Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNS) bằng x dùng cho máy thu radar

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN TRẦN TUẤN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH
ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) BĂNG X
DÙNG CHO MÁY THU RADAR

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN TRẦN TUẤN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU
CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) BĂNG X DÙNG CHO
MÁY THU RADAR
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

HÀ NỘI – 2015

Luận văn tốt nghiệp

2015

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới thầy,
PGS.TS. Bạch Gia Dương. Trong suốt thời gian làm luận văn, thầy đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ và chỉ bảo để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô, anh chị trong Trung tâm Nghiên cứu Điện tử
Viễn thông – Khoa Điện tử Viễn thông – Đại học Công Nghệ, ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ
và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình làm luận văn này.
Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng vì thời gian và kiến thức còn hạn chế nên công
trình nghiên cứu còn nhiều thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ
bảo của các thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 7 năm 2015
Học viên
Nguyễn Trần Tuấn

Nguyễn Trần Tuấn

1

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA)
băng X dùng cho máy thu radar” là công trình nghiên cứu của bản thân. Trong khóa
luận có sử dụng một số tài liệu tham khảo, các tài liệu tham khảo này đã được dẫn chứng
và liệt kê trong mục “Tài liệu tham khảo” ở phần cuối luận văn.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực dựa trên những
nghiên cứu, triển khai và đo đánh giá thực tế. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm đối với
nội dung, các số liệu và kết quả trong luận văn này.

Người cam đoan

Nguyễn Trần Tuấn

Nguyễn Trần Tuấn

2

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................ 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................. 6
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................... 7
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 10
Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG RADAR .............................................................. 11
1.1. Giới thiệu ..................................................................................................................... 11
1.1.1. Các mốc lịch sử phát triển của radar ..................................................................... 11
1.1.2. Một số ứng dụng của radar.................................................................................... 12
1.2. Các tần số hoạt động của radar .................................................................................... 13
1.3. Hệ thống radar ............................................................................................................. 16
1.3.1. Anten radar ............................................................................................................ 17
1.3.2. Máy phát radar ...................................................................................................... 30
1.3.3. Máy thu radar ........................................................................................................ 33
1.4. Phương trình radar ....................................................................................................... 36
1.5. Các tác nhân ảnh hưởng đến khả năng thu phát sóng của hệ thống radar ................... 38
1.5.1. Độ dội radar (clutter radar) ................................................................................... 39
1.5.2. Ảnh hưởng do thời tiết .......................................................................................... 40
1.5.3. Hiệu ứng Doppler .................................................................................................. 41
1.6. Một số hệ thống radar băng X trên thế giới................................................................. 42
1.6.1. Hệ thống radar thời tiết băng X ở Châu Âu .......................................................... 42
1.6.2. Hệ thống SBX ....................................................................................................... 43
1.7. Hệ thống radar tại Việt Nam ....................................................................................... 44
1.7.1. Radar quân sự ........................................................................................................ 45
1.7.2. Radar cho dân sự ................................................................................................... 47
1.8. Kết luận........................................................................................................................ 52
Chương 2: LÝ THUYẾT KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN .................................................. 53
Nguyễn Trần Tuấn

3

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

2.1. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần ........................................................................... 53
2.1.1. Lý thuyết đường truyền sóng ................................................................................ 53
2.1.2. Đồ thị Smith .......................................................................................................... 60
2.1.3. Phối hợp trở kháng ................................................................................................ 65
2.1.4. Mô hình mạng siêu cao tần ................................................................................... 69
2.2. Cở sở lý thuyết thiết kế bộ khuếch đại cao tần tạp âm thấp ........................................ 72
2.2.1. Đường truyền vi dải .............................................................................................. 72
2.2.2. Bộ khuếch đại cao tần tạp âm thấp ....................................................................... 74
2.3. Kết luận........................................................................................................................ 80
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM
THẤP (LNA) BĂNG TẦN X ............................................................................................ 81
3.1. Sơ đồ khối bộ khuếch đại tạp âm thấp......................................................................... 81
3.2. Lựa chọn linh kiện transistor ....................................................................................... 81
3.3. Tính toán và mô phỏng thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp ................................... 84
3.3.1. Mục tiêu thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp ........................................................ 84
3.3.2. Khảo sát độ ổn định............................................................................................... 84
3.3.3. Khảo sát hệ số phẩm chất ...................................................................................... 85
3.3.4. Ước lượng hệ số khuếch đại.................................................................................. 86
3.3.5. Mô phỏng và kết quả mạch khuếch đại tạp âm thấp ............................................. 86
3.4. Chế tạo và đo đánh giá mạch LNA sử dụng SPF-3043............................................... 93
3.5. Kết luận và đánh giá .................................................................................................... 95
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 97
Tài liệu tham khảo .............................................................................................................. 98

Nguyễn Trần Tuấn

4

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AFS
AFTN
AMS

Aeronautical Fix Services

Thông tin cố định hàng không

Aeronautical Fixed

Mạng viễn thông cố định hàng

Telecommunication Network

không

Aeronautical Mobile Services

Thông tin lưu động hàng không

Automatic Message Switching

AMSS

System

Trung tâm chuyển điện văn tự động

ATS/DS

Air Traffic Service/Direct Speech

Thông tin thoại trực tiếp không lưu

DME

Distance Measuring Equipment

Thiết bị đo cự ly

FIR

Flight Information Region

Vùng thông tin bay

HF

High Frequency

Tần số cao

ITU

International Telecommunication
Union

Liên minh viễn thông Quốc tế

NDB

Non Directional Beacon

Đài vô hướng

UHF

Ultra High Frequency

Tần số cực cao

Radar

Radio Detection and Ranging

SMR

Surface Movement Radar

Radar kiểm soát bề mặt

Very High Frequency

Dẫn đường đa hướng sóng cực

Omnidirectional radio range

ngắn

VHF

Very High Frequency

Tần số rất cao

VSAT

Very Small Aperture Terminal

Vệ tính cỡ nhỏ

VOR

Nguyễn Trần Tuấn

5

Dò tìm và định vị bằng sóng vô
tuyến

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 – Các băng tần radar............................................................................................ 14
Bảng 3.1 – Tham số đặc tính của SPF-3043* .................................................................... 82
Bảng 3.2 – Tham số tán xạ (trong dải tần băng X (8 – 10 GHz))** .................................. 83

Nguyễn Trần Tuấn

6

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 – Một số ứng dụng của radar ............................................................................... 13
Hình 1.2 – Sơ đồ khối hệ thống radar monostatic .............................................................. 17

Hình 1.3 – Đồ thị phương hướng bức xạ của anten: a) trong hệ tọa độ cực, b) trong hệ tọa
độ vuông góc ...................................................................................................................... 18
Hình 1.4 – Các loại anten phản xạ: (a) parabol, (b) parabol cylinder, (c) parabol lệch, .... 20
Hình 1.5 – Anten parabol lệch ............................................................................................ 21
Hình 1.6 – Radar với anten parabol cylinder đa búp sóng AN/TPS-63 ............................. 22
Hình 1.7 – Hệ thống radar với anten parabol đơn xung thế hệ thứ 2 ................................. 23
Hình 1.8 – Anten đơn xung (a) Pha, (b) Biên độ ............................................................... 23
Hình 1.9 – Anten Cassegrain .............................................................................................. 24
Hình 1.10 – Anten mảng pha tuyến tính với N phần tử bức xạ.......................................... 25
Hình 1.11 – Hệ thống phân phối –định pha loại 1 ............................................................. 26
Hình 1.12 – Sơ đồ hệ thống phân phối – định hướng loại 1. (a) mắc liên tiếp. (b) mắc song
song ..................................................................................................................................... 27
Hình 1.13 – Hệ thống kiểu mạch kín. (a) mắc nối tiếp, (b) mắc song song, (c) mặc hỗn
hợp song song – nối tiếp ..................................................................................................... 28
Hình 1.14 – Hệ thống phân phối hở ................................................................................... 30
Hình 1.15 – Sơ đồ khối máy phát ....................................................................................... 31
Hình 1.16 – Cấu tạo đèn Magetron .................................................................................... 31
Hình 1.17 – Sơ đồ cách mắc đèn Megatron a) mắc trực tiếp, b) mắc gián tiếp. ................ 32
Hình 1.18 – Sơ đồ khối máy thu radar ............................................................................... 33
Hình 1.19 – Mô hình dự án RHYTMME tại Pháp ............................................................. 43
Hình 1.20 – Hệ thống radar SBX ....................................................................................... 43
Hình 1.21 – Radar P-8 ........................................................................................................ 44
Hình 1.22 – Hệ thống radar thụ động ELM-2288ER và Radar Coast Watcher 100 .......... 45
Hình 1.23 – Radar 30N6E Flap Lid.................................................................................... 46
Hình 1.24 – Radar cảnh giới tầm trung RV-02 .................................................................. 47
Nguyễn Trần Tuấn

7

K19 KTĐT

Luận văn tốt nghiệp

2015

Hình 1.25 – Tầm phủ sóng VHF ........................................................................................ 48
Hình 1.26 – Đài DVOR/DME ............................................................................................. 49
Hình 1.27 – Tầm phủ của radar thứ cấp tại Việt Nam và trạm radar Nội Bài ................... 50
Hình 1.28 – Giám sát bão tại bờ biển Nha Trang – Việt Nam ........................................... 51
Hình 2.1 – Đường truyền sóng (a) và mạch tương đương (b) ............................................ 54
Hình 2.2 – Đường truyền sóng với tải đầu cuối ................................................................. 58
Hình 2.3 – Đồ thị Smith ..................................................................................................... 61
Hình 2.4 – Mô hình cơ bản của mạch phối hợp trở kháng ................................................. 66
Hình 2.5 – Mạch phối hợp trở kháng hình L ...................................................................... 66
Hình 2.6 – Các sơ đồ phối hợp trở kháng dạng L .............................................................. 67
Hình 2.7 – Phối hợp trở kháng dùng dây chêm đơn ........................................................... 68
Hình 2.8 – Phối hợp trở kháng dùng đoạn dây λ/4 ............................................................. 68
Hình 2.9 – Mô hình mạng n cổng ....................................................................................... 70
Hình 2.10 – Mô hình mạng 2 cổng ..................................................................................... 71
Hình 2.11 – Đường truyền vi dải ........................................................................................ 73
Hình 2.12 – Đường sức điện trường và từ trường của đường truyền vi dải ....................... 73
Hình 2.13 – Sơ đồ khối bộ khuếch đại tạp âm thấp sử dụng mạng 2 cổng ........................ 75
Hình 2.14 – Các kiểu sử dụng điện trở để cải thiện độ ổn định ......................................... 76
Hình 3.1 – Sơ đồ khối mạch khuếch đại tạp âm thấp ......................................................... 81
Hình 3.2 – Hệ số khuếch đại của SPF-3043 ....................................................................... 82
Hình 3.3 – Tham số S-Parameter của SPF-3040 trích xuất từ file .S2P ............................ 83
Hình 3.4 – Phân bố các chân của SPF-3043....................................................................... 83
Hình 3.5 – Sơ đồ nguyên lý kiểm tra độ ổn định ............................................................... 85
Hình 3.6 – Hệ số K và ΔS của SPF-3043 ........................................................................... 85

Hình 3.7 – Trở kháng lối vào và lối ra theo ADS2009 ...................................................... 87
Hình 3.8 – Sơ đồ nguyên lý nhánh lối vào ......................................................................... 89
Hình 3.9 – Tham số S11, S21 và VSWR1 của nhánh lối vào ............................................... 89

Nguyễn Trần Tuấn

8

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

Hình 3.10 – Sơ đồ nguyên lý nhánh lối ra .......................................................................... 90
Hình 3.11 – Tham số S22, S12 và VSWR2 của nhánh lối vào ............................................. 90
Hình 3.12 – Sơ đồ nguyên lý phối hợp lối vào và lối ra theo file .S2P của SPF-3043 ...... 91
Hình 3.13 – Tham số S11, S21 và VSWR theo mô phỏng với file .S2P của SPF-3043 ...... 91
Hình 3.14 – Hệ số tạp âm theo mô phỏng SPF-3043 ......................................................... 92
Hình 3.15 – Hệ số K và ΔS với mô phỏng SPF-3043 ........................................................ 92
Hình 3.16 – Layout của LNA băng X sử dụng SPF-3043 ................................................. 93
Hình 3.17 – Mạch LNA chế tạo sử dụng SPF-3043 .......................................................... 93
Hình 3.18 – Đo kiểm tra với máy Anritsu 37369D ............................................................ 94
Hình 3.19 – Tham số S21 trên máy Anritsu 37369D .......................................................... 94
Hình 3.20 – Tham số S11 trên máy Anritsu 37369D .......................................................... 95

Nguyễn Trần Tuấn

9

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

MỞ ĐẦU
Radar là một hệ thống vô tuyến phổ biến dùng để phát hiện và xác định vị trí của mục tiêu
so với trạm radar. Từ khi ra đời cho đến nay, radar không ngừng được cải tiến và ngày
càng hoàn thiện. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học, được ứng dụng thành
tựu về tự động hóa, kỹ thuật điện tử, cùng với sự phát triển về vô tuyến điện, tính năng kỹ
thuật, khai thác và hoạt động của radar được nâng cao không ngừng và ngày càng đi sâu
vào phục vụ đời sống như giao thông hàng không, giám sát thời tiết và đặc biệt là trong
lĩnh vực quân sự với khả năng phát hiện mục tiêu nhanh chóng và giám sát bảo vệ biển.
Các radar hiện đại ngày nay sử dụng anten mảng pha băng X nhằm đạt được độ phân giải
cao ảnh quét trên màn hình radar. Chính vì vậy, trong các hệ thống radar, máy thu luôn
đóng vai trò quan trọng, có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản xạ từ mục tiêu về, qua anten,
biến thành tín hiệu điện rồi khuếch đại đưa sang thiết bị chỉ báo hiển thị điểm dấu mục
tiêu.
Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) là bộ khuếch đại tầng đầu vào của máy thu radar, được
đặt gần anten, có vai trò quan trọng nhằm tăng tín hiệu thu mong muốn và giảm tạp âm
gây ra trên tuyến anten và feeder.
Để tiếp cận và dần đi sâu vào lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo thiết bị ứng dụng trong đời
sống thực tế, luận văn tập trung nghiên cứu với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ
khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) băng X dùng cho máy thu radar”. Nội
dung chính của đề tài sẽ được phân bổ theo 3 chương chính như sau:
-

Chương 1: Tổng quan hệ thống radar

-

Chương 2: Lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần

-

Chương 3: Thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) băng
tần X.

Thiết kế, chế tạo thiết bị LNA làm việc ở băng tần X (8 GHz – 12 GHz) là một thử thách
rất khó khăn do tần số làm việc rất cao nhưng thiết bị chế tạo được sẽ trở nên thiết thực
trong xu hướng ngày càng nhiều ứng dụng kỹ thuật vào đời sống như hiện nay.

Nguyễn Trần Tuấn

10

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG RADAR

1.1. Giới thiệu
Radar là một hệ thống định vị mục tiêu sử dụng sóng vô tuyến để xác định khoảng cách,

góc hoặc tốc độ của mục tiêu so với trạm radar. Đây là một hệ thống vô tuyến được
nghiên cứu và ra đời từ rất lâu (trước thế chiến thứ 2).
Nguyên tắc hoạt động của radar cơ bản dựa trên sự phản xạ của sóng vô tuyến khi phát
đến mục tiêu. Máy phát của radar sẽ truyền đi một chùm sóng vô tuyến có cường độ lớn
và thu lại sóng phản xạ từ mục tiêu bằng máy thu có độ nhạy cao. Bằng cách phân tích
sóng vô tuyến phản xạ, mục tiêu sẽ được định vị. Radar thích hợp để định vị những mục
tiêu ở khoảng cách xa mà các sóng phản xạ khác như sóng âm thanh hoặc ánh sáng quá
yếu không thể định vị. Sóng vô tuyến của hệ thống radar có khả năng truyền trong không
gian và trên bề mặt (mặt đất, mặt biển,…). Do đó, dưới bề mặt biển, các ứng dụng sẽ
không sử dụng radar để định vị mà dùng thiết bị sonar với khả năng phát tín hiệu sóng
siêu âm.
1.1.1. Các mốc lịch sử phát triển của radar
Như đã biết, radar được nghiên cứu và phát minh từ rất sớm, những năm đầu thế kỷ 20,
cho mục đích phát hiện, nhận dạng và xác định khoảng cách các mục tiêu từ xa bằng sóng
điện từ. Tuy nhiên, ý tưởng khởi đầu cho việc nghiên cứu, phát minh và phát triển radar
lại bắt đầu từ các thí nghiệm về bức xạ sóng điện từ vào thế kỷ 19:
+ Năm 1800, nhà vật lý người Anh, Michael Faraday chứng minh dòng điện có khả năng
tạo ra trường điện từ.
+ Năm 1864, James Maxwell đưa ra lý thuyết về trường điện từ.
+ Năm 1886, nhà vật lý người Đức, Heinrich Hertz chứng minh lý thuyết của Maxwell và
phát hiện ra rằng bức xạ điện từ có tính chất sóng, có thể truyền trong không gian và phản
xạ lại từ một vật kim loại.

Nguyễn Trần Tuấn

11

K19 KTĐT

Luận văn tốt nghiệp

2015

+ Năm 1904, một kỹ sư người Đức tên Christian Hulsmeyer là người đầu tiên sử dụng
sóng điện từ để phát hiện ra vật thể ở cự ly nhất định. Ông chứng minh được tính khả thi
bằng việc sử dụng sóng điện từ để phát hiện tàu bè. Tuy nhiên, thiết bị đơn giản mà ông
phát minh chỉ có thể phát sóng điện từ hoạt động ở cự ly ngắn.
Đến giai đoạn từ 1934 – 1939, thấy được những ưu việt của hệ thống phát sóng điện từ có
khả năng phát hiện và định vị được mục tiêu, tám quốc gia hàng đầu trên thế giới là Anh,
Đức, Mỹ, Liên Xô, Nhật, Hà Lan, Pháp và Ý đã tập trung nghiên cứu và phát triển độc lập
nhằm đưa ra hệ thống hoàn chỉnh.
+ Thuật ngữ “radar” được sử dụng lần đầu khi Mỹ triển khai các hệ thống này cho hải
quân.
+ Các hệ thống radar trong thời kỳ thế chiến thứ 2 được sử dụng chủ yếu cho mục đích
quân sự để phòng thủ, phát hiện và theo dõi các máy bay đối phương.
+ Các hệ thống radar trong thời kỳ này hoạt động chủ yếu ở băng tần thấp (HF và VHF).
Chỉ đến khi các nhà khoa học người Anh (1939) phát minh ra bộ tạo dao động cộng
hưởng tần số cao (magnetron), các hệ thống radar mới có khả năng hoạt động ở các tần số
cao hơn.
Sau chiến tranh, công nghệ phát triển radar cho mục đích quân sự được chuyển dần sang
các mục đích khác. Từ những năm 1950, các thế hệ radar mới ra đời và trở nên quan trọng
trong lĩnh vực dân sự và các lĩnh vực khoa học khác.
Cho đến ngày nay, dù được phát triển cho bất kỳ mục đích nào, quân sự hay dân sự, các
phẩm chất cơ bản nhưng quan trọng của radar là định vị và xác định khoảng cách mục
tiêu vẫn được duy trì và phát huy.
1.1.2. Một số ứng dụng của radar
Ngày nay, radar được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau như dân sự, quân
sự hoặc khoa học. Và đối với mỗi lĩnh vực, radar lại có các vai trò khác nhau [6].

Nguyễn Trần Tuấn

12

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

Hình 1.1 – Một số ứng dụng của radar
Ứng dụng trong lĩnh vực dân sự:
-

Giám sát sân bay, thời tiết, khí hậu,…

-

Điều khiển không lưu, dẫn đường hàng không

-

Đo tốc độ (radar cảnh sát)

-

Xây dựng bản đồ địa lý….

Ứng dụng trong quân sự:

-

Định vị mục tiêu và dẫn đường tên lửa

-

Cảnh giới: phát hiện và theo dõi vật thể lạ

-

Tìm kiếm mất tích….

Ứng dụng trong khoa học:
-

Thiên văn học

-

Đo khoảng cách

-

Cảm biến….

1.2. Các tần số hoạt động của radar
Hiện nay, các băng tần được sử dụng cho radar trước đây trong thế chiến thứ 2 (tên băng
tần và dải tần số) vẫn được sử dụng trong các lĩnh vực quân sự và hàng không. Và để có
thể kiểm soát một cách tốt nhất và sử dụng hiệu quả, các băng tần radar được tổ chức tiêu

Nguyễn Trần Tuấn

13

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

chuẩn quốc tế ITU quy định và phân bổ. Ngoài ra, nhiều nước trên thế giới cũng tự bổ
sung các quy định trong việc phân bổ băng tần radar tại các nước đó cho mục đích sử
dụng trong quân sự hay dân sự.
Bảng 1.1 – Các băng tần radar
Băng
tần

Dải tần số

Băng tần con phân bổ cho radar

Bước sóng

(theo ITU)

HF

3–30 MHz

10–100 m

VHF

30–300 MHz

1–10 m

138 MHz-144MHz; 216 MHz-225 MHz

UHF

300–1000 MHz

0,3–1 m

420 MHz-450MHz; 890 MHz-942MHz

L

1–2 GHz

15–30 cm

1215 MHz-1400MHz

S

2–4 GHz

7,5–15 cm

2300 MHz-2500MHz; 2700 MHz-3700MHz

C

4–8 GHz

3,75–7,5 cm

5250 MHz-5925MHz

X

8–12 GHz

2,5–3,75 cm

8500 MHz-10,680 MHz

Ku

12–18 GHz

1,67–2,5 cm

13,4 GHz-14GHz; 15,7 GHz-17,7GHz

K

18–27 GHz

1,11–1,67 cm

24,05 GHz-24,25GHz

Ka

27–40 GHz

0,75–1,11 cm

33,4 GHz-36,0GHz
126 GHz-142GHz; 144 GHz-149GHz

mm

40–300 GHz

1,0–7,5 mm
231 GHz-235GHz; 238 GHz-248GHz

Băng tần HF: các hệ thống radar dùng băng tần HF được sử dụng lần đầu tiên vào những
năm đầu thế chiến 2, do Anh nghiên cứu và phát triển. Các ứng dụng chủ yếu trong thời
kỳ này của radar băng tần HF là để phát hiện các máy bay ném bom. Thực tế khi sử dụng,
các thế hệ radar này cũng mang nhiều nhược điểm như yêu cầu anten kích thước lớn để
đạt được độ rộng búp sóng hẹp, hệ số tạp âm cao. Và do sử dụng bước sóng dài nên các
mục tiêu dễ rơi vào vùng không đồng nhất do tán xạ Rayleigh làm khó xác định khoảng
cách mục tiêu. Ngày nay, các radar băng tần HF vẫn được sử dụng để giám sát các mục

Nguyễn Trần Tuấn

14

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

tiêu ở rất xa (đường chân trời) hay radar giám sát bờ biển do bước sóng dài của băng tần
sử dụng.
Băng tần VHF: radar dùng băng tần VHF rất phổ biến vào những năm 1930 phục vụ cho
mục đích quân sự. Cũng giống như radar băng tần HF, các radar dùng băng tần VHF cũng
mang các nhược điểm như yêu cầu kích thước anten lớn, tạp âm cao. Tuy nhiên do bước
sóng dài nên các radar băng tần VHF được sử dụng đề giám sát bờ biển và đường chân
trời, đồng thời sử dụng trong các radar cảnh giới tầm trung sóng mét.
Băng tần UHF: các radar dùng băng tần UHF có độ tạp âm thấp hơn so với các radar HF
và VHF và độ rộng búp sóng phát cũng hẹp hơn, kích thước anten yêu cầu đủ lớn. Ứng
dụng chính của radar băng UHF chủ yếu trong việc giám sát mục tiêu ở xa, phát hiện máy
bay tàng hình hay tên lửa hành trình đồng thời được sử dụng trong các đài radar cảnh giới
tầm thấp dải sóng dm.
Băng tần L: radar dùng băng tần L được sử dụng chủ yếu trong việc giám sát mục tiêu ở
cự ly xa và điều khiển các mục tiêu trong không gian. So với các radar băng tần thấp như
UHF và VHF, radar dùng băng tần L chịu mức tạp âm thấp hơn.
Băng tần S: radar dùng băng tần S thường được trang bị cho hải quân phục vụ mục đích
giám sát các mục tiêu ở cự ly xa hay giám sát sân bay với các mục tiêu ở cự ly trung bình.
Ngoài ra, thế hệ các radar 3D mới dùng trong quân sự sử dụng băng tần S nhằm kiểm soát
vùng trời như giám sát, theo dõi và bám mục tiêu, điều phối hạ cánh ở các sân bay.

Băng tần C: chủ yếu dùng cho các radar giám sát các mục tiêu ở cự ly trung bình như
radar thời tiết hay radar sử dụng anten mảng pha dùng để phòng thủ tên lửa trong quân sự.
Băng tần X: trước đây, băng tần X thường sử dụng cho mục đích quân sự như giám sát
mục tiêu ở cự ly ngắn, bám và dẫn đường tên lửa. Hiện nay, ngoài các ứng dụng trong
quân sự, các radar dùng băng X còn được sử dụng cho các mục đích dân sự như dẫn
đường và định hướng tàu bè, giám sát thời tiết. Ưu điểm của các radar dùng băng X là
thông tin hiển thị trên màn hình có độ phân giải cao và anten yêu cầu có kích thước nhỏ.

Nguyễn Trần Tuấn

15

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

Băng tần Ku, K và Ka: radar dùng băng K được phát triển vào những năm giữa thế chiến
thứ 2 với bước sóng 1,25 cm (ở tần số 24GHz). Tuy nhiên, sau đó, không được sử dụng
nhiều do sóng vô tuyến bị hấp thụ mạnh bởi hơi nước. Tùy thuộc vào mức độ hấp thụ mà
sau đó, băng tần K được tổ chức IEEE chia thành 3 băng con: băng tần Ku từ tần số 12 -18
GHz, băng tần K từ tần số 18 – 27 GHz, và băng tần Ka từ tần số 27 – 40GHz. Các ứng
dụng của radar băng tần Ku chủ yếu để giám sát bề mặt đất sân bay do độ phân giải cao.
Với băng tần K, dùng trong radar khí tượng, giám sát thời tiết và các súng radar của cảnh
sát để đo tốc độ. Băng tần Ka dùng cho các thiết bị để lập bản đồ có độ phân giải cao và
thử nghiệm thông tin.
Băng tần mm: đây là băng tần có tần số >40 GHz, chủ yếu dùng cho các hoạt động thử
nghiệm thông tin, nghiên cứu radar sóng mm hay dùng giữa các vệ tinh trong cụm các vệ

tinh [8].
1.3. Hệ thống radar
Nguyên lý chung của các hệ thống radar là phát sóng vô tuyến (sóng điện từ tần số cao)
vào không gian theo cơ chế phát xung và thu lại xung phản xạ từ mục tiêu nhằm phát hiện
và xác định khoảng cách mục tiêu. Xung do radar phát ra có độ dài là τx, với tần số lặp
xung là fx = 1/Tx (Tx là chu kỳ lặp xung). Chiều dài xung τx thay đổi phụ thuộc vào tầm
hoạt động của radar nhưng vẫn đảm bảo chứa số lượng dao động siêu cao tần nhất định và
công suất xung phát. Thông thường, các radar được thiết kế với hai mức xung ngắn và
xung dài. Khi đó, xung ngắn để tăng khả năng phân giải theo khoảng cách, trong khi xung
dài để tăng công suất phát và khả năng phát hiện mục tiêu [3].
Đối với chu kỳ lặp xung Tx cũng phải đảm bảo sao cho tín hiệu từ mục tiêu xa nhất trong
tầm hoạt động phản xạ về tới anten rồi mới phát đi xung tiếp theo, hay phải đảm bảo cho:
Tx ≥ 2Rmax/c

(1.1)

Về hình thái hệ thống radar cơ bản được chia thành hai loại là hệ thống radar monostatic
và bistatic [6]. Các hệ thống radar monostatic là các hệ thống radar mà sử dụng chung
anten cho việc phát và thu sóng điện từ. Trong khi, các hệ thống radar bistatic sẽ sử dụng
2 anten riêng rẽ cho việc phát và thu. Thực tế, với việc tối ưu cấu hình một hệ thống radar
Nguyễn Trần Tuấn

16

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

và tạo sự thuận tiện cho việc khai thác sử dụng, các hệ thống radar kiểu monostatic được
sử dụng phổ biến hơn cả.
Anten
Bộ tạo dao
động cao tần

Bộ chuyển
mạch

Bộ bảo
vệ máy
thu

Bộ tạo xung

Bộ trộn
LNA

IF

~
Bộ dao động nội

Bộ tách
sóng

Bộ khuếch đại
xung ảnh

Màn hình
hiển thị

Bộ khử
nhiễu

Hình 1.2 – Sơ đồ khối hệ thống radar monostatic
Theo hình 1.2, có thể thấy, hệ thống radar monostatic sử dụng duy nhất một anten và cần
có thiết bịchuyển mạch thu phát (duplexer) nhằm phân chia hoạt động phát và thu sóng
điện từ [6].Thiết bị chuyển mạch thu phát đóng vai trò chuyển mạch nhanh nhằm bảo vệ
thiết bị thu tín hiệu khỏi các tác động xấu khi thiết bị phát hoạt động ở công suất cao. Khi
nhận tín hiệu, thiết bị phát được tắt và thiết bị chuyển mạch thu phát sẽ chuyển trực tiếp
tín hiệu thu được tới thiết bị thu. Thông thường, thiết bị chuyển mạch thu phát là các thiết
bị phóng điện chất khí và có thể sử dụng cùng với bộ bảo vệ thiết bị thu bán dẫn. Các bộ
bảo vệ thiết bị thu bán dẫn này là các vòng bán dẫn nhằm cung cấp khả năng cách ly giữa
máy phát và máy thu.
1.3.1. Anten radar
Thiết bị dùng để phát sóng vô tuyến tạo ra bởi máy phát và thu sóng phản xạ trở về đưa
vào ống dẫn sóng tới máy thu. Anten sử dụng cho radar là các anten định hướng và có bề
mặt phản xạ lớn. Kích thước bề mặt của anten phụ thuộc tần số và môi trường mà radar
đó hoạt động. Với tần số càng thấp yêu cầu diện tích bề mặt hiệu dụng của radar càng lớn
[8].

Nguyễn Trần Tuấn

17

K19 KTĐT

Luận văn tốt nghiệp

2015

Tham số quan trọng nhất quyết định đến phẩm chất của một anten là độ lợi G, có biểu
thức như sau:
G(θ,φ) = ηAD(θ,φ)

(1.2)

trong đó:
G(θ,φ) : độ lợi của anten theo góc phương vị (θ,φ)
ηA: hiệu suất của anten (tỉ số giữa công suất phát xạ trên công suất đưa vào anten)
D(θ,φ) : hệ số định hướng của anten theo (θ,φ)
Với các anten siêu cao tần, độ lợi cực đại Gmax của anten được xác định theo biểu thức
sau:
Gmax = (4π/λ2)Ae

(1.3)

trong đó:
λ : bước sóng (λ = c/f với c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng và f là tần số)
Ae: diện tích bề mặt hiệu dụng của anten

a)

b)

Hình 1.3 – Đồ thị phương hướng bức xạ của anten:a) trong hệ tọa độ cực,b) trong hệ tọa
độ vuông góc

Từ biểu thức trên, có thể thấy, độ lợi của anten tỷ lệ với tần số và diện tích bề mặt hiệu
dụng của anten. Điều đó cho thấy, tần số càng cao hoặc diện tíchbề mặt anten càng lớn thì

Nguyễn Trần Tuấn

18

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

độ lợi của anten càng lớn. Như vậy, khi phát sóng điện từ, để tăng độ lợi anten, người ta
thường tăng kích thước anten.
Đồ thị phương hướng bức xạ của anten biểu thị sự biến đổi độ lợi của anten theo các
hướng khác nhau, thường được biểu diễn bằng tọa độ cực hoặc tọa độ vuông góc.
Trong thực tế, thường sử dụng khái niệm độ rộng búp sóng hoặc góc nửa công suất, là
góc hợp bởi hai hướng mà ở đó mức công suất giảm đi một nửa so với mức công suất cực
đại. Trên hình 1.3, có thể thấy độ rộng búp sóng chính là 3dB, và nó là hàm phụ thuộc tỷ
số λ/D. Nếu xét một anten parabol, độ rộng búp sóng chính 3dB của đồ thị phương hướng
có thể tính bằng biểu thức:
θ3dB = 70λ/D = 70c/fD

(1.4)

trong đó:
θ: độ rộng búp sóng ở mức nửa công suất
λ: bước sóng (λ = c/f với c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng và f là tần số)

D: đường kính anten parabol
Bên cạnh búp sóng chính còn có các búp sóng phụ; nếu búp sóng phụ càng nhỏ thì năng
lượng tập trung cho búp sóng chính càng lớn và khả năng tránh can nhiễu giữa các hệ
thống càng cao.
Khi lựa chọn anten cho một hệ thống radar phải đảm bảo một số yêu cầu cơ bản sau [3]:
-

Anten có thể dùng chung (radar monostatic) hoặc riêng (radar bistatic) cho cả hệ
thống thu và phát.

-

Anten định hướng cao để xác định chính xác vị trí mục tiêu.

-

Anten phải có khả năng quét tròn được 3600 phát hiện được mục tiêu trên tất cả các
hướng.

-

Phải có tối thiểu 10 – 12 xung đập vào mục tiêu sau mỗi vòng quay của anten với
tốc độ 20-24 vòng/phút đểđảm bảo công suất xung phản xạ.

-

Diện tích bề mặt hiệu dụng Ae của anten đủ lớn để thu nhận tín hiệu phản xạđược
tốt.

Nguyễn Trần Tuấn

19

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

-

Cường độ búp phụ nhỏ (mức phát búp phụ không quá 20-30 dB).

-

Vị trí đặt anten cao để nâng tầm xa tác dụng, anten không bị vướng hay bị che
khuất, không đặt gần các vật làm ảnh hưởng đến khả năng phát và thu sóng phản
xạ của anten.

-

Lắp đặt anten không ảnh hưởng đến các hệ thống vô tuyến điện xung quanh.

Các loại anten chủ yếu thường dùng cho radar thường là các loại anten có bề mặt phản xạ
lớn như các loại anten parabol, anten Cassegrain,…hay bề mặt hiệu dụng lớn như anten
mảng pha.
1.3.1.1. Các loại anten mặt phản xạ
Anten mặt phản xạ là tên gọi chung cho các loại anten có bề mặt hiệu dụng là bề mặt phản
xạ có kích thước lớn. Bề mặt phản xạ có hình dạng kích thước khác nhau tùy thuộc vào

các ứng dụng nhằm tăng độ lợi và đạt độ rộng búp sóng hẹp.

Hình 1.4 – Các loại anten phản xạ: (a) parabol, (b) parabol cylinder, (c) parabol lệch,
(d) parabol nhiều ống dẫn sóng, (e) parabol xung đơn, (f) Cassegrain, (g) parabol thấu
kính.
Nguyễn Trần Tuấn

20

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

Hình 1.4 biểu diễn một số loại anten parabol phản xạ. Có thể thấy, cấu trúc cơ bản của các
loại anten parabol bao gồm hai phần: phần phản xạ và phần bức xạ. Tùy thuộc vào hình
dạng của phần phản xạ, số lượng phần bức xạ hoặc tính năng mà anten có tên gọi khác
nhau. Phân loại anten mặt phản xạ có thể chia thành ba loại sau:
-

Anten parabol đơn búp sóng:

Cấu trúc của loại anten parabol này gồm một bộ phản xạ và một bộ bức xạ. Bộ phản xạ có
thể có hình dạng mặt mở nửa tròn hoặc mặt mở nửa trụcó khả năng hội tụ để tập trung
năng lượng vào một phương duy nhất. Do đó, các anten parabol có tính định hướng cao.
Đối với bộ bức xạ thường là anten loa. Bộ phận bức xạ có thể đặt theo phương trục chính
(xem Hình 1.4a) hoặc đặt lệch phương trục chính (xem Hình 1.4c) nhằm khắc phục hiệu
ứng che chắn gây giảm mức năng lượng phát.

Hình 1.5 – Anten parabol lệch
Bộ phận bức xạ thường được che bằng loại vật liệu đặc biệt, hấp thụ rất ít nănglượng và
chỉ cho phép xung vô tuyếnđi xuyên qua. Trong thực tế, các loại anten parabol có bộ phận
bức xạ đặt lệch so với phương trục chính được sử dụng cho các hệ thống radar phổ biến
hơn so với loại đặt theo phương trục chính. Điều này cho phép năng lượng sau khi phản
xạ từbề mặt parabol không quay trở lại bộ phận bức xạ làm giảm tính định hướng của
anten vàảnh hưởng tới đèn Magnetron, giảm bớt mức cản đối với sóng radar phát đi và
phảnxạ về, đồng thời hướng cho tia sóng phát đi song song với mặt phẳng nằmngang [3].
Nguyễn Trần Tuấn

21

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp
-

2015

Anten parabol đa búp sóng

Với một loa bức xạ sóng khi phản xạ qua bề mặt parabol sẽ cho một búp sóng. Với nhiều
loa bức xạ sóng được đặt phù hợp sẽ cho nhiều búp sóng qua bề mặt phản xạ parabol.
Điều này làm tăng công suất của anten parabol nhằm mở rộng phạm vi phát sóng của
anten.

Hình 1.6 – Radar với anten parabol cylinderđa búp sóng AN/TPS-63
Cấu trúc của các anten parabol về cơ bản vẫn bao gồm thành phần phản xạ và thành phần

bức xạ. Tuy nhiên, với thành phần bức xạ, thay vì một loa bức xạ sẽ có nhiều loa bức xạ
tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. Với mỗi búp sóng từ loa bức xạ bổ sung liền kề nhau sẽ
giúp tăng độ lợi tối đa nếu so với các loại anten parabol chỉ có một búp sóng.
Anten parabol đơn xung (monopulse) là một loại anten đa búp sóng khá phổ biến dùng
trong các hệ thống radar bám mục tiêu, luôn theo sát mục tiêu và thực hiện các phương
pháp đo góc.

Nguyễn Trần Tuấn

22

K19 KTĐT


Luận văn tốt nghiệp

2015

Hình 1.7 – Hệ thống radar với anten parabol đơn xung thế hệ thứ 2
Hệ thống anten parabol đơn xung được chia thành 2 loại cơ bản là đơn xung pha (Hình
1.8a) và đơn xung biên độ (Hình 1.8b). So với đơn xung pha, anten đơn xung biên độ
được sử dụng khá phổ biến do khả năng phát sóng đi xa, bức xạ phát là tổng của các bức
xạ đơn từ các loa bức xạ, búp sóng phụ nhỏ.

Hình 1.8 – Anten đơn xung (a) Pha, (b) Biên độ
Đối với anten đơn xung biên độ yêu cầu kích thước của các loa bức xạ nhỏ, trong khi với
anten đơn xung pha sẽ yêu cầu kích thước các loa bức xạ riêng biệt lớn hơn [8].
-

Anten parabol đa mặt phản xạ

Một trong những anten được dùng phổ biến nhất của loại anten parabol đa mặt phản xạ là
anten Cassegrain.Đây là loại anten gương kép, có một gương phản xạ parabol gọi là
Nguyễn Trần Tuấn

23

K19 KTĐT