Nghiên cứu thiết kế chế tạo modun khuếch đại công suất dùng trong máy phát rada dải sóng DM (820-900MHZ

Radar là một thiết bị kết hợp rất nhiều khối điện tử phức tạp cả về công nghệ và khoa học, chính vì vậy trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, với mục tiêu nghiên cứu và chế tạo khối khuếc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

HÀ NỘI - 2011

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thiên nhiên, tạo hóa đã ban cho một số loài vật có khả năng kì diệu như những máy radar Những con dơi hoặc những con cá heo phát ra những sóng siêu âm trên nhứng “anten” của chúng để tìm kiếm định vị con mồi Từ cách thức săn mồi của loài dơi và một số loài khác đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu và phát minh ra cách định vị mục tiêu bằng sóng siêu âm Hay còn gọi là kỹ thuật radar(“Radio Detecting And Ranging,” nghĩa là dò tìm và xác định khoảng cách bằng sóng vô tuyến Trong chiến tranh, hàng loạt các đài radar được cho ra đời với nhiều chiến thuật khác nhau, nâng cao khả năng chiến đấu cho quân đội Sau chiến tranh, các nhà khoa học tập trung cải tiến, chế tạo các đài radar mới không những phục vụ trong quân sự mà còn trong lĩnh vực thiên văn và đời sống xã hội phục vụ cho lợi ích loài người

Radar là một thiết bị kết hợp rất nhiều khối điện tử phức tạp cả về công nghệ và khoa học, chính vì vậy trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, với mục tiêu nghiên cứu và chế tạo khối khuếch đại công suất sử dụng trong máy

phát Radar tầm thấp, tôi xin giới thiệu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “ Nghiên

cứu thiết kế chế tạo module khuếch đại công suất dùng trong máy phát Radar dải sóng dm(820-900Mhz) ” Bằng lý thuyết và thực nghiệm, luận

văn đã thực hiện những nội dung sau:

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các đài radar hoạt động ở dải sóng dm

- Tìm hiểu về kỹ thuật thu phát siêu cao tần

- Tìm hiểu sâu về kỹ thuật phối hợp trở kháng và chế tạo thành công một module khuyếch đại công suất 80W, hoạt động ở dải tần 820Mhz – 900Mhz, hệ số khuyếch đại là 17dB

- Đánh giá kết quả đã đạt được trong luận văn và hướng nghiên cứu phát triển tiếp từ luận văn

Nội dung của luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về hệ thống Radar Chương 2 Kỹ thuật thu phát siêu cao tần Chương 3 Thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất siêu cao tần

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SÓNG

DM(820-900MHZ) CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR

1 Lịch sử phát triển của Radar

Từ xa xưa, trong thiên nhiên hoang dã, tạo hóa đã ban cho chúng ta những cỗ máy “radar” kì diệu Chú dơi phát ra sóng siêu âm từ mũi, nhận tiếng vọng tại hai “ăng-ten” ở hai tai, qua đó phân tích để tìm kiếm và định

vị mồi

Hình 1.0: Cách săn bắt mồi của loài dơi

Năm 1887, nhà vật lý Đức Heinrich Hertz lần đầu tiên đã tạo ra sóng

vô tuyến trong phòng thí nghiệm Các sóng này có thể truyền qua hoặc phản

xạ bởi các loại vật liệu khác nhau Với cống hiến tuyệt vời này, Hertz được

nhân loại tôn vinh và lấy tên ông làm đơn vị tần số sóng vô tuyến

Ngày 7/5/1895, nhà bác học Nga A.S Pô-pôp phát minh ra một dụng

cụ có thể thu và ghi lại hiện tượng sét ở cách xa 30 km Tháng 3/1896, Pô pôp đã truyền đi được một bức vô tuyến điện tín đầu tiên trong lịch sử với nội dung “Heinrich Hertz”, đánh dấu một trong những phát minh to lớn nhất của nhân loại: phát minh ra vô tuyến điện Một trong những ứng dụng quan

-trọng của vô tuyến điện là phát hiện và định vị, còn gọi là radar (RAdio

Detection And Ranging - RADAR) Tên “radar” do hải quân Mỹ đặt trong

đại chiến thế giới lần thứ hai, nay đã trở nên thông dụng

Cống hiến của Pô-pôp không dừng lại ở đó Năm 1897, trong thí nghiệm về cự ly thông tin vô tuyến điện, ông gặp một hiện tượng bất ngờ khi liên lạc vô tuyến giữa hai tàu bị cắt đứt lúc có một tuần dương hạm chạy ngang qua Lí do được giải thích là do sóng vô tuyến bị phản xạ khi gặp chướng ngại vật Ông đã nghĩ ngay ra việc lợi dụng hiện tượng nà y để kiểm tra, xác định vị trí và dẫn đường cho tàu thuyền Đây được coi là thời điểm khởi đầu của các hệ thống radar

Năm 1904, Christian Hülsmeyer đã nhận được bằng sáng chế của Đức

cho thiết bị gọi là Teltôiobiloskop, thiết bị quan sát vật thể từ xa

Năm 1922, Guglielmo Marconi đã có một bài diễn thuyết trình bày về

ý tưởng là có thể phát hiện được những vật thể từ xa sử dụng sóng vô tuyến Nhưng mãi đến năm 1933, ông mới đưa ra được thiết bị đầu tiên như vậy

Trong năm 1925/26, hai nhà vật lý Mỹ Breit và Tuve, cũng như hai nhà nghiên cứu Anh Appleton và Barnett đã trình diễn một số phép đo bầu khí quyển Trái đất, sử dụng một bộ phát xung vô tuyến và được coi như một radar

Năm 1933 Viện German Kriegsmarine (Navy) bắt đầu nghiên cứu cái

gọi là Funkmesstecknik hay công nghệ đo đạc từ xa

Nghiên cứu ở Nga bắt đầu từ những năm 1934 Các đài mẫu đầu tiên

công tác trên sóng dm và sóng m dựa vào hiện tượng phách giữa sóng tới

liên tục và tín hiệu phản xạ từ mục tiêu

Năm 1937, Sir Robert Watson-Watt thành công trong việc tạo ra một

hệ thống cho phép phát hiện máy bay ném bom từ khoảng cách lớn hơn 150

km Và ông được coi là người phát minh ra hệ thống radar hoàn chỉnh

Trong những năm ác liệt của chiến tranh, Liên-xô đã cho ra đời hàng loạt các đài radar với nhiều chiến thuật khác nhau, nâng cao khả năng chiến đấu cho quân đội và đã góp phần vào thắng lợi chung của Hồng quân Liên -

xô Cùng lúc, các nước như Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Nhật cũng để nhiều sức lực vào việc phát triển kỹ thuật radar Năm 1936, Anh xây dựng một hàng rào radar để bảo vệ toàn bộ bờ biển, tầm xa 250 km Về sau, Anh cải tiến và chế tạo được các đài radar sóng 10 cm và 3 cm, giúp ích nhiều cho không quân trong việc oanh tạc các tàu ngầm của Đức

Năm 1939, Mỹ có các đài radar ngắm bắn cao xạ dùng sóng dài 1,5 m, tầm xa 150 km Nhưng các đài này lại không phân biệt được máy bay ta và máy bay địch Cho nên, ngày 7/12/1941, Mỹ đã chịu thất bại nặng nề trong trận tấn công Trân Châu Cảng của Nhật vào căn cứ hải quân Mỹ Sau thất

bại này, Mỹ cũng đã cố gắng nghiên cứu thêm về radar sóng cm

Năm 1939, Đức đã trang bị 6000 đài radar sóng 50 cm giúp cho pháo cao xạ hạ được từ 10 đến 12% máy bay phóng pháo của Đồng minh Nhưng sau đó, khi thu được chiến lợi phẩm một số đài 3-4 cm của Anh, người Đức

thấy xấu hơn nên đã chủ quan và ngừng nghiên cứu các đài sóng cm Vì thế,

các hạm đội Đức đã bị thiệt hại nặng nề khi máy bay ném bom của Đồng minh có trang bị radar sóng 3 cm

Với tính cạnh tranh sống còn như vậy, vào cuối cuộc chiến kinh thiên động địa, hầu hết các công nghệ radar hiện đại mà nay đang sử dụng đã xuất hiện

Sau chiến tranh, các nhà khoa học lại tập trung nghiên cứu cải thiện

các dải sóng cm, sóng mm để áp dụng trong quân sự, thiên văn và đời sống

xã hội Năm 1946, Liên-xô, Mỹ và Hung-ga-ri đã dùng radar phóng sóng điện từ lên mặt trăng và thu được tiếng vọng trở về sau khoảng 2,5 giây, từ

đó đưa ra phương pháp xác định khoảng cách đến các thiên thể

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 mạnh hơn nhiều

Từ trên vệ tinh đang quay theo quỹ đạo trái đất, radar hiện đại có thể

dò tìm bên dưới sa mạc của Ai Cập và nhìn thấy những lòng sông cổ cũng như phế tích

Hãng xe Toyota và nhiều hãng xe hơi trên thế giới đang lắp đặt một hệ thống rađa cảnh báo va chạm cho loại xe sang trọng hoặc trang bị nho những

xe không người lái Một giây sau khi radar trên xe dò thấy một vụ va chạm sắp tới gần, ô-tô sẽ tự thắt chặt dây an toàn quanh hành khách và bắt đầu giảm tốc độ Các vụ va chạm ở sườn xe xảy ra do lái xe không nhìn thấy một

xe khác trong ''điểm mù'' của họ khi chuyển làn đường Chúng chiếm hơn 413.000 vụ tai nạn ô-tô mỗi năm và làm bị thương hơn 160.000 người Ngoài

ra, radar tầm xa có thể được sử dụng để xác định tốc độ của những chiếc xe đang tới gần trong những tình huống như hoà vào dòng xe cộ trên xa lộ hoặc đánh giá liệu quẹo xe có an toàn hay không

Hiện radar bắt đầu được sử dụng để giám sát giao thông trên xa lộ, giúp các nhà hoạch định biết được số xe, tình trạng tắc nghẽn, tốc độ trung bình và thậm chí là kích cỡ xe trên đường Độ tin cậy và khả nă ng ''nhìn''

của radar trong mọi diều kiện thời tiết làm cho nó trở thành một công cụ thay thế hấp dẫn hơn đối với camera

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 n gừng nghiên cứu ứng dụng của radar trong cuộc sống luôn luôn là vấn đề cấp thiết

2 Phân loại các đài radar

Mục đích của việc phân loại là chia tập hợp các đài radar thành từng nhóm có những dấu hiệu chung, không phụ thuộc vào tính đa dạng của các giải pháp kỹ thuật và kết cấu từng đài radar riêng lẻ để tiện cho việc phân tích các đặc điểm cấu trúc đài radar theo quan điểm kỹ thuật hệ thống

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại các đài radar

Do vậy thường phân các đài radar theo các dấu hiệu chiến thuật và các dấu hiệu kỹ thuật

Các dấu hiệu chiến thuật thường gồm: công dụng của đài radar, số lượng tọa độ đo được, mức độ cơ động của đài, …

Các dấu hiệu kỹ thuật gồm: Dải sóng làm việc của đài, phương pháp radar, phương pháp đo cự ly, …

 Theo công dụng có thể chia các đài radar thành các loại sau:

- Phát hiện xa các mục tiêu trên không ( radar cảnh giới)

- Phát hiện các mục tiêu trên không và dẫn đ ường cho máy bay tiêm kích đến các mục tiêu đó ( radar cảnh giới và dẫn đường)

- Phát hiện các mục tiêu bay thấp

- Chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không

Radar cảnh giới: để trinh sát các mục tiêu trên không ở cự ly xa Loại

đài radar này thường đo 2 tọa độ: cự ly và phương vị của mục tiêu với độ chính xác vừa phải Độ cao của mục tiêu có thể được xác định rất sơ lược, công suất phát của đài lớn

Radar cảnh giới và dẫn đường: là khâu cung cấp thông tin chủ yếu

trong hệ thống dẫn đường máy bay tiêm kích bay đến các mục tiêu trên không Để đảm bảo dẫn đường cần thông tin về vị trí không gian của các mục tiêu và các máy bay tiêm kích, radar cần đo được cả ba tọa độ: cự ly, phương vị và độ cao với độ chính xác đủ đảm bảo dẫn đường thành công

Radar phát hiện mục tiêu bay thấp: để trinh sát các mục tiêu bay thấp

Radar loại này có búp sóng rà thấp sát mặt đất, làm việc ở dải sóng cm hoặc

dm, có thiết bị chế áp nhiễu tiêu cực phản xạ từ mặt đất, công suất phát nhỏ, gọn nhẹ, cơ động

Radar chỉ thị mục tiêu cho tên lửa phòng không: cần có cự ly tác dụng

đủ xa sao cho sau khi nhận được chỉ thị mục tiêu từ nó, các phương tiện hỏa lực phòng không đủ thời gian chuẩn bị để tiêu diệt mục tiêu ở tầm xa nhất Thông tin radar ( về cả 3 tọa độ ) cần đủ chính xác đảm bảo cho các đài điều khiển tên lửa bám sát ngay được mục tiêu mà không cần sục sạo

 Theo các dấu hiệu kỹ thuật

Có thể chia radar theo dải sóng, theo phương pháp radar, theo phương pháp đo cự ly và theo số lượng kênh radar độc lập

- Tần số làm việc của radar có thể thuộc các dải tần như bảng bên dưới Radar dải HF lợi dụng sự phản xạ sóng ở tần đối lưu và tầng đi ện ly để phát hiện mục tiêu Radar dải VHF và UHF để phát hiện các mục tiêu ngoài đường chân trời Các radar cảnh giới thông thường làm việc ở dải sóng m (10 ÷1 m), dm (10 ÷ 1 dm) và cm (10÷ 1 cm)

- Theo phương pháp radar có thể chia thành các radar chủ động ( có trả lời thụ động hoặc chủ động) và thụ động như đã trình bày ở mục trước

- Theo phương pháp đo cự ly có thể chia thành 2 nhóm lớn: radar bức xạ xung và radar bức xạ liên tục Radar bức xạ xung có ưu điểm chính là : đơn giản việc đo cự ly, về mặt kỹ thuật cho phép dễ dàng sử dụng chung một anten cho cả phát và thu Nhược điểm của nó là cần phải dùng máy phát công suất xung lớn, khá phức tạp việc đo tốc độ mục tiêu Radar bức

xạ liên tục cho phép tách mục tiêu theo tốc độ và đo đơn trị tốc độ trong dải tốc độ khá rộng, công suất phát không cần lớn Nhược điểm của loại này là việc khử ghép giữa tuyến thu và phát rất phức tạp, thiết bị đầu cuối cũng rất phức tạp khi cần quan sát nhiều mục tiêu theo nhiều tham số

3 Sơ đồ khối máy phát radar

Radar là hệ thống rất hoàn thiện và phức tạp về mặt điện và từ Thường chúng là những cỗ máy hoàn chỉnh Hệ thống radar là sự sắp xếp những khối nhỏ khác nhau, bản thân những khối này lại được sắp xếp với những mục đích khác nhau Sự đa dạng của các khối tùy thuộc vào mục đích của từng radar, nhưng sự hoạt động cơ bản và các khối chính là tương tự nhau Trong sơ đồ khối, tôi chỉ đề cập đến các khối quan trọng mà không thể thiếu trong các hệ thống radar

Waveform Generator Upconversion

Clocks & Local Osillators

Low noise Amplifier

Control &

Power

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống radar

 Anten

Anten radar hoạt động như bộ giao tiếp giữa hệ thống radar và vật tự

do bay trong không gian bằng sóng radio được truyền đi và nhận về Nhiệm

vụ của anten radar là lan truyền sóng ra không gian được định hướng trong quá trình phát và nhận tín hiệu trong quá trình thu Khi phát sóng thì anten chỉ được nối với bộ phận truyền, còn khi thu thì anten chỉ được kết nối với

bộ phận thu Việc này được thực hiện bởi khối chuyển mạch song công Duplexer

Trong quá trình phát sóng đi, năng lượng của sóng bức xạ được truyền vào không gian, trong quá trình nhận, năng lượng của tín hiệu phản hồi được đưa về bộ phận nhận Trong radar có hai công thức toán học biểu thị hệ số khuếch đại khi truyền và hệ số hữu ích của anten:

Công suất tín hiệu tại đầu vào máy thu:

2

) 2

p 2

Trong đó A là diện tích hữu dụng của anten thu

G là hệ số khuếch đại của anten thu

Pp là công suất phát của đài radar

Thông thường anten thu và anten phát chung nên G=G’, và khi tính đến hệ số tổn hao của tuyến anten phía thu và phát ta có:

4 3

2 2 p t

r.)4(

G.PP

Khi chỉ có một anten sử dụng cả việc truyền và nhận tín hiệu, thì trong hầu hết các hệ thống radar đều sử dụng Duplexer Chuyển mạch Duplexer sẽ chuyển hệ thống radar từ chế độ phát sang chế độ thu Trong trạng thái phát, chuyển mạch sẽ nối anten với bộ phận phát và không kết nối với bộ phận thu Bộ thu sẽ được cách lý với xung truyền có công suất cao để bảo vệ bộ thu tránh bị hỏng những bộ phận có độ nhạy cao Ngay sau quá trình phát, chuyển mạch sẽ ngắt kết nối với bộ phận truyền và kết nối bộ thu với anten

Hình 1.3 Sơ đồ kết nối anten

 Khối tạo sóng Waveform Generator

Bộ phận phát tín hiệu số được xây dựng bởi sự liên kết với nguồn tín hiệu số với bộ chuyển đổi D/A Trong quá trình hoạt động thì bộ nhớ số được sử dụng dể lưu giữ tín hiệu dạng số Bộ nhớ sẽ đọc ra các đặc trưng của dạng sóng yêu cầu Ở đó tạo ra các dạng xung một cách rất linh hoạt và mềm dẻo

Khối dao động là bộ phận không thể thiếu trong kỹ thuật siêu cao tần như radar Bản chất của khối dao động là một thiết bị hoạt động và truyền tần số vào bộ phận viễn thông Bộ dao động điều chỉnh được thường sử dụng

tụ biến dung để điều chỉnh tần số dao động Khối dao động điều chỉnh điện áp(VCO) là khối dao động mà yếu tố biến đổi cơ bản là diode biến dung VCO được điều chỉnh trên băng tần của nó bởi điện áp một chiều DC sạch áp vào diode biến dung Mạch vòng bám pha sẽ được sử dụng để điều khiển tần

số của VCO

Trộn tần là quá trình tác động lên hai tín hiệu sao cho trên đầu ra

bộ trộn tần nhận được các thành phần tần số tổng hoặc hiệu của hai tín

hiệu đó

Bộ trộn tần có nhiệm vụ cho ra một tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha

hoặc hiệu tần số của hai tín hiệu vào Giả sử tín hiệu điều khiển và tín hiệu

ra có điện thế được viết bởi công thức sau:

U U

(1.6)

Từ công thức trên ta thấy tín hiệu ra của bộ tách sóng pha bao gồm cả

tổng và hiệu tần số của hai tín hiệu vào Tuy nhiên mạch lọc thông thấp

không cho phép tín hiệu tổng đi qua mà chỉ cho phép tín hiệu vi sai đi qua

Mixer được sử dụng để truyền tín hiệu trong một dải phổ này tới một

dải phổ khác Trong truyền dẫn radar, Mixer được sử dụng để truyền trực

tiếp tần số của tín hiệu (IF) được tạo ra bởi bộ tạo dao động sang tín hiệu

cao tần RF Khối thực hiện điều đó được gọi là bộ biến đổi tăng tần số lên

Trong radar nhận tín hiệu thì Mixer lại làm nhiệm vụ ngược lại là giảm tần

số thu được xuống từ tần số RF về trung tần IF

Hình 1.4 Mô hình hoạt động bộ trộn tần

Khối khuếch đại là một thiết bị biến đổi tín hiệu có biên độ nhỏ ở đầu vào thành một tín hiệu có biên độ lớn ở đầu ra mà dạng tín hiệu không thay đổi

Thực chất khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển,

ở đó năng lượng của nguồn cung cấp một chiều được biến đổi thành năng lượng xoay chiều có quy luật giống như quy luật của tín hiệu điều khiển

Mạch khuếch đại được chia thành nhiều loại khác nhau:

- Theo dạng tín hiệu cần khuếch đại: khuếch đại tín hiệu liên tục( khuếch đại micro, âm thanh…) và khuếch đại tín hiệu xung( radarr, máy thu hình, các thiết bị tính toán, điều khiển…)

- Theo dải tần số tín hiệu cần khuếch đại: mạch khuếch đại một chiều (f= 0 và tần số thấp), mạch khuếch đại tần thấp( f= 16Hz đến 20KHz), khuếch đại trung tần và cao tần( f > 20KHz)

- Theo đặc tuyến tần số: mạch khuếch đại cộng hưởng( hệ số khuếch đại K đạt giá trị lớn nhất tại tần số cộng hưởng), khuếch đại dải hẹp(

K không thay đổi trong một dải hẹp tần số và suy giảm rõ rệt ngoài vùng này), khuếch đại dải rộng( dải tần làm việc cỡ vài chục MHz)

- Theo trở tải: khuếch đại điện trở, khuếch đại biến thế, khuếch đại cộng hưởng, khuếch đại điện cảm…

- Theo tính chất các đại lượng vật lý lấy ra: khuếch đại thế (KU), khuếch đại dòng (Ki), khuếch đại công suất (Kp)

Thông thường các tín hiệu cần thu có tần số từ hàng chục MHz đến hàng trăm MHz thậm chí đến hàng chục GHz Tín hiệu thu được thường rất nhỏ, cần phải khuếch đại lên nhiều lần, để có tín hiệu đủ lớn( trên vài chục vôn) đáp ứng yêu cầu của mạch tách sóng Nếu dùng nhiều tầng khuếch đại

sẽ dẫn đến kết cấu và kỹ thuật phức tạp và rất dễ bị tự kích làm độ nhạy không cao, chất lượng kém Ngày nay, hầu hết tất cả các máy thu đều hoạt động theo nguyên tắc thu đổi tần Tín hiệu thu từ ăng ten có tần số thu được đưa vào một bộ biến đổi tần Trong máy thu có bộ dao động nội phát ra dao động có tần số tần số là n Dao động này cũng được đưa vào bộ biến đổi tần trộn với tín hiệu th Ở lối ra của bộ biến tần sẽ thu được tín hiệu có tần số:

(1.7)

Khi cần thu tín hiệu có tần số th bất kỳ, thì dù th biến đổi thế nào ncũng biến đổi một lượng tương tự để luôn đảm bảo có giá trị cố định Vậy là tần số trung gian giữa th và và được gọi là khuếch đại trung tần Khuếch đại trung tần hoạt động ở tần số thấp nên dễ khuếch đại và

hệ số khuếch đại đạt được rất lớn, tính ổn định cao và cũng rất gọn nhẹ, dễ chế tạo

Đối với máy pháy radar thì khối khuếch đại công suất được sử dụng để khuếch đại tín hiệu cao tần trước khi phát Trong lịch sử có nhiều kiểu bộ khuếch đại được sử dụng trong radar, chẳng hạn như ống khuếch đại có điều khiển lưới, khuếch đại từ trường chéo(CFAs), ống truyền sóng(TWTs),… Đối với bộ khuếch đại công suất lớn, các tham số quan trọng là hệ số khuếch đại

và độ ổn định trong dải tần làm việc Hệ số khuếch đại lớn mà vẫn đảm bào được sự ổn định trong dải tần làm việc

Tín hiệu thu được thường có biên độ rất nhỏ và có lẫn tạp Mục đích của bộ khuếch đại tạp âm thấp(LNA) là nâng tín hiệu lên công suất theo yêu cầu trong khi tín hiệu đã bị lẫn thêm tạp và có thể bị méo dạng tín hiệu vì vậy sự phục hồi của tín hiệu có thể gây một sự trễ trong hệ thống Bộ LNA

là bộ khuếch đại với tạp âm thấp Tín hiệu tạp được xác đinh bằng hệ số tín hiệu tạp lối vào trên hệ số tín hiệu tạp lối ra LNA được sử dụng ở phần đầu của khối radar thu Tham số khuếch đại có lẫn tạp âm thấp, nhất là ở sóng siêu cao tần

Subsysttôis)

Công nghệ xử lý tín hiệu tùy thuộc vào tín hiệu thu được chưa được trộn Một số công nghệ xử lý tín hiệu thông thường được sử dụng trong radar là hệ số tương quan, bộ lọc Doppler, phản xạ ảnh,… Khối xử lý dữ liệu

sử dụng bộ biến đổi dữ liệu được tạo ra bởi khối tín hiệu trực tiếp vào khi radar hoạt động Khối xử lý tín hiệu là một khối rất phức tạp cả về công nghệ lẫn thuật toán

Trong một số hệ thống radar, anten được điều khiển theo vị trí Trong

đó mô tơ được sử dụng để điều khiển vị trí của anten Nếu anten chỉ cần quay ở một tốc độ đơn thuần nhất định thì chỉ cần mô tơ đơn là đủ cho việc

đó Còn nếu anten quay với các tốc độ khác nhau thì một vài các bộ phận hỗ trợ điều khiển anten sẽ được sử dụng

 Khối nguồn(Power Systtôi)

Radar là một hệ thống điện tử rất phức tạp Mỗi thành phần đều cần có khối nguồn để vận hành Trong quá trình hoạt động, mỗi bộ phận lại cần các giá trị điện áp khác nhau Để đáp ứng các giá trị nguồn khác nhau đó, chỉ cần sử dụng một nguồn bên ngoài, sau đó điện áp được biến đổi thành các

mức điện áp cần thiết Để biến đổi điện áp DC thành các mức điện áp DC thường sử dụng các nguồn Switching điều chỉnh Các nguồn Switching điều chỉnh là mạch điện tử ở đó sử dụng các cuộn dây, các transistor hoặc tụ điện như là phần tử dự trữ năng lượng để truyền tải năng lượng từ khối vào tới các khối ra

 Khối hiển thị (display)

Khối màn hình hiển thị có chức năng hiển thị các thông tin- thông số

kỹ thuật của hệ thống radar, thông tin về mục tiêu mà radar thu được Khối

có chức năng giúp con người giao tiếp vơi hệ thống radar

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THU PHÁT SIÊU CAO TẦN

1 Giới thiệu chung

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 300GHz (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 như 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  ≤ 1 m )

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

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

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

- EHF (Extrtôiely High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz Máy phát siêu cao tần, công suất lớn hoạt động trong dải tần 820Mhz đến 900Mhz của đài radar tầm thấp được xây dựng dựa trên phương pháp tổ hợp công suất trong máy Khối công suất là tổ hợp của nhiều module công suất nhỏ để tạo ra khối có công suất lối ra lớn Do vậy lý thuyết siêu cao tần

là nền tảng để giải quyết vấn đề trên

2 Thiết kế mạch khuếch đại công suất trong kỹ thuật siêu cao tần

Khi nghiên cứu đường truyền đối với các tín hiệu tần thấp, ta thường coi các đường dây nối(hay đường truyền) là ngắn mạch Điều này chỉ đúng

khi kích thước của mạch là nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu Còn đối với tín hiệu cao tần và đặc biệt đối với tín hiệu siêu cao thì ta phải có những nghiên cứu đặc biệt về đường truyền

Trong các hệ thống siêu cao tần và sóng milimet, bước sóng của tín hiệu có thể bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của các bộ phận và đường truyền của chúng Điều này có nghĩa là có thể diễn ra những thay đổi quan trọng về pha tín hiệu dọc theo đường truyền và có sự biến đổi trở kháng danh định của một thiết bị hoặc một thành phần mà tín hiệu đi qua Những sự biến đổi trở kháng này gây ra các sóng phản xạ trên đường truyền Điều này sẽ dẫn đến sự tổn hao năng lượng trên đường truyền do năng lượng bị phản xạ Luợng năng lượng bị phản xạ được xác định bởi hệ số phản xạ , có quan

hệ với trở kháng

Sơ đồ mạch điện tương đương được sử dụng rộng rãi trong tần số radio(RF) và trong sóng siêu cao tần để mô tả trạng thái mạch điện trong cả hai trường hợp phần tử tích cực và phần tử thụ động Trong mạng hai cổng thì các yếu tố truyền như là hằng số trở kháng Z, yếu tố dẫn nạp Y, và hệ số tán xạ S là các tham số quan trọng nhất thể hiện tính chất đặc biệt của các yếu tố phi tuyến như transistor lưỡng cực hoặc transistor trường, khi chúng

ta thiết kế các bộ khuếch đại hoặc các bộ dao động

2.1 Mô hình tương đương tham số tập trung của đường truyền

Hình 2.1 Dây dẫn song song và sơ đồ 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 c ó 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 2.1) Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian

Xét một đoạn rất ngắn z của đường dây truyền sóng

Sơ đồ tương đương của đoạn dây với các giá trị điện áp và dòng điện được hiển thị như ở hình 2.1b

Áp dụng định luật Kirchhoff, ta có thể viết các hệ thức sau đây đối với điện áp và dòng điện trên đoạn mạch, tại các thời điểm t:

- Đối với điện áp ta có:

0 ) , ( ) , ( )

, ( )

,

(     V z  z t 

t

t z I z L t z zI R

, ( )

,

(     I z  z t 

t

t z V z C t z zV G

I t z I t z z

Chia (2.1) và (2.2) cho z và cho z  dz , ta nhận được:

t

t z I L t z RI z

t z V

, (

t z I

, (

) (

z I L i R z

z V

)

(

z V C i G z

L i R Z





ta có thể viết lại (2.5) và (2.6):

IZ Z V

) ( ) ( ) (

2 2 2 2

z I ZY z

z I

z V ZY z

z V

2.3 Truyền sóng trên đường dây Nghiệm của phương trình vi phân

Bây giờ ta tìm nghiệm của phương trình vi phân (2.9)

Đặt ZY   2

Theo (2.7) ta có:

) )(

(

2

C i G L i

Ta nhận thấy là một số phức, có thể viết

C i G L i R

0 ) ( )

(

2 2 2

2 2

z I dz

z I d

z V dz

z V d

e V e V z

z z

e I e I z

) (

1 )

( V0 e z V0 e z

L i R z



0 , ta viết lại (2.13a):

) (

1 )

0

z z

e V e V Z z

So sánh (2.13b) với (2.12b) ta rút ra được các mối quan hệ sau:

0 0

Z

V I

L i R Z

0 0

I

V I

i z

e e V e e V t z

do đó:

) (

0

0 0

t i z i z i t

i z

e e V

e e e e V e e V

) (

0

0 0

t i z i z i t

i z

e e V

e e e e V e e V

Nếu viết dưới dạng hàm lượng giác, ta có biểu thức của sóng điện áp trên đường dây:

e z t V

e z t V

t

z

V( , )  0 cos(      )  0 cos(      ) (2.17) Vận dụng các phép chứng minh và suy luận như khi nghiên cứu lý thuyết sóng điện từ phẳng trong giáo trình “Lý thuyết trường điện từ”, ta xác định được ý nghĩa vật lý cũng như các mối quan hệ của các số hạng trong (2.17):

 - hệ số pha của sóng, có quan hệ với bước sóng công tác  bởi:

Xét trường hợp đường dây truyền sóng không tổn hao:

Đối với trường hợp đường dây truyền sóng lý tưởng ta có: R=0; =0

Thay vào (2.10), ta nhận được:

LC i

e V e V z

z i z

i

e Z

V e Z

V z

0 0 0

0

) (

2.4 Thiết kế bộ khuếch đại siêu cao tần sử dụng ma trận tán xạ [S]

Ở các tần số microwave, không thể đo trở kháng và dẫn nạp của transistor một cách trực tiếp Trong khi đó, có thể đo được ma trận tán xạ của nó Vì vậy, phương pháp thiết kế sử dụng ma trận tán xạ luôn được sử dụng rộng rãi Các tham số Sij của transistor đo được bằng cách chèn transistor vào một mạch test với các đường truyền 50, đặt đúng thiên áp cần hoạt động và đo các tham số Sij dùng máy phân tích mạng

Việc thiết kế một bộ khuếch đại cao tần thường theo những mục đích sau:

- Hệ số khuếch đại công suất cực đại

- Tầng đầu tiên có noise figure nhỏ Điều này yêu cầ u trở kháng nguồn

s

z cụ thể Giá trị z stối ưu cho noise figure thấp nhất được cho bởi các nhà sản xuất transistor

- Hệ số khuếch đại ổn định, nghĩa là không có dao động

- Hệ số khuếch đại thích hợp và đồng đều trên một khoảng băng tần nhất định

- Đáp ứng pha là hàm tuyến tính theo w (không méo, chỉ có trễ nhóm)

- Không nhạy với những thay đổi nhỏ của các tham số Sij

Tất cả các mục tiêu trên không phải yêu cầu cùng một lúc Trong khi thiết kế, có thể có yêu cầu này chống lại yêu cầu kia, ví dụ: hy sinh hệ số khuếch đại để đổi lấy độ ổn định

Để thiết kế các bộ khuếch đại hệ số khuếch đại công suất lớn, tạp âm thấp, cần phải sử dụng đến các khái niệm vòng tròn ổn định, vòng tròn hằng

số hệ số khuếch đại công suất, vòng tròn hằng số mất phối hợp trở kháng và vòng tròn hằng số noise figure được biểu diễn trên đồ thị Smith

Tất cả các mạch khuếch đại tần số thấp khác như khuếch đại đẩy kéo cân bằng (balanced push-pull amplifier), khuếch đại chồng tầng (cascode amplifiers) và khuếch đại sóng chạy (traveling-wave amplifier) cũng được

độ ổn định cần phải đặt một tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ đầu tiên Do đó, phương pháp thiết kế mạng 2 cổng tuyến tính cũng rất cần thiết trong phần khuếch đại tín hiệu lớn

2.5 Các tham số tán xạ của mạng hai cổng

Khái niệm điện áp tới và điện áp phản xạ và các tham số của dòng điện có thể được làm rõ bởi mạng một cổng được minh họa trên hình 2 2 Ở

đó trở kháng Z được nối với nguồn tín hiệu VS với trở kháng lối vào ZS Trong một số trường hợp, dòng điện I và điện áp V bao gồm cả thà nh phần tới và thành phần phản xạ Khi trở kháng tải bằng với trở kháng kết hợp với nguồn lối vào *

s

z  z thì dòng điện lối ra bằng dòng điện lối vào Trong trường hợp này, mạch điện được phối hợp trở kháng, công suất truyền tín hiệu là lớn nhất

Kết quả là, công suất lối vào đạt giá trị lớn nhất là bằng công suất của nguồn tín hiệu lối vào

*

R e

( 2 2 9 )

i S i

Công suất lối vào cũng được tính theo dòng điện lối vào và công suất phản

xạ được tính theo dòng điện phản xạ như sau:

2 2

Hằng số a và hằng số b có thể gọi tắt là tín hiệu chuẩn hóa sóng tới và tín hiệu chuẩn hóa sóng phản xạ đối với cả dòng điện và điện áp

Điện áp V và dòng điện I có mối liên hệ với a và b như sau:

Trở kháng lối vào ZS thường là hoàn toàn tích cực và xác định, do đó

nó thường được sử dụng làm trở kháng chuẩn hóa, trong kỹ thuật thiết kế mạch sóng cực ngắn, trở kháng đặc biệt của mạng hai cổng bao gồm đường truyền và các đầu nối, trở kháng này được gọi là trở kháng chuẩn hóa và gắn với giá trị là 50 Điều này rất quan trọng cho việc tính toán các hệ số S khi

mà tất cả các đường truyền, nguồn và tải sẽ được coi là các trở kháng phức

là phối hợp trở kháng

Đối với mạng hai cổng, sơ đồ tương đương như hình 2.3 các sóng phản xạ chuẩn hóa b1 và b2 có liên hệ với các sóng chuẩn hóa lối vào a1 và a2

như sau:

1 1 1 1 1 2 2

2 2 1 1 2 2 2

( 2 4 0 ) ( 2 4 1)

Hình 2.3 Sơ đồ tương đương mạng hai cổng

Các hệ số chuẩn hóa sóng tới a1, a2 và các hệ số chuẩn hóa sóng phản

xạ b1 và b2 liên quan với nguồn điện áp và trở kháng lối vào và trờ tải như sau: