Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số bốn kênh cho máy thu ra đa băng X

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ ĐUN DỊCH PHA ĐIỀU
KHIỂN SỐ BỐN KÊNH CHO MÁY THU RA ĐA BĂNG X
Trần Minh Nghĩa1*, Nguyễn Đình Vinh1, Vũ Minh Thành1, Nguyễn Khả Hậu2
Tóm tắt: Bài báo trình bày một nghiên cứu thực nghiệm chế tạo mô đun dịch
pha điều khiển số gồm 4 kênh thu tín hiệu ra đa băng X. Các kênh thu có kết cấu
giống nhau gồm bộ khuếch đại tạp thấp LNA, bộ dịch pha điều khiển số với bước
dịch pha 5,60 và bộ suy giảm điều khiển số với độ phân giải 0,5 dB để đảm bảo cân
bằng biên độ giữa các kênh. Sử dụng bộ điều khiển số kết nối máy tính cho phép
điều chỉnh linh hoạt góc lệch pha và biên độ tín hiệu các kênh thu, qua đó làm cơ sở
để thiết kế các mô đun thu với số lượng kênh lớn nhằm ứng dụng trong máy thu ra
đa băng X như: Điều chỉnh góc lệch pha và biên độ tín hiệu các kênh thu theo quy
luật cho trước; Thực hiện việc tổ hợp búp sóng và quét búp sóng thu cho an ten
mạng pha; Điều chỉnh các cặp kênh thu ngược pha và đồng pha nhau để tạo ra tín
hiệu kênh tổng và kênh hiệu cho các ứng dụng đo bám góc theo nguyên lý cân bằng
tín hiệu.
Từ khóa: Thiết kế bộ dịch pha, Ra đa băng X.

1. MỞ ĐẦU
Các mô đun dịch pha và điều chỉnh biên độ (gọi chung là mô đun dịch pha) là các phần
tử cơ bản để xây dựng máy thu và máy phát đa kênh cho hệ thống an ten mạng pha. Máy
thu trong các hệ thống thu phát dùng an ten mạng pha là máy thu đa kênh có khả năng điều
khiển độ dịch pha và biên độ tín hiệu trong từng kênh theo quy luật nhờ các mô đun dịch
pha. Có khá nhiều dạng mô đun được tích hợp cho các ứng dụng trên các dải tần số khác
nhau tùy theo nhu cầu sử dụng. Ở dải tần số băng X và cao hơn thì việc thiết kế, chế tạo
các bộ dịch pha là rất khó khăn do các yêu cầu khắt khe về công nghệ thực hiện. Ngày
nay, việc tạo và quét búp sóng an ten mạng pha có xu hướng được thực hiện ở dải tần số
trung tần để giảm bớt các khó khăn khi thực hiện ở cao tần, tuy nhiên các mô đun dịch pha
ở cao tần vẫn có những ứng dụng nhất định trong các hệ thống như tạo sự đồng đều pha
cho các kênh của các bộ ghép, bộ cộng, trừ tín hiệu cao tần... Do đó, việc nghiên cứu thiết

kế, chế tạo các bộ dịch pha có khả năng điều chỉnh pha bằng các bộ điều khiển tương tự
hay điều khiển số cho các ứng dụng trên vẫn tiếp tục được thực hiện. Trong bài viết này
trình bày một nghiên cứu thực nghiệm thiết kế kỹ thuật - công nghệ và chế tạo mô đun
dịch pha điều khiển số gồm 4 kênh thu tín hiệu ra đa băng X và một số ứng dụng thiết thực
của nó trong thực tế.
2. THIẾT KẾ MÔ ĐUN DỊCH PHA ĐIỀU KHIỂN SỐ
CHO MÁY THU BĂNG TẦN X
2.1. Mô phỏng mạng pha
Công cụ mô phỏng sử dụng chương trình 3D Antenna Array để mô phỏng cho mảng an
ten 1 chiều với 4 phần tử nằm trên trục X, chọn độ phân giải của bộ dịch pha là 22,50, có
nghĩa mảng anten có thể tạo ra được 360/22,5 = 16 đồ thị bức xạ khác nhau. Xem hình 1.
Trong tọa độ cực cho thấy hướng chính của mảng an ten (khi các an ten là đẳng hướng)
có thể được quét để thu/phát tín hiệu từ các hướng khác nhau tùy theo độ lệch pha giữa các
an ten.
Trong tọa độ Đề-các cho thấy khi kết hợp độ rộng cánh sóng của tất cả các hướng
chính lại với nhau thì độ rộng cánh sóng của cả mảng an ten là 360 độ. Nói cách khác, với

70

T. M. Nghĩa, N. Đ. Vinh, …, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo … cho máy thu ra đa băng X.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

độ phân giải pha của các bộ dịch pha bằng 22,50 thì mảng an ten này có thể bao quát mọi
hướng thu/phát nếu các an ten là đẳng hướng.

Hình 1. Mô phỏng an ten mạng pha với 4 phần tử trên trục X.
2.2. Chế tạo mô đun dịch pha số trong thực tế
Sơ đồ nguyên lý của tuyến thu điều khiển pha số gồm 4 kênh thu tín hiệu ra đa băng X

thể hiện trong hình 2.

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý tuyến thu cao tần 4 kênh điều khiển pha số.
Trong đó, mô đun khuếch đại tạp thấp và mô đun suy giảm số đảm bảo mức công suất
biên độ tín hiệu thu được từ an ten, mô đun dịch pha số tạo tổ hợp búp sóng cho máy thu. Sơ
đồ nguyên lý mô đun khuếch đại tạp thấp và mô đun dịch pha thể hiện ở hình 3 và hình 4.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017

71


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Hình 4. Sơ đồ nguyên lý dịch pha.
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý
khuếch đại tạp thấp.
Các tham số của từng mô đun được thể hiện ở bảng 1.
Bảng 1. Tham số kỹ thuật các mô đun.
STT
Mô đun
Tham số
Chỉ tiêu kỹ thuật
Mô đun khuếch đại Dải tần
8,2 ÷ 8,9 GHz
01 tạp thấpLNA
Hệ số khuếch đại
17-20 dB

02

03

Mô đun điều chỉnh
pha số

Mô đun suy giảm
số

Hệ số tạp:
Dải tần
Dải điều chỉnh pha

≤2,5 dB
8,2 ÷ 8,9 GHz
≤3600

Bước nhảy pha

≤22,50

Độ sai pha giữa một kênh

± 50

Dải tần

8,2 ÷ 8,9 GHz

Hệ số suy giảm

≤30 dB

Để tính toán độ rộng mạch in, sử dụng công thức tính độ rộng cho mạch in đơn bằng
chương trình “microstrip line calculator” và tính theo ống dẫn sóng đồng trục phẳng bằng
chương trình “coplanar waveguide calculator”.
Chọn mạch in cao tần là ROGER4350, với các tham số :
hằng số điện môi: 3,48
Độ dày mạch in : 0,76 mm
Tần số trung tâm : 8,5 GHz
Trở kháng vào ra : 50 Ω
Tính bằng công thức “microstrip line calculator” ta được:
Độ rộng mạch in : 1,72 mm

72

T. M. Nghĩa, N. Đ. Vinh, …, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo … cho máy thu ra đa băng X.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

¼ bước sóng: 5,3 mm
Tính bằng công thức “coplanar waveguide calculator” ta được:
Độ rộng mạch in: 1,5 mm
Độ rộng khoảng cách giữa mạch in và 2 bên đất: 0,49 mm
Lựa chọn linh kiện: Bộ dịch pha được thiết kế bằng IC MAPS-010166 với 6 bit điều
khiển, dải điều chỉnh pha là 3600, bước nhảy pha là 5,60, trở kháng vào ra 50Ω.
Mô đun điều khiển pha số được thiết kế với IC chính là PIC16F887, nhận lệnh từ máy
tính và điều khiển các bit trên các kênh của bộ dịch pha theo yêu cầu đặt ra. Phần mềm
điều khiển pha số được viết bằng chương trình LabVIEW trên máy tính và CCS cho

PIC16F887 trên các bộ điều khiển. Kết nối giữa máy tính và các bộ điều khiển bằng cổng
RS232. Giao diện chương trình điều khiển thể hiện ở hình 5.

Hình 5. Chương trình điều khiển.
3. CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đo đạc các kết quả
Ảnh chụp tuyến thu cao tần 4 kênh điều khiển pha số thể hiện ở hình 6.
Sau khi thiết kế, sử dụng máy phân tích mạng vector để kiểm tra độ lệch pha Δφ theo
hình 7.
Các giá trị góc lệch pha theo tổ hợp tín hiệu điều khiển được trình bày trong bảng 2.
Bảng 2. Kết quả của bài đo tại tần số 8,5GHz.
Góc
Góc
pha
Kênh1 kênh 2 kênh 3 kênh 4 pha Kênh1 kênh 2 kênh 3 kênh 4
Độ
Độ
0
0
0
0
0 179,2 -177,3 179,6 178,8 -177,9
5,6
-5,7
-5,5
-5,2
-5,7 184,8
175,5 176,3 177,2 177,8
11,2
-9,8

-9,9
-8,8
-11,1 190,4
171 172,2 171,8 170,1
16,8
-14,6
-15,6
-14,5
-16,8
196
169,2 168,2 167,6 168,5
22,4
-22,5
-22,9
-22,2
-23 201,6
165,1 162,2 160,4 161,1
28
-27,9
-28,4
-28,1
-30,1 207,2
163,9 155,6 154,9 153,4

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017

73


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

33,6
39,2
44,8
50,4
56
61,6
67,2
72,8
78,4
84
89,6
95,2
100,8
106,4
112
117,6
123,2
128,8
134,4
140
145,6
151,2
156,8
162,4
168
173,6

-31,8
-37,5

-43,5
-49,6
-52,6
-59,1
-65
-69,7
-73,6
-79,7
-84,7
-90,7
-94,9
-100,2
-110,4
-116,9
-122,4
-129
-132,5
-139,7
-144,6
-150,1
-158,2
-164,2
-170,1
-176,4

-32,4
-38,6
-45,2
-51
-56,5

-62,4
-68,2
-73,6
-78,8
-85,2
-89,7
-96,3
-98,3
-104,6
-113,5
-117,1
-124,3
-129,5
-133,4
-139,5
-146,3
-151,2
-157,4
-163,5
-169,4
-174,9

-31,6
-37,4
-44,4
-50,3
-55,2
-60,2
-67,8
-73,1

-78,2
-82,7
-90,7
-95,4
-99,2
-105,8
-111,2
-118,2
-124,3
-130,1
-135,4
-141,5
-146,5
-152,7
-157,4
-163,2
-169,5
-174,8

Hình 6. Tuyến thu cao tần 4 kênh.

-34,5
-40,9
-43,7
-50,1
-54,2
-59,1
-65,5
-71,1
-75,4

-81,2
-86,5
-91,5
-95,6
-102,4
-109,2
-115,1
-119,8
-126,7
-130,9
-135,9
-140,5
-147,6
-154,9
-163,2
-169,3
-174,5

212,8
218,4
224
229,6
235,2
240,8
246,4
252
257,6
263,2
268,8
274,4

280
285,6
291,2
296,8
302,4
308
313,6
319,2
324,8
330,4
336
341,6
347,2
352,8

159,4
153,3
145,5
139,5
135,4
129,2
123,6
116,8
113,1
106,1
102,7
96,2
92,8
86,3
76,2

69,3
63,5
56,6
53,2
45,7
40,6
34,7
27,2
20,2
15,8
9,2

151,4
143,8
139,2
132,3
128,5
122,9
116,4
109,2
105,4
99,3
94,5
88,4
85,6
79,3
72,5
66,1
61,8
54,3

53,7
46,4
43,8
35,2
28,1
20,3
15,7
6,7

149,2
141,8
138,9
131,4
127,9
121,5
114,6
107,6
104,5
98,2
93,4
87,8
84,3
77,6
70,4
65,2
60,1
56,2
52,4
45,6
41,8

34,6
27,2
19,3
14,2
6,1

150,5
142,8
140,4
132,8
129,8
122,4
115,1
108,4
104,8
98
93,7
87,5
84,2
78,7
71,8
65,2
60,5
55,1
52,1
45,2
42
34,2
27,8
19,7

14,4
6,4

Hình 7. Đo kết quả trên máy đo véc tơ.

Trong bảng 2 giá trị pha khi đo bằng máy phân tích véc tơ các góc lệch pha nhỏ hơn
1800 sẽ cho giá trị âm, còn khi lớn hơn 1800 thì tổng giá trị của chúng với 1800 thành 3600.
Độ sai pha của các kênh đo được trung bình < 50.
3.2. Khảo sát mức công suất khi thay đổi pha ở 1 kênh của bộ cộng công suất
Sơ đồ nguyên lý bộ cộng công suất thay đổi pha trình bày như hình 8.

74

T. M. Nghĩa, N. Đ. Vinh, …, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo … cho máy thu ra đa băng X.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Hình 8. Sơ đồ nguyên lý đo công suất bộ cộng khi thay đổi pha.
Máy phát tín hiệu ở tần số trung tâm 8,5GHz, công suất +10dBm, bộ chia và bộ cộng là
cân bằng, góc pha ban đầu của 2 mô đun xoay pha Δφ 1 và Δφ 2 là 00.
Kết quả đo trên máy phân tích phổ, thể hiện ở bảng 3.
Bảng 3. Kết quả của bài đo cộng công suất.
Δφ 1 (độ)
0
0
0
0
0
0

0
0
Δφ 2 (độ)
0
44,8
89,6 134,4 179,2
224
268,8
313,6
Công suất ra
6
5,1
3,1
0,9
-0,1
0,8
2,9
5,2
(dBm)
Sử dụng sơ đồ trên ta có thể tổ hợp 4 kênh thu thành một kênh tổng và một kênh hiệu
tương ứng với việc tạo ra kênh thu tín hiệu sai số góc để xác định tọa độ góc của mục tiêu.
4. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày một giải pháp kỹ thuật hiện đại sử dụng trong thiết kế chế tạo mô
đun dịch pha điều khiển số máy thu băng X và các khả năng ứng dụng của chúng. Các
khảo sát thực tế với các kênh thu đồng pha (kênh tổng) và ngược pha (kênh hiệu) cho phép
các ứng dụng trong thực tiễn cho các máy thu đáp ứng các yêu cầu về xác định tham số
góc của mục tiêu. Sản phẩm của đề tài có thể được áp dụng cho các máy thu của các đài ra
đa mạng pha như Pozitiv.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Minh Việt, “Kỹ thuật siêu cao tần”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002. Trang

35-46.
[2]. Volco V.V.M, Trần Hữu Vị biên dịch, “Thiết kế máy thu ra đa tín hiệu xung”, Học
viện KTQS, 1990. Trang 20-45.
[3]. Pieter L.D. Abrie, “Design of RF and Microwave Amplifiers and Oscilators”, Artech
House Publishers 1996. Trang 51-76.
[4]. Edward C. Niehenke, Robert A. Pucel, Inder J. Bahl, “Microwave and MillimeterWave Integrated Circuits”, IEEE, 2002. Trang 34-55.
[4]. W. Buhring, J. Ender, “Radar techniques using array antennas”, Wulf-Dieter Wirth,
2000. Trang 78-92.
[5]. George D. Vendelin, Anthony M. Pavio, Ulrich L. Rohde, “Microwave circuit design
using linear and nonlinear techniques”, A John Wiley & Sons, Inc, Publication,
2005. Trang 45-61.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017

75


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

[6]. Christopher Bowick, “RF circuit Design”, Charon Tec Ltd (A Macmillan Company),
Chennai, India, 2008. Trang 60-73.
ABSTRACT
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF MODUL PHASE SHIFTING
DIGITAL RECEIVER X-BAND RADAR
This article presents an experimental study and implementation of a digital
phase shifter module, including four X-band receiver channels. The channels have
the same structure, consist of LNA amplifier, digital phase shifter with 5,60 shift step
and digital attenuator with 0.5 dB resolution to ensure amplitude balance between
channels. Using digital controller connected computer allows flexible adjustment of
phase angle and amplitude of the signal receiver channels, that is basic to design

multi-channel receiver modules for many applications in X-band radar, such as:
Adjust the phase angle and amplitude of the signal receiver channels according to
the specific law; Perform beam synthesis and beam scanning of phased antenna
array; Adjust the receiver channel pair with antiphase and inphase signals to
generate differential channels and sum channels for angle measuring applications
based on signal balance principle.
Keywords: Design phase shifter, X-band radar.

Nhận bài ngày 10 tháng 5 năm 2017
Hoàn thiện ngày 25 tháng 5 năm 2017
Chấp nhận đăng ngày 18 tháng 8 năm 2017
Địa chỉ: 1Phòng Kỹ thuật Máy thu – Viện Ra đa – Viện KHCNQS;
2
Phòng Thiết kế hệ thống – Viện Ra đa – Viện KHCNQS.
*
Email:

76

T. M. Nghĩa, N. Đ. Vinh, …, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo … cho máy thu ra đa băng X.”