Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số bốn kênh cho máy thu ra đa băng X

Bài viết trình bày một nghiên cứu thực nghiệm chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số gồm 4 kênh thu tín hiệu ra đa băng X. Các kênh thu có kết cấu giống nhau gồm bộ khuếch đại tạp thấp LNA, bộ dịch pha điều khiển số với bước dịch pha 5,60 và bộ suy giảm điều khiển số với độ phân giải 0,5 dB để đảm bảo cân bằng biên độ giữa các kênh.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ ĐUN DỊCH PHA ĐIỀU KHIỂN SỐ BỐN KÊNH CHO MÁY THU RA ĐA BĂNG X Trần Minh Nghĩa1*, Nguyễn Đình Vinh1, Vũ Minh Thành1, Nguyễn Khả Hậu2 Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số gồm kênh thu tín hiệu đa băng X Các kênh thu có kết cấu giống gồm khuếch đại tạp thấp LNA, dịch pha điều khiển số với bước dịch pha 5,60 suy giảm điều khiển số với độ phân giải 0,5 dB để đảm bảo cân biên độ kênh Sử dụng điều khiển số kết nối máy tính cho phép điều chỉnh linh hoạt góc lệch pha biên độ tín hiệu kênh thu, qua làm sở để thiết kế mô đun thu với số lượng kênh lớn nhằm ứng dụng máy thu đa băng X như: Điều chỉnh góc lệch pha biên độ tín hiệu kênh thu theo quy luật cho trước; Thực việc tổ hợp búp sóng quét búp sóng thu cho an ten mạng pha; Điều chỉnh cặp kênh thu ngược pha đồng pha để tạo tín hiệu kênh tổng kênh hiệu cho ứng dụng đo bám góc theo ngun lý cân tín hiệu Từ khóa: Thiết kế dịch pha, Ra đa băng X MỞ ĐẦU Các mô đun dịch pha điều chỉnh biên độ (gọi chung mô đun dịch pha) phần tử để xây dựng máy thu máy phát đa kênh cho hệ thống an ten mạng pha Máy thu hệ thống thu phát dùng an ten mạng pha máy thu đa kênh có khả điều khiển độ dịch pha biên độ tín hiệu kênh theo quy luật nhờ mô đun dịch pha Có nhiều dạng mơ đun tích hợp cho ứng dụng dải tần số khác tùy theo nhu cầu sử dụng Ở dải tần số băng X cao việc thiết kế, chế tạo dịch pha khó khăn u cầu khắt khe cơng nghệ thực Ngày nay, việc tạo quét búp sóng an ten mạng pha có xu hướng thực dải tần số trung tần để giảm bớt khó khăn thực cao tần, nhiên mô đun dịch pha cao tần có ứng dụng định hệ thống tạo đồng pha cho kênh ghép, cộng, trừ tín hiệu cao tần Do đó, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo dịch pha có khả điều chỉnh pha điều khiển tương tự hay điều khiển số cho ứng dụng tiếp tục thực Trong viết trình bày nghiên cứu thực nghiệm thiết kế kỹ thuật - công nghệ chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số gồm kênh thu tín hiệu đa băng X số ứng dụng thiết thực thực tế THIẾT KẾ MÔ ĐUN DỊCH PHA ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO MÁY THU BĂNG TẦN X 2.1 Mô mạng pha Công cụ mô sử dụng chương trình 3D Antenna Array để mơ cho mảng an ten chiều với phần tử nằm trục X, chọn độ phân giải dịch pha 22,50, có nghĩa mảng anten tạo 360/22,5 = 16 đồ thị xạ khác Xem hình Trong tọa độ cực cho thấy hướng mảng an ten (khi an ten đẳng hướng) qt để thu/phát tín hiệu từ hướng khác tùy theo độ lệch pha an ten Trong tọa độ Đề-các cho thấy kết hợp độ rộng cánh sóng tất hướng lại với độ rộng cánh sóng mảng an ten 360 độ Nói cách khác, với 70 T M Nghĩa, N Đ Vinh, …, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo … cho máy thu đa băng X.” Nghiên cứu khoa học công nghệ độ phân giải pha dịch pha 22,50 mảng an ten bao qt hướng thu/phát an ten đẳng hướng Hình Mơ an ten mạng pha với phần tử trục X 2.2 Chế tạo mô đun dịch pha số thực tế Sơ đồ nguyên lý tuyến thu điều khiển pha số gồm kênh thu tín hiệu đa băng X thể hình Hình Sơ đồ nguyên lý tuyến thu cao tần kênh điều khiển pha số Trong đó, mô đun khuếch đại tạp thấp mô đun suy giảm số đảm bảo mức cơng suất biên độ tín hiệu thu từ an ten, mô đun dịch pha số tạo tổ hợp búp sóng cho máy thu Sơ đồ nguyên lý mô đun khuếch đại tạp thấp mơ đun dịch pha thể hình hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 50, 08 - 2017 71 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình Sơ đồ nguyên lý dịch pha Hình Sơ đồ nguyên lý khuếch đại tạp thấp Các tham số mô đun thể bảng Bảng Tham số kỹ thuật mô đun STT Mô đun Tham số Chỉ tiêu kỹ thuật Mơ đun khuếch đại Dải tần 8,2 ÷ 8,9 GHz 01 tạp thấpLNA Hệ số khuếch đại 17-20 dB 02 03 Mô đun điều chỉnh pha số Mô đun suy giảm số Hệ số tạp: Dải tần Dải điều chỉnh pha ≤2,5 dB 8,2 ÷ 8,9 GHz ≤3600 Bước nhảy pha ≤22,50 Độ sai pha kênh ± 50 Dải tần 8,2 ÷ 8,9 GHz Hệ số suy giảm ≤30 dB Để tính tốn độ rộng mạch in, sử dụng cơng thức tính độ rộng cho mạch in đơn chương trình “microstrip line calculator” tính theo ống dẫn sóng đồng trục phẳng chương trình “coplanar waveguide calculator” Chọn mạch in cao tần ROGER4350, với tham số : số điện môi: 3,48 Độ dày mạch in : 0,76 mm Tần số trung tâm : 8,5 GHz Trở kháng vào : 50 Ω Tính cơng thức “microstrip line calculator” ta được: Độ rộng mạch in : 1,72 mm 72 T M Nghĩa, N Đ Vinh, …, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo … cho máy thu đa băng X.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ ¼ bước sóng: 5,3 mm Tính công thức “coplanar waveguide calculator” ta được: Độ rộng mạch in: 1,5 mm Độ rộng khoảng cách mạch in bên đất: 0,49 mm Lựa chọn linh kiện: Bộ dịch pha thiết kế IC MAPS-010166 với bit điều khiển, dải điều chỉnh pha 3600, bước nhảy pha 5,60, trở kháng vào 50Ω Mô đun điều khiển pha số thiết kế với IC PIC16F887, nhận lệnh từ máy tính điều khiển bit kênh dịch pha theo yêu cầu đặt Phần mềm điều khiển pha số viết chương trình LabVIEW máy tính CCS cho PIC16F887 điều khiển Kết nối máy tính điều khiển cổng RS232 Giao diện chương trình điều khiển thể hình Hình Chương trình điều khiển CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đo đạc kết Ảnh chụp tuyến thu cao tần kênh điều khiển pha số thể hình Sau thiết kế, sử dụng máy phân tích mạng vector để kiểm tra độ lệch pha Δφ theo hình Các giá trị góc lệch pha theo tổ hợp tín hiệu điều khiển trình bày bảng Bảng Kết đo tần số 8,5GHz Góc Góc pha Kênh1 kênh kênh kênh pha Kênh1 kênh kênh kênh Độ Độ 0 0 179,2 -177,3 179,6 178,8 -177,9 5,6 -5,7 -5,5 -5,2 -5,7 184,8 175,5 176,3 177,2 177,8 11,2 -9,8 -9,9 -8,8 -11,1 190,4 171 172,2 171,8 170,1 16,8 -14,6 -15,6 -14,5 -16,8 196 169,2 168,2 167,6 168,5 22,4 -22,5 -22,9 -22,2 -23 201,6 165,1 162,2 160,4 161,1 28 -27,9 -28,4 -28,1 -30,1 207,2 163,9 155,6 154,9 153,4 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 73 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 33,6 39,2 44,8 50,4 56 61,6 67,2 72,8 78,4 84 89,6 95,2 100,8 106,4 112 117,6 123,2 128,8 134,4 140 145,6 151,2 156,8 162,4 168 173,6 -31,8 -37,5 -43,5 -49,6 -52,6 -59,1 -65 -69,7 -73,6 -79,7 -84,7 -90,7 -94,9 -100,2 -110,4 -116,9 -122,4 -129 -132,5 -139,7 -144,6 -150,1 -158,2 -164,2 -170,1 -176,4 -32,4 -38,6 -45,2 -51 -56,5 -62,4 -68,2 -73,6 -78,8 -85,2 -89,7 -96,3 -98,3 -104,6 -113,5 -117,1 -124,3 -129,5 -133,4 -139,5 -146,3 -151,2 -157,4 -163,5 -169,4 -174,9 -31,6 -37,4 -44,4 -50,3 -55,2 -60,2 -67,8 -73,1 -78,2 -82,7 -90,7 -95,4 -99,2 -105,8 -111,2 -118,2 -124,3 -130,1 -135,4 -141,5 -146,5 -152,7 -157,4 -163,2 -169,5 -174,8 Hình Tuyến thu cao tần kênh -34,5 -40,9 -43,7 -50,1 -54,2 -59,1 -65,5 -71,1 -75,4 -81,2 -86,5 -91,5 -95,6 -102,4 -109,2 -115,1 -119,8 -126,7 -130,9 -135,9 -140,5 -147,6 -154,9 -163,2 -169,3 -174,5 212,8 218,4 224 229,6 235,2 240,8 246,4 252 257,6 263,2 268,8 274,4 280 285,6 291,2 296,8 302,4 308 313,6 319,2 324,8 330,4 336 341,6 347,2 352,8 159,4 153,3 145,5 139,5 135,4 129,2 123,6 116,8 113,1 106,1 102,7 96,2 92,8 86,3 76,2 69,3 63,5 56,6 53,2 45,7 40,6 34,7 27,2 20,2 15,8 9,2 151,4 143,8 139,2 132,3 128,5 122,9 116,4 109,2 105,4 99,3 94,5 88,4 85,6 79,3 72,5 66,1 61,8 54,3 53,7 46,4 43,8 35,2 28,1 20,3 15,7 6,7 149,2 141,8 138,9 131,4 127,9 121,5 114,6 107,6 104,5 98,2 93,4 87,8 84,3 77,6 70,4 65,2 60,1 56,2 52,4 45,6 41,8 34,6 27,2 19,3 14,2 6,1 150,5 142,8 140,4 132,8 129,8 122,4 115,1 108,4 104,8 98 93,7 87,5 84,2 78,7 71,8 65,2 60,5 55,1 52,1 45,2 42 34,2 27,8 19,7 14,4 6,4 Hình Đo kết máy đo véc tơ Trong bảng giá trị pha đo máy phân tích véc tơ góc lệch pha nhỏ 1800 cho giá trị âm, lớn 1800 tổng giá trị chúng với 1800 thành 3600 Độ sai pha kênh đo trung bình < 50 3.2 Khảo sát mức cơng suất thay đổi pha kênh cộng công suất Sơ đồ nguyên lý cộng công suất thay đổi pha trình bày hình 74 T M Nghĩa, N Đ Vinh, …, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo … cho máy thu đa băng X.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Sơ đồ nguyên lý đo công suất cộng thay đổi pha Máy phát tín hiệu tần số trung tâm 8,5GHz, công suất +10dBm, chia cộng cân bằng, góc pha ban đầu mơ đun xoay pha Δφ Δφ 00 Kết đo máy phân tích phổ, thể bảng Bảng Kết đo cộng công suất Δφ (độ) 0 0 0 0 Δφ (độ) 44,8 89,6 134,4 179,2 224 268,8 313,6 Công suất 5,1 3,1 0,9 -0,1 0,8 2,9 5,2 (dBm) Sử dụng sơ đồ ta tổ hợp kênh thu thành kênh tổng kênh hiệu tương ứng với việc tạo kênh thu tín hiệu sai số góc để xác định tọa độ góc mục tiêu KẾT LUẬN Bài báo trình bày giải pháp kỹ thuật đại sử dụng thiết kế chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số máy thu băng X khả ứng dụng chúng Các khảo sát thực tế với kênh thu đồng pha (kênh tổng) ngược pha (kênh hiệu) cho phép ứng dụng thực tiễn cho máy thu đáp ứng yêu cầu xác định tham số góc mục tiêu Sản phẩm đề tài áp dụng cho máy thu đài đa mạng pha Pozitiv TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Minh Việt, “Kỹ thuật siêu cao tần”, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2002 Trang 35-46 [2] Volco V.V.M, Trần Hữu Vị biên dịch, “Thiết kế máy thu đa tín hiệu xung”, Học viện KTQS, 1990 Trang 20-45 [3] Pieter L.D Abrie, “Design of RF and Microwave Amplifiers and Oscilators”, Artech House Publishers 1996 Trang 51-76 [4] Edward C Niehenke, Robert A Pucel, Inder J Bahl, “Microwave and MillimeterWave Integrated Circuits”, IEEE, 2002 Trang 34-55 [4] W Buhring, J Ender, “Radar techniques using array antennas”, Wulf-Dieter Wirth, 2000 Trang 78-92 [5] George D Vendelin, Anthony M Pavio, Ulrich L Rohde, “Microwave circuit design using linear and nonlinear techniques”, A John Wiley & Sons, Inc, Publication, 2005 Trang 45-61 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 75 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [6] Christopher Bowick, “RF circuit Design”, Charon Tec Ltd (A Macmillan Company), Chennai, India, 2008 Trang 60-73 ABSTRACT DESIGN AND IMPLEMENTATION OF MODUL PHASE SHIFTING DIGITAL RECEIVER X-BAND RADAR This article presents an experimental study and implementation of a digital phase shifter module, including four X-band receiver channels The channels have the same structure, consist of LNA amplifier, digital phase shifter with 5,60 shift step and digital attenuator with 0.5 dB resolution to ensure amplitude balance between channels Using digital controller connected computer allows flexible adjustment of phase angle and amplitude of the signal receiver channels, that is basic to design multi-channel receiver modules for many applications in X-band radar, such as: Adjust the phase angle and amplitude of the signal receiver channels according to the specific law; Perform beam synthesis and beam scanning of phased antenna array; Adjust the receiver channel pair with antiphase and inphase signals to generate differential channels and sum channels for angle measuring applications based on signal balance principle Keywords: Design phase shifter, X-band radar Nhận ngày 10 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 25 tháng năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 18 tháng năm 2017 Địa chỉ: 1Phòng Kỹ thuật Máy thu – Viện Ra đa – Viện KHCNQS; Phòng Thiết kế hệ thống – Viện Ra đa – Viện KHCNQS * Email: ngrad68@gmail.com 76 T M Nghĩa, N Đ Vinh, …, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo … cho máy thu đa băng X.” ... chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số máy thu băng X khả ứng dụng chúng Các khảo sát thực tế với kênh thu đồng pha (kênh tổng) ngược pha (kênh hiệu) cho phép ứng dụng thực tiễn cho máy thu đáp... tuyến thu điều khiển pha số gồm kênh thu tín hiệu đa băng X thể hình Hình Sơ đồ nguyên lý tuyến thu cao tần kênh điều khiển pha số Trong đó, mơ đun khuếch đại tạp thấp mô đun suy giảm số đảm... độ tín hiệu thu từ an ten, mô đun dịch pha số tạo tổ hợp búp sóng cho máy thu Sơ đồ ngun lý mơ đun khuếch đại tạp thấp mô đun dịch pha thể hình hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08