CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.2. Bộ dao động sử dụng một vòng khóa pha
3.2.2. Nguyên lý làm việc của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất
Bộ dao động VCO đài ra đa trinh sát mặt đất gồm một bộ dao động chuẩn HMC391LP4 [81] có tần số dao động từ (3,9 ÷ 4,45) GHz, việc ổn định tần số dao động ở 4 GHz được thực hiện bằng mạch PLL. Sau đó tần số dao động này được nhân tần bằng bộ nhân 4 HMC370LP4 [80], cuối cùng để có mức công suất đầu ra
>10 dBm, sử dụng bán dẫn khuếch đại HMC516LC5 [82]. Sơ đồ khối của bộ VCO trình bày trên hình 3.15.
Hình 3.15: Sơ đồ khối của bộ dao động siêu cao tần.
Vi mạch HMC391LP4 là vi mạch dao động VCO bao gồm phần tử cộng hưởng, phần tử có điện trở âm, điốt varactor và bộ khuếch đại đệm. Tần số dao động từ (3,9 ÷ 4,45) GHz, có đặc tính tạp pha tốt, mức công suất đầu ra lớn hơn 1,5 dBm. Vi mạch HMC370LP4 là bộ nhân 4 sử dụng công nghệ InGaP GaAs HBT.
Mức công suất đầu ra lớn hơn -4 dBm (với nguồn cung cấp 5 V), ít thay đổi theo mức công suất đầu vào, nhiệt độ hoạt động và mức điện áp nguồn. Vi mạch
Mạch dao
động ở tần sè 4 GHz
Mạch khuếch đại
công suất Mạch
nh©n tÇn ( X 4) Mạch
PLL
Mạch chia đôi công suất
§Çu ra 1
§Çu ra 2 U Varactor
HMC516LC5 có hệ số khuếch đại 20 dB, hệ số tạp nhỏ 2 dB và mức IP3 đầu ra lớn (khoảng +25 dBm). Công suất đầu ra tại điểm nén hệ số khuếch đại 1 dB (P1dB) là 13 dBm, mức công suất này đủ để dùng làm LO điều khiển các bộ trộn tần cân bằng và trộn tần I/Q. Cả 3 linh kiện này do hãng Hittite - Mỹ sản xuất được chế tạo theo công nghệ MMIC. Những ưu điểm chính của bộ tạo dao động dựa trên công nghệ MMIC là làm việc ở tần số cao, độ ổn định cao và có độ tích hợp ở mức cao.
Nguyên lý làm việc của mạch PLL:
Bộ VCO là bộ dao động điều khiển điện áp có tần số dao động được xác định bởi L, C, D (D là một varicap hoặc varactor). Với điốt varicap, varactor, khi phân cực ngược, điốt có tác dụng như một tụ, vùng nghèo bán dẫn của nó tạo nên tính chất cách điện. Thay đổi sự phân cực ngược trong giới hạn đánh thủng của điốt sẽ thay đổi vùng nghèo bán dẫn và gây ra thay đổi dung kháng hiệu dụng của điốt và dẫn đến sự thay đổi tần số cộng hưởng của mạch dao động.
VCO không ổn định với bất kỳ sự biến thiên nhỏ nào của điện áp trong mạch, gây nên 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 hình 3.16. Bộ dao động VCO sử dụng để thiết kế mạch ổn định tần số có dải tần từ (3,9 ÷ 4,45) GHz. PLL là các mạch tích hợp đơn khối từ nhiều hãng sản xuất. Có nhiều loại IC PLL khác nhau, ở đây luận án chọn IC ADF4106 [78].
Hình 3.16: Sơ đồ khối mạch ổn định tần số dao động VCO.
Bộ dao động chuẩn là dao động thạch anh 27 MHz. Đài ra đa trinh sát mặt đất làm việc ở 8 tần số khác nhau và tần số máy phát bám theo tần số VCO, lấy VCO làm chuẩn. Vì 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.
Nguyên lý hoạt động: IC ADF4106 chia tần số dao động chuẩn (27.106 Hz) cho 1 số nguyên R thành tần số f1 và chia tần số dao động VCO (fRFout) cho 1 số nguyên N thành tần số f2. Sau đó, tiến hành so sánh 2 tần số f1 và f2 với nhau, nếu có sai lệch về tần số sẽ đưa ra điện áp điều khiển sao cho VCO dao động ở tần số mà sau khi chia cho N được 1 tần số đúng bằng dao động chuẩn chia cho R (nghĩa là f1
= f2). IC PIC16F628 sẽ được lập trình điều khiển thay đổi hệ số chia R, N và các chế độ làm việc của IC ADF4106. Việc đặt các tần số dao động VCO sẽ được thực hiện bằng cách thay đổi hệ số chia R và N bằng cách lập trình cho IC PIC16F628.
Tham số kỹ thuật của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất liệt kê ở bảng 3.3.
Bảng 3.3: Tham số kỹ thuật của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất.
Tên tham số kỹ thuật Chỉ tiêu kỹ thuật
1. Dải tần làm việc (16,0 ÷ 16,4) GHz
2. Mức công suất đầu ra > 10 dBm
3. Độ ổn định công suất ra ± 2 dB
4. Độ ổn định tần số ± 1.10-6
5. Dải điều chỉnh bằng điện 400 MHz
6. Các hài < -18 dB
7. Mật độ công 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 kháng ra 50 Ω
Bộ VCO được thiết kế trên mạch dải Duroid Roger 6006 [85] (có hằng số điện môi εr = 6,15, độ dày tấm điện môi h = 0,635 mm, tổn hao tangent = 1,42e-3, độ dày lớp dẫn t = 36 μm). Các sơ đồ mạch điện và ảnh chụp bộ VCO đài ra đa
trinh sát mặt đất được trình bày trong Phụ lục. Các kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ VCO đài ra đa trinh sát mặt đất đã được NCS công bố trong bài báo “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“ đăng trong Tạp chí "Nghiên cứu KH & CNQS"- 04/2010.