Thiết kế mô phỏng máy phát công suất tín hiệu dải rộng điều chế mã pha Barker 13 phần tử dùng cho radar tầm thấp

Chính vì thế, tôi đã đề xuất cấu trúc máy phát tín hiệu radar xung dải rộng công suất 9.6kW băng tần UHF sử dụng bóng công suất được chế tạo theo công nghệ bán dẫn oxit kim loại bù CMOS,

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN VĂN CHƯƠNG

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MÁY PHÁT CÔNG SUẤT TÍN HIỆU DẢI RỘNG ĐIỀU CHẾ MÃ PHA BARKER 13

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

Huế - 2014

Lời cảm ơn

Tôi xin gửi lời lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Bạch Gia Dương đã dành rất nhiều thời gian và công sức để hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội và các thầy cô đang công tác tại Khoa Điện Tử - Viễn Thông của trường đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học

Mặc dù tôi đã có rất nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn

Tác giả luận văn

Trần Văn Chương

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu mà em đã thực hiện trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp tại trường Đại Học Công Nghệ do PGS.TS Bạch Gia Dương hướng dẫn Luận văn này không chứa đựng các tài liệu đã đăng hay viết trước đây bởi người nào khác ngoài việc sử dụng các tài liệu dùng để tham khảo cho luận văn này

Ký tên:

Học viên: Trần Văn Chương

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn 1

Mục lục 3

Danh mục các chữ viết tắt 4

Danh mục bảng biểu 5

Danh mục hình vẽ, đồ thị 6

LỜI MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ RADAR SƠ CẤP – PHƯƠNG TRÌNH RADAR 11

1.1 Tổng quan về radar 11

1.2 Các phương trình cơ bản của radar sơ cấp 18

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT NÉN XUNG, MÃ HÓA PHA TRONG XUNG, NGHIÊN CỨU TẠO MÃ BARKER 45

2.1 Kỹ thuật nén xung – Pulse compression 45

2.2 Nén xung số với mã Barker 52

2.3 Tạo mã Barker với Nc =13 56

CHƯƠNG 3 MẠCH CẦU WILKINSON, DÙNG PHẦN MỀM ANSOFT DESIGNER SV THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH TỔ HỢP CÔNG SUẤT 8 ĐƯỜNG 60

3.1 Giới thiệu mạch cầu Wilkinson 60

3.2 Dùng phần mềm Ansoft designer SV Thiết kế chế tạo mô đun tổ hợp công suất 8 đường dùng phương pháp cầu Wilkinson 65

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MOĐUN PHÁT BÁN DẪN CÔNG SUẤT 9.6 KW, DẢI TẦN HOẠT ĐỘNG 820MHz-900MHz DÙNG PHƯƠNG PHÁP CỘNG CÔNG SUẤT CẦU WILKINSON 70

4.1 Qui trình thiết kế 70

4.2 Giải pháp đề xuất cho máy phát radar dải sóng 820MHz-900MHz 71

4.3 Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại công suất 200W Transistor LDMOS FETs PTF082001E 74

4.4 Mô phỏng nhánh lối vào của LDMOS FETs PTF082001E 75

4.5 Mô phỏng nhánh lối ra của LDMOS FETs PTF082001E 77

KẾT LUẬN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACP Azimuth-Change-Pulses Bộ tạo xung mã hóa đơn vị

EAA Effective Antenna Aperture Khẩu độ hiệu dụng

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

FSPL Free Space Power Loss Suy hao công suất trong không gian PCG Pulse Compression Gain Độ lợi nén xung

PCR Pulse Compression Ratio Tỉ lệ nén xung

PM Phase Modulation Điều chế pha

PRF Pulse Repetition Frequency Tần số lặp xung

PRP Pulse Repetition Period Chu kỳ lặp xung

PRT Pulse Repetition Time Thời gian lặp xung

RADAR Radio Detecting And Ranging Phát hiện và xác định cự ly

bằng sóng vô tuyến

SNR Signal-To-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

DANH MỤC BẢNG B IỂU

Bảng 1.1 Độ chính xác của một số hệ thống radar 28

Bảng 2.1 So sánh ưu, nhược điểm của kỹ thuật nén xung 47

Bảng 2.2 Mã Barker 52

Bảng 2.3 Giá trị PLS và ISL của các bộ mã Barker hệ số khác nhau 54

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản của Radar sơ cấp và đường đi của các tín hiệu 11 Hình 1.2 Sơ đồ khối đơn giản của một radar sơ cấp sử dụng một bộ khuếch đại

công suất như một máy phát và một máy thu đổi tần 12

Hình 1.3 Các băng tần được radar sử dụng 14

Hình 1.4 Một số loại radar và tần số hoạt động của nó 14

Hình 1.5 Giản đồ thời gian phát và nhận xung phản xạ đối với radar đơn xung 18

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa Hệ số đầy xung (Duty cycle) với công suất đỉnh và công suất trung bình 20

Hình 1.7 Hình ảnh của mục tiêu hiển thị trên màn hình là kết quả của nhiều xung radar đập vào mục tiêu 20

Hình 1.8 Mối quan hệ giữa cự ly nghiêng R (Range), độ cao, góc cao và góc phương vị ( ) 21

Hình 1.9 Độ cao của hai tàu bay khác nhau nên kết quả đo cự ly nghiêng khác nhau 22

Hình 1.11 Cự ly phát hiện tối thiểu (vùng mù gần đài) của radar 24

Hình 1.12 Góc phương vị và góc ngẫng (góc cao) 25

Hình 1.13 Tính toán độ cao 26

Hình 1.14 Độ cao so với mực nước biển trung bình và độ cao so với mặt đất 27 Hình 1.15 Sự phụ thuộc độ chính xác vào cự ly 28

Hình 1.16 Độ phân giải góc 29

Hình 1.17 Độ phân giải cự ly 30

Hình 1.18 Giản đồ thời gian của các xung phát và xung phản hồi trong trường hợp khoảng cách giữa hai tàu bay rất gần nhau không thể phân biệt được 31

Hình 1.19 Giản đồ thời gian của các xung phát và xung phản hồi trong trường hợp khoảng cách giữa hai tàu bay đủ xa để phân biệt được 31

Hình 1.20 Độ phân giải cự ly là một hàm của độ rộng băng thông xung phát 32

Hình 1.21 Giản đồ của một ăng ten định hướng so với ăng ten đẳng hướng 33

Hình 1.22 Mật độ công suất vô hướng suy giảm khi phân bố theo một mặt cầu 34

Hình 1.23 Mô tả quan hệ giữa phương trình (18) và (19) 37

Hình 1.24 Ảnh hưởng sự phản xạ sóng điện từ do mặt đất 41

Hình 1.25 Ảnh hưởng của phản xạ mặt đất đến giản đồ phát xạ theo phương thẳng đứng 41

Hình 1.26 Ví dụ về các cách đặt ngưỡng phát hiện khác nhau 42

Hình 1.27 Nguyên lý của mạch CFAR lấy ngưỡng trung bình theo từng tế bào

“Cell ranging CFAR” 43

Hình 2.1 Xung dài được điều chế tần số tuyến tính 45

Hình 2.2 Sự phân tách các xung điều tần 45

Hình 2.3 Xung ngắn (xanh da trời) và xung dài được điều chế (xanh lá cây) 46

Hình 2.4 Sơ đồ khối đơn giản mô tả quá trình nén xung 48

Hình 2.5 Bộ lọc SAW có độ rộng các khe cộng hưởng giảm tuyến tính 49

Hình 2.6 Dạng sóng điều chế nén xung điều tần phi tuyến đối xứng 50

Hình 2.7 Dạng sóng điều chế nén xung điều tần phi tuyến bất đối xứng 50

Hình 2.8 Dạng sóng ngõ ra bộ tạo tín hiệu bộ nén xung điều tần phi tuyến đối xứng 51

Hình 2.9 Giản đồ nén xung mã hóa pha 51

Hình 2.10 Mã Barker kết hợp 4 thành phần 55

Hình 2.11 ACF của tín hiệu PSK nhị phân Barker 13 bit 55

Hình 2.12 PACF của tín hiệu PSK nhị phân Barker 13 bit 56

Hình 2.13 Sự kết nối các bộ trể mã hóa Barker cho N=13 57

Hình 2.14 Các tín hiệu tại bộ tổng của mã hóa Barker cho N=13 57

Hình 2.15 Sơ đồ máy phát và máy thu sử dụng mã Barker cho N= 13 58

Hình 2.16 Mã hóa mã Barker cho N=13 sau khi đi ra bộ tổng 58

Hình 3.1 Sơ đồ bộ chia/cộng công suất 60

Hình 3.2 Bộ chia đôi Wilkinson 60

Hình 3.3 Sơ đồ bộ chia Wilkinson dưới dạng đối xứng và chuẩn hóa 61

Hình 3.4 (a) Chế độ chẵn (b) Chế độ lẻ 61

Hình 3.5 Sơ đồ phân tích bộ chia Wilkinson để tìm S11 63

Hình 3.6 Bộ chia cộng Wilkinson không đều 64

Hình 3.7 Sơ đồ bộ chia Wilkinson N đường 64

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý bộ tổ hợp công suất 8 đường 66

Hình 3.9 Kết quả S12 =S 21 = S13 = S31 66

Hình 3.10 Kết quả S11 mô phỏng bằng phần mềm Ansoft Designer SV 67

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng dùng phần mềm ADS2008A 67

Hình 3.12 Thiết kế layout cho bộ tổ hợp công suất 8 đường 68

Hình 3.13 Kết quả đo đạc tham số S21 trên máy phân tích mạng 68

Hình 3.14 Kết quả đo đạc tham số S11 trên máy phân tích mạng 69

Hình 4.1 Cấu trúc máy phát xung radar dải rộng 72

Hình 4.2 Sơ đồ khối tổ hợp công suất lối vào dùng trong máy phát radar 72

Hình 4.3 Sơ đồ khối tổ hợp công suất lối ra cho máy phát 73

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại công suất 200W 74

Hình 4.5 Sơ đồ nhánh lối vào của LDMOS FETs PTF082001E………75

Hình 4.6 Hệ số phản xạ S11 tại tần số 860Mhz 75

Hình 4.8 Hệ số truyền từ cổng 2 đến cổng 1: S12 tại tần số 860 MHz 76

Hình 4.9 Hệ số truyền từ cổng 1 đến cổng 2: S21 tại tần số 860MHz 77

Hình 4.10 Sơ đồ nhánh lối ra của LDMOS FETs PTF082001E 77

Hình 4.11 Hệ số phản xạ S11 tại tần số 860 Mhz 78

Hình 4.12 Hệ số phản xạ S22 tại tần số 860 Mhz 78

Hình 4.13 Hệ số truyền đạt từ 1 đến 2 : S21 tại tần số 860 MHz 79

Hình 4.14 Layout của mạch khuếch đại công suất 200W……… 79

Hình 4.15 Chế tạo trong phòng thí nghiệm………80

Hình 4.16 Kết quả đo S21 trên máy phân tích mạng……… 80

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự hội nhập kinh tế quốc tế giữa các nước trên thế giới đã làm gia tăng nhu cầu giao thương, học tập, du lịch của mọi người Vì thế vấn đề đi lại trên các phương tiện giao thông ngày càng tăng, số lượng hành khách cũng tăng lên đáng kể Để giảm thiểu thời gian lưu thông và rút ngắn quảng đường vận chuyển thì vận tải Hàng không là không thể thiếu được

Từ đó, ngày càng có nhiều hãng Hàng không tham gia vận chuyển và số lượng các máy bay vận tải không ngừng tăng nhanh trên thế giới Mật độ bay trên các đường bay cũng tăng cao Song song với các nhà vận tải chuyên nghiệp

ấy thì ngành quản lý và điều hành bay cùng các dịch vụ kỹ thuật mặt đất cũng phát triển mạnh mẽ và được trang bị các thiết bị máy móc hiện đại

Sự phát triễn không ngừng của nghành hành không dân dụng Việt Nam đòi hỏi các phương thức dẫn đường cho máy bay càng có độ chính xác cao, trong đó thiết bị Radar đóng vai trò tất yếu Để tăng khả năng phân biệt được mục tiêu (máy bay) và đo cự ly chính xác, chống nhiễu đòi hỏi các hệ thống

rađar thế hệ mới phải đáp ứng công nghệ cao Vì lý do đó tôi chọn đề tài “Thiết

kế mô phỏng máy phát công suất tín hiệu dải rộng điều chế mã pha Barker

13 phần tử dùng cho radar tầm thấp”.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài này gồm các phần chính sau đây :

+ Nghiên cứu cấu trúc radar thế thệ mới

+ Nghiên cứu mã Barker, kỹ thuật nén xung, điều chế mã pha

+ Nghiên cứu mạch cầu Wilkinson, Thiết kế mô phỏng bộ chia /cộng công suất 8 đường dùng cầu Wilkinson sử dụng phần mềm Ansoft

+ Nghiên cứu thiết kế mô phỏng khối khuếch đại công suất bán dẫn (bóng đèn xung bán dẫn 200W LDMOS FETs PTF082001E) sử dụng phần mềm Ansoft

+ Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc máy phát radar xung dải rộng theo phương pháp tổ hợp công suất gồm 64 mô đun công suất thành phần 200W, hoạt

Đối với các đài radar thế hệ cũ dùng đèn phát magnetron theo kiểu tự dao động, có độ ổn định tần số thấp Chính vì thế, tôi đã đề xuất cấu trúc máy phát tín hiệu radar xung dải rộng công suất 9.6kW băng tần UHF sử dụng bóng công suất được chế tạo theo công nghệ bán dẫn oxit kim loại bù CMOS, có độ ổn định cao và công suất tiêu tán thấp Việc sử dụng giải pháp này sẽ khắc phục được nhược điểm về độ ổn đinh tần số, cho phép khuếch đại các dao động có độ ổn định ngang cấp thạch anh, chính vì thế cấu trúc theo kiểu này cho phép xử lý lọc doppler cho các mục tiêu di động được tốt hơn Trong phần này, chúng tôi sẽ đưa ra cấu trúc máy phát sử dụng phương pháp tổ hợp công suất tín hiệu phát trước khi đưa ra angten, nghĩa là tổ hợp bằng phương pháp cộng công suất từ các mô đun công suất phát thành phần Giải pháp này ngoài việc chủ động về công suất phát ra trong thiết kế thì còn một ưu điểm nữa là có thể hoàn toàn thay thế các mô đun một cách dễ dàng, nếu có một vài mô đun b ị hỏng hóc thì cả hệ thống vẫn hoàn toàn hoạt động bình thường Các mô đun phát công suất thành phần công suất 160W được thiết kế hoàn toàn giống nhau để đảm bảo tính ổn định về biên độ, độ di pha nhỏ, đảm bảo các thông số về băng thông dải động, hệ số khuếch đại, ổn định với các biến môi trường

RADAR là từ viết tắt của thuật ngữ: Radio Detecting And Ranging, có

nghĩa là phát hiện và xác định cự ly bằng sóng vô tuyến

1.1.1.2 Nguyên lý hoạt động tổng quát của RADAR sơ cấp

Radar (sơ cấp) là một thiết bị cảm biến sóng điện từ được sử dụng để phát hiện và định vị những vật thể phản xạ lại sóng điện từ do radar phát đi

Máy phát

Transmitter

Chuyển mạch thu/phát

Tín hiệu phản x

ạ Echo sign

al

Tuyến phát – Transmitting path

Tuyến thu – Receiving path

Mục tiêu Phản xạ (echo)

Ăng ten Duplexer

Máy thu Hiển thị

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản của Radar sơ cấp và đường đi của các tín hiệu

Nguyên lý hoạt động của nó có thể tóm tắt như sau:

- Thiết bị Radar phát xạ một năng lượng sóng điện từ từ ăng ten để

truyền vào không gian

- Một phần năng lượng điện từ bị chắn bởi vật thể phản xạ, thông

thường được gọi là “mục tiêu” (target) nằm cách radar 1 khoảng không gian

- Một số năng lượng bị tái bức xạ (phản xạ) và quay trở về và được ăng

ten radar thu nhận Tín hiệu này được gọi là tín hiệu phản xạ - echo

- Sau khi được khuếch đại bởi máy thu và trải qua một quá trình xử lý

tín hiệu, thiết bị xác định có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu bằng cách tạo một tín hiệu ở ngõ ra của máy thu Từ thời điểm đó, vị trí của mục tiêu và các thông tin khác của mục tiêu sẽ được thiết bị radar được tính toán Hình ảnh chỉ vị trí của mục tiêu và các thông tin liên quan khác sẽ được hiển thị trên màn hình radar

1.1.1.3 Các thành phần cơ bản của Radar

Hình 1.2 Sơ đồ khối đơn giản của một radar sơ cấp sử dụng một bộ khuếch

đại công suất như một máy phát và một máy thu đổi tần

1.1.1.4 Các thông tin đƣợc Radar cung cấp

Việc phát hiện các mục tiêu chỉ là một chức năng nhỏ trừ khi có được các thông tin khác liên quan đến mục tiêu.Tương tự như vậy, có các thông tin về mục tiêu mà không phát hiện được mục tiêu thì cũng vô nghĩa

+ Cự ly (Range)

Hầu hết tính năng của các loại radar truyền thống là khả năng xác định cự

ly của mục tiêu bằng cách đo thời gian mà tín hiệu đi từ radar với vận tốc truyền sóng điện từ bằng vận tốc ánh sáng đến mục tiêu và quay trở về radar

Không có loại thiết bị nào có thể đo khoảng cách từ một mục tiêu ở xa ở một cự ly xa với độ chính xác bằng radar (về cơ bản giới hạn về độ chính xác ở

cự ly dài là do vận tốc truyền sóng điện từ) Ở cự ly ngắn, độ chí nh xác có thể đến vài cm

Để đo cự ly, một số phương pháp đánh dấu mốc thời gian được sử dụng trong dạng sóng phát đi Một trong số đó là sử dụng một xung ngắn (được điều chế biên độ), nhưng cũng có thể sử dụng kiểu điều chế pha hay điều chế tần số

Độ chính xác của phép đo cự ly phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu radar

Băng thông càng lớn thì độ chính xác càng cao Do đó, băng thông là thông số

cơ bản liên quan đến độ chính xác của phép đo cự ly

+ Tốc độ hướng tâm (Radial Velocity)

Tốc độ hướng tâm của một mục tiêu được xác định bằng cách xác định sự thay đổi cự ly theo thời gian Nó có thể được xác định thông qua việc đo độ dịch tần số do hiệu ứng Doppler Việc xác định chính xác vận tốc hướng tâm cần có thời gian Do đó, thời gian là tham số cơ bản để xác định chất lượng của phép đo vận tốc hướng tâm Tốc độ di chuyển của mục tiêu và hướng di chuyển được xác định thông qua quỹ đạo của nó, bằng cách xác định các vị trí của mục tiêu theo thời gian

+ Hướng – góc

Một phương pháp được dùng để xác định hướng của mục tiêu là xác định giá trị góc mà ở đó biên độ của tín hiệu phản hồi về ăng ten là lớn nhất Điều này yêu cầu ăng ten phải có độ rộng búp sóng hẹp (nghĩa là độ lợi ăng ten cao) Radar giám sát hàng không sử dụng ăng ten có búp sóng quay xác định góc theo phương pháp này

Góc đó một mục tiêu là góc có thể được xác định bằng ăng ten hai búp sóng, hai búp sóng này lệch nhau 1 góc và thông qua việc so sánh biên độ tín hiệu phản hồi thu được trên mỗi búp sóng Với loại ăng ten 4 búp sóng cho phép xác định được góc phương vị - góc trong mặt phẳng ngang và góc cao (hay còn gọi là góc ngẫng) – góc theo mặt phẳng đứng Độ chính xác của phép đo góc phụ thuộc vào kích thước về mặt điện trường của ăng ten, nghĩa là kích thước của ăng ten tính theo bước sóng

+ Kích thước và Hình dạng

Nếu radar có đủ độ phân giải cần thiết theo cự ly và góc, nó có thể xác định được kích thước của mục tiêu với độ phân giải cao Cự ly thông thường là tọa độ ở độ phân giải nhất định Độ phân giải cự ly theo phương ngang (bằng cự

ly nhân với độ rộng búp sóng ăng ten) có thể xác định được bằng ăng ten có độ rộng búp sóng hẹp

1.1.2 Dải tần số hoạt động của Radar

1.1.2.1 Phổ tần số

Phổ của sóng điện từ cho thấy tần số điện từ có thể lên tới 1024 Hz Toàn

bộ dải tần rất lớn này được chia nhỏ thành các băng tần con như sau

Hình 1.3 Các băng tần được radar sử dụng

Hình 1.4 Một số loại radar và tần số hoạt động của nó

1.1.2.2 Phân chia các băng tần

+ Băng tần A và B (radar HF và VHF)

Ngày nay, những tần số này được dùng cho radar cảnh báo sớm, vì vậy được gọi là Radar ngoài đường chân trời (OTH) Với việc sử dụng những tần số thấp hơn, sẽ dễ dàng chế tạo được các máy phát công suất phát cao hơn

+ Băng C (Băng UHF của Radar)

Có một số loại radar chuyên dụng được phát triển cho băng tần này (300 đến

1 GHz) Đây là tần số tốt cho hoạt động của các radar phát hiện và bám đuổi vệ tinh và tên lửa đạn đạo ở cự ly xa Các radar này hoạt động cảnh báo sớm và dò sóng mục tiêu giống như radar giám sát của Hệ thống Phòng không Mở rộng Tầm trung (MEADS) Một vài ứng dụng radar thời tiết chẳng hạn, theo dõi gió làm việc trong khoảng tần số này vì sóng điện từ rất thấp bị ảnh hưởng bởi mây và mưa

+ Băng tần D (Băng L của Radar)

Băng tần này (1 đến 2 GHz) thích hợp hơn cho hoạt động của radar giám sát hàng không tầm xa ngoài 250 NM (tương đương 400 km) Chúng phát các xung công suất cao, dải thông rộng và sử dụng điều chế xung

+ Băng E/F (Băng S của Radar)

Độ suy giảm do khí quyển ở tần số này cao hơn băng tần D Hệ thống radar cần công suất phát cao hơn đáng kể so với những phạm vi tần số thấp hơn

để đạt được cự ly cực đại tốt Ví dụ với Radar công suất Trung bình có công suất phát lên tới 20 MW Trong dải tần này, ảnh hưởng của điều kiện thời tiết cao hơn trong băng tần D Bởi vậy, một cặp radar thời tiết làm việc trong băng tần E/F, nhưng sẽ nhiều hơn trong điều kiện khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới, bởi

vì ở đây radar có thể phát hiện một cơn bão từ xa

Radar giám sát sân bay chuyên dụng (ASR) được sử dụng trong các sân bay để phát hiện và hiển thị vị trí máy bay tại khu vực tiếp cận với khoảng cách trung bình lên đến 50…60 NM (tương đương 100 km) Một ASR phát hiện vị trí máy bay và điều kiện thời tiết ở lân cận phi trường dân dụng và phi trường quân

sự Việc kí hiệu băng tần S (ngược lại với L) sẽ là từ gợi nhớ rất tốt để nhớ đến loại radar có ăng ten nhỏ hơn và cự ly hoạt động ngắn hơn

+ Băng G (Băng C của Radar)

Trong băng tần G, có nhiều hệ thống radar quân sự giám sát chiến trường

di động, điều khiển tên lửa và giám sát mặt đất với cự ly ngắn và trung bình

Kích thước của ăng ten hỗ trợ độ chính xác và độ phân giải tuyệt vời, nhưng kích thước của ăng ten tương đối nhỏ không ảnh hưởng đến sự di chuyển của trạm radar Ảnh hưởng của điều kiện thời tiết xấu là rất lớn Bởi vậy, radar giám sát không phận thường sử dụng kiểu ăng ten phân cực tròn Băng tần này được xác định trước cho hầu hết các kiểu radar thời tiết dùng để định vị lượng mưa ở vùng ôn đới như châu Âu

+ Băng I/J (Băng X và Ku của Radar)

Trong băng tần này (8 đến 12 GHz) Băng tần này rộng được dùng cho radar dân sự hàng hải và radar dẫn đường quân sự Ăng ten nhỏ và rẻ với tốc độ quay cao thích hợp với cự ly rõ ràng cực đại và độ chính xác cao Các ống dẫn sóng chia rãnh (khe) và các ăng ten nhỏ được sử dụng như ăng ten radar, thông thường đặt trong một mái che bảo vệ

+ Băng K (Băng K và Ku của Radar)

Tần số càng cao, sự suy giảm do khí quyển càng tăng Ngược lại, sự chính xác và độ phân giải cự ly cũng tăng lên Các ứng dụng của radar trong băng tần này hỗ trợ cự ly ngắn, độ phân giải rất cao và tỷ lệ phục hồi dữ liệu cao Trong lĩnh vực quản lý không lưu, những loại radar này được gọi là Radar Giám sát di chuyển trên mặt đất hay Thiết bị Giám sát trên khu vực Sân bay Việc sử dụng xung phát rất ngắn cỡ vài nanô giây cho độ phân giải cự ly, hình dáng của máy bay để có thể nhìn thấy trên màn hình radar

+ Băng V

Do sự tán sắc phân tử (do ảnh hưởng độ ẩm không khí), dải tần này có mức suy hao cao Các ứng dụng Radar bị hạn chế trong một phạm vi ngắn khoảng vài mét

Có những loại radar hoạt động ở 96 đến 98 GHz như các thiết bị trong phòng thí nghiệm.Các ứng dụng này cho phép nghiên cứu việc sử dụng radar trong những sóng tần số cực cao như 100 GHz

+ Hiện tƣợng dịch tần do hiệu ứng Doppler trong radar

Tần số dịch tần f d có thể được viết như sau:

(1) Trong đó:

là vận tốc tương đối của mục tiêu (so với radar) tính bằng đơn vị (m/s);

là vận tốc tuyệt đối của mục tiêu tính bằng (m/s);

là bước sóng của tín hiệu radar tính bằng (m); và

góc giữa hướng mục tiêu so với búp sóng của radar

Hiện tượng dịch tần so hiệu ứng Doppler được sử dụng rộng rãi để tách

các mục tiêu di động ra khỏi nhiễu tĩnh vật - clutter

1.1.2.4 Tầm quan trọng của độ rộng băng thông trong Radar

Về cơ bản băng thông thể hiện các thông tin, vì vậy nó rất quan trọng trong nhiều ứng dụng của radar Có hai loại băng thông được tính đến trong radar Một là băng thông của tín hiệu được xác định thông qua độ rộng xung hoặc các tín hiệu điều chế trong xung Hai là băng thông có thể điều chỉnh được Thông thường, độ rộng băng thông tín hiệu của một sóng sine đơn giản có chu

kỳ sẽ bằng Băng thông lớn hơn rất cần cho việc phân giải các mục tiêu theo

cự ly, để xác định cự ly đến mục tiêu một cách chính xác và trong một chừng mực nhất định cho phép phân biệt loại mục tiêu này so với mục tiêu khác

Độ rộng băng thông điều chỉnh được cho phép thay đổi tần số tín hiệu radar trong một dải phổ rộng Nó được sử dụng để giảm nhiễu tương hỗ giữa các radar hoạt động trong cùng băng tần, cũng như cố gắn làm giảm ảnh hưởng do

sự gây nhiễu điện tử của đối phương Tần số hoạt động càng cao thì càng có dải động tín hiệu càng rộng và độ rộng băng tần điều chỉnh được càng rộng

1.1.3 Tỉ số Tín hiệu trên Nhiễu (SNR)

Độ chính xác của các phép đo đạc bằng radar cũng như độ tin cậy của khả năng phát hiện mục tiêu phụ thuộc vào tỉ số E/N0 Trong đó E là tổng năng

lượng của tín hiệu thu được xử lý bởi radar và N0 là công suất nhiễu trên một đơn vị băng thông của máy thu Do đó E/N0 là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá năng lực của radar

1.2 Các phương trình cơ bản của radar sơ cấp

1.2.1 Các tham số radar có liên quan đến thời gian

1.2.1.1 Thời gian/chu kỳ lặp xung – PRT/PRP và Tần số lặp xung – PRF

Hầu hết mọi chức năng của radar phụ thuộc vào thời gian Để đo khoảng cách, một hệ thống radar cần đồng bộ thời gian giữa máy phát và máy thu Những radar phát xạ đơn xung (với độ rộng xung ), đợi những tín hiệu phản hồi trở về, sau đó phát xạ xung kế tiếp có giản đồ thời gian như hình dưới đây:

Hình 1.5 Giản đồ thời gian phát và nhận xung phản xạ đối với radar đơn xung

Khoảng thời gian giữa sườn lên của hai xung liên tiếp được gọi là thời gian lặp xung – Pulse Repetition Time (PRT) hay chu kỳ lặp xung – Pulse Repetition Period (PRP), tỷ lệ nghịch với tần số lặp xung – Pulse Repetition Frequency (PRF) theo biểu thức:

(2)

Tần số lặp xung PRF của radar là số xung được phát đi trong 1 giây Tần

số phát xung ảnh hưởng đến cự ly cực đại mà nó hiển thị được

1.2.1.2 Công suất đỉnh, công suất trung bình và Độ rộng xung

Năng lượng của sóng điện từ của một radar phát theo kiểu sóng liên tục có thể xác định được dễ dàng vì máy phát hoạt động liên tục Tuy nhiên, các máy phát của radar phát xung phát/ngừng phát trong những khoảng thời gian tương ứng với độ rộng xung Năng lượng của tín hiệu này rất quan trọng vì cự ly phát hiện cực đại liên quan trực tiếp đến công suất của máy phát Nếu radar phát công suất càng lớn thì cự ly phát hiện mục tiêu càng lớn

Năng lượng của một xung bằng mức công suất đỉnh (công suất lớn nhất) của xung nhân với độ rộng xung Tuy nhiên, đồng hồ được dùng để đo công suất của hệ thống radar phải đo trong suốt khoảng thời gian lớn hơn độ rộng của xung radar Vì lý do đó, thời gian lặp xung PRT được dùng để tính công suất của máy phát Công suất được đo theo thời gian được gọi là Công suất trung bình và được xác định như sau:

hoặc:

(3)

Công suất đỉnh thường được tính toán nhiều hơn công suất trung bình vì hầu hết các thiết bị đo chỉ đo trực tiếp công suất trung bình

1.2.1.3 Hệ số đầy xung (Duty cycle)

Độ rộng xung nhân với tần số lặp xung PRF ở công thức nêu trên được

gọi là hệ số đầy xung (Duty cycle) của radar Hệ số đầy xung được tính bằng tỉ

số giữa thời gian hệ thống ở trạng thái “hoạt động”

Ví dụ: Giả sử máy phát hoạt động trong 1 s và sau đó tắt trong 99 s, sau

đó lại phát tiếp trong 1 s, v.v thì hệ số đầy xung sẽ là 1/100 hay 1% Hệ số đầy xung được dùng để tính công suất trung bình và công suất đỉnh của một hệ thống radar

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa Hệ số đầy xung (Duty cycle) với công suất đỉnh

và công suất trung bình

1.2.1.4 Thời gian quét qua mục tiêu (Dwell Time) và số xung đập vào mục tiêu trong 1 vòng quét (Hits per Scan)

Thời gian quét qua mục tiêu – Dwell Time

Hầu hết các quá trình xử lý của radar phát xung đều phụ thuộc vào thời gian Do đó một số thuật ngữ sau đây liên quan đến thời gian:

Hình 1.7 Hình ảnh của mục tiêu hiển thị trên màn hình là kết quả của nhiều

xung radar đập vào mục tiêu

Dwell-Time được định nghĩa là số lần búp sóng của radar quét qua một mục tiêu, ký hiệu là Thời gian quét qua mục tiêu chủ yếu phụ thuộc vào:

- Độ rộng của búp sóng ăng ten trong mặt phẳng ngang:

- Tốc độ vòng quay của ăng ten trong một phút (n)

Số lần xung quét vào mục tiêu trong 1 vòng quét (Hits per Scan)

Công suất trung bình

Công suất xung

Độ rộng xung

Thời gian lặp xung

Duty Cycle

Số lần xung radar quét vào mục tiêu trong một vòng quét, ký hiệu là m

nói lên số lượng tín hiệu phản xạ từ một mục tiêu trong suốt thời gian ăng ten hướng về mục tiêu Số lượng xung quét vào mục tiêu có nghĩa là số lượng tín hiệu phản xạ thu được tại một ăng ten quay của hệ thống radar đối với 1 mục tiêu đơn trong một vòng quay Mối quan hệ giữa Thời gian quét qua mục tiêu và thời gian lặp xung sẽ xác định số lượng xung quét vào mục tiêu

(5)

Vì vậy, để thiết bị radar có thể đánh giá được các thông tin từ mục tiêu với độ chính xác nhất định, số lượng xung radar quét vào mục tiêu nằm trong khoảng từ 1 – 20 là cần thiết, nó phụ thuộc vào chế độ hoạt động của radar

Khoảng cách của mục tiêu được xác định từ thời gian đi của tín hiệu cao

tần và thời gian lan truyền sóng c 0 Cự ly thực của mục tiêu đến radar được gọi

là cự ly nghiêng: Là khoảng cách giữa radar và đối tượng được radar chiếu chùm tia đến Trong khi khoảng cách trên đất là khoảng cách trên mặt phẳng ngang giữa máy phát tới hình chiếu của mục tiêu lên mặt đất, việc tính toán khoảng cách này cần phải biết độ cao của mục tiêu Lấy thời gian phát tín hiệu

tới mục tiêu và đợi nhận được tín hiệu phản xạ trở lại chia cho 2 ta có thời gian cần để sóng tới đích

(6)

Trong đó :

là cự ly nghiêng tính từ ăng ten radar đến mục tiêu

là thời gian tín hiệu radar đi và về

1.2.2.2 Cự ly đơn trị cực đại

Một vấn đề với các xung radar và việc xác định khoảng cách là làm thế nào để xác định chính xác khoảng cách tới mục tiêu nếu có nhiều mục tiêu ở xa phản xạ một tín hiệu đủ mạnh Vấn đề nảy sinh trong thực tế vì radar thường phát đi một chuỗi xung Máy thu của radar thu đo thời gian giữa sườn lên của xung phát cuối cùng và xung phản xạ Một tín hiệu phản hồi có thể nhận được từ mục tiêu ở xa hơn sau khi đã phát đi xung thứ hai như hình dưới đây:

Hình 1.10 Một tín hiệu phản hồi về ở khoảng cách 400km bị hiểu sai là 100km

Trong trường hợp này, radar sẽ xác định khoảng thời gian sai, do đó xác định được cự ly sai Trong quá trình xử lý, giả sử rằng xung phản hồi được đo cùng với xung phát thứ hai sẽ chỉ thị một giá trị cự ly đến mục tiêu bị giảm đi rất

nhiều Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cự ly đa trị - Unambiguous

Range, nó xảy ra khi có những mục tiêu phản hồi mạnh ở những cự ly nằm

ngoài thời gian lặp của xung Thời gian lặp xung cho phép xác định cự ly đơn trị lớn nhất Để tăng cự ly đơn trị thì cần tăng PRT, có nghĩa là giảm PRF

Những tín hiệu phản hồi đến sau khoảng thời gian radar hoạt động ở chế

độ thu trong 1 chu kỳ phát xung sẽ nằm trong:

- Khoảng thời gian phát mà khi đó các tín hiệu phản hồi sẽ không được

xử lý khi thiết bị radar chưa sẵn sàng để thu

- Khoảng thời gian thu tiếp theo, lúc đó các xung phản hồi này sẽ gây ra

phép đo cự ly sai (gọi là sự phản hồi đa trị)

Cự ly đơn trị cực đại của hệ thống radar được xác định bởi công thức:

(7) Thời gian lặp xung PRT của radar là tham số quan trọng khi xác định cự

ly cực đại vì thời gian phản xạ mục tiêu mà vượt quá PRT của hệ thống radar thì mục tiêu sẽ xuất hiện ở vị trí sai trên màn ảnh radar Tín hiệu phản hồi xuất hiện tại những cự ly sai này được xem là tín hiệu phản hồi đa trị hay các tín hiệu phản

xạ lần thứ 2 (second-sweep) Độ rộng xung trong phương trình (7) nhằm chỉ ra cần trừ đi khoảng thời gian cần thiết để thu được một xung phản xạ đầy đủ

1.2.2.3 Cự ly phát hiện tối thiểu

Cự ly phát hiện nhỏ nhất (hay khoảng mù) là một thông số cần xét đến Khi sườn lên của xung phản xạ nằm bên trong xung phát thì không thể xác định

thời gian tín hiệu đi hết một vòng, có nghĩa là không thể đo được khoảng cách

Cự ly phát hiện nhỏ nhất phụ thuộc vào độ rộng xung của xung máy phát,

và thời gian khôi phục của bộ chuyển mạch thu/phát (duplexer)

(8)

Máy thu không thể thu trong thời gian phát xung vì nó cần được ngắt ra khỏi máy phát để tránh bị hỏng Trong trường hợp đó, các xung phản hồi xuất phát từ những mục tiêu rất gần với radar

Những mục tiêu ở một cự ly tương đương với độ rộng xung từ radar sẽ không phát hiện được Một xung radar cự ly ngắn có độ rộng 1 tương ứng với

cự ly phát hiện tối thiểu vào khoảng 150m Mặc dù vậy, nhiều radar có độ rộng xung dài hơn vẫn có cự ly phát hiện tối thiểu tương đối lớn, đặc biệt là radar nén xung, có thể sử dụng những xung dài tương ứng độ rộng xung mười hay đến hàng trăm micrô-giây

Hình 1.11 Cự ly phát hiện tối thiểu (vùng mù gần đài) của radar

1.2.3 Xác định hướng của mục tiêu

1.2.3.1 Góc phương vị

Hướng tới mục tiêu được xác định bởi tính định hướng của ăngten Tính định hướng, đôi khi được hiểu là độ lợi của ăng ten, nghĩa là khả năng tập trung năng lượng của ăngten để phát xạ theo một hướng nhất định Một ăngten với tính định hướng cao được gọi là ăngten định hướng

Bằng việc đo góc mà ăngten đang hướng đến và thu được tín hiệu phản hồi, sẽ xác định được góc phương vị và góc ngẫng của radar Sự chính xác của

R min

phép đo góc được xác định bởi tính định hướng, là một hàm phụ thuộc kích thước của ăngten

Hình 1.12 Góc phương vị và góc ngẫng (góc cao)

Góc phương vị thực (được tham chiếu với phương Bắc từ) của một mục tiêu radar là góc giữa phương Bắc cực và một tia hướng từ đài radar đến mục tiêu Góc này được đo trong mặt phẳng ngang và được tính theo chiều kim đồng

hồ từ hướng Bắc cực Góc phương vị đến mục tiêu radar cũng được tính theo chiều kim đồng hồ từ trục của tàu hay máy bay và được gọi là góc phương vị tương đối

Việc truyền chính xác và nhanh thông tin về góc phương vị của ăngten và mục tiêu được thực hiện nhờ vào:

- Những hệ thống servo

- Đếm các xung biến đổi theo góc phương vị

Những servo được sử dụng trong những ăng ten radar cũ hơn và những bệ phóng tên lửa dựa trên những thiết bị như máy truyền mô men xoắn đồng bộ và máy thu mô men xoắn đồng bộ Trong những thiết bị radar khác sử dụng một Bộ tạo xung mã hóa phương vị - Azimuth-Change-Pulses (ACP)

Trong mỗi vòng quay của ăng ten, bộ mã hóa gửi các chuỗi xung, mỗi chuỗi xung mã hóa cho một giá trị góc phương vị khác nhau Một số loại radar khác làm việc hoàn toàn không có hoặc chỉ có cơ cấu quay bán cơ khí Có một sốradar sử dụng bộ quét pha điện tử theo góc phương vị và góc ngẫng (loại ăng ten mảng kiểm soát pha)

N

S W

R

Horrizon

E

1.2.3.2 Góc ngẫng (góc cao)

Góc ngẫng là góc giữa mặt phẳng ngang và đường thẳng hướng đến mục tiêu, được đo trong mặt phẳng thẳng đứng kí hiệu là Góc ngẫng mang giá trị dương nếu ở phía trên đường chân trời (góc ngẫng 0°), góc ngẫng mang giá trị

âm nếu ở dưới đường chân trời

1.2.4 Độ cao của mục tiêu so với mặt đất và so với mực nước biển trung bình

Độ cao của mục tiêu so với bề mặt trái đất được ký hiệu là: H trong công thức và các hình vẽ dưới đây Độ cao thực là khoảng cách từ tàu bay so với mực nước biển trung bình Độ cao được tính theo giá trị của cự ly nghiêng R và góc ngẫng như Hình dưới đây

- Bước sóng

- Áp suất không khí

- Nhiệt độ không khí

- Độ ẩm không khí

Vì vậy, các phương trình này chỉ có tính gần đúng

Hình 1.14 Độ cao so với mực nước biển trung bình và độ cao so với mặt đất

1.2.5 Độ chính xác

Độ chính xác biểu thị mức độ phù hợp giữa vị trí và/hoặc vận tốc đo được hay ước tính được tại một thời điểm xác định với vị trí hay vận tốc thực của nó Không nên nhầm lẫn giữa độ chính xác với độ phân giải của radar

Độ chính xác hệ thống dẫn đường bằng sóng vô tuyến là một phép thống

kê sai số của hệ thống được có tính chất như sau:

1 Có thể dự báo được: Độ chính xác của một vị trí có quan hệ với các hệ tọa độ địa lý trên mặt đất

2 Có thể lặp lại: Người sử dụng có thể xác định lại một vị trí mà các tọa

độ của nó đã được đo đạc ở một thời điểm trước đó với cùng hệ thống dẫn đường

3 Tính tương đối: Người sử dụng có thể xác định một vị trí dựa trên mối quan hệ tương đối so với các vị trí khác (bằng cách bỏ qua các sai số có thể)

Giá trị yêu cầu đối với độ chính xác biểu thị sự thay đổi giữa các giá trị đo được với các giá trị thực tương ứng với xác suất cho trước Giá trị xác suất theokhuyến cáo là 95%, ứng với 2 độ lệch chuẩn của giá trị trung bình đối với hàm phân bố Gauss thông thường của các biến

Giả thiết rằng tất cả những phép hiệu chỉnh đã biết đã được tính đến có nghĩa rằng các sai số của giá trị đo được có một giá trị trung bình (hoặc mức nền) tiến gần đến zero Bất cứ giá trị sai số nền phải nhỏ so với yêu cầu về độ chính xác cho trước Giá trị thực là giá trị mà dưới điều kiện hoạt động bình thường, mô tả hoàn toàn chính xác các biến được đo đạc hoặc quan sát trong một thời gian, không gian và/hoặc khoảng thời gian cụ thể

Ví dụ về độ chính xác của một số hệ thống radar như sau:

1.2.6 Độ phân giải của Radar – Resolution

Độ phân giải radar là khả năng phân biệt của radar đối với những mục tiêu rất gần nhau cả về cự ly và góc phương vị

Đối với những radar điều khiển vũ khí, đòi hỏi độ chính xác cao, cần phải

có khả năng phân biệt giữa những mục tiêu được cách nhau vài thước Anh (yard) Radar bám đuổi mục tiêu thường có độ chính xác thấp hơn và chỉ phân biệt những mục tiêu cách nhau hàng trăm thước Anh hay thậm chí nhiều dặm

Độ phân giải Radar được chia làm hai loại là độ phân giải cự ly và độ phân giải góc (phương vị)

1.2.6.1 Độ phân giải góc

Độ phân giải góc là góc tối thiểu giữa hai mục tiêu có cùng cự ly mà radar có thể phân biệt được Độ phân giải góc của radar được xác định bởi độ rộng búp sóng ăng ten được biểu diễn bởi góc ở -3dB, còn gọi được gọi là điểm nửa công suất

Những điểm nửa công suất (có độ rộng búp sóng ở -3 dB) thông thường được xác định là giới hạn độ rộng búp sóng của ăng ten dùng cho mục đích xác định độ phân giải góc; do đó, hai mục tiêu giống nhau ở cùng một cự li được phân biệt nếu chúng ở cách nhau một góc lớn hơn độ rộng búp sóng của ăng ten

Một điểm lưu ý quan trọng: Với độ rộng búp sóng càng bé thì tính định hướng của ăng ten radar càng cao, nghĩa là độ phân giải góc càng cao

Hình 1.16 Độ phân giải góc

Độ phân giải góc là khoảng cách giữa hai mục tiêu phụ thuộc vào cự ly nghiêng và được tính theo công thức sau:

(10) Trong đó:

chiều rộng chùm tia ăng-ten

R là cự ly nghiêng từ mục tiêu tới ăngten

SA là độ phân giải góc

1.2.6.2 Độ phân giải cự ly

Độ phân giải cự ly nói lên khả năng một hệ thống radar có thể phân biệt giữa hai hoặc nhiều mục tiêu trên cùng một góc phương vị nhưng ở những cự ly khác nhau Độ phân giải cự ly phụ thuộc vào độ rộng xung phát, kiểu và kích thước của mục tiêu, hiệu suất của máy thu và bộ chỉ thị

Độ rộng xung là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ phân giải cự ly.Một hệ thống radar được thiết kế tốt, với tất cả các hệ số khác tương ứng với hiệu suất cực đại, phải có khả năng phân biệt những mục tiêu được cách nhau bằng thời gian ½ độ rộng xung Độ phân giải cự ly của một hệ thống radar được tính theo công thức sau:

(11) Trong đó:

: vận tốc ánh sáng : độ rộng xung phát

S r : độ phân giải cự ly

Hình 1.17 Độ phân giải cự ly

Hình 1.18 Giản đồ thời gian của các xung phát và xung phản hồi trong trường hợp khoảng cách giữa hai tàu bay rất gần nhau không thể phân biệt được

Hình 1.19 Giản đồ thời gian của các xung phát và xung phản hồi trong trường hợp khoảng cách giữa hai tàu bay đủ xa để phân biệt được

Trong một hệ thống radar nén xung, độ phân giả ủa radar phụ

thuộc vào băng thông của xung được phát (B tx) chứ không phải độ rộng xung:

(12) Trong đó:

: Vận tốc ánh sáng

: Băng thông của xung được phát đi

Phương pháp này cho phép đạt được độ phân giải cao hơn khi phát những xung dài, do đó công suất trung bình cũng cao hơn nên cự ly phát hiện cực đại cũng sẽ lớn hơn

Hình dưới đây cho thấy về mặt lý thuyết sẽ đạt được độ phân giải cự ly là 1,5m với độ rộng băng thông ở -3dB là 100 MHz

Hình 1.20 Độ phân giải cự ly là một hàm của độ rộng băng thông xung phát

1.2.7 Phương trình lý thuyết xác định cự ly phát hiện cực đại

1.2.7.1 Độ lợi và khẩu độ của ăng ten

+ Độ lợi của ăng ten

Độ lợi của ăngten biểu thị khả năng tập trung năng lượng truyền đi của ăngten vào trong chùm tiahẹp có tính định hướng:

Hai tham số có liên hệ với độ lợi của ăng ten là độ lợi định hướng và tính định hướng Độ lợi của ăngten được dùng như hệ số phẩm chất tương đối so với một nguồn đẳng hướng với tính định hướng của ăng ten đẳng hướng bằng 1.Công suất nhận được từ mục tiêu liên quan trực tiếp đến bình phương độ lợi ăngten, trong khi ăngten sử dụng cả hai cho việc phát và thu

- Độ lợi ăng-ten tăng công suất phát theo hướng mong muốn

- Một ăng-ten đẳng hướng, công suất truyền bằng nhau theo mọi hướng

Chẳng hạn, nếu chùm tia hội tụ 50 lần công suất của một ăngten đa hướng với cùng công suất máy phát thì ăngten đ ịnh hướng đó có độ lợi là 50 (hoặc là

17 dB)

Hình 1.21 Giản đồ của một ăng ten định hướng so với ăng ten đẳng hướng

+ Khẩu độ của ăng ten

Cùng một ăngten được sử dụng trong suốt quá trình phát và thu Khi phát, toàn bộ năng lượng được ăngten xử lý Khi thu, ăngten có độ lợi không đổi, nhưng ăngten chỉ nhận được một phần năng lượng thu được Khẩu độ ăngten cho biết khả năng tiếp nhận công suất sóng điện từ ở đầu vào

Ở máy thu, khẩu độ ăngten được biểu diễn dưới dạng diện tích của một vòng tròn đặt vuông góc với nguồn tín hiệu bức xạ đầu vào, nơi tất cả bức xạ chuyển qua bên trong vòng tròn được ăng ten phân phối tới tải phù hợp

Mật độ công suất đầu vào (Watt/m 2 ) Khẩu độ (m 2 ) = Công suất thu được của ăngten (watt)

Độ lợi ăngten tỷ lệ trực tiếp với khẩu độ:

- Một ăng ten đẳng hướng có khẩu độ là:

- Một ăngten với độ lợi G có khẩu độ là:

Kích thước của ăngten phụ thuộc vào độ lợi G và bước sóng λ: Tần số càng cao thì ăng-ten càng nhỏ, nếu kích thước ăng-ten không đổi thì độ lợi G tăng nếu tần số càng cao

Những ăngten chảo lớn cũng giống ăngten radar có một khẩu độ gần bằng

bề mặt vật lý của chúng, và thường có giá trị trong khoảng 32 đến 40 dB Sự thay đổi chất lượng của ăngten (do đặc tính không đều của ăng ten hay sự biến dạng hoặc do tình trạng đóng băng) đều có ảnh hưởng rất lớn

1.2.7.2 Suy hao trong không gian truyền sóng tự do – FSPL

Trong lĩnh vực viễn thông, suy hao trong không gian tự do – FSPL (Free Space Path Loss) là sự suy hao cường độ tín hiệu sóng điện từ khi lan truyền

trong không gian theo tầm nhìn thẳng và không có vật thể ở gần gây phản xạ hoặc nhiễu xạ Việc áp dụng tính FSPL được tính trong điều kiện truyền sóng

trong môi trường chân không lý tưởng, ví dụ như thông tin liên lạc giữa các vệ tinh.Đó là một trong tiêu chí để tính toán các phương trình radar

Nếu như năng lượng tần số cao được phát xạ đẳng hướng, nghĩa là năng lượng được truyền đi đồng nhất theo mọi hướng Các mặt có cùng mật độ công

suất tạo nên một các mặt cầu (A = 4πR² ) xung quanh điểm phát xạ Diện tích

mặt cầu tăng lên khi bán kính của nó tăng lên và mức năng lượng được trải ra trên nó không thay đổi Điều này có nghĩa là mật độ công suất trên bề mặt của một quả cầu tỉ lệ nghịch với diện tích A (hoặc bán kính R) của mặt cầu đó

Hình 1.22 Mật độ công suất vô hướng suy giảm khi phân bố theo một mặt

cầu

Suy hao trong không gian truyền sóng tự do – FSPL phụ thuộc vào 2 yếu tố: Suy hao công suất trong không gian tự do tỉ lệ với bình phương khoảng cách giữa máy phát và máy thu và cũng tỉ lệ với bình phương tần số của tín hiệu vô tuyến

- Trước tiên, việc phân bố năng lượng trong không gian tự do được xác định như sau:

(13) Trong đó:

: Công suất phát (W) : Mật độ công suất trên một đơn vị diện tích ở một cự ly nhất định : Khoảng cách giữa máy phát – máy thu (m)

- Yếu tố ảnh hưởng thứ hai đó là khẩu độ của ăngten (antenna aperture),

nó nói lên khả năng một ăng ten có thể thu nhận được năng lượng điện từ Đối với ăng ten đẳng hướng được xác định như sau:

(14) Trong đó:

: Công suất thu được (W) : Mật độ công suất vô hướng (W/m2) : Bước sóng của tín hiệu (m)

Tổng suy hao được tính như sau:

(15)Trong đó:

: Tần số phát

: Vận tốc truyền sóng trong chân không = 2.99792458.108m/s 3.108m/s

1.2.7.3 Phương trình radar

+ Biến đổi các phương trình

Phương trình radar biểu diễn các mối quan hệ vật lý liên quan đến công suất phát, chính là sóng vô tuyến được truyền đi cho đến khi nhận được các tín

hiệu phản xạ Công suất P E phản xạ trở về ăng ten thu phụ thuộc vào công suất

phát P S , cự ly nghiêng R và các đặc tính phản xạ của mục tiêu ( được đặc trưng bởi tham số tiết diện phản xạ hiệu dụng – cross section ) Với độ nhạy biết

trước của máy thu radar, phương trình radar sẽ xác định cự ly phát hiện cực đại của radar đó

Trước tiên, chúng ta giả thuyết rằng sóng điện từ được truyền đi trong điều kiện lý tưởng, nghĩa là không bị phân tán Giả sử nguồn phát xạ điện từ

phát xạ vô hướng, mật độ công suất S u được tính theo phương trình (15) như sau:

(16) Trong đó:

: Công suất phát (W) : Mật độ công suất vô hướng (W/m2) : Khoảng cách giữa ăng ten và mục tiêu (m)

Trong khi mọi điểm của mặt cầu phát xạ năng lượng theo mọi hướng bằng nhau (với công suất không đổi), nếu công suất đó được tập trung phát xạ theo một hướng thì sẽ làm tăng công suất theo hướng phát xạ đó Khả năng đó được gọi là độ lợi của ăng ten Do đó, mật độ công suất định hướng sẽ là:

(17) Trong đó:

: Mật độ công suất vô hướng (W/m2) : Mật độ công suất định hướng (W/m2) : Độ lợi của ăng ten

Trong thực tế, các ăng ten radar có độ rộng búp sóng hẹp có độ lợi từ 30 - 40dB (ăng ten chảo parabol hoặc ăng ten mảng kiểm soát pha)

Sự định hướng về phía mục tiêu không chỉ phụ thuộc vào mật độ công suất tại vị trí mục tiêu mà còn phụ thuộc mức công suất bị phản xạ ngược trở lại phía radar Để xác định mức công suất phản xạ hữu ích, cần phải biết được tiết diện phản xạ hiệu dụng Đại lượng này phụ thuộc vào một số yếu tố Nhưng

có thể nói rằng diện tích phản xạ càng lớn thì phản xạ càng nhiều công suất

Ví dụ: Một chiếc tàu bay phản lực lớn có tiết diện phản xạ hiệu dụng lớn

hơn một tàu bay thể thao ở cùng tình huống bay giống nhau

Ngoài diện tích phản xạ, đại lượng này còn phụ thuộc vào thiết kế, kết cấu

và vật liệu bề mặt phản xạ Vì vậy, chúng ta có thể nói: Công suất được phản xạ

trở lại radar P r phụ thuộc vào mật độ công suất S u , độ lợi ăngten G và tiết diện

phản xạ hiệu dụng

(18) Trong đó:

: Công suất phát (W) : Độ lợi của ăng ten : Tiết diện phản xạ hiệu dụng (m2) : Khoảng cách giữa ăng ten và mục tiêu (m)

Để đơn giản hóa, một mục tiêu lúc này có thể được xem như một nguồn phát xạ với công suất là Khi tín hiệu phản xạ trở lại máy thu xét ở cùng điều

kiện như khi phát, ta có mật độ công suất tại máy thu S e sẽ được tính như sau:

(19) Trong đó:

: Mật độ công suất tại máy thu (W/m2) : Công suất phản xạ (W)

: Khoảng cách giữa mục tiêu và ăng ten (m)

Hình 1.23 Mô tả quan hệ giữa phương trình (18) và (19)

Tại ăng ten radar, công suất thu được P E phụ thuộc vào mật độ công suất

tại điểm thu S e và khẩu độ hiệu dụng của ăng ten A W :

(20) Trong đó:

: Công suất thu được (W) : Khẩu độ hiệu dụng của ăng ten (m2)

Khẩu độ hiệu dụng của ăng ten (Effective Antenna Aperture) liên quan

đến một vấn đề thực tế đó là ăng ten cũng có những suy hao, do đó công suất thu được ở ăng ten không bằng công suất đầu vào Thông thường, hiệu suất của ăng

ten là khoảng từ 0.6 – 0.7 (ký hiệu là K a)

Khẩu độ hiệu dụng của ăng ten quan hệ với diện tích ăng ten và hiệu suất theo công thức sau:

(21) Trong đó:

: Khẩu độ hiệu dụng của ăng ten (m2) : Diện tích của ăng ten (m2)

: Hiệu suất của ăng ten (m2)

Từ (20) và (21) ta có:

(22) Thay (19) vào (22):

(23)

Kết hợp các phương trình công suất phát và công suất phản xạ, cự ly R 1 và

R 2 bằng nhau, thay vào phương trình (23), ta có:

(24)

Một phương trình khác mô tả quan hệ giữa độ lợi của ăng ten G và bước

sóng như sau:

(25)(26)Thay phương trình (26) vào (24) ta được phương trình sau:

- Đối với một thiết bị radar cho trước, hầu hết các tham số ( có thể được xem là không đổi do chúng thay đổi trong dải rất nhỏ