Bảng 3.1 Cỏc thụng số mạch dải tớnh toỏn theo phần mềm ADS
Mạch dải (li) Z0 (Ω) Độ dài điện (Độ)
l 1 2.2784 12.6282
l 2 11.3663 57.4394
110 l 4 49.7781 90.0268 l 5 10.7038 6.28856 l 6 10.0064 6.87789 l 7 49.7781 90.0268 l 8 49.7781 90.0268 l 9 10.0064 51.3795 l10 12.1954 44.8828 l11 54.8981 79.1619
Kết quả mụ phỏng dựng phần mềm ADS với hệ số truyền, khuếch đại cụng
suất, hệ số súng đứng và cỏc tham số s11, s12, s21, s22 khi ghộp nối với tải vào/ra 50Ω đƣợc trỡnh bày trờn Hỡnh 3.29. 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 1.2 10 20 30 40 0 50 freq, GHz vsw r( S 1 1 ) Readout m3 m3 freq= vswr(S11)=1.284850.0MHz 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 1.2 10 20 30 40 0 50 freq, GHz vsw r( S 2 2 ) m2 m2 freq= vswr(S22)=1.074850.0MHz 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 1.2 -20 -10 -30 0 freq, GHz d B (S (2 ,1 )) Readout m1 d B (S (2 ,2 )) Readout m4 m1 freq= dB(S(2,1))=-0.487 850.0MHz m4 freq= dB(S(2,2))=-28.938850.0MHz Hỡnh 3.29 Cỏc tham số S mụ phỏng tại 850 MHz
Từ kết quả thu đƣợc khi mụ phỏng ta nhận thấy hệ số súng đứng xấp xỉ bằng 1 tại tần số 850 MHz tƣơng ứng với hệ số xấp xỉ bằng 0. Đõy là kết quả rất tốt. Tham số s21 mụ tả hệ số truyền đạt từ lối vào tới lối ra đảm bảo trong dải truyền qua từ 820 MHz tới 890 MHz với độ bằng phẳng tốt. Mạch điện chế tạo thực tế đƣợc đƣa ra trong Hỡnh 3.30.
Hỡnh 3.30 Khối khuếch đại cụng suất xung 90W
o Chế độ làm việc của transistor đƣợc chọn nhờ điện ỏp phõn cực UG cựng với
biờn độ tớn hiệu và để cho transistor làm việc trong chế độ AB.
o Dải thụng bộ khuếch đại (dải tần số cụng tỏc) 820 MHz tới 890 MHz, trong dải tần làm việc độ nhấp nhụ biờn độ khụng quỏ 1 dBm
o Trở khỏng vào ra 50 Ω
o Đầu nối kiểu SMA chuẩn, dõy cỏp RG-58 A/U
o Mạch in PCB là mạch dải, tham số hằng số điện mụi r, độ dày lớp điện mụi h, độ dày lớp dẫn điện T đƣợc đo trực tiếp khi sử dụng mảng mạch PCB hoặc
theo tham số kỹ thuật của nhà sản xuất.
o Độ rộng xung tối đa 210 às, chu kỳ lặp lại 2000 às, cụng suất tớn hiệu vào cực đại 30 dBm, cụng suất ra trung bỡnh khụng nhỏ hơn 40 dBm đo trờn mỏy đo cụng suất, tƣơng ứng với cụng suất xung khụng nhỏ hơn 90 W.
o Nguồn nuụi : Nguồn một chiều 12 V và 24 V cụng suất 250 W
o Điều kiện làm việc : + Nhiệt độ mụi trƣờng -20o
tới 70o + Độ ẩm mụi trƣờng 100%
o Toàn bộ tầng khuếch đại đƣợc gắn trờn phiến tỏa nhiệt hợp kim nhụm và đƣợc
tản nhiệt bằng quạt thụng giú.
Kết quả đƣợc kiểm tra trờn mỏy phõn tớch mạng và đo đạc trờn mỏy phõn tớch mạng về đặc trƣng tần số biờn độ nhƣ Hỡnh 3.31, Hỡnh 3.32.
Hỡnh 3.31 Đặc trưng tần số đỏnh dấu tại 612.5MHz.
Hỡnh 3.32 Đặc trưng tần số đỏnh dấu tại 753.0 MHz.
Để nõng cụng suất cao hơn, một giải phỏp đó đƣợc thử nghiệm là cộng cụng suất từ cỏc mụ đun thành phần sử dụng cỏc bộ Dividers/Combiners cụng suất lớn. Việc chế tạo thành cụng cỏc mụ đun cơ sở cho cỏc bộ cộng là cụng đoạn quan trọng nhất cho việc chế tạo mỏy phỏt cao tần cụng suất lớn. Phần cỏc bộ cộng cụng suất đảm bảo cho việc thiết kế dễ dàng cỏc bộ khuếch đại cụng suất trung bỡnh để cú thể
cộng với nhau. Phần này cũng đó cú một số kết quả nhất định, nhƣng nằm trong cỏc nhúm nghiờn cứu khỏc nờn khụng cụng bố trong khuụn khổ luận ỏn này.
3.2.5.2. Cụng suất 2 tầng 45 W và 90 W [15,16]
Để thu đƣợc hệ số khuếch đại cụng suất cao, ở đõy sử dụng phƣơng phỏp chia khuếch đại thành nhiều tầng. Trong sơ đồ nguyờn lý trỡnh bày sau đõy, tầng thứ nhất hoạt động trong chế độ AB, tầng thứ hai cấu trỳc kộo - đẩy. Tầng thứ nhất cú hệ số khuếch đại thế cao nhƣng cụng suất lối ra trung bỡnh. Tầng hai thỡ ngƣợc lại, hệ số khuếch đại thế thấp nhƣng cụng suất lối ra lớn. Tầng 1 cú chức năng tiền khuếch đại trong cỏc hệ thống khuếch đại cụng suất cao tần dựng trong cỏc trạm rađa.
Cũng nhƣ quy trỡnh chế tạo ở mạch cụng suất trờn, (1) trƣớc tiờn là tớnh toỏn và mụ phỏng thụng số bộ khuếch đai sử dụng giản đồ Smith, phần mềm ADS, (2) thiết kế PCB sử dụng phần mềm Protel, (3) phay mạch PCB bằng mỏy phay ProtoMat C40 PCB Printed Circuit Board LPKF, (4) hàn cỏc linh kiện và đo đạc.
Hỡnh 3.33 là ảnh chụp của khối khuếch đại hai tầng. Tầng 1 và tầng 2 cú cụng suất lối ra tƣơng ứng là 45 W và 90 W, với lối vào RF chuẩn cú cụng suất 300 mW.
Hỡnh 3.33 Bộ khuếch đại cụng suất 2 tầng, tầng 1 45W, tầng 2 90W với lối vào
chuẩn 300 mW
Hỡnh 3.34 trỡnh bày về hệ đo đạc, bao gồm nguồn nuụi DC chất lƣợng cao, mỏy phỏt tớn hiệu Signal Generator SG8550, và mỏy phõn tớch phổ Spectrum
Analyzer ROHDE & SCHWAR ESPI 9 kHz -3 GHz.
Hỡnh 3.34 Bố trớ mỏy múc đo thụng số mạch khuếch đại
Đặt tớn hiệu vào 300 mW và đo lối ra trờn mỏy phõn tớch phổ. Hỡnh 3.35 là ảnh chụp trờn mỏy phõn tớch phổ tại tần số 850 MHz. Chỳng ta thấy đầu ra 30,62 dBm và chỉ cú một đỉnh phổ tại 850 MHz. Điều này cú nghĩa là bộ khuếch đại hoạt động rất tốt vỡ sự tuyến tớnh và khụng làm mộo dạng, phỏt sinh ra cỏc tần số khỏc.
Tất nhiờn cũng nhƣ trờn, cần phải đo đặc trƣng tần số của khối khuếch đại, sử dụng mỏy phõn tớch mạng Network Analyzer Advantest R3765CG 300 kHz - 3.8 GHz và quột dải tần từ 750 MHz đến 1 GHz. Trờn Hỡnh 3.36 ta thấy một đƣờng
cong rất đẹp trong khoảng 800 MHz đến 950 MHz với tham số tỏn xạ s12 từ 29 dBm
Hỡnh 3.35 Lối ra khối khuếch đại trờn mỏy phõn tớch phổ
Kết luận chƣơng 3
Chƣơng 3 tuy nghiờn cứu về cỏc kỹ thuật tƣơng tự nhƣng lại đƣợc xem là phần khụng thể thiếu, gắn bú mật thiết với cỏc kỹ thuật xử lý tớn hiệu số trong chƣơng 2. Túm lƣợc phần kết quả và đúng gúp của chƣơng này đƣợc chia thành 2 phần chớnh nhƣ sau:
Tuyến thu:
• Chế tạo khối phỏt cao tần dựng làm dao động nội cho bộ thu và phỏt ra-đa.
Những đúng gúp của kết quả này là:
o Sử dụng kĩ thuật tổ hợp tần số, PLL, VCO, phỏt đƣợc cỏc tớn hiệu cao tần
từ 800 MHz đến 900 MHz. Tần số phỏt ra cú độ trụi thấp, 10 Hz, độ ổn định tần số cao.
o Sử dụng VĐK để thay đổi hệ số chia N, cú thể làm cho khối phỏt cao tần
này phỏt ra một tần số bất kỡ. Nếu khụng dựng kĩ thuật này, muốn phỏt ra một tần số bất kỡ, lại phải thay đổi giỏ trị linh kiện rất phức tạp.
• Chế tạo mỏy thu UHF:
Mỏy thu giải mó UHF cú cỏc thụng số kĩ thuật rất đặc trƣng, hoàn toàn cú thể so sỏnh đƣợc cỏc mỏy thu hiện cú trờn thị trƣờng.
o Dải tần của mỏy thu rất rộng. Trong khả năng mở rộng của mỏy thu, cú
thể tinh chỉnh cỏc giỏ trị linh kiện để cú thể hoạt động trong nhiều vựng dải tần khỏc nhau.
o Trong khối khuếch đại loga, cú chức năng điều chỉnh tự động hệ số khuếch đại để tăng dải động, cú thể tiếp nhận đƣợc cỏc tớn hiệu cú dải biờn độ biến đổi rộng, cho cỏc mục tiờu ở gần và mục tiờu ở xa, mục tiờu kớch thƣớc nhỏ, kớch thƣớc lớn.
o Dải tần của mỏy thu đƣợc điều chỉnh ở đõy trong khoảng từ 700 MHz đến 900 MHz theo dải tần làm việc thống nhất của cỏc khối khỏc đó trỡnh bày trong cỏc chƣơng trƣớc.
o Độ nhạy của mỏy thu đạt tiờu chuẩn của cỏc mỏy thu hiện cú, -100 dBm. Trong những điều chỉnh đặc biệt, cú thể thu đƣợc cỏc tớn hiệu rất nhỏ, -110 dBm.
Tuyến phỏt:
• Mụ phỏng bằng ADS cỏc tham số tỏn xạ
• Chế tạo một khối khuếch đại cụng suất cao tần cụng suất xung lối ra 90 W, một khối khuếch đại 2 tầng (45 W, 90 W).
Những đúng gúp của kết quả này là:
o Sử dụng phần mềm chuyờn dụng ADS của hóng Agilent để thiết kế và tớnh toỏn cho cỏc cấu trỳc khuếch đại khỏc nhau, về transistor, về cấu trỳc mạch dải phối hợp trở khỏng sao cho đạt cụng suất lối ra tối ƣu.
o Cú thể làm chủ quỏ trỡnh chế tạo khuếch đại cụng suất cao tần để cú thể
thiết kế cỏc khối khuếch đại cú cụng suất và cấu trỳc theo yờu cầu. Cỏc khối khuếch đại ở đõy cú độ tuyến tớnh cao, khụng làm mộo tớn hiệu và dải tần làm việc ổn định tại tần số 800 MHz đến 900 MHz.
KẾT LUẬN CHUNG
Qua sự phõn tớch tổng quan về cơ sở kỹ thuật của hệ thống rađa hiện đại trong chƣơng 1, cú thể nhận thấy rằng, chỡa khúa của sự phỏt triển thành cụng nằm ở chỗ biết cỏch khai thỏc cũng vẫn cỏc cụng nghệ nền tảng nhƣng là trờn cỏc thiết kế hiện đại. Cỏc linh kiện cao tần, cỏc mạch tớch hợp cao VLSI, cỏc chip ASIC, cỏc linh kiện logic khả trỡnh PLD, vi điều khiển, cỏc bo mạch xử lý tớn hiệu số DSP khi biết cỏch khộo lộo sử dụng thỡ sẽ tạo ra đƣợc cỏc hệ thống rađa cú độ phức hợp cao, phự hợp với yờu cầu thực tế của chỳng ta. Điều này đƣợc tỏc giả xem nhƣ mục tiờu khoa học và thực tiễn của đề tài.
Cỏc phƣơng phỏp tiến hành nghiờn cứu, lý thuyết và cỏc kết quả thực nghiệm đƣợc trỡnh bày trong hai chƣơng chớnh là chƣơng hai và chƣơng ba. Cỏc kết quả minh chứng cho tiến trỡnh làm luận ỏn với hai nội dung xử lý tớn hiệu và cao tần là hai vấn đề chớnh để hiện đại húa và làm chủ cụng nghệ chế tạo rađa. Bỏm sỏt mục tiờu đề ra, túm lƣợc đƣợc cỏc nội dung chớnh mà luận ỏn đạt đƣợc nhƣ sau:
1. Gia cụng tớn hiệu:
o Đƣa ra đƣợc ý tƣởng phỏt xen kẽ mó M với mó Barker để mở rộng phạm vi tỡm kiếm mục tiờu.
o Mụ phỏng việc tạo mó Barker, mó M, dạng súng LFM sử dụng cỏc phần mềm Goldwave, Matlab Simulink. Mụ phỏng quỏ trỡnh nộn xung cho tớn hiệu BPSK mó xen kẽ, chứng minh cho ý tƣởng trờn
o Chế tạo mạch VĐK PIC 16F877A phỏt ra cỏc chuỗi mó Barker độ rộng
tựy ý, tối thiểu cú thể đạt đƣợc là 0.2 às.
o Chế tạo khối điều chế mó pha nhị phõn BPSK từ mó Barker lờn súng mang tần số trung tần 10,3 MHz.
Mạch điện vạn năng, tận dụng tối đa chức năng linh hoạt của VĐK PIC, đạt đƣợc những kết quả mà với linh kiện truyền thống khú đạt đƣợc.
o Mụ phỏng: khảo sỏt Rmax và SNR; Sử dụng bộ lọc phối hợp và hàm đỏnh giỏ độ khụng rừ ràng đƣa ra giải phỏp nõng cao độ phõn giải R của rađa; Đỏnh giỏ PD và Pfa theo SNR theo kĩ thuật tớch lũy xung để cải thiện PD và Pfa, tớnh toỏn cho 5 mụ hỡnh Swerling; Dựng Matlab Simulink thiết kế mạch nộn xung tớn hiệu BPSK mó Barker và mó M
xen kẽ.
o Chế tạo: cỏc bộ lọc FIR, IIR trờn bo TMS320C6416T 1GHz của hóng
Texas Instrument; Thiết kế chế tạo khối biến đổi A/D, D/A tốc độ cao kết nối vào bo DSP56307 EVM thụng qua cổng HI08
Cỏc kết quả mụ phỏng là một phần khụng thể thiếu trong cỏc nghiờn cứu tớnh toỏn và chế tạo ngày nay. Cỏc kết quả phần cứng thực hiện đƣợc 2 phần quan trọng: tạo ra đƣợc bất cứ một cấu trỳc bộ lọc với cỏc thụng số dễ dàng thay đổi (xem nhƣ bộ lọc vạn năng); và tạo ra đƣợc giao tiếp A/D, D/A tốc độ cao để hoàn thiện tớnh năng xử lý DSP cho tớn hiệu cao tần trờn cỏc bo DSP cú sẵn trờn thị trƣờng.
3. Chế tạo tuyến thu: tạo khối dao động nội, dựng kỹ thuật tổ hợp tần số điều
khiển bằng VĐK để linh hoạt thay đổi đƣợc tần số dao động. Đõy là một kết hợp trƣớc đõy ớt gặp. Chế tạo đƣợc mỏy thu giải mó UHF cú cỏc thụng số kĩ thuật rất đặc trƣng, hoàn toàn cú thể so sỏnh đƣợc cỏc mỏy thu hiện cú trờn thị trƣờng. Dải tần cú thể điều chỉnh đƣợc, độ nhạy cao.
Chế tạo tuyến phỏt: kết hợp cỏc phần mềm tớnh toỏn nhƣ Ansoft, ADS, dựng cỏc thiết bị phõn tớch phổ, phõn tớch mạng, kỹ thuật mạch dải chế tạo đƣợc 2 khối khuếch đại cụng suất cao tần: một khối cụng suất xung lối ra 90 W, một khối 2 tầng (45 W, 90 W).
Với cỏc hệ thống rađa hiện tại ở Việt nam, việc nghiờn cứu và thiết kế chế tạo cỏc hệ rađa mới, ỏp dụng những kĩ thuật hiện đại trong điện tử là một cụng việc hết sức quan trọng. Đúng gúp của những kết quả thu đƣợc thể hiện rất rừ ở hai ý sau:
o Hệ cỏc mụ đun nhỏ gọn, linh động trong thiết kế và chế tạo, cú cỏc thụng số kĩ thuật cao hơn, dễ thực hiện hơn. Cỏc thụng số này trong cỏc hệ rađa truyền thống rất khú khăn, thậm chớ khụng cú đƣợc.
o Cỏc nhu cầu sử dụng rađa trong quõn sự và dõn sự hiện nay ở Việt nam
ngày càng tăng. Việc mua cỏc hệ thống nƣớc ngoài cú hai vấn đề tồn tại là giỏ thành và cú thể khụng phự hợp với yờu cầu thực tế.
DANH MỤC CễNG TRèNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIấN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1. Đỗ Trung Kiờn, Bạch Gia Dƣơng, Trần Văn Tuấn (2006), “Nõng cao tỉ số tớn
hiệu/tạp, phạm vi phỏt hiện, độ phõn giải của radar”, Hội nghị Vật lý toàn quốc
6 , 811-814.
2. Do Trung Kien, Vu Anh Phi, Bach Gia Duong (2006), “Design waveform
generators and filters in radar system”, Journal of Science, Vietnam National University, XXII (2AP), 99-102.
3. Do Trung Kien, Than Thanh Anh Tuan, Vu Anh Phi, Bach Gia Duong (2006),
“Radar digital filters using TMS320C6416T DSK”, Journal of Science,
Vietnam National University, XXII (2AP), 103-109.
4. Do Trung Kien, Bach Gia Duong, Tran Thi Bich Hai (2006), “Estimation of radar detection and false alarm probability in the presence of noise”, 10th Biennial Vietnam Conference on Radio and Electronics REV2006, 231-235.
5. Bach Gia Duong, Vu Tuan Anh, Tran Quang Vinh, Do Trung Kien, Nguyen
Tuan Anh (2006), “Research, design and fabrication of a digital signal processing system based on the technology DSP56307EVM with high speed A/D, D/A converter for radio navigation systems”, 10th Biennial Vietnam Conference on Radio and Electronics REV2006, 236-240.
6. Đỗ Trung Kiờn, Thõn Thanh Anh Tuấn, Phạm Văn Thành, Bạch Gia Dƣơng
(2007), “Bộ lọc số radar FIR/IIR xử lớ thời gian thực sử dụng bo mạch TMS320C6416T DSK”, Hội nghị Khoa học Trường Đại học Sư phạm Hà nội
2, 57-58.
7. Do Trung Kien, Dang Thi Thanh Thuy, Le Viet Bang, Bach Gia Duong (2008),
“Research, design and fabrication of a transmitter of phased-code pulse radar system”, IEEE International Conference on Research, Innovation and Vision for the Future RIVF’2008, 134-239.
8. Do Trung Kien, Bach Gia Duong (2008), “Design of Phase-Coded Transmitter
and High Sensitive Receiver of Radar System”, 4th National Symposium on Research, Development and Application of Information and Communication Technology ICT.rda’08, 70-75.
9. Đỗ Trung Kiờn, Bạch Gia Dƣơng (2008), “Nghiờn cứu kỹ thuật phỏt tớn hiệu
National Symposium on Research, Development and Application of Information and Communication Technology ICT.rda’08, 26-31.
10. Do Trung Kien, Nguyen Duc Thang, Bach Gia Duong (2008), “Radar Digital Filters Design with VHDL and FPGA”, Journal of Science, Vietnam National University, (24), 188-191.
11. Do Trung Kien, Bach Gia Duong (2008), “Simulation of Alternative
Transmission of Barker Code and M-Code in Radar System to Detect Near and