Nghiên cứu thiết kế chế tạo modun khuếch đại công suất dùng trong máy phát radar dải sóng dm(820 900mhz)

Trong radar có hai công thức toán học biểuthị hệ số khuếch đại khi truyền và hệ số hữu ích của anten: Công suất tín hiệu tại đầu vào máy thu: 1.1... Trong đó A là diện tích hữu dụng của

LỜI MỞ ĐẦU

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

Radar là một thiết bị kết hợp rất nhiều khối điện tử phức tạp cả về côngnghệ và khoa học, chính vì vậy trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, vớimục 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 sỹ: “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo modun 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 ởdải 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 thànhcông một modun khuyếch đại công suất 80W, hoạt động ởdải tần 820Mhz – 900Mhz, hệ số khuyếch đại là 17dB

- Đánh giá kết quả đã đạt được trong luận văn và hướng

Nội dung của luận văn được chia làm 3 chương:

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

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODUN 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 tanhững cỗ máy “radar” kì diệu Chú dơi phát ra sóng siêu âm từ mũi, nhậntiếng 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

 Những ngày đầu tiên thí nghiệm và khám phá của con người

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, pôp đã truyền đi được một bức vô tuyến điện tín đầu tiên trong lịch sử với

Pô-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 thínghiệm về cự ly thông tin vô tuyến điện, ông gặp một hiện tượng bất ngờ khiliên lạc vô tuyến giữa hai tàu bị cắt đứt lúc có một tuần dương hạm chạyngang qua Lí do được giải thích là do sóng vô tuyến bị phản xạ khi gặpchướng ngại vật Ông đã nghĩ ngay ra việc lợi dụng hiện tượng này để kiểmtra, xác định vị trí và dẫn đường cho tàu thuyền Đây được coi là thời điểmkhởi 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 hainhà nghiên cứu Anh Appleton và Barnett đã trình diễn một số phép đo bầukhí quyển Trái đất, sử dụng một bộ phát xung vô tuyến và được coi như mộtradar

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 chiến tranh thế giới lần thứ 2

Trong những năm ác liệt của chiến tranh, Liên-xô đã cho ra đời hàngloạt các đài radar với nhiều chiến thuật khác nhau, nâng cao khả năng chiếnđấu 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 sứclực vào việc phát triển kỹ thuật radar Năm 1936, Anh xây dựng một hàngrào radar để bảo vệ toàn bộ bờ biển, tầm xa 250 km Về sau, Anh cải tiến vàchế tạo được các đài radar sóng 10 cm và 3 cm, giúp ích nhiều cho khôngquân 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 vàmáy bay địch Cho nên, ngày 7/12/1941, Mỹ đã chịu thất bại nặng nề trongtrận 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 pháocao xạ hạ được từ 10 đến 12% máy bay phóng pháo của Đồng minh Nhưngsau 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 Đồngminh có trang bị radar sóng 3 cm

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

 Thời bình

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 sóngđiện 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 vàocuộc sống vì radar thế hệ mới nhỏ hơn, rẻ hơn, dễ sản xuất hơn và mạnh hơnnhiều

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 cũngnhư phế tích

Hãng xe Toyota và nhiều hãng xe hơi trên thế giới đang lắp đặt một hệthống 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 chạmsắp tới gần, ô-tô sẽ tự thắt chặt dây an toàn quanh hành khách và bắt đầugiảm 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 hơn413.000 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 xeđang tới gần trong những tình huống như hoà vào dòng xe cộ trên xa lộ hoặcđánh 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 trungbình và thậm chí là kích cỡ xe trên đường Độ tin cậy và khả năng ''nhìn'' củaradar trong mọi diều kiện thời tiết làm cho nó trở thành một công cụ thay thếhấp dẫn hơn đối với camera

Tầm quan trọng của radar hay những thiết bị hoạt động theo nguyêntắc giống như vậy ngày nay là rất lớn Vì vậy việc không ngừng nghiên cứuứng 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 từngnhóm có những dấu hiệu chung, không phụ thuộc vào tính đa dạng của cácgiải pháp kỹ thuật và kết cấu từng đài radar riêng lẻ để tiện cho việc phântích 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 cácdấu hiệu kỹ thuật

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

Các dấu hiệu kỹ thuật gồm: Dải sóng làm việc của đài, phương phápradar, 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 đường cho máy baytiêm kích đến các mục tiêu đó ( radar cảnh giới và dẫnđường)

- 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 độchính 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 trênkhông Để đảm bảo dẫn đường cần thông tin về vị trí không gian của cácmục 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 hỏalực 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 điềukhiển 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 phươngpháp 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 điện ly đểphát hiện mục tiêu Radar dải VHF và UHF để phát hiện các mục tiêungoài đường chân trời Các radar cảnh giới thông thường làm việc ở dảisóng 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 lờithụ 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 xạxung 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 chungmột anten cho cả phát và thu Nhược điểm của nó là cần phải dùng máyphát 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 trongdải tốc độ khá rộng, công suất phát không cần lớn Nhược điểm của loạinày là việc khử ghép giữa tuyến thu và phát rất phức tạp, thiết bị đầu cuốicũng 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 xếpnhững khối nhỏ khác nhau, bản thân những khối này lại được sắp xếp vớinhững mục đích khác nhau Sự đa dạng của các khối tùy thuộc vào mục đíchcủa từng radar, nhưng sự hoạt động cơ bản và các khối chính là tương tựnhau Trong sơ đồ khối, tôi chỉ đề cập đến các khối quan trọng mà không thểthiếu trong các hệ thống radar

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 trongquá trình phát và nhận tín hiệu trong quá trình thu Khi phát sóng thì antenchỉ 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 côngDuplexer

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

Công suất tín hiệu tại đầu vào máy thu:

(1.1)

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 tínhđến hệ số tổn hao của tuyến anten phía thu và phát ta có:

 Khối chuyển mạch song công (Duplexer)

Khi chỉ có một anten sử dụng cả việc truyền và nhận tín hiệu, thì tronghầu hết các hệ thống radar đều sử dụng Duplexer Chuyển mạch Duplexer sẽchuyển 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 phậnthu Bộ thu sẽ được cách lý với xung truyền có công suất cao để bảo vệ bộthu 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 tínhiệu số với bộ chuyển đổi D/A Trong quá trình hoạt động thì bộ nhớ sốđược sử dụng dể lưu giữ tín hiệu dạng số Bộ nhớ sẽ đọc ra các đặc trưng củadạng sóng yêu cầu Ở đó tạo ra các dạng xung một cách rất linh hoạt và mềmdẻo

 Khối dao động Local Osillators

Khối dao động là bộ phận không thể thiếu trong kỹ thuật siêu cao tầnnhư radar Bản chất của khối dao động là một thiết bị hoạt động và truyềntần 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 điệnáp(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 ápvào diode biến dung Mạch vòng bám pha sẽ được sử dụng để điều khiển tần

số của VCO

 Khối trộn tần(Mixer)

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 tínhiệu đó

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

Mixer được sử dụng để truyền tín hiệu trong một dải phổ này tới mộtdải phổ khác Trong truyền dẫn radar, Mixer được sử dụng để truyền trựctiếp tần số của tín hiệu (IF) được tạo ra bởi bộ tạo dao động sang tín hiệucao 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 công suất (Power Amplifier)

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

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 nănglượng 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 liêntục( khuếch đại micro, âm thanh…) và khuếch đại tín hiệu xung( radarr, máythu hình, các thiết bị tính toán, điều khiển…)

- Theo dải tần số tín hiệu cần khuếch đại: mạch khuếch đại mộtchiều (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 sốkhuếch đại K đạt giá trị lớn nhất tại tần số cộng hưởng), khuếch đại dảihẹp( K không thay đổi trong một dải hẹp tần số và suy giảm rõ rệt ngoàivùng này), khuếch đại dải rộng( dải tần làm việc cỡ vài chục MHz)

- Theo trở tải: khuếch đại điện trở, khuếch đại biến thế, khuếchđại 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 đếnhàng trăm MHz thậm chí đến hàng chục GHz Tín hiệu thu được thường rấtnhỏ, cần phải khuếch đại lên nhiều lần, để có tín hiệu đủ lớn( trên vài chụcvôn) 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 nhạykhông cao, chất lượng kém Ngày nay, hầu hết tất cả các máy thu đều hoạtđộng theo nguyên tắc thu đổi tần Tín hiệu thu từ ăng ten có tần số thu đượcđưa vào một bộ biến đổi tần Trong máy thu có bộ dao động nội phát ra daođộng có tần số tần số là wn Dao động này cũng được đưa vào bộ biến đổi tầntrộn với tín hiệu wth 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 wth bất kỳ, thì dù wth biến đổi thế nào cũng biến đổi một lượng tương tự để luôn đảm bảo có giá trị cố định.Vậy là tần số trung gian giữa wth và và được gọi là khuếch đại trungtần 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, dễchế tạo

Đối với máy pháy radar thì khối khuếch đại công suất được sử dụng đểkhuếch đại tín hiệu cao tần trước khi phát Trong lịch sử có nhiều kiểu bộkhuếch đại được sử dụng trong radar, chẳng hạn như ống khuếch đại có điềukhiển lưới, khuếch đại từ trường chéo(CFAs), ống truyền sóng(TWTs),…Đốivới 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 bàođược sự ổn định trong dải tần làm việc

 Khối khuếch đại tạp âm thấp(Low Noise Amplifier)

Tín hiệu thu được thường có biên độ rất nhỏ và có lẫn tạp Mục đíchcủa bộ khuếch đại tạp âm thấp(LNA) là nâng tín hiệu lên công suất theo yêucầu trong khi tín hiệu đã bị lẫn thêm tạp và có thể bị méo dạng tín hiệu vìvậy 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 tínhiệu tạp lối vào trên hệ số tín hiệu tạp lối ra LNA được sử dụng ở phần đầucủa khối radar thu Tham số khuếch đại có lẫn tạp âm thấp, nhất là ở sóngsiêu cao tần

 Khối điều khiển xử lý tín hiệu (Signal Processing/Data Processing/Control

Subsysttôis)

Công nghệ xử lý tín hiệu tùy thuộc vào tín hiệu thu được chưa đượctrộn Một số công nghệ xử lý tín hiệu thông thường được sử dụng trongradar 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 khiradar hoạt động Khối xử lý tín hiệu là một khối rất phức tạp cả về côngnghệ lẫn thuật toán

 Khối điều khiển anten (Antenna Positioning Systtôi)

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 cầnquay 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 hỗtrợ 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 cókhối nguồn để vận hành Trong quá trình hoạt động, mỗi bộ phận lại cần cácgiá trị điện áp khác nhau Để đáp ứng các giá trị nguồn khác nhau đó, chỉcần sử dụng một nguồn bên ngoài, sau đó điện áp được biến đổi thành cácmức 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 điềuchỉnh là mạch điện tử ở đó sử dụng các cuộn dây, các transistor hoặc tụ điệnnhư là phần tử dự trữ năng lượng để truyền tải năng lượng từ khối vào tớicác 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 nhữngsóng điện từ có bước sóng rất nhỏ, ứng với phạm vi tần số rất cao của phổtần số vô tuyến điện

Phạm vi của dải tần số này cũng không có sự quy định chặt chẽ vàthống nhất toàn thế giới Giới hạn trên của dải thường được coi là tới300GHz (f = 3.1011 Hz), ứng với bước sóng l = 1 mm(sóng milimet), còngiới 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 l ≤ 10m ), còn một số nước khác coi "viba" là nhữngsóng có tần số cao hơn 300 MHz ( bước sóng l ≤ 1 m )

Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và những thành tựu đạt đượctrong 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 GHzMáy phát siêu cao tần, công suất lớn hoạt động trong dải tần 820Mhzđến 900Mhz của đài radar tầm thấp được xây dựng dựa trên phương pháp tổhợp công suất trong máy Khối công suất là tổ hợp của nhiều modul côngsuất 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 thườngcoi các đường dây nối(hay đường truyền) là ngắn mạch Điều này chỉ đúngkhi 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 nghiêncứu đặc biệt về đường truyền.

Trong các hệ thống siêu cao tần và sóng milimet, bước sóng của tínhiệu có thể bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của các bộ phận và đường truyềncủa chúng Điều này có nghĩa là có thể diễn ra những thay đổi quan trọng vềpha tín hiệu dọc theo đường truyền và có sự biến đổi trở kháng danh địnhcủa một thiết bị hoặc một thành phần mà tín hiệu đi qua Những sự biến đổitrở kháng này gây ra các sóng phản xạ trên đường truyền Điều này sẽ dẫnđến 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 sốradio(RF) và trong sóng siêu cao tần để mô tả trạng thái mạch điện trong cảhai trường hợp phần tử tích cực và phần tử thụ động Trong mạng hai cổngthì các yếu tố truyền như là hằng số trở kháng Z, yếu tố dẫn nạp Y, và hệ sốtán xạ S là các tham số quan trọng nhất thể hiện tính chất đặc biệt của cácyếu 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 dẫnsong 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 điệntrong dây dẫn theo chiều ngược lại, đó là thành phần cảm ứng cũng sẽ cómột 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 [ W/m]

Một đoạn ngắn ∆z của đường truyền được biểu diễn trên sơ đồ tương đươngnhư (hình 2.1) Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian

2.2 Phương trình sóng và nghiệm

Xét một đoạn rất ngắn của đường dây truyền sóng

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

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

- Đối với điện áp ta có:

;

Thay vào (2.3) và (2.4) ta nhận được:

(2.5)(2.6)Thay

(2.7)

ta có thể viết lại (2.5) và (2.6):

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)

(2.12a)(2.12b)

Công thức (2.12a) và (2.12b) biểu thị các sóng điện áp và dòng điệntrên đường dây, trong đó, số hạng chứa biểu thị cho sóng truyền theohướng +z (sóng thuận), còn số hạng chứa biểu thị cho sóng truyền theohướng -z (sóng ngược), với g là hệ số truyền sóng phức được xác định theo(2.10)

và biểu thị cho biên độ điện áp và dòng điện sóng thuận

và biểu thị cho biên độ điện áp và dòng điện sóng ngược

Khi chuyển biểu thức biểu thị hàm sóng về miền thời gian, ta cần nhân thêmvới hàm mũ , nghĩa là:

Lưu ý rằng biên độ của điện áp V0 (hoặc dòng điện I0) cũng là các đại lượngphức, ví dụ:

do đó:

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

(2.17)Vận dụng các phép chứng minh và suy luận như khi nghiên cứu lýthuyết sóng điện từ phẳng trong giáo trình “Lý thuyết trường điện từ”, ta xácđịnh 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:

(2.18)

và có quan hệ với vận tốc pha của sóng bởi:

(2.19)Các biểu thức nhận được ở trên là các công thức tổng quát cho trườnghợp đường truyền dẫn sóng thực tế có tổn hao, nghĩa là khi các dây dẫnkhông phải là vật dẫn lý tưởng (R¹0) và điện môi trong không gian giữa cácdây dẫn không phải là điện môi lý tưởng (d¹0).

Xét trường hợp đường dây truyền sóng không tổn hao:

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

Thay vào (2.10), ta nhận được:

(2.20)Suy ra:

(2.21)Trở kháng đặc tính của đường truyền được xác định theo (2.15):

Nghiệm tổng quát của V và I trên đường dây truyền sóng không tổn hao,theo (2.12a) và (2.13a) sẽ có dạng:

(2.23a)(2.23b)Bước sóng trong đường dây, theo (2.18) bằng:

(2.24)

Và vận tốc pha của sóng:

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 củatransistor một cách trực tiếp Trong khi đó, có thể đo được ma trận tán xạcủa nó Vì vậy, phương pháp thiết kế sử dụng ma trận tán xạ luôn được sửdụng rộng rãi Các tham số Sij của transistor đo được bằng cách chèntransistor vào một mạch test với các đường truyền 50W, đặt đúng thiên ápcần hoạt động và đo các tham số Sijdùng máy phân tích mạng

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

- Hệ số khuếch đại công suất cực đại

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

cụ thể Giá trị tối ưu cho noise figure thấp nhất được cho bởi cácnhà 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 tầnnhất 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 khithiết kế, có thể có yêu cầu này chống lại yêu cầu kia, ví dụ: hy sinh hệ sốkhuếch đại để đổi lấy độ ổn định

Để thiết kế các bộ khuếch đại hệ số khuếch đại công suất lớn, tạp âmthấp, 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 vàvòng 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 kéocân bằng (balanced push-pull amplifier), khuếch đại chồng tầng (cascodeamplifiers) và khuếch đại sóng chạy (traveling-wave amplifier) cũng được sửdụng ở tần số microwave

Một transistor không ổn định có thể được ổn định bằng cách đặt mộtđiện trở ở lối vào, lối ra hoặc cả hai nhằm giảm hệ số khuếch đại công suất

và tăng noise figure Độ ổn định cũng có thể được thực hiện bằng cách sửdụng phản hồi âm

Trong thiết kế các bộ khuếch đại công suất lớn, cần phải xét đến đặctrưng phi tuyến, phải chú ý hơn tới sự tiêu tán công suất của transistor vàviệc thiết kế đầy đủ tản nhiệt Một bộ khuếch đại công suất lớn, để đạt 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 phầnkhuếch 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 dòngđiện 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 thành phầntới và thành phần phản xạ Khi trở kháng tải bằng với trở kháng kết hợp vớinguồn lối vào thì dòng điện lối ra bằng dòng điện lối vào Trong trườnghợp này, mạch điện được phối hợp trở kháng, công suất truyền tín hiệu làlớn nhất

Hình 2.2 Sơ đồ tương đương mạng một cổng

Từ sơ đồ mạch điện, ta có:

Điện áp lối ra tải tính theo điện áp lối vào như sau:

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

Công suất lối vào cũng có thể được tính theo điện áp lối vào Vi theo biểuthức (2.27)

Hệ số chuẩn hóa của tín hiệu lối vào a được định nghĩa là căn bậc hai củacông suất lối vào Pi được cho bởi biểu thức sau:

Tương tự, hệ số chuẩn hóa của tín hiệu phản xạ b được định nghĩa là căn bậchai của công suất phản xạ cho bởi biểu thức:

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:

Do vậy, thành phần đặc trưng cho sóng tới và sóng phản xạ được tính nhưsau:

Hằng số a và hằng số b có thể gọi tắt là tín hiệu chuẩn hóa sóng tới và tínhiệu 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:

Trong đó:

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

mạch sóng cực ngắn, trở kháng đặc biệt của mạng hai cổng bao gồm đườngtruyền và các đầu nối, trở kháng này được gọi là trở kháng chuẩn hóa và gắnvới 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.Khi mà , với Z0 là trở kháng chuẩn hóa Tỷ số giữa tín hiệu chuẩnhóa phản xạ và tín hiệu chuẩn hóa lối vào được gọi là hệ số phản xạ đượcđịnh nghĩa bởi:

với Z= V/I

Ta biết rằng, điện áp và dòng điện trên đường truyền bao gồm tổngcủa sóng tới và sóng phản xạ tạo thành sóng đứng Nếu  = 0 thì không cóphản xạ Để có  = 0 thì theo phương trình (2.39) ta phải có , tức trởkháng tải bằng trở kháng đặc trưng của đường truyền Ta gọi trường hợp này

là phối hợp trở kháng

Đối với mạng hai cổng, sơ đồ tương đương như hình 2.3 các sóngphản xạ chuẩn hóa b1 và b2 có liên hệ với các sóng chuẩn hóa lối vào a1 và a2như sau:

Hoặc viết dưới dạng ma trận

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 nhưsau:

s11, s12, s21 và s22 là các tham số tán xạ S của mạng hai cổng Từ biểu thức(2.42) nếu cho a2 = 0 thì:

Trong đó s11 là hệ số sóng phản xạ tại cổng vào ra ngoài khi cổng rađược phối hợp trở kháng Và s21 là hệ số truyền từ cổng vào tới cổng ra khicổng ra được phối hợp trở kháng

Tương tự, ta cũng tính được các hệ số s12 và s22 khi cho các điều kiệnbiên như sau:

Trong đó, s12 là hệ số truyền và s22 là hệ số phản xạ khi lối vào đượcphối hợp trở kháng Trong kỹ thuật thiết kế mạch khuếch đại siêu cao tần sửdụng transstor, ta quan tâm đến hệ số phản xạ s11 và hệ số truyền ngược s12

và s21 Bởi vì trong quá trình truyền tín hiệu từ lối vào tới lối ra, nếu s11 càngnhỏ thì điều đó thể hiện trong quá trình truyền tín hiệu trong mạch xẩy rahiện tượng sóng phản xạ càng nhỏ, dẫn đến tổn hao do sóng phản xạnhỏ,công suất truyền sẽ lớn

2.6 Một số phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản

Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản được mô tả ở hình 2.4, trong đó sửdụng một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng Mạch phốihợp thường là một mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và đượcthiết kế sao cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở khángsóng Zo của đường truyền

Hình 2.4 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, nănglượng tối đa từ nguồn sẽ được truyền đến tải còn năng lượng tổn haotrên đường truyền là nhỏ nhất

- Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu của hệthống khác trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten,

bộ khuếch đại tạp âm thấp v.v