, hệ số khuếch đại 15dB - Đánh giá kết đạt luận văn kết luận LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RA ĐA 1.1 Lịch sử phát triển Ra đa [4] Từ xa xưa, thiên nhiên hoang dã, tạo hóa ban cho cỗ máy rađa kì diệu Chú dơi phát tiếng kêu siêu âm từ mũi, nhận tiếng vọng hai ăng-ten hai tai, qua phân tích để tìm kiếm định vị mồi Hình 1.1: Cách săn bắt mồi lồi dơi Những thí nghiệm khám phá ban đầu ngƣời Năm 1887, nhà vật lý Đức Heinrich Hertz nhân loại tôn vinh lấy tên ơng làm đơn vị tần số sóng vơ tuyến Ơng biết đến với cống hiến tuyệt vời người tạo sóng vơ tuyến truyền qua phản xạ loại vật liệu khác phịng thí nghiệm Ngày 7/5/1895, nhà bác học Nga A.S Pô-pôp phát minh dụng cụ thu ghi lại tượng sét cách xa 30 km Tháng 3/1896, Pôpôp truyền vô tuyến điện tín lịch sử với nội dung “Heinrich Hertz”, đánh dấu phát minh to lớn nhân loại: phát minh vô tuyến điện Một ứng dụng quan trọng vô tuyến điện phát định vị, gọi rađa (RAdio Detection LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com And Ranging - RADAR) Tên hải quân Mỹ đặt đại chiến giới lần thứ hai, trở nên thông dụng Cống hiến Pơ-pơp khơng dừng lại Năm 1897, thí nghiệm cự ly thông tin vô tuyến điện, ông gặp tượng bất ngờ liên lạc vô tuyến hai tàu bị cắt đứt lúc có tuần dương hạm chạy ngang qua Lí giải thích sóng vơ tuyến bị phản xạ gặp chướng ngại vật Ông nghĩ việc lợi dụng tượng để kiểm tra, xác định vị trí dẫn đường cho tàu thuyền Đây xem thời điểm khởi đầu hệ thống rađa Năm 1904, Christian Hülsmeyer nhận sáng chế Đức cho thiết bị gọi Telemobiloskop, thiết bị quan sát vật thể từ xa Năm 1922, Guglielmo Marconi có diễn thuyết trình bày ý tưởng phát vật thể từ xa sử dụng sóng vơ tuyến Nhưng đến năm 1933, ông đưa thiết bị Trong năm 1925/26, hai nhà vật lý Mỹ Breit Tuve, hai nhà nghiên cứu Anh Appleton Barnett trình diễn số phép đo bầu khí Trái đất, sử dụng phát xung vô tuyến coi rađa Năm 1933 Viện German Kriegsmarine (Navy) bắt đầu nghiên cứu gọi Funkmesstecknik hay công nghệ đo đạc từ xa Nghiên cứu Nga năm 1934 Các đài mẫu công tác sóng dm sóng m dựa vào tượng phách sóng tới liên tục tín hiệu phản xạ từ mục tiêu Năm 1937, Sir Robert Watson-Watt thành công việc tạo hệ thống cho phép phát máy bay ném bom từ khoảng cách lớn 150 km Và ông coi người phát minh hệ thống rađa hoàn chỉnh Trong chiến tranh giới lần thứ Trong năm ác liệt chiến tranh, Liên-xô cho đời hàng loạt đài rađa với nhiều chiến thuật khác nhau, nâng cao khả chiến đấu cho quân đội góp phần vào thắng lợi chung Hồng quân Liênxô Cùng lúc, nước Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Nhật để nhiều sức lực vào việc phát triển kỹ thuật rađa Năm 1936, Anh xây dựng hàng rào LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 43 A Z0 B Za A ZL B l1 Hình 2.19 Z0 l2 Phối hợp trở kháng hai đoạn dây mắc nối tiếp Trong toán đoạn dây phối hợp có trở kháng đặc tính Z0 Za biết trước, cần xác định độ dài chúng để có trở kháng nhìn từ A-A tải đạt giá trị Z0, nghĩa đảm bảo khơng có sóng phản xạ đường truyền Nhận xét: Chương trình bày lý thuyết đường truyền đồ thị smith, đồ thị smith sử dụng để tính toán phối hợp trở kháng cho đầu vào đầu đèn công suất lựa chọn chương Chương trình bày bước giải tốn thiết kế mơ đun khuếch đại cơng suất kết đạt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 44 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM Để tạo máy phát đa hệ dải sóng 820Mhz – 890 Mhz, với cơng suất 10KW xung (70dBm), phương án đề xuất cộng công suất nhiều mo đun công suất nhỏ Sơ đồ cấu trúc máy phát cho đài đa hệ hoạt động dải tần 820 Mhz – 890 Mhz minh họa hình 3.1 Hình 3.1: Cấu trúc máy phát cho đài đa hệ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 45 Cụ thể dùng 65- 70 mô đun, mô đun khuếch đại sở có cơng suất ≥160W tích hợp nhờ đèn cơng suất đèn công suất 45W đèn công suất 200W Như đề xuất phần mở đầu, khuôn khổ luận văn này, em thiết kế chế tạo thành công mô đun khuếch đại 45W Hình 3.2: Mơ hình mơ đun khuếch đại sở (160W) 3.1 Yêu cầu thiết kế  Yêu cầu: Thiết kế chế tạo mô đun khuếch đại công suất 45W, hoạt động dải tần 820 Mhz – 890 Mhz, có hệ số khuếch đại 15dB, công suất tối đa 45W  Thiết kế: Với yêu cầu trên, em lựa chọn transistor PTF080451E, loại đèn có cơng suất tối đa 45W, tần số hoạt động lên tới 960 Mhz - Bƣớc 1: Từ datasheet lấy tham số trở kháng vào - Bƣớc 2: Sử dụng đồ thị Smith để chuẩn hóa giá trị trở kháng tính tốn phối hợp Có nhiều phương pháp để tính toán phối hợp 50 Ohm với trở kháng phức dùng mạch hình L, dây nối tiếp, dây nhánh song song… Mỗi phương pháp có nhữn ưu việt riêng, tùy vào mục đích sử dụng để lựa chọn Như trình bày chương 1, tín hiệu đài đa phức tạp nên khuếch đại cần phải đáp ứng dải thông rộng (70 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 46 Mhz).Trong luận văn em sử dụng phương pháp phối hợp đoạn dây có điện trở khác kết hợp với số thuật toán để làm rộng dải thông - Bƣớc 3: Sử dụng phần mềm ADS để mô phỏng, kết thu mục 3.2 - Bƣớc 4: Chế tạo mạch in lắp ráp linh kiện - Bƣớc 5: Sử dụng máy phát, máy phân tích phổ để đo đạc đánh giá kết 3.2 Mơ kết tính tốn phối hợp trở kháng:  Phiên một: Hình 3.3: Mơ phối hợp trở kháng đầu vào LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 47 Hình 3.4: Mơ phối hợp đầu Hình 3.5: Kết phối hợp trở kháng đầu vào LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 48 Hình 3.6: Kết phối hợp trở kháng đầu  Phiên hai: Hình 3.7: Mô phối hợp trở kháng đầu vào LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 49 Hình 3.8: Mô phối hợp trở kháng đầu m3 freq= 860.0MHz dB(S(1,2))=-0.749 m1 freq=820.0MHz dB(S(1,1))=-32.037 m2 freq= 888.0MHz m3 dB(S(1,1))=-32.435 dB(S(1,2)) dB(S(1,1)) -10 -20 m1 m2 -30 -40 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 freq, GHz Hình 3.9: Kết mơ phối hợp trở kháng vào LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 50 m1 freq= 850.0MHz dB(S(1,1))=-30.053 m2 m2 freq= 849.0MHz dB(S(1,2))=-0.581 dB(S(1,2)) dB(S(1,1)) -10 -20 m1 -30 -40 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 freq, GHz Hình 3.10: Kết mô phối hợp trở kháng 3.3 Mạch layout chế tạo  Phiên một: Hình 3.11: Mạch layout LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 51 Hình 3.12 Mạch chế tạo Hình 3.13 Đo đạc đánh giá kết  Phiên hai: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 52 Hình 3.14: Mạch layout Hình 3.15: Đo đạc đánh giá kết LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 53 3.1.5 Đo đạc kết nhận xét: Hình 3.16: Tín hiệu thu sau qua khuếch máy phân tích phổ tần số 860 Mhz LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 54 Hình3.17: Khảo sát tần số 890 Mhz Hình3.18: Khảo sát tần số 820 Mhz LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 55 Bảng 2: Khảo sát dải thơng chế độ dịng 0.35 A Tần số (Mhz) 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 Công suất vào(dBm) -20 -20 -20 -20 -20 -20 -20 -20 -20 -20 Công suất ra(dBm) -8.49 -7.5 -6.9 -6.3 -5.7 -5.16 -5.24 6.42 -7.0 -7.71 Hệ số khuếch đại(dB) 11.51 12.5 13.1 13.7 14.3 14.84 14.76 13.58 13 12.29 Hình 3.19: Dải thơng khuếch đại cơng suất Nhận xét: Như khuếch đại công suất chế tạo có hệ số khuếch đại 14,84 dB chế độ dòng 0.35A, hoạt động dải tần 820 Mhz – 890 Mhz Trong trình khảo sát, hệ số khuếch đại lên tới gần 20dB tăng cơng suất đầu vào chế độ dịng gần 1A LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 56 KẾT LUẬN Luận văn tìm hiểu cách tổng quan hoạt động máy phát công suất lớn đài đa hệ hoạt động dải sóng dm Từ cở sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, kết hợp với mô tính tốn Luận văn chế tạo khuếch đại công suất 45W hoạt động từ 820Mhz – 890Mhz Tuy đạt kết khiêm tốn bước đầu quan trọng để em có thêm tự tin tìm hiểu nâng tầm nghiên cứu lĩnh vực siêu cao tần Việc thực luận văn giúp em nắm vững kiến thức kỹ thuật siêu cao tần, sử dụng, tiếp cận phần mềm, công cụ đại mô đun dùng hệ thống thực tế CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC: Dang Thi Thanh Thuy, Bach Gia Duong, Nguyen Dinh The Anh “Study, design and fabrication of the national sovereingly identification code receivers basic unit” IEEE The Third International on Communications and Electronics Nha Trang, Viet Nam, August 11-13, ICCE 2010, p.978 Dang Thi Thanh Thuy, Bach Gia Duong, Nguyen Dinh The Anh “ Study, design and fabrication of a high power combiner using 8-way Wilkinson bridge for a transmitter system of L-band” Báo cáo ngày 02/10/2010 tạp chí khoa học VNU – DHQGHN Dang Thi Thanh Thuy, Bach Gia Duong, Bach Hoang Giang, Nguyen Dinh The Anh “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khối khuếch đại công suất 3KW điều chế xung hệ thống phát tín hiệu mã chủ quyền quốc gia” Báo cáo ngày 18/03/2011 hội nghị khoa học ICT.rda’10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] GS.TSKH Phan Anh Giáo trình lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, Bộ môn Thông tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ [2] GS.TSKH Phan Anh Trường điện từ truyền sóng, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội [3] Ths Vũ Tuấn Anh Luận văn cao học, Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ [4] TS Đỗ Trung Kiên, luận án tiến sĩ, môn Vật lý vô tuyến – ĐHKHTN ĐHQGHN [5] Giáo trình cơng nghệ thơng tin vệ tinh, Tập đồn bưu viễn thơng [6] PGS.TS Hoàng Thọ Tu, Cơ sở xây dựng đài đa cảnh giới, NXB quân đội nhân dân, Hà nội – 2002 [7] Phạm Minh Việt Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [8] PGS.TS Trần Quang Vinh – Ths Chử Văn An, Nguyên lý kỹ thuật điện tử, NXB giáo dục, Hà Nội Tiếng Anh: [9] David M.Pozar, Microwave engineering, John Wiley & Sons, Inc [10] Guillermo Gonzalez, Microwave transistor amplifiers, Prentice Hall [11] W Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc [12] Kai chang, Encyclopedia of RF and Microwave Enginneering, John Wiley & Sons, Inc Và số tài liệu, báo , tạp chí khác mạng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ    NGUYỄN ĐÌNH THẾ ANH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ ĐUN PHÁT CÔNG SUẤT CHO ĐÀI RA ĐA THẾ HỆ MỚI LÀM VIỆC TRONG DẢI SĨNG DM Ngành: Cơng nghệ Điện tử - Viễn Thông Chuyên... tài luận văn : “ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô đun phát công suất cho đài đa hệ làm việc dải sóng dm? ??, lý thuyết thực nghiệm, luận văn thực nội dung sau: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động chung đài. .. Để tạo máy phát đa hệ dải sóng 820Mhz – 890 Mhz, với công suất 10KW xung (70dBm), phương án đề xuất cộng công suất nhiều mo đun công suất nhỏ Sơ đồ cấu trúc máy phát cho đài đa hệ hoạt động dải