Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âmthấp (LNA) băng tần s dùng cho radar cảnh giới dẫn đường p37

TRẦN MẠNH LINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) BĂNG TẦN S DÙNG CHO RADAR CẢNH GIỚI DẪN ĐƯỜNG P37 - – 2015 TRẦN MẠNH LINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) BĂNG TẦN S DÙNG CHO RADAR CẢNH GIỚI DẪN ĐƯỜNG P37 : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên : Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520203 - NG : PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp công trình nghiên cứu thực cá nhân tôi, đƣợc thực dựa sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Bạch Gia Dƣơng Các số liệu, kết luận luận văn trung thực, dựa nghiên cứu mô hình, thành đạt đƣợc nƣớc giới trải nghiệm thân, chƣa đƣợc công bố dƣới hình thức trƣớc trình, bảo vệ trƣớc “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật” Một lần xin khẳng định trung thực lời cam kết Hà nội, Ngày 21 tháng 05 năm 2015 Người cam đoan Trần Mạnh Linh LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bạch Gia Dƣơng, thầy tận tình giúp đỡ, bảo hƣớng dẫn em suốt thời gian thực luận văn tốt nghiệp Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn đến anh chị trung tâm nghiên cứu điện tử viễn thông – Khoa điện tử viễn thông Trƣờng Đại học Công Nghệ giúp đỡ em trình thực luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng, nhƣng thời gian có hạn vốn kiến thức hạn chế nên công trình nhiều thiếu sót Vì vậy, em mong nhận đƣợc đóng góp, bảo thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài 10 Phƣơng pháp nghiên cứu 10 Nội dung nghiên cứu 10 4.1 Nghiên cứu lý thuyết 10 4.2 Thiết kế hệ thống 10 Kết cấu luận văn 11 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ RADAR CẢNH GIỚI DẪN ĐƢỜNG P37 12 1.1 Giới thiệu 12 1.2 Các thông số kỹ thuật đài Radar P37 cải tiến 13 1.3 Sơ đồ chức Radar P37 cải tiến xử lý tín hiệu radar 13 1.4 Sơ đồ khối khuyếch đại tạp âm thấp LNA máy thu Radar P37 16 1.5 Sử dụng PIN Diode hạn chế công suất lọt bảo vệ LNA cho tuyến thu radar P37 18 CHƢƠNG LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 21 2.1 Giới thiệu chung 21 2.2 Cơ sở lý thuyết thiết kế mạch siêu cao tần 22 2.2.1 Các loại đƣờng truyền 22 2.2.2 Phƣơng trình truyền sóng 23 2.2.3 Hệ số phản xạ 25 2.2.4 Hệ số sóng đứng 25 2.2.5 Giãn đồ Smith 26 2.3 Phối hợp trở kháng 28 2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung 29 2.3.2 Phối hợp trở kháng dải hẹp đoạn dây dẫn sóng mắc liên tiếp 2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm 30 32 CHƢƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUYẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) BĂNG TẦN S DÙNG CHO RADAR CẢNH GIỚI DẪN ĐƢỜNG P37 36 3.1 Yêu cầu thiết kế 36 3.1.1 Phƣơng pháp phối hợp trở kháng 36 3.1.2 Tính toán mô thiết kế 36 3.2 Thực nghiệm 43 3.2.1 Chế tạo mạch Layout 43 3.2.2 Đo kiểm thông số S đánh giá kết thu đƣợc 45 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình 1.1 Một số hình ảnh Radar P37 Hình 1.2 Sơ đồ chức xử lý tín hiệu Radar P37 Hình 1.3 Hình kênh máy phát Hình 1.4 Hình kênh máy thu Hình 1.5 Các khối điều chỉnh phát kênh thu Radar P37 Hình 1.6 Sơ đồ khối khuyếch đại tạp âm thấp LNA máy thu Radar P37 Hình 1.7 Hình ảnh thực tế khối LNA bán dẫn tích hợp khối bảo vệ máy thu Radar P37 Hình 1.8 Cấ u ta ̣o PIN diode Hình 1.9 Mạch mô tƣơng đƣơng trạng thái đóng, ngắ t của PIN diode Hình 1.10 Phân cực chuyển mạch cho PIN diode Hình 1.11 Bảo vệ thụ động dùng PIN Diode Hình 2.1 Phổ tần số sóng điện từ Hình 2.2 Các dạng đƣờng truyền sóng Hình 2.3 Biểu diễn mạch tƣơng đƣơng đoạn đƣờng truyền sóng siêu cao tần Hình 2.4 Giãn đồ Smith chuẩn Hình 2.5 Sơ đồ phối hợp trở kháng Hình 2.6 Mạch phối hợp trở kháng hình L Hình 2.7 Phối hợp trở kháng đoạn dây λ\4 Hình 2.8 Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài Hình 2.9 Phối hợp trở kháng hai đoạn dây mắc nối tiếp Hình 2.10 Phối hợp trở kháng đoạn dây chêm Hình 2.11 Biểu diễn đồ thị Smith Hình 2.12 Phối hợp trở kháng dây chêm đôi Hình 3.1 Layout Transistor SPF-2086 Hình 3.2 Hệ số khuếch đại Transistor SPF-2086 Hình 3.3 Bảng tham số S-Parameter Trans SPF-2086 Hình 3.4 Biểu diễn Hình 3.5 Sơ đồ mạch khuếch đại Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối vào Hình 3.7 Kết mô mạch phối hợp trở kháng lối vào Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối Hình 3.9 Kết mô mạch phối hợp trở kháng lối vào Hình 3.10 , ADS Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA băng S hoàn chỉnh Hình 3.11 Kết mô mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA băng S Hình 3.12 Công cụ LineCalc Hình 3.13 Layout mạch khuếch đại LNA băng S Hình 3.14 Mạch thực tế khuếch đại LNA băng S Hình 3.15 Sơ đồ đo dùng máy phân tích phổ RONDE&SCHWARZ Hình 3.16 Hình 3.17 Mạch lắp ráp đo thử nghiệm máy RONDE&SCHWARZ Kết đo sử dụng máy phân tích phổ 2.9 GHz phân tích phổ Hình 3.18 Kết đo sử dụng máy phân tích phổ GHz Hình 3.19 Sơ đồ đo dùng máy phân tích mạng Advantest R3765CG Hình 3.20 Mạch lắp ráp đo thử nghiệm máy phân mạng Advantest R3765CG Hình 3.21 Kết đo sử dụng máy phân tích mạng 2,9 GHz Hình 3.22 Kết đo sử dụng máy phân tích mạng GHz Hình 3.23 Kết đo sử dụng máy phân tích mạng 3,1 GHz LỜI MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong Chiến tranh Việt Nam, hệ thống Radar P37 Việt Nam đƣợc trang bị đại với loại khí tài có nguồn gốc từ Liên Xô Hệ thống radar cảnh giới dẫn đƣờng cho không quân kết hợp với hệ thống tên lửa phòng không không quân tiêm kích Tuy bị hẳn kinh nghiệm chiến thuật, nhƣng binh chủng Radar nói riêng đơn vị phòng không -không quân chiến đấu sáng tạo, vô hiệu hóa đƣợc thủ thuật chiến tranh điện tử chống trả liệt với Không quân Hải quân Hoa Kỳ Hệ thống Radar cảnh giới đƣợc phân bố dọc bờ biển miền bắc phủ sóng tầm trung tầm thấp, nhƣ đƣợc trang bị cho trạm cảnh giới đồng cho trạm điều khiển hỏa lực hoạt động thƣờng xuyên 24/24, phủ sóng gần nhƣ toàn miền Bắc lúc Hiện nay, radar cảnh giới không đƣợc phối hợp tác chiến lực lƣợng phòng không-không quân, radar cảnh giới bờ biển phối hợp với binh chủng tên lửa-pháo bờ biển Radar P37 đóng vai trò quan trọng việc cảnh giới tầm trung hỗ trợ cảnh giới tầm thấp, đồng thời làm nhiệm vụ dẫn đƣờng cho không quân công mục tiêu bay nhƣ hỗ trợ điều phối hạ cánh sân bay Radar hỗ trợ tích cực cho bảo vệ miền bắc suốt 12 ngày đêm cuối năm 1972 Chiến dịch Điện Biên Phủ không Còn nhiều chiến công khác có đóng góp không nhỏ Radar cảnh giới dẫn đƣờng suốt chiến tranh Việt Nam Từ phân tích ta thấy đƣợc tầm quan trọng Radar cảnh giới dẫn đƣờng P37 Tuy nhiên radar P37 đƣợc Liên xô cũ trang bị xuống cấp đồng Trong tuyến thu siêu cao tần băng S gây ảnh hƣởng trực tiếp tới khả phát mục tiêu suy giảm độ nhạy Tuyến thu siêu cao tần Radar P37 làm việc dải sóng centimet ( băng tần S với tần số từ 2.9GHz tới 3.1 GHz) Tầng khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp sử dụng đèn sóng chạy để đảm bảo giảm tạp âm cho tuyến thu cung cấp hệ số khuếch đại lớn (G ≥ 28 dB với hệ số tạp NF ≤ dB) Ngoài khuếch đại dùng đèn sóng chạy có tính đặc biệt tín hiệu vào lớn đèn sóng chạy có tính nhƣ suy giảm, nén tín hiệu 40dB tính quan trọng để bảo vệ máy thu bán dẫn Đối với radar tín hiệu phát thu sử dụng anten qua chuyển mạch thu – phát Chuyển mạch thu phát đóng máy thu dẫn tín hiệu phát công suất lớn anten Khi thu chuyển mạch thu phát đóng máy phát nối anten tới đầu vào khuếch đại tạp âm thấp máy thu Tuy nhiên chuyển mạch thu phát chế độ phát công suất lớn không đóng kín lý tƣởng nên công suất phát lọt vào máy thu lớn Nếu sử dụng đèn sóng chạy hoàn toàn không ảnh hƣởng Hiện để trì đài radar P37 hệ cũ nhƣng đóng vai trò chủ công hệ thống cảnh giới dẫn đƣờng, công tác đảm bảo vật tƣ thay nhiệm vụ quan trọng Các đèn sóng chạy đƣợc thay khuếch đại tạp âm thấp (LNA) Các LNA bán dẫn với công nghệ CMOS hoàn toàn đáp ứng hệ số khuếch đại, ƣu việt hệ số tạp âm thấp (NF), có dải động cao Tuy nhiên đèn bán dẫn cần bổ sung khả bảo vệ xung lọt từ máy phát sang máy thu Để sử dụng đèn bán dẫn LNA cần lắp thêm hạn chế công suất lọt chuyển mạch anten LNA Sơ đồ chức cho LNA thay đèn sóng chạy đƣợc mô tả nhƣ sau: Triển khai nghiên cứu thiết kế chế tạo LNA kết hợp với hạn chế công suất lọt, bảo vệ nội dung nhằm thay đèn sóng chạy nội dung có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Luận văn tập trung nghiên cứu với đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo khuyếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) băng tần S dùng cho radar cảnh giới dẫn đường P37” MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Vận dụng kiến thức kỹ thuật phối hợp trở kháng, giải pháp kỹ thuật nhằm hạn chế tạp âm, lựa chọn linh kiện với công nghệ CMOS có hệ số tạp âm thấp băng tần S để thiết kế chế tạo khuyếch đại tạp âm thấp siêu cao tần dùng máy thu radar Với Radar P37, dải tần hoạt động 2,9 – 3,1 GHz Có nhiều phƣơng pháp phối hợp trở kháng khác nhau, thông qua mô , triển khai thực nghiệm tối ƣu hóa để tìm phƣơng pháp tốt PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để thực chuyên đề trên, phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng gồm:  Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phƣơng pháp phân tích tổng hợp lý thuyết, cập nhật xử lý tài liệu liên quan thiết kế mạch điện siêu cao tần, nghiên cứu phần mềm mô mạch siêu cao tần ADS 2009  Phƣơng pháp mô phỏng: Trên sở thiết kế có thực mô phần mềm chuyên dụng ADS, sau đạt tiêu kỹ thuật tiến hành chế tạo thử nghiệm mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng S  Triển khai thực nghiệm để tìm kiểm chứng kết thiết kế mô khuếch đại tạp âm thấp chế tạo sở hoàn thiện thiết kế khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng S dùng cho radar cảnh giới dẫn đƣờng P37 với thông số hệ số khuếch đại (Gain), hệ số tạp NF, tìm giải pháp phối hợp trở kháng tốt để giảm tạp âm với khuếch đại dải rộng NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4.1 Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu cấu trúc tuyến thu kỹ thuật sử dụng Radar P37 - Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng kỹ thuật siêu cao tần - Nghiên cứu phần mềm mô ADS transistor SPF 2086 4.2 Thiết kế hệ thống - Thiết kế mô khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng S 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bạch Gia Dƣơng, Trƣờng Vũ Bằng Giang, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB ĐHQGHN [2] Kiều Khắc Lâu, Cơ Sở Kỹ Thuật Siêu Cao Tần, NXB Giáo Dục Tiếng Anh [1] David M.Pozar, RFID AT ULTRA AND SUPER HIGH FREQUENCIES, Roderick Riesco, MA, Member of the Institute of Translation and Interpre ting, UK [2] Merrill I.Skolnik, RADAR HANDBOOK, Mc Graw Hill [3] W Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc [4] David M Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc 11