CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.3. Bộ dao động sử dụng nhiều vòng khóa pha
3.3.4. Kết quả đo thực tế
Máy thu 4 kênh được chế tạo cho đài ra đa băng tần VHF đã được đo thử nghiệm trong Phòng thí nghiệm Ra đa / Viện Ra đa / Viện KH- CNQS. Tham số kỹ thuật đo được của máy thu như ở bảng 3.9.
Bảng 3.9: Tham số kỹ thuật đo được của máy thu đài ra đa băng tần VHF.
Tên tham số kỹ thuật Đo được
1. Số máy thu 4
2. Dải tần làm việc (35 ÷ 70) MHz
3. Hệ số tạp của máy thu 4,8 dB
4. Dải thông mỗi máy thu 50 kHz
5. Dải động của máy thu 76 dB
6. Hệ số vuông góc của bộ lọc trung tần 1:3 @ -6dB: suy giảm -60 dB
7. Trộn tần 2 cấp IF1: 22,75 MHz; IF2: 150 kHz
8. Hệ số khuếch đại toàn tuyến 85 dB
9. Điều khiển hệ số khuếch đại (bằng phương pháp số) 0-6-12-18 dB trong tuyến RF 0-3-6-9 dB trong tuyến IF
10. Độ phân cách giữa các máy thu 90 dB
11. Nén tần số ảnh 86 dB
12. Đầu ra IP3 30,5 dBm
13. Khoảng điều chỉnh rời rạc theo tần số 10 kHz 14. Thời gian điều chỉnh đến 1 tần số làm việc cho trước 1 ms
15. Tạp pha của máy thu -122 dBc/Hz@ 1 kHz,
-127 dBc/Hz@ 10 kHz, -135 dBc/Hz@ 100 kHz,
-151 dBc/Hz@ 1 MHz
Hình 3.27a, b trình bày kết quả đo tạp pha của máy thu ở tần số 35 MHz và 70 MHz. Bảng 3.10 thống kê tạp pha máy thu tại tần số 35 MHz và 70 MHz.
Bảng 3.10: Tạp pha máy thu đài ra đa băng tần VHF.
Độ lệch tần số 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz Tạp pha tại tần số RF = 35 MHz
(dBc/Hz) -118 -125 -125 -135 -152
Tạp pha tại tần số RF = 70 MHz
(dBc/Hz) -115 -120 -120 -135 -152
a. Tại tần số RF = 35 MHz
b. Tại tần số RF = 70 MHz
Hình 3.27: Kết quả đo tạp pha máy thu đài ra đa băng tần VHF.
Kết quả đo tạp pha máy thu cho ta thấy:
+ Tạp pha máy thu tại 2 tần số đầu và cuối là giống nhau;
+ Tạp pha máy thu đạt được mức -152 dBc/Hz ở tần số cách tần số sóng mang 1 MHz.
Kết luận: Các kết quả đo đạc cho thấy máy thu hoàn toàn đáp ứng các chi tiêu kỹ thuật đã đề ra. Máy thu có độ nhạy rất cao, nén tần số ảnh cao, có méo điều chế thấp, có độ phân cách giữa các kênh rất cao và mức tạp pha thấp.
Các sơ đồ mạch điện và ảnh chụp bộ VCO đài ra đa băng tần VHF được trình bày trong Phụ lục. Các kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy thu 4 kênh đài ra đa băng tần VHF đã được NCS công bố trong 3 bài báo.
Kết luận chương 3
Mục tiêu của chương 3 là kiểm nghiệm tính đúng đắn và độ chính xác phần lý thuyết đã nêu ở các chương trước của luận án, chương này đã trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá hiệu quả của việc đưa các khối sau vào máy thu của 3 đài ra đa:
1. Bộ hạn chế công suất điốt PIN: Bộ hạn chế công suất và bộ LNA này được thiết kế chế tạo để thay thế đèn sóng chạy UV-99 trong máy thu đài ra đa nhằm nâng cao độ nhạy máy thu. Mức hạn chế của bộ hạn chế công suất điốt PIN đã được xác định bằng 3 phương pháp: tính toán lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm ADS và đo đạc thực tế trên đài ra đa. Kết quả của cả 3 phương pháp là tương đối giống nhau. Độ nhạy của máy thu đài ra đa khi lắp bộ hạn chế công suất kết hợp với bộ khuếch đại tạp thấp đã tăng lên 8 dB so với khi lắp đèn sóng chạy UV-99. Với phương án tính toán thiết kế, bộ hạn chế công suất này có các ưu điểm nổi bật sau:
+ Thời gian khôi phục độ nhạy máy thu giảm chỉ còn < 10 ns so với các giải pháp trước đây khi sử dụng mạch tạo xung điều khiển bằng xung kích phát của đài là (3 ÷ 7) μs so với sườn sau của xung kích phát. Như vậy, thời gian khôi phục độ nhạy máy thu khi sử dụng bộ hạn chế công suất này nhanh hơn nhiều so với phương án dùng xung kích phát của đài ra đa;
+ Nhờ tích hợp mạch hạn chế thụ động dựa trên mạch lọc dải thông dạng cài răng lược trong bộ hạn chế điốt PIN đã nâng được mức hạn chế tổng cộng của bộ hạn chế công suất đạt > 90 dB;
+ Hoàn toàn thích nghi với mức công suất lọt ở đầu vào máy thu.
2. Bộ dao động VCO kết hợp kỹ thuật PLL làm việc ở dải tần 16 GHz sử dụng làm dao động ngọai sai cho đài ra đa trinh sát mặt đất (thay thế cho đèn Klistron K- 172P) nhằm nâng cao độ ổn định tần số và chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa:
+ Độ ổn định tần số của bộ dao động VCO khi không có mạch PLL là 1,22.10-5 và khi có mạch PLL là 0,677.10-6.Độ ổn định tần số của bộ dao động VCO tăng lên 18 lần khi có mạch PLL;
+ Tạp pha của bộ VCO khi sử dụng mạch PLL giảm đáng kể, tại tần số cách tần số sóng mang khoảng 100 Hz tạp pha giảm tới 59 dBc/ Hz, điều này hoàn toàn phù hợp với các cơ sở lý thuyết và các phương pháp nâng cao độ ổn định tần số của các bộ VCO mà luận án đã đưa ra;
+ Tạp pha máy thu đài ra đa trinh sát mặt đất dùng bộ VCO khi có mạch PLL giảm đi rất nhiều. So sánh 2 trường hợp ta nhận thấy, tại tần số cách tần số tín hiệu khoảng 100 Hz tạp pha máy thu giảm tới 65 dBc/ Hz.
3. Bộ dao động VCO kết hợp kỹ thuật nhiều vòng khóa pha làm việc ở dải tần 57,75 MHz- 92,75 MHz sử dụng làm dao động tại chỗ cho máy thu đa kênh đài ra đa băng tần VHF có độ tích hợp cao nhằm nâng cao độ ổn định và giảm mức tạp pha máy thu. Kết quả đo tạp pha máy thu tại 2 tần số đầu và cuối là giống nhau, tạp pha máy thu đạt được mức -152 dBc/Hz ở tần số cách tần số sóng mang 1 MHz.
Các kết quả đo đạc và số liệu thực nghiệm cho thấy khả năng ứng dụng của luận án vào thực tế là rất tốt, ta có thể làm chủ được khi thiết kế chế tạo các bộ hạn chế công suất điốt PIN, các bộ dao động VCO kết hợp với mạch PLL sử dụng trong tuyến thu nhằm nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa. Điều này khẳng định sự đúng đắn của các nội dung nghiên cứu mà NCS đã thực hiện.
KẾT LUẬN A. Những kết quả chính của luận án
Luận án đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm một số giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng thu tín hiệu của đài ra đa thông qua việc nghiên cứu nâng cao chất lượng các môđun trong tuyến thu (bộ hạn chế công suất cao tần, bộ dao động bán dẫn SCT VCO...). Cụ thể là:
1. Qua khảo sát, phân tích về các bộ hạn chế công suất SCT dùng bán dẫn, đã nghiên cứu đề xuất giải pháp kỹ thuật thiết kế bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu ra đa cảnh giới dẫn đường sóng centimét. Bộ hạn chế công suất dùng điốt PIN gồm bốn phần, được thiết kế làm việc theo dạng nửa tích cực nửa thụ động. Bộ hạn chế thiết kế sử dụng giải pháp dựa trên kỹ thuật đánh lệch dải thông của bộ lọc dải thông dạng cài răng lược kết hợp hiệu ứng điốt PIN khi có công suất SCT lọt lớn đi đến trong thời gian phát và giải pháp hạn chế giả tích cực. Bộ hạn chế công suất có độ suy hao tổng cộng > 90 dB với mức tín hiệu SCT lớn đi đến, thời gian khôi phục độ nhạy máy thu < 10 ns và hoàn toàn thích nghi với mức công suất lọt ở đầu vào máy thu;
2. Qua nghiên cứu khảo sát tạp và các mô hình tạp cho bộ dao động dùng transistor, đã đưa ra 4 nguyên nhân chính gây ra tạp của bộ dao động, đó là: tạp biến đổi lên 1/f hoặc tạp nhấp nháy FM; tạp nhiệt FM; tạp pha nhấp nháy và nền tạp nhiệt. Đã đưa ra 6 điểm cần lưu ý khi thiết kế nhằm tối thiểu hóa mức tạp pha của các bộ dao động VCO dùng transistor (trang 85);
3. Qua nghiên cứu cơ chế phát sinh tạp, phân tích về tạp chuyển đổi và tạp điều chế trong bộ dao động, ta thấy:
a) Phân tích tạp chuyển đổi một cách chính xác mô tả tạp của bộ dao động ở tần số xa sóng mang, nhưng nền tạp của bộ dao động không cho kết quả phù hợp với các quan sát vật lý ở các độ lệch tần số gần sóng mang;
b) Ngược lại, phân tích tạp điều chế một cách chính xác mô tả tạp của bộ dao động ở tần số gần sóng mang và không cho kết quả phù hợp với các quan sát vật lý ở các độ lệch tần số xa sóng mang.
4. Qua nghiên cứu khảo sát tạp của bộ VCO khi kết hợp với mạch PLL với 7 nguồn tạp, ta thấy tạp pha của bộ VCO khi kết hợp với 2 vòng khóa pha giảm đi rất nhiều (tạp pha giảm được 8 dB) so với 1 vòng khóa pha (hình 2.23);
5. Đã nghiên cứu áp dụng các giải pháp kỹ thuật một hoặc nhiều vòng khóa pha để thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn SCT VCO để thay thế các bộ dao động đèn Klistron trong các đài ra đa. Bằng cách sử dụng 2 hay nhiều vòng PLL cho phép khắc phục được những hạn chế của một vòng PLL và có tính năng như: dải tần rộng, bước tần nhỏ, thời gian thiết lập tần số (khóa pha) nhanh. Trong kỹ thuật nhiều vòng khóa pha đã sử dụng các bộ dao động chuẩn làm việc ở tần số 741,0 MHz ÷ 927,5 MHz có độ ổn định cao, sau đó chia xuống tần số thấp (57,75 MHz ÷ 92,75 MHz) để nâng cao độ ổn định tần số và sử dụng kỹ thuật suy giảm, sau đó khuếch đại tín hiệu nhiều lần ở đầu ra các vòng lặp để giảm tạp pha;
6. Đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá tính đúng đắn và chính xác các lý thuyết đã được đề xuất ở phần trên. Việc nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành thông qua đánh giá hiệu quả của việc đưa các khối (bộ hạn chế công suất điốt PIN, bộ dao động tại chỗ) vào máy thu của 3 đài ra đa làm việc ở các dải sóng: mét và centimét. Đo đạc các tham số, chỉ tiêu kỹ thuật trong Phòng thí nghiệm, so sánh với các kết quả mô phỏng khi thiết kế và thực tế lắp trên các đài ra đa;
7. 05 bộ hạn chế công suất điốt PIN đã được sử dụng thực tế chiến đấu, lắp vào 05 kênh thu đài ra đa cảnh giới dẫn đường sóng centimét tại Trạm ra đa T22- Trung đoàn 295- Sư đoàn 363 Quân chủng Phòng không - Không quân trong thời gian 06 tháng. Bộ dao động áp dụng kỹ thuật một vòng khóa pha đã đã được lắp vào máy thu đài ra đa trinh sát mặt đất sóng centimét trong thời gian 08 tháng. Bộ dao động áp dụng kỹ thuật nhiều vòng khóa pha đã được lắp vào máy thu đài ra đa băng tần VHF.
B. Đóng góp mới của luận án
1. Đề xuất giải pháp kỹ thuật mới thiết kế chế tạo bộ hạn chế công suất điốt PIN để hạn chế các tín hiệu cường độ mạnh vào máy thu. Bộ hạn chế đặc biệt hiệu quả để chống lại công suất lọt sau chuyển mạch thu - phát. Bộ hạn chế công suất này được thiết kế với 2 điểm mới về mạch, đó là:
• Đã dựa vào đặc tính của điốt PIN hạn chế thụ động (trở kháng của điốt sẽ giảm xuống (1 ÷ 2) Ω khi có công suất SCT lớn đi tới) và kết hợp với bộ lọc cài răng lược để thiết kế mạch hạn chế điốt PIN thụ động. Mạch hạn chế thụ động này có đặc tính là khi có công suất lớn đi tới, tính chất bộ lọc sẽ thay đổi từ bộ lọc cài răng
đánh lệch lên dải tần lớn gấp đôi tần số sóng mang và nhờ vậy trong thời gian có xung phát (có xung lọt lớn), máy thu sẽ gần như bị đóng hoàn toàn (tín hiệu SCT đi qua mạch lọc dải thông trên cơ sở bộ lọc cài răng lược kết hợp hiệu ứng điốt PIN sẽ bị suy hao > 30 dB);
• Sử dụng giải pháp “giả tích cực“: Dùng bộ phân đường định hướng để trích một phần công suất lọt lớn đưa về qua điốt tách sóng để điều khiển mở điốt PIN hạn chế tích cực. Với giải pháp kỹ thuật này không cần sử dụng xung kích phát để tạo xung điều khiển điốt PIN. Nhờ vậy thời gian khôi phục độ nhạy máy thu giảm chỉ còn <
10 ns so với các giải pháp trước đây khi sử dụng mạch tạo xung điều khiển bằng xung kích phát của đài là (3 ÷ 7) μs. Như vậy, thời gian khôi phục độ nhạy máy thu khi sử dụng bộ hạn chế công suất này nhanh hơn nhiều so với phương án dùng xung kích phát của đài ra đa.
Kết hợp các giải pháp kỹ thuật trên đã tạo ra được bộ hạn chế công suất có ưu điểm nổi bật sau: thời gian khôi phục độ nhạy máy thu < 10 ns, mức hạn chế tổng cộng > 90 dB và hoàn toàn thích nghi với mức công suất lọt ở đầu vào máy thu.
2. Qua nghiên cứu khảo sát tạp và mô hình tạp cho các bộ dao động dùng transistor, phân tích nguyên nhân gây ra tạp pha, các yếu tố gây ảnh hưởng đến độ ổn định tần số của các bộ dao động VCO dùng transistor, nghiên cứu khảo sát tạp của bộ VCO khi kết hợp với mạch PLL với 7 nguồn tạp; đã đề xuất giải pháp sử dụng bộ dao động VCO dùng transistor, kết hợp với kỹ thuật một hoặc nhiều vòng khóa pha làm dao động ngoại sai nhằm giảm mức tạp pha và nâng cao độ ổn định của máy thu ra đa.
C. Hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án
Có thể tiếp tục nghiên cứu một số giải pháp khác nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa, đó là:
1. Nâng cao chất lượng các bộ trộn tần;
2. Nâng cao chất lượng các bộ lọc số;
3. Nâng cao chất lượng các bộ tách sóng I/Q tương tự và số.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1. Nguyễn Thị Ngọc Minh, Lê Ngọc Uyên, Nguyễn Văn Hạnh, "Cải tiến và bán dẫn hoá tuyến thu cao tần đài ra đa Π-37", Tạp chí Nghiên cứu KHKT & CNQS số 03/2008, tr. 165-171.
2. Nguyễn Văn Hạnh, Nguyễn Thị Ngọc Minh, Chu Xuân Quang, Lê Ngọc Uyên,
"Một phương pháp thiết kế bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu đài ra đa Π- 37", Kỷ yếu Hội thảo khoa học Quốc gia lần thứ tư về Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông ICT.rda’08 số 08/2008, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, tr. 32-39.
3. Nguyễn Văn Hạnh, Nguyễn Thị Ngọc Minh, Lê Ngọc Uyên, Trần Mạnh Qúy,
"Về một phương pháp thiết kế chế tạo bộ dao động VCO sử dụng trong máy thu đài ra đa trinh sát mặt đất 1PЛ133", Tạp chí Nghiên cứu KH & CNQS số 04/2010, tr. 10-14.
4. Nguyễn Thị Ngọc Minh, Nguyễn Văn Hạnh, Trần Mạnh Qúy, Trần Thị Trâm,
"Development of VHF- band multi channel receiver for Resonance radar", Tạp chí Nghiên cứu KH & CNQS - số kỷ niệm 50 năm ngày thành lập Viện KH- CNQS - 10/2010, tr. 146-152.
5. Nguyễn Thị Ngọc Minh, Nguyễn Văn Hạnh, Trần Mạnh Qúy, "One solution to improve quality of receiving signals of multi channel receiver for VHF radar", Kỷ yếu hội nghị Thông tin và định vị trên biển COMNAVI 2011 số 8/2011, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, tr. 109-114.
6. Nguyễn Thị Ngọc Minh, Nguyễn Văn Hạnh, Trần Mạnh Qúy, Trần Thị Trâm,
"Một số giải pháp kỹ thuật áp dụng trong thiết kế chế tạo máy thu đa kênh của đài ra đa Cộng hưởng-VN", Tạp chí Nghiên cứu KH & CNQS- Tuyển tập các Báo cáo Khoa học Hội nghị KH Ra đa năm 2011 số 08/2011, tr. 153-161.
7. Nguyễn Văn Hạnh, Trần Thị Trâm, "Nghiên cứu, khảo sát tạp pha và độ ổn định của bộ dao động VCO băng tần Ku", Kỷ yếu Hội thảo Điện tử - Truyền thông - An toàn thông tin ATC/REV 2012 số 10/2012, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, tr. 95-98.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Phùng Hồ, Giáo trình Vật lý điện tử, NXB KHKT, 2001.
2. Nguyễn Đức Luyện, Nguyên lý ra đa, Học viện Kỹ thuật quân sự, 1979.
3. Nguyễn Xuân Thụ, Dụng cụ bán dẫn tập 1, NXB ĐH và THCN, 1985.
4. Dương Minh Trí, Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn, 1992.
5. Hoàng Thọ Tu, Cơ sở xây dựng đài ra đa cảnh giới phòng không, Học viện Kỹ thuật quân sự, 1985.
6. TS. Phạm Minh Việt, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB KHKT, 2002.
7. Phòng Ra đa, Cục Kỹ thuật Quân chủng Phòng không - Không quân, Tính năng chiến kỹ thuật các đài ra đa, Hà Nội, 1997.
8. Quân chủng Phòng không - Không quân, Báo cáo tổng hợp nhiệm vụ“Khảo sát, đánh giá công nghệ các hệ thống ra đa hiện có trong trang bị Quân đội“, Hà Nội, 2006.
9. Báo cáo tổng kết KHKT ĐT nền cấp VKHCNQS: "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới vào thiết kế chế tạo tuyến thu đài ra đa trinh sát mặt đất 1РЛ133 phục vụ cho bộ binh và bộ đội biên phòng", Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Văn Hạnh, Hà Nội, 2010.
10. Báo cáo tổng kết KHKT ĐT AT cấp BQP: “Hoàn thiện công nghệ chế tạo tuyến thu cao tần đài ra đa Π-37”, Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Văn Hạnh, Hà Nội, 2012.
11. Báo cáo tổng kết KHKT ĐT cấp NN: "Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực siêu cao tần sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần và công nghệ gia công mạch dải", Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Thị Ngọc Minh, Hà Nội, 2007.
12. Bộ tài liệu thiết kế của đề tài nền cấp VKHCNQS: “Nghiên cứu cơ sở khoa học và khả năng chế tạo ra đa báo động sớm kiểu Resonance bằng phương thức chuyển giao công nghệ và hợp tác thiết kế với đối tác nước ngoài (Nga)“, Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Thị Ngọc Minh, Hà Nội, 2007.