Thiết kế, chế tạo, thử nghiệm phân hệ cao tần trong hệ thống thu của ra đa xung dải VHF

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ......................................................................8
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................10
1.

Lý do chọn đề tài .........................................................................................10

2.

Lịch sử nghiên cứu ......................................................................................10

3.

Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng và phạm vi của đề tài ..............................11

4.

Tóm tắt luận văn ..........................................................................................11

5.

Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................12

CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT RA ĐA ............................................................13
1.

Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống Ra đa ..........................................................13

2.

Phân loại Ra đa ............................................................................................14

3.

Tính năng kỹ-chiến thuật của đài Ra đa ......................................................16
a.

Tính năng chiến thuật ...............................................................................16

b.

Tính năng kỹ thuật....................................................................................17

4.

Phƣơng trình Ra đa ......................................................................................18

5.

Hệ thống Ra đa xung hiện đại .....................................................................20

6.

a.

Sơ lƣợc về hệ thống Ra đa xung hiện đại.................................................20

b.

Hoạt động của một hệ thống ra đa xung hiện đại.....................................22
Kết luận chƣơng ..........................................................................................23

1


CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ MÁY THU RA ĐA CẢNH GIỚI
DẢI VHF P18 ...........................................................................................................24
Đài Ra đa cảnh giới dải VHF P18 ...............................................................24

1.
a.

Vị trí trong hệ thống Ra đa cảnh giới .......................................................24

b.

Các tính năng kỹ-chiến thuật cơ bản của đài P18 ....................................24

c.

Sơ đồ khối toàn đài...................................................................................25
Máy thu Ra đa..............................................................................................26

2.
a.

Chức năng của máy thu Ra đa ..................................................................26

b.

Kiến trúc máy thu Ra đa...........................................................................26

c.

Tham số máy thu ......................................................................................29

3.

Kết luận chung .............................................................................................31

CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHÂN HỆ CAO TẦN TRONG HỆ
THỐNG THU CỦA RA ĐA XUNG DẢI VHF P18. ...............................................32
1.

Tham số kỹ thuật .........................................................................................32

2.

Sơ đồ khối chi tiết ........................................................................................33

3.

Thiết kế nguyên lý và mạch in ....................................................................34
a.

Sơ đồ thiết kế nguyên lý ...........................................................................34

b.

Thiết kế mạch in .......................................................................................39
Đo đạc các tham số của phân hệ cao tần trong hệ thống thu của ra đa xung

4.

dải sóng VHF ........................................................................................................39

5.

a.

Đo hệ số khuếch đại toàn tuyến, độ nhạy và dải động .............................39

b.

Đo độ nhạy và dải động ...........................................................................41
Kết luận chƣơng ..........................................................................................42

KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .......................43
2


1.

Kết luận đề tài ..........................................................................................43

2.

Hƣớng phát triển của đề tài ......................................................................43

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................45

3


LỜI CAM ĐOAN
Trƣớc hết, tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện
Điện tử viễn thông, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trƣờng
tốt để tôi học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào
tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên có
điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu
sắc đến PGS.TS Hoàng Mạnh Thắng đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn và sửa chữa
cho nội dung của luận văn này.
Tôi cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm hiểu,
nghiên cứu và viết ra. Tất cả đều đƣợc tôi thực hiện cẩn thận và có sự định hƣớng
của giáo viên hƣớng dẫn.
Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận văn này.
Tác giả

Nguyễn Ngọc Thủy

4


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT

TỪ VIẾT

TẮT

THUẬT NGỮ
TIẾNG ANH

THUẬT NGỮ
TIẾNG VIỆT

1

VHF

Very High Frequency

Tần số rất cao

2

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

3

HF

High Frequency

Tần số cao

4

UHF

Ultra High Frequency

Tần số siêu cao

5

IF

Intermediate
Frequency

Tần số trung tần

6

RF

Radio Frequency

Tần số cao tần

7

NF

Noise Figure

Hệ số nhiễu

8

LO

Local Oscilator

Bộ dao động nội

9

PCB

Printed Circuit Board

Mạch in

10

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín trên tạp

11

AGC

Auto Gain Controller

Bộ tự động điều chỉnh hệ số khuếch
đại

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3-1: Tham số kỹ thuật đề xuất phân hệ cao tần máy thu Ra đa ___________32
Bảng 3- 2: Bảng kết quả đo phân hệ cao tần máy thu Ra đa __________________ 42

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Hình 1-1: Mô hình hoạt động của một hệ thống Ra đa ______________________ 13
Hình 2-1: Đài Ra đa P18 _____________________________________________25
Hình 2-2: Sơ đồ khối toàn đài P-18 _____________________________________25
Hình 2-3: : Sơ đồ khối phân hệ cao tần máy thu ___________________________ 27
Hình 3-1: Sơ đồ khối phân hệ cao tần máy thu Ra đa _______________________ 33
Hình 3-2: Đồ thị công suất ra theo công suất vào của bộ khuếch đại tạp âm thấp
SPF5043Z _________________________________________________________ 35
Hình 3-3: Đồ thị hệ số khuếch đại theo tần số và nhiệt độ bộ khuếch đại MGA30889 ____________________________________________________________ 36
Hình 3-4: Đồ thị hệ số tán xạ S21 theo tần số bộ lọc thông thấp_______________37
Hình 3-5: Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải trung tần 854659 ______________38
Hình 3-6: Đáp ứng trong dải thông của bộ lọc 854659 ______________________ 38

Hình 3-7: Sơ đồ kết nối bài đo hệ số khuếch đại toàn tuyến __________________ 39
Hình 3-8: Màn hình máy phân tích tín hiệu trong bài đo hệ số khuếch đai _______40

8


9


PHẦN MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Trong bối cảnh hiện nay, chiến tranh có thể khó xảy ra, nhƣng ta cần luôn đề

cao cảnh giác với sự do thám cũng nhƣ xâm phạm bầu trời quốc gia của các thế lực
thù địch. Hệ thống radar cảnh giới là một trong những công cụ hữu hiệu để thực
hiện nhiệm vụ này. Trong đó, hệ thống radar cảnh giới P18 đã và hiện vẫn còn đƣợc
sử dụng rộng rãi trong hệ thống phòng không của Việt Nam.
Tuy nhiên, hệ thống radar P18 cũ mang nhiều nhƣợc điểm và hạn chế: cồng
kềnh, linh kiện thay thế sửa chữa đã không còn sẵn. Cổng kềnh do sử dụng các linh
kiện thế hệ cũ. Lƣợng linh kiện dự trữ đi theo đài không còn nhiều, thƣờng phải
tháo từ các đài cũ để tái sử dụng.
Do vậy, việc nghiên cứu cải tiến hiện đại hóa đài để khắc phục những nhƣợc
điểm gặp phải là một nhiệm vụ quan trọng trong đối với hoàn cảnh của nƣớc ta hiện
tại. Đề tài hƣớng tới hệ thống mới: gọn nhẹ, ổn định, tự chủ hoàn toàn về công nghệ
. Gọn nhẹ do sử dụng các linh kiện thế hệ mới nhỏ hơn nhiều lần mà độ tin cây
hoạt động cao. Thêm vào đó, việc tự chủ hoàn toàn từ khâu thiết kế đến chế tạo, bảo
dƣỡng có ý nghĩa to lớn đem lại sự chủ động cho quân đội cũng nhƣ tiết kiệm cho
ngân sách quốc gia dành cho việc mua sắm thiết bị quốc phòng.

2.

Lịch sử nghiên cứu
Công nghệ quân sự là lĩnh vực phát triển rất mạnh và đạt đƣợc nhiều thành

tựu trong thời gian trở lại đây. Trong đo công nghệ Ra đa có những tiến bộ lớn
trong việc tăng hiệu quả hoạt động, tính cơ động và độ tin cậy mà giá thành ngày
càng giảm. Nếu nhƣ các hệ thống Ra đa trƣớc đây là các hệ thống cồng kềnh với
các linh kiện bóng bán dẫn có kích thƣớc lớn, phức tạp thì ngày nay, với sự phát
triển mạnh của công nghệ bán dẫn, những linh kiện mới nhƣ khuếch đại, bộ trộn đã
ra đời đảm bảo các thông số về chiến kỹ thuật với giá thành giảm.

10


Hiện nay, ở nƣớc ta, trong lĩnh vực sản suất thiết bị điện tử nói chung, và các
thiết bị điện tử quân sự nói riêng đã và đang có những bƣớc tiến khả quan với
những thiết bị, những hệ thống điện tử do ngƣời Việt Nam tự sản xuất. Các hệ
thống Ra đa là một lĩnh vực đƣợc quan tâm và ƣu tiên phát triển nhằm hƣớng tới
làm chủ công nghệ, giảm đƣợc việc phải nhập khẩu các thiết bị tƣơng tự, mà vẫn
đảm bảo đƣợc an ninh quốc phòng.
3.
-

Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng và phạm vi của đề tài
Nghiên cứu phân hệ cao tần trong hệ thống thu của Radar xung dải sóng

VHF.
-

Thiết kế phân hệ cao tần trong hệ thống thu của Radar xung dải sóng VHF.

-

Chế tạo phân hệ cao tần trong hệ thống thu của Radar xung dải sóng VHF.

-

Thử nghiệm, đo đạc các thông số điện phân hệ cao tần trong hệ thống thu

của Radar xung dải sóng VHF.
4.

Tóm tắt luận văn
Phận hệ cao tần trong hệ thống thu của Ra đa xung dải sóng VHF đƣợc xây

dựng dựa trên việc áp dụng các sản phẩm của công nghệ bán dẫn mới nhất nhƣ: các
ic khuếch đại cao tần và trung tần, bộ trộn, bộc lọc thông dải... Dựa trên bản tham
số kỹ thuật để ra, phân hệ cao tần đƣợc chế tạo đảm bảo đƣa tín hiệu về tần số trung
tần thích hợp với mức công suất phù hợp để cung cấp cho hệ thống lấy mẫu và xử lý
số.
Sau khi đề xuất ý tƣởng và nhận đƣợc đề tài đồ án tốt nghiệp, em đã nghiên
cứu và xây dựng phân hệ cao tần trong hệ thống thu của Ra đa xung dải sóng VHF
theo các tham số kỹ thuật đã để ra.
Với mục đích nghiên cứu và đề xuất một thiết kế cho phân hệ cao tần máy
thu Ra đa, dựa trên các linh kiện bán dẫn thế hệ mới, em đã tìm hiểu về cơ sở lý
thuyết Ra đa và máy thu Ra đa, từ đó xây dựng bản tham số kỹ thuật sơ bộ cho máy

11

thu, cuối cùng là bắt tay vào thiêt kế và đo đạc các tham số điện của mạch .Nội
dung cơ bản của đồ án tốt nghiệp của em tập trung vào những phần chính sau đây:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết Ra đa
- Nghiên cứu phân hệ cao tần trong hệ thống thu của Radar xung dải sóng
VHF
- Thiết kế phân hệ cao tần trong hệ thống thu của Radar xung dải sóng VHF
- Chế tạo phân hệ cao tần trong hệ thống thu của Radar xung dải sóng VHF
- Thử nghiệm, đo đạc các thông số điện phân hệ cao tần trong hệ thống thu
của Radar xung dải sóng VHF
- Đánh giá kết quả đạt đƣợc và đề ra hƣớng phát triển tiếp theo.
5.

Phƣơng pháp nghiên cứu
Việc thực hiện nghiên cứu thiết kế chế tạo phân hệ cao tần cho hệ thống ra

đa xung dải VHF đƣợc tiến hành theo 3 bƣớc:
-Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về ra đa bao gồm từ các khái niệm cơ bản nhất
về nhiệm vụ của hệ thống, các loại ra đa, các tính năng kỹ chiến thuật quan tâm, cho
đến các vấn đề lý thuyết nhƣ phƣơng trình ra đa, về định nghĩa của hệ thống ra đa
xung, và các thành phần của một hệ thống ra đa xung hiện đại.
-Đi sâu vào nghiên cứu về lý thuyết máy thu ra đa cảnh giới dải VHF gồm :
tìm hiểu sơ lƣợc về hệ thống ra đa cảnh giới dải VHF nói chung và đài ra đa cảnh
giới P18 nói riêng; nghiên cứu các kiến trúc máy thu ra đa khả dụng cùng các thành
phần của một hệ thống thu ra đa. Bên cạnh đó, các tham số quan trọng của 1 máy
thu cũng đƣợc nghiên cứu để làm cơ sở đánh giá thiết kế.
-Dựa trên những cơ sở lý thuyết đƣợc tìm hiểu, em bắt tay vào thiết kế hệ
thống. Bƣớc đầu tiên của thiết kế hệ thống là cần xây dựng bộ chỉ tiêu tham số kỹ
thuật mong muốn, từ đó đƣa ra thiết kế. Sau khi thiết kế đƣợc thực hiện, công đoạn
cuối cùng là đo đạc các tham số của hệ thống để đảm bảo hệ thống đƣợc thiết kế

đáp ứng các tham số kỹ thuật đề ra.

12


CHƢƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT RA ĐA
1.

Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống Ra đa
Radar là dạng viết tắt từ cụm từ Radio detection and ranging, nghĩa là phát

hiện và đo cự ly sử dụng sóng điện từ. Hình đƣợc đƣa ở dƣới mô tả hoạt động của
một hệ thống ra đa. Trong hệ thống Ra đa, Máy phát phát tín hiệu điện từ, tín hiệu
phản xạ 1 phần từ mục tiêu đƣợc thu bởi máy thu Ra đa. Khoảng cách tới mục tiêu
đƣợc xác định bằng thời gian từ lúc phát tín hiệu đến khi thu đƣợc tín hiệu phản xạ
về tại máy thu, tốc độ mục tiêu đƣợc xác định bởi độ dịch tần Doppler của tín hiệu
thu đƣợc so với tín hiệu gốc. Một hệ thống Radar có thể thực hiện những nhiệm vụ
cơ bản sau:
Tín hiệu phát
Ăng ten

Mục tiêu

Máy phát

Tín hiệu phản xạ

Máy thu

Khoảng cách tới mục tiêu

Hình 1-1: Mô hình hoạt động của một hệ thống Ra đa

Phát hiện mục tiêu: Hệ thống Ra đa dựa vào tín hiệu thu nhận đƣợc để
quyết định xem có hay không có mục tiêu nằm trong vùng quan sát (với xác suất
quyết định sai cho phép).
Đo đạc: Hệ thống Ra đađánh giá toạ độ (R, ε, β) và các tham số chuyển động
( v, a ) với sai số cho phép. Trong đó R, ε, β, v , a lần lƣợt là cự ly, góc tà, góc
phƣơng vị, vector vận tốc, vector gia tốc của mục tiêu.

13


Phân biệt: Hệ thống Ra đa phát hiện và đo đạc tham số của mục tiêu khi có
những mục tiêu khác ở gần mục tiêu này.
Nhận biết: Hệ thống Ra đa Phân biệt loại mục tiêu (ta hay địch) dựa vào
máy hỏi.
2.

Phân loại Ra đa
Có nhiều cách để phân loại Ra đa, tùy thuộc vào tiêu chí đƣợc sử dụng để

xem xét. Sau đây là một số cách phân loại ra đa:
Theo công dụng
Theo công dụng của đải ra đa thì có các loại cảnh giới, dẫn đƣờng, điều
khiển hỏa lực…
Ra đa cảnh giới là Ra đa dùng để phát hiện mục tiêu từ khoảng cách xa
Ra đa dẫn đƣờng : dung để dẫn đƣờng cho các phƣơng tiện bay
Ra đa điều khiển hỏa lực để chị thị tọa độ mục tiêu cho hệ thống hỏa lực nhƣ

tên lửa, pháo; ví dụ trong hệ thống phòng không của Việt Nam có hệ thống C-125sử
dụng ra đa có búp sóng bé để xác định tọa độ chính xác của mục tiêu.
Số lƣợng tọa độ đo đƣợc
Dựa vào số lƣợng tọa độ đo đƣợc thì có các loại ra đa 1 tọa độ, 2 tọa độ còn
gọi là ra đa 2D, và ra đa 3 tọa độ còn gọi là ra đa 3D
Mức độ cơ động
Có các loại cố định, hay di động .
Theo bƣớc sóng
Dải tần hoạt động của radar từ HF đến UHF, có các đài dải sóng VHF, đề xi
VHF, cen ti VHF
Theo nguyên tắc hoạt động
Có các loại chủ động, thụ động.
14


+ Radar chủ động là radar bức xạ sóng điện từ và thu sóng phản xạ.
+ Radar thụ động là radar thu và xử lý các tín hiệu bức xạ của bản thân mục
tiêu.
Theo phƣơng pháp đo cự ly
Theo cách phân loại này có các loại ra đa bức xạ xung, ra đa bức xạ liên tục.
Với ra đa bức xạ liên tục, trƣớc đây khi công nghệ điện tử và công nghệ xử
lý số chƣa phát triển thì đây là loại ra đa chủ đạo, nhƣng hiện nay thì trên thế giới
hầu nhƣ không còn sử dụng nữa do loại ra đa này tồn tại nhiều nhƣợc điểm lớn so
với các loại ra đa xung hiện đại nhƣ: cồng kềnh, hao tổn năng lƣợng, năng lƣợng
bức xạ quá lớn, độ chính xác, khả năng tùy biến trong điều khiển và xử lý.
Với ra đa bức xạ xung, năng lƣợng bức xạ dƣới dạng các xung đƣợc điểu chế
với các dạng mã khác nhau.
Theo số lƣợng kênh ra đa độc lập
Có các loại ra đa một kênh, nhiều kênh.
Theo vị trí, số lƣợng máy thu phát:

Có các loại ra đa 1 vị trí, hay nhiều vị trí
+ Ra đa 1 vị trí (Monostatic): Máy phát và máy thu ở cùng 1 vị trí
+ Ra đa 2 vị trí (Bistatic): Máy phát và thu ở 2 vị trí khác nhau
+ Ra đa nhiều vị trí (Multistatic): Có 1 hoặc nhiều máy phát, có nhiều hơn 1
máy thu.

15


Mục tiêu

Bộ xử lý thu

a

Mục tiêu

Bộ xử lý thu

b
Hình 1-2: Hệ thống Ra đa một vị trí và hai vị trí

3.

Tính năng kỹ-chiến thuật của đài Ra đa

a.

Tính năng chiến thuật
Là những tính năng của đài Ra đa mang ý nghĩa về mặt chiến thuật trên chiến

trƣờng.
+ Vùng quan sát:
- Cự ly phát hiện: cự ly cực đại, cự ly cực tiểu.
- Phạm vi góc quan sát trong mặt phẳng phƣơng vị.
- Góc tà cực đại và cực tiểu.
- Độ cao cực đại và cực tiểu.
- Hình dạng vùng quan sát.
+ Chu kỳ quan sát: khoảng thời gian cánh sóng radar quét hết vùng quan sát
1 lần.
16


+ Số lƣợng toạ độ đo đƣợc: 1 toạ độ, 2 toạ độ, 3 toạ độ.
+ Độ chính xác của toạ độ và tốc độ mục tiêu đo đƣợc.
+ Khả năng phân biệt theo cự ly, phƣơng vị, góc tà (độ cao), vận tốc.
- Khả năng phân biệt theo cự ly là khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 mục
tiêu có cùng tọa độ góc và tốc độ mà đài radar có thể quan sát riêng rẽ đƣợc. Nếu
nhỏ hơn khoảng cách này thì đài radar sẽ quan sát 2 mục tiêu này nhƣ 1 mục tiêu.
- Khả năng phân biệt phƣơng vị là góc nhỏ nhất giữa hƣớng của 2
mục tiêu có cùng cự ly và tốc độ mà đài radar có thể quan sát riêng rẽ đƣợc.
+ Khả năng chống nhiễu: Khả năng duy trì tính năng kỹ chiến thuật của đài
radar khi có tác động của nhiễu (nhiễu tích cực, nhiễu tiêu cực).
+ Các đặc trƣng cơ động của đài radar: thời gian triển khai và thu hồi, mức
độ cơ động…
+ Độ tin cậy:
- Thời gian làm việc trung bình trên một lần hỏng hóc.
- Tính thuận tiện khi sửa chữa.
b.

Tính năng kỹ thuật
+ Dải tần làm việc của đài radar.
+ Tần số sóng mang của dao động bức xạ.
+ Quy luật điều chế của tín hiệu bức xạ.
+ Công suất bức xạ trung bình, công suất đỉnh.
+ Dạng, độ rộng giản đồ hƣớng anten trong các mặt phẳng.
+ Độ nhạy máy thu.
+ Số lƣợng và kiểu thiết bị hiển thị tin.
+ Phƣơng pháp lấy tin: bằng mắt, tự động, bán tự động.
+ Điều kiện môi trƣờng làm việc.

17


4.

Phƣơng trình Ra đa
P GA  
e

R
 t
max
  2

4

S

min 



1/ 4

(1.1)

trong đó Pt : Công suất phát [W](công suất đỉnh xung hay công suất trung bình ?)
G : Hệ số khuếch đại của anten
Ae: Khẩu độ hiệu dụng của anten thu [m2]
σ : Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu [m2]
Smin: Công suất tín hiệu nhỏ nhất có thể phát hiện đƣợc [W]
Phƣơng trình Radar liên hệ giữa cự ly của radar với các đặc tính của máy
phát, máy thu, ăng ten, mục tiêu và môi trƣờng. Phƣơng trình này không chỉ hữu
dụng trong việc xác định cự ly cực đại, ở đó radar có thể phát hiện đƣợc mục tiêu,
mà còn đƣợc dùng để đánh giá, tìm hiểu các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu năng hoạt
động của radar.
Pt là công suất phát xạ bởi ăng ten đẳng hƣớng, mật độ công suất tại khoảng
cách R so với ăng ten là

W/m2

Radar sử dụng ăng ten định hƣớng để tập trung công suất phát xạ theo 1
hƣớng nhất định . Hệ số tăng ích G của ăng ten dùng để đo mật độ công suất phát xạ
theo 1 hƣớng so sánh với mật độ công suất theo hƣớng đó nếu phát bằng ăng ten
đẳng hƣớng.
Mật độ công suất tại điểm có khoảng cách R trong trƣờng hợp sử dụng ăng
ten định hƣớng có hệ số tăng ích G là

W/m2

Mục tiêu tiếp nhận 1 phần năng lƣợng và phát xạ chúng theo những hƣớng
khác nhau. Ta chỉ quan tâm mật độ công suất phát xạ theo hƣớng của ăng ten (echo

18


signal) . Diện tích hiệu dụng σ của mục tiêu xác định xác định mật độ công suất
quay trở lại radar ứng với 1 mật độ công suất nhất định đập vào mục tiêu.
Mật độ công suất phát xạ trở lại Radar:
G

σ

(1.2)

Ăng ten radar bắt 1 phần năng lƣợng phản xạ đập về nó. Công suất nhận bởi
radar:

.G

Pr=

σ

. Ae

(1.3)

trong đó Ae là diện tích hiệu dụng của ăng ten.
Cự ly lớn nhất của radar Rmax là khoảng cách mà nếu lớn hơn nó thì radar

không thể dò đƣợc. Điều này xảy ra khi công suất nhận về ứng với cự ly lớn nhất
phải lớn hơn hoặc bằng minimum detectable signal Smin.

Rmax =

(1.4)

Đây là dạng cơ bản của phƣơng trình Radar.
Pt không xác định là công suất trung bình hay công suất đỉnh. Nó phụ thuộc
vào Smin đƣợc định nghĩa thế nào.
Nếu ăng ten phát và ăng ten thu là 1 thì mối quan hệ giữa G và Ae đƣợc xác
định bởi:
G=
khi đó ta có 1 dạng nữa của phƣơng trình Radar:

19

(1.5)


σ

Rmax=

(1.6)

Rmax=

(1.7)

Hệ thống Ra đa xung hiện đại

5.

a. Sơ lƣợc về hệ thống Ra đa xung hiện đại
Sơ đồ tổng quan một hệ thống Ra đa xung hiện đại:
HỆ THỐNG CHUYỂN MẠCH
ĐƢỜNG TRUYỀN THU - PHÁT

Tín hiệu phát

T.tin đ.khiển
HỆ THỐNG PHÁT

T.tin giám sát

Mục tiêu
Tín hiệu phản xạ

HỆ THỐNG GIÁM
SÁT-ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG
ĂNG TEN

T.tin đ.khiển
HỆ THỐNG THU

T.tin giám sát

Hình 1-3: Sơ đồ khối hệ thống Ra đa xung hiện đại

i.

Ăng ten
Đây là bộ phận đƣợc nhắc tới đầu tiên trong bất kỳ hệ thống viễn thông nào.

Trong hệ thống ra đa, ở quá trình phát, ăng ten làm nhiệm vụ phát xạ năng lƣợng
sóng điện từ ra không gian tự do; ở quá trình thu, ăng ten làm nhiệm vụ thu năng
lƣợng sóng điện từ phản xạ về sau khi đập vào mục tiêu và địa vật.
ii.

Hệ thống phát
Đây là bộ phận tạo ra tín hiệu thăm dò có công suất lớn để phát ra không

gian. Tín hiệu thăm dò sau khi đƣợc điều chế và nâng lên tần số cao tần đƣợc đƣa

20


vào hệ thống phát nhằm khuếch đại công suất tín hiệu lên đủ lớn – hàng kW – tùy
từng ứng dụng.
iii.

Hệ thống thu
Đây là bộ phận thu tín hiệu từ ăng ten, sau đó khuếch đại và hạ tần số tín

hiệu về tần số trung tần với công suất phù hợp để cung cấp cho hệ thống xử lý tín
hiệu làm việc.
iv.

Chuyển mạch thu phát
Đối với hệ thống Ra đa một vị trí, tức là hệ thống thu và hệ thống phát ở

cùng một vị trí và sử dụng chung ăng ten, thì cần có thêm chuyển mạch thu phát
làm nhiệm vụ chuyển mạch tín hiệu trong hai quá trình phát và thu tín hiệu sao cho,
khi phát, tín hiệu đi theo đƣờng truyền ra ăng ten phát ra không gian và không bị đi
vào máy thu – trong thực tế sẽ có một lƣợng rất nhỏ đi vào máy thu - , và khi thu,
tín hiệu từ ăng ten đi vào máy thu. Có hai loại chuyển mạch thu phát là chuyển
mạch dùng công nghệ bán dẫn và chuyển mạch ferrite hay còn gọi là circulator.
v.

Hệ thống đƣờng truyền
Đây là hệ thống làm nhiệm vụ truyền tải năng lƣợng điện từ từ hệ thống phát

ra ăng ten, cũng nhƣ từ ăng ten tới hệ thống thu. Đối với những hệ thống ra đa trong
đó phần ăng ten có chuyển đông quay xung quanh một trục, thì hệ thống đƣờng
truyền có thêm thành phần giao liên cao tần là phần nối giữa phần đƣờng truyền
tĩnh và phần đƣờng truyền chuyển động quay.
vi.

Hệ thống giám sát- điều khiển
Hệ thống có hai nhiệm vụ: Giám sát các tham số kỹ thuật ví dụ nhiệt độ,

dòng điện, điện áp..của các hệ thống phát và thu. Thứ hai là gửi thông tin điều khiển
về mức công suất phát, tần số hoạt động,… của hệ thống phát và hệ thống thu.

21

b. Hoạt động của một hệ thống ra đa xung hiện đại
Ăng ten

Chuyển mạch Bộ khuếch đại
thu phát
cao tần
Bộ trộn

f0+fIF

Tín hiệu trung tần
fIF

Bộ ngoại sai f0

Hiển thị

fIF

Bộ khuếch đại
Bộ tạo xung tạp âm thấp

Bộ trộn

Bộ khuếch đại
trung tần

Bộ dò

Bộ khuếch đại thị

tần

Chế độ phát
Chế độ thu
t
Bộ tạo xung

t

Chu kỳ lặp Tr

Tín hiệu phát

t

Tín hiệu thu đƣợc
t

Xung dò Nhiễu và
máy phát địa vật

Mục tiêu
phản xạ

Hình 1-4: Một hệ thống Ra đa xung và sơ đồ thời gian

Ra đa xung xác định cự ly mục tiêu dựa trên việc việc đo thời gian đi và về
của tín hiệu xung cao tần.
Phần phát gồm 1 bộ trộn dùng để dịch tần số bộ dao động 1 lƣợng bằng tần
số trung tần. Sau khi khuếch đại công suất, các xung của tín hiệu này đƣợc phát bởi

ăng ten. Chuyển mạch phát/thu đƣợc điều khiển bằng bộ tạo xung để xung truyền có
độ rộng τ, với tần số lặp xung PRF là fr. Thƣờngđộ rộng xung từ 100 ms đến 50 ns;
xung ngắn hơn cho độ phân giải cự ly tốt hơn, nhƣng xung dài cho SNR đầu ra máy
thu tốt hơn. Thƣơng tần số lặp xung từ 100Hz đến 100 kHz; Tần số lặp xung cao
hơn thì cho nhiều xung trả về hơn trong 1 đơn vị thời gian, nhƣng tần số lặp
xung thấp hơn sẽ tránh đƣợc sự mập mờ về cự ly khi R > cTr/2.

22


Trong chế độ thu, tín hiệu trả về đƣợc khuếch đại và trộn với tần số ngoại
sai để tạo ra tín hiệu trung tần. Tín hiệu trung tần đƣợc khuếch đại, tách và đƣa ra
hiển thị.
6. Kết luận chƣơng
Chƣơng đã đề cập đến các khái niệm cơ bản về Ra đa. Nhiệm vụ cơ bản của
hệ thống Ra đa là phát hiện và đo cự ly sử dụng sóng điện từ. Có nhiều cách phân
loại Ra đa khác nhau tùy thuộc vào các khía cạnh đƣợc xem xét, ví dụ nhƣ: Công
dụng, bƣớc sóng, nguyên tắc hoạt động... Một điểm lý thuyết cơ bản quan trọng
đƣợc trình bày là phƣơng trình Ra đa. Phƣơng trình Radar liên hệ giữa cự ly của
radar với các đặc tính của máy phát, máy thu, ăng ten, mục tiêu và môi trƣờng. Cuối
cùng, các thành phần của một hệ thống Ra đa xung hiện đại cùng với hoạt động của
nó đƣợc mô tả ở phần cuối cùng của chƣơng. Ở chƣơng tiếp theo, tôi trình bày
những điểm cơ bản về đài ra đa cảnh giới dải VHF P18, và đi sâu về các thành phần
và tham số cơ bản của máy thu ra đa.

23


CHƢƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ MÁY THU

RA ĐA CẢNH GIỚI DẢI VHF P18
1. Đài Ra đa cảnh giới dải VHF P18
a. Vị trí trong hệ thống Ra đa cảnh giới
P18 hiện nay là một trong những đải ra đa chủ lực của quân đội. Đây là hệ
thống radar mặt đất cơ động, làm việc ở dải sóng VHF, có cự ly phát hiện trung
bình. Đài radar P18 đƣợc dung làm ra đa cảnh giời trong mạng cảnh giời phòng
không quốc gia, hoặc làm đài chỉ thị mục tiêu trong các đơn vị hỏa lực tên lửa
phòng không. Ra đa P18 có nhiệm vụ phát hiện và đo tƣơng đối chính xác tọa độ
của mục tiêu, sơ bộ xác định kiểu, loại, số lƣợng mục tiêu, để thông báo chỉ thị mục
tiêu cho đài điều khiển tên lửa.
b. Các tính năng kỹ-chiến thuật cơ bản của đài P18
Tính năng chiến thuật
Vùng quan sát:
+ Theo cự ly: D<360 Km
+ Theo phƣơng vị : β< 360 độ
+ Theo góc tà: εmin= 1.5 độ εmax=30 độ
Tính năng kỹ thuật
Hệ thống phát:
+Dải tần công tác: 150-170 MHz
+Độ rộng xung phát: τ= 6±1 µs
+ Công suất xung: Px ≥ 180 KW (Công suất đỉnh)
+ Tần số lặp của xung: flặp=365±10 Hz
Hệ thống thu:
+Độ nhạy máy thu: -117 dBm
24


+Dải thông máy thu: 2Δf= 200±50 KHz
+ Tần số trung tần ftt=24.6 MHz
c. Sơ đồ khối toàn đài

Hình 2-1: Đài Ra đa P18

Phi de
Chuyển mạch
ăng ten

Hệ thống phát

Phân chia công
suất

Hệ thống chuyển
tần

Hệ thống đồng bộ
Thời gian

Hệ thống điều
khiển và báo hiệu

Hệ thống quay
Và nghiêng ăng
ten

Hệ thống thu

Hệ thống hiện
sóng

Hệ thống T.Đ.T

Hệ thống điều
chỉnh đải bằng
A.T.T.Đ

Hệ thống nguồn
điện

Hình 2-2: Sơ đồ khối toàn đài P-18

25

Hệ thống
Chống nhiễu

Hệ thống phối hợp


Hệ thống phát tạo ra tín hiệu thăm dò công suất cao với độ rông và chu kì
xác định, tín hiệu qua hệ thóng truyền sóng siêu cao tần đƣa ra ăng ten phát xạ ra
không gian. Tín hiệu phản xạ trên mục tiêu thu về qua hệ thống phi de đƣa vào hệ
thống thu để tách tín hiệu đƣa ra điểm dấu hiện lên màn hình hiện sóng. Ngoài ra,
hệ thống TDT có nhiệm vụ hiệu chỉnh ổn định hiệu tần số giữa máy phát và tần số
ngoại sai cung cấp cho máy thu luôn ở mức tần số trung tàn 24.6 MHz.
2. Máy thu Ra đa
a. Chức năng của máy thu Ra đa
Máy thu nói chung có chức năng khuếch đại và biến đổi tín hiệu phản xạ về
thành tín hiệu trung tần hoặc thị tần với biên độ cần thiết để cung cấp cho các thiết
bị xử lý.

Tín hiệu đầu vào máy thu Ra đa bao gồm nhiễu và tín hiệu. Nhiễu ở đây có
thể bao gồm nhiễu từ các nguồn phát tín hiệu khác, nhiễu trắng. Tín hiệu trả về máy
thu thay đổi về biên độ, phụ thuộc vào cự ly và kích cỡ của mục tiêu gây ra phản xạ.
Mục tiêu của máy thu là khuếch đại tín hiệu phản xạ, lọc bỏ các tín hiệu khác và
đƣa tín hiệu phản xạ đến bộ lọc phối hợp.Vì vậy, điểm cần quan tâm ở đây là ta
khuếch đại ở đâu và bao nhiêu, lọc ở đâu và dùng linh kiện gì để lọc. Vấn đề này sẽ
đƣợc đi chi tiết hơn ở phần Thiết kế.
b. Kiến trúc máy thu Ra đa
Trƣớc đây, khi công nghệ xử lý số chƣa phát triển, tín hiệu thu về đƣợc hạ
tần thẳng xuống băng cơ bản và việc tách tín hiệu sử dụng bộ tách sóng. Hiện nay,
khi công nghệ bán dẫn phát triển, hệ quả là khả năng xử lý tín hiệu số của các con
chip, các ic lấy mẫu tốc độ cao ra đời, mở ra khả năng xử lý tín hiệu ở tần số trung
tần với nhiều ƣu điểm vƣợt trội. Phần lớn các hệ thống thu Ra đa hiện nay sử dụng
kiến trúc máy thu 2 lần đổi tần hoặc nhiều lần đổi tần. Tín hiệu trung tần sau đó
đƣợc lấy mẫu và đƣa vào các bộ vi xử lý để xử lý số tín hiệu.
Dƣới đây là một kiến trúc máy thu Ra đa 2 lần đổi tần điển hình:

26