Nghiên cứu, thiết kế chế tạo Module khuếch đại công suất dùng trong máy phát Radar dải sóng dm(820-900Mhz)

Nghiờn cu, thit k ch to Module khuch i cụng sut dựng mỏy phỏt Radar di súng dm(820-900Mhz) Ngụ Vn Thng Trng i hc Khoa hc T nhiờn, Khoa Vt lý Lun ThS Chuyờn ngnh: Vt lý vụ tuyn v in t; Mó s: 60 44 03 Ngi hng dn: PGS TS Bch Gia Dng Nm bo v: 2011 Abstract: Trỡnh by nguyờn lý hot ng ca cỏc i radar hot ng di súng dm Tỡm hiu v k thut thu phỏt siờu cao tn Nghiờn cu sõu v k thut phi hp tr khỏng v ch to thnh cụng mt module khuych i cụng sut 80W, hot ng di tn 820Mhz 900Mhz, h s khuych i l 17dB ỏnh giỏ kt qu ó t c v a hng nghiờn cu phỏt trin tip Keywords: Vt lý vụ tuyn; Di súng; Rada; Modun Content Bo v ch quyn quc gia l mt nhim v c bit quan trng i vi mi dõn tc c thi chin ln thi bỡnh H thng cỏc i radar quõn s ó v ang gúp phn quan trng cụng cuc bo v ton lónh th thiờng liờng ca t quc i radar l mt h thng rt phc t vic tỡm hiu nguyờn lý hot ng cho n thit k, xõy dng v ch to Trong h thng ny thỡ phn mỏy phỏt cụng sut ln ó v ang c cỏc nh khoa hc v ngoi nc c bit quan tõm Do vy vic tỡm hiu nguyờn lý hot ng, tng bc lm ch cụng ngh ch to mỏy phỏt cụng sut ln ang l mt nhng nhim v cn thit ca cỏc nh khoa hc Vit Nam Trong khuụn kh lun ny, tụi ó nghiờn cu, thit k v ch to thnh cụng c modul khuych i cụng sut li 80W, õy l mt nhng module c bn kt hp vi cỏc tng module kớch cụng sut khỏc cu thnh nờn mỏy phỏt cụng sut ln cỏc i radar hot ng di súng dm Lun gm chng: Chng Tng quan v h thng Radar Chng K thut thu phỏt siờu cao tn Chng Thit k ch to mch khuch i cụng sut siờu cao tn CHNG TNG QUAN V H THNG RADAR Lch s phỏt trin ca Radar T xa xa, to húa ó ban cho chỳng ta nhng c mỏy radar kỡ diu Ch ỳ di phỏt súng siờu õm t mi, nhn ting vng ti hai ng -ten hai tai, qua ú phõn tớch tỡm kim v nh v mi Nhng ngy u tiờn thớ nghim v khỏm phỏ ca ngi Nm 1887, nh vt lý c Heinrich Hertz ln u tiờn ó to súng vụ tuyn phũng thớ nghim Cỏc súng ny cú th truyn qua hoc phn x bi cỏc loi vt liu khỏc Vi cng hin tuyt vi ny, Hertz c nhõn loi tụn vinh v ly tờn ụng lm n v tn s súng vụ tuyn Nm 1937, Sir Robert Watson-Watt thnh cụng vic to mt h thng cho phộp phỏt hin mỏy bay nộm bom t khong cỏch ln hn 150 km V ụng c coi l ngi phỏt minh h thng radar hon chnh Trong chin tranh th gii ln th Trong nhng nm ỏc lit ca chin tranh, Liờn-xụ ó cho i hng lot cỏc i radar vi nhiu chin thut khỏc nhau, nõng cao kh nng chin u cho quõn i v ó gúp phn vo thng li chung ca Hng quõn Liờn -xụ Thi bỡnh Hin radar bt u c s dng giỏm sỏt giao thụng trờn xa l, giỳp cỏc nh hoch nh bit c s xe, tỡnh trng tc nghn, tc trung bỡnh v thm l kớch c xe trờn ng tin cy v kh nng ''nhỡn'' ca radar mi diu kin thi tit lm cho nú tr thnh mt cụng c thay th hp dn hn i vi camera Phõn loi cỏc i radar Mc ớch ca vic phõn loi l chia hp cỏc i radar thnh tng nhúm cú nhng du hiu chung, khụng ph thuc vo tớnh a dng ca cỏc gii phỏp k thut v kt cu tng i radar S mỏy phỏt radar Power Amplifier Waveform Generator Upconversion Control & Power Dislay Clocks & Local Osillators Signal & data processing Duplexer Antena Possitioning System Dowconversion Low noise Amplifier Hỡnh 1.2 S h thng radar Anten Khi chuyn mch song cụng (Duplexer) Khi to súng Waveform Generator Khi dao ng Local Osillators Khi trn tn(Mixer) Khi khuch i cụng sut (Power Amplifier) Khi khuch i õm thp(Low Noise Amplifier) Khi iu khin x lý tớn hiu (Signal Processing/Data Processing/Control Subsysttụis) Khi iu khin anten (Antenna Positioning Systtụi) Khi ngun(Power Systtụi) Khi hin th (display) CHNG K THUT THU PHT SIấU CAO TN Gii thiu chung Thut ng viba hay súng siờu cao tn (microwaves) l ch nhng súng in t cú bc súng rt nh, ng vi phm vi tn s rt cao ca ph tn s vụ tuyn in Thit k mch khuch i cụng sut k thut siờu cao tn Khi nghiờn cu ng truyn i vi cỏc tớn hiu tn thp, ta thng coi cỏc ng dõy ni(hay ng truyn) l ngn mch iu ny ch ỳng kớch thc ca mch l nh hn bc súng ca tớn hiu Cũn i vi tớn hiu cao tn v c bit i vi tớn hiu siờu cao thỡ ta phi cú nhng nghiờn cu c bit v ng truyn 2.1 Mụ hỡnh tng ng tham s trung ca ng truyn Hỡnh 2.1 Dõy dn song song v s tng ng 2.2 Phng trỡnh súng v nghim p dng nh lut Kirchhoff, ta cú th vit cỏc h thc sau õy i vi in ỏp v dũng in trờn on mch, ti cỏc thi im t: 2V ( z ) ( ZY )V ( z ) z I ( z) ( ZY ) I ( z ) z (2.9) Phng trỡnh (2.9) h phng trỡnh vi phõn bc ca V v I cho phộp tớnh V, I ti cỏc im bt k trờn ng dõy bit cỏc thụng s Z, Y ca ng dõy v cỏc iu kin biờn Truyn súng trờn ng dõy Nghim ca phng trỡnh vi phõn Nghim ca phng trỡnh vi phõn (2.9) I V0 V ; I Z0 Z0 (2.14) Trong ú Z0 R iL G iC (2.15) T (2.14) cú th vit: Z0 V0 V0 I I (2.16) Nu vit di dng hm lng giỏc, ta cú biu thc ca súng in ỏp trờn ng dõy: V ( z, t ) V0 cos(t z )ez V0 cos(t z )ez (2.17) i vi trng hp ng truyn khụng gõy tn hao thỡ: Z0 L l i lng thc C Thit k b khuch i siờu cao tn s dng ma trn tỏn x [S] Vic thit k mt b khuch i cao tn thng theo nhng mc ớch sau: - H s khuch i cụng sut cc i - Tng u tiờn cú noise figure nh iu ny yờu cu tr khỏng ngun z s c th Giỏ tr z s ti u cho noise figure thp nht c cho bi cỏc nh sn xut transistor - H s khuch i n nh, ngha l khụng cú dao ng - H s khuch i thớch hp v ng u trờn mt khong bng tn nht nh - ỏp ng pha l hm tuyn tớnh theo w (khụng mộo, ch cú tr nhúm) - Khụng nhy vi nhng thay i nh ca cỏc tham s S ij Cỏc tham s tỏn x ca mng hai cng Khỏi nim in ỏp ti v in ỏp phn x v cỏc tham s ca dũng in cú th c lm rừ bi mng mt cng c minh trờn hỡnh 2.2 Ir I Ii ZS Vi V Z VS Vr Hỡnh 2.2 S tng ng mng mt cng H s chun húa ca tớn hiu li vo a c nh ngha l cn bc hai ca cụng sut li vo P i c cho bi biu thc sau: a V ZS I Re Z S (2.38) Tng t, h s chun húa ca tớn hiu phn x b c nh ngha l cn bc hai ca cụng sut phn x cho bi biu thc: b Pr Vr Re Z S (2.31) ZS in ỏp V v dũng in I cú mi liờn h vi a v b nh sau: Z S* V Vi Vr I Ii I r Re Z S a ZS Re Z S b (2.36) 1 a b Re Z S Re Z S (2.37) Trong ú: T s gia tớn hiu chun húa phn x v tớn hiu chun húa li vo c gi l h s phn x c nh ngha bi: b V Z S* I V Z S I Z Z S a V ZS I V ZS I Z ZS ZS VS a1 I1 (2.39) vi Z= V/I I2 S V1 a2 ZL V2 VL b2 b1 Hỡnh 2.3 S tng ng mng hai cng s11 s12 b1 a1 b1 a2 s21 a2 s22 a1 b2 a1 b1 a2 (2.45) a2 (2.46) a1 Trong ú s 11 l h s súng phn x ti cng vo ngoi cng c phi hp tr khỏng V s 21 l h s truyn t cng vo ti cng cng c phi hp tr khỏng Mt s phng phỏp phi hp tr khỏng c bn Z0 Mạch phối hợp trở kháng Tải ZL Hỡnh 2.4 S phi hp tr khỏng c bn Mch phi hp tr khỏng l phn quan trng ca mt mch siờu cao tn vỡ nhng lý sau: - Khi ngun v ti c phi hp tr khỏng vi ng truyn, nng lng ti a t ngun s c truyn n ti cũn nng lng tn hao trờn ng truyn l nh nht - Phi hp tr khỏng s giỳp ci thin t s tớn hiu/tp nhiu ca h thng khỏc h thng s dng cỏc phn t nhy cm nh anten, b khuch i õm thp v.v 2.6.1 Phi hp tr khỏng dựng cỏc phn t trung 2.6.2 Phi hp tr khỏng dựng mt dõy nhỏnh 2.6.3 Phi hp tr khỏng dựng hai dõy nhỏnh 2.6.4 Phi hp tr khỏng bng don dõy lamda/4 2.6.5 Phi hp tr khỏng bng on dõy cú chiu di bt k 2.6.6 Phi hp tr khỏng bng on dõy mc ni tip CHNG THIT K CH TO MCH KHUCH I CễNG SUT SIấU CAO TN to mỏy phỏt radar th h mi di súng 820Mhz 900 Mhz, vi cụng sut l 10KW xung, phng ỏn xut l cng cụng sut ca nhiu module cụng sut nh hn to cụng sut ln +10db 17db Bộ cộng cầu Winkinson Tín hiệu vào Bộ chia cầu Wilkinson 22db Tầng kích 22db Tín hiệu 80W 17db Hỡnh 3.1 B t hp cụng sut ti lun Thit k, mụ phng, ch to b khuch i cụng sut dựng Transistor PTFA092201E Mụ phng kt qu tớnh toỏn phi hp tr khỏng Hỡnh 3.3 Mch phi hp tr khỏng u vo Hỡnh 3.4 Mch phi hp u Hỡnh 3.5: Kt qu mụ phng phi hp tr khỏng u vo Hỡnh 3.6: Kt qu mụ phng phi hp tr khỏng u Hỡnh 3.7 Mch ch to Kt qu o Hỡnh 3.13.oỏt k ch 80W tớn hiu u vo 9dbm ỏnh giỏ n nh ca b khuch i, tụi tin hnh kho sỏt di thụng t 802Mhz-900Mhz Kt qu thu c nh sau: Hỡnh 3.14 Ph tn s 820Mhz Bng 2: Kho sỏt di thụng Tn s (Mhz) Cụng sut vo(dBm) Cụng sut ra(dBm) H s khuych i(dB) 800 -30 -17.54 12.46 810 -30 -16.04 13.96 820 -30 -16.25 13.75 830 -30 -15.05 14.95 840 -30 -14.42 15.58 850 -30 -15.10 16.9 860 -30 -14.45 15.55 870 -30 -15.48 14.52 880 -30 -15.68 14.32 890 -30 -16.06 13.94 900 -30 -16.12 13.88 910 -30 -17.96 12.04 18 16 14 dbm 12 10 Series1 780 800 820 840 860 880 900 920 Mhz Hỡnh 3.20 Gin di thụng ca b khuch i cụng sut KT LUN Lun ó tỡm hiu mt cỏch tng quan v hot ng ca mỏy phỏt radar th h mi hot ng di súng dm T c s lý thuyt v k thut siờu cao tn, kt hp vi mụ phng v tớnh toỏn Kt qa lun ó ch to c mt module khuch i cụng sut u 80W hot ng di tn t 820Mhz 900Mhz vi n nh cao Tuy mi ch t c nhng kt qu cũn rt khiờm tn nhng õy l bc u quan trng tụi cú thờm t tin tỡm hiu v nghiờn cu v ng dng lnh vc siờu cao tn Tip tc nghiờn cu cỏc gii phỏp thit k nõng cao cụng sut cho cỏc module khuch i cú cụng sut li ln hn 100W References Ting Vit: [1] GS.TSKH Phan Anh(2009) Giỏo trỡnh lý thuyt v k thut siờu cao tn, B mụn Thụng tin vụ tuyn, Khoa in t - Vin thụng, Trng i Hc Cụng Ngh [2] GS.TSKH Phan Anh(2009) Trng in t v truyn súng, NXB i Hc Quc Gia H Ni, H Ni [3] Ths V Tun Anh(2009) Lun cao hc, Trung tõm nghiờn cu in t - Vin thụng, Trng i Hc Cụng Ngh [4] Giỏo trỡnh cụng ngh thụng tin v tinh(2004), Tp on bu chớnh vin thụng [5] PGS.TS Hong Th Tu(2002), C s xõy dng i radar cnh gii, NXB quõn i nhõn dõn [6] Phm Minh Vit(2004) K thut siờu cao tn, NXB Khoa hc k thut, H Ni Ting Anh: [7] David M.Pozar, Microwave engineering, John Wiley & Sons, Inc [8] Guillermo Gonzalez, Microwave transistor amplifiers, Prentice Hall [9] W Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc [10] Kai chang, Encyclopedia of RF and Microwave Enginneering, John Wiley & Sons, Inc V mt s ti liu, bỏo , khỏc trờn mng internet