Cỏc thiết bị sử dụng để đo gồm: Mỏy phõn tớch phổ E4407B và cỏc đầu chuyển đổi, cỏp cao tần. Sơ đồ đo thực tế trờn đài ra đa như hỡnh 3.13.
Hỡnh 3.13: Sơ đồ đo thực tế trờn đài ra đa.
• Bước 1: Đo cụng suất lọt ngay sau đốn cặp nhả điện. Kết quả đo được: 84 dBm. Tớnh toỏn mức hạn chế của bộ hạn chế theo kết quả mụ phỏng bằng phần mềm ADS: - Mức hạn chế tầng 1: 20,7 dB ⇒ Cụng suất lọt cũn lại sau tầng 1 là: 84 - 20,7 = 63,3 dBm; - Mức hạn chế tầng 2: 30,3 dB ⇒ Cụng suất lọt cũn lại sau tầng 2 là: 63,3 - 30,3 = 33 dBm; - Với mức cụng suất đầu vào tầng 3 là 33 dBm thỡ mức cụng suất lọt cũn lại của điốt PIN MLP7100 tầng 3 là 18 dBm (xem đặc tuyến hỡnh 3.4) ⇒ Mức hạn chế của tầng 3 là: 33 - 18 = 15 dB;
- Mức hạn chế tầng 4 (điều khiển tớch cực): 25,3 dB ⇒ Cụng suất lọt cũn lại sau tầng 4 (đầu ra của bộ hạn chế cụng suất) là: 18 - 25,3 = -7,3 dBm.
• Bước 2: Đo cụng suất lọt cũn lại sau khi đi qua bộ hạn chế cụng suất. Kết quả đo được: -8,5 dBm. Máy phõn tớch phổ E4407B Bộ suy giảm đồng trục Sau đốn cặp nhả điện Bộ hạn chế cụng suất
Từ cỏc kết quả tớnh toỏn, mụ phỏng và đo đạc, ta cú thể lập được bảng mức hạn chế của từng tầng (bảng 3.2) và đồ thị so sỏnh giữa 3 phương phỏp (hỡnh 3.14).
Bảng 3.2: Mức hạn chế (dB) theo 3 phương phỏp.
TT Tại tầng
Mức hạn chế tớnh toỏn theo (2.6) (I)
Mức hạn chế theo mụ phỏng (II)
Mức hạn chế theo kết quả đo (III)
Mức hạn chế trung bỡnh (IV) 01 1 22,6 20,7 23 22,1 02 2 28,3 30,3 30,1 29,56667 03 3 15 15 15 15 04 4 25 25,3 25,1 25,13333 Σ = 90,9 91,3 93,2 91,8 Mức hạn chế của cỏc tầng điốt 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 1 2 Tầng 3 4 M ứ c h ạ n ch ế ( d B ) (I) (II) (III) (IV) Hỡnh 3.14: Đồ thị so sỏnh giữa 3 phương phỏp.
Đo đỏnh giỏ độ nhạy:
- Chỉ tiờu kỹ thuật độ nhạy của mỏy thu đài ra đa cảnh giới dẫn đường súng centimột: ≤ -85 dB/10 μW (hoặc 105 dBm/1 mW);
- Độ nhạy của mỏy thu khi lắp đốn súng chạy UV-99: -105 dBm/1 mW;
- Độ nhạy của mỏy thu khi lắp bộ hạn chế cụng suất kết hợp với bộ khuếch đại tạp thấp: -113 dBm/1 mW.
Kết luận: Kết quả đo cụng suất lọt cũn lại sau khi đi qua bộ hạn chế cụng suất tương đương với kết quả tớnh toỏn mụ phỏng bằng ADS. Như vậy, với mức cụng suất lọt này thỡ bộ khuếch đại tạp thấp làm việc bỡnh thường (mức chịu đựng của bộ khuếch đại tạp thấp Pin = +5 dBm). Độ nhạy mỏy thu đài ra đa cảnh giới dẫn đường súng centimột đó tăng lờn 8 dB.
Cỏc kết quả nghiờn cứu thực nghiệm đỏnh giỏ bộ hạn chế cụng suất dựng trong tuyến thu đài ra đa cảnh giới dẫn đường súng centimột đó được NCS cụng bố trong bài bỏo "Cải tiến và bỏn dẫn hoỏ tuyến thu cao tần đài ra đa Π-37" đăng trong Tạp chớ "Nghiờn cứu KHKT & CNQS"- 03/2008.
3.2. BỘ DAO ĐỘNG SỬ DỤNG MỘT VềNG KHểA PHA.
Phần này trỡnh bày nguyờn lý làm việc của bộ dao động VCO sử dụng trong mỏy thu đài ra đa trinh sỏt mặt đất và phương phỏp sử dụng một vũng khúa pha để nõng cao độ ổn định tần số, giảm mức tạp pha của bộ VCO này.
3.2.1. Chức năng của bộ dao động đài ra đa trinh sỏt mặt đất
Bộ dao động SCT tạo ra dao động SCT cú tần số (16,0 ữ16,4) GHz, năng lượng SCT được đưa đến cỏc bộ trộn tớn hiệu, trộn AFC của đài ra đa trinh sỏt mặt đất.
3.2.2. Nguyờn lý làm việc của bộ dao động đài ra đa trinh sỏt mặt đất
Bộ dao động VCO đài ra đa trinh sỏt mặt đất gồm một bộ dao động chuẩn HMC391LP4 [81] cú tần số dao động từ (3,9 ữ 4,45) GHz, việc ổn định tần số dao động ở 4 GHz được thực hiện bằng mạch PLL. Sau đú tần số dao động này được nhõn tần bằng bộ nhõn 4 HMC370LP4 [80], cuối cựng để cú mức cụng suất đầu ra >10 dBm, sử dụng bỏn dẫn khuếch đại HMC516LC5 [82]. Sơ đồ khối của bộ VCO trỡnh bày trờn hỡnh 3.15.
Hỡnh 3.15: Sơ đồ khối của bộ dao động siờu cao tần.
Vi mạch HMC391LP4 là vi mạch dao động VCO bao gồm phần tử cộng hưởng, phần tử cú điện trở õm, điốt varactor và bộ khuếch đại đệm. Tần số dao động từ (3,9 ữ 4,45) GHz, cú đặc tớnh tạp pha tốt, mức cụng suất đầu ra lớn hơn 1,5 dBm. Vi mạch HMC370LP4 là bộ nhõn 4 sử dụng cụng nghệ InGaP GaAs HBT. Mức cụng suất đầu ra lớn hơn -4 dBm (với nguồn cung cấp 5 V), ớt thay đổi theo mức cụng suất đầu vào, nhiệt độ hoạt động và mức điện ỏp nguồn. Vi mạch
Mạch dao động ở tần số 4 GHz Mạch khuếch đại công suất Mạch nhân tần ( X 4) Mạch PLL Mạch chia đôi công suất Đầu ra 1 Đầu ra 2 U Varactor
HMC516LC5 cú hệ số khuếch đại 20 dB, hệ số tạp nhỏ 2 dB và mức IP3 đầu ra lớn (khoảng +25 dBm). Cụng suất đầu ra tại điểm nộn hệ số khuếch đại 1 dB (P1dB) là 13 dBm, mức cụng suất này đủ để dựng làm LO điều khiển cỏc bộ trộn tần cõn bằng và trộn tần I/Q. Cả 3 linh kiện này do hóng Hittite - Mỹ sản xuất được chế tạo theo cụng nghệ MMIC. Những ưu điểm chớnh của bộ tạo dao động dựa trờn cụng nghệ MMIC là làm việc ở tần số cao, độ ổn định cao và cú độ tớch hợp ở mức cao.
Nguyờn lý làm việc của mạch PLL:
Bộ VCO là bộ dao động điều khiển điện ỏp cú tần số dao động được xỏc định bởi L, C, D (D là một varicap hoặc varactor). Với điốt varicap, varactor, khi phõn cực ngược, điốt cú tỏc dụng như một tụ, vựng nghốo bỏn dẫn của nú tạo nờn tớnh chất cỏch điện. Thay đổi sự phõn cực ngược trong giới hạn đỏnh thủng của điốt sẽ thay đổi vựng nghốo bỏn dẫn và gõy ra thay đổi dung khỏng hiệu dụng của điốt và dẫn đến sự thay đổi tần số cộng hưởng của mạch dao động.
VCO khụng ổn định với bất kỳ sự biến thiờn nhỏ nào của điện ỏp trong mạch, gõy nờn sự dịch chuyển tần số. Nếu kết hợp sự linh động của VCO với độ ổn định của bộ dao động chuẩn thạch anh, sẽ tạo được bộ tổ hợp tần số lý tưởng.
Sơ đồ khối mạch ổn định tần số dao động VCO như hỡnh 3.16. Bộ dao động VCO sử dụng để thiết kế mạch ổn định tần số cú dải tần từ (3,9 ữ 4,45) GHz. PLL là cỏc mạch tớch hợp đơn khối từ nhiều hóng sản xuất. Cú nhiều loại IC PLL khỏc nhau, ở đõy luận ỏn chọn IC ADF4106 [78].
Bộ dao động chuẩn là dao động thạch anh 27 MHz. Đài ra đa trinh sỏt mặt đất làm việc ở 8 tần số khỏc nhau và tần số mỏy phỏt bỏm theo tần số VCO, lấy VCO làm chuẩn. Vỡ vậy cần phải chuyển 8 tần số của bộ dao động VCO và ổn định tần số dao động này. Điều khiển chuyển 8 tần số và ổn định dao động VCO sử dụng IC PLL ADF4106 và vi điều khiển PIC16F628.
Nguyờn lý hoạt động: IC ADF4106 chia tần số dao động chuẩn (27.106 Hz) cho 1 số nguyờn R thành tần số f1 và chia tần số dao động VCO (fRFout) cho 1 số nguyờn N thành tần số f2. Sau đú, tiến hành so sỏnh 2 tần số f1 và f2 với nhau, nếu cú sai lệch về tần số sẽ đưa ra điện ỏp điều khiển sao cho VCO dao động ở tần số mà sau khi chia cho N được 1 tần số đỳng bằng dao động chuẩn chia cho R (nghĩa là f1
= f2). IC PIC16F628 sẽ được lập trỡnh điều khiển thay đổi hệ số chia R, N và cỏc chế độ làm việc của IC ADF4106. Việc đặt cỏc tần số dao động VCO sẽ được thực hiện bằng cỏch thay đổi hệ số chia R và N bằng cỏch lập trỡnh cho IC PIC16F628.
Tham số kỹ thuật của bộ dao động đài ra đa trinh sỏt mặt đất liệt kờ ở bảng 3.3. Bảng 3.3: Tham số kỹ thuật của bộ dao động đài ra đa trinh sỏt mặt đất.
Tờn tham số kỹ thuật Chỉ tiờu kỹ thuật
1. Dải tần làm việc (16,0 ữ 16,4) GHz
2. Mức cụng suất đầu ra > 10 dBm
3. Độ ổn định cụng suất ra ± 2 dB
4. Độ ổn định tần số ± 1.10-6
5. Dải điều chỉnh bằng điện 400 MHz
6. Cỏc hài < -18 dB 7. Mật độ cụng suất phổ của tạp -110 dBc/Hz@1 kHz, -115 dBc/Hz@10 kHz -130 dBc/Hz@100 kHz, -135 dBc/Hz@1 MHz 8. Trở khỏng ra 50 Ω
Bộ VCO được thiết kế trờn mạch dải Duroid Roger 6006 [85] (cú hằng số điện mụi εr = 6,15, độ dày tấm điện mụi h = 0,635 mm, tổn hao tangent = 1,42e-3, độ dày lớp dẫn t = 36 μm). Cỏc sơ đồ mạch điện và ảnh chụp bộ VCO đài ra đa
trinh sỏt mặt đất được trỡnh bày trong Phụ lục. Cỏc kết quả nghiờn cứu thiết kế, chế tạo bộ VCO đài ra đa trinh sỏt mặt đất đó được NCS cụng bố trong bài bỏo “Về một phương phỏp thiết kế chế tạo bộ dao động VCO sử dụng trong mỏy thu đài ra đa trinh sỏt mặt đất 1PЛ133“ đăng trong Tạp chớ "Nghiờn cứu KH & CNQS"- 04/2010.
3.2.3. Kết quả đo thực tế
3.2.3.1. Đo, đỏnh giỏ phổ dao động
Cỏc thiết bị sử dụng để đỏnh giỏ phổ dao động gồm:
Mỏy phõn tớch phổ E4407B;
Cỏc đầu chuyển đổi, cỏp cao tần.
Kết quả đo phổ của bộ VCO khi thay đổi điện ỏp cấp cho Varactor như hỡnh 3.17.
a. Khi điện ỏp Varactor = 1V b. Khi điện ỏp Varactor = 2V
Hỡnh 3.17: Kết quả đo phổ bộ VCO khi thay đổi điện ỏp cấp cho Varactor.
3.2.3.2. Đo, đỏnh giỏ tạp pha
Cỏc thiết bị sử dụng để đỏnh giỏ tạp pha gồm:
Mỏy phõn tớch phổ E4407B (cú chức năng đo tạp pha 226);
Cỏc đầu chuyển đổi, cỏp cao tần.
a. Tạp pha của bộ VCO
Kết quả đo tạp pha của bộ VCO khi cú và khụng cú mạch PLL như hỡnh 3.18. Bảng 3.4 thống kờ tạp pha bộ VCO khi cú và khụng cú mạch PLL tại tần số súng mang 16,24 GHz.
a. Khi khụng cú mạch PLL.
b. Khi cú mạch PLL.
b. Tạp pha của mỏy thu đài ra đa trinh sỏt mặt đất
Kết quả đo tạp pha của mỏy thu đài ra đa trinh sỏt mặt đất dựng bộ VCO khi cú và khụng cú mạch PLL như hỡnh 3.19. Bảng 3.5 thống kờ tạp pha của mỏy thu dựng bộ VCO khi cú và khụng cú mạch PLL tại tần số 16,27 GHz (trung tần 30 MHz).
a. Với bộ VCO khi khụng cú mạch PLL.
b. Với bộ VCO khi cú mạch PLL.
Hỡnh 3.19: Kết quả đo tạp pha mỏy thu dựng bộ VCO khi khụng cú (a) và khi cú mạch PLL (b).
Bảng 3.4: Tạp pha bộ VCO tại tần số dao động 16,24 GHz. Độ lệch tần số 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz Tạp pha khi khụng cú mạch PLL (dBc/Hz) -60,68 -79,28 -95,84 -111,28 -110,31 -120,50 Tạp pha khi cú mạch PLL (dBc/Hz) -119,63 -112,42 -119,18 -138,33 -140,78 -139,34
Bảng 3.5: Tạp pha mỏy thu tại tần số 16,27 GHz.
Độ lệch tần số 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz Tạp pha khi khụng cú mạch PLL (dBc/Hz) -45,00 -47,00 -51,00 -80,00 -105,00 -122,26 Tạp pha khi cú mạch PLL (dBc/Hz) -110,00 -115,00 -119,00 -135,00 -138,18 -139,00 3.2.3.3. Đo, đỏnh giỏ độ ổn định tần số
Cỏc thiết bị sử dụng để đỏnh giỏ độ ổn định tần số của bộ VCO gồm:
Mỏy đếm tần HP5361;
Mỏy tớnh và card giao diện vào/ ra Agilent 82357A;
Phần mềm điều khiển thiết bị đo VEE PRO của Agilent.
Hỡnh 3.20: Sơ đồ hệ thống đo đỏnh giỏ độ ổn định tần số của bộ VCO. Với hệ thống đo này, cú thể dễ dàng khảo sỏt sự biến thiờn của tần số dao động theo thời gian. Đầu ra của bộ VCO được nối với đầu vào mỏy đếm tần. Thụng qua card giao diện vào/ ra Agilent 82357A, tần số dao động của bộ VCO được đưa vào mỏy tớnh với tần suất lấy mẫu 10 phỳt/ mẫu (giỏ trị này cú thể thay đổi theo yờu cầu). Cỏc số liệu này được lưu giữ vào mỏy tớnh và thụng qua phần mềm VEE PRO, ta vẽ được đồ thị quan hệ giữa tần số ra của bộ dao động và thời gian. Cỏc số liệu này cho ta lập được bảng khảo sỏt tần số của bộ VCO theo thời gian (bảng 3.6).
Bảng 3.6: Khảo sỏt tần số của bộ VCO theo thời gian. t (phỳt) 10 20 30 40 50 60 fVCO(GHz) 16,242150 16,242112 16,242104 16,242180 16,242251 16,242235 fVCO+PLL(GHz) 16,242150 16,242152 16,242145 16,242142 16,242148 16,242175 t (phỳt) 70 80 90 100 110 120 fVCO(GHz) 16,242180 16,242120 16,242053 16,242164 16,242158 16,242232 fVCO+PLL(GHz) 16,242152 16,242153 16,242150 16,242145 16,242148 16,242167 t (phỳt) 130 140 150 160 170 180 fVCO(GHz) 16,242191 16,242142 16,242207 16,242250 16,242241 16,242124 fVCO+PLL(GHz) 16,242151 16,242150 16,242147 16,242152 16,242153 16,242149
Căn cứ vào kết quả bảng 3.6 ta biểu diễn đồ thị độ ổn định tần số của bộ VCO khi cú sử dụng PLL và khi khụng sử dụng PLL như hỡnh 3.21.
16242000 16242050 16242100 16242150 16242200 16242250 16242300 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 f(VCO) f(VCO+PLL)
Hỡnh 3.21: Độ ổn định tần số của bộ VCO khi cú sử dụng PLL (màu tớm) và khi khụng sử dụng PLL (màu xanh).
Độ sai lệch tần số trong khoảng thời gian khỏc nhau khi khụng sử dụng PLL là Δf =(16,242251 - 16,242053) GHz = 198.103 Hz, độ ổn định tần số: (Δf)/f0 = 198.103/16,242.109 = 1,22.10-5.
Độ sai lệch tần số trong khoảng thời gian khỏc nhau khi sử dụng PLL là Δf = (16,242153 - 16,242142) GHz = 11.103 Hz, độ ổn định tần số: (Δf)/f0 = 11x103/16,242.109 = 0,677.10-6.
[x10 phỳt] [kHz]
Căn cứ vào kết quả đo đặc tuyến tần số và cụng suất ra của bộ dao động VCO theo sự biến đổi điện ỏp của điốt Varactor, ta cú nhận xột sau:
+ Tần số dao động của bộ VCO cú thể điều hưởng bằng điện từ 16,0 GHz đến 16,4 GHz trong khoảng biến thiờn điện ỏp của điốt varactor từ 1,0 V đến 2,0 V, khoảng tần số này tương ứng với dải tần làm việc của đài ra đa trinh sỏt mặt đất;
+ Giỏ trị cụng suất của bộ VCO đạt được > 12,2 dBm (16,5 mW) (yờu cầu cụng suất đến điốt trộn > 2 mW);
+ Độ ổn định tần số của bộ dao động VCO khi khụng cú mạch PLL là 1,22.10-5 và khi cú mạch PLL là 0,677.10-6.Độ ổn định tần số của bộ dao động VCO tăng lờn 18 lần khi cú mạch PLL;
+ Tạp pha của bộ VCO khi sử dụng mạch PLL giảm đỏng kể, tại tần số cỏch tần số súng mang khoảng 100 Hz tạp pha giảm tới 59 dBc/ Hz, điều này hoàn toàn phự hợp với cỏc cơ sở lý thuyết và cỏc phương phỏp nõng cao độ ổn định tần số của cỏc bộ VCO mà luận ỏn đó đưa ra;
+ Tạp pha mỏy thu đài ra đa trinh sỏt mặt đất dựng bộ VCO khi cú mạch PLL giảm đi rất nhiều. So sỏnh 2 trường hợp ta nhận thấy, tại tần số cỏch tần số tớn hiệu khoảng 100 Hz tạp pha mỏy thu giảm tới 65 dBc/ Hz.
Kết luận: Qua cỏc phộp đo tần số, cụng suất, độ ổn định tần sốvà tạp pha, ta nhận thấy bộ VCO chế tạo đạt yờu cầu và cũng rất phự hợp với cụng thức mà lý thuyết trong luận ỏn đó đưa ra.
Cỏc kết quả nghiờn cứu thực nghiệm đỏnh giỏ bộ VCO đài ra đa trinh sỏt mặt đất đó được NCS cụng bố trong bài bỏo “Nghiờn cứu, khảo sỏt tạp pha và độ ổn định của bộ dao động VCO băng tần Ku“ đăng trong Kỷ yếu Hội thảo Điện tử - Truyền thụng – An toàn thụng tin ATC/REV 2012 -10/2012.
3.3. BỘ DAO ĐỘNG SỬ DỤNG NHIỀU VềNG KHểA PHA
Phần này trỡnh bày nguyờn lý làm việc của bộ dao động LO1 và LO2 sử