Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng máy thu đài ra đa thông qua việc nghiên cứu nâng cao chất lượng các môđun trong tuyến thu (các bộ hạn chế công suất cao tần, các bộ khuếch đại cao tần tạp thấp, các bộ dao động bán dẫn SCT VCO...) nhằm nâng cao độ nhạy, giảm mức tạp pha, nâng cao độ ổn định và cải thiện chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ *********** NGUYỄN VĂN HẠNH NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THU TÍN HIỆU TRONG ĐÀI RA ĐA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2014
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ *********** NGUYỄN VĂN HẠNH NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THU TÍN HIỆU TRONG ĐÀI RA ĐA Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 62 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Nguyễn Thị Ngọc Minh 2. TS Chu Xuân Quang Hà Nội – 2014
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TÁC GIẢ LUẬN ÁN Nguyễn Văn Hạnh
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới các thầy cô hướng dẫn: - TS Nguyễn Thị Ngọc Minh, Viện Ra đa/ Viện KH & CNQS - TS Chu Xuân Quang, Viện Vật lý Kỹ thuật/ Viện KH & CNQS đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành được luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Nhà khoa học đã cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện KH & CNQS, Phòng Đào tạo đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành nhiệm vụ. Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Thủ trưởng Viện Ra đa, Thủ trưởng Viện Điện tử - Viễn thông đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ tôi đạt kết quả mong muốn. Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Ra đa / Viện Ra đa, nơi tôi trực tiếp công tác và học tập, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án.
iii MỤC LỤC Trang Danh mục các ký hiệu......................................................................................... vii Danh mục các từ viết tắt………………………………………………………. ix Danh mục các bảng……………………………………………………………. xi Danh mục các hình vẽ…………………………………………………………. xii MỞ ĐẦU……………………………………………………………………… 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU RA ĐA.......................... 8 1.1. Cấu hình và cấu trúc máy thu ra đa................................................................................ 8 1.1.1. Cấu hình máy thu ra đa...................................................................... 8 1.1.2. Phân loại cấu trúc máy thu................................................................. 10 1.1.2.1. Máy thu siêu ngoại sai.............................................................. 10 1.1.2.2. Máy thu đổi tần trực tiếp…………………………………….. 11 1.1.2.3. Máy thu trung tần thấp……………………………………….. 11 1.1.2.4. Máy thu đa kênh dải rộng......................................................... 12 1.1.3. So sánh các cấu trúc máy thu............................................................. 12 1.2. Các yêu cầu kỹ thuật chính đối với máy thu ra đa....................................... 14 1.2.1. Tạp và độ nhạy máy thu ........….………………......…...………….. 14 1.2.1.1. Tạp máy thu.............……………………....…………………. 14 1.2.1.2. Độ nhạy máy thu .……..……………………………………... 16 1.2.2. Thời gian khôi phục độ nhạy máy thu……………………………… 17 1.2.3. Hệ số khuếch đại, dải động và độ tuyến tính……..…………….….. 18 1.2.3.1. Hệ số khuếch đại....................................................................... 18 1.2.3.2. Dải động.....………………………………………………….. 18 1.2.3.3. Độ tuyến tính..……………………………………………….. 19 1.2.4. Độ chính xác và độ ổn định tần số..................................................... 21 1.3. Xây dựng nội dung nghiên cứu của luận án................................................ 23 1.3.1. Hiện trạng ra đa của Quân đội ta........................................................ 23 1.3.2. Xu thế phát triển hệ thống thu đài ra đa............................................. 25
iv 1.3.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu........................................................ 26 1.3.3.1. Ngoài nước............................................................................... 26 1.3.3.2. Trong nước............................................................................... 26 1.3.4. Về chất lượng thu của máy thu ra đa……………………………….. 28 1.3.5. Nội dung nghiên cứu của luận án …………………......…………… 29 Kết luận chương 1............................................................................................... 31 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THU TÍN HIỆU TRONG ĐÀI RA ĐA.................... 32 2.1. Hạn chế các tín hiệu cường độ mạnh vào máy thu...................................... 32 2.1.1. Chức năng, tác dụng của bộ hạn chế công suất trong ra đa…........... 35 2.1.2. Bộ hạn chế siêu cao tần bằng bán dẫn................................................ 36 2.1.2.1. Bộ hạn chế varactor thụ động................................................... 37 2.1.2.2. Bộ hạn chế điốt PIN.................................................................. 39 2.1.2.3. Bộ hạn chế điốt PIN giả tích cực………….............…………. 41 2.1.2.4. Bộ hạn chế Varactor PIN…………...………………………... 42 2.1.2.5. Một số mô hình bộ hạn chế công suất đã sử dụng trong thực tế.............................................................................. 42 2.1.2.6. Tổng kết…….………………………………………………... 44 2.1.3. Đề xuất một bộ hạn chế công suất cho hiệu quả cao..........………... 44 2.1.4. Tính toán các tham số của bộ hạn chế công suất............................... 49 2.2. Nâng cao độ ổn định tần số và giảm mức tạp pha của 52 bộ dao động tại chỗ...................................................................................... 2.2.1. Độ ổn định tần số của các bộ dao động VCO......................................... 54 2.2.2. Sự phát sinh tạp trong bộ dao động……..........……………….......... 55 2.2.3. Khảo sát tạp điều biên (AM) và điều pha (PM) ở đầu ra bộ dao động dùng transistor................................................. 55 2.2.3.1. Tạp do chuyển đổi và điều chế trong các bộ dao động………. 55 2.2.3.2. Điều chế bởi một tín hiệu tạp………..……….....……………. 56 2.2.3.3. Các mô hình tạp của bộ dao động.……..…………………….. 57
v 2.2.3.4. Cách tiếp cận phi tuyến để tính toán, phân tích tạp của các bộ dao động.................................................................. 64 2.2.3.5. Tạp chuyển đổi…………..………........................................... 67 2.2.3.6. Tạp điều chế………..…………………………….................... 70 2.2.4. Tạp của bộ dao động với mạch PLL……..........……………….......... 74 2.2.4.1. Giới thiệu chung về vòng khóa pha.......................................... 74 2.2.4.2. Mật độ phổ công suất tạp pha................................................... 75 2.2.4.3. Phổ tạp pha PLL....................................................................... 82 Kết luận chương 2............................................................................................... 84 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM................. 86 3.1. Bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu đài ra đa .......................................... 86 3.1.1. Đánh giá công suất lọt sau đèn cặp nhả điện trên đài ra đa............... 86 3.1.2. Mô phỏng bộ hạn chế công suất bằng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần ADS...................................................................... 87 3.1.3. Kết quả đo thực tế.............................................................................. 90 3.1.3.1. Đo trong Phòng thí nghiệm...................................................... 90 3.1.3.2. Đo khi làm việc trên đài ra đa................................................... 93 3.2. Bộ dao động sử dụng một vòng khóa pha..................................................... 95 3.2.1. Chức năng của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất..................... 95 3.2.2. Nguyên lý làm việc của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất....... 95 3.2.3. Kết quả đo thực tế.............................................................................. 98 3.2.3.1. Đo, đánh giá phổ dao động....................................................... 98 3.2.3.2. Đo, đánh giá tạp pha................................................................. 98 3.2.3.3. Đo, đánh giá độ ổn định tần số................................................. 101 3.3. Bộ dao động sử dụng nhiều vòng khóa pha.................................................. 103 3.3.1. Chức năng của bộ dao động LO1 và LO2.......................................... 104 3.3.2. Nguyên lý làm việc của bộ dao động LO1 và LO2............................ 104 3.3.3. Máy thu đài ra đa băng tần VHF........................................................ 109 3.3.4. Kết quả đo thực tế.............................................................................. 111
vi Kết luận chương 3............................................................................................... 114 KẾT LUẬN CHUNG……………………………………………..................... 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.................... 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………... .. 121 PHỤ LỤC: CÁC SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH VÀ ẢNH CHỤP SẢN PHẨM
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên aE Hằng số tạp nhấp nháy của mạch khuếch đại lặp. Ap Tổn hao của điốt PIN khi không cấp nguồn [dB] aR Hằng số tạp nhấp nháy của mạch cộng hưởng. As Tổn hao của điốt PIN khi cấp nguồn [dB] B Dải thông máy thu [Hz] C Điện dung [F] C •k,-k(ω) Hệ số tương quan ở dải biên trên và dưới của hài thứ k C ckPM − AM (ω ) Hệ số tương quan PM- AM ở hài thứ k E Vector phần thực và phần ảo của tất cả các lỗi HB EB Vector phụ lỗi sinh ra do dải biên EH Vector phụ lỗi sinh ra do hài sóng mang F Hệ số tạp [dB] fC Tần số sóng mang [Hz] fco Tần số góc tạp nhấp nháy của transistor [Hz] fIF Tần số trung tần [Hz] fLO Tần số ngoại sai [Hz] fm Tần số điều chế [Hz] fo Tần số trung tâm [Hz] fRF Tần số tín hiệu [Hz] fs Tần số lấy mẫu [Hz] G Hệ số khuếch đại [dB] Id Dòng điều khiển điốt PIN [mA] K0 Hệ số khuếch đại điện áp dao động [lần] L Điện cảm [H] M Ma trận Jacobian của các lỗi HB N Hệ số chia trong mạch PLL [lần] Nk(ω), N-k(ω) Mật độ phổ công suất tạp ở dải biên trên và dưới của [dBc/Hz] hài thứ k Nth Công suất tạp nhiệt [dBm]
viii Ký hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên Psav Công suất trung bình đầu ra bộ dao động [dBm] Q Hệ số phẩm chất Rf Điện trở thuận điốt PIN [Ω] RFin Tín hiệu vào [dBm] RFout Tín hiệu ra [dBm] RL Điện trở tải [Ω] Rp Điện trở của điốt PIN khi không cấp nguồn [Ω] Rs Điện trở của điốt PIN khi cấp nguồn [Ω] Rx Thu XB Vector biến trạng thái bao gồm các thành phần ở dải biên XH Vector bao gồm các thành phần hài sóng mang Y Dẫn nạp [S] Z0 Trở kháng của đường truyền [Ω] ζ ( fm ) Tạp pha của bộ VCO [dBc/Hz] 〈•〉 Trung bình chung ε Hằng số điện môi [F/m] ω Tần số [rad/s] λ Bước sóng [m] β Chỉ số điều chế của tín hiệu điều chế θ Pha của tín hiệu [rad] τ Hằng số thời gian [s] ⊗ Liên hợp hoán vị * Liên hợp phức
ix DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC Chuyển đổi tương tự- số (Analog Digital Converter) ADS Phần mềm thiết kế mạch ADS (Advance Design Systems) AFC Tự động điều chỉnh tần số (Automatic Frequency Control) AGC Tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại (Automatic Gain Control) AM Điều biên (Amplitude Modulation) BPF Bộ lọc dải thông (Band Pass Filter) BUF Bộ đệm (Buffer) BW Dải thông (Band Width) COHO Bộ dao động tại chỗ tương can (Coherent Local Oscillator) CP Bơm tích điện (Charge Pump) CW Sóng liên tục (Continous Wave) DC Một chiều (Direct Current) DDC Biến đổi số trực tiếp (Direct Digital Conversion) DDS Tổng hợp kỹ thuật số trực tiếp (Direct Digital Synthesizer) DR Dải động (Dynamic Range) DSP Xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processing) FIL Bộ lọc (Filter) FM Điều tần (Frequency Modulation) HB Cân bằng hài (Harmonic Balance) IC Vi mạch (Integrated Circuit) IF Trung tần (Intermediate Frequency) IIP1 Điểm chắn đầu vào bậc 1 (First order Input Intercept Point) IIP2 Điểm chắn đầu vào bậc 2 (Second order Input Intercept Point) IIP3 Điểm chắn đầu vào bậc 3 (Third order Input Intercept Point) Im Phần ảo (Imaginary) IM Điều biến tương hỗ (Intermodulation) IM2 Điều biến tương hỗ bậc 2 (Second order Intermodulation) IM3 Điều biến tương hỗ bậc 3 (Third order Intermodulation) IP2 Điểm chắn bậc 2 (Second order Intercept Point) IP3 Điểm chắn bậc 3 (Third order Intercept Point) ISF Hàm độ nhạy trong xung (Impulse Sensitivity Function)
x KĐ Khuếch đại LNA Bộ khuếch đại tạp thấp (Low Noise Amplifier) LPF Bộ lọc thông thấp (Low Pass Filter) LO Bộ dao động tại chỗ (Local Oscillator) MASH Hình dạng tạp đa tầng (Multi-Stage Noise Shaping) MOS Độ nhạy hoạt động tối thiểu (Minimum Operational Sensitivity) NCS Nghiên cứu sinh PD Bộ tách sóng pha (Phase Detector) PFD Bộ tách sóng pha- tần số (Phase Frequency Detector) PLL Vòng khóa pha (Phase Lock Loop) PM Điều pha (Phase Modulation) PSD Mật độ phổ công suất (Power Spectrum Density) Re Phần thực (Real) REF Tham chiếu (Reference) RF Tần số vô tuyến (Radio Frequency) RMS Giá trị trung bình bình phương (Root Mean Square) RS Độ nhạy máy thu (Receiver Sensitivity) SCT Siêu cao tần SDM Điều chế Σ-Δ (Sigma - Delta Modulator) SNR Tỷ số tín/tạp (Signal Noise Ratio) SS Trạng thái ổn định (Steady State) SSB Đơn biên (Single Side Band) STALO Bộ dao động tại chỗ ổn định (Stable Local Oscillator) STC Điều khiển độ nhạy theo thời gian (Sensitivity Time Control) TCXO Bộ dao động tinh thể có bù khử nhiệt độ (Temperature Compensated Crystal Oscillator) VCO Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Control Oscillator) VHF Tần số rất cao (Very High Frequency)
xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh các cấu trúc máy thu khác nhau................................................ 13 Bảng 2.1: Các dải công suất của các thiết bị bảo vệ cao tần................................... 44 Bảng 2.2: So sánh 3 kiểu hạn chế thụ động, tích cực và giả tích cực..................... 45 Bảng 2.3: Tham số kỹ thuật của bộ hạn chế công suất........................................... 49 Bảng 3.1: Các tham số kỹ thuật chính của 3 loại điốt PIN..................................... 88 Bảng 3.2: Mức hạn chế (dB) theo 3 phương pháp.................................................. 94 Bảng 3.3: Tham số kỹ thuật của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất............... 97 Bảng 3.4: Tạp pha bộ VCO tại tần số dao động 16,24 GHz................................... 101 Bảng 3.5: Tạp pha máy thu tại tần số 16,27 GHz................................................... 101 Bảng 3.6: Khảo sát tần số của bộ VCO theo thời gian........................................... 102 Bảng 3.7: Tham số kỹ thuật của bộ dao động ngoại sai LO1................................. 109 Bảng 3.8: Tham số kỹ thuật của bộ dao động ngoại sai LO2................................. 109 Bảng 3.9: Tham số kỹ thuật đo được của máy thu đài ra đa băng tần VHF……... 112 Bảng 3.10: Tạp pha máy thu đài ra đa băng tần VHF............................................. 112
xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu hình cơ bản của máy thu ra đa chủ động..................................... 9 Hình 1.2: Cấu hình cơ bản máy thu siêu ngoại sai trộn tần một cấp………….. 11 Hình 1.3: Cấu trúc máy thu đổi tần trực tiếp (trộn xuống I/Q).......................... 11 Hình 1.4: Sơ đồ khối máy thu trung tần thấp..................................................... 12 Hình 1.5: Các bộ lọc chuyển kênh trong máy thu đa kênh dải rộng................... 12 Hình 1.6: Phóng to mép phổ của LO và mô tả tạp hợp nhất.............................. 16 Hình 1.7: Quét công suất chỉ ra các điểm bậc hai IIP2 và bậc ba IIP3............... 19 Hình 1.8: Mối quan hệ giữa các tham số của máy thu……………………….... 20 Hình 2.1: Sơ đồ tuyến thu đài ra đa.................................................................... 35 Hình 2.2: Dạng xung phát xạ lọt qua đèn........................................................... 36 Hình 2.3: Bộ chuyển mạch thu -phát bán dẫn.................................................... 37 Hình 2.4: Bộ hạn chế varactor ........................................................................... 38 Hình 2.5: Bộ hạn chế sử dụng 2 điốt PIN mắc sơn cách nhau 1/4 bước sóng.... 40 Hình 2.6: Mức hạn chế (a) và tổn hao (b) của bộ hạn chế.................................. 41 Hình 2.7: Bộ hạn chế giả tích cực sử dụng điốt PIN.......................................... 41 Hình 2.8: Đặc tuyến công suất đầu ra của bộ hạn chế giả tích cực.................... 42 Hình 2.9: Một số mô hình bộ hạn chế công suất sử dụng trong thực tế............. 43 Hình 2.10: Sơ đồ khối bộ hạn chế công suất...................................................... 46 Hình 2.11: Bộ lọc cài răng lược.......................................................................... 47 Hình 2.12: Bộ lọc răng lược............................................................................... 47 Hình 2.13: Bộ lọc cài răng lược kết hợp với hiệu ứng điốt PIN......................... 48 Hình 2.14: Tạp pha cộng vào sóng mang........................................................... 59
xiii Hình 2.15: Mô hình hóa tạp bằng bộ khuếch đại tạp tự do và điều chế pha....... 59 Hình 2.16: Mô hình mạch phản hồi tương đương của tạp pha bộ dao động...... 60 Hình 2.17: Tạp pha của bộ dao động có Q cao và thấp...................................... 61 Hình 2.18: Mạch phi tuyến có tạp thông thường……..……………...………... 65 Hình 2.19: Sơ đồ khối của PLL.......................................................................... 75 Hình 2.20: Mô hình đã tuyến tính hóa của PLL................................................. 75 Hình 2.21: Phổ tạp pha của bộ tổ hợp tần số 10 GHz với 1 vòng khóa pha…….. 82 Hình 2.22: Phổ tạp pha của bộ tổ hợp tần số 10 GHz với 2 vòng khóa pha.......... 83 Hình 2.23: So sánh phổ tạp pha của bộ tổ hợp tần số 10 GHz (giữa 1 với 2 vòng khóa pha)............................................................ 83 Hình 3.1: Sơ đồ đo đánh giá dạng xung lọt sau đèn cặp nhả điện...................... 87 Hình 3.2: Dạng xung lọt với suy giảm đồng trục 50 dB..................................... 87 Hình 3.3: Đặc tuyến hạn chế của điốt MA4L401-30.......................................... 88 Hình 3.4: Đặc tuyến hạn chế của điốt MLP7100................................................ 88 Hình 3.5: Kết quả mô phỏng bộ lọc dải thông.................................................... 89 Hình 3.6: Kết quả mô phỏng bộ hạn chế công suất............................................ 89 Hình 3.7: Kết quả đo tổn hao đi qua................................................................... 90 Hình 3.8: Kết quả mô phỏng và đo thực tế mạch hạn chế cộng/chia công suất. 91 Hình 3.9: Kết quả mô phỏng và đo thực tế bộ lọc dải thông.............................. 91 Hình 3.10: Kết quả mô phỏng và đo thực tế mạch hạn chế tích cực.................. 91 Hình 3.11: So sánh xung đầu vào bộ hạn chế và xung điều khiển điốt HP5082-3041 được tạo ra từ mạch tách sóng................................. 92
xiv Hình 3.12: So sánh xung đầu vào bộ hạn chế và xung điều khiển điốt 92 HP5082-3041 được tạo ra từ xung kích phát của đài...................... Hình 3.13: Sơ đồ đo thực tế trên đài ra đa.......................................................... 93 Hình 3.14: Đồ thị so sánh giữa 3 phương pháp.................................................. 94 Hình 3.15: Sơ đồ khối của bộ dao động siêu cao tần.......................................... 95 Hình 3.16: Sơ đồ khối mạch ổn định tần số dao động VCO.............................. 96 Hình 3.17: Kết quả đo phổ bộ VCO khi thay đổi điện áp cấp cho Varactor...... 98 Hình 3.18: Kết quả đo tạp pha bộ VCO khi không có (a) và khi có mạch PLL (b)................................................................... 99 Hình 3.19: Kết quả đo tạp pha máy thu dùng bộ VCO khi không có (a) và khi có mạch PLL (b)................................................................... 100 Hình 3.20: Sơ đồ hệ thống đo đánh giá độ ổn định tần số của bộ VCO............. 101 Hình 3.21: Độ ổn định tần số của bộ VCO khi có sử dụng PLL và khi không sử dụng PLL.................................................................................... 102 Hình 3.22: Sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số dao động tại chỗ................................... 104 Hình 3.23: Sơ đồ chi tiết của bộ dao động ngoại sai LO1 và LO2..................... 108 Hình 3.24: Sơ đồ khối bộ tạo dao động ngoại sai LO2……………………….. 109 Hình 3.25: Sơ đồ khối của máy thu đài ra đa băng tần VHF.............................. 110 Hình 3.26: Sơ đồ khối một kênh thu đài ra đa băng tần VHF............................ 111 Hình 3.27: Kết quả đo tạp pha máy thu đài ra đa băng tần VHF........................ 113
1 MỞ ĐẦU I. Đặt vấn đề Quân đội ta hiện nay có số lượng lớn ra đa, được trang bị cho các lực lượng Phòng không - Không quân, Hải quân, Pháo binh, Biên phòng, Tăng thiết giáp, thuộc nhiều chủng loại, nhiều thế hệ công nghệ và do nhiều nước sản xuất. Số lượng ra đa thế hệ đầu tiên là ra đa đơn xung (sử dụng tín hiệu đơn giản, linh kiện đèn điện tử, kỹ thuật tương tự), sản xuất từ những năm 1970 chiếm khoảng 90%, số giờ tích luỹ cao, đã qua nhiều năm sử dụng, cự ly phát hiện giảm chỉ còn 60% so với tính năng, chất lượng ra đa xuống cấp nghiêm trọng. Một số loại ra đa mới nhập gần đây (từ những năm 1990) với số lượng không đáng kể (chỉ chiếm khoảng 10%), thuộc thế hệ thứ 2 sử dụng tín hiệu cấu trúc phức tạp, thu nén xung, xử lý tối ưu, bám tự động và bán tự động [8]. Nhu cầu về cải tiến, hiện đại hóa ra đa trong Quân đội là rất lớn mà chủ yếu là ra đa thế hệ cũ. Không chỉ gặp khó khăn về vật tư, trang bị kỹ thuật mà nguồn thông tin về lý thuyết, kỹ thuật, công nghệ ra đa từ Liên Xô và Đông Âu cũ giảm đáng kể, từ các nước khác thì rất hạn chế. Máy thu ra đa quân sự so với các loại máy thu ra đa dân dụng có kỹ thuật tổng hợp hơn, phức tạp hơn và có đặc thù riêng. Tuy không phải là vấn đề mới cả về lý thuyết và công nghệ chế tạo, nhưng liên quan tới các bí mật quân sự về ra đa của các nước phát triển cũng như là các sản phẩm thương mại nên rất khó khăn trong việc tiếp cận và cập nhật các tài liệu liên quan. Hiện nay, vật tư linh kiện thay thế, nhất là một số linh kiện siêu cao tần (SCT) trong đó có các đèn sóng chạy, các đèn dao động Klistron không sản xuất nữa hoặc quá hiếm và đắt. Do đó buộc chúng ta phải tự nghiên cứu thiết kế, chế tạo thay thế tương đương bằng linh kiện thế hệ công nghệ mới (bán dẫn, vi mạch, vi xử lý, linh kiện tích hợp….) nhằm kéo dài thời gian sử dụng, duy trì sức chiến đấu của vũ khí, trang bị, khí tài. Xu hướng chung của thế giới là áp dụng kỹ thuật mới, tiên tiến cải tiến, hiện đại hoá ra đa hiện có, kể cả các nước có trình độ công nghệ cao và công nghệ sản xuất ra đa tiên tiến. Với các đài ra đa thế hệ cũ có độ rộng xung phát nhỏ (từ 2μs đến 6μs), để đảm bảo cự ly phát hiện xa thì công suất đỉnh của xung phát phải rất lớn, ví dụ: Π- 18: 200 kW, Π-37: 600 kW ÷ 700 kW (mỗi kênh), ΠPB-16: 700 kW [7]. Vì công suất xung lớn nên hệ thống đường truyền, chuyển mạch thu - phát thường hay bị
2 hỏng do đánh lửa, do đó công suất lọt từ máy phát sang máy thu lớn (có đài ra đa mức công suất lọt lớn cỡ 1 W CW), cần phải có phương án kỹ thuật hạn chế mức công suất lọt này. Giải pháp khắc phục là sử dụng bộ hạn chế công suất dùng để bảo vệ bộ khuếch đại tạp thấp không bị đánh thủng bởi công suất lọt (nhất là đối với các đài ra đa xung sử dụng các đèn cặp nhả điện không có điện áp mồi). Trong kỹ thuật SCT, việc nghiên cứu sử dụng các linh kiện đặc thù như điốt PIN, Gunn, Varactor và bán dẫn SCT được phát triển mạnh trong nhiều lĩnh vực ứng dụng, trong đó có các bộ hạn chế công suất, bộ dao động VCO dùng trong các hệ thống thu của đài ra đa.... Nâng cấp hiện đại hóa các khí tài ra đa có trong trang bị quân đội ta là một trong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu của các đơn vị làm công tác nghiên cứu và đảm bảo kỹ thuật ra đa. Áp dụng các linh kiện và kỹ thuật mới một cách có cơ sở khoa học vào các đài ra đa hiện có là một hướng đi đúng đắn và phù hợp với tình hình quân đội ta hiện nay. Chất lượng của máy thu đóng vai trò quyết định trong việc sản xuất chế tạo ra đa. Đặc biệt, đối với các đài ra đa thế hệ mới, máy thu phải có độ nhạy cao, tạp pha nhỏ và có độ ổn định cao. Vì vậy, việc nghiên cứu tìm ra các giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa là một nhu cầu cấp thiết và có tính thực tiễn cao trong điều kiện nước ta đang xây dựng một chương trình sản xuất ra đa. Chính vì những lý do trên, luận án đặt vấn đề: “Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa”, là một nhu cầu cấp thiết và có tính thực tiễn cao đối với việc phát triển của quân đội ta hiện nay. II. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng máy thu đài ra đa thông qua việc nghiên cứu nâng cao chất lượng các môđun trong tuyến thu (các bộ hạn chế công suất cao tần, các bộ khuếch đại cao tần tạp thấp, các bộ dao động bán dẫn SCT VCO...) nhằm nâng cao độ nhạy, giảm mức tạp pha, nâng cao độ ổn định và cải thiện chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa. Nội dung nghiên cứu của luận án chỉ giới hạn tập trung nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng các mô đun ở phần đầu máy thu của các đài ra đa quân sự hiện có của nước ta (tập trung vào phần SCT).
3 Nhiệm vụ của luận án sẽ phải giải quyết hai vấn đề chính: - Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng bảo vệ đầu vào máy thu của các đài ra đa quân sự hiện có của nước ta nhằm nâng cao độ nhạy máy thu, duy trì công tác bảo đảm kỹ thuật và phục vụ công tác sẵn sàng chiến đấu đang có nhu cầu cấp thiết; - Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng cao độ ổn định và giảm mức tạp pha của máy thu đài ra đa; cụ thể là: nâng cao độ ổn định tần số, giảm mức tạp pha của các bộ dao động VCO sử dụng một hoặc nhiều vòng khóa pha (PLL). III. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng bằng phần mềm thiết kế mạch ADS và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu tổng quan về các cấu trúc máy thu của đài ra đa. Phân tích các yêu cầu kỹ thuật chính đối với máy thu ra đa và mối quan hệ giữa chúng; - Nghiên cứu tổng quan tình trạng kỹ thuật của hệ thống ra đa của Quân đội ta, tình hình và xu hướng phát triển của hệ thống máy thu ra đa trên thế giới; - Khảo sát tổng quan về các bộ hạn chế công suất SCT dùng bán dẫn, bao gồm: bộ hạn chế Varactor, bộ hạn chế điốt PIN, bộ hạn chế điốt PIN giả tích cực và bộ hạn chế Varactor PIN; - Khảo sát các mô hình cho bộ dao động dùng transistor, mô hình tạp, trình bày công thức tính tạp điều biên (AM) và tạp điều pha (PM) ở đầu ra của bộ dao động dùng transistor; - Trình bày các nguyên nhân gây ra tạp pha và các yếu tố gây ảnh hưởng đến độ ổn định của các bộ dao động VCO dùng transistor; - Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật mới để thiết kế bộ hạn chế công suất điốt PIN bảo vệ bộ khuếch đại không bị đánh thủng bởi công suất lọt sau đèn cặp nhả điện: 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 để tạo ra được bộ hạn chế công suất có độ suy hao tổng cộng > 90 dB với mức tín hiệu SCT lớn đi đến và thời gian khôi phục độ nhạy máy thu < 10 ns;
4 - Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật mới để thiết kế bộ dao động dùng transistor: kỹ thuật dùng một hoặc nhiều vòng khóa pha; 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. Nghiên cứu thực nghiệm: - Thiết kế, chế tạo một số mạch SCT tiêu biểu sử dụng các linh kiện đặc thù trong máy thu đài ra đa, bao gồm: • Bộ hạn chế công suất điốt PIN làm việc ở dải sóng centimét; • Bộ dao động VCO kết hợp kỹ thuật một vòng khóa pha làm việc ở băng tần Ku; • Bộ dao động VCO kết hợp kỹ thuật nhiều vòng khóa pha làm việc băng tần VHF. - Thực nghiệm đo đối chứng các tham số, chỉ tiêu kỹ thuật các khối trên trong Phòng thí nghiệm, so sánh với các kết quả mô phỏng khi thiết kế và thực tế lắp trên các đài ra đa để khẳng định sự đúng đắn của các giải pháp đã đề xuất. IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Luận án tập trung nghiên cứu ứng dụng các linh kiện SCT tiên tiến, các giải pháp kỹ thuật mới để nâng cao chất lượng thu tín hiệu cho máy thu các đài ra đa quân sự hiện có ở nước ta. Đây là một hướng đi sáng tạo và phù hợp với tình hình trang bị ra đa hiện nay trong Quân đội ta. - Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của luận án đã và có khả năng được ứng dụng thực tế trong việc duy trì công tác đảm bảo kỹ thuật, kéo dài tuổi thọ, cải tiến, nâng cấp các đài ra đa hiện có và phục vụ cho các chương trình phát triển một số chủng loại ra đa mới. V. Nội dung của luận án Luận án gồm phần mở đầu, ba chương và kết luận. Chương 1: Tổng quan về máy thu ra đa. Nghiên cứu tổng quan về các cấu trúc máy thu của đài ra đa; bao gồm: máy thu siêu ngoại sai, máy thu đổi tần trực tiếp, máy thu trung tần thấp, máy thu đa kênh dải rộng và đi sâu phân tích các ưu nhược điểm của từng loại cấu trúc. Chương 1 cũng trình bày các yêu cầu kỹ thuật chính đối với máy thu ra đa và phân tích tổng quan tình hình nghiên cứu về máy thu ra đa trong và ngoài nước, từ đó có các đánh giá để đề xuất các nội dung nghiên cứu của luận án.