Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài radar

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

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

C •k,-k(ω)

C ckPM − AM (ω )

[dB]

[F]

Hệ số tương quan ở dải biên trên và dưới của hài thứ k

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

Nk(ω), N-k(ω)

Mật độ phổ công suất tạp ở dải biên trên và dưới của

[lần]
[dBc/Hz]

hài thứ k
Nth

Công suất tạp nhiệt

[dBm]


viii

Ký hiệu
Psav

Ý nghĩa
Công suất trung bình đầu ra bộ dao động

Q

Hệ số phẩm chất

Rf

Điện trở thuận điốt PIN

Thứ nguyên
[dBm]
[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

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

[m]


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: Π18: 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.


5

Chương 2: Một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa.
• Hạn chế các tín hiệu cường độ mạnh vào máy thu: Hầu hết các đài ra đa hiện đại
sử dụng các bộ hạn chế công suất SCT để bảo vệ máy thu trong chế độ phát và
trước các nguồn phát của đài ra đa khác làm việc trong cùng dải tần. Phần đầu 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), sau đó đi sâu trình bày giải pháp kỹ thuật mới đã được áp dụng 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 cho hiệu quả cao).
• Nâng cao độ ổn định tần số và giảm mức tạp pha của bộ dao động tại chỗ: Để
nâng cao chất lượng thu tín hiệu và giảm tạp cùng các hài của tín hiệu sau bộ trộn
tần, phần sau tập trung nghiên cứu các bộ dao động VCO sử dụng transistor được áp
dụng làm dao động ngoại sai trong các đài ra đa, đây là khâu chủ yếu gây ra tạp và
hài của tín hiệu ở đầu ra máy thu. Khảo sát các mô hình 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. Đồng thời cũng trình bày tạp của bộ
VCO khi kết hợp với mạch PLL với 7 nguồn tạp, bao gồm: tạp của dao động tham
chiếu, tạp của bộ đệm đầu vào tham chiếu, tạp VCO, tạp của bộ lọc vòng, tạp của
thiết bị bơm tích điện, tạp lượng tử hóa Σ-Δ và tạp của tách sóng pha.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm
Với mục đích kiểm nghiệm tính đúng đắn và độ chính xác của các lý thuyết
nêu ở phần trên bằng thực nghiệm, trong chương này trình bày kết quả nghiên cứu
thực nghiệm một số mạch SCT tiêu biểu sử dụng các linh kiện đặc thù trong máy
thu đài ra đa. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm bao gồm đánh giá hiệu quả của việc
đưa các khối sau vào máy thu của 3 đài ra đa làm việc ở các dải sóng: mét và
centimét, bao gồm:
• Bộ hạn chế công suất điốt PIN để bảo vệ bộ khuếch đại tạp thấp không bị đánh
thủng bởi công suất lọt sau đèn cặp nhả điện. Bộ hạn chế công suất và bộ LNA này


6

được thiết kế chế tạo để thay thế đèn sóng chạy UV-99 trong máy thu đài ra đa cảnh

giới dẫn đường sóng centimét nhằm nâng cao độ nhạy máy thu của đài;
• Bộ dao động VCO kết hợp kỹ thuật một vòng khóa pha làm việc ở dải tần
centimét (16 GHz) sử dụng làm dao động ngoại sai cho đài ra đa trinh sát mặt đất
(thay thế cho đèn Klistron K-172P) nhằm nâng cao độ ổn định và chất lượng thu tín
hiệu trong đài ra đa;
• Bộ dao động VCO kết hợp kỹ thuật nhiều vòng khóa pha làm việc ở dải tần
57,75 MHz- 92,75 MHz sử dụng làm dao động tại chỗ cho máy thu đa kênh đài
ra đa băng tần VHF có độ tích hợp cao nhằm nâng cao độ ổn định và giảm mức tạp
pha máy thu.
Đo đạc 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.
Kết luận chung: Trình bày các đóng góp mới của luận án, kết luận về công
việc nghiên cứu và hướng phát triển tiếp theo của luận án.
VI. Kết quả của luận án
Luận án đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm một số giải pháp kỹ thuật
nâng cao chất lượng thu tín hiệu của đài ra đa thông qua việc nghiên cứu nâng cao
chất lượng các môđun trong tuyến thu (bộ hạn chế công suất cao tần, bộ dao động
bán dẫn SCT VCO...). Cụ thể là:
1. Qua khảo sát, phân tích về các bộ hạn chế công suất SCT dùng bán dẫn, đã nghiên
cứu đề xuất giải pháp kỹ thuật thiết kế bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu ra đa
cảnh giới dẫn đường sóng centimét. Bộ hạn chế công suất dùng điốt PIN gồm bốn
phần, được thiết kế làm việc theo dạng nửa tích cực nửa thụ động. Bộ hạn chế thiết
kế sử dụng 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. Bộ hạn chế công suất có độ suy hao
tổng cộng > 90 dB với mức tín hiệu SCT lớn đi đến, thời gian khôi phục độ nhạy
máy thu < 10 ns và hoàn toàn thích nghi với mức công suất lọt ở đầu vào máy thu;
2. Qua nghiên cứu khảo sát tạp và các mô hình tạp cho bộ dao động dùng transistor,
đã đưa ra 4 nguyên nhân chính gây ra tạp của bộ dao động, đó là: tạp biến đổi lên
1/f hoặc tạp nhấp nháy FM; tạp nhiệt FM; tạp pha nhấp nháy và nền tạp nhiệt. Đã

7

đưa ra 6 điểm cần lưu ý khi thiết kế nhằm tối thiểu hóa mức tạp pha của các bộ dao
động VCO dùng transistor (trang 85);
3. Qua nghiên cứu cơ chế phát sinh tạp, phân tích về tạp chuyển đổi và tạp điều chế
trong bộ dao động, ta thấy:
a) Phân tích tạp chuyển đổi một cách chính xác mô tả tạp của bộ dao động ở tần số
xa sóng mang, nhưng nền tạp của bộ dao động không cho kết quả phù hợp với các
quan sát vật lý ở các độ lệch tần số gần sóng mang;
b) Ngược lại, phân tích tạp điều chế một cách chính xác mô tả tạp của bộ dao động
ở tần số gần sóng mang và không cho kết quả phù hợp với các quan sát vật lý ở các
độ lệch tần số xa sóng mang.
4. Qua nghiên cứu khảo sát tạp của bộ VCO khi kết hợp với mạch PLL với 7 nguồn
tạp, ta thấy tạp pha của bộ VCO khi kết hợp với 2 vòng khóa pha giảm đi rất nhiều
(tạp pha giảm được 8 dB) so với 1 vòng khóa pha (hình 2.23);
5. Đã nghiên cứu áp dụng các giải pháp kỹ thuật một hoặc nhiều vòng khóa pha để
thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn SCT VCO để thay thế các bộ dao động đèn
Klistron trong các đài ra đa. Bằng cách sử dụng 2 hay nhiều vòng PLL cho phép khắc
phục được những hạn chế của một vòng PLL và có tính năng như: dải tần rộng, bước
tần nhỏ, thời gian thiết lập tần số (khóa pha) nhanh. Trong kỹ thuật nhiều vòng khóa
pha đã 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;
6. Đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá tính đúng đắn và chính xác các
lý thuyết đã được đề xuất ở phần trên. Việc nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành
thông qua đánh giá hiệu quả của việc đưa các khối (bộ hạn chế công suất điốt PIN,
bộ dao động tại chỗ) vào máy thu của 3 đài ra đa làm việc ở các dải sóng: mét và

centimét. Đo đạc các tham số, chỉ tiêu kỹ thuật trong Phòng thí nghiệm, so sánh với
các kết quả mô phỏng khi thiết kế và thực tế lắp trên các đài ra đa.


8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU RA ĐA
Chương này trình bày tổng quan về cấu hình máy thu, một số cấu trúc máy
thu khác nhau, đi sâu phân tích ưu nhược điểm của từng loại cấu trúc, đồng thời
trình bày các yêu cầu kỹ thuật chính đối với máy thu ra đa. Chương 1 cũng 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.
1.1. CẤU HÌNH VÀ CẤU TRÚC MÁY THU RA ĐA
1.1.1. Cấu hình máy thu ra đa [55]
Nhiệm vụ máy thu ra đa là khuếch đại, lọc, biến đổi tần số xuống và số hóa
tín hiệu phản hồi của tín hiệu máy phát ra đa nhằm đảm bảo phân biệt rõ nhất tín
hiệu phản hồi mong muốn trên nền nhiễu.
Hầu hết máy thu ra đa hoạt động trên nguyên tắc đổi tần như trên hình 1.1.
Sau khi khuếch đại cao tần vừa đủ, tín hiệu được chuyển sang trung tần (IF) bằng
cách trộn với một tần số dao động tại chỗ. Có thể cần nhiều hơn một tầng đổi tần để
đạt IF cuối cùng mà không gặp phải vấn đề nghiêm trọng với tần số ảnh hoặc tần số
giả trong quá trình trộn. Máy thu đổi tần thay đổi tần số dao động tại chỗ để bám
theo bất kỳ điều chỉnh máy phát mà không phá vỡ quá trình lọc trên IF. Sơ đồ khối
cấu hình cơ bản của máy thu ra đa trên hình 1.1 gồm mạch điều khiển độ nhạy theo
thời gian (STC) làm suy giảm tín hiệu đầu vào RF. Ngoài ra có thể sử dụng điều
chỉnh suy giảm RF. Các hình thức này đều đảm bảo tăng dải động cao hơn cần thiết
cho hoạt động của bộ biến đổi tương tự - số (ADC). Bộ suy giảm STC được lắp
trong một bộ khuếch đại RF, thường là bộ khuếch đại tạp thấp (LNA). Bộ khuếch
đại này đảm bảo hệ số khuếch đại đủ lớn với hệ số tạp thấp để làm giảm hệ số tạp
tổng thể của ra đa do các phần tử tiếp theo đến giá trị tối thiểu. Nếu trước máy thu

đã đảm bảo được hệ số khuếch đại của anten đủ lớn, có thể bỏ tầng khuếch đại này.
Bộ lọc RF đảm bảo loại bỏ các nhiễu ngoài băng tần, bao gồm cả loại bỏ các tần số
ảnh RF. Sau khi đổi tần xuống IF, một bộ lọc thông dải đảm bảo loại bỏ các tín hiệu
không mong muốn và thiết lập dải thông xử lý tương tự (analog) cho máy thu. Hệ
số khuếch đại bổ sung được cung cấp tại IF để khắc phục các mất mát, tăng mức tín


9

hiệu cần thiết để xử lý tiếp theo và thiết lập mức tín hiệu đúng lên bộ ADC. Một bộ
hạn chế IF đảm bảo hạn chế các tín hiệu lớn để không làm quá tải bộ ADC.

Hình 1.1: Cấu hình cơ bản của máy thu ra đa chủ động.