Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 24 (2008) 214-220 Nghiên cứu, chế tạo mơ đun phát tín hiệu mã pha radar dải sóng dm ðỗ Trung Kiên1,*, Bạch Gia Dương2, Vũ Tuấn Anh2, Phạm Văn Thành1 Trường ðại học Khoa học Tự nhiên, ðHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Trường ðại học Công nghệ, ðHQGHN, 144 Xuân Thủy, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 25 tháng 02 năm 2008 Tóm tắt Bài báo trình bày số kết thực nghiệm chế tạo phát radar xung Kít phát triển vi điều khiển PIC16F877A phát mã Barker 13 bít số mã ña dạng khác thường ñược sử dụng hệ thống radar Bộ dao ñộng nội ñược thiết kế phạm vi dải tần từ 800MHz ñến 900MHz tổ hợp tần số LM2316 mạch VCO Tần số dao động dễ dàng thay ñổi với kết hợp PIC16F877A Bộ khuếch đại cơng suất cao tần chế tạo có cơng suất xung lối 90W sử dụng công nghệ mạch dải cho phối hợp trở kháng lối vào lối transistor cao tần Từ khóa: Mã Barker, nén xung, dao động nội, khuếch đại cơng suất cao tần, mạch dải Giới thiệu∗ Tại vùng tần số thấp, việc thiết kế khuếch đại khơng khó khăn mà có chút ý lựa chọn điểm làm việc cho transistor cho có ñược công suất lối cực ñại Nhưng với khuếch ñại hoạt ñộng miền tần số cao, cỡ 900MHz cần phải sử dụng kĩ thuật mạch dải Nén xung kĩ thuật sử dụng để có cơng suất trung bình tín hiệu phát ñảm bảo ñược ñộ phân giải cao cho hệ thống định vị vơ tuyến Nén xung thực lọc phối hợp dùng hàm tương quan Trong số dạng sóng sử dụng kĩ thuật nén xung, mã Barker có hàm tự tương quan thích hợp cho kĩ thuật radar xung Một số lí thuyết hệ radar Sơ ñồ khối ñơn giản phát radar trình bày Hình [1] Bài tốn liên quan đến kĩ thuật radar có nhiều phần liên quan đến lĩnh vực truyền thơng sóng ngắn Với khuếch đại cơng suất cao tần, đầu phát, tín hiệu cần khuếch đại trước truyền Khuếch đại cơng suất cao tần phần thiếu ứng dụng truyền dẫn qua ăng-ten Hình Sơ đồ khối phát radar _ ∗ Khối phát dạng sóng (waveform generator) gồm mơ đun mã pha để tạo mã cụ thể cho Tác giả liên hệ ðT: 84-4-8582254 E-mail: dtkien@vnu.edu.vn 214 Đ.T Kiên nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Cơng nghệ 24 (2008) 214-220 xung mã pha; khối dao ñộng nội ổn ñịnh (stable local oscillator - StaLo) phát dao ñộng ổn ñịnh tần số RF ñể trộn trung tần cho khối phát tách trung tần cho khối thu Khối trộn (mixer) để thực nhiệm vụ trộn Khối khuếch đại cơng suất cao tần (microwave power amplifier) ñể cung cấp ñủ lượng cần thiết cho tín hiệu radar trước truyền phát ăng-ten ñể thực việc truyền thông quãng ñường dài 215 Hình Mã Barker 13 bít tín hiệu BPSK tương ứng 2.1 Mã Barker [2,3] Nén xung kĩ thuật quan trọng thiếu q trình xử lí tín hiệu thu radar để phân tích thơng tin mục tiêu Trong q trình nén xung, xung dài độ rộng τ ñược chia thành N xung nhỏ hơn, xung có ñộ rộng ∆τ = τ/N Pha xung nhỏ theo điều chế khóa dịch pha nhị phân (binary phase shift keying signal - BPSK) chọn pha cho bít “1” điện áp “+”, pha π cho bít “0” điện áp “-” Mã Barker ưa chuộng đỉnh thùy hàm tự tương quan (autocorrelation function) có độ cao N, N ñộ dài mã Barker, ñộ cao thùy phụ hai bên Một số mã Barker tiếng trình bày Bảng Tín hiệu hàm tự tương quan mã Barker 13 bít Hình Hình Hình Hàm tự tương quan mã Barker 13 bít 2.2 Khuếch đại cơng suất cao tần [4] ðây khối mạch thiếu truyền dẫn sóng điện từ qua ăng-ten Việc thiết kế khối bao gồm việc chọn ổn ñịnh ñiểm làm việc tĩnh cho transistor, ño lường tham số S, thiết kế mạch dải cho phối hợp trở kháng lối vào lối ra, đo lường thơng số kĩ thuật mạch Sơ ñồ khối mạch khuếch đại Hình Bảng Một số mã Barker quan trọng Chiều dài mã 11 13 Mã ñộ suy giảm thùy phụ (dB) 10 110 1110 11101 1110010 11100010010 1111100110101 (6.0) (9.5) (12.0) (14.0) (16.9) (20.8) (22.3) Hình Mơ hình khối khuếch đại cơng suất Hoạt động phần tử tần số cao tần cần phân tích sử dụng tham số tán xạ [S] (scattering) Các tham số ñược xác ñịnh theo sóng tương ứng 216 Đ.T Kiên nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 24 (2008) 214-220 S ij = (1) V i− V + j V + = for k ≠ j k Các phận ñể phối hợp trở kháng lối vào lối cho mạch transistor (Input/Output matching circuit) ñây sử dụng kỹ thuật mạch dải Hệ số khuếch ñại tổng cộng GT = GS.G0.GL GT = − Γs − S11Γs − ΓL S 21 2 − S 22 ΓL (2) Hình Kít phát triển PIC16F877A Với GS, G0 , GL hệ số khuếch đại hình Γs, ΓL hệ số phản xạ nguồn tải Các kết thực nghiệm 3.1 Tạo mã Barker 13 bít sử dụng bo mạch vi điều khiển PIC16F877A Kít phát triển cho vi điều khiển PIC16F877A ñược xây dựng ñể tạo mã Barker đề cập Bảng Ngồi với tốc độ xử lí nhanh linh động tiện lợi vi điều khiển, bo mạch tạo mã khác dùng cho u cầu radar (Hình 5) Mã Barker 13 bít Hình tạo với đầy đủ thơng số kĩ thuật cần có thực tế cho hệ radar: độ rộng bít 2µs, chiều dài chuỗi 13 bít 26µs, tần số lặp lại xung 1kHz Ngồi vi điều khiển cịn đưa chân khác xung nhịp ñồng hồ xung đơn đánh dấu bắt đầu chuỗi bít Khi người lập trình muốn phát mã khác, dễ dàng thay đổi chương trình C nạp vào vi điều khiển Hình Mã Barker N = 13 3.2 Khối tạo dao ñộng nội LM2316 ñược dùng với khối dao ñộng ñiều khiển ñiện áp VCO (Voltage Controlled Oscillator) để phát tín hiệu nhiễu thấp, ổn ñịnh ñể ñiều khiển dao ñộng nội thu phát radar Tần số dao động nội linh hoạt thay đổi liệu phát từ vi ñiều khiển PIC16F877A ñẩy vào ghi liệu 21 bít LM2316 Trong nội dung thực nghiệm u cầu, chúng tơi ñiểu chỉnh ñể dải tần khối dao ñộng nội tùy biến từ 800MHz đến 900MHz Sai số tần số phát 10Hz tương ñương chất lượng ổn định thạch anh Hình Hình chụp từ mạch thực nghiệm, Hình tần số tín hiệu đo máy phân tích phổ Đ.T Kiên nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 24 (2008) 214-220 217 3.3 Khối khuếch đại cơng suất cao tần cơng suất xung 90W Mơ đun khuếch đại cơng suất làm việc chế độ xung, cơng suất xung 90W thiết kế chế tạo cơng nghệ mạch dải (Microstrip) Sơ đồ ngun lý tầng khuếch đại cơng suất 90W trình bày Hình 10 Hình Khối tổ hợp tần số LM2316 Hình 10 Sơ đồ ngun lý mạch khuếch đại cơng suất cao tần Cơng suất ñiều chỉnh nhờ ñiều chỉnh ñiện áp phân cực sơ đồ ngun lý Hình 10 Trong biến trở R5 ñiều chỉnh ñiện áp phân cực transistor Hình Mạch VCO Các lọc nguồn trình bày sơ ñồ làm ổn ñịnh chế ñộ làm việc, lọc nhiễu tránh tự kích cho tầng khuếch ñại Transistor Q1 làm nhiệm vụ dịch mức lối IC ổn áp LM7805 Bộ lọc gồm C1, C2, C3, R1, R2 có nhiệm vụ lọc điện áp phân cực cho cực cửa (cực G) Bộ lọc gồm C7, C8, C9, C10, C11, C16, C17, C18, C19, C20, cuộn chặn L1 L2 có nhiệm vụ lọc điện áp máng (cực D) cho transistor MOSFET Hình Tần số dao động máy phân tích phổ R3131A Sử dụng điện trở phức giản đồ Smith Hình 11 ñể thiết kế mạch dải phối hợp trở kháng với ñiện trở lối vào lối dải tần số từ 830MHz tới 900MHz Trở kháng vào transistor tần số từ 830MHz tới 860MHz Đ.T Kiên nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 24 (2008) 214-220 m1 freq=850.0MHz dB(S(2,1))=-0.487 m1 50 40 vswr(S11 ) tính từ phương pháp ngoại suy tuyến tính giản đồ Smith Các tham số mạch dải sử dụng mảng mạch in PCB loại FR4 tính tốn từ phần mềm thiết kế mơ Ansoft trình bày Bảng -10 dB(S(2,2 )) dB(S(2,1 )) 218 m4 freq=850.0MHz dB(S(2,2))=-28.938 -20 m3 freq=850.0MHz vswr(S11)=1.284 30 20 10 m4 m3 -30 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 freq, GHz 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 freq, GHz 50 vswr(S22) 40 30 m2 freq=850.0MHz vswr(S22)=1.074 20 10 m2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 freq, GHz Hình 12 Các tham số S mơ 850MHz Mạch điện khối khuếch đại cơng suất cao tần lắp ráp thực tế đưa Hình 13 Hình 11 Biểu đồ Smith tính tốn trở kháng lối vào lối transistor Bảng Các thông số mạch dải tính phần mềm Ansoft Mạch dải (li) l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 l8 l9 l10 l11 Z0 (Ω) 2.2784 11.3663 10.7038 49.7781 10.7038 10.0064 49.7781 49.7781 10.0064 12.1954 54.8981 ðộ dài ñiện (ðộ) 12.6282 57.4394 34.6279 90.0268 6.28856 6.87789 90.0268 90.0268 51.3795 44.8828 79.1619 Kết mô dùng phần mềm ADS với hệ số truyền, khuếch đại cơng suất, hệ số sóng đứng tham số S11 S12 S21 S22 ghép nối với tải vào/ra 50Ω trình bày Hình 12 Hình 13 Khối khuếch đại cơng suất cao tần dùng mạch dải - Chế ñộ làm việc Transistor ñược chọn nhờ ñiện áp phân cực UG với biên ñộ tín hiệu ñể cho transistor làm việc chế độ AB - Dải thơng khuếch đại (dải tần số công tác) 820MHz tới 890MHz, dải tần làm việc độ nhấp nhơ biên độ khơng q dBm - Trở kháng vào 50Ω - ðầu nối kiểu SMA chuẩn, dây cáp RG-58 A/U Đ.T Kiên nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 24 (2008) 214-220 219 - Mạch in PCB mạch dải (Microstrip), tham số số ñiện môi εr, ñộ dày lớp ñiện môi h, ñộ dày lớp dẫn ñiện T ñược ño trực tiếp sử dụng mảng mạch PCB theo tham số kỹ thuật nhà sản xuất - ðộ rộng xung tối đa 210µs, chu kỳ lập lại 2000µs, cơng suất tín hiệu vào cực đại 30dBm, cơng suất trung bình khơng nhỏ 40dBm đo máy đo cơng suất, tương ứng với công suất xung không nhỏ 90W - Nguồn nuôi : Nguồn chiều 12V 24V công suất 250W - ðiều kiện làm việc : o o + Nhiệt độ mơi trường -20 tới 70 + ðộ ẩm mơi trường 100% - Tồn tầng khuếch ñại ñược gắn phiến tỏa nhiệt hợp kim nhôm tản nhiệt quạt thơng gió Kết ñược kiểm tra máy phân tích phổ ño ñạc máy phân tích mạng ñặc trưng tần số biên độ Hình 14 Hình 15 Hình 14 ðặc trưng tần số đánh dấu 612.5HMz Hình 15 ðặc trưng tần số ñánh dấu 753.0HMz ðể nâng cơng suất cao hơn, giải pháp thử nghiệm cộng cơng suất từ mơ đun thành phần sử dụng Dividers/Combiners công suất lớn Việc chế tạo thành cơng mơ đun sở cho cộng cơng đoạn quan trọng cho việc chế tạo máy phát cao tần công suất lớn Kết luận Sử dụng vi ñiều khiển PIC16F877A, mã Barker tín hiệu radar tạo dễ dàng với khả linh hoạt việc thay đổi độ rộng xung, chu kì lặp lại xung ðây hồn tồn ưu điểm bật so với phương pháp truyền thống sử dụng IC số mạch ñiện phức tạp tạo mã Hơn nữa, theo mạch cũ đó, độ trễ tổng cộng nhiều linh kiện khơng thể thu mã có độ rộng xung hẹp, thời gian chuyển mức gần tức thời mạch dùng vi ñiều khiển Ngồi ra, mạch vi điều khiển thực nghiệm cịn dùng để điều chỉnh tần số khối dao động nội mà khơng cần thay đổi thông số linh kiện mạch 220 Đ.T Kiên nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Cơng nghệ 24 (2008) 214-220 Khối khuếch đại cơng suất cao tần lắp ráp thành cơng với việc tính tốn mơ chế tạo thực tế phần mạch dải kết hợp với transistor cao tần để có phối hợp trở kháng tốt ðây kết bước ñầu tốt ñẹp ñể tiếp tục xây dựng cộng cơng suất để có máy phát cơng suất cao tần cơng suất lớn Tài liệu tham khảo [1] R Mahafza Bassem, Matlab Simulation for Radar Systems Design, Chapman & Hall /CRC, United State of America, 2004 [2] Werner Wiesbeck, Lecture Script of Radar System Engineering, Institute for Very High Frequency Technology and Electronics, Germany, 2007 [3] Nadav Levanon, Radar Signals, Wiley and Sons, Inc., United State of America, 2004 [4] M Pozar David, Microwave Engineering, Second Edition, Wiley and Sons, Inc., United State of America, 1998 Research, fabrication of a transmitter of phased-code dm pulse radar system Do Trung Kien1, Bach Gia Duong2, Vu Tuan Anh2, Pham Van Thanh1 College of Science, VNU, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam College of Technology, VNU, 144 Xuan Thuy, Hanoi, Vietnam This paper reports some of the experimental results of a pulse radar transmitter A kit of microcontroller PIC16F877A generates a 13-bit Barker code and various other codes that often use in the radar system A stable local oscillator is designed with the range of 800MHz to 900MHz by LM2316 and VCO circuit The frequency of the oscillator can be easily changed with the help of the PIC16F877A above A microwave power amplifier is fabricated that have output pulse power of 90W using a microstrip technique for input/output matching network ... cung cấp đủ lượng cần thiết cho tín hiệu radar trước truyền phát ăng-ten ñể thực việc truyền thơng qng đường dài 215 Hình Mã Barker 13 bít tín hiệu BPSK tương ứng 2.1 Mã Barker [2,3] Nén xung kĩ... mạch dải - Chế ñộ làm việc Transistor ñược chọn nhờ ñiện áp phân cực UG với biên độ tín hiệu ñể cho transistor làm việc chế ñộ AB - Dải thơng khuếch đại (dải tần số cơng tác) 820MHz tới 890MHz, dải. .. ñể phát tín hiệu nhiễu thấp, ổn ñịnh ñể ñiều khiển dao ñộng nội thu phát radar Tần số dao động nội linh hoạt thay ñổi liệu phát từ vi ñiều khiển PIC16F877A ñẩy vào ghi liệu 21 bít LM2316 Trong