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

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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014


ii
Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS Nguyễn Thị Ngọc Minh
2. TS Chu Xuân Quang

Phản biện 1: PGS.TS Hoàng Thọ Tu, Học viện Kỹ thuật quân sự

Phản biện 2: PGS.TS Vũ Văn Yêm, Đại học Bách khoa Hà Nội
Phản biện 3: TS Trần Văn Hùng, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ cấp
Viện, họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi......
giờ.....ngày.......tháng...... năm 2014.

Có thể tìm hiểu luận án tại:
 Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
 Thư viện Quốc gia Việt Nam


1
MỞ ĐẦU
* Tính cấp thiết của đề tài: 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. 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. Chất lượng của máy thu đóng vai trò quyết định
trong việc sản xuất chế tạo ra đa. 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.
* 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 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.
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Luận án không đề cập tới lĩnh vực anten
và xử lý tín hiệu, chỉ giới hạn tập trung nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật
nâng cao chất lượng các môđun ở phần đầu của máy thu các đài ra đa quân sự
(tập trung vào phần siêu cao tần - SCT) và sẽ phải tập trung giải quyết hai vấn
đề chính: 1. Nghiên cứu giải pháp 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;
2. 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).


2
* Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu của luận án là khảo sát,
phân tích ưu nhược điểm của các máy thu ra đa hiện có, vận dụng lý thuyết
mạch SCT, thu tạp thấp, các mô hình và phương pháp phân tích tạp pha, lựa
chọn công nghệ và kỹ thuật tiên tiến, sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT
ADS, các linh kiện tích hợp và thiết bị đo hiện đại để tổng hợp những khâu cần
nâng cao chất lượng. Sau đó là đo đạc đánh giá chúng trong phòng thí nghiệm
và trên các đài ra đa làm nhiệm vụ chiến đấu trong thời gian đủ dài.
* 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.
* Cấu trúc của luận án: Luận án bao gồm 118 trang thuyết minh; trong đó có
14 bảng; 58 đồ thị, hình vẽ; 85 tài liệu tham khảo và 5 trang phụ lục.
Chương 1 nghiên cứu tổng quan về các cấu trúc máy thu của đài ra đa
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. Chương 2 trình bày
chi tiết cơ sở khoa học và phương pháp luận liên quan tới 2 giải pháp kỹ thuật
mới nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa được đề xuất. Phần đầu khảo
sát tổng quan về các bộ hạn chế công suất SCT dùng bán dẫn, 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. 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. Khảo sát các mô
hình bộ dao động dùng transistor, mô hình tạp, trình bày công thức tính tạp


3
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. Cuối cùng, chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU RA ĐA
1.1. Cấu hình và cấu trúc 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. Sơ đồ khối cấu hình cơ bản
của máy thu ra đa trên hình 1.1. Trên cơ
sở cấu hình cơ bản của máy thu ra đa, có
thể hình thành các cấu trúc máy thu khác
nhau: máy thu siêu ngoại sai, máy thu
đổi tần trực tiếp, máy thu trung tần thấp
và máy thu đa kênh dải rộng.

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

1.2. Các yêu cầu kỹ thuật chính đối với máy thu ra đa
Bao gồm: Tạp [47] và độ nhạy máy thu, thời gian khôi phục độ nhạy
máy thu, hệ số khuếch đại [47], dải động và độ tuyến tính, độ chính xác và độ
ổn định tần số [55],.... Đây là máy thu của ra đa do vậy dải thông của máy thu
phụ thuộc vào cấu trúc tín hiệu thu.
1.3. Xây dựng nội dung nghiên cứu của luận án
1.3.1. Hiện trạng ra đa của Quân đội ta: Ra đa của Quân đội ta hiện nay có
đặc điểm: nhiều về số lượng, đa dạng về chủng loại. Thế hệ ra đa đầu tiên
được sử dụng từ thập kỷ 70, với công nghệ cũ, là ra đa đơn xung (sử dụng tín
hiệu đơn giản) hay còn gọi là tín hiệu dải hẹp, số lượng chiếm khoảng 90%.
Với độ rộng xung nhỏ, để đảm bảo cự ly phát hiện xa của ra đa thì công suất
đỉnh của xung phát phải rất lớn. Vì công suất xung lớn nên hệ thống đường


4
truyền, chuyển mạch thu - phát thường hay bị hỏng do đánh lửa. Theo đánh giá

của các nhà chuyên môn, tình trạng kỹ thuật của các đài ra đa có nhiều yếu
kém, thời gian tích lũy cao, khả năng đảm bảo kỹ thuật hạn chế do thiếu vật tư
thay thế nên thông số kỹ thuật giảm sút [8]. Trước tình hình thực tế trên, 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.
1.3.2. Xu thế phát triển hệ thống thu đài ra đa
1.3.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu
1.3.4. Về chất lượng thu tín hiệu của máy thu ra đa: Trong điều kiện hoạt
động bình thường, tại lối vào máy thu ra đa có các tín hiệu sau: a) Tín hiệu
phản xạ từ mục tiêu, thường gọi là tín hiệu có ích; b) Tín hiệu từ phản xạ
nhiễu, thường là từ các vật thể cố định, như mặt đất, mặt biển, vật thể khí
tượng; c) Tín hiệu từ máy phát lọt sang máy thu; d) Những tín hiệu mạnh từ
những thiết bị vô tuyến điện tử hoạt động gần đó trên cùng dải tần hoặc tín
hiệu phản xạ từ những công trình địa vật lớn gần đó.
Như vậy, chất lượng thu tín hiệu của máy thu ra đa phải được xem xét
phụ thuộc vào từng loại tín hiệu đến máy thu.
1.3.5. Nội dung nghiên cứu của luận án: Xuất phát từ nhu cầu đáp ứng công
tác đảm bảo kỹ thuật cho hệ thống ra đa của Quân đội ta, phù hợp với tình hình
và xu hướng phát triển của hệ thống máy thu ra đa trên thế giới, NCS đã xây
dựng nội dung nghiên cứu của luận án giải quyết hai vấn đề liên quan đến kỹ
thuật SCT: 1. Hạn chế công suất của các tín hiệu cường độ mạnh vào máy thu:
Giải pháp nâng chất lượng thu khi có tác động của các tín hiệu cường độ mạnh
lọt vào máy thu bằng cách dùng bộ hạn chế công suất kết hợp với bộ khuếch đại
tạp thấp; 2. Nâng cao độ ổn định tần số và giảm mức tạp pha của bộ dao động
tại chỗ: Bằng cách nâng cao độ ổn định và giảm mức tạp pha của các bộ dao
động VCO kết hợp sử dụng một hoặc nhiều vòng khóa pha.
Kết luận chương 1:
1. Qua nghiên cứu tổng quan cấu hình cơ bản của máy thu ra đa và các cấu trúc
máy thu của đài ra đa, luận án đã đi sâu phân tích các ưu nhược điểm của từng
loại cấu trúc;

5
2. Từ các yêu cầu kỹ thuật chính đối với máy thu; ta thấy có 2 phương pháp nâng
cao độ nhạy máy thu, đó là: giảm hệ số tạp bằng cách dùng bộ khuếch đại tạp
thấp hoặc thu hẹp dải thông máy thu xác định bởi độ rộng tín hiệu phổ đã thu.
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG THU TÍN HIỆU TRONG ĐÀI RA ĐA
2.1. Hạn chế các tín hiệu cường độ mạnh vào máy thu
2.1.1. Chức năng, tác dụng của bộ hạn chế công suất trong ra đa
Sơ đồ khối của tuyến
thu đài ra đa được vẽ ở hình
2.1. Trong ra đa cảnh giới dẫn
đường sóng centimét, công
suất lọt trung bình sau đèn cặp
nhả

điện

tương

đối

lớn,

khoảng: Ptrung bình = 200 mW -

Hình 2.1: Sơ đồ tuyến thu đài ra đa.

1000 mW (phụ thuộc vào chất lượng của đèn cặp nhả điện và công suất phát

của từng kênh). Để đưa được bộ khuếch đại tạp thấp vào thay đèn sóng chạy
UV-99 vấn đề đặt ra là phải bảo vệ bộ khuếch đại tạp thấp không bị đánh
thủng bởi công suất lọt. Người ta đã đưa bộ hạn chế công suất vào giữa đèn
cặp nhả điện và bộ khuếch đại tạp thấp để hạn chế công suất lọt, bảo vệ bộ
khuếch đại không bị đánh thủng.
2.1.2. Bộ hạn chế siêu cao tần bằng
bán dẫn: Các bộ hạn chế hoặc bảo vệ
SCT thường được dùng để quản lý mức
bão hòa máy thu và chặn công suất phát
cao không phá hỏng máy thu trong ra
đa. Mạch hạn chế công suất phát lọt
đến máy thu ra đa được lắp sau bộ
chuyển mạch thu -phát. Hai loại chuyển

Hình 2.3: Bộ chuyển mạch thu phát bán dẫn.

mạch thu -phát điển hình được mô tả
trong hình 2.3, hạn chế công suất cao tần của máy phát sang máy thu nhưng lại
cho qua tín hiệu mức thấp từ anten về máy thu [51]. Một số bộ hạn chế SCT


6
thường dùng trong thực tế là: Bộ hạn chế varactor thụ động, bộ hạn chế điốt
PIN, bộ hạn chế điốt PIN giả tích cực và bộ hạn chế Varactor PIN.
2.1.3. Đề xuất một bộ hạn chế công suất cho hiệu quả cao
Giá trị suy giảm của bộ hạn chế công suất là hàm của dòng thiên áp cấp
cho điốt PIN. Ở tần số SCT khi cấp nguồn, trở kháng của điốt PIN trở nên rất
nhỏ và khi không cấp nguồn trở kháng của nó trở nên rất lớn, nó hoạt động
như một chuyển mạch cao tần.
Tổn hao của bộ hạn chế khi không cấp nguồn cho điốt PIN:

2

Ap min

é
Z ù
= 10 lg ê1 + 0 ú [dB]
êë 2 R p úû

(2.5)

Suy giảm của bộ hạn chế khi có cấp nguồn cho điốt PIN:
2

é
Z ù
As max = 10 lg ê1 + 0 ú [dB]
ë 2 Rs û

(2.6)

Bộ hạn chế công suất được thiết kế gồm bốn phần (xem hình 2.10). Khi
công suất lọt của máy phát rò sang lớn, mạch hạn chế thụ động cộng/ chia đôi
công suất (1) sẽ có nhiệm vụ cắt phần đỉnh của xung phát lọt sang và khi
không có công suất SCT lớn đi đến, mạch hạn chế cho tín hiệu đi qua với tổn
hao không lớn hơn 1 dB. Khi có công suất SCT lớn đi đến, đầu ra của mạch
hạn chế thụ động chặn với tổn hao chặn không nhỏ hơn 20 dB. Mạch hạn chế
thụ động dựa trên mạch lọc dải thông dạng cài răng lược (2) có đặc tính là khi
có công suất lọt lớn đi tới, tính chất bộ lọc sẽ thay đổi từ bộ lọc cài răng lược
(interdigital) thành bộ lọc răng lược (combline), đặc tuyến của bộ lọc sẽ bị

đánh lệch lên dải tần lớn gấp đôi tần số sóng mang và nhờ vậy trong thời gian
có xung phát (có xung lọt lớn), máy thu sẽ gần như bị đóng hoàn toàn.

Sau đèn
cặp
nhả điện

Mạch hạn
chế thụ
động
cộng/chia
công suất
(1)

Ghép
định
hướng
20 dB

Mạch hạn chế
thụ động dựa
trên bộ lọc dải
thông dạng cài
răng lược (2)
Tách sóng

Mạch
hạn chế
thụ động
mắc sơn

(3)

Mạch hạn
chế tích
cực (4)

Xung điều khiển

+12 V

Hình 2.10: Sơ đồ khối bộ hạn chế công suất.

Đến bộ
khuếch đại
bán dẫn
SCT tạp
thấp (LNA)


7
Nguyên lý chuyển đổi dải thông của bộ lọc cài răng lược thành bộ lọc
răng lược: Mạch hạn chế thụ động dựa trên bộ lọc dải thông dạng cài răng lược
được thiết kế dựa trên tính chất của 2 bộ lọc nêu trên kết hợp với hiệu ứng của
điốt PIN với các mức công suất SCT lớn và bé đi qua. Khi có mức công suất
SCT lớn đi tới làm thay đổi kết cấu của bộ lọc, khi này độ dài điện của các
thanh cộng hưởng từ lg/4 trong bộ lọc cài răng lược thành lg/8 trong bộ lọc
răng lược (tần số cộng hưởng của bộ lọc tăng lên 2 lần). Kết quả là dải thông
của bộ lọc khi có mức công suất SCT lớn đi tới sẽ bị đánh lệch lên dải 2fo. Với
phương pháp này ta đã hạn chế được công suất lọt trong thời gian phát. Mặt
khác trong thời gian thu, tín hiệu thu về rất nhỏ nên đặc tuyến bộ lọc sẽ không

bị thay đổi, do đó tín hiệu thu về bị suy giảm rất ít (chính bằng tổn hao của bộ
lọc dải), như vậy sẽ không ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu.
Mạch hạn chế thụ động mắc sơn (3) có nhiệm vụ hạn chế mức công
suất lọt còn dưới 22 dBm. Mạch hạn chế tích cực (4) có điều khiển theo xung
tách sóng. Tại đầu ra mạch hạn chế thụ động cộng/ chia đôi công suất (1), thiết
kế nhánh ghép định hướng 20 dB và sử dụng năng lượng này tách sóng để tạo
xung điều khiển cho điốt điều khiển tích cực. Mạch hạn chế tích cực có nhiệm
vụ tiếp tục hạn chế xung lọt trong thời gian phát và làm việc đồng bộ với xung
kích phát nên có khả năng triệt hoàn toàn xung phát lọt sau đèn cặp nhả điện.
2.1.4. Tính toán các tham số của bộ hạn chế công suất:
Khi thiết kế bộ hạn chế công suất, quan trọng nhất là phải tính toán các
tham số của bộ lọc dải thông dạng cài răng lược. Khi tính toán thiết kế các bộ
lọc dải thông dạng cài răng lược, cần phải tiến hành theo các bước sau [42]:
- Tính toán các tham số điện;
- Từ tham số điện tính toán được, xác định tham số hình học của bộ lọc cài
răng lược.
Các công thức từ (2.7) đến (2.15) giúp ta tính toán được các tham số hình
học của bộ lọc cài răng lược.
2.2. Nâng cao độ ổn định tần số và giảm mức tạp pha của bộ dao động tại chỗ
2.2.1. Độ ổn định tần số của các bộ dao động VCO: Độ ổn định tần số là vấn đề
chủ yếu khi thiết kế các bộ dao động VCO dùng transistor. Độ ổn định tần số


8
của bộ dao động là hàm của nhiều yếu tố như: nhiệt độ, chất lượng nguồn cung
cấp, trở kháng tải, lắc cơ học, sức hút trái đất, lão hoá và tạp của bản thân linh
kiện [50]. Độ không ổn định tần số của VCO ảnh hưởng đến các tham số đặc
trưng của các thành phần khác trong hệ thống và thậm chí còn làm ảnh hưởng
cả hệ thống đầu vào. Ảnh hưởng của tạp pha bộ VCO trong máy thu làm giảm
cả SNR và độ nhạy máy thu [41]. Ổn định tần số có mấy phương pháp chính

sau [16], [35], [54], [76]. Ngoài các phương pháp ổn định tần số ở trên còn có
một số phương pháp khác [45], [72]....
2.2.2. Sự phát sinh tạp trong bộ dao động: Các hiệu ứng vật lý biến
động ngẫu nhiên xảy ra trong các mạch điện khác nhau của bộ dao động tùy
thuộc vào vị trí phổ của chúng đối với sóng mang:
+ Các thành phần tạp ở độ lệch tần số thấp dẫn đến điều chế tần số sóng
mang do trung bình bình phương biến thiên tần số tỷ lệ với công suất tạp có
trong mạch;
+ Các thành phần tạp ở độ lệch tần số cao dẫn đến điều chế pha sóng mang do
trung bình bình phương biến thiên pha tỷ lệ với công suất tạp có trong mạch.
2.2.3. Khảo sát tạp điều biên (AM) và điều pha (PM) ở đầu ra bộ dao động
dùng transistor.
Hai mô hình tạp tuyến tính quan trọng để hiểu được tạp đơn biên SSB:
Mô hình tạp pha Leeson [33] và mô hình tạp của Lee và Hajimiri [17]. Lý
thuyết tạp có thể được chia thành: tạp do điều chế và tạp do chuyển đổi.
2.2.3.1. Tạp do chuyển đổi và điều chế trong các bộ dao động.
2.2.3.2. Điều chế bởi một tín hiệu tạp
2.2.3.3. Các mô hình tạp của bộ dao động
Hiện tại, có hai mô hình khác nhau nhưng liên quan chặt chẽ với nhau
về tạp của bộ dao động. Mô hình thứ nhất do Leeson đề xuất, gọi là mô hình
của Leeson và dự đoán tạp khi sử dụng mô hình của Leeson được dựa trên tính
chất bất biến theo thời gian của bộ dao động chẳng hạn như hệ số phẩm chất
của bộ cộng hưởng Q, hệ số khuếch đại phản hồi, công suất ra và hệ số tạp.
a. Mô hình bộ dao động của Leeson: Tạp tổng cộng của mô hình Leeson được
giới thiệu gần giống với cách tính toán tạp pha của bộ dao động:


9
z ( fm ) =

2
ự
f 0 2 ự FkT
f
f
f
1ộ
1
FkT ộ 1 f 0 f c
1
) ỳ
(1 + c ) =
+ 2 ( 0 ) 2 + c + 1ỳ (2.51)
ờ 3
ờ1 + 2 (
2
2ở
f m 2QL ỷ Pavs
fm
2 Pavs ở f m 4QL
f m 2QL
fm
ỷ

Tp pha ca b VCO lỳc ny c biu din l:

ự
f 02
fc
2kTRK 02 ùỹ

FkT
ùỡ ộ
z ( f m ) = 10log ớ ờ1 +
(1
+
)
+
ý (2.52)
2 ỳ
f m 2 Pavs (1 - QL / Q0 )
f m2 ỵù
ợù ở (2 f mQL ) ỷ
Nhng nhc im ca phng trỡnh tp Leeson ó iu chnh:
+ H s tp F l giỏ tr do kinh nghim v khú tớnh toỏn do tớnh cht thay i
tuyn tớnh theo thi gian ca tp;
+ Tp pha trong vựng 1/f3 l mt biu thc thc nghim vi cỏc thụng s phự hp.
Khi cú thờm mch phõn cỏch khuch i, tp ca mch dao ng LC
c biu din l:
aR f 04 + aE [ f 0 /(2QL ) ]

2

Sf ( f m ) =

f m3

(2GFkT / P0 ) [ f 0 /(2QL ) ]

2

+

f m2

+

2aR QL f 03
a
2GFkT
+[ E +
] (2.53)
2
fm
fm
P0

Cụng thc (2.53) cho bit 4 nguyờn nhõn chớnh gõy ra tp b dao ng:
tp bin i lờn 1/f hoc tp nhp nhỏy FM; tp nhit FM; tp pha nhp nhỏy
v nn tp nhit tng ng.
b. Mụ hỡnh tp ca Lee v Hajimiri [17]
Mụ hỡnh tp th hai c xut bi Lee v Hajimiri da trờn cỏc thuc
tớnh bin thiờn theo thi gian ca dng súng hin thi b dao ng. Cỏc phng
trỡnh (2.54) v (2.55) trỡnh by tp pha i vi vựng 1/f3 v 1/f2.
Nhng nhc im trong phng trỡnh tp pha ca Lee v Hajimiri:
+ Rt khú cú c hm ISF v ph thuc vo cu trỳc ca b dao ng;
+ L hm toỏn hc nhng thiu tớnh thc t;
+ Vic chuyn i tp 1/f khụng c quy nh rừ rng.
2.2.3.4. Cỏch tip cn phi tuyn tớnh toỏn, phõn tớch tp ca cỏc b dao ng
2.2.3.5. Tp chuyn i: Tp pha PM, tp iu biờn AM v h s tng quan
PM-AM do chuyn i tn s c biu din trong s hng ca s kt hp

phộp i s n gin ca cỏc phng trỡnh t (2.68) n (2.70).
Tp PM hi th k l:
dj ck (w )

2

[

ộ [N (w ) - N (w )] - 2 Re C ã (w ) exp( j 2j ss )
-k
k ,- k
k
=ờ k
ss 2
ờ
R Ik
ở

Tp AM hi th k l:

]ựỳ
ỳ
ỷ

(2.71)


10
dAck (w )

2

[

é [N (w ) - N (w )] - 2 Re C · (w ) exp( j 2j ss )
k ,-k
k
-k
= 2ê k
ss 2
ê
R Ik
ë

]ùú
ú
û

(2.72)

Hệ số tương quan PM-AM ở hài thứ k là:
é 2 Im[Ck·, - k (w ) exp( j 2jkss )] + j[ N k (w ) - N - k (w )] ù (2.77)
CckPM - AM (w ) = dF ck (w )d Ak (w )* = - 2 ê
ú
R | I kss |2
ë
û

2.2.3.6. Tạp điều chế: Tạp pha PM, tạp biên độ AM và hệ số tương quan PMAM do điều chế tạp có thể được biểu diễn từ sự kết hợp phép đại số đơn giản của
các phương trình từ (2.78) đến (2.83). Tạp PM ở hài thứ k là:

djmk (w )

2

=

k2
[TF | J H (w ) J HÄ (w ) | TFÄ ]
2
w

(2.84)

Tạp AM ở hài thứ k là:

dAmk (w )

2

=

2
ss 2
k

|I |

Ä
[TAK | J H (w ) J HÄ (w ) | TAK

]

(2.86)

Hệ số tương quan PM-AM ở hài thứ k là:
k 2
Ä
PM - AM
Cmk
(w ) @ djk (w )d Ak (w )* =
[TF J H (w ) J HÄ (w ) TAK
] (2.89)
jw | I kss |
2.2.4. Tạp của bộ dao động với mạch PLL [36]
2.2.4.1. Giới thiệu chung về PLL: Các phần tử cơ bản của vòng khoá pha gồm
bộ tách sóng pha PD, mạch chia tần, bộ lọc thông thấp LPF (tích cực hoặc thụ
động) và một bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO). Trong PLL, hệ số
chia N được điều khiển bởi mạch điều chế S-D (SDM).
2.2.4.2. Mật độ phổ công suất tạp pha: Mật độ phổ công suất (PSD) tạp pha ở đầu
ra PLL chính là sự xếp chồng của 7 nguồn tạp đóng góp 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 CP, tạp lượng tử hóa S-D và tạp của tách sóng pha,
mỗi nguồn được nhân với hàm truyền tạp riêng. Các phương trình từ (2.93) đến
(2.126) trình bày cách phân tích và tính toán 7 nguồn tạp trên.
2.2.4.3. Phổ tạp pha PLL: Vì các nguồn tạp là không tương quan với nhau, nên
phổ tạp tương ứng phải được cộng với nhau để có được phổ tạp pha tổng cộng
ở đầu ra PLL như sau:
out
out
out

out
out
out
out
S ( f ) = S REF
( f ) + S BUF
( f ) + SVCO
( f ) + S FIL
( f ) + SCP
( f ) + SSDM
( f ) + S PD
( f ) (2.127)
out


11
Hình 2.21 và 2.22 biểu diễn phổ tạp pha của bộ tổ hợp tần số 10 GHz
với 1 và 2 vòng khóa pha [36]. Hình 2.23 so sánh phổ tạp pha của bộ tổ hợp tần

Độ lệch tần số [Hz]
Hình 2.21: Phổ tạp pha của bộ tổ
hợp tần số 10 GHz với 1 vòng
khóa pha.

Tạp pha [dBc/Hz]

Tạp pha [dBc/Hz]

Tạp pha [dBc/Hz]

số 10 GHz (giữa 1 với 2 vòng khóa pha).

Độ lệch tần số [Hz]
Độ lệch tần số [Hz]
Hình 2.22: Phổ tạp pha của bộ tổ Hình 2.23: So sánh phổ tạp pha
hợp tần số 10 GHz với 2 vòng
của bộ tổ hợp tần số 10 GHz
khóa pha.
(giữa 1 với 2 vòng khóa pha).

Kết luận chương 2:
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 được thiết kế
gồm bốn phần và làm việc theo dạng nửa tích cực nửa thụ động;
2. Có hai giải pháp kỹ thuật mới được áp dụng trong bộ hạn chế điốt PIN này là:
a) Sử dụng giải pháp tích hợp mạch hạn chế thụ động dựa trên mạch lọc dải
thông dạng cài răng lược kết hợp hiệu ứng điốt PIN. b) Sử dụng giải pháp tích
hợp mạch hạn chế tích cực được điều khiển theo kiểu giả tích cực.
3. 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. Để tối thiểu hóa mức tạp pha khi thiết kế các bộ dao động
VCO dùng transistor cần lưu ý 6 nguyên tắc sau:
a) Cần phải thiết kế sao cho mạch cộng hưởng có hệ số phẩm chất Q không tải lớn;
b) Lựa chọn linh kiện tích cực có hệ số tạp nhỏ nhất trong chế độ làm việc nguồn
dòng cao. Bằng cách này, tạp nhấp nháy tại tần số góc giảm đi. Mặt khác, công
suất đầu ra của linh kiện khoảng từ 10 dBm đến 15 dBm nên tỷ số tín/tạp lớn. Nếu
sử dụng nhiều linh kiện không tương thích nhau thì tạp pha bị ảnh hưởng;
c) Sự thay đổi về pha có thể tối thiểu hóa bằng cách sử dụng các linh kiện có

trở kháng cao, trong đó tỷ số tín /tạp (hoặc điện áp tín hiệu/ điện áp tạp) cao;
d) Lựa chọn linh kiện tích cực có tạp nhấp nháy thấp. Tác động của tạp nhấp
nháy có thể giảm bằng cách sử dụng mạch phản hồi RF. Việc chọn điểm thiên
áp phù hợp cho linh kiện tích cực là quan trọng và cần thận trọng để tránh điều


12
chế ở tụ điện tại đầu vào và đầu ra của linh kiện tích cực, điều này sẽ gây ra
biến đổi tạp biên độ thành tạp pha và do đó sinh ra tạp;
e) Năng lượng có thể ghép từ mạch cộng hưởng cách xa linh kiện tích cực cho
nên mạch cộng hưởng giới hạn dải thông bởi vì mạch cộng hưởng như là một
mạch lọc;
f) Cuối cùng, kết hợp giữa mạch cộng hưởng phù hợp và thiên áp một chiều là
quan trọng.
4. 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.
5. Qua 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).
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1. Bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu đài ra đa
3.1.1. Đánh giá công suất lọt sau đèn cặp nhả điện trên đài ra đa
Biên độ xung lọt đỉnh đo được (sau suy giảm đồng trục 50 dB) là 3,5 V.
Công suất lọt trung bình đo được trong trường hợp này là 300 mW. Do đó, với
công suất lọt trung bình cực đại 1000 mW, biên độ xung lọt đỉnh là 11,67 V.

Biên độ xung lọt đỉnh sau đèn cặp nhả điện là: 11,67 V x 102,5 = 3,69 kV. Như
đã đề cập ở trên, bộ khuếch đại tạp thấp chỉ chịu được mức công suất cực đại £
20 mW (+13 dBm). Bộ khuếch đại tạp thấp làm việc ổn định trong vùng tuyến
tính với mức công suất đầu vào khoảng 0 dBm (tương đương 224 mV). Như
vậy, để hạn chế đỉnh xung từ 3,69 kV xuống mức 224 mV, bộ hạn chế công suất
phải có mức hạn chế đạt 84,4 dB.
3.1.2. Mô phỏng bộ hạn chế công suất bằng phần mềm thiết kế mạch siêu
cao tần ADS: Kết quả mô phỏng khi không có công suất lớn đi đến bộ hạn chế
công suất (chế độ thu) cho ta đặc tuyến như hình 3.6a (ta thấy tổn hao đi qua
nhỏ hơn 1 dB) và khi có công suất lớn đi đến bộ hạn chế công suất (chế độ
phát) cho ta đặc tuyến như hình 3.6b (ta thấy mức hạn chế đạt < -91 dB).


13

a. Khi không có công suất lớn (chế độ thu)

b. Khi có công suất lớn (chế độ phát)

Hình 3.6: Kết quả mô phỏng bộ hạn chế công suất.
3.1.3. Kết quả đo thực tế
3.1.3.1. Đo trong Phòng thí nghiệm: Kết quả đo tổn hao đi qua như hình 3.7. Kết
quả đo tổn hao đi qua của bộ hạn chế công suất cho ta thấy:
+ Đặc tuyến của bộ hạn chế có hình
dạng bộ lọc dải thông, chính là đặc
tuyến của mạch hạn chế thụ động dựa
trên bộ lọc dải thông dạng cài răng
lược. Mức cắt ngoài dải làm việc của
bộ hạn chế đạt -20 dB tại 2 tần số biên
2,2 GHz và 3,5 GHz.

+ Tổn hao đi qua trong dải tần làm
việc của bộ hạn chế từ (1,5 ¸ 2,2) dB.

Hình 3.7: Kết quả đo tổn hao đi qua.

Mức tổn hao này có thể bù bằng cách dùng kết hợp với bộ khuếch đại tạp thấp
có hệ số khuếch đại cao (> 25 dB), do đó không làm giảm độ nhạy của máy
thu đài ra đa.
Phương pháp đo đánh giá mức hạn chế của từng tầng: Khi muốn kiểm
tra mức hạn chế của tầng nào thì ta tháo điốt PIN ra và thay thế bằng điện trở
(1 ¸ 2) W (tùy thuộc vào điện trở điốt PIN khi được cấp thiên áp), sau đó đo
kiểm tra đặc tuyến truyền qua của bộ hạn chế.
Thời gian khôi phục độ nhạy máy thu của bộ hạn chế công suất:
- Tín hiệu SCT được trích một phần qua bộ ghép định hướng 20 dB, qua bộ
tách sóng để tạo xung điều khiển cho điốt điều khiển tích cực. Nhờ vậy thời
gian khôi phục độ nhạy máy thu giảm chỉ còn < 10 ns (chính là thời gian phục
hồi của điốt PIN điều khiển tích cực HP5082-3041 [77]) so với sườn sau của
xung kích phát (hình 3.11);


14
- Với các giải pháp trước đây khi sử dụng mạch tạo xung điều khiển bằng xung
kích phát của đài, thời gian khôi phục độ nhạy máy thu là (3 ÷ 7) µs so với
sườn sau của xung kích phát (hình 3.12).
Như vậy, thời gian khôi phục độ nhạy máy thu khi sử dụng bộ hạn chế công
suất này nhanh hơn nhiều so với phương án dùng xung kích phát của đài ra đa.

(3 ¸7) ms

Hình 3.11: So sánh xung đầu vào bộ hạn

chế (màu xanh) và xung điều khiển điốt
được tạo ra từ mạch tách sóng (màu tím).

Hình 3.12: So sánh xung đầu vào bộ hạn
chế (màu xanh) và xung điều khiển điốt
được tạo ra từ xung kích phát (màu tím).

Về ảnh hưởng tính phi tuyến của điốt PIN đến các tham số của máy thu
ra đa: Takavar Ghahri Saremi [66] đã khảo sát tính phi tuyến của chuyển
mạch hạn chế điốt PIN và đưa ra kết quả các hài bậc 2 và bậc 3 bị suy giảm đi
rất nhiều và tính phi tuyến của điốt PIN không ảnh hưởng gì đến các tham số
của máy thu ra đa.
3.1.3.2. Đo khi làm việc trên đài ra đa
· Bước 1: Đo công suất lọt ngay sau đèn cặp nhả điện. Kết quả đo được: 84 dBm.
Tính toán mức hạn chế của bộ hạn chế theo kết quả mô phỏng bằng
phần mềm ADS: Mức hạn chế tầng 1: 20,7 dB Þ Công suất lọt còn lại sau
tầng 1 là: 84 - 20,7 = 63,3 dBm; Mức hạn chế tầng 2: 30,3 dB Þ Công suất
lọt còn lại sau tầng 2 là: 63,3 - 30,3 = 33 dBm; Với mức công suất đầu vào
tầng 3 là 33 dBm thì mức công suất lọt còn lại của điốt PIN MLP7100 tầng 3
là 18 dBm Þ Mức hạn chế của tầng 3 là: 33 - 18 = 15 dB; Mức hạn chế tầng
4: 25,3 dB Þ Công suất lọt còn lại sau tầng 4 (đầu ra của bộ hạn chế công
suất) là: 18 - 25,3 = -7,3 dBm.
· Bước 2: Đo công suất lọt còn lại sau khi đi qua bộ hạn chế công suất. Kết
quả đo được: -8,5 dBm.


15
Từ các kết quả tính toán, mô phỏng và đo đạc, ta có thể lập được bảng
mức hạn chế của từng tầng (bảng 3.2) và đồ thị so sánh giữa 3 phương pháp
(hình 3.14).

Bảng 3.2: Mức hạn chế (dB) theo 3 phương pháp.
T
T
01
02
03
04

Tại tầng
1
2
3
4
S=

Tính toán theo (2.6)
(I)
22,6
28,3
15
25
90,9

Mô phỏng
(II)
20,7
30,3
15
25,3
91,3

Kết quả đo
(III)
23
30,1
15
25,1
93,2

Tính trung bình
(IV)
22,1
29,56667
15
25,13333
91,8

Đo đánh giá độ nhạy:
Mức hạn chế của các tầng điốt

thu đài ra đa cảnh giới dẫn đường
sóng centimét: £ -85 dB/10 mW
(hoặc -105 dBm/1 mW);
- Độ nhạy của máy thu khi lắp đèn
sóng chạy UV-99: -105 dBm/1 mW;

Mức hạn chế (dB)

- Chỉ tiêu kỹ thuật độ nhạy của máy

32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14

(I)
(II)
(III)
(IV)

1

2

Tầng

3

4

Hình 3.14: Đồ thị so sánh giữa 3 phương pháp.

- Độ nhạy của máy thu khi lắp bộ hạn chế công suất kết hợp với bộ khuếch đại
tạp thấp: -113 dBm/1 mW. Độ nhạy của máy thu đã tăng lên 8 dB.
3.2. Bộ dao động sử dụng một vòng khóa pha.
3.2.1. Chức năng của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất: Bộ dao động
SCT tạo ra dao động SCT có tần số (16,0 ¸16,4) GHz, năng lượng SCT được đưa
đến các bộ trộn tín hiệu, trộn AFC của đài ra đa trinh sát mặt đất.
3.2.2. Nguyên lý làm việc của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất:
Bộ dao động VCO đài ra đa trinh sát mặt đất gồm một bộ dao động
chuẩn HMC391LP4 [81] có tần số dao động từ (3,9 ¸4,45) GHz, việc ổn định
tần số dao động ở 4 GHz được thực hiện bằng mạch PLL. Sau đó tần số dao
động này được nhân tần bằng
bộ nhân 4 HMC370LP4 [80],
cuối cùng để có mức công suất
đầu ra >10 dBm, sử dụng bán
dẫn khuếch đại HMC516LC5

Hình 3.15: Sơ đồ khối của bộ dao động VCO.

[82]. Sơ đồ khối của bộ VCO trình bày trên hình 3.15.


16
3.2.3. Kết quả đo thực tế

3.2.3.1. Đo, đánh giá phổ dao động: Tần số dao động của bộ VCO có thể điều
hưởng bằng điện từ 16,0 GHz đến 16,4 GHz với điện áp của điốt varactor thay
đổi từ 1,0 V đến 2,0 V.
3.2.3.2. Đo, đánh giá tạp pha: Kết quả đo tạp pha của máy thu đài ra đa trinh
sát mặt đất dùng bộ VCO khi có và không có mạch PLL như hình 3.19. Bảng
3.5 thống kê tạp pha của máy thu dùng bộ VCO khi có và không có mạch PLL
tại tần số 16,27 GHz (trung tần 30 MHz).

a. Khi không có mạch PLL

b. Khi có mạch PLL

Hình 3.19: Kết quả đo tạp pha máy thu dùng bộ VCO khi không có (a)
và khi có mạch PLL (b).
Bảng 3.5: Tạp pha máy thu tại tần số 16,27 GHz.
Độ lệch tần số
100 Hz 1 kHz
Khi không có mạch PLL (dBc/Hz) -45
-47
Khi có mạch PLL (dBc/Hz)
-110
-115

10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz
-51
-80
-105
-122
-119
-135

-138
-139

3.2.3.3. Đo, đánh giá độ ổn định tần số: Với hệ thống đo trong Phòng thí
nghiệm, ta có thể dễ dàng khảo sát sự biến thiên của tần số dao động theo thời
gian. Thông qua card giao diện vào/ ra Agilent 82357A, tần số dao động của
bộ VCO được đưa vào máy tính với tần suất lấy mẫu 10 phút/ mẫu (giá trị này
có thể thay đổi theo yêu cầu). Các số liệu này cho ta lập được bảng khảo sát
tần số của bộ VCO theo thời gian (bảng 3.6).
Căn cứ vào kết quả bảng 3.6 ta biểu diễn đồ thị độ ổn định tần số của bộ
VCO khi có sử dụng PLL và khi không sử dụng PLL như hình 3.21.


17
Bảng 3.6: Khảo sát tần số của bộ VCO theo thời gian
t (phút)

10

20

30

40

50

fVCO (GHz)

16,242150

16,242112

16,242104

16,242180

16,242251

16,242235

60

fVCO+PLL(GHz)

16,242150

16,242152

16,242145

16,242142

16,242148

16,242175

t (phút)

70

80

90

100

110

fVCO (GHz)

16,242180

16,242120

16,242053

16,242164

16,242158

16,242232

120

fVCO+PLL(GHz)

16,242152

16,242153

16,242150

16,242145

16,242148

16,242167

t (phút)

130

140

150

160

170

fVCO (GHz)

16,242191

16,242142

16,242207

16,242250

16,242241

16,242124

fVCO+PLL(GHz)

16,242151

16,242150

16,242147

16,242152

16,242153

16,242149

180

Căn cứ vào kết quả đo đặc
tuyến tần số và công suất ra của bộ
dao động VCO theo sự biến đổi
điện áp của điốt Varactor, ta có
nhận xét sau:
+ Tần số dao động của bộ VCO có
thể điều hưởng bằng điện từ 16,0
GHz đến 16,4 GHz trong khoảng Hình 3.21: Độ ổn định tần số của bộ VCO
khi có sử dụng PLL (màu tím) và khi

biến thiên điện áp của điốt varactor
không sử dụng PLL (màu xanh).
từ 1,0 V đến 2,0 V, khoảng tần số
này tương ứng với dải tần làm việc của đài ra đa trinh sát mặt đất;
+ Giá trị công suất của VCO đạt được > 12,2 dBm (16,5 mW) (yêu cầu công
suất đến điốt trộn > 2 mW);
+ Độ ổn định tần số của bộ dao động VCO khi không có mạch PLL là 1,22.105
và khi có mạch PLL là 0,677.10-6. Độ ổn định tần số của bộ dao động VCO
tăng lên 18 lần khi có mạch PLL;
+ Tạp pha của bộ VCO khi sử dụng mạch PLL giảm đáng kể, tại tần số cách
tần số sóng mang khoảng 100 Hz tạp pha giảm tới 59 dBc/ Hz, điều này hoàn
toàn phù hợp với các cơ sở lý thuyết và các phương pháp nâng cao độ ổn định
các bộ VCO mà luận án đã đưa ra;
+ Tạp pha máy thu đài ra đa trinh sát mặt đất dùng bộ VCO khi có mạch PLL
giảm đi rất nhiều. So sánh 2 trường hợp ta nhận thấy, tại tần số cách tần số tín
hiệu khoảng 100 Hz tạp pha máy thu giảm tới 65 dBc/ Hz.
3.3. Bộ dao động sử dụng nhiều vòng khóa pha
16242300

16242250

16242200

16242150

16242100

16242050

16242000

1

[kHz]

2

3

4

5

6

7

8

f(VCO)

9

10

11

f(VCO+PLL)

12

13

14

15

16

17

[x10 phút]

18


18
3.3.1. Chức năng của bộ dao động LO1 và LO2: Bộ dao động LO1 tạo ra các
dao động có độ ổn định tần số cao và có biên độ chuẩn 1 V ở dải tần (57,75 ¸
92,75) MHz, qua bộ chia công suất, dao động này được đưa đến bộ trộn tầng
thứ nhất của các máy thu và bộ kích thích. Bộ dao động LO2 tạo ra dao động
có tần số cố định 22,6 MHz có độ ổn định cao và có biên độ chuẩn 1 V, qua bộ
chia công suất, dao động này được đưa đến bộ trộn tầng thứ hai của các máy
thu và bộ kích thích.
3.3.2. Nguyên lý làm việc của bộ dao động LO1 và LO2
Hình 3.22 vẽ sơ
đồ khối của bộ tổ hợp
tần số dao động tại chỗ.
Nó bao gồm 5 vòng
khóa pha: 1 vòng khóa

pha của bộ tạo tín hiệu
chuẩn thạch anh, 3
vòng khóa pha của bộ
dao động ngoại sai LO1
và 1 vòng khóa pha của
Hình 3.22: Sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số
bộ dao động ngoại sai LO2.
dao động tại chỗ.
Bộ tạo tín hiệu chuẩn thạch
anh tạp thấp được đồng bộ với nó và vòng lặp này được gọi là vòng lặp tham
chiếu. Khi nhận được lệnh tần số từ bộ vi xử lý, trước tiên vòng lặp ngoài được
khóa pha. Nó cung cấp tín hiệu trộn xuống cho vòng lặp chính. Sau đó vòng
lặp tiền điều hưởng điều chỉnh thô đến tần số LO1-1 của vòng lặp chính. Trong
vòng lặp chính có một bộ trộn tần số, tín hiệu RF đi từ vòng lặp ngoài, tín hiệu
nội đi ra từ vòng lặp tiền điều hưởng. Các vòng lặp chính và tiền điều hưởng có
cấu hình chủ- tớ, sau chu trình tiền điều hưởng (điều hưởng thô) vòng lặp tiền
điều hưởng chuyển sang trạng thái thứ 2 (nghỉ) và bộ tách sóng pha của vòng
lặp chính được khóa với tín hiệu trung tần. Bộ chuyển mạch sẽ thay đổi hằng
số thời gian của bộ lọc vòng lặp và khóa kết thúc chu trình. Sơ đồ chi tiết của
bộ dao động ngoại sai LO1 và LO2 được trình bày ở hình 3.23.
3.3.3. Máy thu đài ra đa băng tần VHF: Máy thu được thiết kế chế tạo gồm
các khối chính: 4 kênh thu độc lập được thiết kế chế tạo giống nhau; khối dao
động ngoại sai LO1 và LO2; khối kích thích; khối tạo, điều khiển và tạo xung
phát xạ. Hình 3.26 là sơ đồ khối một kênh thu đài ra đa băng tần VHF.


19

Hình 3.23: Sơ đồ chi tiết của bộ dao động ngoại sai LO1 và LO2.

20

Hình 3.26: Sơ đồ khối một kênh thu đài ra đa băng tần VHF.
3.3.4. Kết quả đo thực tế
Máy thu 4 kênh được chế tạo cho đài ra đa băng tần VHF đã được đo
thử nghiệm trong Phòng thí nghiệm Ra đa. Tham số kỹ thuật đo được của
máy thu như ở bảng 3.9. Hình 3.27a, b trình bày kết quả đo tạp pha của máy
thu ở tần số 35 MHz và 70 MHz. Bảng 3.10 thống kê tạp pha máy thu tại tần
số 35 MHz và 70 MHz.
Bảng 3.9: Tham số kỹ thuật đo được của máy thu đài ra đa băng tần VHF.
Tên tham số kỹ thuật
1. Số máy thu
2. Dải tần làm việc
3. Hệ số tạp của máy thu
4. Dải thông mỗi máy thu
5. Dải động của máy thu
6. Hệ số vuông góc của bộ lọc trung tần
7. Trộn tần 2 cấp

Đo được
4
(35 ¸ 70) MHz
4,8 dB
50 kHz
76 dB
1:3 @ -6dB: suy giảm -60 dB
IF1: 22,75 MHz; IF2: 150 kHz

8. Hệ số khuếch đại toàn tuyến

9. Điều khiển hệ số khuếch đại (bằng phương pháp số)

85 dB
0-6-12-18 dB trong tuyến RF
0-3-6-9 dB trong tuyến IF
90 dB
86 dB
+30,5 dBm
10 kHz
1 ms
-122 dBc/Hz@ 1 kHz,
-127 dBc/Hz@ 10 kHz,
-135 dBc/Hz@ 100 kHz,
-151 dBc/Hz@ 1 MHz

10. Độ phân cách giữa các máy thu
11. Nén tần số ảnh
12. Đầu ra IP3
13. Khoảng điều chỉnh rời rạc theo tần số
14. Thời gian điều chỉnh đến 1 tần số làm việc cho trước
15. Tạp pha của máy thu


21

a. Tại tần số RF = 35 MHz

b. Tại tần số RF = 70 MHz

Hình 3.27: Kết quả đo tạp pha máy thu đài ra đa băng tần VHF.

Bảng 3.10: Tạp pha máy thu đài ra đa băng tần VHF.
Độ lệch tần số
Tạp pha tại tần số RF = 35 MHz (dBc/Hz)
Tạp pha tại tần số RF = 70 MHz (dBc/Hz)

100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz
-118 -125
-125
-135
-115 -120
-120
-135

1 MHz
-152
-152

Kết quả đo tạp pha máy thu cho ta thấy: Tạp pha máy thu tại 2 tần số
đầu và cuối là giống nhau; Tạp pha máy thu đạt được mức -152 dBc/Hz ở tần
số cách tần số sóng mang 1 MHz.

a. Ảnh chụp bên trong bộ hạn chế công suất. b. Ảnh chụp bộ VCO đài ra đa trinh sát mặt đất.

c. Ảnh chụp bộ dao động ngoại sai LO1
của đài ra đa băng tần VHF.

d. Ảnh chụp bộ dao động ngoại sai LO2 của
đài ra đa băng tần VHF.

Hình 3.28: Ảnh chụp các môđun siêu cao tần.

22
Kết luận chương 3: Trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm sau:
1. Bộ hạn chế công suất điốt PIN: Bộ hạn chế công suất và bộ LNA này được
thiết kế chế tạo để thay thế đèn sóng chạy UV-99 trong máy thu đài ra đa
nhằm nâng cao độ nhạy máy thu. Mức hạn chế của bộ hạn chế công suất điốt
PIN đã được xác định bằng 3 phương pháp: tính toán lý thuyết, mô phỏng
bằng phần mềm ADS và đo đạc thực tế trên đài ra đa. Kết quả của cả 3
phương pháp là tương đối giống nhau. Với phương án tính toán thiết kế, bộ
hạn chế công suất này có các ưu điểm nổi bật: thời gian khôi phục độ nhạy
máy thu giảm chỉ còn < 10 ns; mức hạn chế đạt > 90 dB và hoàn toàn thích
nghi với mức công suất lọt ở đầu vào máy thu;
2. Bộ dao động VCO kết hợp kỹ thuật PLL làm việc ở dải tần 16 GHz nhằm
nâng cao độ ổn định tần số và chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa: Độ ổn
định tần số của bộ dao động VCO tăng lên 18 lần khi có mạch PLL; tạp pha
máy thu giảm tới 65 dBc/ Hz tại tần số cách tần số tín hiệu khoảng 100 Hz;
3. 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.
Các kết quả đo đạc và số liệu thực nghiệm cho thấy khả năng ứng
dụng của luận án vào thực tế là rất tốt, ta có thể làm chủ được khi thiết kế chế
tạo các bộ hạn chế công suất điốt PIN, các bộ dao động VCO kết hợp với
mạch PLL sử dụng trong tuyến thu nhằm nâng cao chất lượng thu tín hiệu
trong đài ra đa. Điều này khẳng định sự đúng đắn của các nội dung nghiên
cứu mà NCS đã thực hiện.
KẾT LUẬN
A. Những kết quả chính 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. 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 công suất có độ suy hao tổng cộng > 90 dB với mức tín


23
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 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;
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 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.