Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy phát radar tầm thấp dải sóng DM theo nguyên lý cộng công suất trong máy

1.5 Các phương pháp phối hợp trở kháng Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản được mô tả ở hình 1.7, trong đó sử dụng một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng.. 7 Sơ đồ phối h

suÊt trong m¸y

luËn v¨n th¹c sÜ

Đại học quốc gia hà nội Tr-ờng đại học công nghệ

- -

Bạch hoàng giang

nghiên cứu chế tạo máy phát radar tầm thấp dải sóng dm theo nguyên lý cộng công

suất trong máy

Ngành : Cụng nghệ Điện tử - Viễn thụng

Chuyờn ngành : Kỹ thuật điện tử

Mó số : 60 52 70

luận văn thạc sĩ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU……… 1

Chương 1 - LÝ THUYẾT KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN……… 2

1.1 Tổng quan về kỹ thuật radar ……….2

1.2 Giới thiệu chung về kĩ thuật siêu cao tần……… 4

1.3 Lý thuyết đường truyền……… 7

1.4 Giới thiệu giản đồ Smith……… 10

1.5 Các phương pháp phối hợp trở kháng………13

1.5.1 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung………13

1.5.2 Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh……… 14

1.5.3 Phối hợp dùng 2 dây nhánh……… 14

1.5.4 Phối hợp bằng đoạn dây lamda/4……… 16

1.5.5 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ………16

1.5.6 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp…… 17

Chương 2 - THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT RADA SÓNG DM……… 18

2.1 Mạch vòng bám pha và bộ tổ hợp tần số……….18

2.1.1 Giới thiệu chung……… 18

2.1.2 Tổng quan về vòng bám pha (PLL)……… 18

2.1.2.1 Bắt chập và giữ chập………21

2.1.2.2 Đặc trưng chuyển tần số sang điện áp……….21

2.2 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha……… 23

2.2.2 Các bộ chia tần……….26

2.2.3 Bộ lọc tần số thấp……….26

2.2.4 Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO)……… 27

2.2.5 Mã Backer……… 27

2.2.5.1 Định nghĩa……… 27

2.2.5.2 Các phương pháp tạo mã backer……….27

Chương 3 - NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC BỘ CỘNG CÔNG SUẤT……… 30

3.1 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các bộ cộng công suất……… 30

3.1.1 Các bộ chia/cộng công suất……… 30

3.1.1.1 Bộ chia cộng công suất Wilkinson……….30

3.2 Thiết kế và mô phỏng………35

3.2.1 Bộ chia/cộng 1:2……… 35

3.2.2 Bộ chia/cộng 1:4……… 37

3.2.3 Bộ chia/cộng 1:8……… 39

Chương 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM……… 42

4.1 Chế tạo bộ tổ hợp tần số .……….42

4.2 Chế tạo bộ VCO……… 44

4.3 Chế tạo modul bộ chia/cộng Wilkinson ……… 47

4.3.1 Lựa chọn vật liệu và linh kiện……… 47

4.3.2 Chế tạo……… 48

4.3.2.1 Bộ chia/cộng 2……….49

4.3.2.3 Bộ chia/cộng 8……….52

4.4 Thử nghiệm ……… 53

4.4.1 Thử nghiệm bộ chia/cộng 1:2……… 53

4.4.2 Thử nghiệm bộ chia/cộng 1:4……… 54

4.4.3 Thử nghiệm bộ chia/cộng 1:8……… 55

KẾT LUẬN………56

TÀI LIỆU THAM KHẢO………57

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phân loại radar theo chất lượng và kỹ thuật

Hình 1.2: Phổ tần số của sóng điện từ

Hình 1.3: Dây dẫn song song và Mô hình tương đương

Hình 1.4: Dây dẫn với trở kháng đặc trưng Z0, hệ số truyền  và được

giới hạn bởi trở kháng tải Zt

Hình 1.5: Giản đồ Smith

Hình 1.6: Biểu diễn điểm bụng và điểm nút của sóng đứng trên biểu đồ

Smith Hình 1.7: Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản

Hình 1.8: Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung

Hình 1.9: Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh

Hình 1.10: Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây nhánh song song Hình 1.11: Sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4

Hình 1.12: Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ

Hình 1.13: Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp

Hình 2.1: Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha

Hình 2.2: Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp

Hình 2.4: Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha

Hình 2.6: Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập

Hình 2.7: Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng

nhau Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc của bộ tạo tín hiệu chuẩn

Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc của bộ lọc nén phương pháp tích cực

Hình 3.1: Sơ đồ bộ chia/cộng công suất

Hình 3.2: Bộ chia đôi Wilkinson

Hình 3.3: Sơ đồ bộ chia Wilkinson dưới dạng đối xứng và chuẩn hóa Hình 3.4: (a) Chế độ chẵn (b) Chế độ lẻ

Hình 3.5: Sơ đồ phân tích bộ chia Wilkinson để tìm s11

Hình 3.6: Bộ chia cộng Wilkinson không đều

Hình 3.7: Sơ đồ bộ chia Wilkinson N đường

Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng bộ chia/cộng Wilkinson 1:2

Hình 3.9: Kết quả mô phỏng của bộ chia/cộng Wilkinson 1:2

Hình 3.10: Thiết kế layout của bộ chia/cộng Wilkinson 1:2

Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng bộ chia/cộng Wilkinson 1:4

Hình 3.12: Kết quả mô phỏng của bộ chia/cộng Wilkinson 1:4

Hình 3.13: Thiết kế layout của bộ chia/cộng Wilkinson 1:4

Hình 3.14: Sơ đồ mô phỏng bộ chia/cộng Wilkinson 1:8

Hình 3.16: Thiết kế layout của bộ chia/cộng Wilkinson 1:8 Hình 4.1: Sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số dùng PLL

Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý bộ tổ hợp tần số

Hình 4.3: Bộ tổ hợp tần số với bàn phím đặt các giá trị tùy ý Hình 4.4: Mạch VCO

Hình 4.5: Đo đặc trưng Tần số - Điện áp của bộ dao động VCO Hình 4.6: Phổ tín hiệu tại tần số 860MHz

Hình 4.7: Đặc trưng Tần số - Điện áp của bộ dao động VCO Hình 4.8: Các loại trở công suất

Hình 4.9: Vỏ hộp nhôm và connector N

Hình 4.10: Mạch in bộ chia 2 sau khi phay

Hình 4.11: Lắp đặt mạch in bộ chia 2 vào hộp nhôm

Hình 4.12: Bộ chia 2 hoàn chỉnh

Hình 4.13: Mạch in bộ chia 4 sau khi phay

Hình 4.14: Lắp đặt mạch in bộ chia 4 vào hộp nhôm

Hình 4.20: Mô hình thử nghiệm bộ chia/cộng 1:4

Hình 4.21: Kết quả đo bộ chia/cộng 1:4 tại tần số 800 ÷ 900MHz Hình 4.22: Mô hình thử nghiệm bộ chia/cộng 1:8

Hình 4.23: Kết quả đo bộ chia/cộng 1:8 tại tần số 800 ÷ 900MHz

MỞ ĐẦU

Radar ra đời từ những năm chiến tranh thế giới thứ 2 được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu và chế tạo để phục vụ cho chiến tranh Sau chiến tranh, các

nhà khoa học lại tập trung nghiên cứu cải thiện các đài sóng cm, sóng mm để áp

dụng trong quân sự, thiên văn và đời sống xã hội

Không còn là công cụ độc quyền của quân đội, radar đã thâm nhập vào cuộc sống vì radar thế hệ mới nhỏ hơn, rẻ hơn, dễ sản xuất hơn và tính năng kỹ thuật cao

Tầm quan trọng của radar hay những thiết bị hoạt động theo nguyên tắc giống như vậy ngày nay là rất lớn Vì vậy việc không ngừng nghiên cứu ứng dụng của radar trong cuộc sống luôn luôn là vấn đề cấp thiết

Radar thế hệ cũ có nguyên lý dùng đèn tự dao động tuy có công suất phát lớn, xung hẹp nhưng nhược điểm là độ ổn định không cao Vì vậy đ ề tài luận

văn thạc sỹ “ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy phát radar tầm thấp dải sóng dm

theo nguyên lý cộng công suất trong má y ” nhằm chế tạo các modul công suất

cơ bản tổ hợp thành máy phát công suất lớn hoạt động ở dải sóng dm Các modul công suất cơ bản sẽ khuếch đại dao động tạo ra từ bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha PLL kết hợp bộ tạo dao động VCO cho độ ổn định tần số cao Các modul công suất được tổ hợp nhờ các bộ chia /cộng công suất sử dụng cầu Wilkinson

Chương 1 Lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần

1.1 Tổng quan về kỹ thuật radar

Hình 1.1 Phân loại radar theo chất lượng và kỹ thuật

Tùy thuộc theo thông tin yêu cầu, các hệ thống radar có chất lượng và kỹ thuật khác nhau Theo hình 1.1 ta có thể thấy được một sự phân loại theo tiêu chí này

Radar ghi hình ảnh / Radar không ghi hình ảnh:

Radar ghi hình ảnh sẽ tạo ra một bức ảnh của đối tượng hay khu vực quan sát Loại radar này đã và đang dùng để chụp ảnh Trái đất, các hành tinh, thiên thạch, các vật thể khác trong vũ trụ, và dùng để phân loại mục tiêu cho các hệ thống quân sự

Ứng dụng của radar không ghi hình ảnh điển hình là đo tốc độ (speed gauses) và máy đo độ cao bằng radar (radar altimeters - RA) Chúng cũng được gọi là máy

đo tán xạ (scatterometers) vì chúng đo lường các đặc điểm tán xạ của đối tượng

hay khu vực quan sát

Radar sơ cấp: Radar sơ cấp phát đi các tín hiệu cao tần và thu về xử lí

các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu

Radar thứ cấp: Trong các hệ radar này, máy bay có hệ thống đáp phát

(transponder - transmitting responder) Khối đáp phát này sẽ tự động trả lời sự

dò hỏi bằng cách phát đi mã trả lời

Radar xung: phát đi tín hiệu xung năng lượng cao Sau mỗi tín hiệu xung

sẽ có một khoảng thời gian nghỉ dài để nhận tín hiệu phản xạ, trước khi có xung mới phát đi Hướng, khoảng cách và thậm chí độ cao, độ cao so với mặt nước biển của mục tiêu có thể xác định được từ vị trí của ăng-ten và thời gian truyền của xung tín hiệu

Radar liên tục: phát đi tín hiệu cao tần một cách liên tục Tín hiệu vọng

được nhận và xử lí trên các trạm thu tách biệt trạm phát

Radar liên tục không điều chế: tín hiệu phát có biên độ và tần số không đổi Các thiết bị này chuyên dùng đo tốc độ, tìm kiếm, giám sát vận tốc mục tiêu, điều khiển tên lửa…, không dùng đo khoảng cách Ví dụ súng bắn tốc độ của cảnh sát Thiết bị mới hơn, Lidar, sử dụng trong dải tần laze và không chỉ đo tốc độ

Radar liên tục có điều chế: tín hiệu được điều tần Loại radar này dùng để

đo cự li và trong những yêu cầu phép đo liên tục (ví dụ đo độ cao so với mực nước biển của máy bay hoặc trong radar khí tượng)

Radar song địa tĩnh (Bistatic radar): Hệ thống radar dựa trên 2 điểm có

khoảng cách lớn, tín hiệu đi được truyền từ một điểm đến một vệ tinh trên cao, tín hiệu phản hồi lại trái đất được nhận ở đầu kia

Radar xung sử dụng chuỗi các xung có điều chế Trong phân loại này, có

một phân chia nhỏ hơn theo tần số lặp lại xung (Pulse Repetition Frequency -

PRF), như là radar tần số lặp lại xung thấp, trung bình hoặc cao Radar PRF thấp

chủ yếu để xác định cự ly chứ không quan tâm đến vận tốc mục tiêu Radar PRF

cao mới dùng để xác định vận tốc đối tượng Radar sóng liên tục hay radar xung đều có thể đo được cả cự ly và vận tốc khi sử dụng các kỹ thuật điều chế khác nhau

Bảng 1.1 đưa ra một phân loại radar theo tần số làm việc Với mỗi băng tần khác nhau, nguyên tắc hoạt động của các hệ radar có phần khác nhau, và đặc biệt sẽ có những ứng dụng đặc trưng

Bảng 1.1: Các băng tần số của radar

1.2 Giới thiệu chung về kỹ thuật siêu cao tần [1],[2],[4],[5]

Sóng siêu cao tần có khả năng đâm xuyên lớn nên nó có phạm vi phủ sóng lớn hơn, nó không bị tầng điện ly hấp thụ nên nó là phương tiện hữu ích để liên lạc giữa vũ trụ và trái đất

- Sóng siêu cao tần có tính định hướng cao khi bức xạ từ những vật có kích thước lớn hơn so với bước sóng

- Sóng siêu cao tần cho phép khoảng tần sử dụng rất lớn, tức là chúng ta

có thể sử dụng số kênh rất lớn , đáp ứng được nhu cầu truyền lượng thông tin ngày càng tăng

Với nhiều ưu điểm trong việc truyền sóng như vậy nên sóng siêu cao tần ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong lĩnh vực thông tin liên lạc không dây

Thuật ngữ “viba” hay sóng siêu cao tần (microwaves) là để chỉ những sóng điện từ có bước sóng rất nhỏ, ứng với phạm vi tần số rất cao của phổ tần số

vô tuyến điện

Phạm vi của dải tần số này cũng không có sự quy định chặt chẽ và thống nhất toàn thế giới Giới hạn trên của dải thường được coi là tới 300 GHz (f = 3.1011 Hz), ứng với bước sóng  = 1 mm (sóng milimet), còn giới hạn dưới có thể khác nhau tuỳ thuộc vào các quy ước theo tập quán sử dụng Một số nước coi "sóng cực ngắn" là những sóng có tần số cao hơn 30 MHz (bước sóng  ≤ 10m), còn một số nước khác coi "viba" là những sóng có tần số cao hơn 300 MHz (bước sóng ≤ 1m)

Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và những thành tựu đạt được trong việc chinh phục các băng tần cao của phổ tần số vô tuyến, khái niệm về phạm vi dải tần của "viba" cũng có thể còn thay đổi Hình 1.2 minh hoạ phổ tần số của sóng điện từ & phạm vi dải tần của kỹ thuật viba

Hình 1 2 Phổ tần số của sóng điện từ

Trong ứng dụng thực tế, dải tần của vi ba còn được chia thành các băng tần nhỏ hơn như

- UHF (Ultra High Frequency): f = 300 MHz ÷ 3 GHz

- SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz

- EHF (Extremely High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz

Ưu việt của dải tần viba và ứng dụng của kỹ thuật viba trong thực tiễn

Kỹ thuật viba có liên quan đến các phần tử và mạch điện làm việc với các dao động có bước sóng rất nhỏ Điều này, một mặt khó khăn cho việc phân tích thiết kế và chế tạo, nhưng mặt khác cũng là lợi thế khi ứng dụng kỹ thuật viba vì các lý do sau đây:

- Như đã biết, độ tăng ích của một Ăngten là hàm tỷ lệ thuận với kích thước tương đối của Ăngten so với bước sóng Do vậy, tăng ích của Ăngten viba dễ đạt được giá trị cao

- Dải tần thực tế trong thông tin viba dễ dàng đạt được giá trị lớn ứng với dải tần tương đối

f

f

 có giá trị nhất định (Thật vậy, 1% của 30 GHz là 300

MHz, trong khi đó 1% của 300 MHz chỉ là 3 MHz)

- Sóng viba truyền theo đường thẳng, không bị phản xạ trên tầng điện ly nên có thể khai thác thông tin vệ tinh và thông tin viba mặt đất trên cùng dải sóng mà không ảnh hưởng đến nhau, có thể sử dụng lại tần số trên những cự ly không lớn

Một số đặc điểm của truyền sóng siêu cao tần :

Trong không gian tự do sóng điện từ truyền theo đường thẳng mà không

bị suy hao hay ảnh hưởng có hại khác Tuy nhiên, không gian tự do chỉ là môi trường lý tưởng hoá và chỉ đạt được gần đúng khi năng lượng sóng siêu cao tần truyền trong không khí hoặc trên bề mặt Trái Đất Trong thực tế để thông tin được thì radar hay hệ thống đo bức xạ phải chịu ảnh hưởng rất lớn của các hiện tượng truyền sóng như phản xạ, khúc xạ, suy hao hoặc tán xạ Chúng ta cần phải quan tâm đến một số hiện tượng cụ thể có ảnh hưởng tới hoạt động của các hệ thống siêu cao tần Một điều quan trọng là các ảnh hưởng truyền sóng nói chung không thể xác định một cách chính xác mà chỉ có thể diễn giải dưới dạng thống

- Ảnh hưởng Plasma

1.3 Lý thuyết đường truyền:

Hình 1 3 Dây dẫn song song và Mô hình tương đương

Nhìn chung, các đường truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song để tín hiệu điện áp truyền qua

Trước hết, chúng ta khảo sát một đường truyền gồm một cặp dây dẫn song song như hình vẽ Hai dây dẫn này được mô hình hoá bằng:

- Điện dung song song tính theo chiều dài đơn vị của dây dẫn C [ F/m]

- Điện dẫn song song tính theo đơn vị dài [S/m]

Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ tạo ra một dòng điện trong dây dẫn theo chiều ngược lại, đó là thành phần cảm ứng cũng sẽ có một điện trở hữu hạn nối tiếp trong các dây dẫn

- Điện cảm nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ H/m]

- Điện trở nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ /m]

Một đoạn ngắn ∆z của đường truyền được biểu diễn trên sơ đồ tương đương như hình 1.3 Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian

Phương trình truyền sóng trên đường dây được xác định như sau:

Một số đại lượng của đương truyền mà chúng ta cần quan tâm

- Trở kháng đặc trưng Z0 được xác định bởi

0 0

I

U I

1 2

t t

L L

1 2

t t

L L

v g

Đối với dây dẫn không tổn hao ta có   LC do đó

LC

v LC

Hình 1 4 Dây dẫn với trở kháng đặc trưng Z 0 , hệ số truyền  và được giới

hạn bởi trở kháng tải Z t

Hệ số phản xạ L tại tải ZL được xác định như sau :

0

0

Z Z

Z Z

l j

e U

e U

U WR

min

max

S

1.4 Giản đồ Smith

Hình 1 5 Giản đồ Smith

1 Tất cả các giá trị trở kháng trên biểu đồ Smith đều là trở kháng chuẩn hoá theo một điện trở chuẩn định trước, thường là trở kháng đặc trưng R0 của đường dây không tổn hao

2 Biểu đồ Smith nằm trong phạm vi của vòng tròn đơn vị vì hệ số phản xạ 

có modun nhỏ hơn hoặc bằng 1

3 Các đường đẳng r là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trục hoành của biểu đồ và luôn đi qua điểm có r=1 Giá trị r của mỗi vòng tròn đẳng r được ghi dọc theo trục hoành, từ 0 (điểm bên trái ứng với giá trị r = 0, điểm bên phải ứng với giá trị r = )

4 Các đường đẳng x là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trục vuông góc với trục hoành tại r=1 Có hai nhóm đường tròn đẳng x:

- Nhóm các đường đẳng x với x > 0 (cảm kháng) là các đường nằm ở phía trên của trục hoành Giá trị x tăng dần từ 0 đến  và được ghi trên mỗi đường

- Nhóm các đường đẳng x với x < 0 (dung kháng) là các đường nằm

ở phía dưới của trục hoành Giá trị x giảm dần từ 0 đến -  và được ghi trên mỗi đường

5 Các đường đẳng r và các đường đẳng x là họ các đường tròn trực giao với nhau Giao điểm của một đường đẳng r và một đường đẳng x bất kỳ sẽ biểu thị cho một trở kháng z = r+ix, đồng thời cũng biểu thị cho hệ số phản xạ tại điểm

có trở kháng z

6 Tâm điểm của biểu đồ Smith là giao điểm của đường đẳng r = 1 và đường đẳng x = 0 (nằm trên trục hoành), do đó điểm này đại biểu cho trở kháng thuần trở z = 1 (nghĩa là Z = R0) Đây là điểm tượng trưng cho điện trở chuẩn R0, cho phép thực hiện phối hợp trở kháng trên đường dây Thật vậy, đây chính là điểm

có hệ số phản xạ  = 0 và hệ số sóng đứng S = 1

7 Điểm tận cùng bên trái của trục hoành là giao điểm của đường đẳng r=0

và đường đẳng x=0, do đó biểu thị cho trở kháng z = 0 (tức Z = 0), nghĩa là ứng với trường hợp ngắn mạch Tại đây ta có hệ số phản xạ  = -1

8 Điểm tận cùng bên phải của trục hoành là điểm đặc biệt mà tất cả các đường đẳng r và đẳng x đều đi qua Tại đây ta có r=, x=, do đó z= (tức Z=), nghĩa là ứng với trường hợp hở mạch Tại đây ta có hệ số phản xạ  = 1

9 Hệ số phản xạ tại vị trí l trên đường truyền có thể được xác định khi biết

hệ số phản xạ  tại vị trí tải, dựa vào công thức:   e l

Góc quay này có thể xác định theo độ (từ -1800 đến 1800), hoặc theo số bước sóng (từ 0 đến 0,5 cho mỗi vòng quay)

Theo quy định của biểu đồ Smith:

- Chiều quay từ tải hướng về nguồn là thuận chiều kim đồng hồ

- Chiều quay từ nguồn hướng về tải là ngược chiều kim đồng hồ

Trên mỗi chiều quay, có một vòng đánh số theo độ và một vòng đánh số theo số bước sóng để tiện sử dụng

10 Khi vẽ đường tròn đẳng S trên biểu đồ Smith thì đường tròn này sẽ cắt trục hoành tại 2 điểm Giao điểm nằm phía bên phải của tâm biểu đồ biểu thị cho

vị trí trên đường dây có z= rmax+i0, với rmax=S Đây chính là điểm bụng của sóng đứng Ngược lại, giao điểm nằm phái trái của tâm biểu đồ biểu thị cho vị trí trên đường dây có z=rmin+i0, với rmin=1/S Đây chính là điểm nút của sóng đứng (hình 1.6) Trên biểu đồ Smith cũng nhận thấy ngay khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng bằng 0,25

Hình 1 6 Biểu diễn điểm bụng và điểm nút của sóng đứng trên biểu đồ Smith

1.5 Các phương pháp phối hợp trở kháng

Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản được mô tả ở hình 1.7, trong đó sử dụng một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng Mạch phối hợp thường là một mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết kế sao cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng sóng Zocủa đường truyền

Hình 1 7 Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản

Mạch phối hợp trở kháng là phần quan trọng của một mạch siêu cao tần vì những lý do sau:

- Khi nguồn và tải được phối hợp trở kháng với đường truyền, năng lượng tối đa từ nguồn sẽ được truyền đến tải còn năng lượng tổn hao trên đường truyền là nhỏ nhất

- Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu của hệ thống khác trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âm thấp v.v

- Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp điện cho dàn anten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khi phân chia công suất

Sau đây chúng ta đề cập đến các phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản:

1.5.1 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung:

Đây là mạch phối hợp đơn giản nhất gồm hai phần tử điện kháng mắc thành hình chữ L được gọi là mạch hình L, có sơ đồ như vẽ ở hình 1.8 Giả thiết đường truyền dẫn không tổn hao (hay tổn hao thấp), có nghĩa Z0 là đại lượng

thuần trở

Hình 1 8 Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung

Nếu trở kháng đặc trưng của tải zL=ZL/Z0 nằm trong đường tròn 1+jx trên

đồ thị Smith, chúng ta sử dụng sơ đồ 1.8a Ngược lại nếu zL nằm ngoài đường tròn 1+jx, sơ đồ 1.8b thường được sử dụng

1.5.2 Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh:

Phối hợp trở kháng bằng dây nhánh là phương pháp được sử dụng khá phổ biến do đơn giản và dễ điều chỉnh Có thể mắc dây nhánh vào đường truyền theo sơ đồ song song hoặc nối tiếp với đoạn dây hở mạch hoặc ngắn mạch (xem Hình 1.9)

Y L

Y0

d A

A

Y0 Z0 Z L

A

A d

hợp chúng ta sử dụng phương pháp phối hợp trở kháng dùng 2 dây nhánh nằm cách nhau một đoạn cố định Tuy nhiên phương pháp này không thể sử dụng cho mọi trường hợp của trở kháng tải

Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng 2 đây nhánh được mô tả ở Hình 1.10a, trong đó tải có thể nằm cách dây nhánh đầu tiên một khoảng bất kì Tuy nhiên, trong thực tế chúng ta thường sử dụng sơ đồ 1.10b, với tải đặt ngay sát dây nhánh thứ nhất Sơ đồ 1.10b thường dễ thực hiện hơn mà vẫn không làm mất tính tổng quát của bài toán Hai dây nhánh sử dụng trong sơ đồ hình 1.10 là 2 dây nhánh song song vì chúng có thể được thực hiện đơn giản hơn các dây nhánh nối tiếp tuy nhiên về mặt lý thuyết các dây nhánh nối tiếp hoàn toàn có thể sử dụng để phối hợp trở kháng bằng phương pháp này Các dây nhánh có thể

hở mạch hoặc ngắn mạch

Hình 1 10 Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây nhánh song song

1.5.4 Phối hợp bằng đoạn dây lamda/4:

Đoạn dây λ/4 là phương pháp đơn giản để phối hợp một trở kháng tải thực với đường truyền Một đặc điểm của đoạn dây λ/4 là chúng ta dễ dàng mở rộng phương pháp này để phối hợp cho cả một dải tần số Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp sử dụng đoạn dây λ/4 là chỉ sử dụng được để phối hợp cho trường hợp trở kháng tải là thực Với một trở kháng tải phức chúng ta có thể sử dụng một đoạn đường truyền hoặc dùng dây nhánh để đưa trở kháng này về trở kháng thực, sau đó dùng phương pháp đoạn dây λ/4 để phối hợp

Hình 1.11 biểu diễn sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4 để phối hợp giữa trở kháng tải ZL thực với đường truyền có trở kháng đặc trưng Z0

Hình 1 11 Sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4

1.5.5 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ:

Đây là trường hợp tổng quát hơn của phương pháp phối hợp bằng đoạn dây λ/4 Trong phương pháp này chúng ta dùng một dây truyền sóng có độ dài l bất kỳ mắc nối tiếp để phối hợp một trở kháng phức ZL với một đường truyền sóng có trở kháng đặc tính Z0 (Hình 1.12)

Hình 1 12 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ

Ở đây chúng ta cần xác định Za và l dể có thể phối hợp ZL với Z0

1.5.6 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp:

Sơ đồ của mạch phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp được

Hình 1 13 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp

Trong bài toán này các đoạn dây phối hợp có trở kháng đặc tính Z0 và Za đã biết trước, cần xác định độ dài của chúng để có được trở kháng nhìn từ A-A về tải đạt được giá trị bằng Z0, nghĩa là đảm bảo không có sóng phản xạ trên đường

truyền chính

Chương 2 - THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT RADA SÓNG DM

2.1 Mạch vòng bám pha và bộ tổ hợp tần số [3],[6],[7]

2.1.1 Giới thiệu chung

Bộ tạo dao động siêu cao tần chiếm một vai trò rất căn bản trong các hệ thống thông tin vì có khả năng tạo ra các sóng tham chiếu sử dụng trong việc điều chế và giải điều chế…Trong các hệ thống như vậy, tính chính xác và ổn định của các bộ tạo dao động luôn phải được quan tâm nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống

Cho đến nay đã có nhiều phương pháp để tăng tính ổn định của bộ tạo dao động, trong đó đáng chú ý là kỹ thuật vòng bám pha PLL (Phase Locked Loop)

và kỹ thuật tổng hợp số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesis) Mỗi kỹ thuật đều có những điểm mạnh và yếu riêng Kỹ thuật DDS là một hệ thống hở, sử dụng máy tính số và các bộ DAC (Digital to Analog Converter) để tạo ra các tín hiệu mong muốn Đây là kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp Kỹ thuật này có ưu điểm nổi bật là thời gian thiết lập tần số rất nhanh, độ phân giải tần số rất nhỏ Tuy nhiên, nhược điểm là tiêu thụ nhiều năng lượng và chỉ thích hợp với dải tần

cỡ vài trăm MHz Trong khi đó, kỹ thuật PLL lại sử dụng hệ thống hồi tiếp kín, trong đó độ ổn định của hồi tiếp là quan trọng nhất Đây là kỹ thuật tổng hợp tần

số gián tiếp Kỹ thuật này yếu hơn DDS ở thời gian thiết lập tần số Tuy nhiên, kỹ thuật này lại có ưu điểm là tiêu thụ rất ít năng lượng và rất thích hợp với dải tần siêu cao là dải tần số từ 300MHz đến 3GHz

2.1.2 Tổng quan về vòng bám pha (PLL)

Hệ thống tự động điều chỉnh tần số theo pha hay còn gọi là vòng bám pha PLL được sử dụng rộng rãi trong việc sử lý tín hiệu tương tự và các hệ thống số Một số ứng dụng quan trọng của vòng bám pha là điều chế và giải điều chế FM, giải điều chế FSK (FSK demodulation), giải mã âm thanh, nhân tần, đồng bộ hoá xung đồng bộ, tổ hợp tần số, máy phát điều tần…

Vòng bám pha được mô tả lần đầu tiên vào những năm 1930 khi được ứng dụng trong việc đồng bộ quét dọc và quét ngang trong vô tuyến truyền hình Cùng với sự phát triển của các vi mạch tích hợp, vòng bám pha được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau Vào khoảng năm 1965, người ta đã tạo ra những vi mạch tích hợp PLL đầu tiên, chỉ sử dụng các thiết bị tương tự Những tiến bộ ngày nay trong sản xuất vi mạch tích hợp đã gia tăng việc sử dụng các thiết bị PLL vì giá thành ngày càng rẻ và có độ tin cậy cao Hiện nay PLL đã có thể được tích hợp toàn bộ trên một đơn chip

Mạch vòng bám pha PLL cơ bản được trình bày trong sơ đồ chức năng hình 2.1, bao gồm những phần chính là bộ so sánh pha, bộ lọc thông thấp, máy phát tần số được điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Controlled Ossillator)

Ba khối này hợp thành một hệ thống phản hồi về tần số khép kín

Hình 2.1 Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha

Khi không có tín hiệu vào PLL, sự chênh lệch điện áp Ve(t) ở lối ra của bộ

so sánh pha bằng không Điện áp Vd(t) ở lối ra của bộ lọc tần thấp cũng bằng không Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO hoạt động ở tần số định f0 gọi

là tần số dao động trung tâm Khi có tín hiệu đưa vào hệ thống PLL, bộ so pha

sẽ so pha và tần số của tín hiệu lối vào với pha và tần số của VCO và tạo ra một

điện áp sai số Ve(t) tỉ lệ với sự lệch pha và chênh lệch tần số của tín hiệu lối vào

và VCO, tức là phản ánh sự khác nhau về pha và tần số của 2 tín hiệu Điện áp sai số này được lọc rồi đưa vào lối vào điều khiển của VCO Điện thế điều khiển

Vd(t) thúc đẩy tần số của VCO thay đổi theo hướng giảm bớt sự khác nhau về tần số giữa tín hiệu f0 và tín hiệu lối vào Khi tần số lối vào fs tiến dần đến tần số

f0, do tính chất hồi tiếp của PLL sẽ thúc đẩy VCO đồng bộ hoặc bắt chập với tín hiệu lối vào Sau khi chập, tần số VCO sẽ bằng tần số của tín hiệu lối vào, tuy nhiên vẫn có độ chênh lệch về pha nào đó Sự chênh lệch về pha này là cần thiết

để tạo ra điện áp sai Ve(t) để chuyển tần số dao động tự do của VCO thành tần

số của tín hiệu vào fs, như vậy sẽ giữ cho PLL ở trạng thái giữ chập tần số Kết quả là tần số của dao động VCO có độ ổn định tần số ngang cấp với độ ổn định tần số của tín hiệu so sánh pha với tần số VCO Như vậy nếu sử dụng fs là dao động chuẩn thạch anh có độ ổn định tần số cao thì kết quả mạch vòng bám pha

sẽ cho độ ổn định tần số của VCO ngang cấp thạch anh Không phải tín hiệu nào VCO cũng bắt chập được Dải tần số trên đó hệ duy trì tình trạng chập với tín hiệu lối vào được gọi là dải giữ chập hay dải bám (lock range) của hệ thống

PLL Dải tần số trên đó hệ thống PLL có thể bẳt chập một tín hiệu vào gọi là dải bắt chập (capture range) Dải bắt chập bao giờ cũng nhỏ hơn dải giữ chập

Ta có thể dùng một cách khác để miêu tả hoạt động của PLL là bộ so sánh pha thực chất là mạch nhân và trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO Sự trộn này tạo tần số tổng và tần số hiệu fs ± f0 Khi mạch ở trạng thái chập thì hiệu tần số

fs – f0 = 0, do đó tạo ra thành phần một chiều Bộ lọc tần số thấp loại bỏ thành phần tần số tổng fs + f0, nhưng tiếp nhận thành phần điện áp một chiều, tức là chỉ cho thành phần một chiều đi qua Thành phần một chiều này điều khiển VCO hoạt động ở trạng thái giữ chập với tín hiệu vào Một điểm đáng chú ý là giải chập độc lập với dải tần số của bộ lọc tần số thấp vì khi mạch ở trạng thái giữ chập thành phần hiệu tần số bao giờ cũng là dòng một chiều

2.1.2.1 Bắt chập và giữ chập

Khi mạch chưa ở trạng thái bắt chập, bộ so pha trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO để tạo ra thành phần tổng và hiệu hai tần số Nếu thành phần hiệu nằm bên ngoài biên dải tần số của bộ lọc tần thấp thì thành phần này sẽ bị loại

bỏ cùng thành phần tổng tần số Do đó trong mạch sẽ không có thông tin nào được truyền qua mạch lọc và VCO tiếp tục hoạt động ở tần số trung tâm ban đầu Khi tần số tín hiệu vào tiến dần đến tần số phát của VCO thì thành phần hiệu giảm xuống và tiến dần đến biên dải tần số của bộ lọc tần thấp Lúc đó, một phần của thành phần tín hiệu đi qua được bộ lọc tần thấp và thúc đẩy VCO chuyển đến tần số của tín hiệu vào theo hướng sao cho thành phần hiệu tần số giảm và cho phép nhiều thông tin nữa đi qua bộ lọc tần thấp đến VCO Đây là

cơ chế hồi tiếp dương thúc đẩy VCO chập với tín hiệu vào

2.1.2.2 Đặc trưng chuyển tần số sang điện áp

Hình 2.2 cho thấy đặc trưng chuyển tần số sang điện áp điển hình của PLL Khi đưa tín hiệu vào PLL, tần số sẽ được quét từ từ trên một dải rộng Trục thẳng đứng là điện thế tương ứng Vd của mạch Trên hình 2.2a là trường hợp tần

số tín hiệu tăng dần, mạch không phản ứng gì với tín hiệu cho đến khi tần số tín hiệu đạt tới tần số ω1 tương ứng với biên dưới của vùng bắt chập Lúc đó hệ bắt chập với tín hiệu vào và tạo ra bước nhảy của điện thế Vd với dấu âm Sau đó, VCO thay đổi tần số với hệ số góc bằng nghịch đảo của hệ số khuếch đại lối vào VCO (1/K0) và đi qua giá trị V0 khi ω1=ω0 mạch bám sát tín hiệu vào cho đến khi tần số tín hiệu vào đạt đến ω2 tương ứng với biên trên của khoảng giữ chập Khi đó hệ mất bám, điện thế Vd tụt xuống V0 và tạo ra tần số dao động tự do của VCO (hình 2.2a)

Nếu ta lại cho tần số tín hiệu vào quét theo chiều hướng giảm dần thì quá trình lặp lại nhưng đảo ngược so với trước (hình 2.2b) mạch bắt chập lại với tín hiệu ở ω3 tương ứng với biên trên của dải bắt chập và bám sát theo tín hiệu vào cho đến khi tần số của tín hiệu vào bằng ω4 tương ứng với biên độ của dải giữ chập

Như vậy là dải bắt chập của hệ là (ω1,ω3) và dải giữ chập là của hệ (ω2,ω4)

Do đặc trưng chuyển tần số - điện áp như trên nên PLL có tính chọn lọc với tần số trung tâm VCO và chỉ có phản ứng đối với những tần số tín hiệu vào sai lệch so với ω0 là ωC hoặc ωL (ωC=(ω3-ω1)/2 và ωL=(ω2-ω4)/2), tuỳ theo mạch bắt đầu có hay không có điều kiện giữ pha ban đầu

Sự tuyến tính của đặc trưng chuyển đổi tần số sang điện áp của PLL chi

do hệ số chuyển đổi của VCO quyết định, do đó ta thường đòi hỏi VCO có đặc tính chuyển điện áp sang tần số ở mức độ tuyến tính cao

Hình 2.2 Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL

Hình 2.3 Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp

Hình 2.3 biểu diễn đường đặc trưng sự phụ thuộc tần số phát của VCO vào điện áp điều khiển Vd ở đây fmax và fmin là tần số của máy phát VCO tương ứng với tần số góc ω2 và ω4 Khi đó dải giữ chập của hệ là: ΔfL = fmax - fmin

Nếu gọi fS là tần số của tín hiệu lối vào thì dải bắt chập của hệ PLL là: ΔfC = fSmax - fSmin

trong đó fSmax và fSmin là tần số của tín hiệu tương ứng với tần số góc ω3 và

ω1

2.2 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha

Bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha được sử dụng dựa trên nguyên tắc trên đã được sử dụng rất rộng rãi bởi vì có thể tạo ra tần số bất kỳ có độ ổn định cao ngang với thạch anh và có thể thay đổi tần số rất mềm dẻo được điều khiển một cách dễ dàng bằng các bộ vi xử lý

Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số được trình bày trên hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha

Tần số lối ra của bộ chia N - đếm/định thời lập trình hoá – bám pha với tần số chuẩn được lấy từ lối ra của một dao động thạch anh Hệ số chia N có thể thay đổi được nhờ mã điều khiển tần số (fequency control code) Bộ so sánh pha

Bộ dao động chuẩn

Bộ lọc thông thấp

Khuếch đại một chiều

fref

fVCO

sẽ so sánh pha giữa tần số lối ra của VCO qua bộ chia N với tần số chuẩn tạo ra

từ dao động thanh anh fref qua bộ chia R, điện áp sai số ở lối ra tách sóng pha, qua bộ lọc tần thấp (LPF – low pass filter) chuyển thành điện áp một chiều biến đổi chậm Vd được đưa vào điều khiển VCO làm cho tần số lối ra của bộ chia N bám pha với tần số chuẩn Như vậy ta sẽ có tần số lối ra của VCO là:

fVCO=N/R.fref

Do đó chỉ cần thay đổi hệ số chia N, R thì ta sẽ tạo được các tần số khác nhau ở lối ra của VCO

Sau đây là những thành phần cơ bản của một bộ tổ hợp tần số kiểu PLL

Do bộ tổ hợp tần số kiểu PLL dựa trên nguyên lý PLL là cơ bản, nên những thành phần vòng bám pha PLL cũng được giới thiệu

2.2.1 Bộ so pha

Có thể nói, trái tim của một hệ thống PLL chính là bộ so pha Đây là nơi tín hiệu mang tần số tham chiếu được so sánh với tín hiệu phản hồi từ lối ra của VCO, và tín hiệu sai khác tìm được sẽ được sử dụng để đưa vào bộ lọc thông thấp và VCO Trong các hệ thống PLL số (DPLL – Digital PLL), bộ so pha là một phần tử logic Có thể phân loại bộ so pha theo thành phần cấu tạo như sau:

pha số được minh hoạ trong hình 2.5 Thành phần cơ bản là 2 Trigơ D Giả sử

lối vào +IN là lối vào tần số chuẩn và -IN là lối vào phản hồi từ VCO Ta có

giản đồ xung lối vào, lối ra như hình 2.6 Căn cứ vào giản đồ xung ta thấy:

- Nếu tần số lối vào +IN cao hơn nhiều so với tần số lối vào -IN thì tín hiệu lối ra hầu như luôn ở mức cao Sườn xung lên đầu tiên ở +IN làm lối ra chuyển lên mức cao và được giữ ở mức này cho tới khi có sườn xung lên đầu tiên ở -IN

- Nếu tần số lối vào +IN thấp hơn nhiều so với tần số lơi vào -IN thì ta sẽ có điều ngược lại

Hình 2.5 Cấu trúc của 1 bộ so pha số

Trong đó: Delay: Bộ trễ

U1, U2: Các trigơ D

U3: bộ AND

U4: Bộ đảo

Khi hệ thống PLL đang ở trạng thái giữ chập về tần số nhưng vẫn có một

chút sai khác về pha thì ta có giản đồ xung như hình 2.7

Hình 2.6 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập

Hình 2.7 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng nhau