Nghiên cứu thiết kế chế tạo modun khuếch đại công suất dùng trong máy phát rada dải sóng DM (820 900MHZ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGÔ VĂN THƢỞNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SÓNG DM(820-900MHZ) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGÔ VĂN THƢỞNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI CƠNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SĨNG DM(820-900MHZ) Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử Mã sô: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BẠCH GIA DƢƠNG HÀ NỘI - 2011 LỜI MỞ ĐẦU Trong thiên nhiên, tạo hóa ban cho số lồi vật có khả kì diệu máy radar Những dơi cá heo phát sóng siêu âm nhứng “anten” chúng để tìm kiếm định vị mồi Từ cách thức săn mồi loài dơi số loài khác thúc đẩy nhà khoa học nghiên cứu phát minh cách định vị mục tiêu sóng siêu âm Hay gọi kỹ thuật radar(“Radio Detecting And Ranging,” nghĩa dị tìm xác định khoảng cách sóng vơ tuyến Trong chiến tranh, hàng loạt đài radar cho đời với nhiều chiến thuật khác nhau, nâng cao khả chiến đấu cho quân đội Sau chiến tranh, nhà khoa học tập trung cải tiến, chế tạo đài radar phục vụ quân mà lĩnh vực thiên văn đời sống xã hội phục vụ cho lợi ích lồi người Radar thiết bị kết hợp nhiều khối điện tử phức tạp cơng nghệ khoa học, khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, với mục tiêu nghiên cứu chế tạo khối khuếch đại công suất sử dụng máy phát Radar tầm thấp, xin giới thiệu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo module khuếch đại công suất dùng máy phát Radar dải sóng dm(820-900Mhz) ” Bằng lý thuyết thực nghiệm, luận văn thực nội dung sau: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động đài radar hoạt động dải sóng dm - Tìm hiểu kỹ thuật thu phát siêu cao tần - Tìm hiểu sâu kỹ thuật phối hợp trở kháng chế tạo thành công module khuyếch đại công suất 80W, hoạt động dải tần 820Mhz – 900Mhz, hệ số khuyếch đại 17dB - Đánh giá kết đạt luận văn hướng nghiên cứu phát triển tiếp từ luận văn Nội dung luận văn chia làm chương: Chương Tổng quan hệ thống Radar Chương Kỹ thuật thu phát siêu cao tần Chương Thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất siêu cao tần NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI CƠNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SĨNG DM(820-900MHZ) CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR Lịch sử phát triển Radar Từ xa xưa, thiên nhiên hoang dã, tạo hóa b an cho cỗ máy “radar” kì diệu Chú dơi phát sóng siêu âm từ mũi, nhận tiếng vọng hai “ăng-ten” hai tai, qua phân tích để tìm kiếm định vị mồi Hình 1.0: Cách săn bắt mồi loài dơi  Những ngày thí nghiệm khám phá ngƣời Năm 1887, nhà vật lý Đức Heinrich Hertz lần tạo sóng vơ tuyến phịng thí nghiệm Các sóng truyền qua phản xạ loại vật liệu khác Với cống hiến tuyệt vời này, Hertz nhân loại tôn vinh lấy tên ơng làm đơn vị tần số sóng vơ tuyến Ngày 7/5/1895, nhà bác học Nga A.S Pô -pơp phát minh dụng cụ thu ghi lại tượng sét cách xa 30 km Tháng 3/1896, Pô - pôp truyền vơ tuyến điện tín lịch sử với nội dung “Heinrich Hertz”, đánh dấu phát minh to lớn nhân loại: phát minh vô tuyến điện Một ứng dụng quan trọng vô tuyến điện phát định vị, gọi radar (RAdio Detection And Ranging - RADAR) Tên “radar” hải quân Mỹ đặt đại chiến giới lần thứ hai, trở nên thông dụng Cống hiến Pô-pôp không dừng lại Năm 1897, thí nghiệm cự ly thông tin vô tuyến điện, ông gặp tượng bất ngờ liên lạc vô tuyến hai tàu bị cắt đứt lúc có tuần dương hạm chạy ngang qua Lí giải thích sóng vô tuyến bị phản xạ gặp chướng ngại vật Ông nghĩ việc lợi dụng tượng nà y để kiểm tra, xác định vị trí dẫn đường cho tàu thuyền Đây coi thời điểm khởi đầu hệ thống radar Năm 1904, Christian Hülsmeyer nhận sáng chế Đức cho thiết bị gọi Teltôiobiloskop, thiết bị quan sát vật thể từ xa Năm 1922, Guglielmo Marconi có diễn thuyết trình bày ý tưởng phát vật thể từ xa sử dụng sóng vơ tuyến Nhưng đến năm 1933, ông đưa thiết bị Trong năm 1925/26, hai nhà vật lý Mỹ Breit Tuve, hai nhà nghiên cứu Anh Appleton Barnett trình diễn số phép đo bầu khí Trái đất, sử dụng phát xung vô tuyến coi radar Năm 1933 Viện German Kriegsmarine (Navy) bắt đầu nghiên cứu gọi Funkmesstecknik hay công nghệ đo đạc từ xa Nghiên cứu Nga năm 1934 Các đài mẫu cơng tác sóng dm sóng m dựa vào tượng phách sóng tới liên tục tín hiệu phản xạ từ mục tiêu Năm 1937, Sir Robert Watson-Watt thành công việc tạo hệ thống cho phép phát máy bay ném bom từ khoảng cách lớn 150 km Và ông coi người phát minh hệ thống radar hoàn chỉnh  Trong chiến tranh giới lần thứ Trong năm ác liệt chiến tranh, Liên -xô cho đời hàng loạt đài radar với nhiều chiến thuật khác nhau, nâng cao khả chiến đấu cho quân đội góp phần vào thắng lợi chung Hồng quân Liên - xô Cùng lúc, nước Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Nhật để nhiều sức lực vào việc phát triển kỹ thuật radar Năm 1936, Anh xây dựng hàng rào radar để bảo vệ toàn bờ biển, tầm xa 250 km Về sau, Anh cải tiến chế tạo đài radar sóng 10 cm cm, giúp ích nhiều cho khơng qn việc oanh tạc tàu ngầm Đức Năm 1939, Mỹ có đài radar ngắm bắn cao xạ dùng sóng dài 1,5 m, tầm xa 150 km Nhưng đài lại không phân biệt máy bay ta máy bay địch Cho nên, ngày 7/12/1941, Mỹ chịu thất bại nặng nề trận công Trân Châu Cảng Nhật vào hải quân Mỹ Sau thất bại này, Mỹ cố gắng nghiên cứu thêm radar sóng cm Năm 1939, Đức trang bị 6000 đài radar sóng 50 cm giúp cho pháo cao xạ hạ từ 10 đến 12% máy bay phóng pháo Đồng minh Nhưng sau đó, thu chiến lợi phẩm số đài -4 cm Anh, người Đức thấy xấu nên chủ quan ngừng nghiên cứu đài sóng cm Vì thế, hạm đội Đức bị thiệt hại nặng nề máy bay ném bom Đồng minh có trang bị radar sóng cm Với tính cạnh tranh sống vậy, vào cuối chi ến kinh thiên động địa, hầu hết công nghệ radar đại mà sử dụng xuất  Thời bình Sau chiến tranh, nhà khoa học lại tập trung nghiên cứu cải thiện dải sóng cm, sóng mm để áp dụng quân sự, thiên văn đời sống xã hội Năm 1946, Liên-xô, Mỹ Hung-ga-ri dùng radar phóng sóng điện từ lên mặt trăng thu tiếng vọng trở sau khoảng 2,5 giây, từ đưa phương pháp xác định khoảng cách đến thiên thể Khơng cịn cơng cụ độc quyền quân đội, radar thâm nhập vào sống radar hệ nhỏ hơn, rẻ hơn, dễ sản xuất mạnh nhiều Từ vệ tinh quay theo quỹ đạo trái đất, radar đại dị tìm bên sa mạc Ai Cập nhìn thấy lịng sơng cổ phế tích Hãng xe Toyota nhiều hãng xe giới lắp đặt hệ thống rađa cảnh báo va chạm cho loại xe sang trọng trang bị nho xe không người lái Một giây sau radar xe dò thấy vụ va chạm tới gần, ô-tô tự thắt chặt dây an toàn quanh hành khách bắt đầu giảm tốc độ Các vụ va chạm sườn xe xảy lái xe khơng nhìn thấy xe khác ''điểm mù'' họ chuyển đường Chúng chiếm 413.000 vụ tai nạn ô-tô năm làm bị thương 160.000 người Ngoài ra, radar tầm xa sử dụng để xác định tốc độ xe tới gần tình hồ vào dịng xe cộ xa lộ đánh giá liệu quẹo xe có an tồn hay khơng Hiện radar bắt đầu sử dụng để giám sát giao thông xa lộ, giúp nhà hoạch định biết số xe, tình trạng tắc nghẽn, tốc độ trung bình chí kích cỡ xe đường Độ tin cậy khả nă ng ''nhìn'' radar diều kiện thời tiết làm cho trở thành cơng cụ thay hấp dẫn camera Tầm quan trọng radar hay thiết bị hoạt động theo nguyên tắc giống ngày lớn Vì việc khơng n gừng nghiên cứu ứng dụng radar sống luôn vấn đề cấp thiết Phân loại đài radar Mục đích việc phân loại chia tập hợp đài radar thành nhóm có dấu hiệu chung, khơng phụ thuộc vào tính đa dạng giải pháp kỹ thuật kết cấu đài radar riêng lẻ để tiện cho việc phân tích đặc điểm cấu trúc đài radar theo quan điểm kỹ thuật hệ thống Hình 1.1 Sơ đồ phân loại đài radar Do thường phân đài radar theo dấu hiệu chiến thuật dấu hiệu kỹ thuật Các dấu hiệu chiến thuật thường gồm: công dụng đài radar, số lượng tọa độ đo được, mức độ động đài, … Các dấu hiệu kỹ thuật gồm: Dải sóng m việc đài, phương pháp radar, phương pháp đo cự ly, …  Theo công dụng chia đài radar thành loại sau: - Phát xa mục tiêu không ( radar cảnh giới) - Phát mục tiêu khơng dẫn đường cho máy bay tiêm kích đến mục tiêu ( radar cảnh giới dẫn đường) - Phát mục tiêu bay thấp - Chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phịng khơng Radar cảnh giới: để trinh sát mục tiêu không cự ly xa Loại đài radar thường đo tọa độ: cự ly phương vị mục tiêu với độ xác vừa phải Độ cao mục tiêu xác định sơ lược, công suất phát đài lớn Radar cảnh giới dẫn đường : khâu cung cấp thông tin chủ yếu hệ thống dẫn đường máy bay tiêm kích bay đến mục tiêu khơng Để đảm bảo dẫn đường cần thông tin vị tr í khơng gian mục tiêu máy bay tiêm kích, radar cần đo ba tọa độ: cự ly, phương vị độ cao với độ xác đủ đảm bảo dẫn đường thành cơng Radar phát mục tiêu bay thấp: để trinh sát mục tiêu bay thấp Radar loại có búp sóng rà thấp sát mặt đất, làm việc dải sóng cm dm, có thiết bị chế áp nhiễu tiêu cực phản xạ từ mặt đất, công suất phát nhỏ, gọn nhẹ, động Radar thị mục tiêu cho tên lửa phịng khơng: cần có cự ly tác dụng đủ xa cho sau nhận thị mục tiêu từ nó, phương tiện hỏa lực phịng khơng đủ thời gian chuẩn bị để tiêu diệt mục tiêu tầm xa Thông tin radar ( tọa độ ) cần đủ xác đảm bảo cho đài điều khiển tên lửa bám sát mục tiêu mà không cần sục sạo  Theo dấu hiệu kỹ thuật 10 Hình 3.16 Phổ tần số 850Mhz Hình 3.17 Phổ tần số 860Mhz 53 Hình 3.18 Phổ tần số 870Mhz Hình 3.19 Phổ tần số 890Mhz 54 Bảng 2: Khảo sát dải Tần số (Mhz) 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 910 18 16 14 12 dbm 10 780 Hình 3.20 Giản đồ dải thông khuếch đại công suất 55 Nhận xét: Như khuyếch đại công suất chế tạo có hệ số khuếch đại 16,9 dB, hoạt động ổn định dải thông từ 820 Mhz – 900 Mhz Công suất lối thu 80W Đây kết đáng khích lệ, kỹ thuật thu phát siêu cao tần, khối phát c ông suất lớn thường làm khó, đơi lợi hệ số khuếch đại độ ổn định lại không cao ngược lại, độ ổn định cao hệ số khuếch đại lại thấp KẾT LUẬN Luận văn tìm hiểu cách tổng quan hoạt động máy phát radar hệ hoạt động dải sóng dm Từ cở sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, kết hợp với mô tính tốn Kết qủa luận văn chế tạo module khuếch đại công suất đầu 80W hoạt động dải tần từ 820Mhz – 900Mhz với độ ổn định cao Tuy đạt kết khiêm tốn bước đầu quan trọng để tơi có thêm tự tin tìm hiểu nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực siêu cao tần Tiếp tục nghiên cứu giải pháp thiết kế nâng cao công suất cho module khuếch đại có cơng suất lối lớn 100W Việc thực luận văn giúp nắm vững kiến thức kỹ thuật siêu cao tần, sử dụng, tiếp cận phần mềm, máy móc đo đạc đánh giá kết Đặc biệt hơn, kết thu từ luận văn làm tảng cho tiếp tục học hỏi nghiên cứu để nâng cao trình độ lĩnh vực điện tử 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] GS.TSKH Phan Anh(2009) Giáo trình lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần , Bộ môn Thông tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ [2] GS.TSKH Phan Anh(2009) Trường điện từ truyền sóng, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội [3] Ths Vũ Tuấn Anh(2009) Luận văn cao học, Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Cơng Nghệ [4] Giáo trình cơng nghệ thơng tin vệ tinh (2004), Tập đồn bưu viễn thơng [5] PGS.TS Hoàng Thọ Tu(2002), Cơ sở xây dựng đài radar cảnh giới, NXB quân đội nhân dân [6] Phạm Minh Việt(2004) Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng 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] John Kai chang, Encyclopedia of RF and Microwave Enginneering, Wiley & Sons, Inc Và số tài liệu, báo , tạp chí khác mạng internet 57 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bảy tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy Bạch Gia Dương, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt thời gian thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô Bộ môn Vô tuyến Điện tử thầy cô Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, người ln nhiệt tình giảng dạy bảo suốt hai năm học qua Và xin cảm ơn thầy cô cán trung tâm nghiên cứu Điện tử Viễn thông Trường Đại học Công nghệ tạo điều kiện tốt cho nghiên cứu thời gian làm luận văn Cuối xin cảm ơn gia đình bạn học viên cao học khó a 20092011, người bên cạnh động viên, giúp đỡ trình học tập Hà Nội ngày 20 tháng 12 năm 2011 Học viên Ngô Văn Thƣởng 58 LỜI CAM ĐOAN Trong q trình làm luận văn thạc sỹ, tơi đọc tham khảo nhiều loại tài liệu khác từ sách giáo trình, sách chuyên ngành báo đăng tải ngồi nước Tơi xin cam đoan tơi viết hồn tồn thống khơng bịa đặt, kết đo đạc thực nghiệm đạt luận văn không chép từ tài liệu hình thức Những kết tơi nghiên cứu, đạt suốt thời gian làm luận văn Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm có dấu hiệu chép kết từ tài liệu khác Hà nội, ngày 20 tháng 12 năm 2011 Học viên Ngô Văn Thƣởng 59 TÓM TẮT NỘI DUNG Bảo vệ chủ quyền quốc gia nhiệm vụ đặc biệt quan trọng dân tộc thời chiến lẫn thời bình Việt Nam nước phát triển, có nhiều nguồn lực kinh tế xã hội mặt cơng nghệ cịn lạc hậu Hơn nữa, sống thời kỳ mở cửa hội nhập với bạn bè quốc tế, hội có nhiều phải đối mặt với thách thức ngày phức tạp Hệ thống đài radar quân góp phần quan trọng cơng bảo vệ tồn vẹn lãnh thổ thiêng liêng tổ quốc Đài radar hệ thống phức tạp từ việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động thiết kế, xây dựng chế tạo Trong hệ thống phần máy phát cơng suất lớn nhà khoa học nước đặc biệt quan tâm Do việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động, bước làm chủ công nghệ chế tạo máy phát công suất lớn nhiệm vụ cần thiết nhà khoa học Việt Nam Trong khuôn khổ luận văn này, song song với việc nghiên cứu lý thuyết siêu cao tần hoạt động máy phát công suất lớn cho đài radar dải sóng dm, tơi nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành công modul khuyếch đại công suất lối 80W, module kết hợp với tầng module kích cơng suất khác để cấu thành nên máy phát công suất lớn đài radar hoạt động dải sóng dm Do thời gian thực luận văn ngắn, cộng với vốn kiến thức hạn chế nên luận văn chắn nhiều thiếu sót, tơi mong nhận góp ý, bảo thầy để hồn thiện viết Hà nội, ngày 20 tháng 12 năm 2011 Học viên Ngô Văn Thƣởng 60 Mục lục Mục lục DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU Chƣơng III Thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất siêu cao tần CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR Lịch sử phát triển Radar Phân loại đài radar Sơ đồ khối máy phát radar CHƢƠNG KỸ THUẬT THU PHÁT SIÊU CAO TẦN Giới thiệu chung Thiết kế mạch khuếch đại công suất kỹ thuật siêu cao tần Mơ hình tương đương tham số tập trung đường truy 2 Phương trình sóng nghiệm Truyền sóng đường dây Nghiệm phương trình v Thiết kế khuếch đại siêu cao tần sử dụng ma trận tán Các tham số tán xạ mạng hai cổng 2.6 Một số phương pháp phối hợp trở kháng 6.1 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung 6.2 Phối hợp trở kháng dùng dây nhánh 6.3 Phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh 61 2.6.4 Phối hợp trở kháng doạn dây lamda/4 38 2.6.5 Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài 38 2.6.6 Phối hợp trở kháng đoạn dây mắc nối tiếp .39 CHƢƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT SIÊU CAO TẦN 40 Thiết kế, mô phỏng, chế tạo khuếch đại công suất dùng Transistor PTF082001E 41 Mơ kết tính tốn phối hợp trở kháng .43 Kết đo 46 Sau tiến hành đấu nối thiết bị với mạch khuếch đại, tiến hành đo kiểm tra kết thu tần số sau: 51 KẾT LUẬN: 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 62 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADS ADS-B AIDC AMHS ATM ATN ATS CM C–N–S CPDLC 63 DSB ICAO EHF LNA LVA LSB PSR PR RF SHF SR SSR SSB 64 UHF USB VCO Hình 1.0 Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 65 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 66 Hình 3.17 Phổ tần số 860Mhz Hình 3.18 Phổ tần số 870Mhz Hinh 3.19 Phổ tần số 890Mhz Hình 3.20 Giản đồ dải thơng khuếch đại công suấ 67 ... siêu cao tần Chương Thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất siêu cao tần NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SÓNG DM( 820 -900MHZ) CHƢƠNG TỔNG...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGÔ VĂN THƢỞNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SĨNG DM( 820 -900MHZ) Chun... thấp, xin giới thiệu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo module khuếch đại cơng suất dùng máy phát Radar dải sóng dm( 820 -900Mhz) ” Bằng lý thuyết thực nghiệm, luận văn thực