Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô đun phát công suất cho đài ra đa thế hệ mới làm việc trong dải sóng DM

Từ cách thức săn mồi của loài dơi và một số động vật khác cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học đã phát minh ra hệ thống phát hiện và định vị mục tiêu, hay còn g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

  

NGUYỄN ĐÌNH THẾ ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ ĐUN PHÁT CÔNG SUẤT CHO ĐÀI RA ĐA THẾ HỆ MỚI

LÀM VIỆC TRONG DẢI SÓNG DM

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

HÀ NỘI - 2011

MỤC LỤC

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 2

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RA ĐA 2

1.1 Lịch sử phát triển của Ra đa [4] 2

1.2 Nguyên tắc hoạt động [6] 5

1.3 Phân loại các đài Ra đa [6] 7

1.3.1 Theo công dụng có thể chia các đài ra đa thành các loại sau: 8

1.3.2 Theo các dấu hiệu kỹ thuật 8

1.3.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới 9

CHƯƠNG 2 12

KỸ THUẬT THU PHÁT SIÊU CAO TẦN 12

2.1 Lý thuyết đường truyền:[1] 12

2.1.1 Cách biểu diễn một hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ của hệ có phần tử tập trung 13

2.1.2 Phương trình vi phân của đường dây 14

2.1.3 Nghiệm của phương trình vi phân 16

2.1.4 Đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối 19

2.1.5 Tóm tắt một số quan hệ định lượng trong đường dây có sóng đứng 28

2.2 Đồ thị smith [1] 29

2.2.1 Giới thiệu 29

2.2.2 Họ đường tròn đẳng điện trở r: 31

2.2.3 Họ đường tròn đẳng điện kháng x 34

2.2.4 Vòng tròn đẳng | | 35

2.3 Một số phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản 37

2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung 38

2.3.2 Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh 39

2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh 40

2.3.4 Phối hợp trở kháng bằng doạn dây lamda/4 41

2.3.5 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ 42

2.3.6 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây mắc nối tiếp 42

CHƯƠNG 3 44

THỰC NGHIỆM 44

3.1 Yêu cầu và thiết kế 45

3.2 Mô phỏng kết quả tính toán phối hợp trở kháng: 46

3.3 Mạch layout và chế tạo 50

3.1.5 Đo đạc kết quả và nhận xét: 53

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

RADA Radio Detection And

SHF Super High Frequency Tần số siêu cao

UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cách săn bắt mồi của loài dơi

Hình 1.2: Phân loại các đài ra đa

Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới

Hình 2.1: Biểu diễn mạch tương đương của một đoạn đường truyền

sóng siêu cao tần

Hình 2.2: Mạng đơn giản hình T hay đối xứng của đường truyền

sóng siêu cao tần

Hình 2.3: Sơ đồ đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối

Hình 2.4: Sóng đứng điện áp trên đường truyền không tổn hao có

mắc tải đầu cuối

Hình 2.5: Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường

truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối

Hình 2.6: Họ vòng tròn đẳng điện trở

Hình 2.7: Họ vòng tròn đẳng điện kháng

Hình 2.8: Vòng tròn đẳng điện kháng phía trên trục hoành

Hình 2.9: Vòng tròn đẳng điện kháng phía dưới trục hoành

Hình 2.10: Vòng tròn đẳng điện trở và điện kháng trên cùng biểu đồ

Hình 2.11: Họ vòng tròn đẳng | |

Hình 2.12: Biểu đồ Smith chuẩn

Hình 2.13: Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản

Hình 2.14: Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung

Hình 2.15: Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh

Hình 2.16: Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây nhánh song song

Hình 2.17: Sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4

Hình 2.18: Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ

Hình 2.19: Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp

Hình 3.1: Cấu trúc máy phát cho đài ra đa thế hệ mới

Hình 3.2: Mô hình một mô đun khuếch đại công suất cơ sở

Hình 3.3: Mô phỏng bộ phối hợp trở kháng đầu vào

Hình 3.4: Mô phỏng bộ phối hợp đầu ra

Hình 3.5: Kết quả phối hợp trở kháng đầu vào

Hình 3.6: Kết quả phối hợp trở kháng đầu ra

Hình 3.7: Mô phỏng bộ phối hợp trở kháng đầu vào_2

Hình 3.8: Mô phỏng bộ phối hợp trở kháng đầu ra _ 2

Hình 3.9: Kết quả mô phỏng bộ phối hợp trở kháng đầu vào_2

Hình 3.10: Kết quả mô phỏng bộ phối hợp trở kháng đầu ra _ 2

Hình 3.11: Mạch layout_1

Hình 3.12: Mạch chế tạo_1

Hình 3.13: Đo đạc và đánh giá kết quả _ 1

Hình 3.14: Mạch layout_2

Hình 3.15: Đo đạc và đánh giá kết quả _ 2

Hình 3.16: Khảo sát tín hiệu tại tần số 860Mhz trên phân tích phổ

Hình 3.17: Khảo sát tín hiệu tại tần số 890Mhz

Hình 3.18: Khảo sát tín hiệu tại tần số 820 Mhz

Hình 3.19: Dải thông của bộ khuếch đại công suất

MỞ ĐẦU

Các chú dơi nhỏ bé phát ra tiếng kêu siêu âm từ mũi, nhận tiếng vọng qua hai ăng ten ở hai tai, chúng phân tích để tìm kiếm và định vị con mồi Từ cách thức săn mồi của loài dơi và một số động vật khác cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học đã phát minh ra hệ thống phát hiện và định vị mục tiêu, hay còn gọi là ra đa (Radio Detection And Ranging - RADA) Trong chiến tranh, hàng loạt các đài ra đa 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 ra đa 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

Với tên đề tài luận văn là : “ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô đun phát

công suất cho đài ra đa thế hệ mới làm việc trong dải sóng dm”, bằng lý thuyết và

thực nghiệm, luận văn đã thực hiện những nội dung sau:

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động chung của các đài ra đa

- Tìm hiểu về kỹ thuật thu phát siêu cao tần

- Tìm hiểu sâu về kỹ thuât phối hợp trở kháng và chế tạo thành công một khối khuếch đại công suất 45 W, hoạt động ở dải tần 820Mhz – 890Mhz, hệ số khuếch đại là 15dB

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RA ĐA

1.1 Lịch sử phát triển của Ra đa [4]

Từ xa xưa, trong thiên nhiên hoang dã, tạo hóa đã ban cho chúng ta những cỗ máy rađa kì diệu Chú dơi phát ra tiếng kêu 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 1.1: Cách săn bắt mồi của loài dơi

Những thí nghiệm và khám phá ban đầu của con người

Năm 1887, nhà vật lý Đức Heinrich Hertz đã được nhân loại tôn vinh

và lấy tên ông làm đơn vị tần số sóng vô tuyến Ông được biết đến với những cống hiến tuyệt vời và là người đầu tiên tạo ra sóng vô tuyến có thể truyền

qua hoặc phản xạ bởi các loại vật liệu khác nhau trong phòng thí nghiệm

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, 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

Pô-của vô tuyến điện là phát hiện và định vị, còn gọi là rađa (RAdio Detection

And Ranging - RADAR) Tên này 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 này để kiểm tra, xác định vị trí và dẫn đường cho tàu thuyền Đây được xem là thời điểm khởi đầu của các hệ thống rađa

Năm 1904, Christian Hülsmeyer đã nhận được bằng sáng chế của Đức

cho thiết bị gọi là Telemobiloskop, 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 rađa

Năm 1933 Viện German Kriegsmarine (Navy) bắt đầu nghiên cứu cái

gọi là Funkmesstecknik hay công nghệ đo đạc từ xa

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 rađa 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 rađa 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 rađa Năm 1936, Anh xây dựng một hàng rào

rađa để bảo vệ toàn bộ bờ biển, tầm xa 250 km Về sau, Anh cải tiến và chế tạo được các đài sóng 10 cm và 3 cm, giúp ích nhiều cho không quân trong việc oanh tạc các tàu ngầm Đức

Năm 1939, Mỹ có các đài rađa 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 rađa sóng cm

Năm 1939, Đức đã trang bị 6000 đài công tác 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 rađa sóng 3 cm

Với tính cạnh tranh sống còn như vậy, vào cuối cuộc chiến kinh thiên động địa, hầu hết các công nghệ rađa 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 đài 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 rađa 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, rađa đã thâm nhập vào cuộc sống vì rađa 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, rađa hiện đại có thể dò tìm bên dưới sa mạc của Ai Cập và nhìn thấy những lòng sông cổ cũng như phế tích Mọi người hiếm khi để ý rađa xác định lỗi giao bóng nhầm ô tại các giải tennis Rađa có thể cung cấp dự báo thời tiết trước bảy ngày với độ chính xác ngang bằng chất lượng dự báo hai ngày hiện nay

Toyota đang lắp đặt một hệ thống rađa cảnh báo va chạm cho loại xe sang trọng hiệu Lexus Một giây sau khi rađa 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, rađa 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 rađa 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 năng ''nhìn'' của rađa trong mọi điều kiện thời tiết làm cho nó trở thành một công cụ thay thế hấp dẫn đối với camera

Trong lĩnh vực khí tượng, rađa đã mang lại những cải thiện lớn đối với

dự báo thời tiết Rađa lidar, sử dụng laser, có thể đưa ra những dự báo chính xác hơn Không giống rađa bình thường, lidar có khả năng đo những loại gió không có bất kỳ loại hạt nào chẳng hạn như hơi nước

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

1.2 Nguyên tắc hoạt động [6]

Trong kỹ thuật radar, người ta truyền đi một chùm xung vô tuyến có cường độ lớn và thu sóng phản xạ lại bằng máy thu Bằng cách phân tích sóng phản xạ, vật phản xạ được định vị, và đôi khi được xác định hình dạng Chỉ với một lượng nhỏ sóng phản xạ, tín hiệu radio có thể dễ dàng thu nhận

và khuếch đại Sóng radio có thể dễ dàng tạo ra với cường độ thích hợp, có thể phát hiện một lượng sóng cực nhỏ và sau đó khuếch đại Vì thế ra đa thích hợp để định vị vật ở khoảng cách xa mà các sự phản xạ khác như của

âm thanh hay của ánh sáng là quá yếu không đủ để định vị Tuy nhiên, sóng radio không truyền xa được trong môi trường nước, do đó, dưới mặt biển, người ta không dùng được ra đa để định vị mà thay vào đó là máy sonar dùng siêu âm

Đặc trưng vật lý cho khả năng mà một vật phản xạ hay tán xạ sóng radio là diện tích phản xạ hiệu dụng Sóng điện từ phản xạ (tán xạ) từ các bề mặt nơi có sự thay đổi lớn về hằng số điện môi hay hằng số nghịch từ Có

nghĩa là một chất rắn trong không khí hay chân không, hoặc một sự thay đổi nhất định trong mật độ nguyên tử của vật thể với môi trường ngoài, sẽ phản

xạ sóng ra đa Điều đó đặc biệt đúng với các vật liệu dẫn điện như kim loại hay sợi cacbon, làm cho ra đa đặc biệt thích hợp để định vị các máy bay hay tàu thuyền Các vật liệu hấp thụ ra đa, gồm có các chất có điện trở và có từ tính, dùng trong các thiết bị quân sự để giảm sự phản xạ ra đa, giúp cho chúng khó bị phát hiện hơn trên màn ra đa Phương pháp trong kỹ thuật sóng

vô tuyến này tương đương với việc sơn vật thể bằng các màu tối trong sóng ánh sáng Sóng ra đa tán xạ theo nhiều cách phụ thuộc vào tỷ lệ giữa kích thước của vật thể tán xạ với bước sóng của sóng radio và hình dạng của vật Nếu bước sóng ngắn hơn nhiều so với kích thước vật, tia sóng sẽ dội lại tương tự như tia sáng phản chiếu trên gương Nếu như bước sóng lớn hơn so với kích thước vật, vật thể sẽ bị phân cực, giống như một ăngten phân cực Điều này được miêu tả trong hiện tượng tán xạ Rayleigh (một hiệu ứng làm bầu trời có màu xanh lam) Khi 2 tia có cùng cường độ thì có hiện tượng cộng hưởng Bước sóng ra đa càng ngắn thì độ phân giải hình ảnh trên màn ra

đa càng rõ Tuy nhiên các sóng ra đa ngắn cần nguồn năng lượng cao và định hướng, ngoài ra chúng dễ bị hấp thụ bởi vật thể nhỏ, không dễ dàng đi xa như sóng có bước sóng dài Các ra đa thế hệ đầu tiên dùng sóng có bước sóng lớn hơn mục tiêu và nhận được tia phản hồi có độ phân giải thấp đến mức không nhận diện được, trái lại các hệ thống hiện đại sử dụng sóng ngắn hơn (vài xentimét hay ngắn hơn) có thể họa lại hình ảnh một vật nhỏ như bát cơm hay nhỏ hơn Sóng radio phản chiếu từ bề mặt cong hay có góc cạnh, tương tự như tia sáng phản chiếu từ gương cầu Ví dụ, đối với tia sóng radio ngắn, hai

bề mặt tạo nhau một góc 90° sẽ có khả năng phản chiếu mạnh Cấu trúc bao gồm 3 mặt phẳng gặp nhau tại 1 góc, như là góc của hình hộp vuông, luôn phản chiếu tia tới trực tiếp trở lại nguồn Thiết kế này áp dụng cho vật phản chiếu góc dùng làm vật phản chiếu với mục đích làm các vật khó tìm trở nên

dễ dàng định dạng, thường tìm thấy trên tàu để tăng sự dò tìm trong tình huống cứu nạn và giảm va chạm Cùng một lý do đó, để tránh việc bị phát hiện, người ta có thể làm cho các bề mặt có độ cong thích hợp để giảm các góc trong và tránh bề mặt và góc vuông góc với hướng định vị Các thiết kế kiểu này thường dẫn đến hình dạng kỳ lạ của các máy bay tàng hình Các thận trọng như thế không hoàn toàn loại bỏ sự phản xạ gây ra bởi sự nhiễu xạ, đặc biệt với các bước sóng dài Để giảm hơn nữa tín hiệu phản xạ, các máy bay tàng hình có thể tung ra thêm các mảnh kim loại dẫn điện có chiều dài

bằng nửa bước sóng, gọi là các miếng nhiễu xạ, có tính phản xạ cao nhưng không trực tiếp phản hồi năng lượng trở lại nguồn

1.3 Phân loại các đài Ra đa [6]

Mục đích của việc phân loại là chia tập hợp các đài ra đa 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 riêng lẻ để tiện cho việc phân tích các đặc điểm cấu trúc đài ra đa theo quan điểm kỹ thuật hệ thống

Hình 1.2: Phân loại các đài ra đa

Do vậy thường phân các đài ra đa theo các dấu hiệu chiến thuật và các dấu hiệu kỹ thuật ( Xem hình 1.2)

 Các dấu hiệu chiến thuật thường gồm: công dụng của đài ra

đa, số lượng tọa độ đo được, mức độ cơ động của đài, …

 Các dấu hiệu kỹ thuật gồm: Dải sóng làm việc của đài, phương pháp ra đa, phương pháp đo cự ly, …

- Phát hiện xa các mục tiêu trên không ( ra đa cảnh giới)

- Phát hiện các mục tiêu trên không và dẫn đường cho máy bay tiêm kích đến các mục tiêu đó ( ra đa cảnh giới và dẫn đường)

- Phát hiện các mục tiêu bay thấp

- Chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không

1.3.1 Theo công dụng có thể chia các đài ra đa thành các loại sau:

Ra đa cảnh giới: để trinh sát các mục tiêu trên không ở cự ly xa Loại

đài 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

Ra đa 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 đương cần thông tin về vị trí không gian của các mục tiêu và các máy bay tiêm kích, ra đa 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

Ra đa phát hiện mục tiêu bay thấp để trinh sát các mục tiêu bay thấp

Ra đa 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

Ra đa 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 ra đa ( 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

1.3.2 Theo các dấu hiệu kỹ thuật :

Có thể chia ra đa theo dải sóng, theo phương pháp ra đa, theo phương pháp đo cự ly và theo số lượng kênh ra đa độc lập

Tần số làm việc của ra đa có thể thuộc các dải tần như bảng dưới đây

Ra đa dải HF lợi dụng sự phản xạ sóng ở tần đối lưu và tầng điện ly để phát hiện mục tiêu Ra đa dải VHF và UHF để phát hiện các mục tiêu ngoài đường chân trời Các ra đa 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 ra đa có thể chia thành các ra đa 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: ra đa bức xạ xung và ra đa bức xạ liên tục Ra đa bức xạ xung có ưu điểm chính là : đơn giản việc đo cự ly, về mặt kỹ thuật cho phép dẽ 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 Ra đa 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

1.3.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới

Mặc dù có sự khác nhau về các tính năng chiến- kỹ thuật, về các giải pháp kỹ thuật cho các hệ riêng biệt, về các linh kiện cơ sở sử dụng trong đài, nhưng các đài ra đa vẫn có những đặc điểm chung về cấu trúc chức năng Hình 1.3 là sơ đồ cấu trúc tổng quát của các đài ra đa cảnh giới làm việc theo phương pháp ra đa chủ động Các đài này cần đảm bảo:

 Hình thành tín hiệu phát xạ có cấu trúc định trước và bức xạ định hướng sóng điện từ vào không gian

 Thu và xử lý các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu

 Phát hiện mục tiêu, đo tọa độ và các tham số về chuyển động của nó

Muốn vậy trong sơ đồ cấu trúc tổng quát của loại đài ra đa này cần có các hệ thống sau:

- Hệ thống hình thành tín hiệu phát xạ

- Hệ thống anten để bức xạ định hướng tín hiệu phát và thu các tín hiệu phản xạ Để tạo ra hình dạng vùng quan sát cần thiết và đảm bảo khả năng xác định các tọa độ góc của mục tiêu cần tiến hành quét búp sóng anten (theo phương pháp cơ điện hoặc điện tử) trong các mặt phẳng tương ứng

- Hệ thống xử lý tín hiệu thu nhằm cực đại hóa chất lượng phát hiện mục tiêu khi có tác động của các loại nhiễu khác nhau

Hệ thống này gồm các thiết bị: khuếch đại, lọc phối hợp, tích lũy tín hiệu, chống nhiễu tiêu cực và chống nhiễu tích cực

- Hệ thống phát hiện, đo tọa độ và các tham số chuyển động của mục tiêu Trong các ra đa phát hiện mục tiêu bằng mắt và đọc tọa độ trên màn hiện sóng thì đó là hệ thống "hiện sóng- trắc thủ", còn trong ra đa tự động phát hiện và lấy tọa độ mục tiêu thì đó là các máy tính điện tử chuyên dụng

- Hệ thống anten phát làm việc cùng với hệ thống tạo tín hiệu phát, tạo thành tuyến hình thành và bức xạ tín hiệu phát Còn

hệ thống anten thu làm việc cùng với hệ thống xử lý tín hiệu thu, tạo thành tuyến thu và tách tín hiệu khỏi nhiễu Cấu trúc

và các tham số của hai tuyến này quyết định các đặc trưng quan trọng nhất của đài ra đa

* Hệ thống đồng bộ, đảm bảo đồng bộ hoạt động của tất cả các tuyến và các hệ thống trong đài ra đa

* Hệ thống điều khiển kiểm tra và bảo vệ các chế độ làm việc của đài, cho phép chọn chế độ tối ưu trong những tình huống nhiễu cụ thể

* Hệ thống nguồn điện cấp điện cho đài ra đa

* Các hệ thống và thiết bị phụ, đảm bảo hoạt động bình thường của các tuyến và các hệ thống chính trong đài (như hệ thống thông gió và làm nguội máy, hệ thống bảo vệ quá tải, thiết bị khử ghép, v.v )

Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới

Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới ở hình 1.3 chỉ bao gồm những hệ thống và thiết bị cần thiết, chủ yếu nhất về mặt chức năng Còn các đài ra đa cụ thể lại luôn là những phương tiện kỹ thuật vô tuyến điện hết sức phức tạp và đa dạng cả về số lượng, chủng loại các linh kiện và phần tử cấu tạo nên đài ra đa lẫn về các mối liên hệ giữa chúng với nhau Vì thế việc khai thác các đài ra đa cũng như để thiết kế thành công các đài ra đa mới, chỉ có thể trên cơ sở hiểu sâu sắc nguyên lý cấu trúc của chúng, các giải pháp kỹ thuật chủ yếu để thực hiện nguyên lý cấu trúc đài, mối quan hệ giữa các tham

số kỹ thuật cơ bản của các hệ thống với các chỉ tiêu chiến-kỹ thuật của đài ra

đa

Nhận xét:

Trong chương 1, luận văn đã tìm hiểu một cách tổng quan về quá trình hình thành và phát triển, nguyên tắc hoạt động, phân loại của các đài ra đa Với yêu cầu của luận văn là tìm hiểu phần máy phát công suất lớn hoạt động

ở dải sóng dm nên trong chương 2, luận văn sẽ trình bày lý thuyết về đường truyền và đồ thị Smith – đây là công cụ để tính toán phối hợp trở kháng áp dụng vào thực nghiệm được trình bày ở chương 3

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT THU PHÁT SIÊU CAO TẦN

Máy phát siêu cao tần, công suất lớn hoạt động trong dải tần 820Mhz đến 890 Mhz của đài ra đa bắt thấp được xây dựng dựa trên phương pháp tổ hợp công suất các mô đun khuếch đại trong máy Do vậy lý thuyết siêu cao tần là nền tảng để giải quyết vấn đề trên

2.1 Lý thuyết đường truyền:[1]

Đường dây truyền sóng là đường truyền dẫn năng lượng sóng điện từ,

là hình thức quá độ giữa mạch điện gồm các phần tử tập trung ở tần số thấp (L, C, R) và ống dẫn sóng ở siêu cao tần Đường dây truyền sóng được coi là mạch điện có phần tử phân bố nhưng nó có thể được biểu diễn theo sơ đồ của mạch điện với các phần tử tập trung

Đối với mạch có các phần tử tập trung, ta có thể phân tích bằng lý thuyết mạch kinh điển, với giả thiết rằng khi có một điện áp đặt vào, lập tức tác dụng của nó sẽ được thể hiện đồng thời tại mọi điểm trong mạch Trong một mạch vòng kín, khi có một dòng điện chạy thì ở mọi điểm trong mạch vòng ấy, biên độ và pha của dòng đều như nhau

Thực ra, trong một mạch điện, năng lượng điện từ truyền lan vẫn có một tốc độ nhất định Thành ra, khi kích thước của mạch, nghĩa là chiều dài các dây nối, có giá trị so sánh được với bước sóng, thì tại các điểm khác nhau trong mạch, dòng điện (và điện áp) sẽ có pha khác nhau Đó là do có hiện tượng trễ theo thời gian Khi ấy, dùng lý thuyết mạch thông thường sẽ không cho kết quả chính xác và các khái niệm cảm kháng, dung kháng cũng không đúng nữa Khi việc truyền năng lượng trong một mạch điện phải mất một thời gian đáng kể nào đó thì mạch điện đó được xếp vào loại mạch có phần tử phân bố Ta có thể hiểu rằng khi trong mạch điện cao tần có đường dây truyền sóng mà chiều dài của dây có giá trị bằng một phân số đáng kể của bước sóng thì mạch đó được coi là một hệ có phần tử phân bố Thể hiện chính của khái niệm này là trên đường dây xuất hiện sóng đứng của điện áp (và dòng điện), đồng thời trở kháng vào của đường dây thay đổi theo tần số

2.1.1 Cách biểu diễn một hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ của hệ

có phần tử tập trung

Thông thường, một đường dây truyền sóng có thể được mô tả như một

hệ gồm hệ gồm 2 dây dẫn song song Đó là vì khi truyền dẫn sóng TEM ta phải có ít nhất 2 vật dẫn

Một phần tử rất ngắn của đường dây có độ dài Z (hình 2.1a) có thể được biểu diễn bởi một mạng 4 cụm đơn giản gồm các phần tử tập trung (hình 2.1b)

Hình 2.1: Biểu diễn mạch tương đương của một đoạn đường truyền sóng siêu

cao tần Trong đó:

R - Điện trở nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây, /m

L - Điện cảm nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây, H / m

G - Điện dẫn song song trên một đơn vị dài, s / m

C - Điện dung song song trên một đơn vị dài, F / m

Cách biểu diễn này là có thể chấp nhận được vì như trên ta đã giả thiết, đoạn dây có chiều dài rất ngắn nên thời gian sóng truyền qua là không đáng

kể, giống như khi truyền qua mạng có phần tủ tập trung Tuy nhiên, không thể dùng 1 mạng 4 cụm đơn giản để đại diện cho cả dây truyền sóng vì thời gian cần thiết để năng lượng truyền theo đường dây lớn hơn nhiều so với thời gian truyền qua mạng đơn giản Khi đó, để biểu diễn một hệ có phần tử phân

bố (đường dây truyền sóng) ta có thể dùng một chuỗi liên tiếp các mạng 4 cụm đơn giản hình hay T đối xứng như ở (Hình 2.2)

Hình 2.2: Mạng đơn giản hình T hay đối xứng của đường truyền sóng siêu

cao tần

2.1.2 Phương trình vi phân của đường dây

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:

- Đối với điện áp ta có:

0),(

),()

,()

,

t

t z I z L t z zI G t

z

- Đối với dòng điện:

0),(

),()

,()

,

t

t z V z C t z zV G

t

z

Ký hiệu:

V t

z V t z z

I t

z I t z z

Chia (2.1) và (2.2) cho Z và cho Z dz, ta nhận được:

t

t z I L t z RI z

t

z

),()

t

z

) , ( )

Thay vào (2.3) và (2.4) ta nhận được:

)()(

)

(

z I L i R z

z

V

(2.5)

)()(

)

(

z V C i G z

Y

L i R

Để tách riêng biến số, ta đem vi phân (2.8) theo vật liệu và biến đổi đơn giản

sẽ nhận được z phương trình riêng biệt đối với V và I:

(

)()()

z

I

z V ZY z

và các điều kiện biên

2.1.3 Nghiệm của phương trình vi phân

Bây giờ ta tìm nghiệm của phương trình vi phân (2.9)

Đặt ZY 2

Theo (2.7) ta có:

) )(

(

2 R i L G i C

Ta nhận thấy là một số phức, có thể viết

C i G L i R

Hệ phương trình (2.9) có thể được viết lại

0 ) ( )

(

0 ) ( )

(

2 2

2

2 2

2

z I dz

z

I

d

z V dz

0

V và I0 biểu thị cho biên độ điện áp và dòng điện sóng thuận

Áp dụng (2.12a) ta nhận được:

)(

1)

L i R

z

Ký hiệu Z0 R i L, ta viết lại (2.13a)

) (

V Z

L i R

Từ (2.14) có thể viết

0

0 0

0

V I

i

e V t

do đó:

t i

ze

e

V0 V0 ei e ze i zei t

) (

0

z t i

ze e V

Nếu viết dưới dạng hàm lượng giác, ta có biểu thức của sóng điện áp trên đường dây:

z

e z

t V

- hệ số pha của sóng, có quan hệ với bước sóng công tác bởi

2

(2.18)

và có quan hệ với vận tốc pha của sóng bởi

f

Các biểu thức nhận được ở trên là các công thức tổng quát cho trường hợp đường truyền dẫn sóng thực tế có tổn hao, nghĩa là khi các dây dẫn không phải là vật dẫn lý tưởng (R 0) và điện môi trong không gian giữa các dây dẫn không phải là điện môi lý tưởng ( 0)

Xét trường hợp đường dây truyền sóng không tổn hao

Đối với trường hợp đường dây truyền sóng lý tưởng ta có:

R=0; =0

Thay vào (2.10), ta nhận được:

LC i

V e

(2.24)

Và vận tốc pha của sóng:

LC

2.1.4 Đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối

Sơ đồ của đường truyền không tổn hao, có mắc tải dây cuối cùng với các trục toạ độ được vẽ ở hình 2.3

z I , z V

Hình 2.3: Sơ đồ đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối

Khi đặt vào đường dây một nguồn dao động, tại vị trí Z<0, trên đường dây sẽ xuất hiện sóng tới (truyền theo hướng Z>0) và sóng phản xạ (truyền theo hướng Z<0), được mô tả bởi:

z i z

Z

V e

0 0 ) 0 (

) 0 ( )

0

V V

V V I

V Z

Từ (2.27) ta có thể rút ra:

0 0

Z Z V

z i z i

Do vậy, biên độ V và I tại mỗi vị trí Z sẽ có giá trị khác nhau Có những điểm, biên độ V hoặc I luôn đạt giá trị cực đại, ngược lại có những điểm luôn có giá trị cực điểm, nghĩa là biên độ điện áp (hoặc dòng điện) có dạng giao động theo Z Sóng này được gọi là “sóng đứng”

Như vậy sóng đứng sẽ xảy ra khi hệ số phản xạ 0

Khi 0, trên đường truyền chỉ có một sóng là sóng tới, có dạng sóng chạy Như vậy sóng chạy sẽ xảy ra khi

2 lmax1 lmin1 , hoặc 2 L

Hình 2.4: Sóng đứng điện áp trên đường truyền không tổn hao có mắc tải

đầu cuối Đối với sóng dòng điện, cũng khảo sát tương tự như trên ta nhận được hình ảnh của sóng đứng có dạng tương tự như sóng đứng điện áp vẽ trên hình 2.4 Điều khác nhau ở đây là đối với các vị trí Vmax thì ta có Imin, ngược lại tại các vị trí Vmin ta lại có Imax Hình ảnh của sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp được vẽ chung trên hình 2.5 để tiện so sánh

Hình 2.5: Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyền

không tổn hao có mắc tải đầu cuối Các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực tiểu được gọi là điểm “nút” của sóng đứng điện áp, còn các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực đại được

gọi là điểm “bụng” Các điểm nút và điểm bụng của sóng đứng điện áp sẽ tương ứng với điểm bụng của sóng đứng dòng điện và ngược lại

Tại các điểm bụng và điểm nút của sóng đứng ta có:

10

max

V

V S

Khi 0 phối hợp trở kháng, ta có hệ số sóng đứng S 1, nghĩa là biên độ của sóng điện áp (hoặc dòng điện) có giá trị như nhau trên suốt chiều dài của đường truyền Sóng trên đường truyền được coi là sóng chạy Từ (2.40) ta cúng rút ra được quan hệ giữa hệ số sóng đứng Svà hệ số phản xạ :

Thay Z l vào công thức (2.26a) ta có

l i l

e V

V

0

0)

Trong đó và hệ số phản xạ tại đầu cuối l 0

Công suất trung bình truyền theo đường dây truyền sóng

Ta khảo sát công suất trung bình truyền theo đường truyền, qua điểm có toạ

độ Z nào đó Theo công thức kinh điển của lý thuyết mạch, ta có thể viết:

*)()(Re

2

1

z I z V

P tb

Áp dụng (2.26a) và (2.26b) ta tính được:

2 2

2

* 0

2

0

1Re2

(2