Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âmthấp (LNA) băng tần s dùng cho radar cảnh giới dẫn đường p37

TRẦN MẠNH LINH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ
KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP
(LNA) BĂNG TẦN S DÙNG CHO RADAR CẢNH
GIỚI DẪN ĐƯỜNG P37

-

– 2015


TRẦN MẠNH LINH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ
KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP
(LNA) BĂNG TẦN S DÙNG CHO RADAR CẢNH
GIỚI DẪN ĐƯỜNG P37
: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên

: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60520203

-

NG

: PGS.TS. BẠCH GIA DƯƠNG

– 2015


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:
Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi,
đƣợc thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dƣới sự hƣớng dẫn của
PGS.TS Bạch Gia Dƣơng.
Các số liệu, kết luận của luận văn là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu những
mô hình, thành quả đã đạt đƣợc của các nƣớc trên thế giới và trải nghiệm của bản thân,
chƣa từng đƣợc công bố dƣới bất kỳ hình thức nào trƣớc khi trình, bảo vệ trƣớc “Hội
đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật”.
Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết.

Hà nội, Ngày 21 tháng 05 năm 2015
Người cam đoan

Trần Mạnh Linh

1


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bạch Gia Dƣơng, thầy đã tận tình giúp đỡ,
chỉ bảo hƣớng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị trung tâm nghiên cứu
điện tử viễn thông – Khoa điện tử viễn thông Trƣờng Đại học Công Nghệ đã giúp đỡ
em trong quá trình thực hiện luận văn này.
Mặc dù có nhiều cố gắng, nhƣng vì thời gian có hạn và vốn kiến thức còn rất

hạn chế nên công trình còn nhiều thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận đƣợc sự đóng
góp, chỉ bảo của các thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!

2


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

1

LỜI CẢM ƠN

2

LỜI MỞ ĐẦU

8

1. Lý do chọn đề tài

8

2. Mục tiêu của đề tài

10

3. Phƣơng pháp nghiên cứu

10

4. Nội dung nghiên cứu

10

4.1 Nghiên cứu lý thuyết

10

4.2 Thiết kế hệ thống

10

5. Kết cấu luận văn

11

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ RADAR CẢNH GIỚI DẪN ĐƢỜNG
P37

12

1.1 Giới thiệu

12

1.2 Các thông số kỹ thuật đài Radar P37 cải tiến

13

1.3 Sơ đồ chức năng Radar P37 cải tiến xử lý tín hiệu radar

13

1.4 Sơ đồ khối bộ khuyếch đại tạp âm thấp LNA trong máy thu Radar
P37

16

1.5 Sử dụng PIN Diode hạn chế công suất lọt bảo vệ LNA cho tuyến
thu radar P37

18

CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN

21

2.1 Giới thiệu chung

21

2.2 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần

22

2.2.1 Các loại đƣờng truyền

22

2.2.2 Phƣơng trình truyền sóng

23

2.2.3 Hệ số phản xạ

25

2.2.4 Hệ số sóng đứng

25

2.2.5 Giãn đồ Smith

26

2.3 Phối hợp trở kháng

28

2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung
3

29


2.3.2 Phối hợp trở kháng dải hẹp bằng những đoạn dây dẫn sóng
mắc liên tiếp

2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm

30
32

CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUYẾCH ĐẠI SIÊU CAO
TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) BĂNG TẦN S DÙNG CHO RADAR
CẢNH GIỚI DẪN ĐƢỜNG P37

36

3.1 Yêu cầu thiết kế

36

3.1.1 Phƣơng pháp phối hợp trở kháng

36

3.1.2 Tính toán mô phỏng và thiết kế

36

3.2 Thực nghiệm

43

3.2.1 Chế tạo mạch Layout

43

3.2.2 Đo kiểm các thông số S và đánh giá kết quả thu đƣợc

45

KẾT LUẬN

53

TÀI LIỆU THAM KHẢO

55

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG
Hình 1.1

Một số hình ảnh về Radar P37

Hình 1.2

Sơ đồ chức năng xử lý tín hiệu Radar P37

Hình 1.3

Hình một kênh máy phát

Hình 1.4

Hình một kênh máy thu

Hình 1.5

Các khối điều chỉnh phát và một kênh thu Radar P37

Hình 1.6

Sơ đồ khối bộ khuyếch đại tạp âm thấp LNA trong máy thu Radar
P37

Hình 1.7

Hình ảnh thực tế khối LNA bán dẫn tích hợp khối bảo vệ máy thu
Radar P37

Hình 1.8

Cấ u ta ̣o PIN diode

Hình 1.9

Mạch mô phỏng tƣơng đƣơng các trạng thái đóng, ngắ t của PIN diode

Hình 1.10

Phân cực chuyển mạch cho PIN diode

Hình 1.11

Bảo vệ thụ động dùng PIN Diode

Hình 2.1

Phổ tần số của sóng điện từ

Hình 2.2

Các dạng đƣờng truyền sóng

Hình 2.3

Biểu diễn mạch tƣơng đƣơng của một đoạn đƣờng truyền sóng siêu
cao tần

Hình 2.4

Giãn đồ Smith chuẩn

Hình 2.5

Sơ đồ phối hợp trở kháng

Hình 2.6

Mạch phối hợp trở kháng hình L

Hình 2.7

Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây λ\4

Hình 2.8

Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ

5


Hình 2.9

Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp

Hình 2.10

Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây chêm

Hình 2.11

Biểu diễn trên đồ thị Smith

Hình 2.12

Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đôi

Hình 3.1

Layout của Transistor SPF-2086

Hình 3.2

Hệ số khuếch đại của Transistor SPF-2086

Hình 3.3

Bảng tham số S-Parameter của Trans SPF-2086

Hình 3.4

Biểu diễn

Hình 3.5

Sơ đồ mạch khuếch đại

Hình 3.6

Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối vào

Hình 3.7

Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào

Hình 3.8

Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối ra

Hình 3.9

Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào

Hình 3.10

,

trên ADS

Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA băng S hoàn
chỉnh

Hình 3.11

Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA băng S

Hình 3.12

Công cụ LineCalc

Hình 3.13

Layout của mạch khuếch đại LNA băng S

Hình 3.14

Mạch thực tế của bộ khuếch đại LNA băng S

Hình 3.15

Sơ đồ đo dùng máy phân tích phổ RONDE&SCHWARZ

Hình 3.16
Hình 3.17

Mạch

lắp

ráp

và

đo

thử

nghiệm

máy

RONDE&SCHWARZ
Kết quả đo sử dụng máy phân tích phổ tại 2.9 GHz

6

phân

tích

phổ

Hình 3.18

Kết quả đo sử dụng máy phân tích phổ tại 3 GHz

Hình 3.19

Sơ đồ đo dùng máy phân tích mạng Advantest R3765CG

Hình 3.20

Mạch lắp ráp và đo thử nghiệm máy phân mạng Advantest R3765CG

Hình 3.21

Kết quả đo sử dụng máy phân tích mạng tại 2,9 GHz

Hình 3.22

Kết quả đo sử dụng máy phân tích mạng tại 3 GHz

Hình 3.23

Kết quả đo sử dụng máy phân tích mạng tại 3,1 GHz

7


LỜI MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong Chiến tranh Việt Nam, hệ thống Radar P37 của Việt Nam đƣợc trang bị
khá hiện đại cùng với các loại khí tài có nguồn gốc từ Liên Xô. Hệ thống radar
cảnh giới và dẫn đƣờng cho không quân kết hợp với hệ thống tên lửa phòng không
và không quân tiêm kích. Tuy bị hơn hẳn về kinh nghiệm và chiến thuật, nhƣng
binh chủng Radar nói riêng và các đơn vị phòng không -không quân đã chiến đấu
khá sáng tạo, vô hiệu hóa đƣợc các thủ thuật chiến tranh điện tử và chống trả quyết
liệt với Không quân và Hải quân Hoa Kỳ. Hệ thống Radar cảnh giới đã đƣợc phân
bố dọc bờ biển miền bắc và phủ sóng các tầm trung và tầm thấp, cũng nhƣ đƣợc
trang bị cho các trạm cảnh giới đồng bộ cho các trạm điều khiển hỏa lực và hoạt
động thƣờng xuyên 24/24, phủ sóng gần nhƣ toàn bộ miền Bắc lúc bấy giờ.
Hiện nay, các radar cảnh giới trên không đƣợc phối hợp tác chiến cùng lực
lƣợng phòng không-không quân, còn các radar cảnh giới bờ biển thì phối hợp với
binh chủng tên lửa-pháo bờ biển. Radar P37 đóng vai trò quan trọng trong việc
cảnh giới tầm trung và hỗ trợ cảnh giới tầm thấp, đồng thời làm nhiệm vụ dẫn
đƣờng cho không quân tấn công các mục tiêu bay cũng nhƣ hỗ trợ điều phối hạ
cánh tại các sân bay. Radar hỗ trợ tích cực cho bảo vệ miền bắc suốt 12 ngày đêm
cuối năm 1972 trong Chiến dịch Điện Biên Phủ trên không. Còn rất nhiều chiến
công khác có sự đóng góp không nhỏ của Radar cảnh giới dẫn đƣờng trong suốt
chiến tranh Việt Nam.
Từ phân tích trên ta thấy đƣợc tầm quan trọng của Radar cảnh giới dẫn đƣờng
P37. Tuy nhiên radar P37 đƣợc Liên xô cũ trang bị đã xuống cấp đồng bộ. Trong
đó tuyến thu siêu cao tần băng S gây ảnh hƣởng trực tiếp tới khả năng phát hiện
mục tiêu do suy giảm độ nhạy. Tuyến thu siêu cao tần Radar P37 làm việc ở dải
sóng centimet ( băng tần S với tần số từ 2.9GHz tới 3.1 GHz). Tầng khuếch đại
siêu cao tần tạp âm thấp sử dụng đèn sóng chạy để đảm bảo giảm tạp âm cho tuyến
thu và cung cấp hệ số khuếch đại lớn (G ≥ 28 dB với hệ số tạp NF ≤ 2 dB). Ngoài
ra bộ khuếch đại dùng đèn sóng chạy có tính năng đặc biệt là khi tín hiệu vào lớn
thì đèn sóng chạy có tính năng nhƣ một bộ suy giảm, nén tín hiệu 40dB tính năng
8

này rất quan trọng để bảo vệ máy thu bán dẫn. Đối với radar tín hiệu phát và thu
đều sử dụng một anten qua chuyển mạch thu – phát. Chuyển mạch thu phát đóng
máy thu và dẫn tín hiệu phát công suất lớn ra anten. Khi thu chuyển mạch thu phát
đóng máy phát và nối anten tới đầu vào bộ khuếch đại tạp âm thấp của máy thu.
Tuy nhiên do chuyển mạch thu phát trong chế độ phát công suất lớn không đóng
kín lý tƣởng nên công suất phát lọt vào máy thu khá lớn. Nếu sử dụng đèn sóng
chạy hoàn toàn không ảnh hƣởng. Hiện nay để duy trì các đài radar P37 thế hệ cũ
nhƣng vẫn đóng vai trò chủ công trong hệ thống cảnh giới dẫn đƣờng, công tác
đảm bảo vật tƣ thay thế là một nhiệm vụ quan trọng. Các đèn sóng chạy đƣợc thay
thế bằng các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA). Các bộ LNA bán dẫn với công
nghệ CMOS hoàn toàn đáp ứng về hệ số khuếch đại, ƣu việt về hệ số tạp âm thấp
(NF), có dải động cao. Tuy nhiên đèn bán dẫn cần bổ sung khả năng bảo vệ xung
lọt từ máy phát sang máy thu. Để sử dụng đèn bán dẫn trong bộ LNA cần lắp thêm
bộ hạn chế công suất lọt giữa chuyển mạch anten và LNA.
Sơ đồ chức năng cho LNA thay thế đèn sóng chạy đƣợc mô tả nhƣ sau:

Triển khai nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ LNA kết hợp với bộ hạn chế công
suất lọt, bảo vệ là nội dung nhằm thay thế đèn sóng chạy là nội dung có ý nghĩa
khoa học và thực tiễn cao.

9


Luận văn tập trung nghiên cứu với đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ
khuyếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) băng tần S dùng cho radar cảnh giới
dẫn đường P37”

2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Vận dụng các kiến thức về kỹ thuật phối hợp trở kháng, các giải pháp kỹ thuật

nhằm hạn chế tạp âm, lựa chọn linh kiện với công nghệ CMOS có hệ số tạp âm
thấp trong băng tần S để thiết kế chế tạo bộ khuyếch đại tạp âm thấp siêu cao tần
dùng trong máy thu radar. Với Radar P37, dải tần hoạt động là 2,9 – 3,1 GHz. Có
nhiều phƣơng pháp phối hợp trở kháng khác nhau, thông qua mô phỏng , triển khai
thực nghiệm và tối ƣu hóa để tìm ra phƣơng pháp tốt nhất.

3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để thực hiện chuyên đề trên, phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng gồm:
 Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phƣơng pháp phân tích và tổng
hợp lý thuyết, cập nhật và xử lý tài liệu liên quan về thiết kế mạch điện siêu
cao tần, nghiên cứu phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS 2009.
 Phƣơng pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện mô phỏng trên
phần mềm chuyên dụng ADS, sau khi đạt chỉ tiêu kỹ thuật sẽ tiến hành chế
tạo thử nghiệm mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng S.
 Triển khai thực nghiệm để tìm kiểm chứng kết quả thiết kế mô phỏng bộ
khuếch đại tạp âm thấp đã chế tạo và trên cơ sở đó hoàn thiện thiết kế bộ
khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng S dùng cho radar cảnh giới dẫn đƣờng
P37 với các thông số hệ số khuếch đại (Gain), hệ số tạp NF, tìm các giải
pháp phối hợp trở kháng tốt hơn để giảm tạp âm với bộ khuếch đại dải rộng.

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
4.1 Nghiên cứu lý thuyết
-

Nghiên cứu về cấu trúc tuyến thu và kỹ thuật sử dụng trong Radar P37

-

Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng trong kỹ thuật siêu cao tần

-

Nghiên cứu phần mềm mô phỏng ADS và transistor SPF 2086

4.2 Thiết kế hệ thống
-

Thiết kế và mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng S
10


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Bạch Gia Dƣơng, Trƣờng Vũ Bằng Giang, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB
ĐHQGHN
[2] Kiều Khắc Lâu, Cơ Sở Kỹ Thuật Siêu Cao Tần, NXB Giáo Dục
Tiếng Anh
[1] David M.Pozar, RFID AT ULTRA AND SUPER HIGH FREQUENCIES,
Roderick Riesco, MA, Member of the Institute of Translation and Interpre ting,
UK
[2] Merrill I.Skolnik, RADAR HANDBOOK, Mc Graw Hill.
[3] W. Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc.
[4] David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc.

11