Hiện nay, quõn đội ta cũn trang bị nhiều ra đa thế hệ cũ. Cỏc ra đa hoạt động đó lõu, chất lượng suy giảm. Hơn nữa nhiều vật tư khụng cũn được thế giới sản xuất nữa. Bờn cạnh đú, thế hệ linh kiện mới cú rất nhiều ưu việt, trước hết là tiờu hao năng lượng nhỏ, kớch thước bộ, độ tin cậy khai thỏc cao….
Việc nõng cao chất lượng thu tớn hiệu cho cỏc ra đa thế hệ cũ đang cú trong trang bị gặp một số vấn đề sau đõy:
- Khụng cú số liệu thiết kế, cỏc tham số thiết bị đó bị trụi xa khỏi giỏ trị ban đầu. Để giải quyết bài toỏn cần cú cỏc đo đạc đỏnh giỏ chất lượng mỏy thu ra đa cần nõng cao chất lượng.
- Thế hệ linh kiện điện tử hiện đại đó vượt quỏ xa so với thế hệ linh kiện trong ra đa. Cần nắm vững nguyờn tắc hoạt động, tớnh chất vật lý, sử dụng nhiều phương
phỏp để tương thớch hai loại linh kiện này khi tỡm cỏch thay thế. Trong nhiều trường hợp, sẽ dựng một cụm chi tiết để thay thế theo một chức năng đó xỏc định.
- Thiết kế gia cụng mạch SCT cũn gặp nhiều khú khăn, việc đo kiểm đỏnh giỏ cũn chưa cú kinh nghiệm, linh kiện SCT đắt. Núi chung chi phớ nghiờn cứu ỏp dụng kỹ thuật SCT cũn cao và kết quả nghiờn cứu cũn hạn chế.
Vỡ vậy, với đề tài “Nghiờn cứu một số giải phỏp nõng cao chất lượng thu tớn hiệu trong đài ra đa”, luận ỏn nghiờn cứu giải quyết hai vấn đề liờn quan đến kỹ thuật SCT:
Hạn chế cụng suất của cỏc tớn hiệu cường độ mạnh vào mỏy thu. Quõn đội ta được trang bị chủ yếu ra đa xung cụng suất phỏt lớn. Vỡ vậy, trước hết là nhu cầu chống cụng suất lọt từ mỏy phỏt sang mỏy thu. Đõy là một nhu cầu thực tế cấp thiết với số lượng lớn. Ngoài ra, đú cũn là đấu tranh chống cỏc tớn hiệu mạnh từ những thiết bị vụ tuyến điện tử hoạt động gần đú trờn cựng dải tần hoặc tớn hiệu phản xạ từ những cụng trỡnh địa vật lớn gần đú. Nghiờn cứu tập trung vào hướng sử dụng cụng nghệ và linh kiện mới để xõy dựng bộ hạn chế cụng suất chất lượng cao.
Nõng cao độ ổn định tần số và giảm mức tạp pha của bộ dao động tại chỗ. Độ chớnh xỏc và độ ổn định tần số của mỏy thu được xỏc định bởi bộ dao động tại chỗ của mỏy thu. Sự mất ổn định trong thời gian ngắn trong bộ dao động xuất hiện như tạp pha và nú ảnh hưởng lớn đến chất lượng thu tớn hiệu của mỏy thu. Nghiờn cứu tập trung vào hướng sử dụng cụng nghệ và linh kiện mới để xõy dựng bộ dao động tại chỗ chất lượng cao, cú mức tạp pha nhỏ và độ ổn định tần số cao.
Kết luận chương 1
Trong chương 1 của luận ỏn đó giải quyết một số nội dung sau:
1. Qua nghiờn cứu tổng quan cấu hỡnh cơ bản của mỏy thu ra đa và cỏc cấu trỳc mỏy thu của đài ra đa (bao gồm: mỏy thu siờu ngoại sai, mỏy thu đổi tần trực tiếp, mỏy thu trung tần thấp và mỏy thu đa kờnh dải rộng), luận ỏn đó đi sõu phõn tớch cỏc ưu nhược điểm của từng loại cấu trỳc;
2. Từ cỏc yờu cầu kỹ thuật chớnh đối với mỏy thu, bao gồm: hệ số tạp, độ nhạy, thời gian khụi phục độ nhạy mỏy thu, hệ số khuếch đại, độ chớnh xỏc và độ ổn định tần số, dải động và độ tuyến tớnh; ta thấy cú 2 phương phỏp nõng cao độ nhạy mỏy thu, đú là: giảm hệ số tạp bằng cỏch dựng bộ khuếch đại tạp thấp hoặc thu hẹp dải thụng mỏy thu xỏc định bởi độ rộng tớn hiệu phổ đó thu. Tuy nhiờn, thu hẹp dải thụng khụng để xuất hiện mộo là tương đối khú;
3. Xuất phỏt từ nhu cầu đỏp ứng cụng tỏc đảm bảo kỹ thuật cho hệ thống ra đa của Quõn đội ta, phự hợp với tỡnh hỡnh và xu hướng phỏt triển của hệ thống mỏy thu ra đa trờn thế giới, nghiờn cứu sinh (NCS) đó xõy dựng nội dung nghiờn cứu của luận ỏn, tập trung vào 2 giải phỏp nõng cao chất lượng mỏy thu ra đa, đú là:
a) Giải phỏp nõng chất lượng thu khi cú tỏc động của cỏc tớn hiệu cường độ mạnh lọt vào mỏy thu bằng cỏch dựng bộ hạn chế cụng suất kết hợp với bộ khuếch đại tạp thấp; b) Giải phỏp nõng cao độ ổn định thu tớn hiệu bằng cỏch nõng cao độ ổn định tần số và giảm mức tạp pha của cỏc bộ dao động VCO kết hợp sử dụng một hoặc nhiều vũng khúa pha.
Để đưa ra được cỏc giải phỏp đỳng đắn cần phải xuất phỏt từ cỏc cơ sở khoa học, vỡ thế trong chương 2 của luận ỏn sẽ trỡnh bày chi tiết phần phương phỏp luận liờn quan tới nghiờn cứu 2 giải phỏp này.
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THU TÍN HIỆU TRONG ĐÀI RA ĐA
Đầu vào mỏy thu ra đa bao gồm bộ LNA và BPF, sau đú là bộ trộn. Tần số được hạ thấp xuống IF, sau đú được lọc với đặc tớnh dải thụng phự hợp cú thể thực hiện được. Bộ trộn và cỏc mạch cú sẵn sinh ra dải thụng tương đối rộng. Điều hưởng mỏy thu trong giới hạn bộ tiền chọn lọc hoặc dải thụng bộ trộn được thực hiện bằng cỏch điều hưởng LO. Đụi khi bộ lọc đứng trước LNA nhằm giảm mộo liờn điều chế cú thể sinh ra trong LNA. Thậm chớ, khi cú bộ lọc trước LNA, vẫn cần một bộ lọc nữa xen giữa LNA và bộ trộn để loại bỏ tạp khuếch đại ở tần số ảnh. Nếu khụng cú bộ lọc thứ hai này, phõn bố tạp của bộ LNA dải rộng bị tăng lờn gấp đụi.
Đầu vào mỏy thu thường cú bộ hạn chế để bảo vệ bộ LNA khụng bị đỏnh thủng bởi cụng suất phỏt lọt vào mỏy thu hoặc cụng suất phỏt từ cỏc đài ra đa khỏc làm việc trờn cựng dải tần ở khoảng cỏch gần.
Vỡ vậy, đầu vào mỏy thu (phần SCT) cú ảnh hưởng lớn đến cỏc tham số kỹ thuật của mỏy thu ra đa. Luận ỏn tập trung nghiờn cứu hai vấn đề liờn quan đến kỹ thuật SCT:
+ Hạn chế cụng suất của cỏc tớn hiệu cường độ mạnh vào mỏy thu;
+ Nõng cao độ ổn định tần số và giảm mức tạp pha của bộ dao động tại chỗ.
2.1. HẠN CHẾ CÁC TÍN HIỆU CƯỜNG ĐỘ MẠNH VÀO MÁY THU
Bộ hạn chế cụng suất dựng để bảo vệ mỏy thu khụng bị hỏng và quản lý mức bóo hũa sinh ra trong mỏy thu. Khi tớn hiệu vào làm bóo hũa vài tầng mỏy thu sẽ làm giảm chất lượng mỏy thu ra đa.
Hệ thống ra đa sử dụng chuyển mạch thu - phỏt để bảo vệ cỏc linh kiện của mỏy thu từ cỏc tớn hiệu phỏt cú cụng suất lớn. Trong nhiều hệ thống, yờu cầu cần cú bộ hạn chế đầu vào để bảo vệ mỏy thu khụng bị đỏnh thủng bởi mức cụng suất đầu vào lớn từ anten, cụng suất lọt từ chế độ phỏt hoặc từ cỏc nguồn nhiễu bờn ngoài hoặc từ cỏc ra đa khỏc. Cỏc bộ hạn chế này được thiết kế để hạn chế cỏc tớn hiệu mạnh núi trờn đến mức an toàn cho hoạt động của mỏy thu.
Trước đõy, bộ hạn chế được sử dụng để thực hiện đa dạng của cỏc hàm xử lý tớn hiệu tương tự. Bộ hạn chế cứng với mức hạn chế khoảng 80 dB được sử dụng trong một số thiết kế để hạn chế tạp mỏy thu. Cỏc ứng dụng của bộ hạn chế cứng gồm tỏch súng pha và mỏy thu đơn xung pha. Cỏc hệ thống ra đa hiện đại thường được thiết kế để vựng hoạt động tuyến tớnh là lớn nhất, với bộ hạn chế sử dụng chỉ để điều khiển tớn hiệu quỏ lớn chắc chắn tồn tại trong cỏc trường hợp xấu.
Cỏc yờu cầu đối với bộ hạn chế:
- Bộ hạn chế lý tưởng là tuyến tớnh hoàn toàn theo mức cụng suất đầu vào và cụng suất đầu ra duy trỡ cố định. Ngoài ra, pha là cố định đối với tất cả mức cụng suất đầu vào và thời gian phục hồi ngay tức thời. Dạng súng đầu ra từ bộ hạn chế dải thụng là hỡnh sin, trong khi dạng súng đầu ra từ bộ hạn chế dải rộng là hỡnh vuụng. Sai số từ những tham số lý tưởng cú thể làm giảm tớnh năng của ra đa theo nhiều cỏch khỏc nhau.
- Hạn chế lớn nhất của việc đưa thờm cỏc tầng hạn chế vào mỏy thu là tớnh phi tuyến cố hữu. Khụng cú tầng hạn chế đơn nào cú thể cú mức cụng suất đầu ra cố định trong một dải rộng của mức cụng suất vào. Một nguyờn nhõn hiển nhiờn là nếu xem xột tỏc dụng của tầng hạn chế đơn cú mức hạn chế hoàn toàn đối xứng với điện ỏp ±E. Với tớn hiệu vào hỡnh sin, tớn hiệu ra ở ngưỡng hạn chế là:
0 Esin( t)
ν = ω
Khi bộ hạn chế bóo hũa, dạng súng đầu ra hỡnh chữ nhật, tớn hiệu ra biểu diễn bởi chuỗi Fourier:
' 0 1,3,5,... 4 1 sin( ) n E n t n ν ω π ∞ = = ∑
tăng 20lg(4/π)= 2,1 dB trong cụng suất của phổ cơ sở.
Trong thực tế, đặc tớnh biờn độ cũng bị giảm bởi tụ ghộp giữa đầu vào và đầu ra của mỗi tầng hạn chế, nạp điện trong transistor và điốt, hằng số thời gian RC cho phộp thay đổi trong thiờn ỏp với mức tớn hiệu. Vỡ những lý do đú, cần phải nối tiếp hai (hoặc nhiều) tầng hạn chế để cú được đặc tớnh biờn độ tốt trong một dải động rộng.
(2.1)
- Sự thay đổi pha của bộ hạn chế với mức nhỏ là mối quan tõm của cỏc hệ thống ra đa hiện đại mà hoạt động chủ yếu trong vựng làm việc tuyến tớnh. Tuy nhiờn, duy trỡ pha khụng đổi trong quỏ trỡnh hạn chế giữ pha của mục tiờu phản xạ trong sự hiện diện của hạn chế nhiễu. Sự thay đổi pha với biờn độ tớn hiệu sinh ra tỷ lệ thuận với tần số làm việc.
- Thời gian phục hồi của bộ hạn chế được đo là mức thời gian bộ hạn chế quay trở lại hoạt động tuyến tớnh sau khi tớn hiệu hạn chế được loại bỏ. Phục hồi nhanh là tham số quan trọng khi ra đa làm việc trong điều kiện nhiễu xung.
Mỏy thu của đài ra đa cảnh giới dẫn đường súng centimột sử dụng bộ khuếch đại cao tần là đốn súng chạy UV-99. Ưu điểm của UV-99 là cú hệ số khuếch đại cao, độ nhạy cao và ngưỡng đầu vào khỏ lớn. Nhược điểm của loại đốn này là: cấu trỳc phức tạp, cồng kềnh, tiờu thụ nguồn lớn, đũi hỏi cấp nhiều loại nguồn và đặc biệt chịu ảnh hưởng lớn của chế độ nhiệt. Với tỡnh trạng đỏnh lửa đường truyền và đốn cặp nhả điện giảm chất lượng dẫn đến cụng suất lọt vào mỏy thu lớn gõy tỡnh trạng cỏc đốn súng chạy UV-99 bị già nhanh hoặc giảm độ nhạy, hệ số tạp tăng, làm giảm khả năng phỏt hiện của đài. Để thực hiện được việc thay thế bộ khuếch đại đốn súng chạy UV-99 bằng bộ khuếch đại bỏn dẫn SCT tạp thấp cú độ nhạy cao (nhằm nõng cao độ nhạy mỏy thu của đài) thỡ cụng việc khú khăn và nan giải nhất từ hàng chục năm nay chưa giải quyết được triệt để là làm sao bảo vệ được bộ khuếch đại bỏn dẫn SCT tạp thấp khụng bị đỏnh thủng bởi cụng suất lọt sau đốn cặp nhả điện (do cỏc bộ khuếch đại SCT tạp thấp chỉ chịu được mức cụng suất đầu vào nhỏ).
Hầu hết cỏc đài ra đa hiện đại sử dụng cỏc bộ hạn chế cụng suất SCT để bảo vệ mỏy thu trong chế độ phỏt và trước cỏc nguồn phỏt của đài ra đa khỏc làm việc trong cựng dải tần, cụ thể là bảo vệ cỏc bộ khuếch đại tạp thấp hoặc cỏc điốt trộn tần (nhạy cảm với cụng suất lớn) khụng bị đỏnh hỏng bởi cỏc xung lọt lớn sau chuyển mạch thu -phỏt. Yờu cầu chớnh của bộ hạn chế cụng suất là phải đỏp ứng nhanh với xung lọt đỉnh sau đốn cặp nhả điện, đúng mỏy thu trong thời gian cú xung phỏt và phải mở mỏy thu trong thời gian thu.
Phần này khảo sỏt tổng quan về cỏc bộ hạn chế cụng suất SCT dựng bỏn dẫn (bao gồm: bộ hạn chế Varactor, bộ hạn chế điốt PIN, bộ hạn chế điốt PIN giả tớch cực và bộ hạn chế Varactor PIN), sau đú đi sõu trỡnh bày giải phỏp kỹ thuật mới đó được ỏp dụng để thiết kế bộ hạn chế cụng suất điốt PIN bảo vệ bộ khuếch đại khụng bị đỏnh thủng bởi cụng suất lọt sau đốn cặp nhả điện.
2.1.1. Chức năng, tỏc dụng của bộ hạn chế cụng suất trong ra đa
Để hiểu rừ hơn vai trũ quan trọng của cỏc mạch SCT trong tuyến thu của một đài ra đa, chỳng ta hóy xem xột sơ đồ khối của tuyến thu đài ra đa được vẽ ở hỡnh 2.1. Bộ hạn chế cụng suất dựng để bảo vệ bộ LNA khụng bị đỏnh thủng bởi cụng suất lọt từ mỏy phỏt sang mỏy thu (nhất là đối với cỏc đài ra đa xung sử dụng cỏc đốn cặp nhả điện khụng cú điện ỏp mồi). Đưa bộ khuếch đại tạp thấp vào ra đa khụng những tăng được cự ly phỏt hiện của ra đa, tăng độ nhạy của mỏy thu mà cũn tăng độ bền (độ tin cậy) của thiết bị. Độ tin cậy của cỏc bộ khuếch đại tạp thấp GaAsFET (tuổi thọ 5000 giờ) này cao hơn nhiều so với đốn súng chạy (tuổi thọ < 2000 giờ).
Hỡnh 2.1: Sơ đồ tuyến thu đài ra đa.
Trong ra đa cảnh giới dẫn đường súng centimột, cụng suất lọt trung bỡnh sau đốn cặp nhả điện tương đối lớn, khoảng: Ptrung bỡnh = 200 mW - 1000 mW (phụ thuộc vào chất lượng của đốn cặp nhả điện và cụng suất phỏt của từng kờnh). Để đưa
Chuyển mạch thu-phỏt Mỏy phỏt LNA Bộ trộn tần cõn bằng Tiền khuếch đại trung tần Khuếch đại trung tần chớnh Dao động tại chỗ VCO Anten Bộ trộn tần AFC AFC Bộ hạn chế cụng suất Bộ chia cụng suất Cụng suất lọt từ mỏy phỏt sang mỏy thu
được bộ khuếch đại tạp thấp vào thay đốn súng chạy UV-99 vấn đề đặt ra là phải bảo vệ bộ khuếch đại tạp thấp khụng bị đỏnh thủng bởi cụng suất lọt. Đốn súng chạy cú đặc tớnh nếu tớn hiệu đầu vào lớn thỡ nú sẽ đi vào vựng bóo hũa cũn bộ khuếch đại tạp thấp khụng cú tớnh chất đú, nú rất nhạy và chỉ chịu được mức cụng suất cực đại ≤ 20 mW (+13 dBm). Người ta đó đưa bộ hạn chế cụng suất vào giữa đốn cặp nhả điện và bộ khuếch đại tạp thấp để hạn chế cụng suất lọt, bảo vệ bộ khuếch đại khụng bị đỏnh thủng.
Vỡ đốn cặp nhả điện của đài ra đa làm việc khụng cú điện ỏp mồi (-800 V), xung lọt qua đốn cú hỡnh dạng như ở hỡnh 2.2.
Hỡnh 2.2: Dạng xung phỏt xạ lọt qua đốn.
Chỳ thớch: t0: thời điểm nối mỏy phỏt; t1: thời gian đốn phúng điện bắt đầu làm việc và cụng suất cao tần RF bắt đầu giảm; t2: thời điểm đốn được phúng Plasma hoàn toàn; t3: thời điểm tương ứng với điểm cuối của xung phỏt đi đến và t4: điểm cuối của xung lọt qua đốn. Độ rộng của đỉnh xung lọt thường bằng 10% độ rộng xung phỏt.
2.1.2. Bộ hạn chế siờu cao tần bằng bỏn dẫn
Cỏc bộ hạn chế hoặc bảo vệ SCT thường được dựng để quản lý mức bóo hũa mỏy thu và chặn cụng suất phỏt cao khụng phỏ hỏng mỏy thu trong ra đa. Mạch hạn chế cụng suất phỏt lọt đến mỏy thu ra đa được lắp sau bộ chuyển mạch thu -phỏt. Hai loại chuyển mạch thu -phỏt điển hỡnh được mụ tả trong hỡnh 2.3, hạn chế cụng suất cao tần của mỏy phỏt sang mỏy thu nhưng lại cho qua tớn hiệu mức thấp từ anten về mỏy thu. Mỏy thu được bảo vệ ở khoảng 20 dB (ghộp trực tiếp) ở nhỏnh mạch trỏi, khi tớn hiệu phỏt đi qua thỡ hầu hết chỳng bị hấp thụ bởi tải đầu cuối. Cú thể sử dụng hệ thống đắt tiền hơn để tỏch biệt anten với mỏy phỏt và thu; nhưng ở đõy, một lần
t0 t1 t2 t3 t4 t (μs)