Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu thiết kế chế tạo modun khuếch đại công suất dùng trong máy phát Radar dải sóng dm(820-900Mhz)

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

107
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Radar là một thiết bị kết hợp rất nhiều khối điện tử phức tạp cả về công nghệ và khoa học, chính vì vậy trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, với mục tiêu nghiên cứu và chế tạo khối khuếch đại công suất sử dụng trong máy phát Radar tầm thấp, tác giả thực hiện luận văn "Nghiên cứu thiết kế chế tạo modun khuếch đại công suất dùng trong máy phát Radar dải sóng dm(820-900Mhz) ”.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu thiết kế chế tạo modun khuếch đại công suất dùng trong máy phát Radar dải sóng dm(820-900Mhz)

L Ờ I M Ở Đ Ầ U Trong thiên nhiên, t ạ o hóa đã ban cho m ột s ố loài v ậ t có kh ả năng kì di ệ u nh ư nh ữ ng máy radar. Nh ững con d ơi ho ặc nh ững con cá heo phát ra nh ữ ng sóng siêu âm trên nh ứ ng “anten” c ủa chúng đ ể tìm ki ế m đ ị nh vị con m ồ i. T ừ cách th ứ c săn m ồ i c ủ a loài d ơ i và m ộ t s ố loài khác đã thúc đ ẩ y các nhà khoa h ọc nghiên c ứ u và phát minh ra cách đ ị nh v ị m ụ c tiêu bằ ng sóng siêu âm. Hay còn g ọ i là k ỹ thu ậ t radar( “Ra d io D e tecting A n d R a nging,” nghĩa là dò tìm và xác đ ị nh kho ả ng cách bằ ng sóng vô tuy ế n. Trong chi ến tranh, hàng lo ạ t các đài radar đ ượ c cho ra đ ờ i v ớ i nhi ề u chi ế n thu ậ t khác nhau, nâng cao kh ả năng chi ế n đ ấ u cho quân đ ộ i. Sau chi ế n tranh, các nhà khoa h ọc t ậ p trung c ải ti ến, ch ế t ạo các đài radar m ớ i không nh ữ ng ph ụ c v ụ trong quân s ự mà còn trong lĩnh v ự c thiên văn và đ ờ i s ố ng xã h ộ i ph ụ c v ụ cho l ợi ích loài ng ườ i. Radar là m ộ t thi ế t b ị k ết h ợp r ất nhi ều kh ối điệ n tử ph ứ c t ạ p c ả v ề công ngh ệ và khoa h ọc, chính vì v ậ y trong khuôn kh ổ lu ậ n văn t ố t nghi ệ p, v ớ i m ụ c tiêu nghiên c ứ u và ch ế t ạ o kh ối khu ếch đ ạ i công su ấ t s ử d ụ ng trong máy phát Radar t ầ m th ấ p, tôi xin gi ới thi ệu lu ận văn t ố t nghi ệ p th ạ c s ỹ : “ Nghiên c ứ u thi ết k ế ch ế t ạo modun khu ếch đạ i công su ấ t dùng trong máy phát Radar d ả i sóng dm(820900Mhz) ” . B ằ ng lý thuy ế t và th ự c nghi ệ m, lu ậ n văn đã th ự c hi ệ n nh ữ ng n ội dung sau: Tìm hi ểu nguyên lý ho ạ t đ ộ ng c ủ a các đài radar ho ạ t đ ộ ng ở d ả i sóng dm. Tìm hi ểu v ề k ỹ thu ậ t thu phát siêu cao t ầ n Tìm hi ểu sâu v ề k ỹ thu ậ t ph ối h ợp tr ở kháng và ch ế tạ o thành công m ộ t modun khuy ếch đ ạ i công su ấ t 80W, ho ạ t 1
đ ộ ng ở d ả i t ầ n 820Mhz – 900Mhz, h ệ s ố khuy ếch đạ i là 17dB. Đánh giá k ế t qu ả đã đ ạ t đượ c trong lu ậ n văn và h ướ ng nghiên c ứ u phát tri ển ti ế p t ừ lu ậ n văn. N ộ i dung c ủa lu ận văn đ ượ c chia làm 3 ch ươ ng: Ch ươ ng 1. T ổ ng quan v ề h ệ th ống Radar Ch ươ ng 2. K ỹ thu ậ t thu phát siêu cao t ầ n Ch ươ ng 3. Thi ết k ế ch ế t ạo m ạch khu ếch đạ i công su ấ t siêu cao t ầ n 2
NGHIÊN C Ứ U THI ẾT K Ế CH Ế T ẠO MODUN KHU ẾCH Đ Ạ I CÔNG SU Ấ T DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR D Ả I SÓNG DM(820900MHZ) CH ƯƠ NG 1. T ỔNG QUAN V Ề H Ệ TH ỐNG RADAR 1. L ị ch s ử phát tri ể n c ủ a Radar T ừ xa x ư a, trong thiên nhiên hoang dã, t ạ o hóa đã ban cho chúng ta nh ữ ng c ỗ máy “radar” kì di ệ u. Chú d ơ i phát ra sóng siêu âm từ mũi, nh ậ n ti ế ng v ọng t ạ i hai “ăngten” ở hai tai, qua đó phân tích đ ể tìm ki ế m và đ ị nh v ị m ồ i. Hình 1.0: Cách săn b ắ t m ồ i c ủa loài d ơ i 3
Nh ữ ng ngày đ ầ u tiên thí nghi ệ m và khám phá c ủ a con ng ườ i Năm 1887, nhà v ậ t lý Đ ứ c Heinrich Hertz l ần đ ầ u tiên đã t ạ o ra sóng vô tuy ế n trong phòng thí nghi ệ m. Các sóng này có th ể truy ề n qua ho ặc ph ả n x ạ b ở i các lo ạ i v ậ t li ệu khác nhau. V ớ i c ống hi ến tuy ệt v ời này, Hertz đ ượ c nhân lo ạ i tôn vinh và l ấ y tên ông làm đ ơ n vị t ầ n s ố sóng vô tuy ế n. Ngày 7/5/1895, nhà bác h ọ c Nga A.S. Pôpôp phát minh ra m ột d ụ ng c ụ có th ể thu và ghi l ạ i hi ện t ượ ng sét ở cách xa 30 km. Tháng 3/1896, Pô pôp đã truy ề n đi đ ượ c m ộ t b ứ c vô tuy ế n đi ệ n tín đ ầ u tiên trong l ị ch s ử v ới n ộ i dung “Heinrich Hertz”, đánh d ấ u m ộ t trong nh ững phát minh to l ớn nh ấ t c ủ a nhân lo ạ i: phát minh ra vô tuy ế n đi ệ n. M ộ t trong nh ữ ng ứng d ụ ng quan tr ọng c ủa vô tuy ế n đi ệ n là phát hi ệ n và đ ị nh v ị, còn g ọ i là radar (RAdio Detection And Ranging RADAR). Tên “radar” do h ải quân M ỹ đ ặ t trong đ ạ i chi ế n th ế gi ới l ần th ứ hai, nay đã tr ở nên thông d ụ ng. C ố ng hi ế n c ủa Pôpôp không d ừ ng l ạ i ở đó. Năm 1897, trong thí nghi ệ m v ề c ự ly thông tin vô tuy ế n đi ệ n, ông g ặ p m ộ t hi ệ n t ượ ng b ấ t ng ờ khi liên l ạ c vô tuy ế n gi ữ a hai tàu b ị c ắ t đứ t lúc có m ộ t tu ầ n d ươ ng h ạ m ch ạ y ngang qua. Lí do đượ c gi ả i thích là do sóng vô tuy ế n b ị ph ả n x ạ khi g ặ p ch ướ ng ng ạ i v ậ t. Ông đã nghĩ ngay ra vi ệ c l ợi d ụ ng hi ện t ượ ng này đ ể ki ểm tra, xác đ ị nh v ị trí và d ẫ n đườ ng cho tàu thuy ề n. Đây đ ượ c coi là th ờ i đi ể m kh ở i đ ầ u c ủ a các h ệ th ố ng radar. Năm 1904, Christian Hülsmeyer đã nh ậ n đ ượ c bằ ng sáng ch ế c ủ a Đ ứ c cho thi ết b ị g ọi là Teltôiobiloskop, thi ế t b ị quan sát v ậ t th ể t ừ xa. Năm 1922, Guglielmo Marconi đã có m ộ t bài di ễ n thuy ết trình bày v ề ý tưở ng là có th ể phát hi ệ n đượ c nh ữ ng v ậ t th ể t ừ xa s ử d ụ ng sóng vô 4
tuy ế n. Nh ư ng mãi đ ế n năm 1933, ông m ớ i đ ư a ra đ ượ c thi ế t b ị đầ u tiên nh ư v ậ y. Trong năm 1925/26, hai nhà v ậ t lý M ỹ Breit và Tuve, cũng nh ư hai nhà nghiên c ứ u Anh Appleton và Barnett đã trình di ễ n m ột s ố phép đo b ầ u khí quy ển Trái đ ấ t, s ử d ụ ng m ột b ộ phát xung vô tuy ế n và đ ượ c coi nh ư m ộ t radar. Năm 1933 Vi ện German Kriegsmarine (Navy) b ắt đ ầ u nghiên c ứ u cái g ọ i là Funkmesstecknik hay công ngh ệ đo đ ạ c từ xa. Nghiên c ứ u ở Nga b ắ t đ ầ u từ nhữ ng năm 1934. Các đài m ẫ u đầ u tiên công tác trên sóng dm và sóng m d ự a vào hi ệ n t ượ ng phách gi ữ a sóng t ớ i liên t ụ c và tín hi ệ u ph ả n x ạ t ừ m ục tiêu. Năm 1937, Sir Robert WatsonWatt thành công trong vi ệc t ạo ra m ột h ệ th ố ng cho phép phát hi ệ n máy bay ném bom t ừ kho ả ng cách l ớ n h ơ n 150 km. Và ông đ ượ c coi là ng ườ i phát minh ra h ệ th ống radar hoàn ch ỉ nh. Trong chi ế n tranh th ế gi ới l ần th ứ 2 Trong nh ữ ng năm ác li ệ t c ủ a chi ến tranh, Liênxô đã cho ra đ ờ i hàng lo ạ t các đài radar v ới nhi ều chi ến thu ật khác nhau, nâng cao kh ả năng chi ế n đ ấ u cho quân đ ộ i và đã góp ph ầ n vào th ắ ng l ợ i chung c ủa H ồng quân Liênxô. Cùng lúc, các n ướ c nh ư Anh, M ỹ, Đ ứ c, Pháp, Nh ậ t cũng đ ể nhi ề u s ứ c l ự c vào vi ệ c phát tri ể n k ỹ thu ậ t radar. Năm 1936, Anh xây dự ng m ộ t hàng rào radar đ ể b ả o v ệ toàn b ộ b ờ bi ển, t ầ m xa 250 km. V ề sau, Anh c ả i ti ế n và ch ế t ạ o đ ượ c các đài radar sóng 10 cm và 3 cm, giúp ích nhi ề u cho không quân trong vi ệc oanh t ạc các tàu ng ầ m c ủ a Đ ứ c. Năm 1939, M ỹ có các đài radar ng ắ m b ắn cao x ạ dùng sóng dài 1,5 m, t ầ m xa 150 km. Nh ưng các đài này l ạ i không phân bi ệ t đ ượ c máy bay ta và máy bay đ ị ch. Cho nên, ngày 7/12/1941, M ỹ đã ch ị u th ấ t b ạ i n ặ ng n ề 5
trong tr ậ n t ấn công Trân Châu C ả ng c ủ a Nh ậ t vào căn c ứ hả i quân M ỹ . Sau th ấ t b ạ i này, M ỹ cũng đã c ố g ắ ng nghiên cứ u thêm v ề radar sóng cm. Năm 1939, Đ ứ c đã trang b ị 6000 đài radar sóng 50 cm giúp cho pháo cao x ạ h ạ đ ượ c từ 10 đ ế n 12% máy bay phóng pháo củ a Đ ồ ng minh. Nh ư ng sau đó, khi thu đ ượ c chi ế n l ợ i ph ẩ m m ột s ố đài 34 cm c ủ a Anh, ng ườ i Đứ c th ấ y x ấ u h ơ n nên đã ch ủ quan và ng ừ ng nghiên cứ u các đài sóng cm. Vì th ế, các h ạ m đ ộ i Đ ứ c đã b ị thi ệ t h ạ i n ặ ng n ề khi máy bay ném bom c ủ a Đ ồ ng minh có trang b ị radar sóng 3 cm. V ớ i tính c ạ nh tranh s ống còn nh ư v ậ y, vào cu ố i cu ộ c chi ế n kinh thiên đ ộ ng đ ị a, h ầ u h ế t các công ngh ệ radar hi ện đ ạ i mà nay đang s ử d ụ ng đã xu ấ t hi ệ n. Th ờ i bình Sau chi ế n tranh, các nhà khoa h ọc l ạ i t ập trung nghiên c ứ u c ả i thi ệ n các d ả i sóng cm, sóng mm đ ể áp d ụ ng trong quân s ự , thiên văn và đ ờ i s ố ng xã h ộ i. Năm 1946, Liênxô, M ỹ và Hunggari đã dùng radar phóng sóng đi ệ n t ừ lên m ặ t trăng và thu đ ượ c ti ế ng v ọ ng tr ở v ề sau kho ảng 2,5 giây, từ đó đ ư a ra ph ươ ng pháp xác đ ị nh kho ả ng cách đ ế n các thiên th ể . Không còn là công c ụ đ ộ c quy ề n c ủ a quân đ ộ i, radar đã thâm nh ậ p vào cu ộ c s ống vì radar th ế h ệ m ới nh ỏ h ơ n, r ẻ h ơ n, d ễ s ả n xu ấ t h ơn và m ạ nh h ơ n nhi ều. T ừ trên v ệ tinh đang quay theo qu ỹ đ ạ o trái đấ t, radar hi ệ n đ ạ i có th ể dò tìm bên d ướ i sa m ạc c ủ a Ai C ập và nhìn th ấ y nh ữ ng lòng sông cổ cũng nh ư ph ế tích. Hãng xe Toyota và nhi ề u hãng xe h ơi trên th ế gi ớ i đang l ắ p đ ặ t m ộ t h ệ th ố ng rađa c ả nh báo va ch ạ m cho lo ại xe sang tr ọng ho ặc trang b ị nho nh ữ ng xe không ng ườ i lái. M ộ t giây sau khi radar trên xe dò th ấ y m ộ t v ụ 6
va ch ạ m s ắ p t ới g ần, ôtô s ẽ tự th ắ t ch ặ t dây an toàn quanh hành khách và b ắ t đ ầ u gi ả m t ố c đ ộ . Các v ụ va ch ạ m ở s ườ n xe x ả y ra do lái xe không nhìn th ấ y m ột xe khác trong ''đi ể m mù'' c ủ a h ọ khi chuy ển làn đ ườ ng. Chúng chi ế m h ơn 413.000 v ụ tai n ạn ôtô m ỗ i năm và làm bị th ươ ng h ơ n 160.000 ng ườ i. Ngoài ra, radar t ầm xa có th ể đ ượ c sử d ụ ng đ ể xác đị nh t ố c đ ộ c ủ a nh ữ ng chi ếc xe đang t ớ i g ầ n trong nh ữ ng tình hu ố ng nh ư hoà vào dòng xe c ộ trên xa l ộ ho ặ c đánh giá li ệ u qu ẹ o xe có an toàn hay không. Hi ệ n radar b ắ t đầ u đ ượ c s ử d ụ ng đ ể giám sát giao thông trên xa l ộ , giúp các nhà ho ạ ch đ ị nh bi ế t đượ c s ố xe, tình tr ạ ng t ắ c ngh ẽn, t ốc độ trung bình và th ậ m chí là kích c ỡ xe trên đ ườ ng. Đ ộ tin c ậ y và khả năng ''nhìn'' c ủ a radar trong m ọi di ều ki ện th ời ti ết làm cho nó tr ở thành m ộ t công c ụ thay th ế h ấp d ẫn h ơn đ ố i v ớ i camera. T ầ m quan tr ọng c ủ a radar hay nh ững thi ết b ị ho ạt đ ộ ng theo nguyên t ắ c gi ố ng nh ư v ậ y ngày nay là r ấ t l ớ n. Vì v ậ y vi ệ c không ng ừ ng nghiên c ứ u ứ ng d ụ ng c ủa radar trong cu ộc s ống luôn luôn là v ấ n đ ề cấ p thi ế t. 2. Phân lo ạ i các đài radar M ụ c đích c ủ a vi ệ c phân lo ạ i là chia t ậ p h ợp các đài radar thành t ừ ng nhóm có nh ữ ng d ấ u hi ệu chung, không ph ụ thu ộc vào tính đa d ạ ng c ủ a các gi ả i pháp k ỹ thu ậ t và k ế t c ấ u t ừ ng đài radar riêng l ẻ đ ể ti ệ n cho vi ệ c phân tích các đ ặ c đi ể m c ấ u trúc đài radar theo quan đi ể m k ỹ thu ậ t h ệ th ống. 7
Hình 1.1. S ơ đ ồ phân lo ạ i các đài radar Do v ậ y th ườ ng phân các đài radar theo các d ấ u hi ệ u chi ến thu ật và các d ấ u hi ệ u k ỹ thu ật. Các d ấ u hi ệ u chi ến thu ật th ườ ng g ồm: công dụ ng c ủ a đài radar, s ố lượ ng t ọ a đ ộ đo đượ c, mứ c đ ộ c ơ độ ng c ủ a đài, … Các d ấ u hi ệ u k ỹ thu ậ t g ồm: D ải sóng làm vi ệ c c ủ a đài, ph ươ ng pháp radar, ph ươ ng pháp đo c ự ly, … Theo công d ụ ng có th ể chia các đài radar thành các lo ạ i sau : Phát hi ệ n xa các m ụ c tiêu trên không ( radar c ả nh gi ới) Phát hi ệ n các m ụ c tiêu trên không và dẫ n đườ ng cho máy bay tiêm kích đ ế n các m ụ c tiêu đó ( radar c ả nh gi ới và d ẫ n đ ườ ng) Phát hi ệ n các m ụ c tiêu bay th ấ p Ch ỉ th ị m ụ c tiêu cho t ổ h ợp tên l ử a phòng không 8
Radar c ả nh gi ới: đ ể trinh sát các m ụ c tiêu trên không ở c ự ly xa. Lo ạ i đài radar này th ườ ng đo 2 t ọ a đ ộ : c ự ly và ph ươ ng v ị c ủ a m ụ c tiêu v ớ i đ ộ chính xác v ừ a ph ả i. Đ ộ cao c ủ a m ụ c tiêu có th ể đượ c xác đị nh rấ t s ơ l ượ c, công su ấ t phát c ủ a đài l ớ n. Radar c ả nh gi ới và dẫ n đ ườ ng: là khâu cung c ấ p thông tin ch ủ y ếu trong h ệ th ống d ẫn đườ ng máy bay tiêm kích bay đ ế n các m ụ c tiêu trên không. Đ ể đ ả m b ả o d ẫ n đ ườ ng cầ n thông tin v ề v ị trí không gian c ủ a các mụ c tiêu và các máy bay tiêm kích, radar c ầ n đo đ ượ c cả ba t ọ a đ ộ : c ự ly, ph ươ ng v ị và đ ộ cao v ớ i đ ộ chính xác đủ đả m b ả o d ẫ n đườ ng thành công. Radar phát hi ệ n m ụ c tiêu bay th ấ p: đ ể trinh sát các m ụ c tiêu bay th ấ p. Radar lo ại này có búp sóng rà th ấ p sát m ặ t đ ấ t, làm vi ệ c ở d ả i sóng cm ho ặ c dm, có thi ế t b ị ch ế áp nhi ễ u tiêu c ự c ph ả n x ạ t ừ m ặ t đ ấ t, công su ấ t phát nh ỏ , g ọ n nh ẹ, c ơ đ ộ ng. Radar ch ỉ th ị m ục tiêu cho tên l ử a phòng không: c ầ n có c ự ly tác d ụ ng đ ủ xa sao cho sau khi nh ận đượ c ch ỉ th ị m ụ c tiêu t ừ nó, các ph ươ ng ti ệ n h ỏ a l ự c phòng không đủ th ờ i gian chu ẩ n b ị đ ể tiêu di ệ t mụ c tiêu ở t ầ m xa nh ấ t. Thông tin radar ( v ề c ả 3 t ọa đ ộ ) cầ n đ ủ chính xác đ ả m b ả o cho các đài đi ề u khi ển tên l ử a bám sát ngay đ ượ c mụ c tiêu mà không c ầ n s ụ c s ạ o. Theo các d ấ u hi ệ u k ỹ thu ậ t Có th ể chia radar theo d ải sóng, theo ph ươ ng pháp radar, theo ph ươ ng pháp đo c ự ly và theo s ố l ượ ng kênh radar đ ộ c l ậ p. T ầ n s ố làm vi ệ c c ủ a radar có th ể thu ộ c các dả i t ầ n nh ư b ả ng bên dướ i. Radar d ả i HF l ợi d ụng s ự ph ản x ạ sóng ở t ầ n đ ố i lư u và t ầ ng điệ n ly đ ể phát hi ệ n m ụ c tiêu. Radar d ả i VHF và UHF đ ể phát hi ệ n các m ụ c 9
tiêu ngoài đ ườ ng chân tr ờ i. Các radar c ả nh gi ới thông th ườ ng làm vi ệ c ở d ả i sóng m (10 ÷1 m), dm (10 ÷ 1 dm) và cm (10÷ 1 cm) Theo ph ươ ng pháp radar có th ể chia thành các radar ch ủ đ ộ ng ( có tr ả l ờ i th ụ đ ộ ng ho ặ c ch ủ đ ộ ng) và th ụ đ ộ ng như đã trình bày ở m ụ c tr ướ c. Theo ph ươ ng pháp đo c ự ly có th ể chia thành 2 nhóm l ớ n: radar b ứ c x ạ xung và radar b ức x ạ liên tụ c. Radar b ứ c x ạ xung có ư u đi ể m chính là : đ ơ n gi ả n vi ệ c đo c ự ly, v ề m ặ t k ỹ thu ậ t cho phép d ễ dàng s ử d ụ ng chung m ột anten cho c ả phát và thu. Nh ượ c đi ể m c ủ a nó là c ầ n ph ả i dùng máy phát công su ấ t xung l ớn, khá ph ứ c t ạ p vi ệ c đo t ố c đ ộ mụ c tiêu. Radar b ứ c x ạ liên t ụ c cho phép tách mụ c tiêu theo t ố c đ ộ và đo đ ơ n tr ị t ố c đ ộ trong d ả i t ốc đ ộ khá r ộ ng, công su ấ t phát không c ầ n l ớ n. Nh ượ c đi ể m c ủ a lo ạ i này là vi ệ c kh ử ghép gi ữ a tuy ế n thu và phát rấ t ph ứ c t ạ p, thi ết b ị đ ầ u cu ố i cũng r ấ t ph ứ c t ạ p khi c ần quan sát nhi ề u mụ c tiêu theo nhi ều tham s ố. 3. S ơ đồ kh ố i máy phát radar Radar là h ệ th ố ng r ấ t hoàn thi ệ n và phứ c tạ p v ề m ặ t điệ n và từ . Th ườ ng chúng là nh ữ ng c ỗ máy hoàn ch ỉ nh. H ệ th ống radar là sự s ắ p x ế p nh ữ ng kh ối nh ỏ khác nhau, b ả n thân nh ữ ng kh ối này l ạ i đ ượ c s ắ p x ế p v ớ i nh ữ ng m ụ c đích khác nhau. S ự đa d ạ ng c ủ a các kh ố i tùy thu ộ c vào mụ c đích c ủ a t ừ ng radar, nh ưng s ự ho ạt đ ộ ng c ơ b ả n và các kh ố i chính là tươ ng t ự nhau. Trong s ơ đ ồ kh ố i, tôi ch ỉ đ ề c ậ p đế n các kh ố i quan tr ọ ng mà không th ể thi ếu trong các h ệ th ố ng radar. 10
Power Amplifier Waveform Upconversion Generator Control & Power Duplexer Clocks & Local Osillators Antena Dislay Signal & data Dowconversion Possitioning processing System Low noise Amplifier Hình 1.2. S ơ đ ồ kh ố i h ệ th ố ng radar Anten Anten radar ho ạt đ ộ ng nh ư b ộ giao ti ếp gi ữa h ệ th ống radar và v ậ t tự do bay trong không gian b ằ ng sóng radio đượ c truy ề n đi và nh ậ n v ề . Nhi ệ m v ụ c ủa anten radar là lan truy ề n sóng ra không gian đượ c đị nh h ướ ng trong quá trình phát và nh ậ n tín hi ệ u trong quá trình thu. Khi phát sóng thì anten ch ỉ đ ượ c n ố i v ớ i b ộ ph ậ n truy ền, còn khi thu thì anten ch ỉ đ ượ c k ế t n ố i v ới b ộ ph ậ n thu. Vi ệc này đượ c th ự c hi ệ n b ở i kh ố i chuy ển m ạ ch song công Duplexer. Trong quá trình phát sóng đi, năng l ượ ng c ủ a sóng b ứ c x ạ đ ượ c truy ề n vào không gian, trong quá trình nh ậ n, năng l ượ ng c ủ a tín hi ệ u ph ả n h ồ i đượ c đ ư a v ề b ộ ph ậ n nh ậ n. Trong radar có hai công th ứ c toán h ọ c bi ểu th ị h ệ s ố khu ếch đạ i khi truy ề n và h ệ s ố hữ u ích c ủ a anten: Công su ấ t tín hi ệ u t ạ i đ ầ u vào máy thu: 11
Pp .G. G. 2 Pt S 2 .A 2)2 . (1.1) (4 r 4 Trong đó A là di ệ n tích h ữ u d ụ ng c ủa anten thu G là h ệ s ố khu ếch đ ạ i c ủ a anten thu P p là công su ấ t phát c ủ a đài radar Thông th ườ ng anten thu và anten phát chung nên G=G’, và khi tính đ ế n h ệ s ố t ổ n hao c ủ a tuy ến anten phía thu và phát ta có: Pp .G 2 . . 2 . . Pt (1.2) (4 ) 3 .r 4 , ’ là hi ệ u su ấ t truy ền năng l ượ ng t ừ máy phát đ ế n anten và t ừ anten đ ế n máy thu. M ộ t trong nh ữ ng anten đượ c s ử d ụ ng trong sóng siêu cao t ầ n là anten Parabol ph ản x ạ. Tính ch ấ t hình h ọ c c ủ a Parabol r ất h ữu ích trong vi ệ c t ậ p trung năng l ượ ng trong quá trình ti ế p nh ậ n, và t ạ o ra các búp sóng phát ra trong quá trình truy ền. Kh ố i chuy ể n m ạ ch song công (Duplexer) Khi ch ỉ có m ộ t anten s ử d ụ ng c ả vi ệc truy ền và nh ậ n tín hi ệ u, thì trong h ầ u h ết các h ệ th ố ng radar đ ề u s ử d ụ ng Duplexer. Chuy ển m ạch Duplexer s ẽ chuy ển h ệ th ống radar t ừ ch ế đ ộ phát sang ch ế độ thu. Trong tr ạ ng thái phát, chuy ển m ạ ch s ẽ n ối anten v ới b ộ ph ận phát và không k ế t n ố i v ớ i b ộ ph ậ n thu. B ộ thu s ẽ đ ượ c cách lý v ớ i xung truy ề n có công suấ t cao đ ể b ả o v ệ b ộ thu tránh b ị h ỏ ng nh ữ ng b ộ ph ận có độ nh ạ y cao. Ngay sau quá trình phát, chuy ển m ạch s ẽ ng ắt k ết n ối v ới b ộ ph ận truy ền và k ế t n ố i b ộ thu v ới anten. 12
Hình 1.3. S ơ đ ồ k ế t n ố i anten Kh ố i t ạ o sóng Waveform Generator B ộ ph ậ n phát tín hi ệ u s ố đ ượ c xây dự ng b ở i s ự liên k ế t v ớ i ngu ồ n tín hi ệ u s ố v ới b ộ chuy ển đ ổ i D/A. Trong quá trình ho ạ t đ ộ ng thì b ộ nh ớ s ố đ ượ c s ử d ụ ng d ể l ư u gi ữ tín hi ệ u d ạ ng s ố . B ộ nh ớ s ẽ đọ c ra các đặ c tr ư ng c ủ a d ạ ng sóng yêu c ầ u. Ở đó t ạ o ra các d ạ ng xung m ột cách r ấ t linh ho ạ t và m ề m d ẻ o. Kh ố i dao đ ộ ng Local Osillators Kh ố i dao đ ộ ng là b ộ ph ậ n không th ể thi ế u trong k ỹ thu ật siêu cao t ầ n nh ư radar. B ản ch ất c ủa kh ối dao đ ộ ng là m ộ t thi ế t b ị ho ạ t độ ng và truy ề n t ầ n s ố vào b ộ ph ậ n vi ễ n thông. B ộ dao đ ộ ng điề u ch ỉ nh đượ c th ườ ng s ử d ụ ng t ụ bi ến dung đ ể điề u ch ỉ nh t ầ n s ố dao độ ng. Kh ố i dao đ ộ ng đi ề u ch ỉ nh đi ệ n áp(VCO) là kh ố i dao đ ộ ng mà y ế u t ố bi ế n đổ i c ơ b ả n là diode bi ến dung. VCO đượ c đi ề u ch ỉ nh trên băng t ầ n c ủ a nó b ở i đi ệ n áp m ộ t chi ề u DC s ạ ch áp vào diode bi ế n dung. M ạch vòng bám pha s ẽ đượ c s ử d ụ ng đ ể đi ề u khi ể n t ầ n s ố c ủ a VCO. Kh ố i tr ộ n t ầ n(Mixer) 13
Tr ộ n t ầ n là quá trình tác đ ộ ng lên hai tín hi ệ u sao cho trên đ ầ u ra b ộ tr ộ n t ầ n nh ậ n đượ c các thành ph ầ n t ầ n s ố t ổ ng ho ặ c hi ệu c ủa hai tín hi ệ u đó. B ộ tr ộ n t ầ n có nhi ệ m v ụ cho ra m ột tín hi ệ u ph ụ thu ộc vào hi ệ u pha ho ặ c hi ệ u t ầ n s ố c ủa hai tín hi ệ u vào. Gi ả s ử tín hi ệ u điề u khi ể n và tín hi ệ u ra có đi ệ n th ế đượ c vi ế t b ở i công th ứ c sau: u1 (t ) = U1 sin(ω1t + θ1 ) (1.3) u2 (t ) = U 2 rect (ω2t + θ 2 ) Khi đó tín hi ệ u ra c ủ a b ộ tách sóng pha s ẽ là: u = U1U 2 [sin(ω1t + θ1 ) sin(ω2t + θ2 )] (1.4) U1U 2 (1.5) u= [cos(ω1t + θ1 − ω2t − θ 2 ) − cos(ω1t + θ1 + ω2t + θ 2 )] 2 U1U 2 (1.6) u= [cos 2π ( f1 − f 2 + θ1 − θ 2 ) − cos 2π ( f1 + f 2 + θ1 + θ 2 )] 2 T ừ công th ứ c trên ta th ấ y tín hi ệ u ra c ủa b ộ tách sóng pha bao g ồm c ả tổ ng và hi ệ u t ầ n s ố c ủ a hai tín hi ệ u vào. Tuy nhiên m ạ ch l ọ c thông th ấ p không cho phép tín hi ệ u t ổ ng đi qua mà ch ỉ cho phép tín hi ệ u vi sai đi qua. Mixer đ ượ c s ử d ụ ng đ ể truy ề n tín hi ệ u trong m ột d ả i ph ổ này tớ i m ộ t d ả i ph ổ khác. Trong truy ền d ẫn radar, Mixer đ ượ c sử dụ ng để truy ề n tr ự c ti ế p t ầ n s ố c ủ a tín hi ệ u (IF) đ ượ c t ạ o ra b ở i b ộ t ạ o dao độ ng sang tín hi ệ u cao t ầ n RF. Kh ối th ực hi ện đi ề u đó đ ượ c g ọ i là bộ bi ế n đổ i tăng tầ n s ố lên. Trong radar nh ận tín hi ệ u thì Mixer l ạ i làm nhi ệ m v ụ ng ượ c l ạ i là gi ả m t ầ n s ố thu đ ượ c xu ố ng t ừ t ầ n s ố RF v ề trung t ần IF. 14
Hình 1.4. Mô hình ho ạ t đ ộ ng b ộ tr ộ n t ầ n Kh ố i khu ế ch đ ạ i công su ấ t (Power Amplifier) Kh ố i khu ế ch đ ạ i là m ộ t thi ế t b ị bi ến đ ổ i tín hi ệ u có biên đ ộ nh ỏ ở đ ầ u vào thành m ộ t tín hi ệ u có biên đ ộ l ớ n ở đ ầ u ra mà dạ ng tín hi ệ u không thay đ ổ i. Th ự c ch ấ t khu ếch đ ạ i là quá trình bi ế n đ ổ i năng lượ ng có điề u khi ển, ở đó năng l ượ ng c ủ a ngu ồn cung c ấp m ột chi ều đượ c biế n đổ i thành năng l ượ ng xoay chi ều có quy lu ậ t gi ống nh ư quy lu ật c ủa tín hi ệ u đi ề u khi ển. M ạ ch khu ế ch đạ i đ ượ c chia thành nhi ề u lo ạ i khác nhau: Theo d ạ ng tín hi ệ u c ầ n khu ếch đ ạ i: khu ếch đ ạ i tín hi ệ u liên tụ c( khu ế ch đ ạ i micro, âm thanh…) và khu ế ch đ ạ i tín hi ệ u xung( radarr, máy thu hình, các thi ế t b ị tính toán, đi ề u khi ển…). Theo d ả i t ầ n s ố tín hi ệ u c ầ n khu ế ch đạ i: m ạ ch khu ế ch đạ i m ộ t chi ề u (f= 0 và t ầ n s ố th ấ p), m ạch khu ếch đ ạ i t ầ n th ấ p( f= 16Hz đế n 20KHz), khu ếch đạ i trung t ầ n và cao t ầ n( f > 20KHz) Theo đ ặ c tuy ế n t ầ n s ố: m ạch khu ếch đạ i c ộ ng h ưở ng( h ệ s ố khu ế ch đ ạ i K đ ạ t giá tr ị l ớ n nh ấ t t ạ i t ầ n s ố c ộng h ưở ng), khu ếch đạ i dả i 15
h ẹ p( K không thay đổ i trong m ột d ả i h ẹp t ần s ố và suy gi ả m rõ rệ t ngoài vùng này), khu ế ch đạ i d ả i r ộ ng( d ả i t ần làm vi ệ c c ỡ vài chụ c MHz). Theo tr ở t ả i: khu ếch đ ạ i đi ệ n tr ở , khu ếch đ ạ i bi ế n th ế , khu ế ch đ ạ i c ộ ng h ưở ng, khu ếch đ ạ i điệ n cả m… Theo tính ch ấ t các đ ạ i l ượ ng v ậ t lý l ấ y ra: khu ế ch đ ạ i th ế (K U ), khu ế ch đ ạ i dòng (K i ), khu ếch đ ạ i công su ấ t (K p ). Thông th ườ ng các tín hi ệ u c ầ n thu có tầ n s ố từ hàng chụ c MHz đ ế n hàng trăm MHz th ậ m chí đ ế n hàng ch ụ c GHz. Tín hi ệ u thu đượ c thườ ng r ấ t nh ỏ , c ầ n ph ải khu ếch đ ạ i lên nhi ề u l ầ n, đ ể có tín hi ệ u đủ lớ n( trên vài ch ụ c vôn) đáp ứ ng yêu c ầ u c ủ a m ạ ch tách sóng. N ế u dùng nhi ề u t ầ ng khu ế ch đạ i s ẽ d ẫ n đ ế n k ế t c ấ u và k ỹ thu ậ t ph ứ c t ạ p và rấ t d ễ b ị t ự kích làm đ ộ nh ạ y không cao, ch ấ t l ượ ng kém. Ngày nay, h ầ u h ế t t ấ t c ả các máy thu đ ề u ho ạ t đ ộ ng theo nguyên t ắ c thu đổ i t ầ n. Tín hi ệ u thu t ừ ăng ten có t ầ n s ố thu đượ c đư a vào m ộ t b ộ bi ế n đổ i tầ n. Trong máy thu có bộ dao đ ộ ng n ộ i phát ra dao đ ộ ng có t ầ n s ố t ầ n s ố là ω n . Dao đ ộ ng này cũng đ ượ c đ ư a vào b ộ bi ế n đ ổ i tầ n tr ộ n v ớ i tín hi ệ u ω th . Ở l ố i ra c ủa b ộ bi ến t ần s ẽ thu đ ượ c tín hi ệ u có t ầ n s ố : (1.7) Khi c ầ n thu tín hi ệ u có t ầ n s ố ω th b ấ t k ỳ , thì dù ω th bi ế n đ ổ i th ế nào ωn cũng bi ế n đ ổ i m ộ t l ượ ng t ươ ng t ự đ ể luôn đ ả m b ả o có giá tr ị c ố đ ị nh. V ậ y là t ầ n s ố trung gian gi ữa ω th và và đ ượ c g ọ i là khu ế ch đ ạ i trung t ầ n. Khu ếch đ ạ i trung t ầ n ho ạ t đ ộ ng ở t ầ n s ố th ấ p nên dễ khu ế ch đạ i và h ệ s ố khu ế ch đ ạ i đ ạ t đượ c rấ t l ớ n, tính ổ n đị nh cao và cũng r ấ t g ọn nh ẹ, d ễ ch ế t ạo. Đ ố i v ớ i máy pháy radar thì kh ố i khu ế ch đ ạ i công su ấ t đ ượ c s ử dụ ng đ ể khu ế ch đạ i tín hi ệ u cao t ầ n tr ướ c khi phát. Trong l ị ch s ử có nhi ề u ki ể u 16
b ộ khu ế ch đ ạ i đượ c s ử dụ ng trong radar, ch ẳng h ạn nh ư ống khu ếch đạ i có đi ề u khi ển l ướ i, khu ếch đ ạ i t ừ tr ườ ng chéo(CFAs), ố ng truy ề n sóng(TWTs),…Đ ố i v ớ i b ộ khu ế ch đ ạ i công su ấ t l ớ n, các tham s ố quan tr ọ ng là h ệ s ố khu ếch đ ạ i và đ ộ ổ n đ ị nh trong d ả i t ầ n làm vi ệ c. H ệ s ố khu ế ch đ ạ i l ớ n mà v ẫ n đ ả m bào đ ượ c s ự ổ n đị nh trong d ả i t ầ n làm việ c Kh ố i khu ế ch đ ạ i t ạ p âm th ấ p(Low Noise Amplifier) Tín hi ệ u thu đượ c th ườ ng có biên đ ộ rấ t nh ỏ và có lẫ n t ạ p. M ụ c đích c ủ a b ộ khu ếch đ ạ i t ạ p âm th ấ p(LNA) là nâng tín hi ệ u lên công suấ t theo yêu c ầ u trong khi tín hi ệ u đã bị l ẫ n thêm t ạ p và có th ể bị méo d ạ ng tín hi ệ u vì v ậ y s ự ph ụ c h ồi c ủ a tín hi ệ u có th ể gây m ộ t sự tr ễ trong h ệ th ố ng. B ộ LNA là b ộ khu ếch đ ạ i v ớ i t ạ p âm th ấ p. Tín hi ệ u t ạ p đượ c xác đinh b ằ ng h ệ s ố tín hi ệ u t ạ p l ối vào trên h ệ s ố tín hi ệ u t ạ p l ố i ra. LNA đ ượ c s ử d ụ ng ở ph ầ n đ ầ u c ủ a kh ố i radar thu. Tham s ố khu ếch đạ i có lẫ n t ạ p âm th ấ p, nh ấ t là ở sóng siêu cao t ầ n. Khối điều khiển xử lý tín hiệu (Signal Processing/Data Processing/Control Subsysttôis) Công ngh ệ x ử lý tín hi ệ u tùy thu ộ c vào tín hi ệ u thu đượ c ch ư a đượ c tr ộ n. M ột s ố công ngh ệ x ử lý tín hi ệ u thông th ườ ng đượ c sử d ụ ng trong radar là h ệ s ố t ươ ng quan, b ộ l ọc Doppler, ph ản x ạ ảnh,… Kh ối x ử lý dữ li ệ u s ử d ụ ng b ộ bi ến đ ổ i dữ li ệ u đượ c t ạ o ra b ở i kh ố i tín hiệ u tr ự c ti ế p vào khi radar ho ạt đ ộ ng. Kh ối x ử lý tín hi ệ u là m ộ t kh ố i r ấ t ph ứ c t ạ p c ả v ề công ngh ệ l ẫ n thu ật toán. Kh ố i đi ề u khi ể n anten (Antenna Positioning Systtôi) Trong m ột s ố h ệ th ống radar, anten đượ c đi ề u khi ể n theo v ị trí. Trong đó mô t ơ đ ượ c s ử d ụ ng đ ể đi ề u khi ể n v ị trí củ a anten. N ế u anten ch ỉ c ầ n quay ở m ột t ốc đ ộ đ ơ n thu ầ n nh ấ t đị nh thì ch ỉ cầ n mô tơ đơ n là 17
đ ủ cho vi ệ c đó. Còn n ế u anten quay v ới các t ố c đ ộ khác nhau thì m ộ t vài các b ộ ph ậ n h ỗ tr ợ đi ề u khi ển anten s ẽ đượ c s ử d ụ ng. Kh ố i ngu ồ n(Power Systtôi) Radar là m ộ t h ệ th ố ng đi ệ n tử r ấ t ph ứ c t ạ p. M ỗi thành ph ầ n đề u c ầ n có kh ố i ngu ồn đ ể v ậ n hành. Trong quá trình ho ạ t đ ộ ng, m ỗ i b ộ ph ậ n l ạ i c ầ n các giá trị đi ệ n áp khác nhau. Đ ể đáp ứ ng các giá trị ngu ồ n khác nhau đó, ch ỉ c ầ n s ử d ụ ng m ột ngu ồn bên ngoài, sau đó đi ệ n áp đượ c bi ế n đ ổ i thành các m ứ c đi ệ n áp c ầ n thi ế t. Đ ể bi ế n đ ổ i điệ n áp DC thành các mứ c đi ệ n áp DC th ườ ng s ử d ụ ng các ngu ồ n Switching đi ề u ch ỉ nh. Các ngu ồ n Switching đi ề u ch ỉ nh là mạ ch đi ệ n t ử ở đó sử dụ ng các cu ộ n dây, các transistor ho ặc t ụ đi ệ n nh ư là phầ n t ử d ự tr ữ năng lượ ng để truy ề n t ả i năng l ượ ng t ừ kh ối vào t ớ i các kh ố i ra. Kh ố i hi ể n th ị (display) Kh ố i màn hình hi ển th ị có ch ứ c năng hi ển th ị các thông tin thông s ố k ỹ thu ậ t c ủ a h ệ th ống radar, thông tin v ề m ụ c tiêu mà radar thu đượ c. Kh ố i có ch ứ c năng giúp con ng ườ i giao ti ếp v ơi h ệ th ống radar. 18
CH ƯƠ NG 2. K Ỹ THU ẬT THU PHÁT SIÊU CAO T Ầ N 1. Gi ới thi ệ u chung Thu ậ t ng ữ “viba” hay sóng siêu cao t ầ n (microwaves) là đ ể ch ỉ nh ữ ng sóng đi ệ n t ừ có b ướ c sóng r ấ t nh ỏ , ứ ng v ới ph ạ m vi t ần s ố r ất cao c ủ a ph ổ t ầ n s ố vô tuy ế n đi ệ n. Ph ạ m vi c ủa d ả i t ần s ố này cũng không có s ự quy đ ị nh ch ặ t ch ẽ và th ố ng nh ấ t toàn th ế gi ớ i. Gi ới h ạ n trên củ a d ả i th ườ ng đượ c coi là tớ i 300GHz (f = 3.10 11 Hz), ứ ng v ới b ướ c sóng λ = 1 mm(sóng milimet), còn gi ớ i h ạ n d ướ i có th ể khác nhau tu ỳ thu ộc vào các quy ướ c theo nh ư t ậ p quán s ử d ụ ng. M ột s ố n ướ c coi "sóng c ự c ng ắ n" là nh ữ ng sóng có tầ n s ố cao h ơ n 30 MHz ( b ướ c sóng λ ≤ 10m ), còn m ộ t s ố n ướ c khác coi "viba" là nh ữ ng sóng có t ầ n s ố cao h ơn 300 MHz ( b ướ c sóng λ ≤ 1 m ). V ớ i s ự phát tri ển nhanh c ủ a k ỹ thu ật và nh ữ ng thành tự u đạ t đượ c trong vi ệc chinh ph ục các băng t ầ n cao c ủ a ph ổ t ần s ố vô tuy ế n, khái ni ệ m v ề ph ạ m vi d ải t ần c ủa "viba" cũng có th ể còn thay đổ i. UHF (Ultra High Frequency): f = 300 MHz ÷ 3 GHz 19
SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz EHF (Extrtôiely High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz Máy phát siêu cao t ầ n, công su ấ t l ớn ho ạ t đ ộ ng trong d ả i t ầ n 820Mhz đ ế n 900Mhz c ủ a đài radar t ầ m th ấ p đ ượ c xây dự ng dự a trên ph ươ ng pháp tổ h ợ p công su ấ t trong máy. Kh ố i công suấ t là tổ h ợ p củ a nhi ề u modul công su ấ t nh ỏ đ ể t ạ o ra kh ối có công su ấ t l ố i ra l ớn. Do v ậy lý thuy ế t siêu cao t ầ n là n ề n t ả ng đ ể giả i quy ế t v ấ n đ ề trên. 2. Thi ế t k ế m ạ ch khu ếch đ ạ i công suấ t trong k ỹ thu ật siêu cao tần Khi nghiên c ứ u đườ ng truy ề n đ ố i v ớ i các tín hi ệ u t ầ n th ấ p, ta th ườ ng coi các đườ ng dây n ố i(hay đườ ng truy ề n) là ngắ n m ạ ch. Điề u này ch ỉ đúng khi kích th ướ c c ủ a m ạ ch là nh ỏ h ơ n b ướ c sóng củ a tín hiệ u. Còn đ ố i v ớ i tín hi ệ u cao t ầ n và đ ặ c bi ệ t đ ố i v ớ i tín hi ệ u siêu cao thì ta ph ả i có nh ữ ng nghiên c ứ u đ ặ c bi ệ t v ề đ ườ ng truy ề n. Trong các h ệ th ống siêu cao t ầ n và sóng milimet, b ướ c sóng c ủ a tín hi ệ u có th ể b ằ ng ho ặ c nh ỏ h ơn kích th ướ c c ủ a các b ộ phậ n và đườ ng truy ề n c ủa chúng. Đi ề u này có nghĩa là có th ể di ễ n ra nh ữ ng thay đ ổ i quan tr ọ ng v ề pha tín hi ệ u d ọ c theo đ ườ ng truy ề n và có s ự bi ế n đ ổ i tr ở kháng danh đ ị nh c ủ a m ộ t thi ết b ị ho ặc m ột thành phầ n mà tín hi ệ u đi qua. Nh ữ ng s ự bi ế n đổ i tr ở kháng này gây ra các sóng ph ả n x ạ trên đ ườ ng truy ề n. Đi ề u này s ẽ d ẫ n đ ế n s ự t ổ n hao năng l ượ ng trên đườ ng truy ề n do năng lượ ng b ị ph ả n x ạ . Lu ợng năng lượ ng b ị ph ả n x ạ đượ c xác đị nh bở i hệ s ố ph ả n x ạ , có quan h ệ v ới tr ở kháng. S ơ đ ồ m ạ ch đi ệ n t ươ ng đ ươ ng đ ượ c sử dụ ng r ộ ng rãi trong t ầ n s ố radio(RF) và trong sóng siêu cao t ầ n đ ể mô t ả tr ạ ng thái m ạ ch đi ệ n trong c ả hai tr ườ ng h ợp ph ần t ử tích cự c và ph ầ n t ử th ụ độ ng. Trong m ạ ng hai 20