Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài radar ( Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài radar ( Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài radar ( Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài radar ( Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài radar ( Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài radar ( Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài radar ( Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài radar ( Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

***********

NGUYỄN VĂN HẠNH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THU TÍN HIỆU

TRONG ĐÀI RA ĐA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2014

ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

***********

NGUYỄN VĂN HẠNH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THU TÍN HIỆU

TRONG ĐÀI RA ĐA

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

Mã số : 62 52 02 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Nguyễn Thị Ngọc Minh

2 TS Chu Xuân Quang

Hà Nội – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Nguyễn Văn Hạnh

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới các thầy cô hướng dẫn:

- TS Nguyễn Thị Ngọc Minh, Viện Ra đa/ Viện KH & CNQS

- TS Chu Xuân Quang, Viện Vật lý Kỹ thuật/ Viện KH & CNQS

đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành được luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn các Nhà khoa học đã cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện KH & CNQS, Phòng Đào tạo

đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành nhiệm vụ

Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Thủ trưởng Viện Ra đa, Thủ trưởng Viện Điện tử - Viễn thông đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ tôi đạt kết quả mong muốn

Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Ra đa / Viện Ra đa, nơi tôi trực tiếp công tác và học tập, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án

iii

MỤC LỤC

Trang

Danh mục các ký hiệu vii

Danh mục các từ viết tắt……… ix

Danh mục các bảng……… xi

Danh mục các hình vẽ……… xii

MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU RA ĐA 8

1.1 Cấu hình và cấu trúc máy thu ra đa 8

1.1.1 Cấu hình máy thu ra đa 8

1.1.2 Phân loại cấu trúc máy thu 10

1.1.2.1 Máy thu siêu ngoại sai 10

1.1.2.2 Máy thu đổi tần trực tiếp……… 11

1.1.2.3 Máy thu trung tần thấp……… 11

1.1.2.4 Máy thu đa kênh dải rộng 12

1.1.3 So sánh các cấu trúc máy thu 12

1.2 Các yêu cầu kỹ thuật chính đối với máy thu ra đa 14

1.2.1 Tạp và độ nhạy máy thu ….……… … ………… 14

1.2.1.1 Tạp máy thu ……… ……… 14

1.2.1.2 Độ nhạy máy thu …… ……… 16

1.2.2 Thời gian khôi phục độ nhạy máy thu……… 17

1.2.3 Hệ số khuếch đại, dải động và độ tuyến tính…… ……….… 18

1.2.3.1 Hệ số khuếch đại 18

1.2.3.2 Dải động ……… 18

1.2.3.3 Độ tuyến tính ……… 19

1.2.4 Độ chính xác và độ ổn định tần số 21

1.3 Xây dựng nội dung nghiên cứu của luận án 23

1.3.1 Hiện trạng ra đa của Quân đội ta 23

1.3.2 Xu thế phát triển hệ thống thu đài ra đa 25

1.3.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 26

1.3.3.1 Ngoài nước 26

1.3.3.2 Trong nước 26

1.3.4 Về chất lượng thu của máy thu ra đa……… 28

1.3.5 Nội dung nghiên cứu của luận án ……… ……… 29

Kết luận chương 1 31

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THU TÍN HIỆU TRONG ĐÀI RA ĐA 32

2.1 Hạn chế các tín hiệu cường độ mạnh vào máy thu 32

2.1.1 Chức năng, tác dụng của bộ hạn chế công suất trong ra đa… 35

2.1.2 Bộ hạn chế siêu cao tần bằng bán dẫn 36

2.1.2.1 Bộ hạn chế varactor thụ động 37

2.1.2.2 Bộ hạn chế điốt PIN 39

2.1.2.3 Bộ hạn chế điốt PIN giả tích cực………… ………… 41

2.1.2.4 Bộ hạn chế Varactor PIN………… ……… 42

2.1.2.5 Một số mô hình bộ hạn chế công suất đã sử dụng trong thực tế 42

2.1.2.6 Tổng kết…….……… 44

2.1.3 Đề xuất một bộ hạn chế công suất cho hiệu quả cao ……… 44

2.1.4 Tính toán các tham số của bộ hạn chế công suất 49

2.2 Nâng cao độ ổn định tần số và giảm mức tạp pha của bộ dao động tại chỗ

52 2.2.1 Độ ổn định tần số của các bộ dao động VCO 54

2.2.2 Sự phát sinh tạp trong bộ dao động…… ……… 55

2.2.3 Khảo sát tạp điều biên (AM) và điều pha (PM) ở đầu ra bộ dao động dùng transistor 55

2.2.3.1 Tạp do chuyển đổi và điều chế trong các bộ dao động……… 55

2.2.3.2 Điều chế bởi một tín hiệu tạp……… ……… ……… 56

2.2.3.3 Các mô hình tạp của bộ dao động.…… ……… 57

2.2.3.4 Cách tiếp cận phi tuyến để tính toán, phân tích tạp

của các bộ dao động 64

2.2.3.5 Tạp chuyển đổi………… ……… 67

2.2.3.6 Tạp điều chế……… ……… 70

2.2.4 Tạp của bộ dao động với mạch PLL…… ……… 74

2.2.4.1 Giới thiệu chung về vòng khóa pha 74

2.2.4.2 Mật độ phổ công suất tạp pha 75

2.2.4.3 Phổ tạp pha PLL 82

Kết luận chương 2 84

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 86

3.1 Bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu đài ra đa 86

3.1.1 Đánh giá công suất lọt sau đèn cặp nhả điện trên đài ra đa 86

3.1.2 Mô phỏng bộ hạn chế công suất bằng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần ADS 87

3.1.3 Kết quả đo thực tế 90

3.1.3.1 Đo trong Phòng thí nghiệm 90

3.1.3.2 Đo khi làm việc trên đài ra đa 93

3.2 Bộ dao động sử dụng một vòng khóa pha 95

3.2.1 Chức năng của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất 95

3.2.2 Nguyên lý làm việc của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất 95

3.2.3 Kết quả đo thực tế 98

3.2.3.1 Đo, đánh giá phổ dao động 98

3.2.3.2 Đo, đánh giá tạp pha 98

3.2.3.3 Đo, đánh giá độ ổn định tần số 101

3.3 Bộ dao động sử dụng nhiều vòng khóa pha 103

3.3.1 Chức năng của bộ dao động LO1 và LO2 104

3.3.2 Nguyên lý làm việc của bộ dao động LO1 và LO2 104

3.3.3 Máy thu đài ra đa băng tần VHF 109

3.3.4 Kết quả đo thực tế 111

vi

Kết luận chương 3 114

KẾT LUẬN CHUNG……… 116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 121 PHỤ LỤC: CÁC SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH VÀ ẢNH CHỤP

SẢN PHẨM

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên

aE Hằng số tạp nhấp nháy của mạch khuếch đại lặp

Ap Tổn hao của điốt PIN khi không cấp nguồn [dB]

aR Hằng số tạp nhấp nháy của mạch cộng hưởng

As Tổn hao của điốt PIN khi cấp nguồn [dB]

C − Hệ số tương quan PM- AM ở hài thứ k

E Vector phần thực và phần ảo của tất cả các lỗi HB

EB Vector phụ lỗi sinh ra do dải biên

EH Vector phụ lỗi sinh ra do hài sóng mang

Id Dòng điều khiển điốt PIN [mA]

K0 Hệ số khuếch đại điện áp dao động [lần]

viii

Ký hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên

Psav Công suất trung bình đầu ra bộ dao động [dBm]

Rp Điện trở của điốt PIN khi không cấp nguồn [Ω]

Rs Điện trở của điốt PIN khi cấp nguồn [Ω]

β Chỉ số điều chế của tín hiệu điều chế

⊗ Liên hợp hoán vị

* Liên hợp phức

ix

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC Chuyển đổi tương tự- số (Analog Digital Converter)

ADS Phần mềm thiết kế mạch ADS (Advance Design Systems)

AFC Tự động điều chỉnh tần số (Automatic Frequency Control)

AGC Tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại (Automatic Gain Control)

AM Điều biên (Amplitude Modulation)

BPF Bộ lọc dải thông (Band Pass Filter)

BUF Bộ đệm (Buffer)

BW Dải thông (Band Width)

COHO Bộ dao động tại chỗ tương can (Coherent Local Oscillator)

CP Bơm tích điện (Charge Pump)

CW Sóng liên tục (Continous Wave)

DC Một chiều (Direct Current)

DDC Biến đổi số trực tiếp (Direct Digital Conversion)

DDS Tổng hợp kỹ thuật số trực tiếp (Direct Digital Synthesizer)

DR Dải động (Dynamic Range)

DSP Xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processing)

FIL Bộ lọc (Filter)

FM Điều tần (Frequency Modulation)

HB Cân bằng hài (Harmonic Balance)

IC Vi mạch (Integrated Circuit)

IF Trung tần (Intermediate Frequency)

IIP1 Điểm chắn đầu vào bậc 1 (First order Input Intercept Point)

IIP2 Điểm chắn đầu vào bậc 2 (Second order Input Intercept Point) IIP3 Điểm chắn đầu vào bậc 3 (Third order Input Intercept Point)

Im Phần ảo (Imaginary)

IM Điều biến tương hỗ (Intermodulation)

IM2 Điều biến tương hỗ bậc 2 (Second order Intermodulation)

IM3 Điều biến tương hỗ bậc 3 (Third order Intermodulation)

IP2 Điểm chắn bậc 2 (Second order Intercept Point)

IP3 Điểm chắn bậc 3 (Third order Intercept Point)

ISF Hàm độ nhạy trong xung (Impulse Sensitivity Function)

x

LNA Bộ khuếch đại tạp thấp (Low Noise Amplifier)

LPF Bộ lọc thông thấp (Low Pass Filter)

LO Bộ dao động tại chỗ (Local Oscillator)

MASH Hình dạng tạp đa tầng (Multi-Stage Noise Shaping)

MOS Độ nhạy hoạt động tối thiểu (Minimum Operational Sensitivity) NCS Nghiên cứu sinh

PD Bộ tách sóng pha (Phase Detector)

PFD Bộ tách sóng pha- tần số (Phase Frequency Detector)

PLL Vòng khóa pha (Phase Lock Loop)

PM Điều pha (Phase Modulation)

PSD Mật độ phổ công suất (Power Spectrum Density)

Re Phần thực (Real)

REF Tham chiếu (Reference)

RF Tần số vô tuyến (Radio Frequency)

RMS Giá trị trung bình bình phương (Root Mean Square)

RS Độ nhạy máy thu (Receiver Sensitivity)

SCT Siêu cao tần

SDM Điều chế Σ-Δ (Sigma - Delta Modulator)

SNR Tỷ số tín/tạp (Signal Noise Ratio)

SS Trạng thái ổn định (Steady State)

SSB Đơn biên (Single Side Band)

STALO Bộ dao động tại chỗ ổn định (Stable Local Oscillator)

STC Điều khiển độ nhạy theo thời gian (Sensitivity Time Control)

TCXO Bộ dao động tinh thể có bù khử nhiệt độ (Temperature

Compensated Crystal Oscillator) VCO Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Control Oscillator) VHF Tần số rất cao (Very High Frequency)

xi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh các cấu trúc máy thu khác nhau 13

Bảng 2.1: Các dải công suất của các thiết bị bảo vệ cao tần 44

Bảng 2.2: So sánh 3 kiểu hạn chế thụ động, tích cực và giả tích cực 45

Bảng 2.3: Tham số kỹ thuật của bộ hạn chế công suất 49

Bảng 3.1: Các tham số kỹ thuật chính của 3 loại điốt PIN 88

Bảng 3.2: Mức hạn chế (dB) theo 3 phương pháp 94

Bảng 3.3: Tham số kỹ thuật của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất 97

Bảng 3.4: Tạp pha bộ VCO tại tần số dao động 16,24 GHz 101

Bảng 3.5: Tạp pha máy thu tại tần số 16,27 GHz 101

Bảng 3.6: Khảo sát tần số của bộ VCO theo thời gian 102

Bảng 3.7: Tham số kỹ thuật của bộ dao động ngoại sai LO1 109

Bảng 3.8: Tham số kỹ thuật của bộ dao động ngoại sai LO2 109

Bảng 3.9: Tham số kỹ thuật đo được của máy thu đài ra đa băng tần VHF…… 112

Bảng 3.10: Tạp pha máy thu đài ra đa băng tần VHF 112

xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu hình cơ bản của máy thu ra đa chủ động 9

Hình 1.2: Cấu hình cơ bản máy thu siêu ngoại sai trộn tần một cấp………… 11

Hình 1.3: Cấu trúc máy thu đổi tần trực tiếp (trộn xuống I/Q) 11

Hình 1.4: Sơ đồ khối máy thu trung tần thấp 12

Hình 1.5: Các bộ lọc chuyển kênh trong máy thu đa kênh dải rộng 12

Hình 1.6: Phóng to mép phổ của LO và mô tả tạp hợp nhất 16

Hình 1.7: Quét công suất chỉ ra các điểm bậc hai IIP2 và bậc ba IIP3 19

Hình 1.8: Mối quan hệ giữa các tham số của máy thu……… 20

Hình 2.1: Sơ đồ tuyến thu đài ra đa 35

Hình 2.2: Dạng xung phát xạ lọt qua đèn 36

Hình 2.3: Bộ chuyển mạch thu -phát bán dẫn 37

Hình 2.4: Bộ hạn chế varactor 38

Hình 2.5: Bộ hạn chế sử dụng 2 điốt PIN mắc sơn cách nhau 1/4 bước sóng 40

Hình 2.6: Mức hạn chế (a) và tổn hao (b) của bộ hạn chế 41

Hình 2.7: Bộ hạn chế giả tích cực sử dụng điốt PIN 41

Hình 2.8: Đặc tuyến công suất đầu ra của bộ hạn chế giả tích cực 42

Hình 2.9: Một số mô hình bộ hạn chế công suất sử dụng trong thực tế 43

Hình 2.10: Sơ đồ khối bộ hạn chế công suất 46

Hình 2.11: Bộ lọc cài răng lược 47

Hình 2.12: Bộ lọc răng lược 47

Hình 2.13: Bộ lọc cài răng lược kết hợp với hiệu ứng điốt PIN 48

Hình 2.14: Tạp pha cộng vào sóng mang 59

xiii

Hình 2.15: Mô hình hóa tạp bằng bộ khuếch đại tạp tự do và điều chế pha 59

Hình 2.16: Mô hình mạch phản hồi tương đương của tạp pha bộ dao động 60

Hình 2.17: Tạp pha của bộ dao động có Q cao và thấp 61

Hình 2.18: Mạch phi tuyến có tạp thông thường…… ……… ……… 65

Hình 2.19: Sơ đồ khối của PLL 75

Hình 2.20: Mô hình đã tuyến tính hóa của PLL 75

Hình 2.21: Phổ tạp pha của bộ tổ hợp tần số 10 GHz với 1 vòng khóa pha…… 82

Hình 2.22: Phổ tạp pha của bộ tổ hợp tần số 10 GHz với 2 vòng khóa pha 83

Hình 2.23: So sánh phổ tạp pha của bộ tổ hợp tần số 10 GHz (giữa 1 với 2 vòng khóa pha) 83

Hình 3.1: Sơ đồ đo đánh giá dạng xung lọt sau đèn cặp nhả điện 87

Hình 3.2: Dạng xung lọt với suy giảm đồng trục 50 dB 87

Hình 3.3: Đặc tuyến hạn chế của điốt MA4L401-30 88

Hình 3.4: Đặc tuyến hạn chế của điốt MLP7100 88

Hình 3.5: Kết quả mô phỏng bộ lọc dải thông 89

Hình 3.6: Kết quả mô phỏng bộ hạn chế công suất 89

Hình 3.7: Kết quả đo tổn hao đi qua 90

Hình 3.8: Kết quả mô phỏng và đo thực tế mạch hạn chế cộng/chia công suất 91 Hình 3.9: Kết quả mô phỏng và đo thực tế bộ lọc dải thông 91

Hình 3.10: Kết quả mô phỏng và đo thực tế mạch hạn chế tích cực 91

Hình 3.11: So sánh xung đầu vào bộ hạn chế và xung điều khiển điốt HP5082-3041 được tạo ra từ mạch tách sóng 92

xiv

Hình 3.12: So sánh xung đầu vào bộ hạn chế và xung điều khiển điốt

HP5082-3041 được tạo ra từ xung kích phát của đài

92 Hình 3.13: Sơ đồ đo thực tế trên đài ra đa 93

Hình 3.14: Đồ thị so sánh giữa 3 phương pháp 94

Hình 3.15: Sơ đồ khối của bộ dao động siêu cao tần 95

Hình 3.16: Sơ đồ khối mạch ổn định tần số dao động VCO 96

Hình 3.17: Kết quả đo phổ bộ VCO khi thay đổi điện áp cấp cho Varactor 98

Hình 3.18: Kết quả đo tạp pha bộ VCO khi không có (a) và khi có mạch PLL (b) 99

Hình 3.19: Kết quả đo tạp pha máy thu dùng bộ VCO khi không có (a) và khi có mạch PLL (b) 100

Hình 3.20: Sơ đồ hệ thống đo đánh giá độ ổn định tần số của bộ VCO 101

Hình 3.21: Độ ổn định tần số của bộ VCO khi có sử dụng PLL và khi không sử dụng PLL 102

Hình 3.22: Sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số dao động tại chỗ 104

Hình 3.23: Sơ đồ chi tiết của bộ dao động ngoại sai LO1 và LO2 108

Hình 3.24: Sơ đồ khối bộ tạo dao động ngoại sai LO2……… 109

Hình 3.25: Sơ đồ khối của máy thu đài ra đa băng tần VHF 110

Hình 3.26: Sơ đồ khối một kênh thu đài ra đa băng tần VHF 111

Hình 3.27: Kết quả đo tạp pha máy thu đài ra đa băng tần VHF 113

bị kỹ thuật mà nguồn thông tin về lý thuyết, kỹ thuật, công nghệ ra đa từ Liên Xô

và Đông Âu cũ giảm đáng kể, từ các nước khác thì rất hạn chế Máy thu ra đa quân

sự so với các loại máy thu ra đa dân dụng có kỹ thuật tổng hợp hơn, phức tạp hơn

và có đặc thù riêng Tuy không phải là vấn đề mới cả về lý thuyết và công nghệ chế tạo, nhưng liên quan tới các bí mật quân sự về ra đa của các nước phát triển cũng như là các sản phẩm thương mại nên rất khó khăn trong việc tiếp cận và cập nhật các tài liệu liên quan

Hiện nay, vật tư linh kiện thay thế, nhất là một số linh kiện siêu cao tần (SCT) trong đó có các đèn sóng chạy, các đèn dao động Klistron không sản xuất nữa hoặc quá hiếm và đắt Do đó buộc chúng ta phải tự nghiên cứu thiết kế, chế tạo thay thế tương đương bằng linh kiện thế hệ công nghệ mới (bán dẫn, vi mạch, vi xử

lý, linh kiện tích hợp….) nhằm kéo dài thời gian sử dụng, duy trì sức chiến đấu của

vũ khí, trang bị, khí tài Xu hướng chung của thế giới là áp dụng kỹ thuật mới, tiên tiến cải tiến, hiện đại hoá ra đa hiện có, kể cả các nước có trình độ công nghệ cao và công nghệ sản xuất ra đa tiên tiến

Với các đài ra đa thế hệ cũ có độ rộng xung phát nhỏ (từ 2μs đến 6μs), để đảm bảo cự ly phát hiện xa thì công suất đỉnh của xung phát phải rất lớn, ví dụ: Π-18: 200 kW, Π-37: 600 kW ÷ 700 kW (mỗi kênh), ΠPB-16: 700 kW [7] Vì công suất xung lớn nên hệ thống đường truyền, chuyển mạch thu - phát thường hay bị

Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full