TRẦN MẠNH LINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP LNA BĂNG TẦN S DÙNG CHO RADAR CẢNH GIỚI DẪN ĐƯỜNG P37 - – 2015... DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNGHình 1.
Trang 1TRẦN MẠNH LINH
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) BĂNG TẦN S DÙNG CHO RADAR CẢNH
GIỚI DẪN ĐƯỜNG P37
-
– 2015
Trang 2TRẦN MẠNH LINH
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) BĂNG TẦN S DÙNG CHO RADAR CẢNH
GIỚI DẪN ĐƯỜNG P37
: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên : Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60520203
– 2015
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bạch Gia Dương
Các số liệu, kết luận của luận văn là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu những
mô hình, thành quả đã đạt được của các nước trên thế giới và trải nghiệm của bản thân, chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước khi trình, bảo vệ trước “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật”
Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết
Hà nội, Ngày 21 tháng 05 năm 2015
Người cam đoan
Trần Mạnh Linh
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bạch Gia Dương, thầy đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp
Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị trung tâm nghiên cứu điện tử viễn thông – Khoa điện tử viễn thông Trường Đại học Công Nghệ đã giúp đỡ
em trong quá trình thực hiện luận văn này
Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng vì thời gian có hạn và vốn kiến thức còn rất hạn chế nên công trình còn nhiều thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy cô và các bạn
Em xin chân thành cảm ơn!
Trang 5MỤC LỤC
1 Lý do chọn đề tài 8
2 Mục tiêu của đề tài 10
3 Phương pháp nghiên cứu 10
4 Nội dung nghiên cứu 10 4.1 Nghiên cứu lý thuyết 10 4.2 Thiết kế hệ thống 10
5 Kết cấu luận văn 11 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ RADAR CẢNH GIỚI DẪN ĐƯỜNG
P37
12
1.2 Các thông số kỹ thuật đài Radar P37 cải tiến 13 1.3 Sơ đồ chức năng Radar P37 cải tiến xử lý tín hiệu radar 13 1.4 Sơ đồ khối bộ khuyếch đại tạp âm thấp LNA trong máy thu Radar
P37
16
1.5 Sử dụng PIN Diode hạn chế công suất lọt bảo vệ LNA cho tuyến
thu radar P37
18
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 21 2.1 Giới thiệu chung 21 2.2 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần 22 2.2.1 Các loại đường truyền 22 2.2.2 Phương trình truyền sóng 23 2.2.3 Hệ số phản xạ 25 2.2.4 Hệ số sóng đứng 25 2.2.5 Giãn đồ Smith 26 2.3 Phối hợp trở kháng 28 2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung 29
Trang 62.3.2 Phối hợp trở kháng dải hẹp bằng những đoạn dây dẫn sóng
mắc liên tiếp
30
2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm 32 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUYẾCH ĐẠI SIÊU CAO
TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) BĂNG TẦN S DÙNG CHO RADAR
CẢNHGIỚIDẪNĐƯỜNGP37
36
3.1 Yêu cầu thiết kế 36 3.1.1 Phương pháp phối hợp trở kháng 36 3.1.2 Tính toán mô phỏng và thiết kế 36
3.2.1 Chế tạo mạch Layout 43 3.2.2 Đo kiểm các thông số S và đánh giá kết quả thu được 45
Trang 7DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG
Hình 1.1 Một số hình ảnh về Radar P37
Hình 1.5 Các khối điều chỉnh phát và một kênh thu Radar P37
Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ khuyếch đại tạp âm thấp LNA trong máy thu Radar
P37
Hình 1.7 Hình ảnh thực tế khối LNA bán dẫn tích hợp khối bảo vệ máy thu
Radar P37
Hình 1.8 Cấu ta ̣o PIN diode
Hình 1.9 Mạch mô phỏng tương đương các trạng thái đóng, ngắt của PIN diode Hình 1.10 Phân cực chuyển mạch cho PIN diode
Hình 1.11 Bảo vệ thụ động dùng PIN Diode
Hình 2.1 Phổ tần số của sóng điện từ
Hình 2.2 Các dạng đường truyền sóng
Hình 2.3 Biểu diễn mạch tương đương của một đoạn đường truyền sóng siêu
cao tần Hình 2.4 Giãn đồ Smith chuẩn
Hình 2.5 Sơ đồ phối hợp trở kháng
Hình 2.6 Mạch phối hợp trở kháng hình L
Hình 2.7 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây λ\4
Hình 2.8 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ
Trang 8Hình 2.9 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp
Hình 2.10 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây chêm
Hình 2.11 Biểu diễn trên đồ thị Smith
Hình 2.12 Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đôi
Hình 3.1 Layout của Transistor SPF-2086
Hình 3.2 Hệ số khuếch đại của Transistor SPF-2086
Hình 3.3 Bảng tham số S-Parameter của Trans SPF-2086
Hình 3.4 Biểu diễn , trên ADS
Hình 3.5 Sơ đồ mạch khuếch đại
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối vào
Hình 3.7 Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối ra
Hình 3.9 Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào
Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA băng S hoàn
chỉnh Hình 3.11 Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA băng S
Hình 3.12 Công cụ LineCalc
Hình 3.13 Layout của mạch khuếch đại LNA băng S
Hình 3.14 Mạch thực tế của bộ khuếch đại LNA băng S
Hình 3.15 Sơ đồ đo dùng máy phân tích phổ RONDE&SCHWARZ
Hình 3.16 Mạch lắp ráp và đo thử nghiệm máy phân tích phổ
RONDE&SCHWARZ Hình 3.17 Kết quả đo sử dụng máy phân tích phổ tại 2.9 GHz
Trang 9Hình 3.18 Kết quả đo sử dụng máy phân tích phổ tại 3 GHz
Hình 3.19 Sơ đồ đo dùng máy phân tích mạng Advantest R3765CG
Hình 3.20 Mạch lắp ráp và đo thử nghiệm máy phân mạng Advantest R3765CG Hình 3.21 Kết quả đo sử dụng máy phân tích mạng tại 2,9 GHz
Hình 3.22 Kết quả đo sử dụng máy phân tích mạng tại 3 GHz
Hình 3.23 Kết quả đo sử dụng máy phân tích mạng tại 3,1 GHz
Trang 10LỜI MỞ ĐẦU
1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong Chiến tranh Việt Nam, hệ thống Radar P37 của Việt Nam được trang bị khá hiện đại cùng với các loại khí tài có nguồn gốc từ Liên Xô Hệ thống radar cảnh giới và dẫn đường cho không quân kết hợp với hệ thống tên lửa phòng không
và không quân tiêm kích Tuy bị hơn hẳn về kinh nghiệm và chiến thuật, nhưng binh chủng Radar nói riêng và các đơn vị phòng không -không quân đã chiến đấu khá sáng tạo, vô hiệu hóa được các thủ thuật chiến tranh điện tử và chống trả quyết liệt với Không quân và Hải quân Hoa Kỳ Hệ thống Radar cảnh giới đã được phân
bố dọc bờ biển miền bắc và phủ sóng các tầm trung và tầm thấp, cũng như được trang bị cho các trạm cảnh giới đồng bộ cho các trạm điều khiển hỏa lực và hoạt động thường xuyên 24/24, phủ sóng gần như toàn bộ miền Bắc lúc bấy giờ
Hiện nay, các radar cảnh giới trên không được phối hợp tác chiến cùng lực lượng phòng không-không quân, còn các radar cảnh giới bờ biển thì phối hợp với binh chủng tên lửa-pháo bờ biển Radar P37 đóng vai trò quan trọng trong việc cảnh giới tầm trung và hỗ trợ cảnh giới tầm thấp, đồng thời làm nhiệm vụ dẫn đường cho không quân tấn công các mục tiêu bay cũng như hỗ trợ điều phối hạ cánh tại các sân bay Radar hỗ trợ tích cực cho bảo vệ miền bắc suốt 12 ngày đêm cuối năm 1972 trong Chiến dịch Điện Biên Phủ trên không Còn rất nhiều chiến công khác có sự đóng góp không nhỏ của Radar cảnh giới dẫn đường trong suốt chiến tranh Việt Nam
Từ phân tích trên ta thấy được tầm quan trọng của Radar cảnh giới dẫn đường P37 Tuy nhiên radar P37 được Liên xô cũ trang bị đã xuống cấp đồng bộ Trong
đó tuyến thu siêu cao tần băng S gây ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng phát hiện mục tiêu do suy giảm độ nhạy Tuyến thu siêu cao tần Radar P37 làm việc ở dải sóng centimet ( băng tần S với tần số từ 2.9GHz tới 3.1 GHz) Tầng khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp sử dụng đèn sóng chạy để đảm bảo giảm tạp âm cho tuyến thu và cung cấp hệ số khuếch đại lớn (G ≥ 28 dB với hệ số tạp NF ≤ 2 dB) Ngoài
ra bộ khuếch đại dùng đèn sóng chạy có tính năng đặc biệt là khi tín hiệu vào lớn thì đèn sóng chạy có tính năng như một bộ suy giảm, nén tín hiệu 40dB tính năng
Trang 11này rất quan trọng để bảo vệ máy thu bán dẫn Đối với radar tín hiệu phát và thu đều sử dụng một anten qua chuyển mạch thu – phát Chuyển mạch thu phát đóng máy thu và dẫn tín hiệu phát công suất lớn ra anten Khi thu chuyển mạch thu phát đóng máy phát và nối anten tới đầu vào bộ khuếch đại tạp âm thấp của máy thu Tuy nhiên do chuyển mạch thu phát trong chế độ phát công suất lớn không đóng kín lý tưởng nên công suất phát lọt vào máy thu khá lớn Nếu sử dụng đèn sóng chạy hoàn toàn không ảnh hưởng Hiện nay để duy trì các đài radar P37 thế hệ cũ nhưng vẫn đóng vai trò chủ công trong hệ thống cảnh giới dẫn đường, công tác đảm bảo vật tư thay thế là một nhiệm vụ quan trọng Các đèn sóng chạy được thay thế bằng các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) Các bộ LNA bán dẫn với công nghệ CMOS hoàn toàn đáp ứng về hệ số khuếch đại, ưu việt về hệ số tạp âm thấp (NF), có dải động cao Tuy nhiên đèn bán dẫn cần bổ sung khả năng bảo vệ xung lọt từ máy phát sang máy thu Để sử dụng đèn bán dẫn trong bộ LNA cần lắp thêm
bộ hạn chế công suất lọt giữa chuyển mạch anten và LNA
Sơ đồ chức năng cho LNA thay thế đèn sóng chạy được mô tả như sau:
Triển khai nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ LNA kết hợp với bộ hạn chế công suất lọt, bảo vệ là nội dung nhằm thay thế đèn sóng chạy là nội dung có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao
Trang 12Luận văn tập trung nghiên cứu với đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ
khuyếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) băng tần S dùng cho radar cảnh giới dẫn đường P37”
2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Vận dụng các kiến thức về kỹ thuật phối hợp trở kháng, các giải pháp kỹ thuật nhằm hạn chế tạp âm, lựa chọn linh kiện với công nghệ CMOS có hệ số tạp âm thấp trong băng tần S để thiết kế chế tạo bộ khuyếch đại tạp âm thấp siêu cao tần dùng trong máy thu radar Với Radar P37, dải tần hoạt động là 2,9 – 3,1 GHz Có nhiều phương pháp phối hợp trở kháng khác nhau, thông qua mô phỏng , triển khai thực nghiệm và tối ưu hóa để tìm ra phương pháp tốt nhất
3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để thực hiện chuyên đề trên, phương pháp nghiên cứu được sử dụng gồm:
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết, cập nhật và xử lý tài liệu liên quan về thiết kế mạch điện siêu cao tần, nghiên cứu phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS 2009
Phương pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng ADS, sau khi đạt chỉ tiêu kỹ thuật sẽ tiến hành chế tạo thử nghiệm mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng S
Triển khai thực nghiệm để tìm kiểm chứng kết quả thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp đã chế tạo và trên cơ sở đó hoàn thiện thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng S dùng cho radar cảnh giới dẫn đường P37 với các thông số hệ số khuếch đại (Gain), hệ số tạp NF, tìm các giải pháp phối hợp trở kháng tốt hơn để giảm tạp âm với bộ khuếch đại dải rộng
4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
4.1 Nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu về cấu trúc tuyến thu và kỹ thuật sử dụng trong Radar P37
- Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng trong kỹ thuật siêu cao tần
- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng ADS và transistor SPF 2086
4.2 Thiết kế hệ thống
Trang 13TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Bạch Gia Dương, Trường Vũ Bằng Giang, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB
ĐHQGHN
[2] Kiều Khắc Lâu, Cơ Sở Kỹ Thuật Siêu Cao Tần, NXB Giáo Dục
Tiếng Anh
[1] David M.Pozar, RFID AT ULTRA AND SUPER HIGH FREQUENCIES,
Roderick Riesco, MA, Member of the Institute of Translation and Interpre ting,
UK
[2] Merrill I.Skolnik,RADAR HANDBOOK,Mc Graw Hill
[3] W Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc [4] David M Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc
