Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ dao động tần số 3GHz ứng dụng cho hệ thống radar i2 37

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài:Nghiên cứu thiết kế chế tạo dao động tần số 3GHz cho hệ thống radar П-37 Tác giả luận văn:Nguyễn Thị Tâm Minh Khóa:2009 Người hướng dẫn:TS.Đỗ Trọng Tuấn Nội dung tóm tắt: Xuất phát từ thực tiễn phận máy thu cũ đài radar П-37 Liên Xô sản xuất nói chung có dao động khơng có thiết bị để thay thế, u cầu đặt phải phải chế tạo dao động đáp ứng tiêu kỹ thuật để thay thế, em sâu vào nghiên cứu để thiết kế chế tạo dao động mạch vi dải cho đài radar đáp ứng yêu cầu đề Radar П – 37 Liên Xô (cũ) sản xuất Cộng hoà Liên bang Nga ngày cải tiến radar làm việc dải sóng cm có chức cảnh giới, ngồi radar cịn có nhiệm vụ dẫn đường cho khơng qn tiêm kích Radar П – 37 có kênh thu phát riêng biệt làm việc tần số độc lập dải tần số từ khoảng 2,7 GHz đến 3,1 GHz Nội dung luận văn trình bày gồm phần: Chương trình bày khái quát dao động siêu cao tần nghiên cứu mạch dải, công nghệ cho phép sản xuất mạch có độ xác cao, dễ sản xuất hàng loạt (bằng phương pháp tự động), mạch có kích thước bé (cả thể tích trọng lượng), có khả tương thích với quy trình mạch tích hợp Trên sở đến thiết kế dao động bán dẫn VCO mạch dải đáp ứng tiêu yêu cầu thiết kế (dải tần làm việc, công suất ) Chương nêu nguyên nhân gây ổn định dao động siêu cao tần (do ảnh hưởng ổn định nguồn nuôi, ảnh hưởng nhiệt độ ), đồng thời đề số phương pháp ổn định dao động, phương pháp ổn định sử dụng hốc cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao, phương pháp ổn định sử dụng kỹ thuật vịng khố pha… Trên sở lý thuyết chương 2, chương trình bày thiết kế, chế tạo VCO mạch vi dải sử dụng kỹ thuật vịng khố pha PLL Việc ổn định tần số dao động GHz thực mạch vịng khóa pha PLL (Phase Lock Loop) Một phần đầu VCO đưa đến đầu vào PLL so sánh với tần số chuẩn đưa điện áp DC điều khiển Varator mạch dao động để điều hưởng dao động đến fVCO = (N/R)*fChuẩn Khi chế tạo dao động cho đài rada ta thay modul mạch tạo dao động VCO IC ROS-2952+ có sẵn để giảm phức tạp chế tạo tích hợp modul Với tần số làm việc VCO từ 2,7-3,1 GHz sử dụng tổ hợp tần số ADF4113 để nâng cao độ ổn định dao động VCO cho đài rađa Dao động chuẩn ta dùng thạch anh loại chân tần số 16.9344 MHz: chân không dùng, chân nối đất, chân nối nguồn 5V chân đưa tần số 16.9344MHz nối với đầu vào tham chiếu REFin ADF4113 Để điều khiển đầu tần số mong muốn, ta sử dụng vi điều khiển PIC 12F675 chân Ta chọn thực mạch dải kiểu FR4, vật liệu Teflon có số điện mơi εr=4.7, độ dày điện môi h = 0.8mm Với loại mạch dải này, phối hợp trở kháng 50Ω ta tính chiều rộng đường dẫn tín hiệu cao tần từ ROS-2952+ w = 1,4mm Kết đo mạch dao động sau chế tạo thoả mãn yêu cầu đưa đài radar П – 37 (Công suất, tần số ) Khi thay đổi giá trị nạp cho PIC điều khiển đầu ta thu tín hiệu dao động tần số mong muốn khoảng 2,7-3,1GHz với công suất khoảng 10dBm Kết đo số liệu thực nghiệm cho thấy khả ứng dụng luận văn vào thực tế cao thiết kế chế tạo VCO thay cho ngoại sai mà đài rađa sử dụng Ưu điểm tần số dao động điều khiển xác ổn định thay đổi tham số nạp cho PIC điều khiển Nhược điểm công suất dao động chưa đạt mức 10 dBm bị suy hao lớn đường truyền vi dải MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chương 1: Các lý thuyết sở để thiết kế dao động bán dẫn siêu cao tần 1.1.Các loại mạch dao động 1.1.1.Điều kiện dao động 1.1.2 Mạch dao động tần số thấp .9 1.1.3 Mạch dao động tần số cao 11 1.1.4 Dao động thạch anh 15 1.2 Dao động bán dẫn siêu cao tần (SMO) 17 1.2.1 Tổng quan chung 17 1.2.2 Phân loại dao động bán dẫn siêu cao tần 18 1.2.3 Các dao động diode điện trở âm 19 1.2.4 Các dao dộng transistor 23 1.2.5 Các dao động khác 26 Chương 2: Độ ổn định dao động bán dẫn siêu cao tần số giải pháp nâng cao tính ổn định 35 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định dao động bán dẫn siêu cao tần 35 2.2 Một số giải pháp nâng cao tính ổn định dao động bán dẫn siêu cao tần 36 2.2.1 Phương pháp ổn định sử dụng hốc cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao.36 2.2.2 Phương pháp ổn định bơm khoá pha (Injection phase locking) .38 2.2.3 Ảnh hưởng không ổn định nguồn nuôi giải pháp ổn định 39 2.2.4 Ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ phương pháp ổn định 39 2.2.5 Giải pháp sử dụng vịng khóa pha để nâng cao độ ổn định VCO 41 Chương 3: Thiết kế chế tạo dao động bán dẫn siêu cao tần số 3GHz cho đài radar Π-37 46 3.1 Bộ dao động radar Π-37 46 3.1.1.Giới thiệu chung đài radar П -37 46 3.1.2 Bộ dao động sử dụng đài radar П-37 47 3.2 Thiết kế dao động cho đài radar П-37 .48 3.2.1 Phương pháp thiết kế dao động 48 3.2.2 Thiết kế dao động VCO mạch khuếch đại ADS .51 3.2.3 Thiết kế vịng khóa pha PLL 60 3.2.3 Chế tạo dao động cho đài rada 69 3.2.4 Kết đo 75 KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 LỜI CAM ĐOAN       Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu riêng tôi, không chép thực sở nghiên cứu lý thuyết Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu theo danh mục tài liệu tham khảo Các số liệu có nguồn trích dẫn, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Hà Nội, ngày 28 tháng 08 năm 2011 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Tâm Minh           BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT     VCO Voltage Control Oscillator SMO Solid-state Microwave Oscillator PLL Phase Lock Loop RF Radio Frequency FET Field Effect Transistor BARITT Barrier Injection Transit Time IMPATT IM Pact Avalanche Transit-Time Diode TRAPATT Trapped-Plasma Avalanche Transit Time                         MỞ ĐẦU Kỹ thuật siêu cao tần ngày ứng dụng rộng rãi lĩnh vực kinh tế quốc dân quốc phịng, ví dụ đài đa, thông tin viễn thông, điện thoại, hệ thống điều khiển, điều trị chữa bệnh, điều khiển giao thông vv Mạch dao động siêu cao tần ứng dụng nhiều lĩnh vực khác truyền tin, truyền hình, điều khiển tính tốn, điều hành giao thơng, hàng hải, nông nghiệp, y học đại.v.v Trong quân ứng dung thơng tin liên lạc, phịng khơng, không quân, hải quân Tuỳ theo yêu cầu chức thiết bị mà dao động siêu cao tần thiết kế với đèn điện tử klistron, magnetron, dùng bán dẫn transsitor lưỡng cực (bipolar), transistor trường (FET), loại điốt có trở kháng âm điốt TUNNEL, điốt IMPATT (Impact Avalanche and Transit Time), điốt TRAPATT (Trapped-Plasma Avalanche Transit Time), điốt BARITT (Barrier Injection Transit Time), điốt GUNN Ngày dao động bán dẫn siêu cao tần (viết tắt SMO: solid-state microwave oscillator) với ưu điểm nhỏ nhẹ, dùng nguồn thấp, tuổi thọ cao, chế độ làm việc ổn định, tạp thấp sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, ví dụ mạch định thời gian, kỹ thuật số mạch trộn tín hiệu Nó cịn dùng chức quan trọng khác dao động chỗ máy thu phát thay cho dao động dùng đèn điện tử cồng kềnh, tuổi thọ chất lượng làm việc thấp, tạp lớn, tốn nhiều nguồn, khó điều chỉnh Các SMO tạp thấp đóng vai trị quan trọng hệ thống rađa thông tin Các tạo dao động bán dẫn siêu cao tần nước giới phát triển từ năm 1970 Có thể chia dao động bán dẫn siêu cao tần làm hai loại chính: Các dao động điốt trở kháng âm (như GUNN IMPATT) thực hốc cộng hưởng với điốt Varactor tạo thành VCO Bộ dao động VCO thiết kế mạch dải sử dụng bán dẫn trường bán dẫn Bipolar điốt Varactor Các dao động bán dẫn siêu cao tần có ưu điểm kích thước bé, có độ ổn định cao, tạp nhỏ cấp nguồn đơn giản, dao động sử dụng làm máy phát (có sử dụng kỹ thuật cộng công suất) Các dao động bán dẫn siêu cao tần sử dụng làm dao động ngoại sai đài rađa thường thực dạng VCO (Voltage Controlled Oscillator: dao động điều chỉnh điện áp), VCO điều chỉnh tần số dao động cách dễ dàng cách thay đổi điện áp cấp cho Varactor Mục đích đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo dao động mạch vi dải để thay dao động cũ sử dụng đèn cực radar П-37 Radar П-37 Liên Xô sản xuất Cộng hoà Liên bang Nga ngày cải tiến radar làm việc dải sóng cm (dải tần làm việc từ 2,7 GHz đến 3,1 GHz) có chức cảnh giới ngồi cịn có nhiệm vụ dẫn đường cho khơng qn tiêm kích Hiện phận máy thu cũ đài radar nói chung có dao động khơng có thiết bị để thay Yêu cầu đặt phải chế tạo dao động đáp ứng tiêu kỹ thuật để thay cho dao động cũ đài radar Xuất phát từ thực tiễn em sâu vào nghiên cứu để thiết kế chế tạo dao động mạch vi dải cho đài radar đáp ứng yêu cầu đề Nội dung luận văn trình bày gồm chương: Chương 1: Các lý thuyết sở để thiết kế dao động bán dẫn siêu cao tần: trình bày khái quát dao động siêu cao, lý thuyết sở để thiết kế dao động bán dẫn siêu cao tần Chương 2: Độ ổn định dao động bán dẫn siêu cao tần số giải pháp nâng cao tính ổn định: đưa nguyên nhân gây ổn định dao động bán dẫn siêu cao tần (do ảnh hưởng ổn định nguồn nuôi, ảnh hưởng nhiệt độ ), đồng thời đề số phương pháp ổn định dao động, phương pháp ổn định sử dụng hốc cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao, phương pháp ổn định sử dụng kỹ thuật vịng khố pha… Chương 3: Thiết kế chế tạo dao động bán dẫn siêu cao tần số 3GHz cho đài radar Π-37: Trên sở lý thuyết chương 2, trình bày thiết kế, chế tạo VCO 3GHz mạch vi dải sử dụng kỹ thuật vịng khố pha PLL Trong qúa trình làm luận văn, hướng dẫn tận tình cán phịng thí nghiệm phịng Thí nghiệm Radar - Viện Radar - Viện KHKT Quân sự, thầy giáo hướng dẫn, đồng thời qua trình nghiên cứu tài liệu, thiết kế em tìm hiểu dao động, thiết kế sử dụng phần mềm thiết kế mạch ADS chế tạo VCO 3GHz Em xin chân thành cảm ơn cán phịng Thí nghiệm Radar thầy Đỗ Trọng Tuấn tận tình giúp đỡ em hồn thành luận văn Chương 1: Các lý thuyết sở để thiết kế dao động bán dẫn siêu cao tần 1.1.Các loại mạch dao động 1.1.1.Điều kiện dao động Hình 1.1 sơ đồ khối mạch dao động có hồi tiếp Vin Av  Vf  Vout β  Hình 1.1 Sơ đồ khối mạch dao động có hồi tiếp Nếu pha Vf lệch 180º so với Vin ta có hồi tiếp âm Nếu pha Vf pha với Vin (hay lệch 360º) ta có hồi tiếp dương Hệ số khuếch đại mạch Av = Hệ số khuếch đại mạch hồi tiếp β = Độ lợi mạch có hồi tiếp (1.1) βAv = → A =Vout/ Vin = ∞ → Vin = Nghĩa khơng có tín hiệu nguồn Vin mà có tín hiệu Vout tức mạch tự tạo tín hiệu gọi mạch dao động Điều kiện để mạch dao động là: (1.2) Mạch điều khiển chuyển tần số dao động Đài rađa Π-37 làm việc tần số khác nhau, tần số máy phát bám theo tần số VCO, lấy VCO làm chuẩn Vì cần phải chuyển tần số dao động VCO ổn định dao động Điều khiển chuyển tần số dao động VCO sử dụng vi điều khiển PIC 12F675 Hình 3.20 PIC 12F675 Nguyên lý hoạt động: IC ADF 4113 chia tần số dao động chuẩn (16.9344MHz) cho số nguyên R thành tần số f1 chia tần số dao động VCO (fRFout) cho số nguyên N thành tần số f2 Sau đó, tiến hành so sánh tần số f1 f2 với nhau, có sai lệch tần số đưa điện áp điều khiển cho VCO dao động tần số mà sau chia cho N tần số dao động chuẩn chia cho R (nghĩa f1 = f2) IC PIC 12F675 lập trình điều khiển thay đổi hệ số chia R, N chế độ làm việc IC ADF 4113 Việc đặt tần số dao động VCO thực cách thay đổi hệ số chia R N cách lập trình cho IC PIC 12F675 Ta chọn tần số tách sóng pha f1 = f2 = 20 kHz (tần số tách sóng pha cực đại ADF4113 55 MHz) Tân số dao động chỗ LO tần số máy phát (cũng tần số RF đầu vào máy thu) - 30MHz để tín hiệu đưa vào trộn tần tạo tín hiệu trung tần IF 30 MHz đưa vào xử lý Ta có bẳng giá trị R, N tương ứng với kênh tần số rada là: 66 Tần số máy phát Tần số dao động R (GHz) chỗ LO (máy thu) N (fchuẩn/20kHz) (fLO/20kHz) (GHz) 2710 2680 846 134000 2830 2800 846 140000 2980 2950 846 147500 3010 2980 846 149000 3100 3070 846 153500 Thiết kế lọc vịng chương trình ADIsimPLL Sử dụng chương trình ADIsimPLL để thiết kế lọc vịng cho vịng khóa pha ta chọn thơng số sau bước trình bay hình 3.19, 3.20: Chọn dải tần số hoạt động: 2.7 -3.1 GHz Chọn loại chip PLL sử dụng ADF4113 Chọn dao động VCO ROS-2952+ Chọn tần số dao động chuẩn (tần số) tham chiếu: 16.9344MHz Chọn loại mạch lọc thụ động loại hình 3.21 67 Hình 3.21 Chọn loại mạch lọc thụ động Sơ đồ nguyên lý tổ hợp tần số ADF4113 sử dùng lọc thụ động trình bày hình 3.22 68 Hình 3.22.Sơ đồ nguyên lý tổ hợp tần số ADF4106 sử dùng lọc tích cực 3.2.3 Chế tạo dao động cho đài rada Khi chế tạo dao động cho đài rada ta thay modul mạch tạo dao động VCO IC có sẵn để giảm phức tạp chế tạo tích hợp modul Bộ tạo dao dộng sử dụng ROS-2952+ trình bày hình 3.23 với điện áp điều chỉnh V-Tune từ 0–4,5V, tần số từ 2,6-3,1GHz, công suất đầu 4dBm nguồn cung cấp 5V Đường đặc tuyến tần số công suất với điện áp điều chỉnh V-Tune trình bày hình 3.24 69 Hình 3.23.Bộ tạo dao động ROS-2952+ Hình 3.24 Đặc tuyến ROS-2952+ 70 Bộ khuếch đại sử dụng ERA-4+, sơ đồ mạch tương đương, hình dạng ERA4+ sơ đồ mạch khuếch đại trình bày hình 3.25, 3.26 Hình 3.25.Bộ khuếch đại ERA-4+và sơ đồ mạch tương đương Hình 3.26.Sơ đồ mạch khuếch đại ERA-4+ 71 Với dao động VCO 3GHz, ta chọn thực mạch dải kiểu FR4, vật liệu Teflon có số điện mơi εr=4.7, độ dày điện môi h = 0.8mm Với loại mạch dải này, phối hợp trở kháng 50Ω ta tính chiều rộng đường dẫn tín hiệu cao tần từ ROS-2952+ w = 1,4mm (theo công thức 1.30, 1.31 chương sử dụng phần mềm tính tốn mạch vi dải) Sơ đồ mạch thiết kế dao động dải tần 2,7-3,1GHz cho rada trình bày hình 3.27 sơ đồ layout hình 3.28 72 Hình 3.27 Sơ đồ mạch dao động thiết kế Orcad 73 Hình 3.28 Sơ đồ mạch layout dao động thiết kế Orcad 3.2.4 Kết đo Hình 3.29 Bộ dao động VCO Đo tín hiệu trộn tần máy phân tích phổ: - Cấp nguồn chiều cung cấp cho VCO điện áp +12V - Do riêng IC khuếch đại ERA-4+ sử dung nguồn +12V, IC khác: ROS-2952+, thạch anh chân, PIC 12F675, PLL ADF 4113 sử dụng nguồn +5V nên ta sử dụng IC ổn áp nguồn LM7805 để đưa nguồn +5V đầu - Nạp chương trình cho PIC 12F675: Trường hợp 1: N = P.B+A = 149000 Với P =32 75 A = (hệ nhị phân biểu diễn bits 00 1000) B =4656 (hệ nhị phân biểu diễn 13 bits 01 0010 0011 0000) R = 846 ( hệ nhị phân biểu diễn 14bits 00 0011 0100 1110) Đầu VCO thu tín hiệu: Tần sơ 2980 MHz; cơng suất 10 dBm Hình 3.30 Tín hiệu VCO tần số 2980MHz máy phân tích phổ Trường hợp 2: N = P.B+A = 140000 Với P =32 A = (hệ nhị phân biểu diễn bits 00 0000) B =4375 (hệ nhị phân biểu diễn 13 bits 01 0001 0001 0111) 76 R = 846 ( hệ nhị phân biểu diễn 14bits 00 0011 0100 1110) Đầu VCO thu tín hiệu: Tần sơ 2800 MHz; cơng suất 10 dBm Hình 3.31 Tín hiệu VCO tần số 2800MHz máy phân tích phổ Trường hợp 3: N = P.B+A = 134000 Với P =32 A = 16 (hệ nhị phân biểu diễn bits 01 0000) B = 4187 (hệ nhị phân biểu diễn 13 bits 01 0000 0101 1011) R = 846 ( hệ nhị phân biểu diễn 14bits 00 0011 0100 1110) Đầu VCO thu tín hiệu: Tần sơ 2680 MHz; cơng suất 10 dBm 77 Hình 3.32.Tín hiệu VCO tần số 2680MHz máy phân tích phổ Nhận xét kết đo mạch thực tế: Kết đo mạch dao động thoả mãn yêu cầu đưa đài radar П – 37 Khi thay đổi giá trị N nạp cho PIC 12F675 đầu ta thu tín hiệu dao động tần số mong muốn khoảng 2,6-3,1GHz với công suất khoảng 10dBm 78 KẾT LUẬN Luận văn trình bày khái quát dao động siêu cao tần nghiên cứu mạch dải, công nghệ cho phép sản xuất mạch có độ xác cao, dễ sản xuất hàng loạt (bằng phương pháp tự động), mạch có kích thước bé (cả thể tích trọng lượng), có khả tương thích với quy trình mạch tích hợp Trên sở đến thiết kế dao động bán dẫn VCO mạch dải đáp ứng tiêu yêu cầu thiết kế (dải tần làm việc, công suất ) Luận văn nêu nguyên nhân gây ổn định dao động siêu cao tần (do ảnh hưởng ổn định nguồn nuôi, ảnh hưởng nhiệt độ ), đồng thời đề số phương pháp ổn định dao động, phương pháp ổn định sử dụng hốc cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao, phương pháp ổn định sử dụng kỹ thuật vịng khố pha…Trên sở thiết kế, chế tạo VCO 3GHz sử dụng kỹ thuật vịng khố pha PLL Kết đo số liệu thực nghiệm cho thấy khả ứng dụng luận văn vào thực tế cao thiết kế chế tạo VCO thay cho ngoại sai mà đài rađa sử dụng 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phùng Hồ - Giáo trình vật lí điện tử - NXB KHKT 2001 [2] Phạm Minh Việt - Kỹ thuật siêu cao tần - NXB KHKT 2002 [3] Pozar D.M - Microwave Engineering - Second Edition John Wiley & Sons.Inc 1998 [4] George D Vendelin - Microwave Engineering - Second Edition John Wiley & Sons.Inc 2005 [5] George D Vendelin - Microwave circuit Design using linear and nonlinear techniques - Second Edition John Wiley & Sons.Inc 2005 [6] I.D Robertson and S Lucyszyn – RFIC and MMIC design and technology – The Institution of Electrical Engineers 2002 80 ... đài radar П -37 46 3.1.2 Bộ dao động sử dụng đài radar П -37 47 3.2 Thiết kế dao động cho đài radar П -37 .48 3.2.1 Phương pháp thiết kế dao động 48 3.2.2 Thiết kế dao động. .. cung cấp [V]: +12÷15 Hệ số sóng ? ?ứng: ≤1,2 3.2 Thiết kế dao động cho đài radar П -37 3.2.1 Phương pháp thiết kế dao động Các dao động bán dẫn siêu cao tần sử dụng làm dao động ngoại sai đài rađa... (bộ lọc loại 2) hình 2.9 Hình 2.8 Sơ đồ lọc vịng tích cực (bộ lọc vịng loại 2) 45 Chương 3: Thiết kế chế tạo dao động bán dẫn siêu cao tần số 3GHz cho đài radar Π -37 3.1 Bộ dao động radar Π-37