Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài radar

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 Con

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

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, kếtquả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ côngtrình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Nguyễn Văn Hạnh

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 đónggóp 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 trưởngViện 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 trựctiếp công tác và học tập, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong suốt quátrình 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

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 52

bộ dao động tại chỗ

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

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

[dB]

C • Hệ số tương quan ở dải biên trên và dưới của hài thứ k

C ck PM − AM (ω) Hệ số tương quan PM- AM ở hài thứ k

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

Tần số ngoại sai Tần số điều chế Tần số trung tâmTần số tín hiệu Tần số lấy mẫu

Hệ số khuếch đại

[Hz][Hz][Hz][Hz][Hz][Hz][Hz][Hz][dB]Id

K0

L

Dòng điều khiển điốt PIN

Hệ số khuếch đại điện áp dao độngĐiện cảm

[mA][lần][H]

M Ma trận Jacobian của các lỗi HB

[Ω][dBm][dBm][Ω][Ω][Ω]

XB Vector biến trạng thái bao gồm các thành phần ở dải

〈•〉 Trung bình chung

β Chỉ số điều chế của tín hiệu điều chế

⊗ Liên hợp hoán vị

* Liên hợp phức

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)

KĐ Khuếch đại

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)

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

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

13

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

14

Hình 3.12: So sánh xung đầu vào bộ hạn chế và xung điều khiển điốt 92

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

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 chếtạo, nhưng liên quan tới các bí mật quân sự về ra đa của các nước phát triển cũngnhư là các sản phẩm thương mại nên rất khó khăn trong việc tiếp cận và cập nhậtcác 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 xuấtnữa hoặc quá hiếm và đắt Do đó buộc chúng ta phải tự nghiên cứu thiết kế, chế tạothay 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, tiêntiến cải tiến, hiện đại hoá ra đa hiện có, kể cả các nước có trình độ công nghệ cao vàcông 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), đểđảm 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 côngsuất xung lớn nên hệ thống đường truyền, chuyển mạch thu - phát thường hay bị

hỏng do đánh lửa, do đó công suất lọt từ máy phát sang máy thu lớn (có đài ra đamức công suất lọt lớn cỡ 1 W CW), cần phải có phương án kỹ thuật hạn chế mứccông suất lọt này Giải pháp khắc phục là sử dụng bộ hạn chế công suất dùng để bảo

vệ bộ khuếch đại tạp thấp không bị đánh thủng bởi công suất lọt (nhất là đối với cácđài ra đa xung sử dụng các đèn cặp nhả điện không có điện áp mồi)

Trong kỹ thuật SCT, việc nghiên cứu sử dụng các linh kiện đặc thù như điốtPIN, Gunn, Varactor và bán dẫn SCT được phát triển mạnh trong nhiều lĩnh vựcứng dụng, trong đó có các bộ hạn chế công suất, bộ dao động VCO dùng trong các

hệ thống thu của đài ra đa

Nâng cấp hiện đại hóa các khí tài ra đa có trong trang bị quân đội ta là mộttrong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu của các đơn vị làm công tác nghiên cứu

và đảm bảo kỹ thuật ra đa Áp dụng các linh kiện và kỹ thuật mới một cách có cơ

sở khoa học vào các đài ra đa hiện có là một hướng đi đúng đắn và phù hợp vớitình hình quân đội ta hiện nay

Chất lượng của máy thu đóng vai trò quyết định trong việc sản xuất chế tạo

ra đa Đặc biệt, đối với các đài ra đa thế hệ mới, máy thu phải có độ nhạy cao, tạppha nhỏ và có độ ổn định cao Vì vậy, việc nghiên cứu tìm ra các giải pháp nâng caochất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa là một nhu cầu cấp thiết và có tính thực tiễncao trong điều kiện nước ta đang xây dựng một chương trình sản xuất ra đa

Chính vì những lý do trên, luận án đặt vấn đề: “Nghiên cứu một số giải

pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa”, là một nhu cầu cấp thiết

và có tính thực tiễn cao đối với việc phát triển của quân đội ta hiện nay

II Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án

Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật nâng cao chất

lượng máy thu đài ra đa thông qua việc nghiên cứu nâng cao chất lượng các môđuntrong tuyến thu (các bộ hạn chế công suất cao tần, các bộ khuếch đại cao tần tạpthấp, các bộ dao động bán dẫn SCT VCO ) nhằm nâng cao độ nhạy, giảm mức tạppha, nâng cao độ ổn định và cải thiện chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa

Nội dung nghiên cứu của luận án chỉ giới hạn tập trung nghiên cứu một sốgiải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng các mô đun ở phần đầu máy thu của các đài

ra đa quân sự hiện có của nước ta (tập trung vào phần SCT)

Nhiệm vụ của luận án sẽ phải giải quyết hai vấn đề chính:

- Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng bảo vệ đầu vào máy thu của

các đài ra đa quân sự hiện có của nước ta nhằm nâng cao độ nhạy máy thu, duy trìcông tác bảo đảm kỹ thuật và phục vụ công tác sẵn sàng chiến đấu đang có nhu cầucấp thiết;

- Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng cao độ ổn định và giảm mức tạp pha của máythu đài ra đa; cụ thể là: nâng cao độ ổn định tần số, giảm mức tạp pha của các bộdao động VCO sử dụng một hoặc nhiều vòng khóa pha (PLL)

III Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng bằng phần mềm thiết kế mạch ADS và thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu tổng quan về các cấu trúc máy thu của đài ra đa Phân tích các yêu cầu

kỹ thuật chính đối với máy thu ra đa và mối quan hệ giữa chúng;

- Nghiên cứu tổng quan tình trạng kỹ thuật của hệ thống ra đa của Quân đội ta, tìnhhình và xu hướng phát triển của hệ thống máy thu ra đa trên thế giới;

- Khảo sát tổng quan về các bộ hạn chế công suất SCT dùng bán dẫn, bao gồm: bộhạn chế Varactor, bộ hạn chế điốt PIN, bộ hạn chế điốt PIN giả tích cực và bộ hạnchế Varactor PIN;

- Khảo sát các mô hình cho bộ dao động dùng transistor, mô hình tạp, trình bàycông thức tính tạp điều biên (AM) và tạp điều pha (PM) ở đầu ra của bộ dao độngdùng transistor;

- Trình bày các nguyên nhân gây ra tạp pha và các yếu tố gây ảnh hưởng đến độ ổnđịnh của các bộ dao động VCO dùng transistor;

- Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật mới để thiết kế bộ hạn chế công suất điốt PIN bảo

vệ bộ khuếch đại không bị đánh thủng bởi công suất lọt sau đèn cặp nhả điện: giảipháp dựa trên kỹ thuật đánh lệch dải thông của bộ lọc dải thông dạng cài răng lượckết hợp hiệu ứng điốt PIN khi có công suất SCT lọt lớn đi đến trong thời gian phát

và giải pháp hạn chế giả tích cực để tạo ra được bộ hạn chế công suất có độ suy haotổng cộng > 90 dB với mức tín hiệu SCT lớn đi đến và thời gian khôi phục độ nhạymáy thu < 10 ns;

- Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật mới để thiết kế bộ dao động dùng transistor: kỹthuật dùng một hoặc nhiều vòng khóa pha; sử dụng các bộ dao động chuẩn làm việc

ở tần số 741,0 MHz ÷ 927,5 MHz có độ ổn định cao, sau đó chia xuống tần số thấp(57,75 MHz ÷ 92,75 MHz) để nâng cao độ ổn định tần số và sử dụng kỹ thuật suygiảm, sau đó khuếch đại tín hiệu nhiều lần ở đầu ra các vòng lặp để giảm tạp pha

Nghiên cứu thực nghiệm:

- Thiết kế, chế tạo một số mạch SCT tiêu biểu sử dụng các linh kiện đặc thù trongmáy thu đài ra đa, bao gồm:

• Bộ hạn chế công suất điốt PIN làm việc ở dải sóng centimét;

• Bộ dao động VCO kết hợp kỹ thuật một vòng khóa pha làm việc ở băng tần Ku;

• Bộ dao động VCO kết hợp kỹ thuật nhiều vòng khóa pha làm việc băng tần VHF

- Thực nghiệm đo đối chứng các tham số, chỉ tiêu kỹ thuật các khối trên trongPhòng thí nghiệm, so sánh với các kết quả mô phỏng khi thiết kế và thực tế lắp trêncác đài ra đa để khẳng định sự đúng đắn của các giải pháp đã đề xuất

IV Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Luận án tập trung nghiên cứu ứng dụng các linh kiện SCT tiêntiến, các giải pháp kỹ thuật mới để nâng cao chất lượng thu tín hiệu cho máy thu cácđài ra đa quân sự hiện có ở nước ta Đây là một hướng đi sáng tạo và phù hợp vớitình hình trang bị ra đa hiện nay trong Quân đội ta

- Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của luận án đã

và có khả năng được ứng dụng thực tế trong việc duy trì công tác đảm bảo kỹ thuật,kéo dài tuổi thọ, cải tiến, nâng cấp các đài ra đa hiện có và phục vụ cho các chươngtrình phát triển một số chủng loại ra đa mới

V Nội dung của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, ba chương và kết luận

Chương 1: Tổng quan về máy thu ra đa.

Nghiên cứu tổng quan về các cấu trúc máy thu của đài ra đa; bao gồm: máythu siêu ngoại sai, máy thu đổi tần trực tiếp, máy thu trung tần thấp, máy thu đakênh dải rộng và đi sâu phân tích các ưu nhược điểm của từng loại cấu trúc Chương

1 cũng trình bày các yêu cầu kỹ thuật chính đối với máy thu ra đa và phân tích tổngquan tình hình nghiên cứu về máy thu ra đa trong và ngoài nước, từ đó có các đánhgiá để đề xuất các nội dung nghiên cứu của luận án

Chương 2: Một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa.

• Hạn chế các tín hiệu cường độ mạnh vào máy thu: Hầu hết các đài ra đa hiện đại

sử dụng các bộ hạn chế công suất SCT để bảo vệ máy thu trong chế độ phát vàtrước các nguồn phát của đài ra đa khác làm việc trong cùng dải tần Phần đầu khảosát tổng quan về các bộ hạn chế công suất SCT dùng bán dẫn (bao gồm: bộ hạn chếVaractor, bộ hạn chế điốt PIN, bộ hạn chế điốt PIN giả tích cực và bộ hạn chếVaractor PIN), sau đó đi sâu trình bày giải pháp kỹ thuật mới đã được áp dụng đểthiết kế bộ hạn chế công suất điốt PIN bảo vệ bộ khuếch đại không bị đánh thủngbởi công suất lọt sau đèn cặp nhả điện (giải pháp dựa trên kỹ thuật đánh lệch dảithông của bộ lọc dải thông dạng cài răng lược kết hợp hiệu ứng điốt PIN khi có côngsuất SCT lọt lớn đi đến trong thời gian phát và giải pháp hạn chế giả tích cực để tạo

ra được bộ hạn chế công suất cho hiệu quả cao)

• Nâng cao độ ổn định tần số và giảm mức tạp pha của bộ dao động tại chỗ: Đểnâng cao chất lượng thu tín hiệu và giảm tạp cùng các hài của tín hiệu sau bộ trộntần, phần sau tập trung nghiên cứu các bộ dao động VCO sử dụng transistor được ápdụng làm dao động ngoại sai trong các đài ra đa, đây là khâu chủ yếu gây ra tạp vàhài của tín hiệu ở đầu ra máy thu Khảo sát các mô hình bộ dao động dùngtransistor, mô hình tạp, trình bày công thức tính tạp điều biên (AM) và tạp điều pha(PM) ở đầu ra của bộ dao động dùng transistor Đồng thời cũng trình bày tạp của bộVCO khi kết hợp với mạch PLL với 7 nguồn tạp, bao gồm: tạp của dao động thamchiếu, tạp của bộ đệm đầu vào tham chiếu, tạp VCO, tạp của bộ lọc vòng, tạp củathiết bị bơm tích điện, tạp lượng tử hóa Σ-Δ và tạp của tách sóng pha

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm

Với mục đích kiểm nghiệm tính đúng đắn và độ chính xác của các lý thuyếtnêu ở phần trên bằng thực nghiệm, trong chương này trình bày kết quả nghiên cứuthực nghiệm một số mạch SCT tiêu biểu sử dụng các linh kiện đặc thù trong máythu đài ra đa Nội dung nghiên cứu thực nghiệm bao gồm đánh giá hiệu quả của việcđưa các khối sau vào máy thu của 3 đài ra đa làm việc ở các dải sóng: mét vàcentimét, bao gồm:

• Bộ hạn chế công suất điốt PIN để bảo vệ bộ khuếch đại tạp thấp không bị đánh thủng bởi công suất lọt sau đèn cặp nhả điện Bộ hạn chế công suất và bộ LNA này

được thiết kế chế tạo để thay thế đèn sóng chạy UV-99 trong máy thu đài ra đa cảnhgiới dẫn đường sóng centimét nhằm nâng cao độ nhạy máy thu của đài;

• Bộ dao động VCO kết hợp kỹ thuật một vòng khóa pha làm việc ở dải tầncentimét (16 GHz) sử dụng làm dao động ngoại sai cho đài ra đa trinh sát mặt đất(thay thế cho đèn Klistron K-172P) nhằm nâng cao độ ổn định và chất lượng thu tínhiệu trong đài ra đa;

• Bộ dao động VCO kết hợp kỹ thuật nhiều vòng khóa pha làm việc ở dải tần57,75 MHz- 92,75 MHz sử dụng làm dao động tại chỗ cho máy thu đa kênh đài

ra đa băng tần VHF có độ tích hợp cao nhằm nâng cao độ ổn định và giảm mức tạppha máy thu

Đo đạc các tham số, chỉ tiêu kỹ thuật các khối trên trong Phòng thí nghiệm,

so sánh với các kết quả mô phỏng khi thiết kế và thực tế lắp trên các đài ra đa

Kết luận chung: Trình bày các đóng góp mới của luận án, kết luận về công

việc nghiên cứu và hướng phát triển tiếp theo của luận án

VI Kết quả của luận án

Luận án đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm một số giải pháp kỹ thuậtnâng cao chất lượng thu tín hiệu của đài ra đa thông qua việc nghiên cứu nâng caochất lượng các môđun trong tuyến thu (bộ hạn chế công suất cao tần, bộ dao độngbán dẫn SCT VCO ) Cụ thể là:

1 Qua khảo sát, phân tích về các bộ hạn chế công suất SCT dùng bán dẫn, đã nghiêncứu đề xuất giải pháp kỹ thuật thiết kế bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu ra đacảnh giới dẫn đường sóng centimét Bộ hạn chế công suất dùng điốt PIN gồm bốnphần, được thiết kế làm việc theo dạng nửa tích cực nửa thụ động Bộ hạn chế thiết

kế sử dụng giải pháp dựa trên kỹ thuật đánh lệch dải thông của bộ lọc dải thông dạngcài răng lược kết hợp hiệu ứng điốt PIN khi có công suất SCT lọt lớn đi đến trongthời gian phát và giải pháp hạn chế giả tích cực Bộ hạn chế công suất có độ suy haotổng cộng > 90 dB với mức tín hiệu SCT lớn đi đến, thời gian khôi phục độ nhạymáy thu < 10 ns và hoàn toàn thích nghi với mức công suất lọt ở đầu vào máy thu;

2 Qua nghiên cứu khảo sát tạp và các mô hình tạp cho bộ dao động dùng transistor,

đã đưa ra 4 nguyên nhân chính gây ra tạp của bộ dao động, đó là: tạp biến đổi lên1/f hoặc tạp nhấp nháy FM; tạp nhiệt FM; tạp pha nhấp nháy và nền tạp nhiệt Đã

đưa ra 6 điểm cần lưu ý khi thiết kế nhằm tối thiểu hóa mức tạp pha của các bộ daođộng VCO dùng transistor (trang 85);

3 Qua nghiên cứu cơ chế phát sinh tạp, phân tích về tạp chuyển đổi và tạp điều chếtrong bộ dao động, ta thấy:

a) Phân tích tạp chuyển đổi một cách chính xác mô tả tạp của bộ dao động ở tần số

xa sóng mang, nhưng nền tạp của bộ dao động không cho kết quả phù hợp với cácquan sát vật lý ở các độ lệch tần số gần sóng mang;

b) Ngược lại, phân tích tạp điều chế một cách chính xác mô tả tạp của bộ dao động

ở tần số gần sóng mang và không cho kết quả phù hợp với các quan sát vật lý ở các

độ lệch tần số xa sóng mang

4 Qua nghiên cứu khảo sát tạp của bộ VCO khi kết hợp với mạch PLL với 7 nguồntạp, ta thấy tạp pha của bộ VCO khi kết hợp với 2 vòng khóa pha giảm đi rất nhiều(tạp pha giảm được 8 dB) so với 1 vòng khóa pha (hình 2.23);

5 Đã nghiên cứu áp dụng các giải pháp kỹ thuật một hoặc nhiều vòng khóa pha đểthiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn SCT VCO để thay thế các bộ dao động đènKlistron trong các đài ra đa Bằng cách sử dụng 2 hay nhiều vòng PLL cho phépkhắc phục được những hạn chế của một vòng PLL và có tính năng như: dải tần rộng,bước tần nhỏ, thời gian thiết lập tần số (khóa pha) nhanh Trong kỹ thuật nhiều vòngkhóa pha đã sử dụng các bộ dao động chuẩn làm việc ở tần số 741,0 MHz ÷ 927,5MHz có độ ổn định cao, sau đó chia xuống tần số thấp (57,75 MHz ÷ 92,75 MHz) đểnâng cao độ ổn định tần số và sử dụng kỹ thuật suy giảm, sau đó khuếch đại tín hiệunhiều lần ở đầu ra các vòng lặp để giảm tạp pha;

6 Đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá tính đúng đắn và chính xác các

lý thuyết đã được đề xuất ở phần trên Việc nghiên cứu thực nghiệm được tiến hànhthông qua đánh giá hiệu quả của việc đưa các khối (bộ hạn chế công suất điốt PIN,

bộ dao động tại chỗ) vào máy thu của 3 đài ra đa làm việc ở các dải sóng: mét vàcentimét Đo đạc các tham số, chỉ tiêu kỹ thuật trong Phòng thí nghiệm, so sánh vớicác kết quả mô phỏng khi thiết kế và thực tế lắp trên các đài ra đa

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU RA ĐA

Chương này trình bày tổng quan về cấu hình máy thu, một số cấu trúc máythu khác nhau, đi sâu phân tích ưu nhược điểm của từng loại cấu trúc, đồng thờitrình bày các yêu cầu kỹ thuật chính đối với máy thu ra đa Chương 1 cũng phântích tổng quan tình hình nghiên cứu về máy thu ra đa trong và ngoài nước, từ đó cócác đánh giá để đề xuất các nội dung nghiên cứu của luận án

1.1 CẤU HÌNH VÀ CẤU TRÚC MÁY THU RA ĐA

1.1.1 Cấu hình máy thu ra đa [55]

Nhiệm vụ máy thu ra đa là khuếch đại, lọc, biến đổi tần số xuống và số hóatín hiệu phản hồi của tín hiệu máy phát ra đa nhằm đảm bảo phân biệt rõ nhất tínhiệu phản hồi mong muốn trên nền nhiễu

Hầu hết máy thu ra đa hoạt động trên nguyên tắc đổi tần như trên hình 1.1.Sau khi khuếch đại cao tần vừa đủ, tín hiệu được chuyển sang trung tần (IF) bằngcách trộn với một tần số dao động tại chỗ Có thể cần nhiều hơn một tầng đổi tần đểđạt IF cuối cùng mà không gặp phải vấn đề nghiêm trọng với tần số ảnh hoặc tần sốgiả trong quá trình trộn Máy thu đổi tần thay đổi tần số dao động tại chỗ để bámtheo bất kỳ điều chỉnh máy phát mà không phá vỡ quá trình lọc trên IF Sơ đồ khốicấu hình cơ bản của máy thu ra đa trên hình 1.1 gồm mạch điều khiển độ nhạy theothời gian (STC) làm suy giảm tín hiệu đầu vào RF Ngoài ra có thể sử dụng điềuchỉnh suy giảm RF Các hình thức này đều đảm bảo tăng dải động cao hơn cần thiếtcho hoạt động của bộ biến đổi tương tự - số (ADC) Bộ suy giảm STC được lắptrong một bộ khuếch đại RF, thường là bộ khuếch đại tạp thấp (LNA) Bộ khuếchđại này đảm bảo hệ số khuếch đại đủ lớn với hệ số tạp thấp để làm giảm hệ số tạptổng thể của ra đa do các phần tử tiếp theo đến giá trị tối thiểu Nếu trước máy thu

đã đảm bảo được hệ số khuếch đại của anten đủ lớn, có thể bỏ tầng khuếch đại này

Bộ lọc RF đảm bảo loại bỏ các nhiễu ngoài băng tần, bao gồm cả loại bỏ các tần sốảnh RF Sau khi đổi tần xuống IF, một bộ lọc thông dải đảm bảo loại bỏ các tín hiệukhông mong muốn và thiết lập dải thông xử lý tương tự (analog) cho máy thu Hệ

số khuếch đại bổ sung được cung cấp tại IF để khắc phục các mất mát, tăng mức tín

hiệu cần thiết để xử lý tiếp theo và thiết lập mức tín hiệu đúng lên bộ ADC Một bộhạn chế IF đảm bảo hạn chế các tín hiệu lớn để không làm quá tải bộ ADC.

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

Thậm chí cấu hình ra đa đơn giản nhất cũng đòi hỏi nhiều hơn một kênh thu.Hình 1.1 trình bày một kênh thu duy nhất có thể được nhân ra số lần bất kỳ phụthuộc vào yêu cầu của hệ thống ra đa Trong các hệ thống thu đa kênh yêu cầu phải

có sự phối hợp giữa các kênh và kiểm soát được hệ số khuếch đại (biên độ) và pha

Khối dao động tại chỗ ổn định (STALO) cung cấp tần số dao động tại chỗ đểđổi tần xuống trong máy thu và đổi tần lên trong bộ kích thích Để đảm bảo tươngquan hoàn toàn, STALO bị khóa với một tần số tham chiếu thấp, thể hiện bằng bộdao động tham chiếu trên hình 1.1 được sử dụng làm tần số cơ sở cho tất cả các bộtạo xung nhịp và dao động như dao động tại chỗ tương can (COHO) trong máy thu

và bộ kích thích Bộ tạo xung nhịp cung cấp tín hiệu xung nhịp cho các bộ ADC và

bộ tổng hợp kỹ thuật số trực tiếp (DDS) đồng thời cung cấp tần số cơ sở cho các tínhiệu xác định khoảng cách thời gian trong máy phát và máy thu của đài ra đa BộDDS được sử dụng để tạo ra các dạng điều chế sóng phát ở tần số IF trước khi đổitần lên tần số RF đầu ra Trong bộ kích thích cần lọc loại bỏ các tín hiệu khôngmong muốn từ bộ DDS và bộ trộn Hệ số khuếch đại RF thường được yêu cầu đảmbảo đủ mức kích hoạt máy phát hoặc anten mạng pha Hầu như tất cả các hệ thống

ra đa hiện đại sử dụng xử lý tín hiệu số (DSP) để thực hiện nhiều chức năngkhác nhau Chức năng xử lý tín hiệu số thường không được coi là một phần củamáy thu

1.1.2 Phân loại cấu trúc máy thu ra đa

Trên cơ sở cấu hình cơ bản của máy thu ra đa, có thể hình thành các cấu trúcmáy thu khác nhau

1.1.2.1 Máy thu siêu ngoại sai

Hầu hết các máy thu đều dựa trên nguyên lý siêu ngoại sai Các cấu trúc máythu siêu ngoại sai thông thường có độ nhạy và độ chọn lọc tốt Cấu hình cơ bản máythu siêu ngoại sai trộn tần một cấp trình bày ở hình 1.2 Máy thu bao gồm một bộlọc dải thông có thể điều hưởng, một bộ khuếch đại tạp thấp (LNA) làm giảm sự giatăng tạp ở đầu vào của các tầng tiếp theo trong máy thu, tầng trộn tần, lọc và khuếchđại trung tần Sau tầng IF, tín hiệu được nhân với hai sóng mang lệch pha nhau 90°

để giải điều chế tín hiệu thành hai thành phần I và Q

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

1.1.2.2 Máy thu đổi tần trực tiếp

Để giảm số lượng các linh kiện trong máy thu và giảm độ phức tạp của máythu không nên sử dụng tần số trung gian, chỉ sử dụng đổi tần trực tiếp phức (hoặccầu phương) kênh tín hiệu mong muốn từ RF xuống băng tần cơ sở Việc loại bỏhoàn toàn tầng IF giúp cấu trúc đơn giản hơn nhiều, khi đó việc chọn lọc kênh vàkhuếch đại được thực hiện tại băng tần cơ sở Sơ đồ khối của máy thu đổi tần trựctiếp (trộn xuống I/Q) được minh họa trong hình 1.3

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

1.1.2.3 Máy thu trung tần thấp

Có thể sử dụng biến đổi xuống cầu phương và một tần số IF thấp nhưng đủcao để giải quyết vấn đề trôi DC Sử dụng IF thấp có thuận lợi hơn khi đặc tính củamáy thu không cho phép mức tín hiệu lớn nhất xuất hiện ở kênh lân cận gần nhấttrong trường hợp mức tín hiệu mong muốn quá thấp Trong máy thu trung tần thấp,

để giảm thiểu những tác động rò LO và trôi DC, tín hiệu mong muốn là I/Q hoặccầu phương được chuyển xuống thấp nhưng khác 0 Hình 1.4 trình bày một sơ đồmáy thu IF thấp

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

1.1.2.4 Máy thu đa kênh dải rộng

Trong các đài ra đa sử dụng anten mạng, mỗi máy thu được nối trực tiếp vớimột chấn tử anten trong mạng Máy thu của đài ra đa là máy thu đa kênh Mỗi kênhthu của các đài ra đa dải rộng được phân chia thành các dải nhỏ để đảm bảo chấtlượng thu tín hiệu theo yêu cầu Ở đầu vào các kênh thu thường sử dụng các bộ lọcchuyển kênh như hình 1.5, gồm 2 bộ chuyển kênh đầu vào, đầu ra và giữa chúng làmột ngân hàng bộ lọc

Bộ chuyển

kênh đầu vào

Bộ chuyển kênh đầu ra

Ngân hàng bộ lọc

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

1.1.3 So sánh các cấu trúc máy thu

Bảng 1.1 nêu ưu và nhược điểm của các cấu trúc máy thu khác nhau

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

- Biến đổi lên Rx (fIF > fRF): Dễdàng loại bỏ tần số ảnh

- Loại bỏ LO biên thấp: Dải tần sốảnh dưới fRF

- Loại bỏ LO biên cao: Dải tần sốảnh trên fRF

- Bộ ADC đơn giản

- Bị mất cân bằng biên độ và phagiữa 2 nhánh I, Q

- Một số phần khó tích hợp như

bộ lọc IF, bộ lọc RF, các bộ daođộng

- Tiêu thụ công suất lớn

- Cấu trúc phức tạp

- Tín hiệu LO và IF, các hài vàthành phần tín hiệu trộn lọt vàonhững vị trí khác nhau gây ra đápứng giả

Máy thu

đổi tần

trực tiếp

- Không có dải tần số ảnh do đó bộlọc RF không quá quan trọng

- Không có nhiều đáp ứng giả

- Cấu trúc đơn giản, không có lọcIF

- Bộ ADC đơn giản

- Bị mất cân bằng biên độ và phagiữa 2 nhánh I, Q

- Khó khăn trong khi thực hiện bùtrôi DC

- Rò tín hiệu giữa Rx và Tx khithu - phát trên cùng một anten

- Rò tín hiệu từ anten sang các vịtrí xung quanh dễ dàng hơn sovới máy thu siêu ngoại sai

- Nhạy với hài điều biến tương hỗbậc hai

- Cần hệ số khuếch đại RF lớnvới độ tuyến tính cao để tránh tácđộng của điều biến tương hỗ

- Cấu trúc đơn giản

- Bị mất cân bằng biên độ và pha giữa 2 nhánh I, Q

- Cần hệ số khuếch đại RF lớn với độ tuyến tính cao

- Bộ lọc RF và IF đầu tiên:Không sử dụng được

- Cần bộ ADC có dải động cao

T

1.2 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CHÍNH ĐỐI VỚI MÁY THU RA ĐA

1.2.1 Tạp và độ nhạy máy thu

Tạp luôn luôn tồn tại trong máy thu và ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy máythu Đặc tính tạp của máy thu xác định độ nhạy của máy thu là giới hạn công suấtđầu vào cao tần RF nhỏ nhất mà máy thu có thể phát hiện được

1.2.1.1 Tạp máy thu [47]

Có rất nhiều nguồn sinh tạp, nó làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu trongmột máy thu Tạp máy thu là một trong những tham số ảnh hưởng chủ yếu đến cự lyphát hiện của đài ra đa

Hệ số tạp của một tầng khuếch đại được xác định bởi tỷ số tín/tạp (SNR) củađầu vào và đầu ra:

Giả thiết g là khuếch đại công suất của tầng khuếch đại, SNR đầu ra là:

Trong đó: Fi và gi là hệ số tạp và hệ số khuếch đại của tầng i.

Một hệ quả quan trọng của công thức (1.7) chính là hệ số tạp của máy thu

ra đa, được xác định bởi tầng khuếch đại đầu tiên, các tầng tiếp theo ít ảnh hưởngđến hệ số tạp Hệ số tạp của máy thu ra đa là:

MT LNA

Trong đó: FMT: hệ số tạp máy thu ra đa; FLNA: hệ số tạp của bộ khuếch đại tạp thấp;

Frest : hệ số tạp tổng cộng của các tầng phía sau;

gLNA: hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại tạp thấp

a.

Tạp nh i ệt máy t hu

Tạp nhiệt là hàm của sự di chuyển ngẫu nhiên các phân tử trong môi trườngtín hiệu truyền qua Trong công thức (1.9), công suất tạp nhiệt phụ thuộc vào dảithông tín hiệu và nhiệt độ môi trường

Nth = kT0B (1.9) Trong đó: k: hằng số Boltzman = 1,38.10-23, [J/°K];

T0: nhiệt độ tuyệt đối của đầu vào máy thu = 290°K, [°K];

B: dải thông máy thu, [Hz]

b.

Tạp m á y phát

Tạp dải rộng phát ra từ bộ khuếch đại công suất có thể vượt qua được tạpnhiệt của máy thu, làm nền tạp tăng và hạn chế độ nhạy của máy thu Ngoài việc lọchoặc sử dụng bộ khuếch đại công suất tốt hơn, chỉ có một lựa chọn để giải quyếtvấn đề này đó là di chuyển dải máy thu ra xa dải máy phát

c.

Tạp pha

Tạp pha là một thành phần tạp quan trọng khác phải chú ý khi tính toán vềtạp Tạp pha có trong bộ dao động tại chỗ được đưa vào suốt quá trình trộn Khi tínhiệu được biến đổi xuống trong bộ trộn, tạp pha trong LO được cộng thêm vào vớitạp đang tồn tại trong tín hiệu RF và được trộn xuống dải IF cùng với dải RF

Tạp pha được tính toán bằng cách đo các đỉnh công suất LO khác nhau vàtạp nền của LO là một hàm của trôi tần số Tạp pha phân phối trong LO được tính

toán bằng cách nhân công suất tạp LO với dải thông tín hiệu RF Như trong hình1.6, ảnh hưởng của tạp pha lớn hơn cho tần số LO tại nơi trôi tần số thấp hơn Tạppha ở gần sóng mang trong LO phụ thuộc vào đáp ứng vòng lặp và chất lượng bộ

dò pha của vòng lặp khóa pha, nhưng ngược lại, tạp pha ở xa hơn lại phụ thuộc vàođặc tính tạp pha của bộ VCO Điều này tạo ra những yêu cầu khác nhau cho các bộdao động tại chỗ khác nhau Như trong hình 1.6, thành phần giới hạn của LO1 làVCO, trong khi đó, thành phần giới hạn của LO2 bao gồm bộ dò pha và bộ lọc vòngtrong VCO Với các nguồn tạp khác, khi hệ số khuếch đại phù hợp với bộ trộn sẽlàm cải thiện tạp pha trong các bộ LO

1.2.1.2 Độ nhạy máy thu

Độ nhạy máy thu đặc trưng cho khả năng thu các tín hiệu yếu Độ nhạy máythu là mức tín hiệu vào nhỏ nhất (RSmin) cần có để tạo ra mức tín hiệu ra có SNRcho trước và được định nghĩa như SNRmin lần công suất tạp, xem phương trình(1.10) Mối liên hệ giữa độ nhạy và hệ số tạp là:

RSmin = SNRminkT0BF (1.10) Trong đó: k: hằng số Boltzman = 1,38.10-23 , [J/°K];

T0: nhiệt độ tuyệt đối của đầu vào máy thu = 290°K, [°K];

B: dải thông máy thu, [Hz]; F: hệ số tạp của máy thu, [lần]

Hoặc viết dưới dạng dBm:

RSmin[dBm] = -174 [dBm] + F [dB] + 10lgB + 10lgSNRmin (1.11)

Từ (1.11), ta thấy có 2 phương pháp nâng cao độ nhạy máy thu, đó là:

+ Giảm hệ số tạp bằng cách dùng bộ khuếch đại tạp thấp;

+ Thu hẹp dải thông máy thu xác định bởi độ rộng tín hiệu phổ đã thu Tuy nhiên, thu hẹp dải thông không để xuất hiện méo là tương đối khó

Như vậy trong các máy thu ra đa, độ nhạy và hệ số tạp có quan hệ với nhaukhi ta biết dải thông của máy thu Trong trường hợp máy thu được nối với anten(tổn hao đường truyền bao gồm cả hệ số khuếch đại anten G) thì độ nhạy máy thuđược gọi là độ nhạy hoạt động tối thiểu (MOS: Minimum Operational Sensitivity):

MOS = SNRminkT0BF/G (1.12) Khi xác định độ nhạy máy thu tín hiệu xung cần phải xác định độ rộng xungtối thiểu Khi thiết kế máy thu, việc xác định độ rộng xung tối thiểu để đáp ứng độ nhạy máy thu cho trước là rất quan trọng

Nếu nhiệt độ, dải thông, hệ số tạp và SNR giảm hoặc hệ số khuếch đại antentăng thì độ nhạy hoạt động tối thiểu cũng tăng

1.2.2 Thời gian khôi phục độ nhạy máy thu

Độ nhạy máy thu bị suy giảm rất nhiều khi bị các tín hiệu cường độ mạnh tácđộng vào máy thu Độ nhạy giảm thường do hai nguyên nhân:

Thứ nhất, tín hiệu biên độ lớn thường gây ra dòng ở cực điều khiển, do đótích điện vào các tụ nối tầng và chế độ công tác của các linh kiện bị chuyển vàomiền phi tuyến

Thứ hai, các tín hiệu cường độ mạnh thường gây ra trong các mạch cộnghưởng của máy thu những dao động kéo dài tắt dần

Rõ ràng rằng, tín hiệu yếu đi sát sau tín hiêu mạnh sẽ bị mất Vì vậy, sau khi

độ nhạy mạch bị mất do quá tải, cần phải khôi phục lại độ nhạy càng nhanh càngtốt Nói chung, các chuyên gia cố gắng để thời gian khôi phục độ nhạy không lớnhơn độ dài tín hiệu thăm dò Có nhiều biện pháp giảm thời gian khôi phục độ nhạy:

sử dụng các bộ bảo vệ (hạn chế công suất tín hiệu vào máy thu), mạch tự động điềukhuếch tác động nhanh,…

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

1.2.3.1 Hệ số khuếch đại [47]

Một trong những thông số quan trọng nhất trong máy thu là hệ số khuếch đại

và dải thay đổi hệ số khuếch đại Trong kênh thu của máy thu hiện đại đều bắt đầuvới anten và kết thúc là bộ biến đổi tương tự- số ADC Do đó, trong thiết kế máythu không chỉ tìm hiểu về giới hạn công suất và tạp tại đầu vào máy thu, mà cònphải quan tâm đến yêu cầu và giới hạn của bộ biến đổi ADC Dải động của ADC làtiêu chuẩn quan trọng để xác định phạm vi điện áp có thể được số hóa với chấtlượng chấp nhận được Dải động được xác định bằng số bit và dao động điện áp đầuvào lớn nhất của bộ ADC Số lượng bit xác định điện áp thấp nhất mà có thể pháthiện được bởi bộ ADC và thiết lập độ khuếch đại lớn nhất theo yêu cầu của máy thu

để làm tăng tín hiệu RF đầu vào từ anten tới mức điện áp thấp nhất này tại đầu vàoADC Điện áp dao động đầu vào lớn nhất kéo theo ADC thiết lập mức khuếch đạinhỏ nhất theo yêu cầu của máy thu Mối quan hệ này được mô tả bởi 2 công thứcdư

Trong đó: Gmin, Gmax: độ khuếch đại máy thu nhỏ nhất và lớn nhất, [dB];

RS: độ nhạy máy thu, [dBm]; DR: dải động của máy thu, [dB];

Pin ADC, max : tín hiệu đầu vào lớn nhất đến bộ ADC, [dBm];

Pin ADC, min : tín hiệu đầu vào nhỏ nhất đến bộ ADC, [dBm]

Xác định khoảng biến đổi độ khuếch đại của máy thu là cần thiết để phânphối cho các khối khác nhau trong kênh thu Khoảng biến đổi độ khuếch đại đượcgán cho một chuyển mạch khuếch đại LNA hay bộ khuếch đại RF và một hay hai

bộ khuếch đại có độ khuếch đại biến đổi ở tần số thấp trong dải IF

1.2.3.2 Dải động

Dải động máy thu là khả năng thu tín hiệu từ mức thấp đến mức cao màkhông gây méo tín hiệu Máy thu phải khuếch đại tín hiệu nhận được mà không gâyméo Nếu một tín hiệu nhiễu mạnh lọt vào máy thu trong trạng thái bào hòa thì phổtín hiệu bị thay đổi Thay đổi trong phổ tín hiệu này làm giảm khả năng xử lý tín

in in

hiệu để thực hiện xử lý Doppler và làm giảm các yếu tố cải thiện chỉ thị mục tiêu diđộng Hơn nữa, nếu máy thu đi vào trạng thái bão hòa, sẽ có trễ trước khi phát hiệnmục tiêu được khôi phục Về nguyên tắc, dải động máy thu phải lớn hơn dải cường

độ tín hiệu từ mức tạp đến tín hiệu nhiễu lớn nhất

1.2.3.3 Độ tuyến tính [47]

Độ tuyến tính là tiêu chuẩn xác định giới hạn trên cho mức công suất cao tần

RF đầu vào có thể phát hiện được và thiết lập dải động cho máy thu Để đạt được độtuyến tính, cần chú ý 2 thông số: thành phần điều biến tương hỗ bậc ba (IM3) vàthành phần điều biến tương hỗ bậc hai (IM2) Công thức (1.15) và (1.16) mô tảnguồn phát của IM2 và IM3 và các điểm chắn đầu vào cho cả hai loại có tính phituyến này

IM2 = A2RF 2IM3 = A3RF 3Trong đó: A2: số đo của thiết bị phi tuyến bậc hai;

A3: số đo của thiết bị phi tuyến bâc ba

(1.15)(1.16)

Mối quan hệ được mô tả ở trên tạo ra độ dốc 2:1 đối với hài bậc hai IM2 và

độ dốc 3:1 đối với hài bậc ba IM3, như trong hình 1.7 Mối quan hệ này được sửdụng trong công thức (1.17) và (1.18) để xác định các điểm chắn đầu vào cho thànhphần bậc hai (IIP2) và thành phần bậc ba (IIP3)

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

1 2

IIP2 = RFin + ΔIM3/2 (1.17)IIP3= RFin + ΔIM2 (1.18)Hình 1.7 mô tả quét công suất tín hiệu 2 sóng mang với tín hiệu cơ bản vàcác thành phần hài điều biến tương hỗ theo hàm của công suất đầu vào RF Cácđiểm chắn được ngoại suy từ những dữ liệu đã được vẽ Đồ thị này tạo ra từ môphỏng và từ những phép đo để xác định số đo tuyến tính của máy thu Với côngviệc xác định ra chỉ tiêu kĩ thuật riêng cho từng khối máy thu, các chỉ số này sau đóđược sử dụng trong chuỗi mô tả ở công thức (1.19) để xác định ra ảnh hưởng củatừng linh kiện lên độ tuyến tính của toàn bộ máy thu

1/IP3tổng cộng = 1/IP31 + G 2/IP3 + … (1.19)

Từ (1.19), độ tuyến tính phụ thuộc chủ yếu vào độ tuyến tính của thành phầngiới hạn Ví dụ, trong máy thu thì thành phần giới hạn ở đây là bộ trộn Điều này cónghĩa là, bằng cách cải tiến độ tuyến tính của các thành phần khác như LNA, độtuyến tính tổng thể cũng không được cải thiện nhiều Chuyển mạch hệ số khuếchđại thường được sử dụng trong máy thu để dễ dàng khống chế độ tuyến tính và cảithiện tính năng điều biến tương hỗ

Các mối quan hệ và sự cân bằng giữa các tham số của máy thu được thể hiệntrong hình 1.8

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

Đồ thị mức tín hiệu được hiển thị trong hình 1.8 cho thấy mức tín hiệu tốithiểu cần nhận được, gọi là độ nhạy thu (RSmin), phụ thuộc vào nền tạp nhiệt (-174dBm/Hz), hệ số tạp (F), tỉ số tín /tạp yêu cầu tối thiểu (SNRmin) và dải thông hệthống (B) Như vậy, máy thu có độ nhạy càng cao càng tốt vì nó phản ánh khả năngcủa hệ thống để phát hiện các tín hiệu yếu.

Dải động máy thu theo định nghĩa được xác định như sau:

DR = 2(IIP3 + RSmin) /3 (1.20)

Từ (1.20) có thể thấy dải động phụ thuộc vào IIP3 và RSmin

Trong đó, IIP3 là điểm mà sóng mang mong muốn và các hài điều biếntương hỗ có mức công suất bằng nhau Vì thế để tăng tối đa dải động đòi hỏi độnhạy RSmin và IIP3 phải cao

là cung cấp tần số cho bộ trộn để tạo ra tần số IF

Độ không ổn định của bộ STALO: Bộ dao động đầu tiên, thường gọi là bộ

dao động tại chỗ ổn định (STALO) ảnh hưởng rất lớn đến độ ổn định của máy thu,tuy nhiên, khi đánh giá hiệu quả tổng thể, sự đóng góp của các môđun khác khôngđược bỏ qua

Yêu cầu độ ổn định trong thời gian ngắn của bộ STALO thường đại diện bằngtạp quan hệ với sóng mang (dBc), cụ thể là phổ tạp pha và được đo trong miền tần

số Độ ổn định trong thời gian dài đại diện cho sự già hóa và tác động của môitrường và được đo bằng kỹ thuật Allan Variance Yêu cầu được đo trong thời kỳ củadung sai tần số tuyệt đối hoặc độ lệch tần số cực đại qua một vài khoảng thời gian

Nên đo tạp pha bằng cách đo tạp ở hai dải bên, cộng công suất ở cả dải trên

và dải dưới, nhưng thường biểu thị là đơn biên (SSB) Tạp ở hai dải bên có thểchuyển thành tạp ở dải bên đơn bằng cách trừ đi 3 dB Công suất dải bên không

AM do hệ số truyền của bộ trộn có quan hệ tương đối với mức thay đổi công suấtcủa LO khi làm việc ở mức điều khiển cụ thể.

Với các máy thu đòi hỏi độ nhạy cao, tạp AM có thể bị phá vỡ nếu tạpchuyển đổi AM-PM sinh ra trong chuỗi máy thu Quá trình này sinh ra qua kỹ thuậtthiên áp linh kiện không tối ưu, trong đó các tín hiệu biên độ lớn hoặc tạp tạo ra sựdịch pha trong phân bố pha khác đối với chuỗi máy thu

Độ nhạy rung động của bộ STALO: Việc cộng thêm tạp pha sinh ra từ bộ

STALO trong môi trường ôn hòa, các nguồn của điều chế pha không mong muốnbao gồm các tác động của gợn sóng nguồn cung cấp và các tín hiệu giả như là máymóc hoặc rung động của quạt, mô tơ và máy bay, nơi mà các rung động mức caođược đưa ra Độ nhạy rung động của bộ dao động theo lý thuyết là độ nhạy rungđộng tần số rất nhỏ, gọi là độ nhạy g Trong thực tế, độ nhạy này thay đổi đáng kểvới tần số rung động và khác nhau theo mỗi hướng Công thức (1.21) mô tả ảnhhưởng của tạp pha bộ dao động do rung động ngẫu nhiên theo mỗi hướng

) ⎤) = 20 lg ⎢ i 0 i v

⎥

dBc SSB ở dải thông 1 Hz (1.21)

f v

Trong đó: fv : tần số rung động, [Hz]; f0 : tần số bộ dao động, [Hz];

Γi : độ nhạy rung động tần số rất nhỏ của bộ dao động theo hướng i, [g-1];

γi(fv) : mật độ phổ công suất rung động theo hướng i ở tần số rung động fv,[g2/Hz]

Độ nhạy rung động tổng hợp của bộ STALO (Γ) là trung bình bình phươngcủa các độ nhạy theo 3 hướng chủ yếu:

1.3 XÂY DỰNG NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

1.3.1 Hiện trạng ra đa của Quân đội ta

Ra đa của Quân đội ta hiện nay có đặc điểm: nhiều về số lượng, đa dạng vềchủng loại như: Π-12, Π-14, Π-15, Π-18, Π-19, 1Л13-3, 55Ж6, Kacta-2E2, Π-

35, Π-37, ΠPB-16, 1PЛ133, Furuno, TRS-3415, JMA, 402, MP-10, Thế hệ ra đađầu tiên được sử dụng từ thập kỷ 70, với công nghệ cũ, là ra đa đơn xung (sử dụngtín hiệu đơn giản) hay còn gọi là tín hiệu dải hẹp, số lượng chiếm khoảng 90%.Các ra đa này có độ rộng xung phát từ 2μs đến 6μs, trong xung chỉ có một tần sốmang cố định Với độ rộng xung nhỏ, để đảm bảo cự ly phát hiện xa của ra đa thìcông suất đỉnh của xung phát phải rất lớn Vì công suất xung lớn nên hệ thốngđường truyền, chuyển mạch thu - phát thường hay bị hỏng do đánh lửa Mỗi loại ra

đa chỉ sử dụng một loại đèn phát, cho nên dải thay đổi tần số phát không lớn, khôngthể thay đổi tần số phát theo chương trình hoặc ngẫu nhiên nên khi đối phương gâynhiễu tích cực thì khả năng chống nhiễu bằng phương pháp chuyển tần là rất thấp.Các ra đa thế hệ cũ công nghệ chủ yếu là sử dụng đèn điện tử, cồng kềnh, tiêutốn năng lượng, tham số làm việc không ổn định Tín hiệu thăm dò của ra đa là xungđơn nên máy thu không sử dụng được công nghệ nén xung, SNR đầu ra máy thuthấp, ảnh hưởng đến khả năng phát hiện của ra đa, đến xác suất phát hiện đúng, báođộng lầm, đến tính năng chiến kỹ thuật của ra đa Một nhược điểm lớn nhất của cácđài ra đa thế hệ cũ là tín hiệu đầu ra của ra đa là tín hiệu tương tự, cho nên không thểứng dụng công nghệ thông tin để truyền số liệu cũng như ghép mạng ra đa được

Thế hệ ra đa mới (sử dụng tín hiệu phức tạp) nhập gần đây (từ những năm1990) là ra đa 1Л13-3, 55Ж6 và ra đa bắt thấp Kacta-2E2, số lượng chỉ chiếmkhoảng 10% Các đài ra đa này sử dụng tín hiệu thăm dò có độ rộng xung lớn (vàichục đến vài trăm μs), trong xung đó có thể có nhiều xung con và điều tần hoặcđiều pha trong xung; hoặc có thể sử dụng kết hợp Ra đa sử dụng tín hiệu phức tạp

có một số ưu điểm nổi bật là:

+ Tăng khả năng chống nhiễu tiêu cực dạng phân bố;

+ Giảm xác suất bị mất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu điểm do thăng giáng bềmặt phản xạ hiệu dụng của nó;

+ Gây khó khăn cho đối phương khi gây nhiễu tích cực, bởi vì dải phổ nhiễucàng rộng thì đòi hỏi công suất trung bình của máy phát nhiễu càng lớn để có mật

độ phổ công suất nhiễu cần thiết để đủ chế áp đài ra đa;

+ Độ chính xác đo cự ly được nâng cao;

+ Hệ thống xử lý tin tức ra đa đều được xử lý số hóa, thông tin đầu ra của

ra đa là thông tin số, do đó chất lượng và độ tin cậy của thông tin đầu ra được nângcao đáng kể, đồng thời thuận lợi cho việc ghép mạng ra đa, giảm thời gian giữ chậmtình báo ra đa Phục vụ tốt cho nhiệm vụ tự động hóa chỉ huy, xử lý thông tin ra đavới thời gian thực

Theo đánh giá của các nhà chuyên môn, tình trạng kỹ thuật của các đài ra đa

có nhiều yếu kém: số giờ tích lũy cao, có những đài ra đa đã có số giờ tích lũy lênđến trên 35.000 giờ Do có thời gian tích lũy cao, khả năng đảm bảo kỹ thuật hạnchế do thiếu vật tư thay thế nên thông số kỹ thuật giảm sút như [8]:

+ Tuyến phát: Công suất phát giảm, rất khó giữ được ở mức danh định, cao

Trước tình hình thực tế trên, nhu cầu về cải tiến, hiện đại hóa ra đa trongQuân đội là rất lớn mà chủ yếu là ra đa thế hệ cũ Hiện nay, vật tư linh kiện thaythế, nhất là một số linh kiện SCT trong đó có các đèn sóng chạy, các đèn dao độngKlistron không sản xuất nữa hoặc quá hiếm và đắt Do đó buộc chúng ta phải tựnghiên cứu thiết kế, chế tạo thay thế tương đương bằng linh kiện thế hệ công nghệmới (bán dẫn, vi mạch, vi xử lý, linh kiện tích hợp…) nhằm kéo dài thời gian sửdụng, duy trì sức chiến đấu của vũ khí, trang bị, khí tài