Thiết kế mô phỏng máy phát công suất tín hiệu dải rộng điều chế mã pha Barker 13 phần tử dùng cho radar tầm thấp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





TRẦN VĂN CHƢƠNG






THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MÁY PHÁT CÔNG SUẤT
TÍN HIỆU DẢI RỘNG ĐIỀU CHẾ MÃ PHA BARKER 13
PHẦN TỬ DÙNG CHO RADAR TẦM THẤP








LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Huế - 2014
TRẦN VĂN CHƢƠNG  LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ  HUẾ,
NĂM 2013



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




TRẦN VĂN CHƢƠNG






THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MÁY PHÁT CÔNG SUẤT
TÍN HIỆU DẢI RỘNG ĐIỀU CHẾ MÃ PHA BARKER 13
PHẦN TỬ DÙNG CHO RADAR TẦM THẤP

Ngành: Công Nghệ Điện tử - Viễn Thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.02.03



LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG



CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
PGS.TS BẠCH GIA DƢƠNG





Huế - 2014
1

Lời cảm ơn
Tôi xin gửi lời lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Bạch Gia Dương đã dành
rất nhiều thời gian và công sức để hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành
luận văn tốt nghiệp.
Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học
Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội và các thầy cô đang công tác tại Khoa
Điện Tử - Viễn Thông của trường đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và
hoàn thành tốt khóa học.

Mặc dù tôi đã có rất nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn, tuy nhiên không
thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu
của quý thầy cô và các bạn.
Tác giả luận văn

Trần Văn Chƣơng


2

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu mà em đã thực hiện trong thời
gian làm luận văn tốt nghiệp tại trường Đại Học Công Nghệ do PGS.TS Bạch
Gia Dương hướng dẫn. Luận văn này không chứa đựng các tài liệu đã đăng hay
viết trước đây bởi người nào khác ngoài việc sử dụng các tài liệu dùng để tham
khảo cho luận văn này.


Ký tên:
Học viên: Trần Văn Chương

3

MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn 1
Mục lục 3
Danh mục các chữ viết tắt 4
Danh mục bảng biểu 5
Danh mục hình vẽ, đồ thị 6
LỜI MỞ ĐẦU 9
CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ RADAR SƠ CẤP –
PHƢƠNG TRÌNH RADAR 11
1.1. Tổng quan về radar 11
1.2. Các phương trình cơ bản của radar sơ cấp 18
CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT NÉN XUNG, MÃ HÓA PHA TRONG XUNG,
NGHIÊN CỨU TẠO MÃ BARKER 45
2.1. Kỹ thuật nén xung – Pulse compression 45
2.2. Nén xung số với mã Barker 52
2.3. Tạo mã Barker với N
c
=13 56
CHƢƠNG 3. MẠCH CẦU WILKINSON, DÙNG PHẦN MỀM ANSOFT
DESIGNER SV THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH TỔ HỢP CÔNG SUẤT 8
ĐƢỜNG 60

3.1. Giới thiệu mạch cầu Wilkinson 60
3.2. Dùng phần mềm Ansoft designer SV Thiết kế chế tạo mô đun tổ hợp
công suất 8 đường dùng phương pháp cầu Wilkinson 65
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MOĐUN PHÁT BÁN
DẪN CÔNG SUẤT 9.6 KW, DẢI TẦN HOẠT ĐỘNG 820MHz-900MHz
DÙNG PHƢƠNG PHÁP CỘNG CÔNG SUẤT CẦU WILKINSON 70
4.1. Qui trình thiết kế 70
4.2. Giải pháp đề xuất cho máy phát radar dải sóng 820MHz-900MHz 71
4.3. Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại công suất 200W Transistor LDMOS
FETs PTF082001E 74
4.4. Mô phỏng nhánh lối vào của LDMOS FETs PTF082001E 75
4.5. Mô phỏng nhánh lối ra của LDMOS FETs PTF082001E 77
KẾT LUẬN 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACP
Azimuth-Change-Pulses
Bộ tạo xung mã hóa đơn vị.
EAA
Effective Antenna Aperture
Khẩu độ hiệu dụng
FM
Frequency Modulation
Điều chế tần số
FSPL
Free Space Power Loss
Suy hao công suất trong không gian.

PCG
Pulse Compression Gain
Độ lợi nén xung.
PCR
Pulse Compression Ratio
Tỉ lệ nén xung
PM
Phase Modulation
Điều chế pha.
PRF
Pulse Repetition Frequency
Tần số lặp xung.
PRP
Pulse Repetition Period
Chu kỳ lặp xung
PRT
Pulse Repetition Time
Thời gian lặp xung
RADAR
Radio Detecting And Ranging
Phát hiện và xác định cự ly
bằng sóng vô tuyến.
SNR
Signal-To-Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu.

5


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Độ chính xác của một số hệ thống radar 28
Bảng 2.1. So sánh ưu, nhược điểm của kỹ thuật nén xung 47
Bảng 2.2. Mã Barker 52
Bảng 2.3. Giá trị PLS và ISL của các bộ mã Barker hệ số khác nhau 54

6

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ khối đơn giản của Radar sơ cấp và đường đi của các tín hiệu . 11
Hình 1.2. Sơ đồ khối đơn giản của một radar sơ cấp sử dụng một bộ khuếch đại
công suất như một máy phát và một máy thu đổi tần. 12
Hình 1.3. Các băng tần được radar sử dụng 14
Hình 1.4. Một số loại radar và tần số hoạt động của nó 14
Hình 1.5. Giản đồ thời gian phát và nhận xung phản xạ đối với radar đơn xung
18
Hình 1.6. Mối quan hệ giữa Hệ số đầy xung (Duty cycle) với công suất đỉnh và
công suất trung bình 20
Hình 1.7. Hình ảnh của mục tiêu hiển thị trên màn hình là kết quả của nhiều
xung radar đập vào mục tiêu 20
Hình 1.8. Mối quan hệ giữa cự ly nghiêng R (Range), độ cao, góc cao và góc
phương vị ( ) 21
Hình 1.9. Độ cao của hai tàu bay khác nhau nên kết quả đo cự ly nghiêng khác
nhau 22
Hình 1.11. Cự ly phát hiện tối thiểu (vùng mù gần đài) của radar 24
Hình 1.12. Góc phương vị và góc ngẫng (góc cao) 25
Hình 1.13. Tính toán độ cao 26
Hình 1.14. Độ cao so với mực nước biển trung bình và độ cao so với mặt đất . 27
Hình 1.15. Sự phụ thuộc độ chính xác vào cự ly 28
Hình 1.16. Độ phân giải góc 29
Hình 1.17. Độ phân giải cự ly 30

Hình 1.18. Giản đồ thời gian của các xung phát và xung phản hồi trong trường hợp
khoảng cách giữa hai tàu bay rất gần nhau không thể phân biệt được 31
Hình 1.19. Giản đồ thời gian của các xung phát và xung phản hồi trong trường
hợp khoảng cách giữa hai tàu bay đủ xa để phân biệt được 31
Hình 1.20. Độ phân giải cự ly là một hàm của độ rộng băng thông xung phát 32
Hình 1.21. Giản đồ của một ăng ten định hướng so với ăng ten đẳng hướng 33
Hình 1.22. Mật độ công suất vô hướng suy giảm khi phân bố theo một mặt cầu
34
Hình 1.23. Mô tả quan hệ giữa phương trình (18) và (19) 37
Hình 1.24. Ảnh hưởng sự phản xạ sóng điện từ do mặt đất 41
Hình 1.25. Ảnh hưởng của phản xạ mặt đất đến giản đồ phát xạ theo phương
thẳng đứng 41
Hình 1.26. Ví dụ về các cách đặt ngưỡng phát hiện khác nhau 42
7

Hình 1.27. Nguyên lý của mạch CFAR lấy ngưỡng trung bình theo từng tế bào
“Cell ranging CFAR” 43
Hình 2.1. Xung dài được điều chế tần số tuyến tính 45
Hình 2.2. Sự phân tách các xung điều tần 45
Hình 2.3. Xung ngắn (xanh da trời) và xung dài được điều chế (xanh lá cây) 46
Hình 2.4. Sơ đồ khối đơn giản mô tả quá trình nén xung 48
Hình 2.5. Bộ lọc SAW có độ rộng các khe cộng hưởng giảm tuyến tính 49
Hình 2.6. Dạng sóng điều chế nén xung điều tần phi tuyến đối xứng 50
Hình 2.7. Dạng sóng điều chế nén xung điều tần phi tuyến bất đối xứng 50
Hình 2.8. Dạng sóng ngõ ra bộ tạo tín hiệu bộ nén xung điều tần phi tuyến đối
xứng 51
Hình 2.9. Giản đồ nén xung mã hóa pha 51
Hình 2.10. Mã Barker kết hợp 4 thành phần 55
Hình 2.11. ACF của tín hiệu PSK nhị phân Barker 13 bit 55
Hình 2.12. PACF của tín hiệu PSK nhị phân Barker 13 bit 56

Hình 2.13. Sự kết nối các bộ trể mã hóa Barker cho N=13 57
Hình 2.14. Các tín hiệu tại bộ tổng của mã hóa Barker cho N=13 57
Hình 2.15. Sơ đồ máy phát và máy thu sử dụng mã Barker cho N= 13 58
Hình 2.16. Mã hóa mã Barker cho N=13 sau khi đi ra bộ tổng 58
Hình 3.1. Sơ đồ bộ chia/cộng công suất 60
Hình 3.2. Bộ chia đôi Wilkinson 60
Hình 3.3. Sơ đồ bộ chia Wilkinson dưới dạng đối xứng và chuẩn hóa 61
Hình 3.4. (a) Chế độ chẵn (b) Chế độ lẻ 61
Hình 3.5. Sơ đồ phân tích bộ chia Wilkinson để tìm S
11
63
Hình 3.6. Bộ chia cộng Wilkinson không đều 64
Hình 3.7. Sơ đồ bộ chia Wilkinson N đường 64
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý bộ tổ hợp công suất 8 đường 66
Hình 3.9. Kết quả S
12
=S
21
= S
13
= S
31
66
Hình 3.10. Kết quả S
11
mô phỏng bằng phần mềm Ansoft Designer SV 67
Hình 3.11. Kết quả mô phỏng dùng phần mềm ADS2008A 67
Hình 3.12. Thiết kế layout cho bộ tổ hợp công suất 8 đường 68
Hình 3.13. Kết quả đo đạc tham số S21 trên máy phân tích mạng 68
Hình 3.14. Kết quả đo đạc tham số S11 trên máy phân tích mạng 69

Hình 4.1. Cấu trúc máy phát xung radar dải rộng 72
Hình 4.2. Sơ đồ khối tổ hợp công suất lối vào dùng trong máy phát radar 72
Hình 4.3. Sơ đồ khối tổ hợp công suất lối ra cho máy phát 73
Hình 4.4. Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại công suất 200W 74
8

Hình 4.5. Sơ đồ nhánh lối vào của LDMOS FETs PTF082001E……………75
Hình 4.6. Hệ số phản xạ S11 tại tần số 860Mhz 75
Hình 4.8. Hệ số truyền từ cổng 2 đến cổng 1: S
12
tại tần số 860 MHz 76
Hình 4.9. Hệ số truyền từ cổng 1 đến cổng 2: S
21
tại tần số 860MHz 77
Hình 4.10. Sơ đồ nhánh lối ra của LDMOS FETs PTF082001E 77
Hình 4.11. Hệ số phản xạ S
11
tại tần số 860 Mhz 78
Hình 4.12. Hệ số phản xạ S
22
tại tần số 860 Mhz 78
Hình 4.13. Hệ số truyền đạt từ 1 đến 2 : S
21
tại tần số 860 MHz 79
Hình 4.14. Layout của mạch khuếch đại công suất 200W…………………… 79
Hình 4.15. Chế tạo trong phòng thí nghiệm……………………………………80
Hình 4.16. Kết quả đo S21 trên máy phân tích mạng………………………… 80

9


LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự hội nhập kinh tế quốc tế giữa các nước trên
thế giới đã làm gia tăng nhu cầu giao thương, học tập, du lịch của mọi người. Vì
thế vấn đề đi lại trên các phương tiện giao thông ngày càng tăng, số lượng hành
khách cũng tăng lên đáng kể. Để giảm thiểu thời gian lưu thông và rút ngắn
quảng đường vận chuyển thì vận tải Hàng không là không thể thiếu được.
Từ đó, ngày càng có nhiều hãng Hàng không tham gia vận chuyển và số
lượng các máy bay vận tải không ngừng tăng nhanh trên thế giới. Mật độ bay
trên các đường bay cũng tăng cao. Song song với các nhà vận tải chuyên nghiệp
ấy thì ngành quản lý và điều hành bay cùng các dịch vụ kỹ thuật mặt đất cũng
phát triển mạnh mẽ và được trang bị các thiết bị máy móc hiện đại.
Sự phát triễn không ngừng của nghành hành không dân dụng Việt Nam
đòi hỏi các phương thức dẫn đường cho máy bay càng có độ chính xác cao,
trong đó thiết bị Radar đóng vai trò tất yếu. Để tăng khả năng phân biệt được
mục tiêu (máy bay) và đo cự ly chính xác, chống nhiễu đòi hỏi các hệ thống
rađar thế hệ mới phải đáp ứng công nghệ cao. Vì lý do đó tôi chọn đề tài “Thiết
kế mô phỏng máy phát công suất tín hiệu dải rộng điều chế mã pha Barker
13 phần tử dùng cho radar tầm thấp”.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài này gồm các phần chính sau đây :
+ Nghiên cứu cấu trúc radar thế thệ mới.
+ Nghiên cứu mã Barker, kỹ thuật nén xung, điều chế mã pha.
+ Nghiên cứu mạch cầu Wilkinson, Thiết kế mô phỏng bộ chia /cộng
công suất 8 đường dùng cầu Wilkinson sử dụng phần mềm Ansoft.
+ Nghiên cứu thiết kế mô phỏng khối khuếch đại công suất bán dẫn
(bóng đèn xung bán dẫn 200W LDMOS FETs PTF082001E) sử dụng phần mềm
Ansoft.

+ Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc máy phát radar xung dải rộng theo
phương pháp tổ hợp công suất gồm 64 mô đun công suất thành phần 200W, hoạt
động ở dải tần 820MHz - 900MHz.
+ Kiểm tra đối chiếu kết quả mô phỏng Ansoft so với kết quả thu được
trên phần mềm ADS.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

10


Đối với các đài radar thế hệ cũ dùng đèn phát magnetron theo kiểu tự dao
động, có độ ổn định tần số thấp. Chính vì thế, tôi đã đề xuất cấu trúc máy phát
tín hiệu radar xung dải rộng công suất 9.6kW băng tần UHF sử dụng bóng công
suất được chế tạo theo công nghệ bán dẫn oxit kim loại bù CMOS, có độ ổn định
cao và công suất tiêu tán thấp. Việc sử dụng giải pháp này sẽ khắc phục được
nhược điểm về độ ổn đinh tần số, cho phép khuếch đại các dao động có độ ổn
định ngang cấp thạch anh, chính vì thế cấu trúc theo kiểu này cho phép xử lý lọc
doppler cho các mục tiêu di động được tốt hơn. Trong phần này, chúng tôi sẽ
đưa ra cấu trúc máy phát sử dụng phương pháp tổ hợp công suất tín hiệu phát
trước khi đưa ra angten, nghĩa là tổ hợp bằng phương pháp cộng công suất từ
các mô đun công suất phát thành phần. Giải pháp này ngoài việc chủ động về
công suất phát ra trong thiết kế thì còn một ưu điểm nữa là có thể hoàn toàn thay
thế các mô đun một cách dễ dàng, nếu có một vài mô đun bị hỏng hóc thì cả hệ
thống vẫn hoàn toàn hoạt động bình thường. Các mô đun phát công suất thành
phần công suất 160W được thiết kế hoàn toàn giống nhau để đảm bảo tính ổn
định về biên độ, độ di pha nhỏ, đảm bảo các thông số về băng thông dải
động, hệ số khuếch đại, ổn định với các biến môi trường

11


CHƢƠNG 1
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ RADAR SƠ CẤP –
PHƢƠNG TRÌNH RADAR
1.1. Tổng quan về radar
1.1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động tổng quát của RADAR
1.1.1.1. Định nghĩa Radar
RADAR là từ viết tắt của thuật ngữ: Radio Detecting And Ranging, có
nghĩa là phát hiện và xác định cự ly bằng sóng vô tuyến.
1.1.1.2. Nguyên lý hoạt động tổng quát của RADAR sơ cấp
Radar (sơ cấp) là một thiết bị cảm biến sóng điện từ được sử dụng để phát
hiện và định vị những vật thể phản xạ lại sóng điện từ do radar phát đi.
Máy phát
Transmitter
Chuyển mạch
thu/phát
Duplexer
Máy thu
Receiver

Xung phát
Transmitted pulse
Tín hiệu phản xạ
Echo signal
Tuyến phát – Transmitting path
Máy phát Duplexer Ăng ten Sóng điện từ Mục tiêu
Tuyến thu – Receiving path
Mục tiêu
Phản xạ (echo)
Ăng tenDuplexerMáy thuHiển thị

Hình 1.1. Sơ đồ khối đơn giản của Radar sơ cấp và đường đi của các tín hiệu
Nguyên lý hoạt động của nó có thể tóm tắt như sau:
- Thiết bị Radar phát xạ một năng lượng sóng điện từ từ ăng ten để
truyền vào không gian.
- Một phần năng lượng điện từ bị chắn bởi vật thể phản xạ, thông
thường được gọi là “mục tiêu” (target) nằm cách radar 1 khoảng không gian.
12


- Một số năng lượng bị tái bức xạ (phản xạ) và quay trở về và được ăng
ten radar thu nhận. Tín hiệu này được gọi là tín hiệu phản xạ - echo
- Sau khi được khuếch đại bởi máy thu và trải qua một quá trình xử lý
tín hiệu, thiết bị xác định có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu bằng cách tạo một tín
hiệu ở ngõ ra của máy thu. Từ thời điểm đó, vị trí của mục tiêu và các thông tin
khác của mục tiêu sẽ được thiết bị radar được tính toán. Hình ảnh chỉ vị trí của
mục tiêu và các thông tin liên quan khác sẽ được hiển thị trên màn hình radar.
1.1.1.3. Các thành phần cơ bản của Radar

Hình 1.2. Sơ đồ khối đơn giản của một radar sơ cấp sử dụng một bộ khuếch

đại công suất như một máy phát và một máy thu đổi tần
1.1.1.4. Các thông tin đƣợc Radar cung cấp
Việc phát hiện các mục tiêu chỉ là một chức năng nhỏ trừ khi có được các
thông tin khác liên quan đến mục tiêu.Tương tự như vậy, có các thông tin về
mục tiêu mà không phát hiện được mục tiêu thì cũng vô nghĩa.
+ Cự ly (Range)
Hầu hết tính năng của các loại radar truyền thống là khả năng xác định cự
ly của mục tiêu bằng cách đo thời gian mà tín hiệu đi từ radar với vận tốc truyền
sóng điện từ bằng vận tốc ánh sáng đến mục tiêu và quay trở về radar.
Không có loại thiết bị nào có thể đo khoảng cách từ một mục tiêu ở xa ở
một cự ly xa với độ chính xác bằng radar (về cơ bản giới hạn về độ chính xác ở
cự ly dài là do vận tốc truyền sóng điện từ). Ở cự ly ngắn, độ chính xác có thể
đến vài cm.
Để đo cự ly, một số phương pháp đánh dấu mốc thời gian được sử dụng
trong dạng sóng phát đi. Một trong số đó là sử dụng một xung ngắn (được điều
chế biên độ), nhưng cũng có thể sử dụng kiểu điều chế pha hay điều chế tần số.
13


Độ chính xác của phép đo cự ly phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu radar.
Băng thông càng lớn thì độ chính xác càng cao. Do đó, băng thông là thông số
cơ bản liên quan đến độ chính xác của phép đo cự ly.
+ Tốc độ hƣớng tâm (Radial Velocity)
Tốc độ hướng tâm của một mục tiêu được xác định bằng cách xác định sự
thay đổi cự ly theo thời gian. Nó có thể được xác định thông qua việc đo độ dịch
tần số do hiệu ứng Doppler. Việc xác định chính xác vận tốc hướng tâm cần có
thời gian. Do đó, thời gian là tham số cơ bản để xác định chất lượng của phép đo
vận tốc hướng tâm. Tốc độ di chuyển của mục tiêu và hướng di chuyển được xác
định thông qua quỹ đạo của nó, bằng cách xác định các vị trí của mục tiêu theo
thời gian.

+ Hƣớng – góc
Một phương pháp được dùng để xác định hướng của mục tiêu là xác định
giá trị góc mà ở đó biên độ của tín hiệu phản hồi về ăng ten là lớn nhất. Điều
này yêu cầu ăng ten phải có độ rộng búp sóng hẹp (nghĩa là độ lợi ăng ten cao).
Radar giám sát hàng không sử dụng ăng ten có búp sóng quay xác định góc theo
phương pháp này.
Góc đó một mục tiêu là góc có thể được xác định bằng ăng ten hai búp
sóng, hai búp sóng này lệch nhau 1 góc và thông qua việc so sánh biên độ tín
hiệu phản hồi thu được trên mỗi búp sóng. Với loại ăng ten 4 búp sóng cho phép
xác định được góc phương vị - góc trong mặt phẳng ngang và góc cao (hay còn
gọi là góc ngẫng) – góc theo mặt phẳng đứng. Độ chính xác của phép đo góc
phụ thuộc vào kích thước về mặt điện trường của ăng ten, nghĩa là kích thước
của ăng ten tính theo bước sóng.
+ Kích thƣớc và Hình dạng
Nếu radar có đủ độ phân giải cần thiết theo cự ly và góc, nó có thể xác
định được kích thước của mục tiêu với độ phân giải cao. Cự ly thông thường là
tọa độ ở độ phân giải nhất định. Độ phân giải cự ly theo phương ngang (bằng cự
ly nhân với độ rộng búp sóng ăng ten) có thể xác định được bằng ăng ten có độ
rộng búp sóng hẹp.

14


1.1.2. Dải tần số hoạt động của Radar
1.1.2.1. Phổ tần số
Phổ của sóng điện từ cho thấy tần số điện từ có thể lên tới 10
24
Hz. Toàn
bộ dải tần rất lớn này được chia nhỏ thành các băng tần con như sau

Hình 1.3. Các băng tần được radar sử dụng

Hình 1.4. Một số loại radar và tần số hoạt động của nó
15


1.1.2.2. Phân chia các băng tần
+ Băng tần A và B (radar HF và VHF)
Ngày nay, những tần số này được dùng cho radar cảnh báo sớm, vì vậy
được gọi là Radar ngoài đường chân trời (OTH). Với việc sử dụng những tần số
thấp hơn, sẽ dễ dàng chế tạo được các máy phát công suất phát cao hơn.
+ Băng C (Băng UHF của Radar)
Có một số loại radar chuyên dụng được phát triển cho băng tần này (300 đến
1 GHz). Đây là tần số tốt cho hoạt động của các radar phát hiện và bám đuổi vệ
tinh và tên lửa đạn đạo ở cự ly xa. Các radar này hoạt động cảnh báo sớm và dò
sóng mục tiêu giống như radar giám sát của Hệ thống Phòng không Mở rộng Tầm
trung (MEADS). Một vài ứng dụng radar thời tiết chẳng hạn, theo dõi gió làm việc
trong khoảng tần số này vì sóng điện từ rất thấp bị ảnh hưởng bởi mây và mưa.
+ Băng tần D (Băng L của Radar)
Băng tần này (1 đến 2 GHz) thích hợp hơn cho hoạt động của radar giám
sát hàng không tầm xa ngoài 250 NM (tương đương 400 km). Chúng phát các
xung công suất cao, dải thông rộng và sử dụng điều chế xung.
+ Băng E/F (Băng S của Radar)
Độ suy giảm do khí quyển ở tần số này cao hơn băng tần D. Hệ thống
radar cần công suất phát cao hơn đáng kể so với những phạm vi tần số thấp hơn
để đạt được cự ly cực đại tốt. Ví dụ với Radar công suất Trung bình có công suất
phát lên tới 20 MW. Trong dải tần này, ảnh hưởng của điều kiện thời tiết cao
hơn trong băng tần D. Bởi vậy, một cặp radar thời tiết làm việc trong băng tần
E/F, nhưng sẽ nhiều hơn trong điều kiện khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới, bởi
vì ở đây radar có thể phát hiện một cơn bão từ xa.

Radar giám sát sân bay chuyên dụng (ASR) được sử dụng trong các sân
bay để phát hiện và hiển thị vị trí máy bay tại khu vực tiếp cận với khoảng cách
trung bình lên đến 50…60 NM (tương đương 100 km). Một ASR phát hiện vị trí
máy bay và điều kiện thời tiết ở lân cận phi trường dân dụng và phi trường quân
sự. Việc kí hiệu băng tần S (ngược lại với L) sẽ là từ gợi nhớ rất tốt để nhớ đến
loại radar có ăng ten nhỏ hơn và cự ly hoạt động ngắn hơn.
+ Băng G (Băng C của Radar)
Trong băng tần G, có nhiều hệ thống radar quân sự giám sát chiến trường
di động, điều khiển tên lửa và giám sát mặt đất với cự ly ngắn và trung bình.
16


Kích thước của ăng ten hỗ trợ độ chính xác và độ phân giải tuyệt vời, nhưng
kích thước của ăng ten tương đối nhỏ không ảnh hưởng đến sự di chuyển của
trạm radar. Ảnh hưởng của điều kiện thời tiết xấu là rất lớn. Bởi vậy, radar giám
sát không phận thường sử dụng kiểu ăng ten phân cực tròn. Băng tần này được
xác định trước cho hầu hết các kiểu radar thời tiết dùng để định vị lượng mưa ở
vùng ôn đới như châu Âu.
+ Băng I/J (Băng X và Ku của Radar)
Trong băng tần này (8 đến 12 GHz) Băng tần này rộng được dùng cho
radar dân sự hàng hải và radar dẫn đường quân sự. Ăng ten nhỏ và rẻ với tốc độ
quay cao thích hợp với cự ly rõ ràng cực đại và độ chính xác cao. Các ống dẫn
sóng chia rãnh (khe) và các ăng ten nhỏ được sử dụng như ăng ten radar, thông
thường đặt trong một mái che bảo vệ.
+ Băng K (Băng K và Ku của Radar)
Tần số càng cao, sự suy giảm do khí quyển càng tăng. Ngược lại, sự chính
xác và độ phân giải cự ly cũng tăng lên. Các ứng dụng của radar trong băng tần
này hỗ trợ cự ly ngắn, độ phân giải rất cao và tỷ lệ phục hồi dữ liệu cao. Trong
lĩnh vực quản lý không lưu, những loại radar này được gọi là Radar Giám sát di
chuyển trên mặt đất hay Thiết bị Giám sát trên khu vực Sân bay. Việc sử dụng

xung phát rất ngắn cỡ vài nanô giây cho độ phân giải cự ly, hình dáng của máy
bay để có thể nhìn thấy trên màn hình radar.
+ Băng V
Do sự tán sắc phân tử (do ảnh hưởng độ ẩm không khí), dải tần này có
mức suy hao cao. Các ứng dụng Radar bị hạn chế trong một phạm vi ngắn
khoảng vài mét.
+ Băng W
Ở tần số này có hai hiện tượng rõ ràng: Sự suy hao cực đại khoảng 75
GHz và suy hao nhỏ nhất tương đối tại khoảng tần số 96 Ghz. Cả hai khoảng tần
số đang sử dụng trong thực tế.
Trong kỹ thuật sản xuất ô tô, một thiết bị radar nhỏ được gắn liền bên
trong hoạt động ở 75…76 GHz hỗ trợ đỗ xe, trợ giúp nhìn thấy điểm mù và trợ
phanh. Sự suy hao cao (do ảnh hưởng của của những phân tử Oxy), cải thiện độ
miễn nhiễu của các loại radar này.
17


Có những loại radar hoạt động ở 96 đến 98 GHz như các thiết bị trong
phòng thí nghiệm.Các ứng dụng này cho phép nghiên cứu việc sử dụng radar
trong những sóng tần số cực cao như 100 GHz.
+ Hiện tƣợng dịch tần do hiệu ứng Doppler trong radar
Tần số dịch tần f
d
có thể được viết như sau:
(1)
Trong đó:
là vận tốc tương đối của mục tiêu (so với radar) tính bằng
đơn vị (m/s);
là vận tốc tuyệt đối của mục tiêu tính bằng (m/s);
là bước sóng của tín hiệu radar tính bằng (m); và

góc giữa hướng mục tiêu so với búp sóng của radar.
Hiện tượng dịch tần so hiệu ứng Doppler được sử dụng rộng rãi để tách
các mục tiêu di động ra khỏi nhiễu tĩnh vật - clutter.
1.1.2.4. Tầm quan trọng của độ rộng băng thông trong Radar
Về cơ bản băng thông thể hiện các thông tin, vì vậy nó rất quan trọng
trong nhiều ứng dụng của radar. Có hai loại băng thông được tính đến trong
radar. Một là băng thông của tín hiệu được xác định thông qua độ rộng xung
hoặc các tín hiệu điều chế trong xung. Hai là băng thông có thể điều chỉnh được.
Thông thường, độ rộng băng thông tín hiệu của một sóng sine đơn giản có chu
kỳ sẽ bằng . Băng thông lớn hơn rất cần cho việc phân giải các mục tiêu theo
cự ly, để xác định cự ly đến mục tiêu một cách chính xác và trong một chừng
mực nhất định cho phép phân biệt loại mục tiêu này so với mục tiêu khác.
Độ rộng băng thông điều chỉnh được cho phép thay đổi tần số tín hiệu
radar trong một dải phổ rộng. Nó được sử dụng để giảm nhiễu tương hỗ giữa các
radar hoạt động trong cùng băng tần, cũng như cố gắn làm giảm ảnh hưởng do
sự gây nhiễu điện tử của đối phương. Tần số hoạt động càng cao thì càng có dải
động tín hiệu càng rộng và độ rộng băng tần điều chỉnh được càng rộng.
1.1.3. Tỉ số Tín hiệu trên Nhiễu (SNR)
Độ chính xác của các phép đo đạc bằng radar cũng như độ tin cậy của khả
năng phát hiện mục tiêu phụ thuộc vào tỉ số E/N
0
. Trong đó E là tổng năng
18


lượng của tín hiệu thu được xử lý bởi radar và N
0
là công suất nhiễu trên một
đơn vị băng thông của máy thu. Do đó E/N
0

là một tiêu chuẩn quan trọng để
đánh giá năng lực của radar.
1.2. Các phƣơng trình cơ bản của radar sơ cấp
1.2.1. Các tham số radar có liên quan đến thời gian
1.2.1.1. Thời gian/chu kỳ lặp xung – PRT/PRP và Tần số lặp xung – PRF
Hầu hết mọi chức năng của radar phụ thuộc vào thời gian. Để đo khoảng
cách, một hệ thống radar cần đồng bộ thời gian giữa máy phát và máy thu.
Những radar phát xạ đơn xung (với độ rộng xung ), đợi những tín hiệu phản hồi
trở về, sau đó phát xạ xung kế tiếp có giản đồ thời gian như hình dưới đây:

Hình 1.5. Giản đồ thời gian phát và nhận xung phản xạ đối với radar đơn
xung
Khoảng thời gian giữa sườn lên của hai xung liên tiếp được gọi là thời
gian lặp xung – Pulse Repetition Time (PRT) hay chu kỳ lặp xung – Pulse
Repetition Period (PRP), tỷ lệ nghịch với tần số lặp xung – Pulse Repetition
Frequency (PRF) theo biểu thức:
(2)

Tần số lặp xung PRF của radar là số xung được phát đi trong 1 giây. Tần
số phát xung ảnh hưởng đến cự ly cực đại mà nó hiển thị được.
19


1.2.1.2. Công suất đỉnh, công suất trung bình và Độ rộng xung
Năng lượng của sóng điện từ của một radar phát theo kiểu sóng liên tục có
thể xác định được dễ dàng vì máy phát hoạt động liên tục. Tuy nhiên, các máy
phát của radar phát xung phát/ngừng phát trong những khoảng thời gian tương
ứng với độ rộng xung. Năng lượng của tín hiệu này rất quan trọng vì cự ly phát
hiện cực đại liên quan trực tiếp đến công suất của máy phát. Nếu radar phát công
suất càng lớn thì cự ly phát hiện mục tiêu càng lớn.

Năng lượng của một xung bằng mức công suất đỉnh (công suất lớn nhất)
của xung nhân với độ rộng xung. Tuy nhiên, đồng hồ được dùng để đo công suất
của hệ thống radar phải đo trong suốt khoảng thời gian lớn hơn độ rộng của
xung radar. Vì lý do đó, thời gian lặp xung PRT được dùng để tính công suất của
máy phát. Công suất được đo theo thời gian được gọi là Công suất trung bình và
được xác định như sau:

hoặc:
(3)
Công suất đỉnh thường được tính toán nhiều hơn công suất trung bình vì
hầu hết các thiết bị đo chỉ đo trực tiếp công suất trung bình.
1.2.1.3. Hệ số đầy xung (Duty cycle)
Độ rộng xung nhân với tần số lặp xung PRF ở công thức nêu trên được
gọi là hệ số đầy xung (Duty cycle) của radar. Hệ số đầy xung được tính bằng tỉ
số giữa thời gian hệ thống ở trạng thái “hoạt động”.
Ví dụ: Giả sử máy phát hoạt động trong 1 s và sau đó tắt trong 99 s, sau
đó lại phát tiếp trong 1 s, .v.v. thì hệ số đầy xung sẽ là 1/100 hay 1%. Hệ số đầy
xung được dùng để tính công suất trung bình và công suất đỉnh của một hệ thống
radar.
20



Hình 1.6. Mối quan hệ giữa Hệ số đầy xung (Duty cycle) với công suất đỉnh
và công suất trung bình
1.2.1.4. Thời gian quét qua mục tiêu (Dwell Time) và số xung đập vào mục
tiêu trong 1 vòng quét (Hits per Scan)
Thời gian quét qua mục tiêu – Dwell Time
Hầu hết các quá trình xử lý của radar phát xung đều phụ thuộc vào thời
gian. Do đó một số thuật ngữ sau đây liên quan đến thời gian:

Hình 1.7. Hình ảnh của mục tiêu hiển thị trên màn hình là kết quả của nhiều
xung radar đập vào mục tiêu
Dwell-Time được định nghĩa là số lần búp sóng của radar quét qua một
mục tiêu, ký hiệu là . Thời gian quét qua mục tiêu chủ yếu phụ thuộc vào:
- Độ rộng của búp sóng ăng ten trong mặt phẳng ngang:
- Tốc độ vòng quay của ăng ten trong một phút (n).
(giây) (4)

Số lần xung quét vào mục tiêu trong 1 vòng quét (Hits per Scan)
Công suất trung bình
Công suất xung
Độ rộng xung
Thời gian lặp xung
Duty Cycle
21


Số lần xung radar quét vào mục tiêu trong một vòng quét, ký hiệu là m
nói lên số lượng tín hiệu phản xạ từ một mục tiêu trong suốt thời gian ăng ten
hướng về mục tiêu. Số lượng xung quét vào mục tiêu có nghĩa là số lượng tín
hiệu phản xạ thu được tại một ăng ten quay của hệ thống radar đối với 1 mục
tiêu đơn trong một vòng quay. Mối quan hệ giữa Thời gian quét qua mục tiêu và
thời gian lặp xung sẽ xác định số lượng xung quét vào mục tiêu.
(5)
Vì vậy, để thiết bị radar có thể đánh giá được các thông tin từ mục tiêu
với độ chính xác nhất định, số lượng xung radar quét vào mục tiêu nằm trong
khoảng từ 1 – 20 là cần thiết, nó phụ thuộc vào chế độ hoạt động của radar.
1.2.2. Xác định cự ly
1.2.2.1. Cự ly nghiêng

2.
Hình 1.8. Mối quan hệ giữa cự ly nghiêng R (Range), độ cao, góc cao và góc
phương vị ( )
Khoảng cách của mục tiêu được xác định từ thời gian đi của tín hiệu cao
tần và thời gian lan truyền sóng c
0
. Cự ly thực của mục tiêu đến radar được gọi
là cự ly nghiêng: Là khoảng cách giữa radar và đối tượng được radar chiếu
chùm tia đến. Trong khi khoảng cách trên đất là khoảng cách trên mặt phẳng
ngang giữa máy phát tới hình chiếu của mục tiêu lên mặt đất, việc tính toán
khoảng cách này cần phải biết độ cao của mục tiêu. Lấy thời gian phát tín hiệu
22


tới mục tiêu và đợi nhận được tín hiệu phản xạ trở lại chia cho 2 ta có thời gian
cần để sóng tới đích.
(6)
Trong đó :
là cự ly nghiêng tính từ ăng ten radar đến mục tiêu.
là thời gian tín hiệu radar đi và về.
là vận tốc ánh sáng (xấp xỉ 3x10
8
m/s).


Hình 1.9. Độ cao của hai tàu bay khác nhau nên kết quả đo cự ly nghiêng
khác nhau
Trong thực tế, khi đo cự ly đến hai tàu bay bay chồng lên nhau (khác độ
cao), về khoảng cách khi chiếu lên mặt đất là giống nhau nhưng cự ly nghiêng
đo được khác nhau nên khi hiển thị trên màn ảnh 2 chiều sẽ ở 2 vị trí khác nhau.

Phép đo sai này có thể được hiệu chỉnh bằng phần mềm trong bộ xử lý của các
radar hiện đại bằng quá trình xử lý tín hiệu số.
1.2.2.2. Cự ly đơn trị cực đại
Một vấn đề với các xung radar và việc xác định khoảng cách là làm thế
nào để xác định chính xác khoảng cách tới mục tiêu nếu có nhiều mục tiêu ở xa
phản xạ một tín hiệu đủ mạnh. Vấn đề nảy sinh trong thực tế vì radar thường
phát đi một chuỗi xung. Máy thu của radar thu đo thời gian giữa sườn lên của
xung phát cuối cùng và xung phản xạ. Một tín hiệu phản hồi có thể nhận được từ
mục tiêu ở xa hơn sau khi đã phát đi xung thứ hai như hình dưới đây:
23


Hình 1.10. Một tín hiệu phản hồi về ở khoảng cách 400km bị hiểu sai là
100km
Trong trường hợp này, radar sẽ xác định khoảng thời gian sai, do đó xác
định được cự ly sai. Trong quá trình xử lý, giả sử rằng xung phản hồi được đo
cùng với xung phát thứ hai sẽ chỉ thị một giá trị cự ly đến mục tiêu bị giảm đi rất
nhiều. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cự ly đa trị - Unambiguous
Range, nó xảy ra khi có những mục tiêu phản hồi mạnh ở những cự ly nằm
ngoài thời gian lặp của xung. Thời gian lặp xung cho phép xác định cự ly đơn trị
lớn nhất. Để tăng cự ly đơn trị thì cần tăng PRT, có nghĩa là giảm PRF.
Những tín hiệu phản hồi đến sau khoảng thời gian radar hoạt động ở chế
độ thu trong 1 chu kỳ phát xung sẽ nằm trong:
- Khoảng thời gian phát mà khi đó các tín hiệu phản hồi sẽ không được
xử lý khi thiết bị radar chưa sẵn sàng để thu.
- Khoảng thời gian thu tiếp theo, lúc đó các xung phản hồi này sẽ gây ra
phép đo cự ly sai (gọi là sự phản hồi đa trị).
Cự ly đơn trị cực đại của hệ thống radar được xác định bởi công thức:
(7)
Thời gian lặp xung PRT của radar là tham số quan trọng khi xác định cự

ly cực đại vì thời gian phản xạ mục tiêu mà vượt quá PRT của hệ thống radar thì
mục tiêu sẽ xuất hiện ở vị trí sai trên màn ảnh radar. Tín hiệu phản hồi xuất hiện
tại những cự ly sai này được xem là tín hiệu phản hồi đa trị hay các tín hiệu phản
xạ lần thứ 2 (second-sweep). Độ rộng xung trong phương trình (7) nhằm chỉ ra
cần trừ đi khoảng thời gian cần thiết để thu được một xung phản xạ đầy đủ.
1.2.2.3. Cự ly phát hiện tối thiểu
Cự ly phát hiện nhỏ nhất (hay khoảng mù) là một thông số cần xét đến.
Khi sườn lên của xung phản xạ nằm bên trong xung phát thì không thể xác định