II. THIẾT KẾ ANTEN THU RA ĐA CỘNG HƯỞNG
4. Thiết kế tham chiếu trên cơ sở đài “Resonance-NE”, luận chứng xây dựng đài
- Tính năng cơ bản:
Cự ly phát hiện mục tiêu liên tục <120 Km.
Phát hiện hai tọa độ mục tiêu: Cự ly và phương vị.
Vùng phát hiện theo phương vị > 500. Vùng phát hiện góc tà > 300.
Đối tượng phát hiện: Máy bay Hàng không dân dụng.
Độ chính xác theo tọa độ:
- Theo cự ly: 3 ÷ 5 Km - Theo phương vị : 2 ÷ 40. Nhịp độ lấy tin: 1 ÷ 3 giây.
Phân cực : ngang.
- Nguyên lý làm việc:
- Nguyên lý ra đa rút gọn theo tham chiếu đài ra đa “ Réonance-NE” của Nga.
- Hệ thống anten phát, thu tĩnh, độc lập. Phát thu trên linh kiện bán dãn.
- Phát hiện mục tiêu bay theo nguyên tắc: mạng anten thẳng, thu đa kênh, xử lý búp sóng số thu đa kênh, xây dựng các thuật toán phát hiện, định vị hổ trợ ở các tham số
- Xử lý từ trung tần, lọc, tích lũy, phát hiện, định vị trên những thuật toán cơ bản, các chế độ làm việc hợp lý, sử dụng linh kiện vi điện tử tổ hợp cao chuyên dụng - Đài làm việc trên tín hiệu phức tạp dải rộng- điều tần tuyến tính.
- Số liệu ban đầu cho thiết kế tham chiếu:
Để đạt được tính năng trên, số liệu ban đầu cho thiết kế hệ thống là:
- Tần số làm việc: 35-70MHz, dựa trên nguyên lý cộng hưởng thứ cấp ở các mục tiêu bay đa dạng
- Dải tần số, chuyển tần (với máy bay Hàng không dân dụng): 35-50MHz, bước chuyển 50KHz, 10KHz, 1KHz.
Hệ thống anten phát thu giữ nguyên mẫu, giảm số lượng các phần tử..
Sơ đồ chức năng của đài ra đa cộng hưởng thu gọn
Nguyên lý hoạt động sơ đồ khối chức năng toàn đài ra đa cộng hưởng thu gọn 4.1 Tác dụng, tính năng, thành phần
Tác dụng:
Đài ra đa thu gọn là đài ra đa sóng mét, anten mạng pha, thu phát độc lập, tín hiệu phức tạp dải rộng, tương can trong. Hệ thống anten tĩnh, quan sát mục tiêu ở góc giẻ quạt.
Đài phát hiện mục tiêu ở cự ly ngắn và đầu cự ly trung bình dựa trên hiệu ứng cộng hưởng bức xạ ra đa thứ cấp, định hướng vào hai loại mục tiêu là máy bay HKDD và máy bay tiêm kích quân sự.
Đài có khả năng làm việc ở chế độ tự động và thao tác băng tay, đài có khả năng định vị cự ly và phương vị mục tiêu.
Tính năng chiến kỹ thuật cơ bản:
Vùng phát hiện:
- Theo cự ly, km - Theo phương vị, độ - Theo góc tà, độ - Theo độ cao, km - Theo tốc độ, km/h Dạng quét không gian
Cự ly phát hiện mục tiêu với:
- Diện tích phản xạ hiệu dụng 10m2, km - Diện tích phản xạ hiệu dụng 1,5 m2, km Độ phân biệt tọa độ mục tiêu:
- Theo cự ly, km - Theo phương vị, độ
Độ chính xác tọa độ mục tiêu:
- Theo cự ly, km - Theo phương vị, độ Nhịp độ lấy tin, giây
Số lượng mục tiêu quan sát đồng thời Thiết bị anten- phi đơ
Anten thu:
- Hệ số sóng đứng.
- Số lượng anten thu ở mặt phẳng phương vị
15 ÷120 50 30 2÷8 300÷1000 Quét điện (ảo) theo
phương vị
140 ( độ cao 6 ÷8 km) 80 (độ cao 6 km)
3 5
1,5 3 2
≥ 5
1,4 8
Anten phát:
Hệ số sóng đúng Số lượng tia
Bộ khuếch đại công suất:
- Công suất đầu ra, KW Tổ hợp tính toán
- Máy tính trung tâm, khối hệ thống trung tâm - Khối điều khiển, trao đổi thông tin
Hệ thống nguồn điện:
- Điện áp, V - Số pha - Tần số, Hz
-Công suất tiêu thụ, KVA
1,4 1
1,2
380V-220 3 pha
50 2 Thành phần và cấu tạo của đài:
- Hệ thống Anten phát
- Hệ thống Anten phi đơ phát gồm anten phát làm việc theo nguyên lý anten loga chu kỳ với cáp phi đơ nối với đầu ra phối hợp của khuếch đại công suất phát năng lượng bức xạ vào không gian dạng xung cao tần, tính đih hướng thấp.
- Hệ thống Anten thu
- Hệ thống anten phi đơ thu gồm 8 anten thu làm việc theo nguyên lý
“nadenhenho” với 8 tuyến phi đơ độc lập nhau nối với 8 tuyến thu…
- Hệ thống anten-phi đơ thu, thu độc lập tín hiệu bức xạ ra đa thứ cấp truyền về 8 tuyến thu theo nguyên tắc thu đa kênh.
- Hệ thống tạo tín hiệu phát gốc và khuếch đại công suất phát:
Hệ thống gồm bộ tạo xung phát gốc làm việc theo nguyên lý tạo xung .. và biến đổi thành xung tương tự 150 Khz.
Bộ kích thích nhận tín hiệu xung tương tự 150 Khz thực hiện xử lý, khuếch đại, biến đổi thành xung cao tần ở tần số 35 ÷ 70 MHz.
Bộ khuếch đại công suất phát nhận tín hiệu từ bộ kích thích để khuếch đại công suất, xử lý điều chỉnh, kiểm tra cần thiết qua khuếch đại sơ bộ và khuếch đại công suất ra, chuyền ra anten phát, bức xạ vào không gian.
-Hệ thống thu đa kênh:
Hệ thống thu đa kênh gồm có:
Bộ tạo điện áp chuẩn: Tạo điện áp chuẩn ổn định ở 1GHz là điện áp chuẩn chung cho toàn đài.
Bộ tạo điện áp ngoại sai I, II, nhận điện áp chuẩn 1GHz từ bộ tạo điện áp chuẩn để tạo điện áp ngoại sai I, II, ở tần số 57,75 ÷ 92,75 MHz và 22,6 MHz, đưa đến bộ kích thích để biến đổi nâng tần số và qua bộ phân nhánh 8 đầu ra để đưa tới 8 tuyến thu để biến đổi tần số 2 lần siêu ngoại sai.
Hệ thống thu: Thu nhận tín hiệu Ra đa từ anten thu, thực hiện khuếch đại, lọc, biến đổi hạ tần số thành các tần số trung tần 1 và trung tần 2 cho xử lý cấp I tin tức Ra đa. Hệ thống thu gồm 8 máy thu độc lập nhau, làm việc giống nhau, ổn định và đồng đều các tham số.
Hệ thống xử lý cấp I nhận tin từ đầu ra máy thu ở tần số 150 KHz thực hiện biến đổi tương tự - số, tổ chức tin tức, xử lý trong xung, gồm các xung độc lập nhau từ 8 tuyến thu cùng vào xử lý búp sóng số, thực hiện tiếp nhiệm vụ xử lý, phát hiện mục tiêu là điểm dấu cấp I đưa sang xử lý cấp II và hiển thị cấp I, hiển thị cấp II.
Hệ thống hiển thị: Hệ thống hiển thị thực hiện hiển thị điểm dấu cấp I, cấp II, trạng thái kỹ thuật thiết bị, các Menha chế độ làm việc, điều khiển và hiện báo trạng thái.
Hệ thống tổ hợp tính toán, điều khiển, trao đổi tin tức:
+ Hệ thống gồm máy tính với khối hệ thống trung tâm thực hiện những tính toán cần thiết và trao đổi với các đối tượng trực tiếp.
+ Hệ thống cụm điều khiển trao đổi với máy tính thực hiện nhiệm vụ trung gian điều khiển chế độ làm việc, tiếp nhận trao đổi tin tức với các hệ thống.
Hệ thống nguồn thứ cấp: Hệ thống nguồn thứ cấp làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành các điện áp 1 chiều nuôi các hệ thống thiết bị.
4.2. Nguyên lý hoạt động theo sơ đồ khối – chức năng toàn đài.
Dựa trên tham chiếu từ đài ra đa Cộng hưởng, đài ra đa chế thử gồm các hệ thống cơ bản hoạt động theo nguyên lý ra đa cộng hưởng, lập luận xây dựng phương án thiết
kế chi tiết các hệ thống đáp ứng được yêu cầu đặt ra từ các module chi tiết của từng hệ thống, kiểm soát được các tham số riêng, tham số hệ thống, tham số điển hình, tích hợp hệ thống.
Đài ra đa chế thử với đặc điểm có tính năng rút gọn hạn chế, minh chứng được quá trình lập luận xây dựng chi tiết, lắp ráp, đo đạc kiểm tra, thực hiện được các phương án thử nghiệm đạt những tính năng chiến kỹ thuật cơ bản.
Nguyên lý hoạt động của đài chế thử theo sơ đồ khối chức năng trên toàn đài như sau:
4.2.1. Hệ thống tạo tín hiệu phát:
Hệ thống tạo tín hiệu phát gồm các bộ phận: Khối tạo xung phát gốc, Bộ kích thích, khối khuếch đại công suất phát, đường truyền phi đơ và anten phát.
Bộ tạo xung phát gốc tạo ra tín hiệu cao tần ở tần số trung tần II 150 KHz với hiệu ứng điều tần tuyến tính có độ di tần đối xứng là 50 KHz. Phổ của nó được đưa lên tần số mang ở bộ kích thích qua 2 lần biến đổi tần số - Nâng tần số.
Để tạo ra xung cao tần 150 KHz phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau về độ rộng xung, về cu kỳ lặp, về đồng bộ thời gian, khối phải nhận lệnh từ máy tính trung tâm qua cụm điều khiển và trao đổi. Chương trình tạo xung được nạp trước vào thiết bị nhớ cố định (ROM). Khi có tác động, thì chương trình tạo xung được nạp sang bộ xử lý tín hiệu số nhớ chương trình và nhớ các dữ liệu (DSP), chương trình sẽ điều khiển bộ tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) tạo ra tín hiệu hoàn toàn ở dạng số và được biến đổi thành tín hiệu tương tự 150 KHz điều tần tuyến tính với độ di tần 50 KHz đối xứng nhờ bộ biến đổi Số - tương tự. Độ rộng xung, tần số lặp, đồng bộ thời gian phụ thuộc vào lệnh từ máy tính trung tâm điều khiển chương trình ở khối triger tĩnh ghi file.
Bộ tạo xung phát gốc còn chấp hành lệnh tạo giả từ trung tần với tin tức tạo giả mục tiêu: độ giữ chậm, độ dịch pha dople, số lượng mục tiêu tạo giả, thực hiện tạo giả tín hiệu mục tiêu di động của hệ thống.
Tín hiệu đầu ra được đưa sang bộ kích thích để khuếch đại, biến đổi tín hiệu phát gốc là 150 KHz điều tần tuyến tính đưa lên tần số mang 30 – 75 MHz. Tín hiệu đầu vào bộ kích thích đi qua các khâu: Bộ suy giảm đầu vào chỉ cho chế độ tạo giả, qua bộ lọc thấp tần đến bộ trộn I, đồng thời tín hiệu ngoại sai II cũng đưa tới bộ trộn I, đầu ra bộ trộn I là tín hiệu ở tần số 22,75 qua tầng khuếch đại I, qua bộ suy giảm chỉ để cho chế độ tạo giả, qua bộ lọc dải thông đến bộ trộn tần II, đưa đến bộ trộn II đồng thời có
tín hiệu ngoại sai I ở tần số 57,75÷92,75 MHz; tiếp đó là tín hiệu đưa đến bộ khóa, khóa vùng ngoài của sổ để chặn nhiễu, tiếp đến qua bộ lọc cắt, qua bộ lọc dải thông, bộ khuếch đại, bộ cân bằng biên độ và phối hợp đầu ra, tín hiệu tần số mang được đưa sang bộ khuếch đại công suất. Đồng thời từ đầu ra bộ kích thích ở chế độ tạo giả, một phần năng lượng đi vào khối tạo giả, qua bộ phân nhánh (8 nhánh) vào 8 máy thu.
Đưa tới khối kích thích còn có xung cửa sổ đồng bộ với xung kích thích, đồng thời có xung điều khiển, để điều khiển mạch suy giảm ở chế độ tạo giả.
4.2.2. Bộ khuếch đại công suất
Bộ khuếch đại công suất thực hiện nhiệm vụ khuếch đại, lọc, điều khiển công suất kiểm soát các thông số qua các xenxo và mạch kiểm tra, phối hợp đầu ra qua cáp phi đơ truyền lên anten phát.
Bộ tiền khuếch đại – khuếch đại sơ bộ: Tín hiệu tần số mang từ bộ kích thích đưa sang bộ tiền khuếch đại, vào bộ suy giảm có điều khiển đển điều chỉnh công suất xung phát trong dải chuyển tần, tiếp đó qua bộ xoay pha, qua các tầng khuếch đại, qua phối hợp đầu ra đưa sang bộ khuếch đại công suất ra.
Bộ khuếch đại công suất ra: Tín hiệu tần số mang từ bộ khuếch đại sơ bộ đưa sang bộ khuếch đại công suất ra, vào bộ chia đầu vào thực hiện chia tín hiệu tạo ra đầu vào cho các bộ khuếch đại công suất ra làm việc song song tạo công suất cao hơn, tiếp đến qua bộ lọc đầu ra, bộ định hướng , qua phối hợp đầu ra, khối chuyển mạch anten thực hiện chuyển năng lượng phát lên anten phát hay đến anten tương đương, tải tương đương tùy theo chế độ điều khiển.
Các bộ khuếch đại công suất sơ bộ và khuếch đại công suất ra có các cảm biến nhiệt độ, cảm biến dòng, cảm biến công suất để đo đạc xử lý tại kết quả ở dữ liệu số hiển thị và báo về trung tâm.
Các tín hiệu điện áp sóng tới, sóng phản xạ ở đầu ra (Unag, Uotb) Từ nhánh định hướng đưa tới đầu vào máy thu, thông tuyến máy thu, qua biến đổi tương tự số, qua thiết bị nhận tin, tính toán hệ số hiệu chuẩn, qua trung tâm, điều khiển công suất xung phát trong dải chuyển tần.
4.2.3. Hệ thống thu đa kênh.
Hệ thống thu đa kênh thực hiện nhiệm vụ thu, khuếch đại, lọc, biến đổi siêu ngoại sai tín hiệu tần số mang 35÷70MHz về trung tần II – 150KHz cho hệ thống xử lý cấp I ở kênh thu độc lập đến khối tạo búp sóng số.
Hệ thống thu đa kênh gồm các thành phần: Bộ tạo tín hiệu chuẩn - gốc, bộ tạo tín hiệu ngoại sai I, bộ tạo tín hiệu ngoại sai II, 8 máy thu làm việc độc lập
- Bộ tạo tín hiệu chuẩn gốc và tạo ngoại sai I, ngoại sai II:
Tín hiệu điện áp chuẩn gốc ở tần số chuẩn 1GHz được tạo ra trên bộ dao động phát thạch anh chuẩn có độ ổn định cao, tín hiệu đầu ra đưa qua bộ chuyển mạch làm nhiệm vụ chuyển mạch hoặc là lấy tín hiệu chuẩn gốc 1GHz trong hay tín hiệu chuẩn từ ngoài. Tiếp đó tín hiệu chuẩn gốc được đưa tới các bộ tạo điện áp ngoại sai I và ngoại sai II. Các bộ tạo điện áp ngoại sai làm việc theo nguyên tắc tổ hợp tần số, có độ ổn định tần số cao. Các tín hiệu tần số ngoại sai I và ngoại sai II được đưa đến bộ kích thích tạo tín hiệu phát, và qua bộ phân nhánh định hướng 8 đầu ra đưa tới 8 máy thu thực hiện biến đổi siêu ngoại sai nâng tần số phát gốc lên tần số mang 35÷75MHz và biến đổi hạ tần số tuyến thu xuống tần số trung tần II-150KHz
- Khối máy thu:
Đầu ra làm việc ở dải tần số 35÷70MHz, ở dải tần này phù hợp với hiệu ứng cộng hưởng bức xạ thứ cấp với mục tiêu bay khí động học, hiệu ứng mang lại lợi suất rất lớn trong việc phát hiện mục tiêu bay ở công nghệ “tàng hình”, song lại chịu ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu: nhiễu công nghiệp, nhiễu khí quyển, nhiễu vũ trụ, nhiễu từ các nguồn bức xạ tích cực khác và nhiễu nội tạp máy thu. Nhiều loại nhiễu tác động trực tiếp vào máy thu qua các kênh ở tần số cạnh, các kênh tần số phụ (có tần số gương) nên hệ thống thu cần được ứng dụng nguyên tắc thu siêu ngoại sai với 2 lần trộn tần, biến đổi tần số với nhiều bộ lọc thực hiện chọn lọc tần số hợp lý giảm tác động không những nhiễu nội tạp máy thu, nhiễu nội bộ mà còn nhiễu tác động từ ngoài.
Mặt khác, ở tuyến thu ngoài yêu cầu có độ chọn lọc tần số tốt, còn rất là có tín hiệu ở các đầu ra các kênh thu có tính đồng đều đáp ứng các yêu cầu xử lý cấp I, đảm bảo hiệu quả tích lũy tín hiệu, tin tức ra đa, đáp ứng yêu cầu xử lý búp sóng thu số định vị mục tiêu theo phương vị có độ chính xác tốt.
Tuyến thu còn tham gia vào mạch kiểm tra hiệu chính hệ thống qua các giải pháp - Tạo tín hiệu giả mục tiêu di động kiểm tra hệ thống.
- Tham gia vào xử lý kiểm tra bộ khuếch đại công suất phát.
Tín hiêu tạo giả từ đầu ra bộ kích thích ở tần số mang qua bộ phân nhánh tạo giả với 8 đầu ra được đưa tới 8 máy thu thông tuyến thu, xử lý để kiểm tra hiệu chỉnh đánh giá hệ thống.
Máy thu nhận tín hiệu từ đầu ra bộ khuếch đại công suất phát, qua nhánh định hướng vào tuyến thu, thông tuyến thu để tính toán hệ số hiệu chuẩn điều chỉnh công suất xung phát.
Phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển, bộ chuyển mạch đầu vào máy thu sẽ nhận một trong các tín hiệu đầu vào: tín hiệu thu từ anten thu, tín hiệu tạo giả mục tiêu ở tần số cao tần từ bộ kích thích, hoặc tín hiệu điện áp sóng phản xạ (Unag), sóng tới (Uotp) từ đầu ra bộ khuếch đại công suất. Nhận tín hiệu vào và thông tuyến thu: qua khuếch đại cao tần I, qua lọc dải thông – thực hiện lọc dải ở 5 bộ lọc song song với điều khiển chuyển mạch tương tự trong dải tần làm việc 35÷75MHz, tiếp đến qua bộ lọc cắt, khuếch đại cao tần II, qua suy giảm cao tần 4 nấc, qua lọc cắt, qua lọc dải thấp đến bộ trộn I, đồng thời đến bộ trộn I còn có tín hiệu ngoại sai I ở tần số 57,75÷92,75MHz, đầu ra bộ trộn I là tín hiệu trung tần I ở tần số 22,75 MHz, qua khuếch đại trung tần I, qua lọc trung tần I, đến bộ trộn II, đồng thời đến bộ trộn II có tín hiệu ngoại sai II ở tần số 22,6 MHz, đầu ra bộ trộn II là tín hiệu ở trung tần II 150 KHz, qua lọc dải trung tần II, đi ra khỏi khối máy thu đến bộ biến đổi tương tự - số cho công đoạn xử lý cấp I tin tức ra đa.
Hệ thống thu có khối hệ thống thực hiện giao tiếp với thiết bị tính toán điều khiển, điều chỉnh tham số và hiển thị, hiện báo kết quả trong kiểm tra chức năng và trạng thái kỹ thuật gồm:
- Điều khiển chuyển mạch đầu vào tuyến thu.
- Điều khiển điều chỉnh suy hao cao tần, trung tần tuyến thu.
- Điều chỉnh công suất phát xung trong dải chuyển tần.
- Điều khiển chuyển tải anten tương đương, tải tương đương.
- Hiển thị, hiện báo các kết quả kiểm tra chức năng và trạng thái kỹ thuật các thiết bị phát, thu.
4.2.4. Hệ thống xử lý cấp I tin tức ra đa.
Tổ hợp chương trình xử lý cấp I cần thực hiện các nhiệm vụ: Thu các tin tức điều khiển, thu tin tín hiệu, xử lý trong xung các tín hiệu điều tần tuyến tính, tạo số lượng các kênh cự ly, tạo búp sóng số, tích lũy tương can giữa các xung- tạo ra số lượng các kênh dople xác định, tách tín hiệu, tích lũy không tương can, cắt nhiễu tiêu cực, xử lý ngưỡng, tách điểm dấu, cắt nhiễu vệ tinh, ước lượng tọa độ mục tiêu.