Nghiên cứu thiết kế chế tạo modun khuếch đại công suất dùng trong máy phát rada dải sóng DM (820 900MHZ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGÔ VĂN THƢỞNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI
CÔNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SÓNG
DM(820-900MHZ)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI – 2011

1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGÔ VĂN THƢỞNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI
CÔNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SÓNG
DM(820-900MHZ)

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
Mã sô: 60 44 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BẠCH GIA DƢƠNG

HÀ NỘI - 2011

2


LỜI MỞ ĐẦU
Trong thiên nhiên, tạo hóa đã ban cho một số loài vật có khả năng kì diệu
như những máy radar. Những con dơi hoặc những con cá heo phát ra những sóng
siêu âm trên nhứng “anten” của chúng để tìm kiếm định vị con mồi. Từ cách thức
săn mồi của loài dơi và một số loài khác đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu
và phát minh ra cách định vị mục tiêu bằng sóng siêu âm. Hay còn gọi là kỹ thuật
radar(“Radio Detecting And Ranging,” nghĩa là dò tìm và xác định khoảng cách
bằng sóng vô tuyến. Trong chiến tranh, hàng loạt các đài radar được cho ra đời với
nhiều chiến thuật khác nhau, nâng cao khả năng chiến đấu cho quân đội. Sau chiến
tranh, các nhà khoa học tập trung cải tiến, chế tạo các đài radar mới không những
phục vụ trong quân sự mà còn trong lĩnh vực thiên văn và đời sống xã hội phục vụ
cho lợi ích loài người.

Radar là một thiết bị kết hợp rất nhiều khối điện tử phức tạp cả về công nghệ
và khoa học, chính vì vậy trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, với mục tiêu nghiên
cứu và chế tạo khối khuếch đại công suất sử dụng trong máy phát Radar tầm thấp,
tôi xin giới thiệu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo module
khuếch đại công suất dùng trong máy phát
Radar dải sóng dm(820-900Mhz) ”. Bằng lý thuyết và thực nghiệm, luận văn đã
thực hiện những nội dung sau:
-

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các đài radar hoạt động ở

dải sóng dm.

-

Tìm hiểu về kỹ thuật thu phát siêu cao tần

-

Tìm hiểu sâu về kỹ thuật phối hợp trở kháng và chế tạo thành

công một module khuyếch đại công suất 80W, hoạt động ở dải tần
820Mhz – 900Mhz, hệ số khuyếch đại là
17dB.

3


-

Đánh giá kết quả đã đạt được trong luận văn và hướng

nghiên cứu phát triển tiếp từ luận văn.
Nội dung của luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về hệ thống Radar
Chương 2. Kỹ thuật thu phát siêu cao tần
Chương 3. Thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất siêu cao
tần

4


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI

CÔNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SÓNG
DM(820-900MHZ)
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR
1.

Lịch sử phát triển của Radar

Từ xa xưa, trong thiên nhiên hoang dã, tạo hóa đã b an cho chúng ta những
cỗ máy “radar” kì diệu. Chú dơi phát ra sóng siêu âm từ mũi, nhận tiếng vọng tại
hai “ăng-ten” ở hai tai, qua đó phân tích để tìm kiếm và định vị mồi.

Hình 1.0: Cách săn bắt mồi của loài dơi
 Những ngày đầu tiên thí nghiệm và khám phá của con ngƣời
Năm 1887, nhà vật lý Đức Heinrich Hertz lần đầu tiên đã tạo ra sóng vô
tuyến trong phòng thí nghiệm. Các sóng này có thể truyền qua hoặc phản xạ bởi các
loại vật liệu khác nhau. Với cống hiến tuyệt vời này, Hertz được nhân loại tôn vinh
và lấy tên ông làm đơn vị tần số sóng vô tuyến.

5


Ngày 7/5/1895, nhà bác học Nga A.S. Pô -pôp phát minh ra một dụng cụ có
thể thu và ghi lại hiện tượng sét ở cách xa 30 km. Tháng 3/1896, Pô - pôp đã truyền
đi được một bức vô tuyến điện tín đầu tiên trong lịch sử với nội dung “Heinrich
Hertz”, đánh dấu một trong những phát minh to lớn nhất của nhân loại: phát minh
ra vô tuyến điện. Một trong những ứng dụng quan trọng của vô tuyến điện là phát
hiện và định vị, còn gọi là radar (RAdio Detection And Ranging - RADAR). Tên
“radar” do hải quân Mỹ đặt trong đại chiến thế giới lần thứ hai, nay đã trở nên
thông dụng.
Cống hiến của Pô-pôp không dừng lại ở đó. Năm 1897, trong thí nghiệm về

cự ly thông tin vô tuyến điện, ông gặp một hiện tượng bất ngờ khi liên lạc vô tuyến
giữa hai tàu bị cắt đứt lúc có một tuần dương hạm chạy ngang qua. Lí do được giải
thích là do sóng vô tuyến bị phản xạ khi gặp chướng ngại vật. Ông đã nghĩ ngay ra
việc lợi dụng hiện tượng nà y để kiểm tra, xác định vị trí và dẫn đường cho tàu
thuyền. Đây được coi là thời điểm khởi đầu của các hệ thống radar.

Năm 1904, Christian Hülsmeyer đã nhận được bằng sáng chế của Đức cho
thiết bị gọi là Teltôiobiloskop, thiết bị quan sát vật thể từ xa.
Năm 1922, Guglielmo Marconi đã có một bài diễn thuyết trình bày về
ý tưởng là có thể phát hiện được những vật thể từ xa sử dụng sóng vô tuyến. Nhưng
mãi đến năm 1933, ông mới đưa ra được thiết bị đầu tiên như vậy.
Trong năm 1925/26, hai nhà vật lý Mỹ Breit và Tuve, cũng như hai nhà
nghiên cứu Anh Appleton và Barnett đã trình diễn một số phép đo bầu khí quyển
Trái đất, sử dụng một bộ phát xung vô tuyến và được coi như một radar.

Năm 1933 Viện German Kriegsmarine (Navy) bắt đầu nghiên cứu cái gọi là
Funkmesstecknik hay công nghệ đo đạc từ xa.

6


Nghiên cứu ở Nga bắt đầu từ những năm 1934. Các đài mẫu đầu tiên công
tác trên sóng dm và sóng m dựa vào hiện tượng phách giữa sóng tới liên tục và tín
hiệu phản xạ từ mục tiêu.
Năm 1937, Sir Robert Watson-Watt thành công trong việc tạo ra một hệ
thống cho phép phát hiện máy bay ném bom từ khoảng cách lớn hơn 150 km. Và
ông được coi là người phát minh ra hệ thống radar hoàn chỉnh.


Trong chiến tranh thế giới lần thứ 2

Trong những năm ác liệt của chiến tranh, Liên -xô đã cho ra đời hàng loạt
các đài radar với nhiều chiến thuật khác nhau, nâng cao khả năng chiến đấu cho
quân đội và đã góp phần vào thắng lợi chung của Hồng quân Liên - xô. Cùng lúc,
các nước như Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Nhật cũng để nhiều sức lực vào việc phát triển
kỹ thuật radar. Năm 1936, Anh xây dựng một hàng rào radar để bảo vệ toàn bộ bờ
biển, tầm xa 250 km. Về sau, Anh cải tiến và chế tạo được các đài radar sóng 10 cm
và 3 cm, giúp ích nhiều cho không quân trong việc oanh tạc các tàu ngầm của Đức.

Năm 1939, Mỹ có các đài radar ngắm bắn cao xạ dùng sóng dài 1,5 m, tầm
xa 150 km. Nhưng các đài này lại không phân biệt được máy bay ta và máy bay
địch. Cho nên, ngày 7/12/1941, Mỹ đã chịu thất bại nặng nề trong trận tấn công
Trân Châu Cảng của Nhật vào căn cứ hải quân Mỹ. Sau thất bại này, Mỹ cũng đã cố
gắng nghiên cứu thêm về radar sóng cm.
Năm 1939, Đức đã trang bị 6000 đài radar sóng 50 cm giúp cho pháo cao xạ
hạ được từ 10 đến 12% máy bay phóng pháo của Đồng minh. Nhưng sau đó, khi thu
được chiến lợi phẩm một số đài 3 -4 cm của Anh, người Đức thấy xấu hơn nên đã
chủ quan và ngừng nghiên cứu các đài sóng cm. Vì thế, các hạm đội Đức đã bị thiệt
hại nặng nề khi máy bay ném bom của Đồng minh có trang bị radar sóng 3 cm.

7


Với tính cạnh tranh sống còn như vậy, vào cuối cuộc chi ến kinh thiên động
địa, hầu hết các công nghệ radar hiện đại mà nay đang sử dụng đã xuất hiện.



Thời bình

Sau chiến tranh, các nhà khoa học lại tập trung nghiên cứu cải thiện các dải
sóng cm, sóng mm để áp dụng trong quân sự, thiên văn và đời sống xã hội. Năm
1946, Liên-xô, Mỹ và Hung-ga-ri đã dùng radar phóng sóng điện từ lên mặt trăng
và thu được tiếng vọng trở về sau khoảng 2,5 giây, từ đó đưa ra phương pháp xác
định khoảng cách đến các thiên thể.
Không còn là công cụ độc quyền của quân đội, radar đã thâm nhập vào cuộc
sống vì radar thế hệ mới nhỏ hơn, rẻ hơn, dễ sản xuất hơn và mạnh hơn nhiều.

Từ trên vệ tinh đang quay theo quỹ đạo trái đất, radar hiện đại có thể dò tìm
bên dưới sa mạc của Ai Cập và nhìn thấy những lòng sông cổ cũng như phế tích.

Hãng xe Toyota và nhiều hãng xe hơi trên thế giới đang lắp đặt một hệ thống
rađa cảnh báo va chạm cho loại xe sang trọng hoặc trang bị nho những xe không
người lái. Một giây sau khi radar trên xe dò thấy một vụ va chạm sắp tới gần, ô-tô
sẽ tự thắt chặt dây an toàn quanh hành khách và bắt đầu giảm tốc độ. Các vụ va
chạm ở sườn xe xảy ra do lái xe không nhìn thấy một xe khác trong ''điểm mù'' của
họ khi chuyển làn đường. Chúng chiếm hơn 413.000 vụ tai nạn ô-tô mỗi năm và
làm bị thương hơn 160.000 người. Ngoài ra, radar tầm xa có thể được sử dụng để
xác định tốc độ của những chiếc xe đang tới gần trong những tình huống như hoà
vào dòng xe cộ trên xa lộ hoặc đánh giá liệu quẹo xe có an toàn hay không.

Hiện radar bắt đầu được sử dụng để giám sát giao thông trên xa lộ, giúp các
nhà hoạch định biết được số xe, tình trạng tắc nghẽn, tốc độ trung bình và thậm chí
là kích cỡ xe trên đường. Độ tin cậy và khả nă ng ''nhìn''

8


của radar trong mọi diều kiện thời tiết làm cho nó trở thành một công cụ thay thế
hấp dẫn hơn đối với camera.

Tầm quan trọng của radar hay những thiết bị hoạt động theo nguyên tắc
giống như vậy ngày nay là rất lớn. Vì vậy việc không n gừng nghiên cứu ứng dụng
của radar trong cuộc sống luôn luôn là vấn đề cấp thiết.
2.

Phân loại các đài radar

Mục đích của việc phân loại là chia tập hợp các đài radar thành từng nhóm
có những dấu hiệu chung, không phụ thuộc vào tính đa dạng của các giải pháp kỹ
thuật và kết cấu từng đài radar riêng lẻ để tiện cho việc phân tích các đặc điểm cấu
trúc đài radar theo quan điểm kỹ thuật hệ thống.

Hình 1.1. Sơ đồ phân loại các đài radar
Do vậy thường phân các đài radar theo các dấu hiệu chiến thuật và các dấu
hiệu kỹ thuật.
Các dấu hiệu chiến thuật thường gồm: công dụng của đài radar, số lượng tọa
độ đo được, mức độ cơ động của đài, …
Các dấu hiệu kỹ thuật gồm: Dải sóng là m việc của đài, phương pháp radar,
phương pháp đo cự ly, …

9


 Theo công dụng có thể chia các đài radar thành các loại sau:
-

Phát hiện xa các mục tiêu trên không ( radar cảnh giới)

-

Phát hiện các mục tiêu trên không và dẫn đường cho máy bay

tiêm kích đến các mục tiêu đó ( radar cảnh giới và dẫn đường)
-

Phát hiện các mục tiêu bay thấp

-

Chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không

Radar cảnh giới: để trinh sát các mục tiêu trên không ở cự ly xa. Loại đài
radar này thường đo 2 tọa độ: cự ly và phương vị của mục tiêu với độ chính xác vừa
phải. Độ cao của mục tiêu có thể được xác định rất sơ lược, công suất phát của đài
lớn.
Radar cảnh giới và dẫn đường : là khâu cung cấp thông tin chủ yếu trong hệ
thống dẫn đường máy bay tiêm kích bay đến các mục tiêu trên không. Để đảm bảo
dẫn đường cần thông tin về vị tr í không gian của các mục tiêu và các máy bay tiêm
kích, radar cần đo được cả ba tọa độ: cự ly, phương vị và độ cao với độ chính xác
đủ đảm bảo dẫn đường thành công.
Radar phát hiện mục tiêu bay thấp: để trinh sát các mục tiêu bay thấp. Radar
loại này có búp sóng rà thấp sát mặt đất, làm việc ở dải sóng cm hoặc dm, có thiết
bị chế áp nhiễu tiêu cực phản xạ từ mặt đất, công suất phát nhỏ, gọn nhẹ, cơ động.

Radar chỉ thị mục tiêu cho tên lửa phòng không: cần có cự ly tác dụng đủ xa
sao cho sau khi nhận được chỉ thị mục tiêu từ nó, các phương tiện hỏa lực phòng
không đủ thời gian chuẩn bị để tiêu diệt mục tiêu ở tầm xa nhất. Thông tin radar
( về cả 3 tọa độ ) cần đủ chính xác đảm bảo cho các đài điều khiển tên lửa bám sát
ngay được mục tiêu mà không cần sục sạo.
 Theo các dấu hiệu kỹ thuật

10


Có thể chia radar theo dải sóng, theo phương pháp radar, theo phương pháp
đo cự ly và theo số lượng kênh radar độc lập.
-

Tần số làm việc của radar có thể thuộc các dải tần như bảng bên dưới.

Radar dải HF lợi dụng sự phản xạ sóng ở tần đối lưu và tầng đi ện ly để phát
hiện mục tiêu. Radar dải VHF và UHF để phát hiện các mục tiêu ngoài đường
chân trời. Các radar cảnh giới thông thường làm việc ở dải sóng m (10 ÷1 m),
dm (10 ÷ 1 dm) và cm (10÷ 1 cm)
-

Theo phương pháp radar có thể chia thành các radar chủ động ( có trả lời

thụ động hoặc chủ động) và thụ động như đã trình bày ở mục trước.
-

Theo phương pháp đo cự ly có thể chia thành 2 nhóm lớn: radar bức xạ

xung và radar bức xạ liên tục. Radar bức xạ xung có ưu điểm chính là : đơn giản
việc đo cự ly, về mặt kỹ thuật cho phép dễ dàng sử dụng chung một anten cho cả
phát và thu. Nhược điểm của nó là cần phải dùng máy phát công suất xung lớn,
khá phức tạp việc đo tốc độ mục tiêu. Radar bức xạ liên tục cho phép tách mục
tiêu theo tốc độ và đo đơn trị tốc độ trong dải tốc độ khá rộng, công suất phát
không cần lớn. Nhược điểm của loại này là việc khử ghép giữa tuyến thu và phát
rất phức tạp, thiết bị đầu cuối cũng rất phức tạp khi cần quan sát nhiều mục tiêu

theo nhiều tham số.
3.

Sơ đồ khối máy phát radar

Radar là hệ thống rất hoàn thiện và phức tạp về mặt điện và từ. Thường
chúng là những cỗ máy hoàn chỉnh. Hệ thống radar là sự sắp xếp những khối nhỏ
khác nhau, bản thân những khối này lại được sắp xếp với những mục đích khác
nhau. Sự đa dạng của các khối tùy thuộc vào mục đích của từng radar, nhưng sự
hoạt động cơ bản và các khối chính là tương tự nhau. Trong sơ đồ khối, tôi chỉ đề
cập đến các khối quan trọng mà không thể thiếu trong các hệ thống radar.

11


Power
Amplifier

Control &
Power

Dislay

Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống radar
 Anten
Anten radar hoạt động như bộ giao tiếp giữa hệ thống radar và vật tự do bay
trong không gian bằng sóng radio được truyền đi và nhận về. Nhiệm vụ của anten
radar là lan truyền sóng ra không gian được định hướng trong quá trình phát và
nhận tín hiệu trong quá trình thu. Khi phát sóng thì anten chỉ được nối với bộ phận
truyền, còn khi thu thì anten chỉ được kết nối với bộ phận thu. Việc này được thực

hiện bởi khối chuyển mạch song công Duplexer.

Trong quá trình phát sóng đi, năng lượng của sóng bức xạ được truyền vào
không gian, trong quá trình nhận, năng lượng của tín hiệu phản hồi được đưa về bộ
phận nhận. Trong radar có hai công thức toán học biểu thị hệ số khuếch đại khi
truyền và hệ số hữu ích của anten:
Công suất tín hiệu tại đầu vào máy thu:


12


P t  S 2 .A 

Trong đó A là diện tích hữu dụng của anten thu
G là hệ số khuếch đại của anten thu
Pp là công suất phát của đài radar
Thông thường anten thu và anten phát chung nên G=G’, và khi tính đến hệ
số tổn hao của tuyến anten phía thu và phát ta có:

Pt 

, ’ là hiệu suất truyền năng lượng từ máy phát đến anten và từ anten đến máy
thu.
Một trong những anten được sử dụng trong sóng siêu cao tần là anten
Parabol phản xạ. Tính chất hình học của Parabol rất hữu ích trong việc tập trung
năng lượng trong quá trình tiếp nhận, và tạo ra các búp sóng phát ra trong quá trình
truyền.
 Khối chuyển mạch song công (Duplexer)
Khi chỉ có một anten sử dụng cả việc truyền và nhận tín hiệu, thì trong hầu

hết các hệ thống radar đều sử dụng Duplexer. Chuyển mạch Duplexer sẽ chuyển hệ
thống radar từ chế độ phát sang chế độ thu. Trong trạng thái phát, chuyển mạch sẽ
nối anten với bộ phận phát và không kết nối với bộ phận thu. Bộ thu sẽ được cách
lý với xung truyền có công suất cao để bảo vệ bộ thu tránh bị hỏng những bộ phận
có độ nhạy cao. Ngay sau quá trình phát, chuyển mạch sẽ ngắt kết nối với bộ phận
truyền và kết nối bộ thu với anten.


13


Hình 1.3. Sơ đồ kết nối anten
 Khối tạo sóng Waveform Generator
Bộ phận phát tín hiệu số được xây dựng bởi sự liên kết với nguồn tín hiệu số
với bộ chuyển đổi D/A. Trong quá trình hoạt động thì bộ nhớ số được sử dụng dể
lưu giữ tín hiệu dạng số. Bộ nhớ sẽ đọc ra các đặc trưng của dạng sóng yêu cầu. Ở
đó tạo ra các dạng xung một cách rất linh hoạt và mềm dẻo.

 Khối dao động Local Osillators
Khối dao động là bộ phận không thể thiếu trong kỹ thuật siêu cao tần như
radar. Bản chất của khối dao động là một thiết bị hoạt động và truyền tần số vào bộ
phận viễn thông. Bộ dao động điều chỉnh được thường sử dụng tụ biến dung để điều
chỉnh tần số dao động. Khối dao động điều chỉnh điện áp(VCO) là khối dao động
mà yếu tố biến đổi cơ bản là diode biến dung. VCO được điều chỉnh trên băng tần
của nó bởi điện áp một chiều DC sạch áp vào diode biến dung. Mạch vòng bám pha
sẽ được sử dụng để điều khiển tần số của VCO.

 Khối trộn tần(Mixer)

14

Trộn tần là quá trình tác động lên hai tín hiệu sao cho trên đầu ra bộ trộn
tần nhận được các thành phần tần số tổng hoặc hiệu của hai tín hiệu đó.

Bộ trộn tần có nhiệm vụ cho ra một tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha hoặc
hiệu tần số của hai tín hiệu vào. Giả sử tín hiệu điều khiển và tín hiệu ra có điện thế
được viết bởi công thức sau:
u1(t)U1 sin(1t1)

(1.3)

u2(t)U2rect(2t2)

Khi đó tín hiệu ra của bộ tách sóng pha sẽ là:
u

 U 1U 2 [ s i n (  1 t   1 ) s i n (  2 t   2 ) ]

u 

(1.4)
(1.5)
(1.6)

u 

Từ công thức trên ta thấy tín hiệu ra của bộ tách sóng pha bao gồm cả tổng
và hiệu tần số của hai tín hiệu vào. Tuy nhiên mạch lọc thông thấp không cho phép
tín hiệu tổng đi qua mà chỉ cho phép tín hiệu vi sai đi qua.

Mixer được sử dụng để truyền tín hiệu trong một dải phổ này tới một dải phổ
khác. Trong truyền dẫn radar, Mixer được sử dụng để truyền trực tiếp tần số của tín
hiệu (IF) được tạo ra bởi bộ tạo dao động sang tín hiệu cao tần RF. Khối thực hiện
điều đó được gọi là bộ biến đổi tăng tần số lên. Trong radar nhận tín hiệu thì Mixer
lại làm nhiệm vụ ngược lại là giảm tần số thu được xuống từ tần số RF về trung tần
IF.


15


Hình 1.4. Mô hình hoạt động bộ trộn tần
 Khối khuếch đại công suất (Power Amplifier)
Khối khuếch đại là một thiết bị biến đổi tín hiệu có biên độ nhỏ ở đầu vào
thành một tín hiệu có biên độ lớn ở đầu ra mà dạng tín hiệu không thay đổi.

Thực chất khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển,
ở đó năng lượng của nguồn cung cấp một chiều được biến đổi thành năng lượng
xoay chiều có quy luật giống như quy luật của tín hiệu điều khiển.
Mạch khuếch đại được chia thành nhiều loại khác nhau:
-

Theo dạng tín hiệu cần khuếch đại: khuếch đại tín hiệu liên

tục( khuếch đại micro, âm thanh…) và khuếch đại tín hiệu xung( radarr, máy thu
hình, các thiết bị tính toán, điều khiển…).
-

Theo dải tần số tín hiệu cần khuếch đại: mạch khuếch đại một chiều

(f= 0 và tần số thấp), mạch khuếch đại tần thấp( f= 16Hz đến 20KHz), khuếch đại
trung tần và cao tần( f > 20KHz)
-

Theo đặc tuyến tần số: mạch khuếch đại cộng hưởng( hệ số khuếch

đại K đạt giá trị lớn nhất tại tần số cộng hưởng), khuếch đại dải hẹp( K không thay
đổi trong một dải hẹp tần số và suy giảm rõ rệt ngoài vùng này), khuếch đại dải
rộng( dải tần làm việc cỡ vài chục MHz).
-

Theo trở tải: khuếch đại điện trở, khuếch đại biến thế, khuếch đại

cộng hưởng, khuếch đại điện cảm…

16


- Theo tính chất các đại lượng vật lý lấy ra: khuếch đại thế (K U),
khuếch đại dòng (Ki), khuếch đại công suất (Kp).
Thông thường các tín hiệu cần thu có tần số từ hàng chục MHz đến hàng
trăm MHz thậm chí đến hàng chục GHz. Tín hiệu thu được thường rất nhỏ, cần phải
khuếch đại lên nhiều lần, để có tín hiệu đủ lớn( trên vài chục vôn) đáp ứng yêu cầu
của mạch tách sóng. Nếu dùng nhiều tầng khuếch đại sẽ dẫn đến kết cấu và kỹ thuật
phức tạp và rất dễ bị tự kích làm độ nhạy không cao, chất lượng kém. Ngày nay,
hầu hết tất cả các máy thu đều hoạt động theo nguyên tắc thu đổi tần. Tín hiệu thu
từ ăng ten có tần số thu được đưa vào một bộ biến đổi tần. Trong máy thu có bộ dao
động nội phát ra dao động có tần số tần số là n. Dao động này cũng được đưa vào
bộ biến đổi tần trộn với tín hiệu th. Ở lối ra của bộ biến tần sẽ thu được tín hiệu có
tần số:

(1.7) Khi cần thu tín hiệu có tần số th bất kỳ,
thì dù th biến đổi thế nào  n
cũng biến đổi một lượng tương tự để luôn đảm bảo
Vậy

là tần số trung gian giữa th và

có giá trị cố định.

và được gọi là khuếch đại trung

tần. Khuếch đại trung tần hoạt động ở tần số thấp

nên dễ khuếch đại và hệ số

khuếch đại đạt được rất lớn, tính ổn định cao và cũng rất gọn nhẹ, dễ chế tạo.

Đối với máy pháy radar thì khối khuếch đại công suất được sử dụng để
khuếch đại tín hiệu cao tần trước khi phát. Trong lịch sử có nhiều kiểu bộ khuếch
đại được sử dụng trong radar, chẳng hạn như ống khuếch đại có điều khiển lưới,
khuếch đại từ trường chéo(CFAs), ống truyền sóng(TWTs),… Đối với bộ khuếch
đại công suất lớn, các tham số quan trọng là hệ số khuếch đại và độ ổn định trong
dải tần làm việc. Hệ số khuếch đại lớn mà vẫn đảm bào được sự ổn định trong dải
tần làm việc
 Khối khuếch đại tạp âm thấp(Low Noise Amplifier)

17


Tín hiệu thu được thường có biên độ rất nhỏ và có lẫn tạp. Mục đích của bộ

khuếch đại tạp âm thấp(LNA) là nâng tín hiệu lên công suất theo yêu cầu trong khi
tín hiệu đã bị lẫn thêm tạp và có thể bị méo dạng tín hiệu vì vậy sự phục hồi của tín
hiệu có thể gây một sự trễ trong hệ thống. Bộ LNA là bộ khuếch đại với tạp âm
thấp. Tín hiệu tạp được xác đinh bằng hệ số tín hiệu tạp lối vào trên hệ số tín hiệu
tạp lối ra. LNA được sử dụng ở phần đầu của khối radar thu. Tham số khuếch đại có
lẫn tạp âm thấp, nhất là ở sóng siêu cao tần.

 Khối điều khiển xử lý tín hiệu (Signal Processing/Data
Processing/Control Subsysttôis)
Công nghệ xử lý tín hiệu tùy thuộc vào tín hiệu thu được chưa được trộn.
Một số công nghệ xử lý tín hiệu thông thường được sử dụng trong radar là hệ số
tương quan, bộ lọc Doppler, phản xạ ảnh,… Khối xử lý dữ liệu sử dụng bộ biến đổi
dữ liệu được tạo ra bởi khối tín hiệu trực tiếp vào khi radar hoạt động. Khối xử lý
tín hiệu là một khối rất phức tạp cả về công nghệ lẫn thuật toán.

 Khối điều khiển anten (Antenna Positioning Systtôi)
Trong một số hệ thống radar, anten được điều khiển theo vị trí. Trong đó mô
tơ được sử dụng để điều khiển vị trí của anten. Nếu anten chỉ cần quay ở một tốc độ
đơn thuần nhất định thì chỉ cần mô tơ đơn là đủ cho việc đó. Còn nếu anten quay
với các tốc độ khác nhau thì một vài các bộ phận hỗ trợ điều khiển anten sẽ được sử
dụng.


Khối nguồn(Power Systtôi)

Radar là một hệ thống điện tử rất phức tạp. Mỗi thành phần đều cần có khối
nguồn để vận hành. Trong quá trình hoạt động, mỗi bộ phận lại cần các giá trị điện
áp khác nhau. Để đáp ứng các giá trị nguồn khác nhau đó, chỉ cần sử dụng một
nguồn bên ngoài, sau đó điện áp được biến đổi thành các

18


mức điện áp cần thiết. Để biến đổi điện áp DC thành các mức điện áp DC thường sử
dụng các nguồn Switching điều chỉnh. Các nguồn Switching điều chỉnh là mạch
điện tử ở đó sử dụng các cuộn dây, các transistor hoặc tụ điện như là phần tử dự trữ
năng lượng để truyền tải năng lượng từ khối vào tới các khối ra.



Khối hiển thị (display)

Khối màn hình hiển thị có chức năng hiển thị các thông tin - thông số kỹ
thuật của hệ thống radar, thông tin về mục tiêu mà radar thu được. Khối có chức
năng giúp con người giao tiếp vơi hệ thống radar.

19


CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT THU PHÁT SIÊU CAO TẦN
1.

Giới thiệu chung

Thuật ngữ “viba” hay sóng siêu cao tần (microwaves) là để chỉ những sóng
điện từ có bước sóng rất nhỏ, ứng với phạm vi tần số rất cao của phổ tần số vô
tuyến điện.
Phạm vi của dải tần số này cũng không có sự quy định chặt chẽ và thống
nhất toàn thế giới. Giới hạn trên của dải thường được coi là tới 300GHz (f = 3.10 11
Hz), ứng với bước sóng  = 1 mm(sóng milimet), còn giới hạn dưới có thể khác

nhau tuỳ thuộc vào các quy ước theo như tập quán sử dụng. Một số nước coi "sóng
cực ngắn" là những sóng có tần số cao hơn 30 MHz ( bước sóng  ≤ 10m ), còn một
số nước khác coi "viba" là những sóng có tần số cao hơn 300 MHz ( bước sóng  ≤
1 m ).
Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và những thành tựu đạt được trong việc
chinh phục các băng tần cao của phổ tần số vô tuyến, khái niệm về phạm vi dải tần
của "viba" cũng có thể còn thay đổi.
- UHF (Ultra High Frequency): f = 300 MHz ÷ 3 GHz
- SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz
- EHF (Extrtôiely High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz
Máy phát siêu cao tần, công suất lớn hoạt động trong dải tần 820Mhz đến
900Mhz của đài radar tầm thấp được xây dựng dựa trên phương pháp tổ hợp công
suất trong máy. Khối công suất là tổ hợp của nhiều module công suất nhỏ để tạo ra
khối có công suất lối ra lớn. Do vậy lý thuyết siêu cao tần là nền tảng để giải quyết
vấn đề trên.
2.

Thiết kế mạch khuếch đại công suất trong kỹ thuật siêu cao tần

Khi nghiên cứu đường truyền đối với các tín hiệu tần thấp, ta thường coi các
đường dây nối(hay đường truyền) là ngắn mạch. Điều này chỉ đúng

20


khi kích thước của mạch là nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu. Còn đối với tín hiệu
cao tần và đặc biệt đối với tín hiệu siêu cao thì ta phải có những nghiên cứu đặc biệt
về đường truyền.
Trong các hệ thống siêu cao tần và sóng milimet, bước sóng của tín hiệu có
thể bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của các bộ phận và đường truyền của chúng.

Điều này có nghĩa là có thể diễn ra những thay đổi quan trọng về pha tín hiệu dọc
theo đường truyền và có sự biến đổi trở kháng danh định của một thiết bị hoặc một
thành phần mà tín hiệu đi qua. Những sự biến đổi trở kháng này gây ra các sóng
phản xạ trên đường truyền. Điều này sẽ dẫn đến sự tổn hao năng lượng trên đường
truyền do năng lượng bị phản xạ. Luợng năng lượng bị phản xạ được xác định bởi
hệ số phản xạ , có quan hệ với trở kháng.

Sơ đồ mạch điện tương đương được sử dụng rộng rãi trong t ần số radio(RF) và
trong sóng siêu cao tần để mô tả trạng thái mạch điện trong cả hai trường hợp phần
tử tích cực và phần tử thụ động. Trong mạng hai cổng thì các yếu tố truyền như là
hằng số trở kháng Z, yếu tố dẫn nạp Y, và hệ số tán xạ S là các tham số quan trọng
nhất thể hiện tính chất đặc biệt của các yếu tố phi tuyến như transistor lưỡng cực
hoặc transistor trường, khi chúng ta thiết kế các bộ khuếch đại hoặc các bộ dao
động.
2.1.

Mô hình tƣơng đƣơng tham số tập trung của đƣờng truyền

21


Hình 2.1. Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương
Nhìn chung, các đường truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song để tín
hiệu điện áp truyền qua.
Trước hết, chúng ta khảo sát một đường truyền gồm một cặp dây dẫn song
song như hình vẽ. Hai dây dẫn này được mô hình hoá bằng:
- Điện dung song song tính theo chiều dài đơn vị của dây dẫn C [ F/m]
- Điện dẫn song song tính theo đơn vị dài [S/m]
Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ tạo ra một dòng điện trong dây
dẫn theo chiều ngược lại, đó là thành phần cảm ứng. cũng sẽ c ó một điện trở hữu

hạn nối tiếp trong các dây dẫn.
- Điện cảm nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ H/m]
- Điện trở nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ /m]
Một đoạn ngắn ∆z của đường truyền được biểu diễn trên sơ đồ tương đương như
(hình 2.1). Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian.
2.

2.Phƣơng trình sóng và nghiệm

Xét một đoạn rất ngắn

z

của đường dây truyền sóng.

Sơ đồ tương đương của đoạn dây với các giá trị điện áp và dòng điện được hiển
thị như ở hình 2.1b.
Áp dụng định luật Kirchhoff, ta có thể viết các hệ thức sau đây đối với điện
áp và dòng điện trên đoạn mạch, tại các thời điểm t:

22

- Đối với điện áp ta có: