(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu xây dựng hệ thống radar thụ động sử dụng tín hiệu phát thanh truyền hình tại việt nam luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 70

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LƯƠNG XUÂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR THỤ ĐỘNG
SỬ DỤNG TÍN HIỆU PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH TẠI
VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LƯƠNG XUÂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR THỤ ĐỘNG
SỬ DỤNG TÍN HIỆU PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH TẠI
VIỆT NAM

Ngành:
Cơng nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành:
Kỹ thuật Điện tử
Mã số:
60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HÀ NỘI - 2011

TS.Trần Minh Tuấn


3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................................. 1
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................... 2
MỤC LỤC ......................................................................................................................................... 3
TÓM TẮT NỘI DUNG ..................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ RADAR........................................................................................ 8
1.1.

Khái niệm radar ............................................................................................................... 8

1.2.

Nguyên lý hoạt động ......................................................................................................... 9

1.2.1.

Sơ đồ tổng quan ........................................................................................................ 9

1.2.2.

Hệ thống phát tín hiệu (đài phát) ............................................................................10

1.2.3.

Hệ thống thu tín hiệu (đài thu) ................................................................................10

1.2.4.

Hệ thống anten .........................................................................................................10

1.3.

Phân loại ..........................................................................................................................11

1.4.

Thông tin radar ...............................................................................................................13

1.5.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt động của radar ...................................................13

1.5.1.

Ảnh hưởng q trình truyền sóng ...........................................................................13

1.5.2.

Ảnh hưởng can nhiễu ...............................................................................................14

1.6.

Ứng dụng .........................................................................................................................14

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT RADAR .....................................................15
2.1.

Truyền sóng trong khơng gian tự do ..............................................................................15

2.1.1.

Ngun lý truyền sóng trong khơng gian từ do .......................................................15

2.1.2.

Suy hao khi truyền sóng điện từ qua khơng gian tự do ..........................................15

2.1.3.

Hiện tượng Phản xạ .................................................................................................15

2.1.4.

Hiện tượng Khúc xạ .................................................................................................17

2.1.5.

Ảnh hưởng can nhiễu khi truyền sóng điện từ qua khơng gian tự do ....................17

2.1.6.

Ảnh hưởng của môi trường đến truyền lan sóng điện từ ........................................18

2.1.7.

Một số kiểu truyền sóng trong không gian tự do ....................................................19

2.2.

Hiệu ứng Doppler ............................................................................................................20

2.2.1.

Hiệu ứng Doppler.....................................................................................................20

2.2.2.

Giới thiệu một số bài toán về dịch tần Doppler trong radar...................................21

2.3.

Kỹ thuật anten .................................................................................................................24

2.3.1.

Kỹ thuật Anten và các tham số chính khi nghiên cứu anten ..................................24

2.3.2.

Kỹ thuật anten trong radar .....................................................................................27

Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


4
2.4.

Kỹ thuật siêu cao tần, xử lý tín hiệu và các kỹ thuật điện tử khác .................................34

CHƯƠNG 3 - RADAR THỤ ĐỘNG ...............................................................................................36
3.1.

Giới thiệu về radar thụ động ...........................................................................................36

3.1.1.

Khái niệm về radar thụ động ...................................................................................36

3.1.2.

Lịch sử ......................................................................................................................36

3.1.3.

Phân loại một số dạng radar thụ động ....................................................................36

3.1.4.

Ưu nhược điểm.........................................................................................................38

3.2.

Một số nguồn phát tín hiệu có thể được sử dụng cho radar thụ động............................38

3.2.1.

Nguồn phát tín hiệu phát thanh FM ........................................................................38

3.2.2.

Nguồn phát tín hiệu truyền hình tương tự ..............................................................38

3.2.3.

Nguồn phát tín hiệu tín hiệu truyền hình, truyền thanh số ....................................38

3.2.4.

Một số nguồn phát tín hiệu khác .............................................................................39

3.3.

Hệ thống radar thụ động hai vị trí PBR.........................................................................39

3.3.1.

Mơ tả hệ thống .........................................................................................................39

3.3.2.

Hệ thống radar thu ..................................................................................................40

3.4.

Thiết lập các tham số của hệ thống radar thụ động PBR ...............................................41

3.4.1.

Giải thích một số khái niệm .....................................................................................41

3.4.2.

Phương trình radar, tỉ số SNR và hệ số radar K ....................................................42

3.4.3.

Đồ thị Oval Cassani và tính tốn vùng phủ.............................................................43

3.4.4.

Hàm đánh giá độ mù mờ - AF (ambiguity function)...............................................46

3.4.5.

Độ dịch tần Doppler .................................................................................................50

3.4.6.

Phương pháp tính tốn khoảng cách từ mục tiêu đến đài thu ................................50

3.4.7.

Các tham số đánh giá chất lượng của hệ radar thụ động PBR...............................52

3.4.8.

Cơng thức thực nghiệm Albersheim tính tỉ số SNR ................................................54

CHƯƠNG 4 - NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR THỤ ĐỘNG SỬ DỤNG TÍN
HIỆU PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH TẠI VIỆT NAM .................................................................56
4.1.

Đặt vấn đề ........................................................................................................................56

4.2.

Điều kiện lựa chọn nguồn phát tín hiệu sử dụng cho radar ...........................................57

4.3.

Hiện trạng mạng phát thanh, truyền hình tại Việt Nam ................................................57

4.4.

Xu hướng phát triển trong tương lai gần ........................................................................58

4.5.

Bài tốn mơ phỏng xây dựng một hệ thống radar thụ động PBR ..................................58

4.5.1.

Các bước giải bài toán xây dựng hệ thống radar ....................................................58

4.5.2.

Lựa chọn nguồn phát tín hiệu..................................................................................59

4.5.3.

Tính tốn các tham số ..............................................................................................61

4.5.3.1.

Phân tích theo hàm đánh giá độ mù mờ ..............................................................61

Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


5
4.5.3.2.

Thiết lập các thông số ban đầu ( tỉ số SNR và hệ số K) .......................................67

4.5.3.3.

Trường hợp nguồn phát tín hiệu FM 102,7MHz .................................................67

4.5.3.4.

Trường hợp nguồn phát là truyền hình số DVB-T .............................................70

4.5.3.5.

Bài tốn mở rộng cho hệ thống có nhiều máy thu ...............................................72

4.6.

Đánh giá khả năng phát triển hệ thống radar thụ động tại Việt Nam ...........................76

KẾT LUẬN ......................................................................................................................................77
PHỤC LỤC ......................................................................................................................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................79

Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


8

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ RADAR
1.1. Khái niệm radar
Radar là tên viết tắt của thuật ngữ tiếng Anh Radio Angle Detection and
Ranging chỉ hệ thống thiết bị ra đời nhằm mục đích nhận dạng vị trí mục tiêu nhờ
vào hiện tượng phản xạ sóng điện từ.

Ý tưởng đầu tiên về radar được cho là của Alexander Stepanovich Popov (nhà
khoa học người Nga, 1859 - 1906), người đã thực hiện các thí nghiệm về truyền
bản tin đầu tiên của lồi người qua sóng vơ tuyến điện. Đầu thế kỷ 20, đã có hàng
loạt những nghiên cứu tiếp theo về các hệ thống định vị, phát hiện mục tiêu của các
nhà khoa học Nga, Mỹ, Đức, Anh…. Năm 1937, Robert Watson – Watt ( nhà khoa
học người Scotland;1892 - 1973) là người đầu tiên xây dựng thành công một hệ
thống radar hồn chỉnh. Sau đó, kỹ thuật radar đã phát triển vô cùng mạnh mẽ trong
thế chiến thứ hai, đã đạt được những thành quả vượt bậc mà hầu hết như chúng ta
đã thấy ngày nay.
Mục đích đầu tiên của các hệ thống radar ra đời là khi nhu cầu cấp thiết trong
kỹ thuật quân sự về tìm kiếm và phát triển các hệ thống cảnh báo từ xa và phát
hiện, theo dõi các mục tiêu trên không chủ yếu là máy bay và hệ thống radar chống
tàu ngầm…Về sau, radar càng ngày càng được ứng dụng nhiều hơn cho các mục
đích phi quân sự và thương mại như dẫn đường hàng không, hàng hải, dự báo thời
tiết, điều khiển giao thông và nghiên cứu thiên văn học.
Nguyên lý radar sử dụng để nhận biết mục tiêu dựa trên hiện tượng phản xạ
của sóng điện từ khi va chạm với vật thể do Heinrich Rudolf Hertz tìm ra vào thế
kỷ 19 (Hertz là nhà khoa học người Đức, 1857 - 1894). Vận dụng hiện tượng này,
hệ thống radar sử dụng một đài phát phát tín hiệu sóng điện từ vào vùng khơng gian
cần quan sát, một phần các sóng phát xạ từ đài phát bị phản xạ lại bởi mục tiêu.
Sóng phản bởi mục tiêu cũng có nhiều hướng, chỉ một phần quay lại và được đài
thu của radar thu về. Tại nơi thu, hệ thống sử dụng những thông tin từ các tia phản
hồi này để xác định thông tin về mục tiêu: Khoảng cách, vị trí tức thời…
Nguyên lý thứ hai đó là hiệu ứng Doppler về sự dịch tần của chùm sóng bị
phản xạ bởi mục tiêu đang chuyển động tương đối so với nguồn phát ra tín hiệu đó.
Lợi dụng tính chất này, các hệ thống radar được sử dụng để đo vận tốc chuyển
động của mục tiêu.
Dạng sóng mà radar sử dụng phụ thuộc vào mục đích hoạt động cụ thể của
từng loại. Tín hiệu trong radar có thể là dạng chuỗi xung hẹp, xung hình chữ nhật
với độ rộng với tần suất lặp nào đó (ví dụ đối với các radar để đo khoảng cách

Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


9

chính xác), hoặc là các dạng tín hiệu tương tự có sử dụng các kỹ thuật điều chế điều
tần hoặc điều pha (radar đo vận tốc). Sóng vơ tuyến mà đài phát của radar phát đi
có cơng suất có thể lên tới hàng triệu watt.
Radar có thể hoạt động ở dải tần số thấp từ vài MHz đến tần số hàng trăm
GHz. Dải tần số hoạt động quyết định rất nhiều tới ứng dụng của radar. Ở mỗi dải
tần đều có ưu và nhược điểm đối với hoạt động của đài radar. Ví dụ, ở dải tần VHF
cho phép radar có thể quan sát được những mục tiêu ở khoảng cách rất xa, ngược
lại radar ở dải tần cao thì lại có ưu điểm trong việc tăng độ phân dải tần số vì tín
hiệu khi đó có băng thơng rộng hơn cũng như là chùm tia của anten hẹp hơn nhờ
thiết kế vật lý của anten dải cao gọn hơn.
Bảng 1.1 Khuyến nghị của IEEE về dải tần dành cho radar [8]

1.2. Nguyên lý hoạt động
1.2.1. Sơ đồ tổng quan
Sơ đồ tổng quan của một hệ thống radar được mô tả như sau:

Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


10

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống một radar đơn giản[8]
1.2.2. Hệ thống phát tín hiệu (đài phát)
Bộ tạo dạng xung (waveform generator): tạo các dạng xung thích hợp với
từng nghiệp vụ của radar. Bộ khuếch đại công suất (power amplifier): tạo ra công
suất mong muốn phát đi của hệ thống radar.
Bộ Duplexer: là thiết bị trước anten nhằm mục đích ghép luồng tín hiệu phát
đi và luồng tín hiệu thu về chỉ qua 1 công anten duy nhất.
Không phải hệ thống radar nào cũng có bộ dupplexer, đối với hệ thống có đài
thu phát độc lập chúng có anten thu và phát khác nhau.
1.2.3. Hệ thống thu tín hiệu (đài thu)
Tín hiệu sau khi thu qua anten được đưa tới bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low
noise amplifier). Bởi vì mức thu tín hiệu có ích thu được của radar rất thấp và trộn
lẫn nhiều thành phần khác…do đó cần phải có tầng này nhằm tăng cường mức thu
và lọc bớt các thành phần khơng mong muốn. Tín hiệu sau đó được đồng bộ và
khuếch đại trung tần, trước khi tín hiệu thu được đưa qua bộ quyết định, nó được
xử lý tại các mạch lọc.
Các cấp xử lý tin tức của Radar:
+ Xử lý cấp 1 (sơ cấp) : gồm nhiệm vụ phát hiện và đo đạc toàn bộ mục tiêu.
Xử lý cấp 1 được thực hiện ở từng đài Rađa riêng lẻ.
+ Xử lý cấp 2 (thứ cấp) : dùng tin tức tọa độ mục tiêu qua nhiều chu kỳ quan
sát để xác định quỹ đạo chuyển động, tăng chất lượng phát hiện. Xử lý cấp 2 được
thực hiện ở từng đài Rađa riêng lẻ hoặc ở các sở chỉ huy trạm rađa.
+ Xử lý cấp 3: sử dụng tin tức từ nhiều trạm rađa để tạo nên bức tranh tồn
cảnh về mục tiêu trên khơng. Xử lý cấp 3 được thực hiện ở sở chỉ huy qn chủng
phịng khơng.
1.2.4. Hệ thống anten
Lương Xn Trường

Luận văn Thạc sỹ

11

Anten là một bộ phận có mặt trong cả hệ thống phát và thu đóng một vai trị
đặc biệt quan trọng trong kỹ thuật radar. Với hệ thống radar anten khơng chỉ là
cổng giao tiếp với mơi trường bên ngồi mà nó cịn có nhiệm vụ sau:
- Phát xạ và định hướng chùm tia phát xạ của đài radar phát. Chùm tia phát
thường rất hẹp điều này được quyết định bởi đặc tính của anten.
- Thu tín hiệu phản xạ từ mục tiêu.
- Xác định góc tới của chùm tín hiệu phản xạ từ mục tiêu.
- Là nhân tố quyết định đến độ phân giải không gian (sự tách biệt giữa góc tới
của các mục tiêu khác nhau)
- Cho phép điều chỉnh linh động không gian quan sát của radar.
Anten sử dụng trong kỹ thuật radar có thể là loại anten parabol có mặt phản
xạ, hoặc mảng anten. Mỗi loại anten có đều có ưu điểm và hạn chế. Nhìn chung,
các anten lớn thích hợp với các hệ thống radar.
1.3. Phân loại
Việc phân loại radar có nhiều cách dựa trên các tiêu chí khác nhau để phân
biệt. Có thể phân loại radar theo mục đích sử dụng radar hàng hải, hàng không,
mặt đất…; theo phương thức hoạt động (radar thụ động, tích cực, radar cố định,
radar trên xe lưu động, radar trên tàu bay…); theo dải tần hoạt động (radar sóng VU/HF, L, S…); theo dạng sóng của tín hiệu radar sử dụng. Trong phần dưới đây là
một số radar quen thuộc mà chúng ta hay gặp trong các tài liệu tham khảo:[8]
 Radar xung (Pulse radar): Dạng radar phát ra tín hiệu là những chuỗi xung
hình chữ nhât liên tục.
 Radar độ phân dải cao (High-resolution radar): Chỉ các radar có thể đạt được
độ phân dải cao về khoảng cách. Radar phân dải cao có thể xác định mục tiêu
chính xác đến từng mét.
 Radar nén xung (pulse compression radar): Là dạng radar sử dụng tín hiệu
dạng xung dài với điều chế nội (điều tần hoặc điều pha) để kết hợp được độ lợi
về mặt năng lượng của tín hiệu xung dài và độ phân dải của dạng tín hiệu xung

ngắn.
 Radar sóng liên tục (Continuous wave radar): là loại radar sử dụng tín hiệu
hình sin liên tục. Dạng radar này thường sử dụng để xác định các thông tin liên
quan đến chuyển động của vật thể nhờ vào hiệu ứng dịch tần Doppler.
 FM-CW radar (Frequency modulation continuous wave radar): Là dạng radar
sử dụng tín hiệu điều tần để đo đạc khoảng cách.
 Radar giám sát ( surveillance radar): radar giám sát được định nghĩa một
cách tương đối là loại radar dùng để nhận biết sự suất hiện của các vật thể như
tàu thuyền, máy bay, tên lửa… đồng thời xác định các thơng tin về góc và

Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


12

khoảng cách. Radar giám sát cũng có thể là dạng dùng để theo dõi mục tiêu đã
biết.
 Radar nhận biết chuyển động (Moving target indication): là dạng radar xung
có tần suất lặp lại thấp để nhận biết chuyển động. Dạng radar này có độ phân dải
rõ ràng về khoảng cách nhưng mù mờ về phân dải Doppler nên cịn có tên gọi là
radar mù vận tốc.
 Radar xung doppler (pulse doppler radar): có hai dạng radar xung doppler là
loại tần suất lặp lại xung cao và loại tần suất lặp lại trung bình. Cả hai loại đều
được sử dụng để nhận biết chính xác mục tiêu chuyển động trong cả nhóm.
Radar xung có tần suất lặp lại xung cao có độ phân dải về doppler cao và mù mờ
về khoảng cách, trong khi loại tần suất lặp xung trung bình thì có độ mù mờ cả
về khoảng cách và dopper.
 Radar theo dõi (tracking radar): Dạng radar nhận biết dấu vết, quỹ đạo

chuyển động của mục tiêu. Các dạng radar theo dõi điển hình như: STT (singler
target tracker), ADT (automatic detection tracking), TWS (track-while-scan),...
 Radar ảnh (imaging radar): Loại radar dùng để quan sát bề mặt 2 chiều của
mục tiêu như vẽ bề mặt mặt đất… Loại radar này thường được đặt trên các vật
chuyển động.
 Radar quan sát bề mặt trên không (sidelooking airborne radar): Radar quan
sát này cho các thông tin tin cậy về khoảng cách và các thông sô về gọc một cách
tương đối nhờ sử dụng anten có chùm tia phát xạ hẹp.
 Radar khẩu độ nhân tạo (synthetic aperture radar): là loại radar hình ảnh sử
dụng đặc tính pha tín hiệu gắp trên phương tiện chuyển động.Radar này sử dụng
các thông tin về pha của tín hiệu phản hồi để vẽ lại hình ảnh của vật thể với độ
phân dải cao cả về khoảng cách và mặt cắt ngang.
 Inverse synthetic aperture radar (ISAR): là loại radar hình ảnh sử dụng thơng
tin về pha tín hiệu kết hợp khả năng phân dải cao về mặt khoảng cách và mới
tương qua di chuyên của mục tiêu để đạt được độ phân dải cao về mặt tần số
(doppler). Radar này có thể đứng cố định hoặc đặt trên bề các phương tiện
chuyển động.
 Radar kiểm soát: Thường dùng kiểm soát các mục tiêu đơn lẻ trong quân sự
cho phịng thủ các cuộc tấn cơng của máy bay.
 Radar dẫn đường: (guidance radar): thường dùng trong kỹ thuật tên lửa
nhằm điều khiển và dẫn đường đến mục tiêu.
 Radar thời tiết (weather or meteorological observation): đo đạc, dự đốn tốc
độ gió, hướng gió và quan sát các hiện tượng thời tiết.
 Radar thời tiết doppler (doppler weather radar): là một loại của radar thời tiết
sử dụng tính chất dịch tần doppler để quan sát các hiện tượng thời tiết, xác định
Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ

13

hướng gió, các hiện tượng lốc xốy, bão… phục vụ cảnh báo các thời tiết nguy
hiểm.
 Radar phát hiện mục tiêu (Target recognition): Dạng radar bổ trợ (đặc biệt
trong quân sự) nhằm phân biệt chính xác mục tiêu, chẳng hạn nhận biết một máy
bay với các nhân tố đang bay trong mơi trường (chim chóc…) Loại radar này
cịn được biết đến với cái tên radar cảm biến từ xa (remote sensing radar).
 Radar đa năng (mutifunction radar): là sự kết hợp của nhiều loại radar kể trên
vào một hệ thống radar nhằm thực hiện nhiều chức năng cùng một lúc.
1.4. Thông tin radar
Khoảng cách mục tiêu (range) – tầm xa radar: Là yếu tố quyết định phân
biệt hoạt động của radar. Radar xác định khoảng cách mục tiêu bằng cách tính tốn
thời gian mà sóng điện từ đi từ đài phát tới mục tiêu và phản xạ đến đài thu. Radar
hiện đại ngày nay có thể đo đạc những khoảng cách xa với độ sai lệch chỉ vài cm.
Để thực hiện việc này, các radar thêm các chỉ thị thời gian (timming mask) vào tín
hiệu phát. Timming mask có thể là các xung ngắn hoặc là điều chế tần số hoặc pha.
Sự chính xác của khoảng cách phụ thuộc chính vào băng thơng tín hiệu. Tín hiệu
radar phát đi có băng thơng càng lớn thì độ chính xác về khoảng cách đo được càng
cao.
Thông tin về vận tốc của mục tiêu: Vận tốc của mục tiêu được tính bởi tỉ lệ
của sự thay đổi của khoảng cách trong một chu kỳ thời gian. Vận tốc này được tính
tốn bởi độ dịch chuyển tần Doppler. Để tính tốn vận tốc và hướng của mục tiêu
chuyển động radar cần đo đạc trong một chu kỳ thời gian.
Thông tin về hướng mục tiêu: Để xác định mục tiêu thì một trong những
phương pháp có thể sử dụng là đo góc của chùm tín hiệu phản xạ tới đài thu. Góc
tới này được xác định bằng cách sử dụng anten có giản đồ hẹp qt tồn bộ vùng
khơng gian, xác định hướng có cường độ tín hiệu phản xạ là mạnh nhất. Việc quét
này có thể dùng một hoặc nhiều anten quét theo cả mặt ngang và dọc. Tính chính
xác của việc xác định hướng đến có cường độ lớn nhất phụ thuộc vào độ dài hiệu

dụng của anten, bước sóng.
Độ phân dải: là khoảng cách ngắn nhất giữa hai mục tiêu mà radar có thể
phân biệt được rõ ràng. Độ phân giải khoảng cách phụ thuộc vào băng thơng tín
hiệu.
1.5. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt động của radar
1.5.1. Ảnh hưởng q trình truyền sóng
Q trình lan truyền qua khơng gian tự do chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi các
yếu tố mơi trường làm thay đổi cách tính chất truyền sóng. Các yếu tố thời tiết,
sương mù…. thường gây ra các hiện tượng khúc xạ, phản xạ không mong muốn,
Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


14

gây sai lệch quá trình phát hiện mục tiêu của radar. Các yếu tố địa hình cũng gây ra
những ảnh hưởng nhất định đối với hoạt động của đài radar do gây ra tín hiệu phản
xạ, làm thay đổi hướng truyền sóng, gây ra các tín hiệu đa đường…
1.5.2. Ảnh hưởng can nhiễu
Ảnh hưởng can nhiễu làm giảm tỉ lệ SNR đối với tín hiệu thu của radar, làm
giảm xác suất phát hiện đúng. Bên cạnh can nhiễu tạp âm có sẵn, can nhiễu của tín
hiệu vơ tuyến chủ yếu là nhiễu đa đường, tín hiệu đồng kênh và giao thoa…
1.6. Ứng dụng
Ứng dụng trong quân sự: Sự ra đời của radar thời kỳ đâu tiên, khoảng những
năm 1930, chính là sử dụng cho quân sự khi người ta cần đặt ra yêu cần cần phát
hiện những máy bay ném bom hạng nặng của đối phương. Ứng dụng cơ bản của
radar quân sự được sử dụng trong phòng ngự các mục tiêu trên khơng từ các vị trí
đặt trên đất liền hoặc trên biển thậm chí cả trên khơng (khơng đối khơng). Ở đây,
radar đóng vai trị quyết định trong việc phát hiện các mục tiêu ở xa, điều khiển vũ

khí, dẫn đường cho tên lửa…Ngày nay, cơng nghệ radar càng chở nên quan trọng
và được chú trọng đầu tư phát triển mạnh do cần đáp ứng các yêu cầu ngày càng
cao của kỹ thuật quân sự.
Ứng dụng trong khí tượng thủy văn và dự báo thời thời tiết cũng là ứng dụng
quan trọng của radar ngày nay. Radar được sử dụng để theo dõi các hiện tượng thời
tiết nhằm cảnh báo sớm các hiện tượng tiêu cực, nguy hiểm như tố lốc, bão…
Ứng dụng trong hàng không, hàng hải: Radar được sử dụng cho mục đích dẫn
đường, quan sát và báo hiệu đường bay, đường biển.
Một số ứng dụng khác của radar ngày nay: radar quan sát thiên văn, radar
trong các ngành về địa lý, khai mỏ…
Tóm lại, radar có ứng dụng ngày càng sâu rộng trong các lĩnh vực của đời
sống từ an ninh quốc phòng đến dự báo thời tiết và nghiên cứu thiên văn học. Do
đó, việc tìn hiểu nắm bắt và nghiên cứu phát triển các công nghệ radar là cần thiết.

Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


15

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT RADAR
2.1. Truyền sóng trong khơng gian tự do
2.1.1. Ngun lý truyền sóng trong khơng gian từ do
Sóng điện từ truyền trong không gian tự do tuân theo hai nguyên lý cơ bản
sau:
Một là, tốc độ lan truyền sóng điện từ trong không gian tự do là hằng số và
bằng vận tốc ánh sáng c = 3.108 m/s.
Hai là, trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng sóng điện từ truyền theo
đường thẳng.

2.1.2. Suy hao khi truyền sóng điện từ qua không gian tự do
Trong không gian tự do suy hao khi truyền sóng điện từ tỉ lệ thuận với bình
phương khoảng cách và tỉ lệ nghịch với bình phương bước sóng. Ở dạng đơn giản
nhất, suy hao LF, của năng lượng sóng điện từ có bước sóng λ truyền qua một
khoảng cách r được tính như sau:

L F (dB )  20 log(

4 r
)


(2.1)

Công thức trên chỉ ra rằng, đối với cùng một cơng suất phát, tín hiệu có bước
sóng dài hơn (tần số thấp hơn) thì truyền đi xa hơn đối với sóng có bước sóng ngắn
hơn (tần số cao hơn).
Tuy nhiên sự suy hao năng lượng của sóng cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố
của mơi trường truyền thực tế như sương mù, mưa, các yếu tố địa hình và cả các
yếu tố trong nội tại hệ thống… để ước lượng suy hao một cách gần đúng nhất
người ta thường bù vào đó một phần suy hao ΔL.

L(dB)  LF (dB) L(dB)

(2.2)

ΔL là khác nhau đối với từng hệ thống, từng khu vực và có thể được tính từ
công thức thực nghiệm.
2.1.3. Hiện tượng Phản xạ
Là hiện tượng khi sóng va chạm vào mục tiêu bị phản xạ ngược lại. Sự phản

xạ của sóng điện từ phụ thuộc vào tính chất bề mặt của mục tiêu phản xạ.

Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


16

Phản xạ gương: Xảy ra theo định luật quang hình (góc tới = góc phản xạ).
Muốn vậy bề mặt phản xạ (bề mặt vật thể) phải nhẵn và vật thể phải có kích thước
lớn hơn nhiều so với . Đối với những vật thể như vậy, năng lượng trở về radar lớn
nên ảnh của mục tiêu rõ nét hơn.

Hình 2.1: Hiện tượng phản xạ gương
Phản xạ phân kì : Hiện tượng này xảy ra đối với các vật thể có kích thước lớn
hơn rất nhiều so với  nhưng có bề mặt gồ ghề . Trường hợp này năng lượng phản
xạ trở về nhỏ và ảnh mục tiêu trên màn mờ nhạt

Hình 2.2: Hiện tượng phản xạ phân kỳ
Phản xạ cộng hưởng : Hiện tượng này xảy ra đối với các vật thể có kích thước
bằng hoặc xấp xỉ . Trường hợp này vật thể bị kích thích, sóng phản xạ trở lại rất
mạnh, ảnh mục tiêu rõ nét trên màn hình nhưng khơng bền do ít khi gặp những vật
thể có kích thước nhỏ như vậy.
Diện tích phản xạ hiệu dụng
Diện tích phản xạ hiệu dụng trên vật thể  là miền diện tích phản xạ hồn tồn
năng lượng mà nguồn phát ra. Diện tích phản xạ hiệu dụng phụ thuộc vào các yếu
tố:
- Hướng và năng lượng của chùm sóng đi đến mục tiêu.
Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


17

- Chất liệu, hình dáng và kích thước mục tiêu.
- Tần số sóng mang của tín hiệu.
Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu càng lớn thì mục tiêu càng dễ bị
phát hiện
Qua thực nghiệm, người ta đã tính ra được diện tích phản xạ hiệu dụng của
các mục tiêu như máy bay, tên lửa là:[2]

4 A 2
 


(2.3)

A là diện tích tồn phần của mục tiêu

 là bước sóng của tín hiệu sóng mang.
2.1.4. Hiện tượng Khúc xạ
Ngun nhân của hiện tượng khúc xạ do điều kiện của khí quyển Trái đất như
áp suất, độ ẩm, nhiệt độ khơng đồng nhất trong suốt đường đi của sóng từ radar tới
mục tiêu do đó thay vì truyền lan theo đường thẳng, sóng điện từ (nhất là các sóng
cực ngắn) bị khúc xạ và truyền lan theo quỹ đạo cong nhẹ về phía mặt đất. Một số
hiện tượng khúc xạ thường gặp như:
Hiện tượng khúc xạ kém ( Sub- refraction): Trong những điều kiện khí quyển
đặc biệt, chỉ số khúc xạ có thể thay đổi làm cho bức xạ sóng sẽ khúc xạ lên trên

hoặc xuống dưới hơn bình thường.
Hiện tượng siêu khúc xạ ( Super – refraction): Hiện tượng này là chùm tia
radar bị bẻ cong xuống dưới nhiều hơn so với điều kiện khí quyển bình thường. Nó
xảy ra sau khi sóng truyền quan các khối khơng khí nóng và lạnh kề nhau. Ảnh
hưởng của hiện tượng này là tầm xa tác dụng của radar sẽ lớn hơn mức bình
thường.
Hiện tượng khúc xạ vịng: Đối với những vật thể có kích thước nhỏ hơn bước
sóng, sóng radio sẽ đi qua vật thể mà không vị phản xạ trở lại.
Để có thể đánh giá được một cách tương đối sự truyền làn của sóng radar, cần
thiết phải giả định điều kiện khí quyển “tiêu chuẩn “ để so sánh. Tầm xa thỏa mãn
các điều kiện tiêu chuẩn được xem như tầm xa phát hiện cực đại của radar. Thực tế,
các điều kiện môi trường luôn thay đổi nên tầm xa thực tế thường nhỏ hơn so với
tính tốn.
2.1.5. Ảnh hưởng can nhiễu khi truyền sóng điện từ qua khơng gian tự do
2.1.5.1. Nhiễu đa đường
Khi antenna của đài thu độ rộng búp sóng lớn hoặc qt trong một khơng gian
rộng, tín hiệu phản xạ thu từ mục tiêu ngồi hướng trực tiếp cịn có thể bao gồm
Lương Xn Trường

Luận văn Thạc sỹ


18

các hướng phản xạ từ mặt đất hay từ các chướng ngại vật. Trong trường hợp hai
thành phần tín hiệu này khi đến antenna thu có pha đối nhau thì chúng sẽ gây nên
một lượng suy hao rất lớn. Ngoài ra do lệch pha với tín hiệu ở hướng trực tiếp nên
các tín hiệu phản xạ đóng vai trị như tạp âm làm suy giảm S/N của tín hiệu chính.
Để giải quyết vấn đề nhiễu đa đường, cần có các antenna có hướng tính lớn (góc
mở nhỏ) hoặc phải nâng cao góc ngẩng antenna để giảm thiểu thành phần sóng

phản xạ.
2.1.5.2. Hiện tượng giao thoa
Khi các hệ thống lân cận nhau sử dụng chung băng tần số, mặc dù đã có một
sự ngăn cách địa lý nào đó, chúng vẫn gây nhiễu cho nhau ( nhất là đối với các hệ
thống thu độ nhạy cao). Khi đó các tín hiệu là có ích với một trạm này thì lại là tạp
âm đối với một trạm khác.
Ngoài ra, do đặc tuyến truyền đạt khơng tuyến tính của các bộ khuếch đại
cơng suất (hàm POUT=f(PIN) là một đường cong) cho nên bao giờ cũng có sự can
nhiễu giữa các sóng mang khác tần số gây bởi các thành phần xuyên điều chế. Sự
can nhiễu này sẽ trở nên nghiêm trọng khi công suất phát của các hệ thống quá lớn.
2.1.5.3. Nhiễu tạp âm nền
Tạp âm là tất cả các tín hiệu thu khơng mong muốn lẫn vào tín hiệu có ích. Nó
gây méo dạng tín hiệu, làm thay đổi các thơng số của sóng mang, làm cho khả năng
khơi phục chính xác tin tức chứa trong tín hiệu có ích ở máy thu bị giảm sút. Các
tác động của tạp âm đến hệ thống gọi là nhiễu. Tạp âm ảnh hưởng tới hệ thống vô
tuyến được sinh ra từ các nguồn sau:
- Các nguồn bức xạ tự nhiên trong khu vực làm việc của radar,
- Các nguồn tín hiệu các đài phát khác, các tín hiệu chế áp, phá sóng điện từ.
- Tạp âm sinh ra bởi chính các thiết bị của hệ thống (tạp âm ký sinh).
Tạp âm gây ảnh hưởng mạnh nhất khi nó nằm trong dải thơng của tín hiệu có
ích. Khi đó tạp âm sẽ lọt thẳng vào máy thu và gây ra các lỗi nghiêm trọng nếu ta
khơng có những biện pháp khắc phục. Cơng suất tạp âm N[W] được đánh giá trong
BN sẽ là:

N  N0 BN [W]

(2.4)

N0 gọi là mật độ phổ công suất tạp âm trong dải tần BN được tính ra W/Hz
hoặc dB/Hz. Trên thực tế mật độ phổ công suất tạp âm là khơng cố định trên tồn

dải BN nên N0 chỉ mang tính lý thuyết tức là khơng thể đo trực tiếp được.
2.1.6. Ảnh hưởng của môi trường đến truyền lan sóng điện từ
2.1.6.1. Ảnh hưởng của bề mặt trái đất, mặt nước biển
Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


19

Trong một số trường hợp mặt đất, mặt biển hoặc đồi núi lạ là những mặt phản
xạ không mong muốn. Hiện tượng này có thể mơ tả như sau: Nếu truyền vào khơng
gian khơng có vật ngăn cản thì sóng cực ngắn hình thành cánh sóng ( cánh cơng
suất ) lý tưởng mở rộng theo chiều đứng. Tuy nhiên, khi cánh sóng gặp bề mặt trái
đất thì sóng sẽ bị phản xạ từ mặt đất do đó cánh sóng bị phân nhánh theo chiều
đứng. Sóng trực tiếp và sóng phản xạ gặp nhau và giao thoa lẫn nhau, trên đường
truyền lan hai loại sóng này có thể cùng pha khiến cơng suất sóng tổng hợp tăng
lên, lệch pha làm cho sóng tổng hợp bị yếu đi, hay ngược pha làm cho sóng tổng
hợp bị triệt tiêu, kết quả là cánh sóng bị phân nhánh khiến cho cơng suất phát đến
mục tiêu cũng yếu đi.
2.1.6.2. Ảnh hưởng bởi các yếu tố thời tiết
 Ảnh hưởng của sương mù
Ảnh hưởng của sương mù đối với sóng cực ngắn có liên quan đến lượng nước
trong sương mù, lượng nước chứa trong khơng khí càng nhiều nghĩa là tầm nhìn xa
càng kém thì tầm xa phát hiện của radar sẽ giảm xuống. Tuy nhiên ảnh hưởng của
sương mù đối với tầm hoạt động của radar không lớn lắm trừ khi sương mù dày
đặc. Trong thực tế đã thống kê cho thấy, trong sương mù tầm nhìn xa 300m, tầm
hoạt động của radar có thể giảm gần 1 nửa.
 Ảnh hưởng của mây
Các cánh sóng của radar cũng có thể quét đến các đám mây. Tuy nhiên kinh

nghiệm cho thấy chỉ có một sốt ít loại mây có thể cho sóng dội trở về có thể nhìn
thấy trên màn hình radar trừ khi có giáng thủy từ đám mây. Ảnh hưởng nghiêm
trọng của sóng dội từ mây là gây phiền toái cho việc nhận dạng các sóng dội mục
tiêu lẩn khuất trong sóng dội của mây.
 Ảnh hưởng của mưa và tuyết
Mưa (hoặc tuyết) hấp thụ sóng cực ngắn nghiêm trọng, làm cho mức độ suy
giảm sóng tăng cao khiến cho tầm hoạt động của radar rút ngắn. Mặt khác, mưa
chung quanh mục tiêu có thể gây nhiễu do sóng dội phản xạ từ mưa che khuất sóng
dội mục tiêu nằm trong vùng nhiễu mưa. Chẳng hạn bước sóng 3cm ảnh hưởng của
mưa rất nghiêm trọng, trong điều kiện bình thường khơng khí khơ radar quan sát
mục tiêu trên biển cách xa 25 hải lý, tầm quan sát bị giảm xuống 22 hải lý trong
mưa lất phất, còn 15 hải lý trong mưa nhẹ, 5 hải lý trong mưa trung bình và 1 hải lý
trong mưa nặng hạt.
2.1.7. Một số kiểu truyền sóng trong khơng gian tự do
2.1.7.1. Truyền sóng mặt
Khi các anten định xứ gần hoặc trên mặt đất, sóng khơng gian (Space wave)
biến mất do trường phản xạ triệt tiêu tia trực tiếp. Trường thu được ở anten thu sẽ
do trường sóng mặt (Surface wave).
Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


20

Truyền sóng theo sóng mặt là kiểu truyền chủ yếu ở dải tần từ vài kHz đến
vài chục MHz.
Suy hao cơng suất tín hiệu gần như tỷ lệ nghịch với R4 .
Anten thường có dạng tháp cao, cơng suất phát từ 10kw đến 1Mw và phạm
vi truyền sóng cỡ hàng trăm dặm.

2.1.7.2. Truyền sóng nhờ tầng điện ly
Tầng điện ly là phần khí quyển bị ion hố (chủ yếu do bức xạ mặt trời). Ban
ngày tầng điện ly tồn tại ở khoảng từ 90 đến 1000km trên mặt đất. Mật độ điện
tích từ 1010 - 1012 e -/m3 chia chủ yếu thành 3 lớp với mật độ e- cực trị : D, E, F
(ban ngày, lớp F chia thành 2 lớp F1 , F2)
Tầng điện ly phản xạ sóng vơ tuyến có tần số từ 3 - 40 MHz cho phép thiết
lập kênh thông tin vô tuyến qua khoảng cách hàng ngàn miles.
2.1.7.3. Truyền sóng dải microwave và milimeter
Sóng điện từ trong dải tần số microwave và millimeter đi xuyên qua tầng
điệnn ly vì ω >> ωp (tần số plasma).
Có hiện tượng giao thoa do phản xạ từ mặt đất, nhưng ảnh hưởng khơng lớn
như ở tần số thấp vì độ ghồ ghề của mặt đất lớn hơn nhiều so với bước sóng. Chỉ tại
các điểm phản xạ trên mặt đất phẳng hoặc mặt mặt nước thì hiện tượng giao thoa
có thể mạnh và tạo ra kiểu bức xạ búp với các búp sóng gần nhau (các búp sóng
trời).
Với các sóng có bước sóng cỡ mm, suy hao bị ảnh hưởng lớn bởi các hiện
tượng thời tiết như hơi nước, sương mù và các khí khác trong khí quyển.
2.2. Hiệu ứng Doppler
2.2.1. Hiệu ứng Doppler
Do nhà Vật lý người Áo Johann Christian Doppler (1803-1852) tìm ra năm
1842, ơng đã miêu tả sự thay đổi của tần số sóng âm khi nguồn phát sóng chuyển
động so với người nghe. Sau này, người ta thấy rằng hiệu ứng Doppler còn đúng
với trường hợp truyền sóng điện từ và sóng ánh sáng.
Hiệu ứng Doppler là hiện tượng khi sóng từ nguồn phát khi truyền đi và phản
xạ bởi mục tiêu đang chuyển động (so với nguồn phát) thì tần số của sóng phản xạ
bị thay đổi, sự thay đổi đó được gọi là dịch tần Doppler. Dịch tần Doppler có thể
làm tăng hoặc giảm tần số sóng phản xạ so với sóng tới phụ thuộc vào góc tới của
sóng, vận tốc chuyển động của mục tiêu và tần số ban đầu của sóng được truyền đi.
Đo đạc và xử lý độ dịch tần Doppler trong kỹ thuật radar nhằm cung cấp
thông tin về chuyển động của mục tiêu. Chúng ta xét bài toán sau về dịch tần

Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


21

Doppler cho các trường hợp chuyển động tương tự trường hợp của radar trong mục
tiếp theo.
2.2.2. Giới thiệu một số bài toán về dịch tần Doppler trong radar
2.2.2.1. Giả thiết bài tốn:
Xét một hệ như hình 2.3 dưới đây:

Hình 2.3: Ví dụ về bài tốn tính độ dịch tần Doppler trong kỹ thuật radar
Đài phát Tx và đài thu Rx có các vận tốc tương ứng là Vt và Vr, mục tiêu
chuyển động vận tốc V. Khi đó dịch tần Doppler fB được định nghĩa là tỷ số của
vi phân tổng chiều dài đường truyền sóng theo thời gian trên chiều dài bước sóng
tín hiệu truyền.
Tổng chiều dài đường truyền ở đây chính là tổng 2 khoảng cách RT + RR.
Cơng thức tính độ dịch tần Doppler như sau:[9][10]
 
1  Rt V Rr V 
f B      
  | Rt | | Rr | 
(2.5)
2.2.2.2. Bài toán 1:
Giả thiết: Đài phát và đài thu cố định ( VT = VR = 0 ).
Giả thiết rằng mục tiêu bay qua vùng không gian của đài thu – đài phát có vận
tốc V ( V ≠ 0 ) , độ dịch tần thu được tại nơi thu là:
dRT

là hình chiếu của vector vận tốc V lên đường thẳng nối nguồn phát với
dt
mục tiêu.

dRT
 V cos    / 2
dt
Lương Xuân Trường

(2.6)
Luận văn Thạc sỹ


22

dR R
là hình chiếu của vector vận tốc V lên đường thẳng nối máy thu với
dt
mục tiêu

dR R
 V cos    / 2
dt

(2.7)

Kết hợp các phương trình (3.2) , (3.3), (3.4) ta được cơng thức tính dịch tần
Doppler gây ra bởi sự chuyển động của vật thể

V 

fB    cos   / 2  cos   / 2


 2V
fB  
 


 cos cos   / 2 


(2.8)

(2.9)

Phương trình (3.6) được biểu diễn trong Hình 3.2 là một hàm theo biến  .Ở
đây, độ dịch tần được chuẩn hóa theo

2V
.


Hình 2.4 Đường bao Doppler
Từ phương trình (2.9) ta có một số nhận xét sau :
 Khi  = 1800 , lúc này hệ thống có dạng tán xạ chuyển tiếp, fB = 0
với mọi 
 Khi  ≠ 1800 , -900 <  < 900 , dịch tần doppler sẽ là dương.

Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


23

 Khi  ≠ 1800 , -900 <  < 900 , và  = ± 900 , dịch tần doppler có
giá trị bằng khơng.
 Khi  < 1800 , độ lớn của dịch tần doppler sẽ là cực đại dương khi
 = 00, cực đại âm khi  = 1800
 Với  = ±  /20 vecto vận tốc sẽ hướng về nguồn phát hoặc máy
thu và khi đó fB = (2V/λ) cos2 (  /2)
2.2.2.3. Bài toán 2:
Giả thiết: Mục tiêu không chuyển động, đài phát và đài thu chuyển động.
Hai số hạng dRT/dt và dRR/dt lúc này sẽ là hình chiếu của các vecto vận tốc
của nguồn phát và máy thu lên các đường nhìn thẳng LOS tương ứng . Ta có

V
f B  fTR   T



 VR 
 cos  T  T     cos  R   R 

 

(2.10)

fTR là dịch tần doppler gây ra bởi sự chuyển động đồng thời của cả đài phát và
đài thu. Với radar thông thường, VT = VR = VM,  T   R   M , T   R   M ,

lúc này phương trình (2.5) sẽ cho dịch tần doppler trong hệ thống radar thông
thường, fM :

 2V
fM   M
 

 M   M 


 cos  M  M 


(2.11)

là góc giữa vecto vận tốc của radar thơng thường với đường nhìn

thẳng từ radar tới mục tiêu LOS.
Quỹ tích các điểm có cùng dịch tần doppler trên bề mặt trái đất được gọi là
đường bao Doppler. Trong hệ thống radar thông thường, vời diều kiện mặt đất bằng
phẳng , đường bao này có dạng mặt cắt nón trong khơng gian ba chiều. Chúng là
các đường hướng tâm bắt nguồn từ radar theo 2 chiều
Trong hệ thống radar hai vị trí, đường bao doppler bị méo xiên đi, phụ thuộc
vào động học của nguồn phát và máy thu, xác định bởi các thông số VT, VR, δT, δR.
Chúng có thể được trình bày và phân tích cho trường hợp đơn giản, khi mà mặt đất
đồng phẳng. fTR là hằng số. Ta có thể đưa ra cơng thức tính θR như sau :

 f  VT /   cos  T   T  
 R   R  cos 1  TR


V R /  



Lương Xuân Trường

(2.12)

Luận văn Thạc sỹ


24

Hình 2.5: Đường bao Doppler với mặt đất đồng phẳng
Hình 2.5 là kết quả của từ cơng thức (2.12) Kích thước các ơ trong hình trên là
tùy ý. Với một số giá trị của fTR và θT sẽ cho 2 kết quả θR. Ví dụ, khi fTR = -12,5
kHz và θT = 1350, θR.= 187.50 và θR= -97.50 . Với các điều kiện khác, sẽ chỉ có một
kết quả hặc khơng có kết quả θR nào thỏa mãn.
2.3. Kỹ thuật anten
2.3.1. Kỹ thuật Anten và các tham số chính khi nghiên cứu anten
2.3.1.1. Anten
Là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng từ
khơng gian bên ngoài (anten thu). [1]
2.3.1.2. Các tham số
 Giản đồ bức xạ:
Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: “là một hàm toán học hay
sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ
không gian”. Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten. Là
tham số được quan tâm nhiều khi xem xét một anten.Trong hầu hết các trường hợp,
giản đồ bức xạ được xét ở trường xa. Ý nghĩa của giản đồ bức xạ cho ta biết được

hướng bức xạ (hay thu) mạnh nhất của anten.

Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


25

Hình 2.6: Giản đồ bức xạ 2D trong đồ thị cực

Hình 2.7: Giản đồ bức xạ 2D, vẽ trên hệ tọa độ vng
 Hệ số định hướng và tăng ích của anten:
Hệ số định hướng của anten được định nghĩa như sau: “tỉ lệ của cường độ bức
xạ theo một hướng cho trước so với cường độ bức xạ trung bình trên tất cả các
hướng. Cường đồ bức xạ trung bình bằng tổng cơng suất bức xạ bởi anten chia cho
4π . Nếu hướng không được xác định, hướng của cường độ bức xạ cực đại được
chọn”.
Một cách đơn giản hơn, hệ số định hướng của một nguồn bức xạ hướng tính
bằng với tỉ lệ của cường độ bức xạ theo một hướng cho trước (U) và cường độ bức
xạ của một nguồn đẳng hướng (U0):

(2.13)
Hướng bức xạ cực đại (hướng tính cực đại) được biểu diễn như sau:

(2.14)
D là hướng tính (khơng có thứ ngun).
Lương Xn Trường

Luận văn Thạc sỹ

26

D0 là hướng tính cực đại (khơng có thứ ngun).
U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc).
Umax là cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc đặc).
U0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc đặc).
Prad là tổng cơng suất bức xạ (W).
Một đơn vị khác để mô tả hiệu suất của anten là hệ số tăng ích (G). Hệ số tăng
ích của anten có quan hệ với hệ số định hướng, và là đơn vị dùng để tính tốn hiệu
suất của anten cũng như khả năng hướng tính của nó. Trong khi hệ số định hướng
chỉ thể hiện được đặc tính hướng tính của anten.
Hệ số tăng ích được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của
anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường
là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như nhau, với giả thiết cơng suất
đặt vào hai anten bằng nhau, cịn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1 (khơng
tổn hao).
Cường độ bức xạ của anten đẳng hướng bằng với công suất đặt vào anten chia
cho 4π (do ta giả thiết anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, nên cơng suất bức xạ bằng
cơng suất đặt vào anten). Do đó, ta có:
G = 4π

Cường độ bức xạ của anten thực tại hướng khảo sát

(2.15)

Cường độ bức xạ của anten vô hướng

 Băng thông:

Băng thông (BW) của anten được định nghĩa như sau: “khoảng tần số mà
trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiểu chuẩn nhất định”. Băng thơng có
thể được xem xét là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thường là tần
số cộng hưởng), ở đó các đặc tính anten (chẳng hạn như trở kháng vào, giản đồ, độ
rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm, hiệu suất bức xạ)
đạt giá trị có thể chấp nhận được.
Với các anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần số
trên và tần số dưới khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được. Ví
dụ, băng thơng 10:1 chỉ ra rằng, tần số trên lớn hơn 10 lần tần số dưới.

(2.16)
Với anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bởi tỉ lệ phần trăm của sự
sai khác tần số (tần số trên – tần số dưới) so với tần số trung tâm của băng thông.

Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ


27

Ví dụ, băng thơng 5% thể hiện rằng, sự sai khác tần số là 5% tần số trung tâm của
băng thơng.

(2.17)
 Đặc tính phân cực
Phân cực của anten theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “là
phân cực của sóng được truyền đi bởi anten”. Khi khơng đề cập tới hướng nào,
phân cực được xem là phân cực theo hướng có hệ số tăng ích cực đại. Sự phân cực
của sóng bức xạ được thể hiện bởi đầu mút của vector điện trường tức thời. Có thể

chia thành 2 loại phân cưc cơ bản là phân cực thẳng và phân cực elip. Trong trường
hợp phân cực elip có trường hợp đặc biệt là phân cực tròn hay được xét đến. Đối
với phân cực trịn lại có hai trường hợp được chia theo chiều quay của đầu mút
vector E, bao gồm phân cực tròn trái (đầu mút vector E quay ngược chiều kim đồng
hồ ), và phân cực tròn phải trong trường hợp ngược lại. Đặc tính phân cực của sóng
là cơ sở để sử dụng lại tần số trong thông tin, chế tạo các anten phân cực đôi.
 Phối hợp trở kháng:
Với kĩ thuật anten thì việc phối hợp trở kháng là cực kì quan trọng mà người
thiết kế ln phải quan tâm bởi một số lí do sau đây:
- Khi thực hiện phối hợp trở kháng công suất truyền cho tải sẽ đạt được cực
đại còn tổn thất trên đường truyền là cực tiểu.
- Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu /tạp nhiễu của hệ thống
khác trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp
âm thấp…
- Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp diện cho dàn
anten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha
khi phân chọn công suất.
2.3.2. Kỹ thuật anten trong radar
2.3.2.1. Anten có mặt phản xạ
 Anten có mặt phản xạ parabol:
Nguyên lý cấu tạo gồm một mặt phản xạ , làm bằng các vật liệu có hệ số phản
xạ cao (Rpx1), thường bằng nhơm hay hợp kim của nhơm, mặt phản xạ phải nhẵn
để sóng phản xạ không bị tán xạ. Tại tiêu điểm của gương parabol đặt một nguồn
bức xạ sơ cấp (thường là một anten loa: feed horn) gọi là bộ chiếu xạ, sao cho tâm
pha của bộ chiếu xạ trùng với tiêu điểm của gương, như chỉ ra trên hình 2.8
Lương Xuân Trường

Luận văn Thạc sỹ