Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNS) bằng x dùng cho máy thu radar

Chính vì vậy, trong các hệ thống radar, máy thu luôn đóng vai trò quan trọng, có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản xạ từ mục tiêu về, qua anten, biến thành tín hiệu điện rồi khuếch đại đưa san

NGUYỄN TRẦN TUẤN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) BĂNG X

DÙNG CHO MÁY THU RADAR

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI – 2015

NGUYỄN TRẦN TUẤN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) BĂNG X DÙNG CHO

MÁY THU RADAR

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

HÀ NỘI – 2015

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới thầy, PGS.TS Bạch Gia Dương Trong suốt thời gian làm luận văn, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô, anh chị trong Trung tâm Nghiên cứu Điện tử Viễn thông – Khoa Điện tử Viễn thông – Đại học Công Nghệ, ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ

và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình làm luận văn này

Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng vì thời gian và kiến thức còn hạn chế nên công trình nghiên cứu 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!

Hà Nội, tháng 7 năm 2015 Học viên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA)

băng X dùng cho máy thu radar” là công trình nghiên cứu của bản thân Trong khóa

luận có sử dụng một số tài liệu tham khảo, các tài liệu tham khảo này đã được dẫn chứng

và liệt kê trong mục “Tài liệu tham khảo” ở phần cuối luận văn

Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực dựa trên những nghiên cứu, triển khai và đo đánh giá thực tế Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm đối với nội dung, các số liệu và kết quả trong luận văn này

Người cam đoan

Nguyễn Trần Tuấn

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 10

Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG RADAR 11

1.1 Giới thiệu 11

1.1.1 Các mốc lịch sử phát triển của radar 11

1.1.2 Một số ứng dụng của radar 12

1.2 Các tần số hoạt động của radar 13

1.3 Hệ thống radar 16

1.3.1 Anten radar 17

1.3.2 Máy phát radar 30

1.3.3 Máy thu radar 33

1.4 Phương trình radar 36

1.5 Các tác nhân ảnh hưởng đến khả năng thu phát sóng của hệ thống radar 38

1.5.1 Độ dội radar (clutter radar) 39

1.5.2 Ảnh hưởng do thời tiết 40

1.5.3 Hiệu ứng Doppler 41

1.6 Một số hệ thống radar băng X trên thế giới 42

1.6.1 Hệ thống radar thời tiết băng X ở Châu Âu 42

1.6.2 Hệ thống SBX 43

1.7 Hệ thống radar tại Việt Nam 44

1.7.1 Radar quân sự 45

1.7.2 Radar cho dân sự 47

1.8 Kết luận 52

Chương 2: LÝ THUYẾT KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 53

2.1 Cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần 53

2.1.1 Lý thuyết đường truyền sóng 53

2.1.2 Đồ thị Smith 60

2.1.3 Phối hợp trở kháng 65

2.1.4 Mô hình mạng siêu cao tần 69

2.2 Cở sở lý thuyết thiết kế bộ khuếch đại cao tần tạp âm thấp 72

2.2.1 Đường truyền vi dải 72

2.2.2 Bộ khuếch đại cao tần tạp âm thấp 74

2.3 Kết luận 80

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN TẠP ÂM THẤP (LNA) BĂNG TẦN X 81

3.1 Sơ đồ khối bộ khuếch đại tạp âm thấp 81

3.2 Lựa chọn linh kiện transistor 81

3.3 Tính toán và mô phỏng thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp 84

3.3.1 Mục tiêu thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp 84

3.3.2 Khảo sát độ ổn định 84

3.3.3 Khảo sát hệ số phẩm chất 85

3.3.4 Ước lượng hệ số khuếch đại 86

3.3.5 Mô phỏng và kết quả mạch khuếch đại tạp âm thấp 86

3.4 Chế tạo và đo đánh giá mạch LNA sử dụng SPF-3043 93

3.5 Kết luận và đánh giá 95

KẾT LUẬN 97

Tài liệu tham khảo 98

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AFS Aeronautical Fix Services Thông tin cố định hàng không

AFTN Aeronautical Fixed

Automatic Message Switching

System Trung tâm chuyển điện văn tự động

ATS/DS Air Traffic Service/Direct Speech Thông tin thoại trực tiếp không lưu

DME Distance Measuring Equipment Thiết bị đo cự ly

FIR Flight Information Region Vùng thông tin bay

ITU International Telecommunication

Union Liên minh viễn thông Quốc tế

NDB Non Directional Beacon Đài vô hướng

UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao

Radar Radio Detection and Ranging Dò tìm và định vị bằng sóng vô

tuyến

SMR Surface Movement Radar Radar kiểm soát bề mặt

VOR Very High Frequency

Omnidirectional radio range

Dẫn đường đa hướng sóng cực

ngắn

VSAT Very Small Aperture Terminal Vệ tính cỡ nhỏ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 – Các băng tần radar 14 Bảng 3.1 – Tham số đặc tính của SPF-3043* 82 Bảng 3.2 – Tham số tán xạ (trong dải tần băng X (8 – 10 GHz))** 83

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 – Một số ứng dụng của radar 13

Hình 1.2 – Sơ đồ khối hệ thống radar monostatic 17

Hình 1.3 – Đồ thị phương hướng bức xạ của anten: a) trong hệ tọa độ cực, b) trong hệ tọa độ vuông góc 18

Hình 1.4 – Các loại anten phản xạ: (a) parabol, (b) parabol cylinder, (c) parabol lệch, 20

Hình 1.5 – Anten parabol lệch 21

Hình 1.6 – Radar với anten parabol cylinder đa búp sóng AN/TPS-63 22

Hình 1.7 – Hệ thống radar với anten parabol đơn xung thế hệ thứ 2 23

Hình 1.8 – Anten đơn xung (a) Pha, (b) Biên độ 23

Hình 1.9 – Anten Cassegrain 24

Hình 1.10 – Anten mảng pha tuyến tính với N phần tử bức xạ 25

Hình 1.11 – Hệ thống phân phối –định pha loại 1 26

Hình 1.12 – Sơ đồ hệ thống phân phối – định hướng loại 1 (a) mắc liên tiếp (b) mắc song song 27

Hình 1.13 – Hệ thống kiểu mạch kín (a) mắc nối tiếp, (b) mắc song song, (c) mặc hỗn hợp song song – nối tiếp 28

Hình 1.14 – Hệ thống phân phối hở 30

Hình 1.15 – Sơ đồ khối máy phát 31

Hình 1.16 – Cấu tạo đèn Magetron 31

Hình 1.17 – Sơ đồ cách mắc đèn Megatron a) mắc trực tiếp, b) mắc gián tiếp 32

Hình 1.18 – Sơ đồ khối máy thu radar 33

Hình 1.19 – Mô hình dự án RHYTMME tại Pháp 43

Hình 1.20 – Hệ thống radar SBX 43

Hình 1.21 – Radar P-8 44

Hình 1.22 – Hệ thống radar thụ động ELM-2288ER và Radar Coast Watcher 100 45

Hình 1.23 – Radar 30N6E Flap Lid 46

Hình 1.24 – Radar cảnh giới tầm trung RV-02 47

Hình 1.25 – Tầm phủ sóng VHF 48

Hình 1.26 – Đài DVOR/DME 49

Hình 1.27 – Tầm phủ của radar thứ cấp tại Việt Nam và trạm radar Nội Bài 50

Hình 1.28 – Giám sát bão tại bờ biển Nha Trang – Việt Nam 51

Hình 2.1 – Đường truyền sóng (a) và mạch tương đương (b) 54

Hình 2.2 – Đường truyền sóng với tải đầu cuối 58

Hình 2.3 – Đồ thị Smith 61

Hình 2.4 – Mô hình cơ bản của mạch phối hợp trở kháng 66

Hình 2.5 – Mạch phối hợp trở kháng hình L 66

Hình 2.6 – Các sơ đồ phối hợp trở kháng dạng L 67

Hình 2.7 – Phối hợp trở kháng dùng dây chêm đơn 68

Hình 2.8 – Phối hợp trở kháng dùng đoạn dây λ/4 68

Hình 2.9 – Mô hình mạng n cổng 70

Hình 2.10 – Mô hình mạng 2 cổng 71

Hình 2.11 – Đường truyền vi dải 73

Hình 2.12 – Đường sức điện trường và từ trường của đường truyền vi dải 73

Hình 2.13 – Sơ đồ khối bộ khuếch đại tạp âm thấp sử dụng mạng 2 cổng 75

Hình 2.14 – Các kiểu sử dụng điện trở để cải thiện độ ổn định 76

Hình 3.1 – Sơ đồ khối mạch khuếch đại tạp âm thấp 81

Hình 3.2 – Hệ số khuếch đại của SPF-3043 82

Hình 3.3 – Tham số S-Parameter của SPF-3040 trích xuất từ file S2P 83

Hình 3.4 – Phân bố các chân của SPF-3043 83

Hình 3.5 – Sơ đồ nguyên lý kiểm tra độ ổn định 85

Hình 3.6 – Hệ số K và ΔS của SPF-3043 85

Hình 3.7 – Trở kháng lối vào và lối ra theo ADS2009 87

Hình 3.8 – Sơ đồ nguyên lý nhánh lối vào 89

Hình 3.9 – Tham số S11, S21 và VSWR1 của nhánh lối vào 89

Hình 3.10 – Sơ đồ nguyên lý nhánh lối ra 90

Hình 3.11 – Tham số S22, S12 và VSWR2 của nhánh lối vào 90

Hình 3.12 – Sơ đồ nguyên lý phối hợp lối vào và lối ra theo file S2P của SPF-3043 91

Hình 3.13 – Tham số S11, S21 và VSWR theo mô phỏng với file S2P của SPF-3043 91

Hình 3.14 – Hệ số tạp âm theo mô phỏng SPF-3043 92

Hình 3.15 – Hệ số K và ΔS với mô phỏng SPF-3043 92

Hình 3.16 – Layout của LNA băng X sử dụng SPF-3043 93

Hình 3.17 – Mạch LNA chế tạo sử dụng SPF-3043 93

Hình 3.18 – Đo kiểm tra với máy Anritsu 37369D 94

Hình 3.19 – Tham số S21 trên máy Anritsu 37369D 94

Hình 3.20 – Tham số S11 trên máy Anritsu 37369D 95

MỞ ĐẦU

Radar là một hệ thống vô tuyến phổ biến dùng để phát hiện và xác định vị trí của mục tiêu

so với trạm radar Từ khi ra đời cho đến nay, radar không ngừng được cải tiến và ngày càng hoàn thiện Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học, được ứng dụng thành tựu về tự động hóa, kỹ thuật điện tử, cùng với sự phát triển về vô tuyến điện, tính năng kỹ thuật, khai thác và hoạt động của radar được nâng cao không ngừng và ngày càng đi sâu vào phục vụ đời sống như giao thông hàng không, giám sát thời tiết và đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự với khả năng phát hiện mục tiêu nhanh chóng và giám sát bảo vệ biển Các radar hiện đại ngày nay sử dụng anten mảng pha băng X nhằm đạt được độ phân giải cao ảnh quét trên màn hình radar Chính vì vậy, trong các hệ thống radar, máy thu luôn đóng vai trò quan trọng, có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản xạ từ mục tiêu về, qua anten, biến thành tín hiệu điện rồi khuếch đại đưa sang thiết bị chỉ báo hiển thị điểm dấu mục tiêu

Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) là bộ khuếch đại tầng đầu vào của máy thu radar, được đặt gần anten, có vai trò quan trọng nhằm tăng tín hiệu thu mong muốn và giảm tạp âm gây ra trên tuyến anten và feeder

Để tiếp cận và dần đi sâu vào lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo thiết bị ứng dụng trong đời

sống thực tế, luận văn tập trung nghiên cứu với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ

khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) băng X dùng cho máy thu radar” Nội

dung chính của đề tài sẽ được phân bổ theo 3 chương chính như sau:

- Chương 1: Tổng quan hệ thống radar

- Chương 2: Lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần

- Chương 3: Thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) băng tần X

Thiết kế, chế tạo thiết bị LNA làm việc ở băng tần X (8 GHz – 12 GHz) là một thử thách rất khó khăn do tần số làm việc rất cao nhưng thiết bị chế tạo được sẽ trở nên thiết thực trong xu hướng ngày càng nhiều ứng dụng kỹ thuật vào đời sống như hiện nay

Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG RADAR

1.1 Giới thiệu

Radar là một hệ thống định vị mục tiêu sử dụng sóng vô tuyến để xác định khoảng cách, góc hoặc tốc độ của mục tiêu so với trạm radar Đây là một hệ thống vô tuyến được nghiên cứu và ra đời từ rất lâu (trước thế chiến thứ 2)

Nguyên tắc hoạt động của radar cơ bản dựa trên sự phản xạ của sóng vô tuyến khi phát đến mục tiêu Máy phát của radar sẽ truyền đi một chùm sóng vô tuyến có cường độ lớn

và thu lại sóng phản xạ từ mục tiêu bằng máy thu có độ nhạy cao Bằng cách phân tích sóng vô tuyến phản xạ, mục tiêu sẽ được định vị Radar thích hợp để định vị những mục tiêu ở khoảng cách xa mà các sóng phản xạ khác như sóng âm thanh hoặc ánh sáng quá yếu không thể định vị Sóng vô tuyến của hệ thống radar có khả năng truyền trong không gian và trên bề mặt (mặt đất, mặt biển,…) Do đó, dưới bề mặt biển, các ứng dụng sẽ không sử dụng radar để định vị mà dùng thiết bị sonar với khả năng phát tín hiệu sóng siêu âm

1.1.1 Các mốc lịch sử phát triển của radar

Như đã biết, radar được nghiên cứu và phát minh từ rất sớm, những năm đầu thế kỷ 20, cho mục đích phát hiện, nhận dạng và xác định khoảng cách các mục tiêu từ xa bằng sóng điện từ Tuy nhiên, ý tưởng khởi đầu cho việc nghiên cứu, phát minh và phát triển radar lại bắt đầu từ các thí nghiệm về bức xạ sóng điện từ vào thế kỷ 19:

+ Năm 1800, nhà vật lý người Anh, Michael Faraday chứng minh dòng điện có khả năng tạo ra trường điện từ

+ Năm 1864, James Maxwell đưa ra lý thuyết về trường điện từ

+ Năm 1886, nhà vật lý người Đức, Heinrich Hertz chứng minh lý thuyết của Maxwell và phát hiện ra rằng bức xạ điện từ có tính chất sóng, có thể truyền trong không gian và phản

xạ lại từ một vật kim loại

+ Năm 1904, một kỹ sư người Đức tên Christian Hulsmeyer là người đầu tiên sử dụng sóng điện từ để phát hiện ra vật thể ở cự ly nhất định Ông chứng minh được tính khả thi bằng việc sử dụng sóng điện từ để phát hiện tàu bè Tuy nhiên, thiết bị đơn giản mà ông phát minh chỉ có thể phát sóng điện từ hoạt động ở cự ly ngắn

Đến giai đoạn từ 1934 – 1939, thấy được những ưu việt của hệ thống phát sóng điện từ có khả năng phát hiện và định vị được mục tiêu, tám quốc gia hàng đầu trên thế giới là Anh, Đức, Mỹ, Liên Xô, Nhật, Hà Lan, Pháp và Ý đã tập trung nghiên cứu và phát triển độc lập nhằm đưa ra hệ thống hoàn chỉnh

+ Thuật ngữ “radar” được sử dụng lần đầu khi Mỹ triển khai các hệ thống này cho hải quân

+ Các hệ thống radar trong thời kỳ thế chiến thứ 2 được sử dụng chủ yếu cho mục đích quân sự để phòng thủ, phát hiện và theo dõi các máy bay đối phương

+ Các hệ thống radar trong thời kỳ này hoạt động chủ yếu ở băng tần thấp (HF và VHF) Chỉ đến khi các nhà khoa học người Anh (1939) phát minh ra bộ tạo dao động cộng hưởng tần số cao (magnetron), các hệ thống radar mới có khả năng hoạt động ở các tần số cao hơn

Sau chiến tranh, công nghệ phát triển radar cho mục đích quân sự được chuyển dần sang các mục đích khác Từ những năm 1950, các thế hệ radar mới ra đời và trở nên quan trọng trong lĩnh vực dân sự và các lĩnh vực khoa học khác

Cho đến ngày nay, dù được phát triển cho bất kỳ mục đích nào, quân sự hay dân sự, các phẩm chất cơ bản nhưng quan trọng của radar là định vị và xác định khoảng cách mục tiêu vẫn được duy trì và phát huy

1.1.2 Một số ứng dụng của radar

Ngày nay, radar được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau như dân sự, quân

sự hoặc khoa học Và đối với mỗi lĩnh vực, radar lại có các vai trò khác nhau [6]

Hình 1.1 – Một số ứng dụng của radar Ứng dụng trong lĩnh vực dân sự:

- Giám sát sân bay, thời tiết, khí hậu,…

- Điều khiển không lưu, dẫn đường hàng không

- Đo tốc độ (radar cảnh sát)

- Xây dựng bản đồ địa lý…

Ứng dụng trong quân sự:

- Định vị mục tiêu và dẫn đường tên lửa

- Cảnh giới: phát hiện và theo dõi vật thể lạ

1.2 Các tần số hoạt động của radar

Hiện nay, các băng tần được sử dụng cho radar trước đây trong thế chiến thứ 2 (tên băng tần và dải tần số) vẫn được sử dụng trong các lĩnh vực quân sự và hàng không Và để có thể kiểm soát một cách tốt nhất và sử dụng hiệu quả, các băng tần radar được tổ chức tiêu

chuẩn quốc tế ITU quy định và phân bổ Ngoài ra, nhiều nước trên thế giới cũng tự bổ sung các quy định trong việc phân bổ băng tần radar tại các nước đó cho mục đích sử dụng trong quân sự hay dân sự

Băng tần HF: các hệ thống radar dùng băng tần HF được sử dụng lần đầu tiên vào những

năm đầu thế chiến 2, do Anh nghiên cứu và phát triển Các ứng dụng chủ yếu trong thời kỳ này của radar băng tần HF là để phát hiện các máy bay ném bom Thực tế khi sử dụng, các thế hệ radar này cũng mang nhiều nhược điểm như yêu cầu anten kích thước lớn để đạt được độ rộng búp sóng hẹp, hệ sốtạp âm cao Và do sử dụng bước sóng dài nên các mục tiêu dễ rơi vào vùng không đồng nhất do tán xạ Rayleigh làm khó xác định khoảng cách mục tiêu Ngày nay, các radar băng tần HF vẫn được sử dụng để giám sát các mục

tiêu ở rất xa (đường chân trời) hay radar giám sát bờ biển do bước sóng dài của băng tần

sử dụng

Băng tần VHF: radar dùng băng tần VHF rất phổ biến vào những năm 1930 phục vụ cho

mục đích quân sự Cũng giống như radar băng tần HF, các radar dùng băng tần VHF cũng mang các nhược điểm như yêu cầu kích thước anten lớn, tạp âm cao Tuy nhiên do bước sóng dài nên các radar băng tần VHF được sử dụng đề giám sát bờ biển và đường chân trời, đồng thời sử dụng trong các radar cảnh giới tầm trung sóng mét

Băng tần UHF: các radar dùng băng tần UHF có độ tạp âm thấp hơn so với các radar HF

và VHF và độ rộng búp sóng phát cũng hẹp hơn, kích thước anten yêu cầu đủ lớn Ứng dụng chính của radar băng UHF chủ yếu trong việc giám sát mục tiêu ở xa, phát hiện máy bay tàng hình hay tên lửa hành trình đồng thời được sử dụng trong các đài radar cảnh giới tầm thấp dải sóng dm

Băng tần L: radar dùng băng tần L được sử dụng chủ yếu trong việc giám sát mục tiêu ở

cự ly xa và điều khiển các mục tiêu trong không gian So với các radar băng tần thấp như UHF và VHF, radar dùng băng tần L chịu mứctạp âm thấp hơn

Băng tần S: radar dùng băng tần S thường được trang bị cho hải quân phục vụ mục đích

giám sát các mục tiêu ở cự ly xa hay giám sát sân bay với các mục tiêu ở cự ly trung bình Ngoài ra, thế hệ các radar 3D mới dùng trong quân sự sử dụng băng tần S nhằm kiểm soát vùng trời như giám sát, theo dõi và bám mục tiêu, điều phối hạ cánh ở các sân bay

Băng tần C: chủ yếu dùng cho các radar giám sát các mục tiêu ở cự ly trung bình như

radar thời tiết hay radar sử dụng anten mảng pha dùng để phòng thủ tên lửa trong quân sự

Băng tần X: trước đây, băng tần X thường sử dụng cho mục đích quân sự như giám sát

mục tiêu ở cự ly ngắn, bám và dẫn đường tên lửa Hiện nay, ngoài các ứng dụng trong quân sự, các radar dùng băng X còn được sử dụng cho các mục đích dân sự như dẫn đường và định hướng tàu bè, giám sát thời tiết Ưu điểm của các radar dùng băng X là thông tin hiển thị trên màn hình có độ phân giải cao và anten yêu cầu có kích thước nhỏ

Băng tần K u , K và K a: radar dùng băng K được phát triển vào những năm giữa thế chiến thứ 2 với bước sóng 1,25 cm (ở tần số 24GHz) Tuy nhiên, sau đó, không được sử dụng nhiều do sóng vô tuyến bị hấp thụ mạnh bởi hơi nước Tùy thuộc vào mức độ hấp thụ mà sau đó, băng tần K được tổ chức IEEE chia thành 3 băng con: băng tần Ku từ tần số 12 -18 GHz, băng tần K từ tần số 18 – 27 GHz, và băng tần Ka từ tần số 27 – 40GHz Các ứng dụng của radar băng tần Ku chủ yếu để giám sát bề mặt đất sân bay do độ phân giải cao Với băng tần K, dùng trong radar khí tượng, giám sát thời tiết và các súng radar của cảnh sát để đo tốc độ Băng tần Ka dùng cho các thiết bị để lập bản đồ có độ phân giải cao và thử nghiệm thông tin

Băng tần mm: đây là băng tần có tần số >40 GHz, chủ yếu dùng cho các hoạt động thử

nghiệm thông tin, nghiên cứu radar sóng mm hay dùng giữa các vệ tinh trong cụm các vệ tinh [8]

1.3 Hệ thống radar

Nguyên lý chung của các hệ thống radar là phát sóng vô tuyến (sóng điện từ tần số cao) vào không gian theo cơ chế phát xung và thu lại xung phản xạ từ mục tiêu nhằm phát hiện

và xác định khoảng cách mục tiêu Xung do radar phát ra có độ dài là τ x, với tần số lặp

xung là f x = 1/T x (T x là chu kỳ lặp xung) Chiều dài xung τx thay đổi phụ thuộc vào tầm hoạt động của radar nhưng vẫn đảm bảo chứa số lượng dao động siêu cao tần nhất định và công suất xung phát Thông thường, các radar được thiết kế với hai mức xung ngắn và xung dài Khi đó, xung ngắn để tăng khả năng phân giải theo khoảng cách, trong khi xung dài để tăng công suất phát và khả năng phát hiện mục tiêu [3]

Đối với chu kỳ lặp xung T x cũng phải đảm bảo sao cho tín hiệu từ mục tiêu xa nhất trong tầm hoạt động phản xạ về tới anten rồi mới phát đi xung tiếp theo, hay phải đảm bảo cho:

Về hình thái hệ thống radar cơ bản được chia thành hai loại là hệ thống radar monostatic

và bistatic [6] Các hệ thống radar monostatic là các hệ thống radar mà sử dụng chung anten cho việc phát và thu sóng điện từ Trong khi, các hệ thống radar bistatic sẽ sử dụng

2 anten riêng rẽ cho việc phát và thu Thực tế, với việc tối ưu cấu hình một hệ thống radar

và tạo sự thuận tiện cho việc khai thác sử dụng, các hệ thống radar kiểu monostatic được

sử dụng phổ biến hơn cả

Anten

Bộ bảo

vệ máy thu

Bộ khử nhiễu

Màn hình hiển thị

~

Bộ chuyển

Bộ tạo dao động cao tần

Hình 1.2 – Sơ đồ khối hệ thống radar monostatic Theo hình 1.2, có thể thấy, hệ thống radar monostatic sử dụng duy nhất một anten và cần

có thiết bịchuyển mạch thu phát (duplexer) nhằm phân chia hoạt động phát và thu sóng điện từ [6].Thiết bị chuyển mạch thu phát đóng vai trò chuyển mạch nhanh nhằm bảo vệ thiết bị thu tín hiệu khỏi các tác động xấu khi thiết bị phát hoạt động ở công suất cao Khi nhận tín hiệu, thiết bị phát được tắt và thiết bị chuyển mạch thu phát sẽ chuyển trực tiếp tín hiệu thu được tới thiết bị thu Thông thường, thiết bị chuyển mạch thu phát là các thiết

bị phóng điện chất khí và có thể sử dụng cùng với bộ bảo vệ thiết bị thu bán dẫn Các bộ bảo vệ thiết bị thu bán dẫn này là các vòng bán dẫn nhằm cung cấp khả năng cách ly giữa máy phát và máy thu

1.3.1 Anten radar

Thiết bị dùng để phát sóng vô tuyến tạo ra bởi máy phát và thu sóng phản xạ trở về đưa vào ống dẫn sóng tới máy thu Anten sử dụng cho radar là các anten định hướng và có bề mặt phản xạ lớn Kích thước bề mặt của anten phụ thuộc tần số và môi trường mà radar

đó hoạt động Với tần số càng thấp yêu cầu diện tích bề mặt hiệu dụng của radar càng lớn [8]

Tham số quan trọng nhất quyết định đến phẩm chất của một anten là độ lợi G, có biểu thức như sau:

G(θ,φ) = η A D(θ,φ) (1.2) trong đó:

G(θ,φ) : độ lợi của anten theo góc phương vị (θ,φ)

η A: hiệu suất của anten (tỉ số giữa công suất phát xạ trên công suất đưa vào anten)

D(θ,φ) : hệ số định hướng của anten theo (θ,φ)

Với các anten siêu cao tần, độ lợi cực đại G max của anten được xác định theo biểu thức sau:

G max = (4π/λ 2 )A e (1.3) trong đó:

λ : bước sóng (λ = c/f với c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng và f là tần số)

A e: diện tích bề mặt hiệu dụng của anten

a) b) Hình 1.3 – Đồ thị phương hướng bức xạ của anten:a) trong hệ tọa độ cực,b) trong hệ tọa

độ vuông góc

Từ biểu thức trên, có thể thấy, độ lợi của anten tỷ lệ với tần số và diện tích bề mặt hiệu dụng của anten Điều đó cho thấy, tần số càng cao hoặc diện tíchbề mặt anten càng lớn thì

độ lợi của anten càng lớn Như vậy, khi phát sóng điện từ, để tăng độ lợi anten, người ta thường tăng kích thước anten

Đồ thị phương hướng bức xạ của anten biểu thị sự biến đổi độ lợi của anten theo các hướng khác nhau, thường được biểu diễn bằng tọa độ cực hoặc tọa độ vuông góc

Trong thực tế, thường sử dụng khái niệm độ rộng búp sóng hoặc góc nửa công suất, là góc hợp bởi hai hướng mà ở đó mức công suất giảm đi một nửa so với mức công suất cực đại Trên hình 1.3, có thể thấy độ rộng búp sóng chính là 3dB, và nó là hàm phụ thuộc tỷ

số λ/D Nếu xét một anten parabol, độ rộng búp sóng chính 3dB của đồ thị phương hướng

có thể tính bằng biểu thức:

θ 3dB = 70λ/D = 70c/fD (1.4) trong đó:

θ: độ rộng búp sóng ở mức nửa công suất

λ: bước sóng (λ = c/f với c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng và f là tần số)

D: đường kính anten parabol

Bên cạnh búp sóng chính còn có các búp sóng phụ; nếu búp sóng phụ càng nhỏ thì năng lượng tập trung cho búp sóng chính càng lớn và khả năng tránh can nhiễu giữa các hệ thống càng cao

Khi lựa chọn anten cho một hệ thống radar phải đảm bảo một số yêu cầu cơ bản sau [3]:

- Anten có thể dùng chung (radar monostatic) hoặc riêng (radar bistatic) cho cả hệ

thống thu và phát

- Anten định hướng cao để xác định chính xác vị trí mục tiêu

- Anten phải có khả năng quét tròn được 3600 phát hiện được mục tiêu trên tất cả các hướng

- Phải có tối thiểu 10 – 12 xung đập vào mục tiêu sau mỗi vòng quay của anten với tốc độ 20-24 vòng/phút đểđảm bảo công suất xung phản xạ

- Diện tích bề mặt hiệu dụng A e của anten đủ lớn để thu nhận tín hiệu phản xạđược tốt

- Cường độ búp phụ nhỏ (mức phát búp phụ không quá 20-30 dB)

- Vị trí đặt anten cao để nâng tầm xa tác dụng, anten không bị vướng hay bị che khuất, không đặt gần các vật làm ảnh hưởng đến khả năng phát và thu sóng phản

xạ của anten

- Lắp đặt anten không ảnh hưởng đến các hệ thống vô tuyến điện xung quanh

Các loại anten chủ yếu thường dùng cho radar thường là các loại anten có bề mặt phản xạ lớn như các loại anten parabol, anten Cassegrain,…hay bề mặt hiệu dụng lớn như anten mảng pha

1.3.1.1 Các loại anten mặt phản xạ

Anten mặt phản xạ là tên gọi chung cho các loại anten có bề mặt hiệu dụng là bề mặt phản

xạ có kích thước lớn Bề mặt phản xạ có hình dạng kích thước khác nhau tùy thuộc vào các ứng dụng nhằm tăng độ lợi và đạt độ rộng búp sóng hẹp

Hình 1.4 – Các loại anten phản xạ: (a) parabol, (b) parabol cylinder, (c) parabol lệch, (d) parabol nhiều ống dẫn sóng, (e) parabol xung đơn, (f) Cassegrain, (g) parabol thấu

kính

Hình 1.4 biểu diễn một số loại anten parabol phản xạ Có thể thấy, cấu trúc cơ bản của các loại anten parabol bao gồm hai phần: phần phản xạ và phần bức xạ Tùy thuộc vào hình dạng của phần phản xạ, số lượng phần bức xạ hoặc tính năng mà anten có tên gọi khác nhau Phân loại anten mặt phản xạ có thể chia thành ba loại sau:

- Anten parabol đơn búp sóng:

Cấu trúc của loại anten parabol này gồm một bộ phản xạ và một bộ bức xạ Bộ phản xạ có thể có hình dạng mặt mở nửa tròn hoặc mặt mở nửa trụcó khả năng hội tụ để tập trung năng lượng vào một phương duy nhất Do đó, các anten parabol có tính định hướng cao Đối với bộ bức xạ thường là anten loa Bộ phận bức xạ có thể đặt theo phương trục chính (xem Hình 1.4a) hoặc đặt lệch phương trục chính (xem Hình 1.4c) nhằm khắc phục hiệu ứng che chắn gây giảm mức năng lượng phát

Hình 1.5 – Anten parabol lệch

Bộ phận bức xạ thường được che bằng loại vật liệu đặc biệt, hấp thụ rất ít nănglượng và chỉ cho phép xung vô tuyếnđi xuyên qua Trong thực tế, các loại anten parabol có bộ phận bức xạ đặt lệch so với phương trục chính được sử dụng cho các hệ thống radar phổ biến hơn so với loại đặt theo phương trục chính Điều này cho phép năng lượng sau khi phản

xạ từbề mặt parabol không quay trở lại bộ phận bức xạ làm giảm tính định hướng của anten vàảnh hưởng tới đèn Magnetron, giảm bớt mức cản đối với sóng radar phát đi và phảnxạ về, đồng thời hướng cho tia sóng phát đi song song với mặt phẳng nằmngang [3]

- Anten parabol đa búp sóng

Với một loa bức xạ sóng khi phản xạ qua bề mặt parabol sẽ cho một búp sóng Với nhiều loa bức xạ sóng được đặt phù hợp sẽ cho nhiều búp sóng qua bề mặt phản xạ parabol Điều này làm tăng công suất của anten parabol nhằm mở rộng phạm vi phát sóng của anten

Hình 1.6 – Radar với anten parabol cylinderđa búp sóng AN/TPS-63

Cấu trúc của các anten parabol về cơ bản vẫn bao gồm thành phần phản xạ và thành phần bức xạ Tuy nhiên, với thành phần bức xạ, thay vì một loa bức xạ sẽ có nhiều loa bức xạ tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể Với mỗi búp sóng từ loa bức xạ bổ sung liền kề nhau sẽ giúp tăng độ lợi tối đa nếu so với các loại anten parabol chỉ có một búp sóng

Anten parabol đơn xung (monopulse) là một loại anten đa búp sóng khá phổ biến dùng trong các hệ thống radar bám mục tiêu, luôn theo sát mục tiêu và thực hiện các phương pháp đo góc

Hình 1.7 – Hệ thống radar với anten parabol đơn xung thế hệ thứ 2

Hệ thống anten parabol đơn xung được chia thành 2 loại cơ bản là đơn xung pha (Hình 1.8a) và đơn xung biên độ (Hình 1.8b) So với đơn xung pha, anten đơn xung biên độ được sử dụng khá phổ biến do khả năng phát sóng đi xa, bức xạ phát là tổng của các bức

xạ đơn từ các loa bức xạ, búp sóng phụ nhỏ

Hình 1.8 – Anten đơn xung (a) Pha, (b) Biên độ Đối với anten đơn xung biên độ yêu cầu kích thước của các loa bức xạ nhỏ, trong khi với anten đơn xung pha sẽ yêu cầu kích thước các loa bức xạ riêng biệt lớn hơn [8]

- Anten parabol đa mặt phản xạ

Một trong những anten được dùng phổ biến nhất của loại anten parabol đa mặt phản xạ là anten Cassegrain.Đây là loại anten gương kép, có một gương phản xạ parabol gọi là

gương chính, một gương phản xạ hyperbol gọi là gương phụ và bộ bức xạ dùng anten loa nối với ống dẫn sóng cấp điện (Hình 1.9)

Hình 1.9 – Anten Cassegrain

Ưu điểm của anten Cassegrain so với anten gương đơn là kích thước anten theo hướng trục nhỏ hơn đồng thời bộ bức xạ đặt ở đỉnh gương nên kết cấu đơn giản Nhược điểm là gương phụ chắn mất một phần không gian phía trước gương chính gây ra một miền tối, làm phân bố biên độ của trường không đồng đều, dẫn tới giảm hệ số định hướng của anten

1.3.1.2 Anten radar mảng pha

Trong thực tế, nhằm đáp ứng khả năng thu phát sóng điện từ đi xa, cách thường dùng là tăng các đặc tính của anten (tăng kích thước anten để tăng độ lợi) hay tăng công suất phát Tuy nhiên, một cách hiệu quả khác đang thành xu hướng rất phổ biến hiện nay khi thiết

kế các hệ thống anten radar là ghép các thành phần bức xạ với nhau mà không cần tăng kích thước của các thành phần đó Hệ thống anten với nhiều thành phần bức xạ được ghép với nhau được là hệ thống anten mảng

Hệ thống anten mảng gồm nhiều thành phần bức xạ được bố trí linh động thành nhiều cấu trúc hình học khác như mảng tròn, mảng phẳng hay mảng dãy, theo một chiều, hai chiều hoặc ba chiều

Hình 1.10 – Anten mảng pha tuyến tính với N phần tử bức xạ Thông thường, các hệ thống anten mảng sử dụng phương pháp pha để điều khiển định hướng búp sóng chính theo hướng mong muốn Tần số máy phát được giữ cố định, quan

hệ pha của dòng kích thích cho các phần tử sẽ thay đổi Việc thay đổi pha có thể thực hiện theo nhiều cách:

- Điều khiển pha bằng phương pháp chuyển mạch

- Điều khiển pha bằng phương pháp xử lý tín hiệu (thông qua đổi tần hoặc sử dụng các bộ quay pha trực tiếp)

Theo hình 1.10, có thể thấy, mỗi anten điều khiển pha thường bao gồm hai thành phần chính:

mảng mạch in (hay còn được là bộ bức xạ “colling” [8]) Các phần tử này bằng nhau và

đủ nhỏ nhằm đảm bảo theo một kết cấu hình học của anten

b) Hệ thống phân phối – định pha

Nhiệm vụ chính của hệ thống này là phân chia công suất của máy phát để cung cấp cho các phần tử bức xạ, đồng thời đảm bảo phân bố pha trên anten theo yêu cầu để tạo và điều khiển phương hướng búp sóng

Theo nguyên lý làm việc có thể phân chia ra làm 2 loại hệ thống phân phối – định pha:

 Hệ thống phân phối –định pha loại 1

Hệ thống này gồm nhiều đầu vào độc lập nhau với một số đầu ra, có nhiệm vụ đảm bảo việc tiếp điện độc lập cho các phần tử bức xạ khi tiếp điện cho anten qua từng đầu vào riêng biệt Như vậy, số đầu vào sẽ tương ứng với số trạng thái phần bố pha có thể thiết lập được, nghĩa là tương ứng với số búp sóng có thể tạo được bởi anten Số đầu ra tương ứng với số phần tử bức xạ của hệ thống Việc điều khiển phương hướng trong trường hợp này

sẽ được thực hiện bằng cách thay đổi vị trí tiếp điện lần lượt cho các đầu vào

Hình 1.11 – Hệ thống phân phối –định pha loại 1 Giả sử, khi tiếp điện cho đầu vào thứ n, góc lệch pha của dòng điện trên các phần tử kề

nhau là ψ n, ta có hướng cực đại của búp sóng thứ n được xác định theo công thức:

n n

Sơ đồ liên tiếp: gồm hai dãy fide đan chéo nhau Dãy thẳng đứng nối với các phần tử bức

xạ (các đầu ra), còn dãy ngang (hay xiên) nối với các đầu vào (hình 1.12a) Tại các điểm giao nhau giữa dãy đứng và dãy ngang được mắc các bộ ghép định hướng Và để đạt chế sóng chạy, ở đầu cuối các dãy được nối với tải phối hợp

(a) (b)

Hình 1.12 – Sơ đồ hệ thống phân phối –định hướng loại 1 (a) mắc liên tiếp (b) mắc song

song Khuyết điểm của sơ đồ này là các bộ ghép định hướng không thể đảm bảo cách ly hoàn toàn các đầu vào của hệ thống, nghĩa là sẽ không tránh khỏi việc dò năng lượng từ một đường sang các đường khác dẫn đến méo dạng tín hiệu bức xạ

Sơ đồ song song: đối với sơ đồ này năng lượng cao tần từ mỗi đầu vào được phân phối

cho các phần tử bức xạ nhờ các mạch cầu và các bộ quay pha cố định (hình 1.12b) Mỗi mạch cầu có hai đầu vào và hai đầu ra độc lập với nhau Khi đưa công suất cao tần vào một trong các đầu vào của mạch cầu, ở đầu ra sẽ nhận được công suất ra đều nhau nhưng góc dịch pha khác nhau (so với tín hiệu vào) Các bộ quay pha cố định dùng để thiết lập phân bố pha tuyến tính dọc theo hệ thống Ưu điểm của sơ đồ song song là không cần dùng các tải phối hợp như sơ đồ nối tiếp nên hiệu suất đạt cao hơn và số cầu ghép cũng cần ít hơn Khuyết điểm là dải tần hẹp

 Hệ thống phân phối – định pha loại 2

Hệ thống này bao gồm một đầu vào (đầu tiếp điện) và một số đầu ra (tương ứng các phần

tử bức xạ) Việc điều khiển phân bố pha được thực hiện nhờ các bộ quay pha riêng rẽ có lượng dịch pha của dòng tiếp cho các phần tử theo yêu cầu Sơ đồ của hệ thống phân phối – định pha loại 2 có thể thực hiện theo kiểu mạch kín hoặc mạch hở

Hệ thống kiểu mạch kín: việc truyền dẫn năng lượng từ nguồn tới các phần tử bức xạ

được thực hiện nhờ các hệ thống dẫn sóng (fide) Sơ đồ của hệ thống kiểu mạch kín có thể mắc liên tiếp, song song hoặc kết hợp song song – nối tiếp giữa các phần tử bức xạ với ống dẫn sóng (fide)

(a) (b) (c)

Hình 1.13–Hệ thống kiểu mạch kín (a) mắc nối tiếp, (b) mắc song song, (c) mặc hỗn hợp

song song – nối tiếp

Sơ đồ mặc nối tiếp (hình 1.13a) được thực hiện đơn giản Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất

là sự tổn hao năng lượng trong các bộ quay pha khá lớn đồng thời các bộ quay pha làm hạn chế công suất bức xạ của anten Ngoài ra, độ chính xác không cao vì sai số gây ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống Do đó, sơ đồ mắc nối tiếp thường áp dụng cho hệ anten ít phần tử bức xạ, công suất không quá lớn và khi không yêu cầu anten có hiệu suất cao Đối với sơ đồ mắc song song (hình 1.13b) có ưu điểm hơn so với sơ đồ mắc nối tiếp do các bộ quay pha được mắc song song nên mỗi bộ sẽ chỉ qua một phần công suất của hệ thống Để điều khiển quét búp sóng, mỗi bộ quay pha cần biến đổi pha theo một quy luật

nhất định Ví dụ, các góc pha lần lượt biến đổi theo ζkd, 2ζkd, 3ζkd,….Sơ đồ mặc song

song này có thể dùng cho các hệ anten công suất lớn, đồng thời cũng đảm bảo được hiệu suất cao cho anten

Sơ đồ hỗn hợp (hình 1.13c) là sự kết hợp giữa kiểu mắc nối tiếp và song song nhưng số

bộ quay pha mắc nối tiếp ít hơn so với sơ đồ hình 1.13a Vì vậy, sẽ giảm thiểu được phạm

vi biến đổi pha mà các bộ quay pha trong sơ đồ song song phải đảm bảo Việc giảm số bộ quay pha trong cách mắc nối tiếp sẽ giảm sai số trong việc điều khiển hướng búp sóng

Hệ thống phân phối hở: trong hệ thống này, năng lượng điện từ được đưa tới các phần

tử bức xạ sơ cấp (bộ chiếu xạ) và một hệ thống thu (hình 1.14) Năng lượng từ mỗi phần

tử thu được đưa qua bộ quay pha để tạo góc dịch pha cần thiết rồi gửi gửi tới phần tử anten tương ứng của hệ thống bức xạ Các phần tử anten của hệ thống bức xạ cũng có thể được sử dụng làm phần tử thu của hệ thống phân phối Khi đó, năng lượng nhận được từ mỗi phần tử thu được đưa tới bộ quay pha, sau đó phản xạ trở lại và bức xạ ra không gian theo hướng cần thiết

Hình 1.14 – Hệ thống phân phối hở Đối với hệ thống phân phối – định hướng loại 2, phần quan trọng nhất là điều khiển pha bao gồm các bộ quay pha và thiết bị điều khiển để các bộ quay pha thực hiện các góc dịch pha theo yêu cầu Do đó, với hệ thống phân phối hở có thể phân phối liên tục hoặc rời rạc

để điều khiển pha Ưu điểm của hệ thống phân phối hở là có thể thực hiện tương đối đơn giản ngay cả khi hệ thống gồm nhiều phần tử bức xạ Ngoài ra, còn có thể điều khiển cả phân bố biên độ hệ thống một cách dễ dàng bằng cách lựa chọn biên độ búp sóng của bộ chiếu xạ thích hợp [4]

1.3.2 Máy phát radar

Máy phát radar thường là một bộ khuếch đại công suất có nhiệm vụ tạo ra các xung dao động siêu cao tần với chu kỳ lặp xung và chiều dài xung nhất định Máy phát radar có thể được bố trí thành một khối đặt trong buồng riêng hoặc bố trí trong khối anten trên cao

Sơ đồ khối máy phát gồm hai thành phần chính: bộ điều chế tạo xung và bộ tạo dao động siêu cao tần:

Hình 1.15 – Sơ đồ khối máy phát

Bộ điều chế tạo xung, thường đi kèm với bộ tiền điều chế, tạo các xung vuông có chiều

rộng τ x với chu kỳ T x có biên độ thích hợp Sau đó, xung vuông được đưa đến bộ tạo dao động siêu cao tần

Bộ tạo dao động siêu cao tần có thể là đèn Klistron, ống dẫn sóng, bộ khuếch đại trường chéo, thiết bị đèn bán dẫn hoặc phổ biến nhất là đèn Megatron Đèn Megatron tạo ra sóng siêu cao tần có tần số kém ổn định hơn so với đèn Klistron hay các thiết bị tạo sóng siêu cao tần khác Tuy nhiên, công suất xung của Megatron lớn hơn rất nhiều Do đó, để khắc phục về mặt kém ổn định tần số, có thể bổ sung cơ cấu ổn định tần số trong máy phát và đồng bộ tần số giữa máy phát và máy thu

Các bộ tạo dao động siêu cao tần có thể tạo ra các xung dao động điện từ có tần số siêu cao (9400MHz hay 9GHz với bước sóng 3,25 cm; 3000MHz hay 3GHz với bước sóng 10 cm) đưa ra anten bức xạ vào không gian Các xung dao động này cũng có chiều dài xung

và chu kỳ lặp xung tương ứng là và τx và Tx

Hình 1.16 – Cấu tạo đèn Magetron Trên hình 1.16 là sơ đồ cấu tạo mô tả đèn Megatron với nhiều hốc cộng hưởng tạo dao động siêu cao tần Catot của đèn được chế tạo bằng vật liệu phát xạ điện tử tốt, thường có

dạng khối trụ đặc, đặt ở trục của anot Xung quanh có cuộn dây nung được cấp nguồn UN

để đảm bảo khả năng phát xạ điện tử Anot thường bằng đồng có dạng trụ tròn, khoét một

số chẵn các hốc cộng hưởng Tại một hốc có bố trí móc ghép dạng khung dao động để đưa năng lượng ra ống dẫn sóng Có cơ cấu điều chỉnh thể tích hốc cộng hưởng để có thể thay đổi tần số dao động trong một mức độ nhất định Toàn bộ catot và anot được đặt trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu Nam châm này có từ trường rất mạnh có thể ảnh hưởng tới các thiết bị điện tử khác ở gần nó

Dưới tác dụng của từ trường, các điện tử phát xạ từ catot sẽ không tới anot mà sẽ chuyển động trong khoảng không giữa catot và anot Các điện tử di chuyển tới hốc cộng hưởng sẽ kích thích hốc cộng hưởng sinh ra các dao động trong hốc Mỗi điện tử sẽ tạo ra một dao động riêng, dao động riêng nào có tần số trùng với tần số của hốc cộng hưởng sẽ được khuếch đại và đưa ra ngoài

Để tăng công suất dao động sinh ra, phải tạo ra nhiều hốc cộng hưởng

- Điện áp đưa vào đèn Magnetron rất lớn hàng vạn vôn (10-20 kV để tạo điệntrường xoay chiều siêu cao tần) Vì vậy, để đảm bảo an toàn thường bố trí anot nối đất và đưa xung điều chế âm vào catot Anot còn được gắn các cánh tản nhiệt và quạt gió

để làm mát

- Để mắc đèn Magnetron vào mạch điện, có thể mắc trực tiếp (hình 1.17a) hoặc mắc gián tiếp (hình 1.17b) qua một biến áp xung

a) b) Hình 1.17–Sơ đồ cách mắc đèn Megatron a) mắc trực tiếp, b) mắc gián tiếp

Điện áp nung thông qua một biến thế TR để đưa vào nung nóng ca tốt của đèn Để thay đổi dòng điện trong đèn, có thể thay đổi điện áp nung thông quacông tắc tự động K Đối với các trường hợp xác định mục tiêu ở khoảng cách xa: K đóng, dòng Magnetron lớn; với trường hợp tầm gần: K mở, dòng Magnetron nhỏ [3]

1.3.3 Máy thu radar

Sóng phản xạ từ mục tiêu thu được qua anten sẽ chuyển tới thiết bị thu tín hiệu Máy thu radar có nhiệm vụ khuếch đại sóng phản xạ, tách lấy tín hiệu mong muốn khỏi tín hiệu nhiễu và tạp âm chuyển thành xung điểm dấu đưa ra thiết bị hiển thị hoặc kích hoạt thiết

bị số cho phép xử lý tự động như bám hoặc theo dõi mục tiêu

Hệ thống máy thu của radar phải đảm bảo các tiêu chí:

- Độ nhạy cao nhằm đảm bảo thu được tín hiệu phản xạ yếu

- Dải thông đủ lớn để tín hiệu thu không bị méo

- Hệ số khuếch đại lớn, khả năng chống nhiễu cao, thông số máy thu ổn định

- Kết cấu gọn nhẹ, độ bền cơ học cao, tiết kiệm năng lượng

Cấu trúc của một hệ thống máy thu radar được biểu diễn như hình 1.18:

Bộ hạn

Bộ khử nhiễu

Màn hình hiển thị

Hình 1.18 – Sơ đồ khối máy thu radar

Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA):

Tín hiệu thu được từ anten được chuyển đến bộ khuếch đại tạp âm thấp Tại đây, tín hiệu được LNA khuếch đại mà không làm tăng tạp âm của tín hiệu Vai trò chính của LNA trong máy thu có thể xem như một bộ tiền khuếch đại tín hiệu yếu thu được và giảm đến mức tối thiểu hệ số tạp âm trong bộ khuếch đại

Bộ trộn tần:

Tín hiệu sau khi qua bộ LNA sẽ được đưa tới bộ trộn Bộ trộn thường là mạch trộn cân bằng để trộn hai tín hiệu: một là tín hiệu sau khi qua bộ LNA và hai là tín hiệu từ bộ dao động nội để lấy tần số trung tần

Radar phát ra tần số siêu cao tần từ đèn Megatron, ký hiệu là f m Trong khi, tần số của bộ

dao động nội có giá trị f OS Khi đó tần số trung tần bằng:

ổn định

Bộ khuếch đại trung tần IF:

Bộ khuếch đại trung tần là mạch khuếch đại chủ yếu của Radar, dùng để khuếch đại tín hiệu sau khi qua bộ trộn Biên độ của tín hiệu khi đó được khuếch đại đủ lớn để đủ khả năng thể hiện trên màn ảnh Mạch khuếch đại trung tần phải đảm bảo dải thông lớn để không làm méo tín hiệu và hệ số khuếch đại cao

Thực tế, hiện nay trong các hệ thống radar hiện đại, ngoài việc đạt được tần số trung tần

để không gây méo tín hiệu còn phải đảm bảo giá trị trung tần đúng quy định Do đó, trong các hệ thống radar này thường trang bị thêm bộ tự động điều chỉnh tần số AFC nhằm giữ

ổn định tần số của dao động tại chỗ đưa tới bộ trộn tần tạo tín hiệu trung tần

Bộ tách sóng:

Thực chất bộ tách sóng là một mạch điện có các bộ lọc chất lượng cao để lọc bớt thành phần trung tần khi có tín hiệu trung tần chuyển đến Tín hiệu hình ảnh sẽ được giữ lại và gửi đến bộ khuếch đại xung ảnh trước khi hiển thị trên màn hình

Bộ khuếch đại xung ảnh:

Vai trò của bộ khuếch đại xung ảnh là để khuếch đại tín hiệu hình ảnh, hiệu chỉnh cho phù hợp và đưa ra màn hình hiển thị, thường là màn hình CRT Mạch của bộ khuếch đại xung ảnh thường dùng là mạch bán dẫn hoặc mạch tích hợp

Một số thành phần thiết bị quan trọng khác của máy thu:

Bộ bảo vệ máy thu: trong thực tế, khi tín hiệu phản xạ thu về thường có biên độ và công

suất rất lớn, có khả năng gây ảnh hưởng xấu đến phần thu tín hiệu, thậm chí gây hỏng độ nhạy của máy thu Do đó, ngay khi tín hiệu thu được qua anten, xử lý ở bộ chuyển mạch

sẽ được cho qua bộ bảo vệ máy thu nhằm giảm bớt biên độ tín hiệu Bộ bảo vệ máy thu bao gồm một ống TR và một bộ hạn chế Ống TR là một ống khí công suất thấp, nằm giữa bộ chuyển mạch và bộ thu của máy thu radar, có vai trò tự bảo vệ ngăn chặn các xung ngẫu nhiên từ các thiết bị radar xung quanh gây ảnh hưởng đến máy thu Trong bộ hạn chế thường là điốt bán dẫn, có vai trò hạ mức công suất và biên độ tín hiệu phản xạ thu được, đồng thời chuyển mức trở kháng đặc tính lối ra thành 50 Ω cho bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA[9]

Bộ khử nhiễu: các hệ thống radar hoạt động trong môi trường thực tế thường chịu ảnh

hưởng bởi nhiều yếu tố gây nhiễu đến tín hiệu thu và phát Các yếu tố nhiễu gây ảnh hưởng đến radar có thể kể đến thời tiết (như mưa, sương mù, tuyết,…), các tín hiệu can nhiễu từ các hệ thống viba mặt đất hoặc trạm thu phát sóng xung quanh và nhiễu biển (đối với radar hàng hải) Do đó, trước khi qua bộ khuếch đại xung ảnh, cần thiết phải khử nhiễu trước khi hiển thị trên màn ảnh Bộ khử nhiễu thường là các mạch lọc thông cao để tăng độ phân giải hiển thị [3]

Gọi P t là công suất phát của thiết bị phát radar, ta có mật độ công suất tại một điểm bất kỳ

có khoảng cách R so với radar là:

Thực tế, để tăng mật độ công suất theo hướng nhất định, các hệ thống radar thường sử

dụng anten định hướng với độ lợi G và bề mặt hiệu dụng của anten A e Khi đó, mật độ

công suất với độ lợi G của anten định hướng là:

2

4 R

G P

Khi năng lượng bức xạ của radar đập vào mục tiêu, bề mặt của mục tiêu sẽ bức xạ năng lượng điện từ theo mọi hướng Năng lượng bức xạ sẽ tùy thuộc vào kích thước, hướng, hình dạng vật lý và vật liệu của mục tiêu Thông số đặc trưng tạimục tiêu gọi là diện tích

bề mặt phản xạ hiệu dụng RCS, kí hiệu σ [9]

2 2

4 lim

i

r

E R

Trong đó: E r là cường độ trường phản xạ thu được tại radar, E i là cường độ trường bức xạ

tại mục tiêu với R là khoảng cách giữa radar và mục tiêu

Khi xét đến diện tích bề mặt hiệu dụng A e của anten thu, ta có công suất thu của anten:

e t

R R

G P

Mặt khác, theo lý thuyết anten, mối liên hệ giữa độ lợi anten phát (G) và diện tích bề mặt hiệu dụng anten thu (A e), được biểu diễn theo công thức:

2 2

)4( R

G P

Do đó, công suất nhỏ nhất mà radar có thể phát hiện được mục tiêu để quan sát trên màn

hình hiển thị (độ nhạy máy thu S min ) sẽ ứng với khoảng cách R max[3]:

4 max 3

2 2 min

)4( R

G P

min 3

2 2 max

) 4

cực đại, ta có thể tăng mức công suất phát hoặc tăng kích thước anten để tăng độ lợi G

Trong thực tế, tại đầu thu, ngoài tín hiệu thu mong muốn, còn có các tạp âm không mong muốn gây suy hao chất lượng tín hiệu thu Tạp âm phổ biến nhất là tạp âm nhiệt, sinh ra trong các thiết bị điện tử của hệ thống radar Thông thường, tạp âm nhiệt xuất hiện và gây suy hao ở giữa anten và các tầng đầu thiết bị thu radar Giá trị của tạp âm nhiệt vào thiết

bị thu được biểu thị bằng công suất tạp âm nhiệt, là hàm phụ thuộc vào nhiệt độ, trở kháng và độ rộng băng tần:

trong đó:

N i : công suất tạp âm nhiệt lối vào

BG kT

N F

0

Trong đó N 0 là công suất tạp âm lối ra của thiết bị thu.G a là độ lợi khả dụng được biểu

diễn bằng tỷ lệ tín hiệu ra S 0 trên tín hiệu vào S i Do đó, công thức (1.16a) có thể viết lại như sau:

0

S

N S

0

N

S BF kT N

S F N

Nếu coi độ nhạy máy thuS min bằng giá trị tín hiệu vào S i tương ứng để đạt tỷ lệ S 0 /N 0 tối thiểu, ta có:

min 0

0 0

N

S BF kT

Từ (1.14) và (1.18), ta có phương trình radar khi xét đến tạp âm:

4 / 1

min 0 0 0

3

2 2 max

) (

) 4

G P R

1.5 Các tác nhân ảnh hưởng đến khả năng thu phát sóng của hệ thống radar

Khi hoạt động trong môi trường thực tế, các hệ thống radar thường chịu nhiều tác động của môi trường xung quanh gây ảnh hưởng tới khả năng thu phát sóng và làm giảm khoảng cách xác định mục tiêu Các tác nhân này có thể là xuất phát từ mặt đất, mặt biển,