Thiết kế khối bảo vệ kênh thu RA ĐA

Thiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐAThiết kế khối bảo vệ kênh thu RAĐA

NGUYỄN HOÀNG DƯƠNG

THIẾT KẾ KHỐI BẢO VỆ KÊNH THU RA-ĐA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN HOÀNG DƯƠNG

THIẾT KẾ KHỐI BẢO VỆ KÊNH THU RA-ĐA

Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên những tạp chí

và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quyđịnh cho lời cam đoan của mình

Tác giả luận văn

Nguyễn Hoàng Dương

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn này, tôi đã nhận được sựhướng dẫn, giúp đỡ quý báu của gia đình, của thầy cô, các anh chị, các em và cácbạn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chânthành tới:

Ban giám đốc Học viện, các thầy cô giảng dạy và làm việc tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn Phó giáo sư Tiến sĩ Lê Nhật Thăng, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị và các em đã ở bên cạnh động viên,tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt qua trình học tập, nghiên cứu và hoàn thànhluận văn cao học

Tác giả luận văn

Nguyễn Hoàng Dương

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH BẢNG vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TUYẾN THU PHÁT ĐÀI RA-ĐA 5

1.1 Tổng quan về ra-đa 5

1.1.1 Khái niệm ra-đa 5

1.1.2 Phương trình ra-đa 10

1.2 Tuyến thu/phát đài ra-đa 12

1.2.1 Tuyến phát đài ra-đa 12

1.2.2 Tuyến thu đài ra-đa 17

1.3 Vai trò của khối bảo vệ trong tuyến thu ra-đa 20

1.4 Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KHỐI BẢO VỆ KÊNH THU 23

2.1 Giới thiệu chung về khối bảo vệ kênh thu 23

2.1.1 Bộ chuyển mạch thu/phát trong ra-đa 23

2.1.2 Đặc tính của khối bảo vệ kênh thu 27

2.2 Phân loại và so sánh các công nghệ bảo vệ máy thu 31

2.2.1 Phân loại các công nghệ bảo vệ kênh thu 31

2.2.2 So sánh các công nghệ bảo vệ kênh thu 37

2.3 Công nghệ bảo vệ kênh thu dùng đi-ốt 38

2.3.1 Cấu tạo của đi-ốt bảo vệ 38

2.3.2 Các tham số của đi-ốt bảo vệ 42

2.3.3 Mạch bảo vệ máy thu dùng đi-ốt 43

2.4 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ THỬ KHỐI BẢO VỆ MÁY THU 47

3.1 Tham số thiết kế khối bảo vệ kênh thu 47

3.2 Thiết kế và chế thử khối bảo vệ kênh thu 49

3.2.1 Mô phỏng mạch bảo vệ kênh thu dùng đi-ốt 49

3.2.2 Mô phỏng mạch lọc thông dải 55

3.2.3 Mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp 61

3.3 Đo kiểm và hiệu chỉnh khối bảo vệ kênh thu 66

3.4 Đánh giá ứng dụng khối bảo vệ kênh thu 72

3.5 Kết luận chương 3 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

tử

Modulation/Continuous Wave Dạng xung liên tục điều tần

Minority Carrier Lifetime Thời gian tồn tại của các hạt

dẫn thiểu số MTI Moving Target Indication Radar Ra-đa chỉ thị mục tiêu

Pre TR tube Pre Transmit Receive Tube Ống tiền thu/phát

SSPA Solid State Power Amplifier Khuếch đại công suất bán dẫn

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1: Ưu nhược điểm các loại đèn phát công suất 13

Bảng 1.2: Các tham số chính của hệ thống phát đài ra-đa 16

Bảng 1.3: Các tham số chính của hệ thống thu đài ra-đa 20

Bảng 2.1: So sánh các công nghệ bảo vệ kênh thu 37

Bảng 3.1: Bảng tham số thiết kế khối bảo vệ kênh thu 48

Bảng 3.2: Tham số đi-ốt sử dụng 49

Bảng 3.3: Số bậc của bộ lọc và các giá trị chuẩn hóa của bộ lọc Chebyshev 57

Bảng 3.4: Giá trị trở kháng lẻ và chẵn của mạch lọc thông dải 59

Bảng 3.5: Kích thước đường mạch vi dải 60

Bảng 3.6: Tham số IC khuếch đại tạp âm thấp 62

Bảng 3.7: Kết quả đo công suất chịu đựng khối bảo vệ kênh thu 71

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống ra-đa 6

Hình 1.2: Cấu tạo đèn Magnetron 14

Hình 1.3: Cấu tạo đèn Klystron 15

Hình 1.4: Cấu tạo đèn sóng chạy 15

Hình 1.5: Mô hình khuếch đại công suất SSPA 16

Hình 1.6: Sơ đồ khối tuyến thu đài ra-đa 18

Hình 1.7: Vị trí khối bảo vệ kênh thu 21

Hình 2.1: Cấu tạo bộ chuyển mạch nhánh 24

Hình 2.2: Cấu tạo bộ chuyển mạch cân bằng 25

Hình 2.3: Cấu tạo bộ chuyển mạch vòng 26

Hình 2.4: Các tín hiệu công suất cao vào khối bảo vệ 28

Hình 2.5 Dạng tín hiệu đầu vào/đầu ra khối bảo vệ máy thu 30

Hình 2.6: Thời gian phục hồi của khối bảo vệ kênh thu 31

Hình 2.7: Cấu tao ống thu/phát 32

Hình 2.8: Cấu tạo ống tiền thu/phát 34

Hình 2.9: Cấu tạo khối bảo vệ dùng ferit 35

Hình 2.10: Cấu tạo khối bảo vệ Multipactor 36

Hình 2.11: Mạch bảo vệ kênh thu dùng đi-ốt một tầng 38

Hình 2.12: Đặc tuyến đầu vào/đầu ra của mạch bảo vệ dùng đi-ốt một tầng 39

Hình 2.13: Cấu tạo của một đi-ốt bảo vệ 40

Hình 2.14: Mạch bảo vệ kênh thu đi-ốt hai tầng 45

Hình 3.1: Sơ đồ khối khối bảo vệ kênh thu 47

Hình 3.2: Mạch bảo vệ kênh thu dùng đi-ốt 2 tầng 49

Hình 3.3: Cấu trúc đường mạch vi dải 50

Hình 3.4: Công cụ Linecalc để tính đường mạch vi dải 51

Hình 3.5: Tham số đường truyền cao tần 52

Hình 3.6: Mô phỏng mạch bảo vệ kênh thu dùng đi-ốt 52

Hình 3.7: Công cụ mô phỏng OPTIM của ADS 53

Hình 3.8: Kết quả mô phỏng mạch bảo vệ kênh thu dùng đi-ốt 54

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý và layout mạch bảo vệ kênh thu dùng đi-ốt 55

Hình 3.10: Bản vẽ 3D mạch mạch bảo vệ kênh thu dùng đi-ốt 55

Hình 3.11: Mô phỏng mạch lọc bằng linh kiện tập trung 58

Hình 3.12: Kết quả mô phỏng mạch lọc bằng phần tử tập trung 58

Hình 3.13: Mô hình bộ lọc thông dải sử dụng cấu trúc lọc bậc thang 59

Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý và layout mạch lọc thông dải 60

Hình 3.15: Kết quả mô phỏng mạch lọc thông dải 61

Hình 3.16: Mạch cấp nguồn và phân cực cho IC khuếch đại tạp âm thấp 63

Hình 3.17: Kết quả mô phỏng hệ số ổn định của hệ thống 64

Hình 3.18: Mạch phối hợp trở kháng vào/ra cho IC 64

Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất tạp âm thấp 65

Hình 3.20: Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp 65

Hình 3.21: Sơ đồ layout mạch khuếch đại tạp âm thấp 66

Hình 3.22: Bản vẽ 3D mạch khuếch đại tạp âm thấp 66

Hình 3.23: Mạch bảo vệ kênh thu dùng đi-ốt thực tế 67

Hình 3.24: Mạch lọc thông dải thực tế 67

Hình 3.25: Mạch khuếch đại tạp âm thấp thực tế 67

Hình 3.26: Khối bảo vệ kênh thu thực tế 68

Hình 3.27: Bộ hiệu chỉnh và máy phân tích phổ ZNB20 68

Hình 3.28: Thiết lập đo tham số khối bảo vệ kênh thu 68

Hình 3.29: Kết quả đo mạch bảo vệ kênh thu dùng đi-ốt 69

Hình 3.30: Kết quả đo mạch lọc thông dải 69

Hình 3.31: Kết quả đo mạch khuếch đại tạp âm thấp 70

Hình 3.32: Thiết lập đo độ chịu đựng công suất cao (>50 dBm) 71

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, cho phép ra-đa hiện đại có khả năng phát hiện được cả các mục tiêu rất nhỏ như hạt mưa hay các loại khoáng sản ẩn dưới vỏ trái đất Các mục tiêu này thường có tín hiêu phản hồi về ra-

đa rất thấp, để xử lý các tín hiệu này ra-đa sử dụng các linh kiện bán dẫn có độ nhạy cao, nhưng các linh kiện này có ngưỡng công suất đầu vào tối đa nhỏ, dễ bị hỏng khi bị một tín hiệu tới không mong muốn có công suất vượt ngưỡng chịu đựng của linh kiện

Ngoài ra do tuyến thu/phát ra-đa sử dụng chung một ăng-ten, và tín hiệu xung phát đi của đài ra-đa có thể đạt đến vài nghìn W cho đến vài triệu W [4] Hầu hết các tuyến thu/phát đài ra-đa dùng một hoặc nhiều khối chuyển mạch vòng để cách ly tuyến thu và phát, tránh tình trạng tín hiệu phát đi qua tuyến thu, tuy nhiên tuyến thu ra-đa lại không có thiết bị bảo vệ nào từ ăng-ten trở về, trong trường hợp hiện tượng mất phối hợp trở kháng tại ăng ten có thể làm một lượng lớn công suất tín hiệu phát bị phản hồi thẳng về tuyến thu, điều này có thể làm hỏng thâm chí gây cháy nổ thiết bị [2] Xuất phát từ nhu cầu công việc cùng với kinh nghiệm nhiều năm trong công nghệ cao tần, tôi đã làm luận văn tốt nghiệp đề tài “Thiết kế khối bảo vệ kênh thu ra-đa”

Khối bảo vệ kênh thu có hai chức năng chính: loại bỏ tín hiệu nằm ngoài dải tần hoạt động và tín hiệu công suất lớn không mong muốn Vai trò của khối bảo vệ

kênh thu ngày càng trở nên quan trọng với công nghiệp ra-đa hiện đại [3]

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu:

RADAR là tên viết tắt RAdio Detection And Ranging (dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến) hoặc Radio Angle Detection And Ranging (dò tìm và định vị góc bằng sóng vô tuyến) được hải quân Hoa Kỳ đặt cho hệ thống phát hiện mục tiêu

từ xa bằng sóng vô tuyến phát triển trong giai đoạn thế chiến thứ 2 Lịch sử của

ra-đa đã bắt nguồn trước cả thế kỷ XX khi nhà khoa học Đức Heinrich Hertz phát hiện

ra sóng vô tuyến có thể phản hồi lại khi va chạm với vật chất rắn [2] Hệ thống ra-đa đầu tiên được phát minh bởi nhà vật lý Robert Watson-Watt vào năm 1939 tại

Vương Quốc Anh [6] Tuy nhiên phải đến năm 1940, khi bộ ra-đa dùng một ăng-ten được phát minh ở Phòng Thí Nghiệm Ra-đa, Viện Công Nghệ Massachusetts Khối bảo vệ kênh thu đầu tiên mới được ra đời Từ đó đến nay đã có những thay đổi đáng

kể trong công nghệ thiết kế khối bảo vệ kênh thu Dưới đây là một số nghiên cứu về khối bảo vệ kênh thu trên thế giới:

Trong [1] đã cập nhật các hướng nghiên cứu của công nghệ bảo vệ kênh thu đến năm 1997, đặc biệt là sau năm 1970 việc sử dụng nén xung làm cho xung tín hiệu phát ra-đa có độ rộng xung dài hơn và chu kỳ làm việc lớn hơn nhiều so với tín hiệu phát trước đây Việc này có tác động mạnh tới công nghệ khối bảo vệ kênh thu,

vì các khối bảo vệ kênh thu giờ đòi hỏi phải có tốc độ phục hồi nhanh hơn nhiều so với trước đây, trong đó ứng dụng đi-ốt bảo vệ là một công nghệ mới và được nghiên cứu do các ưu điểm như: tốc độ phục hồi nhanh, kích thước nhỏ gọn, tuổi thọ linh kiện dài không giống các công nghệ trước đây đều có tuổi thọ ngắn, phải định kỳ thay mới Tuy nhiên tại thời điểm này công suất chịu đựng của các đi-ốt này còn chưa cao và thiết kế tương đối phức tạp dẫn đến việc ứng dụng chưa thực tiễn

Trong [6], tác giả đã đơn giản hóa một thiết kế khối bảo vệ kênh thu dùng

đi-ốt Tuy nhiên thiết kế này mới dừng ở bước mô phỏng chưa có kiểm nghiệm thực

tế Ngoài ra công suất chịu đựng của đi-ốt bảo vệ vẫn còn thấp dẫn đến việc phải dùng kết hợp cùng công nghệ bảo vệ khác

Trong các nghiên cứu mới hơn trong [7], các đi-ốt bảo vệ đã có sự phát triển đáng kể Tác giả đã thiết kế và chế tạo 3 khối bảo vệ kênh thu hoạt động tại các băng L (1GHz), S (3GHz) và X (9GHz) với các kết quả rất khả quan Khối bảo vệ kênh thu băng tần L có thể chịu được tối đa công suất 1 kW (độ lấp đầy xung ~1%), thời gian phục hồi nhỏ hơn 1ns Ngoài ra các khối bảo vệ kênh thu này có kích thước nhỏ gọn, có các chức năng khác như chuyển mạch (Switching) hay điều khiển

độ nhạy theo thời gian – STC (Sensitivity Time Control) được thêm vào sản phẩm

Các nghiên cứu gần đây nhất [8-10], các công nghệ mới tập trung vào các phương án thiết kế cho khối bảo vệ kênh thu sử dụng đi-ốt tại các dải tần rất cao 12÷40 GHz

Luận văn tập trung vào việc thiết kế được một khối bảo vệ kênh thu sử dụng đi-ốt, chế thử một khối để đánh giá hiệu năng thực tế

3 Mục đích nghiên cứu:

 Thiết kế được một khối bảo vệ kênh thu

 Chế thử một khối bảo vệ kênh thu, đo kiểm và đánh giá hiệu năng của sản phẩm để chứng minh lý thuyết

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: Tuyến thu/phát của đài ra-đa trong đó tập trung vào

khối bảo vệ kênh thu

Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế và chế thử một khối bảo vệ kênh thu ra-đa,

tiến hành đo kiểm và đánh giá hiệu năng của sản phẩm chế thử Sản phẩm chế thử dùng để chứng minh lý thuyết

5 Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn sử dụng phương pháp lý thuyết Tổng hợp các tài liệu, bài báo làm cơ

sở cho quá trình nghiên cứu và thiết kế

Luận văn sử dụng phương pháp thực nghiệm: chế thử một khối bảo vệ kênh thu

để đo kiểm và đánh giá kết quả thực tế

II NỘI DUNG Chương 1: TUYẾN THU/PHÁT RA-ĐA

 Tổng quan về ra-đa

 Tuyến thu/phát đài ra-đa

 Vai trò khối bảo vệ trong tuyến thu ra-đa

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ KHỐI BẢO VỆ KÊNH THU

 Giới thiệu chung về khối bảo vệ kênh thu

 Phân loại và so sánh các công nghệ bảo vệ kênh thu

 Công nghệ bảo vệ kênh thu dùng đi-ốt

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ THỬ KHỐI BẢO VỆ KÊNH THU

 Tham số thiết kế khối bảo vệ kênh thu (công suất chịu đựng tối đa của khối, khả năng lọc tín hiệu ngoài dải của khối, suy hao của khối trong điều kiện bình thường…)

 Thiết kế và chế thử khối bảo vệ kênh thu

 Đo kiểm và hiệu chỉnh khối bảo vệ kênh thu

 Đánh giá ứng dụng của khối bảo vệ kênh thu

III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

 Kêt quả đạt được của luận văn

 Nhận xét, đánh giá khả năng ứng dụng

 Hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1: TUYẾN THU PHÁT ĐÀI RA-ĐA

1.1 Tổng quan về ra-đa

1.1.1 Khái niệm ra-đa

Ra-đa hoạt động bằng cách truyền các tín hiệu điện từ và phát hiện các phản hồi về khi sóng điện từ gặp các vật thể Tín hiệu phản hồi về cho ra-đa biết được các thông tin về mục tiêu, khoảng cách giữa mục tiêu và đài ra-đa đo bằng cách dựa vào thời gian tín hiệu truyền đi và phản hồi về Góc tà của mục tiêu dựa trên ăng ten định hướng Nếu mục tiêu di chuyển, ra-đa sẽ bám mục tiêu, lập quỹ đạo di chuyển

từ đó nội suy vị trí tiếp theo của mục tiêu Sự thay đổi trong tần số truyền về do hiệu ứng Doppler cho phép ra-đa tách thông tin tín hiệu mong muốn khỏi địa vật Với độ phân giải cao, ngoài thông tin về khoảng cách, vị trí, tốc độ, ra-đa còn có thể cho biết các thông tin về kích thước, loại mục tiêu Độ phân giải của ra-đa có thể tăng bằng cách tăng băng thông tín hiệu phát hoặc sử dụng ăng-ten có kích thước điện lớn

Ra-đa là một thiết bị tích cực nghĩa là ra-đa có nguồn phát tín hiệu riêng không cần phụ thuộc vào môi trường phản xạ như các cảm biển nhiệt và quang Ra-

đa có thể phát hiện mục tiêu kích thước nhỏ tại khoảng cách gần hoặc xa trong mọi điều kiện thời tiết, đây là thế mạnh chủ yếu của ra-đa so với các công nghệ cảm biến khác

Ra-đa sử dụng dải tần từ vài MHz cho đến vùng tần số quang (ra-đa la-ze) Công nghệ sử dụng trong ra-đa cho từng dải tần số có khác biệt lớn, tuy nhiên nguyên lý cơ bản vẫn được giữ nguyên [6]

Ra-đa ban đầu được thiết kế dựa trên nhu cầu quân sự Tuy nhiên ngày nay, ra-đa đã được ứng dụng nhiều cho các mục đích dân sự, kinh tế như chỉ hướng máy bay, tàu , hàng không vũ trụ; giám sát các hiện tượng thời tiết

Tín hiệu ra-đa thường là tín hiệu xung vuông ngắn lặp lại theo chu kỳ, tạo ra

từ khối phát và truyền ra môi trường bên ngoài bởi ăng ten Bộ chuyển mạch phát cho phép tuyến thu/phát dùng chung một ăng ten phân chia theo thời gian Tín hiệu truyền đi bị mục tiêu hấp thụ và phản hồi một phần về phía ra-đa Tín hiệu trả

thu-về này được hấp thu bởi ăng-ten và khuếch đại nhờ máy thu Nếu tín hiệu trả thu-về đủ lớn, mục tiêu được phát hiện Ra-đa xác định vị trí mục tiêu dựa trên khoảng cách

và góc tà, tuy nhiên dựa trên tín hiệu phản hồi về, ra-đa có thể cho biết thêm thông tin về bản chất của mục tiêu Trước đây, người sử dụng phải tự xác định thông tin của mục tiêu vì tín hiệu hiển thị trên màn ra-đa là tín hiệu tương tự, nhưng với sự phát triển của công nghệ xử lý số, tất cả các tín hiệu hiển thị trên ra-đa là tín hiệu

số, thông tin của mục tiêu được máy tính tự động xử lý.Tín hiệu ra-đa sau xử lý có thể dùng để định hướng tự động cho các hệ thống như tên lửa, máy bay

Cấu tạo của ra-đa được trình bày trong hình 1.1

Bộ chuyển mạch thu/

Bộ tách sóng

Khuếch đại tín hiệu video

Màn hì nh hiển thị

Ăng-ten

Bộ trộn

Bộ tạo dao động nội

Khuếch đại trung tần

Bộ lọc

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống ra-đa

 Khối phát là một bộ khuếch đại công suất như đèn Klystron, đèn sóng chạy hay bộ khuếch đại bán dẫn Đôi khi các bộ tạo dao động như Magnetron cũng được sử dụng làm khối phát, tuy nhiên công suất trung bình của Magnetron khá thấp so với các bộ khuếch đại khác, đặc biệt khi

so sánh với Klystron Xung tín hiệu phát được tạo ra trong trạng thái công suất thấp được xử lý để có dạng xung phức tạp như trong ra-đa chỉ thị mục tiêu MTI (Moving Target Indication Radar) hoặc ra-đa xung Doppler Magnetron được sử dụng khi hệ thống nhấn mạnh tính đơn giản

và cơ động [6] Công suất trung bình của ra-đa cảnh giới mục tiêu trên không cỡ khoảng vài kW Ra-đa tầm gần, công suất trung bình cỡ vài

mW Ra-đa cho mục tiêu vũ trụ có thể có công suất trung bình đến vài

MW Yêu cầu của khối phát không chỉ có thể tạo ra tín hiệu cao tần công suất cao, còn phải tạo ra tín hiệu có dạng xung ổn định, trên băng thông lớn, thời gian dài

 Khối chuyển mạch thu/phát: đóng vai trò như một chuyển mạch nhằm bảo vệ tuyến thu khỏi công suất do khối phát truyền đi trong chu kỳ phát Khi ra-đa thu tín hiệu phản hồi, khối chuyển mạch cho tín hiệu từ ăng-ten

đi vào tuyến thu

 Ăng-ten: tín hiệu từ khối phát truyền ra môi trường bên ngoài bằng ten định hướng và tập trung năng lượng phát trong búp sóng nhỏ, loại ăng-ten được dùng phổ biến là ăng-ten parabol và ăng ten mảng pha Các ăng ten ra-đa thường là ăng-ten định hướng búp sóng hẹp để tâp trung năng lượng vào mục tiêu và cho phép đo khoảng cách từ mục tiêu về ăng ten Độ rộng búp sóng ăng ten ra-đa phát hiện mục tiêu bay vào khoảng 1-2o Các ra-đa chuyên dụng cho cảnh giới và phát hiện thường dùng ăng ten đối xứng búp sóng bút chì, các ra-đa cảnh giới mặt đất thường dùng ăng-ten phản xạ xoay điều khiển bằng cơ khí để tạo búp sóng hình quạt,

ăng-có góc phương vị hẹp, góc tà lớn, các ra-đa trên không hoặc ra-đa 3D

(ra-đa sử dụng ăng ten quay cơ khí để đo góc phương vị, đồng thời quét điện

tử để quét góc tà, xác định độ cao của mục tiêu) thường dùng ăng-ten mảng pha Ăng-ten quay cơ khí đáp ứng yêu cầu của phần lớn ra-đa hiện nay Tuy nhiên, khi yêu cầu ra-đa có tốc độ quét nhanh và giá thành không là vấn đề, ăng-ten mảng pha quét điện tử được sử dụng, một chu

kỳ quay có thể diễn ra trong vài micro giây hoặc thấp hơn nếu cần thiết Kích thước của ăng-ten ra-đa phụ thuộc vào tần số, vị trí đặt đài ra-đa, điều kiện môi trường hoạt động Tần số hoạt động càng thấp, kích thước ăng-ten càng lớn vì kích thước điện của ăng-ten tỷ lệ thuận với bước sóng Trong dải UHF (Ultra High Frequency), ăng-ten thường có đường kính từ vài chục mét trở lên, tuy nhiên với các tần số cao hơn như băng

X, ăng ten có đường kính vài mét đã là tương đối lớn Hiện nay đã có các

ăng-ten có búp sóng nhỏ đến 0.05o, tuy nhiên, ít khi ra-đa sử dụng ten có búp sóng nhỏ hơn 0.2o [6]

ăng- Khối thu: tín hiệu từ ăng-ten truyền về khối thu Mục đích của khối thu là

để lọc tín hiệu mong muốn khỏi nhiễu và các nguồn phát xạ khác, khuếch đại tín hiệu lên mức yêu cầu Tại tần số cao, nhiễu sinh ra trong hệ thống thu thường do bản thân hệ thống thu, không còn là do nhiễu từ nguồn ngoài vào hệ thống Đầu vào của khối thu rất quan trọng, yêu cầu không tạo ra quá nhiều nhiễu cho hệ thống, làm ảnh hưởng đến tín hiệu thu về Một bộ khuếch đại tạp âm thấp thường được dùng ở đầu vào khối thu, hệ

số nhiễu của bộ này từ 1 đến 2 dB Máy thu với hệ số tạp thấp là bắt buộc với các ứng dụng dân sự, tuy nhiên điều này không phải bao giờ cũng đúng với ứng dụng quân sự [6] Trong môi trường nhiễu cao, máy thu có

hệ số tạp thấp dễ bị ảnh hưởng hơn máy thu có hệ số tạp cao Ngoài ra máy thu dùng bộ khuếch đại tạp âm thấp có thể làm giảm dải động máy thu Trong trường hợp này máy thu sẽ bỏ qua không dùng bộ khuếch đại tạp thấp thay bằng bộ trộn tín hiệu để hạ tần, hệ số nhiễu lớn của bộ trộn

có thể bù bởi công suất phát lớn Bộ trộn của máy thu đổi tần dùng để chuyển tần số cao tần về tần số trung tần Các bộ khuếch đại trung tần được sử dụng để tăng dải động hệ thống thu ngoài ra bộ khuếch đại trung tần còn đóng vai trò phối hợp trở kháng: tăng tối đa hệ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống thu Sau khi xử lý, tín hiệu đi qua bộ tách sóng nhằm loại bỏ tín hiệu mang trung tần, trích lấy tín hiệu đường bao, khi xử lý Doppler được sử dụng, bộ tách đường bao thay bằng bộ tách pha nhằm tách dịch tần Doppler Ngoài ra, trong khối thu còn cần có các bộ lọc để loại nhiễu địa vật, các tín hiệu không mong muốn sinh ra trong quá trình

xử lý Một mức công suất được đặt ra tại đầu ra khối thu, nếu tín hiệu đầu

ra khối thu chạm hoặc vượt qua ngưỡng này, tín hiệu được hiển thị lên màn hình còn ngược lại tín hiệu sẽ không hiển thị

 Xử lý tín hiệu: thực tế không có định nghĩa chính xác về quá trình xử lý tín hiệu trong ra-đa, quá trình thường được coi là quá trình nhằm loại bỏ

các tín hiệu nhiễu khỏi tín hiệu mong muốn Quá trình xử lý tín hiệu được thực hiện trước khi tín hiệu được quyết định có đạt ngưỡng phát hiện hay không Quá trình xử lý tín hiệu bao gồm bộ lọc số và bộ lọc Doppler (với ra-đa chỉ thị mục tiêu và ra-đa xung Doppler) Quá trình nén xung cũng thường được coi là một phần của xử lý tín hiệu

 Xử lý thông tin: là quá trình xử lý tiếp theo khi tín hiệu đầu ra khối thu đạt ngưỡng hiển thị Bao gồm các tính năng như tự động bám mục tiêu,

tự động nhận dạng mục tiêu Tự động bám mục tiêu sử dụng trong các

ra-đa có khả năng loại bỏ nhiễu địa vật cao, hệ thống xử lý thông tin chỉ phải

xử lý các tín hiệu mục tiêu không cần quan tâm đến nhiễu địa vât Khi

ra-đa không thể loại bỏ hết các nhiễu không mong muốn, ra-ra-đa cần có khả năng giữ tỷ lệ cảnh báo giả ở mức cố định, việc này thực hiện bằng bộ ổn định tỷ lệ cảnh báo giả CFAR (Constant False Alarm Rate) để quá trình bám mục tiêu không bị quá tải Một phương pháp phổ biên là bản đồ địa vật, đặt một mức công suất nhất định cho nhiễu và địa vật, tín hiệu không đạt mức này bị loại bỏ để hệ thống phân biệt được giữa nhiễu và tín hiệu thực tế Tuy nhiên việc này làm giảm khả năng phát hiện, giảm tỷ số tín trên tạp và độ phân giải ra-đa Trong trường hợp hệ thống ra-đa không cần bám nhiều mục tiêu đồng thời, bộ ổn định tỷ lệ cảnh báo giả là cần thiết [6]

 Màn hình hiển thị: màn hình hiển thị các ra-đa thế hệ cũ là đèn ca-thốt màn hình chỉ thị PPI (Plan Position Indicator) Trong trường hợp này tín hiệu hiển thị là tín hiệu tương tự Màn hình chỉ thị là kiểu hiển thị trên màn ra-đa trong đó mục tiêu là một điểm sáng ở vị trí đúng như trên bản

đồ đặc trưng cho khu vực được quét Đài ra-đa ở trung tâm của bản đồ Tia sáng màn ra-đa được quét từ tâm ra ngoài theo đường bán kính là đường truyền sóng ra-đa Bán kính quét quay đồng bộ với ăng-ten Khoảng cách từ tâm đến điểm sáng thể hiện cự ly giữa ra-đa và đối tượng, góc quay theo chiều kim đồng hồ thể hiện phương vị đối tượng theo phương bắc Các ra-đa hiện đại hơn, tín hiệu được xử lý hoàn toàn

bằng vi tính và hiển thị trên màn vi tính đã bao gồm các tính năng như hiển thị điểm dấu, tâm trùng, tự động bám bắt, tự dộng nhận dạng

 Điều chỉnh ra-đa: Các ra-đa hiện đại có thể hoạt động tại các tần số khác nhau trong một băng tần, với các dạng xung tín hiệu, phân cực khác nhau,

Để tối đa hoá hiệu năng của ra-đa Các tham số của hệ thống ra-đa phải thay đổi để thích ứng với điều kiện thời tiết, địa hình khác nhau Các tham số ra-đa thích ứng cho từng điều kiện được lưu vào hệ thống xử lý trung tâm, người sử dụng có thể tự điều chỉnh, hoặc máy tính tự động điều chỉnh dựa trên các cảm biến gắn trên ra-đa

 Dạng xung tín hiệu: dạng xung tín hiệu ra-đa phổ biến nhất là các xung vuông ngắn lặp lại theo chu kỳ Dạng xung tín hiệu phụ thuộc vào mục tiêu của ra-đa, ví dụ như: dạng tín hiệu liên tục CW (Continuous Wave) dùng cho một số ra-đa đặc chủng để đo tốc độ tức thời của mục tiêu dựa trên dịch tần Doppler Dạng xung liên tục điều tần FM/CW (Frequency Modulation/Continuous Wave) sử dụng để đo khoảng cách Nén xung tín hiệu khi hệ thống cần độ phân dải của xung ngắn nhưng với năng lượng của xung dài Ra-đa chỉ thị mục tiêu và ra-đa xung Doppler

sử dụng tín hiệu xung có chu kỳ thay đổi luân phiên để đo được tốc độ cao (xung lặp nhanh) và khoảng cách xa (xung lặp chậm)

: Công suất phản hồi về ra-đa

: Khoảng cách từ ăng-ten đến mục tiêu

: Công suất phát của ra-đa

: Độ tăng ích của ăng-ten ra-đa

: Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu

: Khẩu độ bức xạ của ăng ten

Từ phương trình (1.1) có thể tính ngược lại khoảng cách phát hiện mục tiêu tối đa của ra-đa đạt được khi công suất phản hồi về bằng mức độ nhạy của ra-đa Phương trình ra-đa có thể viết ngược lại dưới dạng (1.2):

Ngoài việc dùng để dự đoán khoảng cách phát hiện, phương trình ra-đa dùng

để cân bằng giữa các tham số ra-đa, đáp ứng bài toán khoảng cách, mục tiêu, giá thành, độ phức tạp của đài ra-đa

là mức công suất thấp nhất ra-đa có thể phát hiện được mục tiêu hay gọi

là độ nhạy của máy thu Tuy nhiên độ nhạy của máy thu không phải độ nhạy của toàn hệ thống vì chưa xét đến các kỹ thuật xử lý tín hiệu Độ nhạy của máy thu

: Băng thông máy thu

: Hệ số nhiễu máy thu

: Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

1.2 Tuyến thu/phát đài ra-đa

1.2.1 Tuyến phát đài ra-đa

1.2.1.1 Phân loại hệ thống phát đài ra-đa

Hệ thống phát là một phần không thể thiếu của đài ra-đa, có chức năng tạo tín hiệu cao tần công suất cao và truyền ra ngoài bằng ăng-ten Tín hiệu này sẽ phản hồi về ăng-ten sau khi bị tán xạ bởi mục tiêu Bộ khuếch đại công suất trong khối phát có thể là đèn Magnetron, Klystron hoặc khuếch đại bán dẫn Tuyến phát còn bao gồm nguồn điện áp công suất cao, mạch ổn áp, mạch lọc tương tự, mạch giám sát hê thông – MCU (Multipoint Control Unit), hệ thống tản nhiệt, trong một số trường hợp bao gồm mạch điều chế tín hiệu

Đèn phát công suất và khuếch đại bán dẫn có những ưu/nhược điểm riêng Đèn phát công suất thường được lựa chọn khi phát tín hiệu tần số cao, công suất cao, ưu điểm là băng thông rộng, hiệu suất cao, độ bền cao, ít bị ảnh hưởng bởi các tác động của nhiệt độ, môi trường Khuếch đại công suất bán dẫn có những ưu điểm: kích thước nhỏ, độ ổn định cao, hiệu suất cao, băng thông rộng, thường được lựa chọn cho tần số thấp và công suất thấp Các loại đèn phát tín hiệu truyền thống

có công suất đỉnh xung từ 0.25 MW cho đến 10 MW là một trong những bộ phận lớn nhất và tốn kém nhất của hệ thống ra-đa Bảng 1.1 trình bày các ưu nhược điểm của các loại đèn phát công suất đang được sử dụng hiện nay

Bảng 1.1: Ƣu nhƣợc điểm các loại đèn phát công suất

Loại khuếch đại

- Công suất cao

- Hiệu suất 60%

Băng rộng 2-3 octave

- Công suất hạn chế

- Tốn kém

- Cấu trúc sóng chậm

30 Ra30 đa trên tàu,

10 – 20% so với tần số trung tâm

- Phức tạp và đắt

- Cấu trúc sóng chậm

số trung tâm

- Nguồn cấp điện

áp cao

Đèn công suất Magnetron

Magnetron là một bộ tạo dao động hoạt động trong chế độ xung Được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân sự như: lò vi sóng, thiết bị y tế, ra-đa khí tượng, ra-đa hàng không cho đến các ra-đa quân sự Magnetron có thể tạo ra tín hiệu công suất lớn với hiệu suất cao, giá thành rẻ Cấu trúc đèn Magnetron thể hiện trong hình 1.2

Hốc cộng hưởng

Đầu ra cao tần

Hình 1.2: Cấu tạo đèn Magnetron

Khi hoạt động, các điện tử phóng ra từ ca-thốt di chuyển đến a-nốt Tuy nhiên do các điện tử bị ảnh hưởng bởi trường từ của các hốc cộng hưởng, điện tử di chuyển theo hình xoắn ốc trong các hốc cộng hưởng này làm gia tăng động năng, động năng này chuyển đổi thành năng lượng cao tần Tần số và công suất của tín hiệu tạo ra dựa trên tốc độ của các điện tử trong hốc cộng hưởng Một hoặc nhiều hốc cộng hưởng có ăng-ten để tập hợp các điện tử sau khi gia tốc thành tín hiệu cao tần phát đi

Đèn công suất Klystron

Bên trong Klystron, các chùm tia truyền theo đường thẳng vì trường từ và trường điện của đèn Klystron trùng nhau và cũng nằm trên một đường thẳng Công suất đầu ra có thể từ 10 kW (tín hiệu liên tục) đến 10 MW ( tín hiệu xung) Bộ khuếch đại Klystron vẫn tiếp tục được sử dụng trong ra-đa hiện nay với tần số cao, công suất lớn Hình 1.3 mô tả cấu trúc đèn Klystron

Điều khiển chùm tia điện tử

Tín hiệu cao tần đầu vào

Tín hiệu cao tần đầu ra

Đầu ra nối cáp cao tần

Nguồn một chiều Chùm tia điện tử

Hình 1.3: Cấu tạo đèn Klystron

Đèn sóng chạy – TWT (Travelling Wave Tubes)

Giống như Klystron, một chùm tia điện tử được bắn từ súng điện từ vào đèn Động năng của các hạt chuyển đổi thành năng lượng cao tần Tuy nhiên sự tương tác giữa các hạt trong đèn sóng chạy là liên tục trên toàn đường truyền tín hiệu, không chia thành từng tầng công hưởng như Klystron Hình 1.4 mô tả cấu trúc đèn sóng chạy

Suy hao

Cấu trúc sóng chậm

Đèn sóng chạy

Hình 1.4: Cấu tạo đèn sóng chạy

Khuếch đại công suất bán dẫn – SSPA (Solid State Power Amplifier)

Khuếch đại công suất bán dẫn sử dụng các bóng bán dẫn thay vì các ống dẫn sóng để khuếch đại tín hiệu Tại tần số thấp, bộ khuếch đại công suất bán dẫn có giá thành thấp hơn, ổn định hơn, và ít nhiễu hơn so với các bộ khuếch đại dùng ống dẫn sóng Bộ khuếch đại công suất bán dẫn là tổng cộng của nhiều bóng bán dẫn kết hợp

với nhau Tần số và công suất của bộ phục thuộc vào loại bóng bán dẫn sử dụng và giới hạn của vật liệu cấu tạo Hình 1.5 mô tả mô hình một bộ khuếch đại bán dẫn

Bộ chia 2

Bộ chia 2

Bộ cộng 2

Bộ cộng 2

Bộ cộng 2 Khuếch đại công suất lớn

Tiến khuếch đại

Hình 1.5: Mô hình khuếch đại công suất SSPA

1.2.1.2 Các tham số chính của hệ thống phát đài ra-đa

Các tham số chính của hệ thống phát đài ra-đa được mô tả trong bảng 1.2 dưới đây

Bảng 1.2: Các tham số chính của hệ thống phát đài ra-đa

đỉnh xung

Độ rộng xung phát, chu kỳ xung

Độ lấp đầy xung

Công suất vào làm độ tăng ích giảm 1dB -

P 1dB

Độ rộng sườn trươc, độ rộng sườn sau

Ý nghĩa

Đinh công suất xung tín hiệu

Độ rộng xung phát kí hiệu ,

và chu kỳ lặp lại xung ký hiệu T

Tỷ số giữa độ rộng xung trên chu

kỳ xung phát

Là điểm tại đó khi công suất vào tăng, độ tăng ích hệ thống không còn tuyến tính

mà giảm đi 1dB

Thời gian để xung đầu ra đạt công xuất đỉnh

và thời gian từ công xuất đỉnh

Đo bằng phân tích phổ

Cấp tín hiệu đến khi độ tăng ích khối không còn tuyến tính, giảm 1dB

Trích tín hiệu,

đo bằng máy hiện sóng

1.2.2 Tuyến thu đài ra-đa

1.2.2.1 Các thành phần chính của tuyến thu đài ra-đa

Chức năng của khối thu ra-đa là khuếch đại tín hiệu phản hồi, lọc bỏ các tín hiệu không mong muốn Những tín hiệu này bao gồm nhiễu tạo ra trong máy thu, nhiễu từ môi trường, nhiễu nguồn ra-đa lân cận, nhiễu từ các thiết bị liên lạc vô tuyến, và cả tín hiệu phá hoại Tín hiệu ra-đa phản hồi về từ các mục tiêu không mong muốn như mưa, tuyết, chim, côn trùng, thiết bị đo khí tượng cũng có thể xem

là nhiễu Đối với các ra-đa hàng không dùng để đo độ cao và địa hình các vật thể bay lân cận là đối tượng nhiễu, còn mặt đất lại là đối tượng cần quan tâm Thông thường ra-đa dùng để phát hiện và cảnh giới các mục tiêu như máy bay, tàu, phương tiện di chuyển, tín hiệu phản hồi từ mặt biển và đất liền được xếp vào nhiễu địa vật

Như trong hình 1.6, tín hiệu phản hồi từ ra-đa sau khi đi qua khối bảo vệ kênh thu được khuếch đại một cách hợp lý được truyền vào bộ trộn tần cùng tín hiệu dao động nội – LO (Local Oscillator), tín hiệu cao tần RF có thể phải hạ tần nhiều lần để về tín hiệu trung tần IF mong muốn, nguyên nhân là tần số ảnh có thể rất gần tần số cao tần nếu chuyển tần một lần và không thể loại bỏ bởi bộ lọc tương

tự

KHUẾCH ĐẠI CAO TẦN

BỘ TẠO DAO ĐỘNG NỘI TƯƠNG QUAN

BỘ ĐIỀU KHIỂN PHA

BỘ ĐO CÔNG SUẤT

BỘ ĐO CÔNG SUẤT

BĐ ĐỊA VẬT BẢN ĐỒ NHIỄU

THÔNG TIN MỤC TIÊU ĐI

BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ NHẠY

BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ TĂNG ÍCH TỰ ĐỘNG

Tín hiệu phản hồi về

Hình 1.6: Sơ đồ khối tuyến thu đài ra-đa

Bộ xử lý phía trước của khối thu

Bộ xử lý phía trước có chức năng chính là xử lý tín hiệu cao tần đi vào tuyến thu Bộ này thường gồm một bộ lọc thông dải để loại bỏ tín hiệu ngoài dải, một hoặc nhiều bộ khuếch đại công suất cao tần để nâng công suất tín hiệu lên mức yêu cầu, một hoặc nhiều bước trộn để đưa tín hiệu cao tần về tín hiệu trung tần

Bộ tạo dao động nội

Máy thu đổi tần thường dùng một hoặc nhiều bộ tạo dao động nội để chuyển tín hiệu cao tần về tín hiệu trung tần Tín hiệu dao động nội này cũng được dùng để

nâng tín hiệu xung trung tần ở tuyến phát lên mức cao tần, đảm bảo đồng bộ trong tuyến phát và tuyến thu Việc thay đổi tần số hoạt động của ra-đa thường được thực hiện bằng việc thay đổi tần số dao động nội

Bộ khuếch đại điều khiển

Tín hiệu ra-đa phản xạ tại các địa vật ở gần có công suất lớn, thời gian phản hồi nhanh có thể làm quá tải hệ thống thu ra-đa có độ tăng ích cố định, mức công suất này có thể vượt quá công suất của mục tiêu và không thể loại bỏ được, thông thường khối thu ra-đa sử dụng bộ khuếch đại tự điều khiển theo thời gian, khi tín hiệu phản hồi gần độ tăng ích của tuyến thu yếu và ngược lại để cân bằng đầu ra hệ thống

Bộ lọc thông dải

Bộ lọc là thành phần quan trọng trong hệ thống thu đài ra-đa, tác dụng chính loại bỏ các tín hiệu nhiễu khỏi tín hiệu mong muốn Bộ lọc có thể là bộ lọc tương tự hoặc bộ lọc số, chủ động hoặc thụ động

Bộ khuếch đại tín hiệu trung tần

Bộ khuếch đại tín hiệu trung tần có dải động lớn, hệ số tạp thấp để khuếch đại tín hiệu trung tần lên mức yêu cầu, đồng thời dải động của bộ khuếch đại tín hiệu trung tần ảnh hưởng trực tiếp đến dải động của hệ thống

Bộ giới hạn công suất trung tần

Các bộ khuếch đại tín hiệu trung tần thường có đầu ra tối đa lớn hơn nhiều (≥ 20dBm) so với giới hạn công suất của bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC (Analog to Digital Converter) Bộ giới hạn công suất tín hiệu trung tần có thể là bộ suy hao chủ động điều khiển được hoăc thành phần thụ động, để tín hiệu trung tần đầu ra bộ giới hạn không vượt quá mức cho phép

1.2.2.2 Các tham số chính của hệ thống thu đài ra-đa

Các tham số chính của hệ thống thu đài ra-đa được mô tả trong bảng 1.3 dưới đây

Bảng 1.3: Các tham số chính của hệ thống thu đài ra-đa

thu

Hệ số khuếch đại

Công suất vào làm độ tăng ích

Dải động

Ý nghĩa

Công suất tín hiệu thu nhỏ nhất máy thu có thể xử lý được

Sự khác biệt giữa tín hiệu đầu ra máy thu với đầu vào máy thu

Là điểm tại đó khi công suất vào tăng, độ tăng ích hệ thống không còn tuyến tính mà giảm đi 1dB

Dải công suất làm việc của ra-

đa từ độ nhạy máy thu đến điểm P 1dB

Chênh lệch giữa công suất tín hiệu đầu ra với công suất tín hiệu đầu vào

Tăng dần công suất đầu vào đến khi độ tăng ích

hệ thống giảm 1dB

Lấy P 1dB trừ đi

độ nhạy máy thu

1.3 Vai trò của khối bảo vệ trong tuyến thu ra-đa

Như trong hình 1.7 thể hiện, vị trí của khối bảo vệ kênh thu ra-đa nằm giữa tuyến phát và tuyến thu ra-đa cùng với bộ chuyển mạch thu/phát Trong chu kỳ phát, tín hiệu xung phát có công suất cao đi từ khối phát qua bộ chuyển mạch thu/phát lên ăng-ten Tín hiệu xung phát có thể có công suất từ vài nghìn W cho đến vài triệu W Khi đi qua bộ chuyển mạch thu/phát, luôn luôn có một phần công suất phát rò sang tuyến thu Ngoài ra tín hiệu xung phát truyền lên ăng-ten, không phải toàn bộ truyền ra môi trường mà bao giờ cũng bị phản hồi lại một phần, tùy vào việc phối hợp trở kháng giữa tuyến phát và ăng-ten tín hiệu này có thể nhỏ hơn công suất đỉnh xung khoảng 20-30 dB, lớn hơn nhiều tín hiệu rò từ bộ chuyển mạch thu/phát sang và truyền thẳng về tuyến thu Nếu không được bảo vệ tín hiệu có thể gây hỏng hoặc cháy nổ các linh kiện rất nhạy của tuyến thu Vai trò chính của khối, bảo vệ tuyến thu trong chu kỳ phát và cho tín hiệu phản hồi đi qua trong chu kỳ thu

Tuyến thu

Bộ bảo vệ tuyến thu Bộ trộn tín hiệu

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

Bộ khuếch đại công suất

Tuyến phát

Tuyến thu

Bộ bảo vệ tuyến thu Bộ trộn tín hiệu

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

Bộ khuếch đại công suất

Tuyến phát

Hình 1.7: Vị trí khối bảo vệ kênh thu

Khối bảo vệ kênh thu thuộc về phần xử lý phía trước của khối thu Vai trò của nó đặc biệt quan trọng trong toàn hệ thống, không chỉ có tác dụng chính là bảo

vệ quá công suất cho hệ thống nó còn có tác dụng loại bỏ các tín hiệu nằm ngoài dải tần trước khi đưa xuống xử lý cấp dưới Ngoài ra, các chức năng như điều khiển độ nhạy theo thời gian – STC (sensitivity time control), chuyển mạch và khuếch đại tạp

âm thấp cũng được tích hợp cùng với khối bảo vệ kênh thu

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày một cách tổng quan về kiến trúc của một đài ra-đa bao gồm các thành phần, chức năng và ứng dụng của ra-đa trong lĩnh vực quân sự và dân sự Phương trình ra-đa thể hiện mối liên hệ giữa các đại lượng vật lý của đài ra-

đa, mối quan hệ giữa khoảng cách bắt được xa nhất với công suất truyền đi, tính chất của mục tiêu (thể hiện qua tham số ), độ nhạy của tuyến thu Việc thiết

kế một đài ra-đa là sự cân bằng giữa các tham số vật lý với giá thành, kích thước và mục tiêu đài nhắm đến, dải tần hoạt động, tùy thuộc vào những yếu tố này công nghệ được sử dụng có thể khác nhau hoàn toàn

Có thể chia đài ra-đa thành hai thành phần chính với tính chất và chức năng riêng biệt là tuyến phát và tuyến thu Nhiệm vụ của tuyến phát là tạo ra tín hiệu có dạng xung mong muốn tại tần số làm việc, công suất đủ lớn và đưa ra ngoài không gian bằng ăng-ten, nhiệm vụ của tuyến thu là nhận tín hiệu phản hồi từ mục tiêu qua ăng-ten, khuếch đại và trộn tần một cách phù hợp đưa tín hiệu về tần số trung tần

Tín hiệu này qua bộ chuyển đổi tượng tự sang số thành tín hiệu số, và qua các bước

xử lý tín hiệu và xử lý thông tin để hiển thị trên màn hình quan sát

Tuy có tính chất và chức năng khác nhau, cả tuyến phát và tuyến thu của một đài ra-đa sử dụng chung một ăng-ten để truyền và phát dữ liệu, đòi hỏi phải có một thành phần bảo vệ tuyến thu khỏi công suất truyền đi trong chu kỳ phát Vì vậy khối bảo vệ tuyến thu được sử dụng, Vai trò chính của khối bảo vệ kênh thu là bảo vệ quá công suất cho hệ thống thu, loại bỏ các tín hiệu nằm ngoài dải tần hoạt động trước khi đưa xuống xử lý cấp dưới

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KHỐI BẢO VỆ KÊNH THU 2.1 Giới thiệu chung về khối bảo vệ kênh thu

Khối bảo vệ kênh thu được sử dụng lần đầu vào năm 1940 tại Phòng Thí Nghiệm Ra-đa, Viện Công Nghệ Massachusetts Khối bảo vệ máy thu cho ra-đa đầu

tiên được thiết kế bởi tiến sĩ James L.Lawson [1], sử dụng một ống thu/phát (trình

bày chi tiết trong mục 2.2.1) để thực hiện việc bảo vệ trong tuyến thu, Từ đó đến nay đã có những thay đổi đáng kể trong công nghệ thiết kế khối bảo vệ kênh thu, đặc biệt tập trung vào cải thiện thời gian phục hổi, công suất chịu đựng trung bình

Như đã trình bày trong chương 1, vai trò chính của khối bảo vệ kênh thu là bảo vệ kênh thu ra-đa khỏi tín hiệu công suất lớn không mong muốn, tín hiệu này

có thể là tín hiệu phát đi bị phản hồi lại hoặc là tín hiệu từ ngoài vào Trong một số thiết kế, khối bảo vệ kênh thu có thể là một thành phần riêng biệt hoặc có thể đảm nhiệm nhiệm vụ của một bộ chuyển mạch thu phát, vì vậy trong phần này sẽ giới thiệu qua về bộ chuyển mạch thu/phát trong ra-đa

2.1.1 Bộ chuyển mạch thu/phát trong ra-đa

Phần lớn ra-đa hiện nay sử dụng một ăng-ten cho cả phát và thu tín hiệu, tín hiệu phát của ra-đa có công suất cao trong khi tuyến thu sử dụng các linh kiện bán dẫn rất nhạy Điều này dẫn đến việc ra-đa phải sử dụng bộ chuyển mạch kênh thu/phát (duplexer) đóng vai trò “kết nối” và “ngắt kết nối” ăng-ten với tuyến thu và tuyến phát theo từng xung phát một

Như vậy, bộ chuyển mạch thu/phát phải có 3 chức năng chính sau:

 Kết nối tuyến phát với ăng ten (ngắt kết nối tuyến thu) khi tín hiệu phát

đi

 Kết nối tuyến thu (ngắt kết nối tuyến phát) khi tín hiệu phản hồi về

 Cách ly tuyến phát và tuyến thu

Hiện nay có 3 loại chuyển mạch thu/phát chính là:

Bộ chuyển mạch nhánh (branched duplexers)

Cổng vào tuyến thu

Bộ chuyển mạch nhánh trong chu kỳ phát

Bộ chuyển mạch nhánh trong chu kỳ thu

Cổng vào tuyến thu

Hình 2.1: Cấu tạo bộ chuyển mạch nhánh

Cấu trúc bộ chuyển mạch nhánh đƣợc trình bày trong hình 2.1 Loại chuyển mạch này đƣợc dùng trong thế chiến thứ hai và vẫn đƣợc sử dụng trong ra-đa ngày nay, cho các loại ra-đa có giá thành thấp Cấu trúc bộ chuyển mạch nhánh bao gồm một hoặc nhiều ống chống thu/phát – ATR (Anti-Transmit-Receive tubes) và một khối bảo vệ máy thu

Ống chống thu/phát là một ống chứa các khí ga dễ bị kích thích nhƣ helium, hydrogen, argon đƣợc gắn vào thành của bộ chuyển mạch nhánh, tác dụng chính của ống chống thu/phát là khi có tín hiệu công suất lớn truyền vào hệ thống, các khí

ga trong ống bị kích thích tạo ra các điện tử tự do làm tăng trở kháng đường truyền, gây phản hồi tín hiệu công suất lớn Trong giai đoạn phát, khối bảo vệ máy thu cùng hoạt động phối hợp với các ống chống thu/phát.Khi tín hiệu thu về, khối bảo vệ kênh thu và ống chống thu/phát không hoạt động để tín hiệu đi qua

Giới hạn của bộ chuyển mạch nhánh là chỉ hoạt động được trong một băng thông rất nhỏ so với tần số thiết kế (khoảng 5% tần số trung tâm)

Bộ chuyển mạch cân bằng (balanced duplexers)

Cống ra ăng-ten Bộ chuyển mạch cân bằng trong chu kỳ phát

Bộ chuyển mạch cân bằng trong chu kỳ phát

Bộ chuyển mạch cân bằng trong chu kỳ thu

Chuyển mạch

Khối bảo

vệ kênh thu (nếu cần)

Hình 2.2: Cấu tạo bộ chuyển mạch cân bằng

Cấu trúc bộ chuyển mạch cân bằng được trình bày trong hình 2.2 Bộ chuyển mạch cân bằng sử dụng hai bộ ghép kênh 3dB (3dB Hybrid Coupler) cùng với một thành phần chuyển mạch, thành phần này có thể là các khối bảo vệ kênh thu

Trong chu kỳ phát, tín hiệu công suất cao đi ra từ cổng phát vào bộ ghép kếnh 3db thứ nhất bị chia đôi, lúc này bộ chuyển mạch hoạt động làm tín hiệu công suất cao bị phản hồi trở lại, đặc tính pha của bộ ghép kênh 3dB thứ nhất được thiết

kế sao cho tín hiệu phản hồi này được công lại trước khi đi ra ăng-ten, như vậy tín hiệu phát có thể chuyển từ khối phát ra ăng-ten không bị suy hao, ngoài ra thành

phần chuyển mạch ở đây là các khối bảo vệ máy thu, tăng cường khả năng bảo vệ.Tuyến thu có thể sử dụng thêm các khối bảo vệ máy thu khác nếu yêu cầu

Trong chu kỳ thu, tín hiệu phản hồi đi ra từ ăng-ten, bị chia ra ở bộ ghép kênh 3dB thứ nhất, bộ chuyển mạch không hoạt động cho phép tín hiệu qua bộ ghép kênh thứ hai, tín hiệu được cộng lại ở đầu ra bộ ghép kênh thứ hai, truyền tiếp vào tuyến thu

Bộ chuyển mạch cân bằng có thể được thiết kế theo nhiều cấu hình khác nhau, thành phần chuyển mạch có thể là ống thu/phát (T/R tube), thực hiện cả chức năng bảo vệ tuyến thu và chuyển mạch Một phương án khác là dùng khối bảo vệ là ống tiền thu/phát (pre-T/R tube) để có công suất chịu đứng cao hơn, trong trường hợp này cần thêm một khối bảo vệ kênh thu ở đầu vào tuyến thu

Ưu điểm chính của bộ chuyển mạch cân bằng là khả năng chịu đựng công suất và băng thông, nhược điểm là kích thước vật lý và độ cách ly giữa kênh thu và kênh phát không cao

Bộ chuyển mạch vòng (Ferrite circulator)

Bộ chuyển mạch vòng

Khối bảo vệ

Tải

Ăng-ten

Hình 2.3: Cấu tạo bộ chuyển mạch vòng

Cấu trúc bộ chuyển mạch vòng được trình bày trong hình 2.3 Bộ chuyển mạch vòng được sử dụng trong hầu hết hệ thống ra-đa mới [3], chức năng của bộ

chuyển mạch vòng là chỉ cho phép tín hiệu đi theo một chiều và không thể đi theo chiều ngược lại Theo lý thuyết chỉ cần bộ chuyển mạch vòng 3 cổng là đủ để đáp ứng nhu cầu chuyển mạch tuy nhiên trong thực tế, ra-đa thường dùng chuyển mạch vòng 4 cổng để tránh công suất phát phản hồi về phía cổng phát, công suất phản hồi

về sẽ được dẫn vào một tải cao tần và chuyển thành nhiệt năng

Khi sử dụng bộ chuyển mạch vòng cho hệ thống thu/phát ra-đa,việc sử dụng khối bảo vệ kênh thu là bắt buộc vì tuỳ vào băng thông và thiết kế, một bộ chuyển mạch vòng chỉ cung cấp độ cách ly từ 10 đến 20 dB giữa các cổng với nhau

Giống như bộ chuyển mạch cân bằng, bộ chuyển mạch vòng hoạt động có băng thông rộng, kích thước nhỏ gọn Cân bằng giữa giá thành, kích thước và đặc tính kỹ thuật

2.1.2 Đặc tính của khối bảo vệ kênh thu

Không giống như các thành phần cao tần khác, khối bảo vệ kênh thu phải hoạt động được trong 3 trạng thái hoàn toàn khác nhau, hai trạng thái đầu tiên gọi là trạng thái công suất thấp và trạng thái công suất cao Trong trạng thái công suất thấp, khối bảo vệ kênh thu không hoạt động, khối bảo vệ kênh thu được phối hợp trở kháng với đường truyền tín hiệu để tín hiệu phản hồi về có thể đi qua được máy thu với suy hao nhỏ nhất Trong trạng thái công suất cao, khối bảo vệ kênh thu hoạt động để bảo vệ máy thu khỏi công suất lớn Trạng thái cuối cùng là trạng thái phục hổi

Việc yêu cầu khối phải hoạt động trong cả ba trạng thái khác hẳn nhau dẫn đến những khó khăn trong quá trình thiết kế, phải cân bằng giữa các tham số để tối

ưu hiệu năng Dưới đây sẽ trình bày về các đặc tính, khái niệm của khối bảo vệ kênh thu

2.1.2.1 Trạng thái công suất cao

Trong trạng thái này khối bảo vệ máy thu kích hoạt và bảo vệ thiết bị khỏi tín hiệu công suất lớn

Đầu vào

Công suất phát

Chuyển mạch thu/

phát

Ăng-ten Công suất phản hồi từ ăng-ten

Công suất dò từ chuyển mạch

Công suất hoạt động

Khối bảo vệ

Công suất phát

Chuyển mạch thu/

phát

Ăng-ten Công suất phản hồi từ ăng-ten

Công suất dò từ chuyển mạch

Công suất hoạt động

Khối bảo vệ

Hình 2.4: Các tín hiệu công suất cao vào khối bảo vệ

Các công suất vào khối bảo vệ kênh thu thể hiện trong hình 2.4

 Công suất hoạt động của khối bảo vệ máy thu: vì công suất này xuất hiện trong điều kiện hoạt động bình thường Công suất này là công suất tổng cộng của tín hiệu phát rò ra từ bộ chuyển mạch thu/phát cộng với tín hiệu phản hồi từ ăng-ten do mất phối hợp trở kháng, thông thường tín hiệu phản hồi từ ăng-ten lớn hơn tín hiệu rò nhiều lần Công suất hoạt động của khối bảo vệ máy thu thường thiết kế nhỏ hơn công suất đỉnh tín hiệu phát 10dB

 Công suất chịu đựng tối đa: công suất vào máy thu trong trường hợp hệ thống gặp trục trặc nghiêm trọng Để đảm bảo an toàn, công suất chịu đựng tối đa bằng công suất phát

 Tín hiệu trong dải đi vào hệ thống từ các nguồn phát xạ gần ra-đa

 Tín hiệu ngoài dải hoạt động của hệ thộng của hệ thống do các nguồn phát xạ gần ra-đa Tín hiệu này cần đặc biệt chú ý vì có những trường hợp thiết kế khối bảo vệ máy thu phải thay đổi hoàn toàn do không phát hiện ra tín hiệu ngoài dải trong quá trình thiết kế

Các loại tín hiệu đến khối bảo vệ máy thu được đặc trưng dựa trên tần số, công suất đỉnh, độ rộng xung, độ lấp đầy Rất nhiều hệ thống hiện đại có độ rộng xung tín hiệu khác nhau, độ lấp đầy khác nhau Trong quá trình thiết kế, ít nhất phải biết được công suất đỉnh xung tối đa, độ rộng xung và độ lấp đầy tối thiểu,tối đa

Một trong các tham số quan trọng của tín hiệu vào khối bảo vệ máy thu là khoảng thời gian xung chuyển từ trạng thái thấp lên trạng thái cao (pulse risetime) trong thời gian này, xung tín hiệu có công suất lớn hơn so với thời gian còn lại của xung trước khi khối bảo vệ công suất kịp kích hoạt, công suất này được gọi là công suất đỉnh xung (spike)

Đầu ra

Trong khi hoạt động, khối bảo vệ máy thu phản hồi phần lớn tín hiệu công suất lớn tiến vào, tuy nhiên vẫn có một phần tín hiệu đi qua khối bảo vệ máy thu và vào tuyến thu Dạng tín hiệu đầu vào/ra của khối bảo vệ thể hiện trong hình 2.5

 Công suất đánh thủng (breakdown power): Trong điều kiện công suất thấp, khối bảo vệ máy thu không hoạt động, vì vậy đầu ra khối bảo vệ máy thu tương đương với tín hiệu đầu vào Khi tín hiệu đầu vào tăng dần lên, đầu ra cũng tăng dần lên, đến một mức công suất nhât định, tuỳ vào loại bảo vệ máy thu, sẽ kich hoạt và chuyển sang chế độ bảo vệ Quá trình chuyển đổi này có thể xảy ra bất thình lình như trường hợp ống thu/phát hoặc xảy ra từ từ như khối bảo vệ kênh thu đi-ốt Như vậy, trong mọi trường hợp sẽ tồn tại một điểm công suất, tại đó công suất tín hiệu đầu ra sẽ giảm dần khi công suất tín hiệu đầu vào tăng lên Điểm này gọi

là công suất đánh thủng của khối bảo vệ máy thu

 Công suất đỉnh tín hiệu rò (spike leakage power) và công suất đầu ra phẳng (flat power): khi công suất đầu vào đạt ngưỡng đánh thủng, các công suất tăng lên sẽ có dạng là một đỉnh nhọn trong thời gian ngắn và phẳng trong thời gian còn lại của xung Tùy vào loại bảo vệ máy thu, độ rộng của đỉnh có thể từ 2 -20 ns