ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
  

NGUYỄN ĐÌNH THẾ ANH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ ĐUN
PHÁT CÔNG SUẤT CHO ĐÀI RA ĐA THẾ HỆ MỚI
LÀM VIỆC TRONG DẢI SÓNG DM LUẬN VĂN THẠC SỸ
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

HÀ NỘI - 2011
iv

MỤC LỤC

MỤC LỤC iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RA ĐA 2
1.1. Lịch sử phát triển của Ra đa [4] 2
1.2. Nguyên tắc hoạt động [6] 5
1.3. Phân loại các đài Ra đa [6] 7
1.3.1. Theo công dụng có thể chia các đài ra đa thành các loại sau: 8
1.3.2. Theo các dấu hiệu kỹ thuật 8
1.3.3. Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới 9
CHƯƠNG 2 12
KỸ THUẬT THU PHÁT SIÊU CAO TẦN 12
2.1. Lý thuyết đường truyền:[1] 12


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
RADA
Radio Detection And
Ranging - RADA
RA ĐA
EHF
Extremely High
Frequecy
Tần số cực cao
LNA
Low Noise Amplifier
Bộ khuếch đại tạp âm
thấp
RF
Radio Frequency

Hình 2.1:
Biểu diễn mạch tương đương của một đoạn đường truyền
sóng siêu cao tần
Hình 2.2:
Mạng đơn giản hình T hay đối xứng của đường truyền
sóng siêu cao tần
Hình 2.3:
Sơ đồ đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối
Hình 2.4:
Sóng đứng điện áp trên đường truyền không tổn hao có
mắc tải đầu cuối
Hình 2.5:
Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường
truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuối
Hình 2.6:
Họ vòng tròn đẳng điện trở
Hình 2.7:
Họ vòng tròn đẳng điện kháng
Hình 2.8:
Vòng tròn đẳng điện kháng phía trên trục hoành
Hình 2.9:
Vòng tròn đẳng điện kháng phía dưới trục hoành
Hình 2.10:
Vòng tròn đẳng điện trở và điện kháng trên cùng biểu đồ
Hình 2.11:
Họ vòng tròn đẳng | |
Hình 2.12:
Biểu đồ Smith chuẩn
Hình 2.13:
Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản

Hình 3.9:
Kết quả mô phỏng bộ phối hợp trở kháng đầu vào_2
Hình 3.10:
Kết quả mô phỏng bộ phối hợp trở kháng đầu ra _ 2
Hình 3.11:
Mạch layout_1
Hình 3.12:
Mạch chế tạo_1
Hình 3.13:
Đo đạc và đánh giá kết quả _ 1
Hình 3.14:
Mạch layout_2
Hình 3.15:
Đo đạc và đánh giá kết quả _ 2
Hình 3.16:
Khảo sát tín hiệu tại tần số 860Mhz trên phân tích phổ
Hình 3.17:
Khảo sát tín hiệu tại tần số 890Mhz
Hình 3.18:
Khảo sát tín hiệu tại tần số 820 Mhz
Hình 3.19:
Dải thông của bộ khuếch đại công suất

1

MỞ ĐẦU
Các chú dơi nhỏ bé phát ra tiếng kêu siêu âm từ mũi, nhận tiếng vọng qua hai
ăng ten ở hai tai, chúng phân tích để tìm kiếm và định vị con mồi. Từ cách thức săn
mồi của loài dơi và một số động vật khác cùng với sự phát triển của khoa học kỹ
thuật, các nhà khoa học đã phát minh ra hệ thống phát hiện và định vị mục tiêu, hay

mồi. Hình 1.1: Cách săn bắt mồi của loài dơi

Những thí nghiệm và khám phá ban đầu của con ngƣời
Năm 1887, nhà vật lý Đức Heinrich Hertz đã được nhân loại tôn vinh
và lấy tên ông làm đơn vị tần số sóng vô tuyến. Ông được biết đến với những
cống hiến tuyệt vời và là người đầu tiên tạo ra sóng vô tuyến có thể truyền
qua hoặc phản xạ bởi các loại vật liệu khác nhau trong phòng thí nghiệm.
Ngày 7/5/1895, nhà bác học Nga A.S. Pô-pôp phát minh ra một dụng
cụ có thể thu và ghi lại hiện tượng sét ở cách xa 30 km. Tháng 3/1896, Pô-
pôp đã truyền đi được một bức vô tuyến điện tín đầu tiên trong lịch sử với nội
dung “Heinrich Hertz”, đánh dấu một trong những phát minh to lớn nhất của
nhân loại: phát minh ra vô tuyến điện. Một trong những ứng dụng quan trọng
của vô tuyến điện là phát hiện và định vị, còn gọi là rađa (RAdio Detection
3

And Ranging - RADAR). Tên này do hải quân Mỹ đặt trong đại chiến thế
giới lần thứ hai, nay đã trở nên thông dụng.
Cống hiến của Pô-pôp không dừng lại ở đó. Năm 1897, trong thí
nghiệm về cự ly thông tin vô tuyến điện, ông gặp một hiện tượng bất ngờ khi
liên lạc vô tuyến giữa hai tàu bị cắt đứt lúc có một tuần dương hạm chạy
ngang qua. Lí do được giải thích là do sóng vô tuyến bị phản xạ khi gặp
chướng ngại vật. Ông đã nghĩ ngay ra việc lợi dụng hiện tượng này để kiểm
tra, xác định vị trí và dẫn đường cho tàu thuyền. Đây được xem là thời điểm
khởi đầu của các hệ thống rađa.
Năm 1904, Christian Hülsmeyer đã nhận được bằng sáng chế của Đức
cho thiết bị gọi là Telemobiloskop, thiết bị quan sát vật thể từ xa.
Năm 1922, Guglielmo Marconi đã có một bài diễn thuyết trình bày về

Năm 1939, Đức đã trang bị 6000 đài công tác sóng 50 cm giúp cho
pháo cao xạ hạ được từ 10 đến 12% máy bay phóng pháo của Đồng minh.
Nhưng sau đó, khi thu được chiến lợi phẩm một số đài 3-4 cm của Anh,
người Đức thấy xấu hơn nên đã chủ quan và ngừng nghiên cứu các đài sóng
cm. Vì thế, các hạm đội Đức đã bị thiệt hại nặng nề khi máy bay ném bom
của Đồng minh có trang bị rađa sóng 3 cm.
Với tính cạnh tranh sống còn như vậy, vào cuối cuộc chiến kinh thiên
động địa, hầu hết các công nghệ rađa hiện đại mà nay đang sử dụng đã xuất
hiện.
Thời bình
Sau chiến tranh, các nhà khoa học lại tập trung nghiên cứu cải thiện
các đài sóng cm, sóng mm để áp dụng trong quân sự, thiên văn và đời sống xã
hội. Năm 1946, Liên-xô, Mỹ và Hung-ga-ri đã dùng rađa phóng sóng điện từ
lên mặt trăng và thu được tiếng vọng trở về sau khoảng 2,5 giây, từ đó đưa ra
phương pháp xác định khoảng cách đến các thiên thể.
Không còn là công cụ độc quyền của quân đội, rađa đã thâm nhập vào
cuộc sống vì rađa thế hệ mới nhỏ hơn, rẻ hơn, dễ sản xuất hơn và mạnh hơn
nhiều.
Từ trên vệ tinh đang quay theo quỹ đạo trái đất, rađa hiện đại có thể dò
tìm bên dưới sa mạc của Ai Cập và nhìn thấy những lòng sông cổ cũng như
phế tích. Mọi người hiếm khi để ý rađa xác định lỗi giao bóng nhầm ô tại các
giải tennis. Rađa có thể cung cấp dự báo thời tiết trước bảy ngày với độ chính
xác ngang bằng chất lượng dự báo hai ngày hiện nay.
Toyota đang lắp đặt một hệ thống rađa cảnh báo va chạm cho loại xe
sang trọng hiệu Lexus. Một giây sau khi rađa trên xe dò thấy một vụ va chạm
5

sắp tới gần, ô-tô sẽ tự thắt chặt dây an toàn quanh hành khách và bắt đầu
giảm tốc độ. Các vụ va chạm ở sườn xe xảy ra do lái xe không nhìn thấy một
xe khác trong ''điểm mù'' của họ khi chuyển làn đường. Chúng chiếm hơn

mặt nơi có sự thay đổi lớn về hằng số điện môi hay hằng số nghịch từ. Có
6

nghĩa là một chất rắn trong không khí hay chân không, hoặc một sự thay đổi
nhất định trong mật độ nguyên tử của vật thể với môi trường ngoài, sẽ phản
xạ sóng ra đa. Điều đó đặc biệt đúng với các vật liệu dẫn điện như kim loại
hay sợi cacbon, làm cho ra đa đặc biệt thích hợp để định vị các máy bay hay
tàu thuyền. Các vật liệu hấp thụ ra đa, gồm có các chất có điện trở và có từ
tính, dùng trong các thiết bị quân sự để giảm sự phản xạ ra đa, giúp cho
chúng khó bị phát hiện hơn trên màn ra đa. Phương pháp trong kỹ thuật sóng
vô tuyến này tương đương với việc sơn vật thể bằng các màu tối trong sóng
ánh sáng. Sóng ra đa tán xạ theo nhiều cách phụ thuộc vào tỷ lệ giữa kích
thước của vật thể tán xạ với bước sóng của sóng radio và hình dạng của vật.
Nếu bước sóng ngắn hơn nhiều so với kích thước vật, tia sóng sẽ dội lại
tương tự như tia sáng phản chiếu trên gương. Nếu như bước sóng lớn hơn so
với kích thước vật, vật thể sẽ bị phân cực, giống như một ăngten phân cực.
Điều này được miêu tả trong hiện tượng tán xạ Rayleigh (một hiệu ứng làm
bầu trời có màu xanh lam). Khi 2 tia có cùng cường độ thì có hiện tượng
cộng hưởng. Bước sóng ra đa càng ngắn thì độ phân giải hình ảnh trên màn ra
đa càng rõ. Tuy nhiên các sóng ra đa ngắn cần nguồn năng lượng cao và định
hướng, ngoài ra chúng dễ bị hấp thụ bởi vật thể nhỏ, không dễ dàng đi xa như
sóng có bước sóng dài. Các ra đa thế hệ đầu tiên dùng sóng có bước sóng lớn
hơn mục tiêu và nhận được tia phản hồi có độ phân giải thấp đến mức không
nhận diện được, trái lại các hệ thống hiện đại sử dụng sóng ngắn hơn (vài
xentimét hay ngắn hơn) có thể họa lại hình ảnh một vật nhỏ như bát cơm hay
nhỏ hơn. Sóng radio phản chiếu từ bề mặt cong hay có góc cạnh, tương tự
như tia sáng phản chiếu từ gương cầu. Ví dụ, đối với tia sóng radio ngắn, hai
bề mặt tạo nhau một góc 90° sẽ có khả năng phản chiếu mạnh. Cấu trúc bao
gồm 3 mặt phẳng gặp nhau tại 1 góc, như là góc của hình hộp vuông, luôn
phản chiếu tia tới trực tiếp trở lại nguồn. Thiết kế này áp dụng cho vật phản

đường)
- Phát hiện các mục tiêu bay thấp
- Chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không
8

1.3.1. Theo công dụng có thể chia các đài ra đa thành các loại sau:
Ra đa cảnh giới: để trinh sát các mục tiêu trên không ở cự ly xa. Loại
đài này thường đo 2 tọa độ: cự ly và phương vị của mục tiêu với độ chính xác
vừa phải. Độ cao của mục tiêu có thể được xác định rất sơ lược, công suất
phát của đài lớn.
Ra đa cảnh giới và dẫn đường là khâu cung cấp thông tin chủ yếu
trong hệ thống dẫn đường máy bay tiêm kích bay đến các mục tiêu trên
không. Để đảm bảo dẫn đương cần thông tin về vị trí không gian của các mục
tiêu và các máy bay tiêm kích, ra đa cần đo được cả ba tọa độ: cự ly, phương
vị và độ cao với độ chính xác đủ đảm bảo dẫn đường thành công.
Ra đa phát hiện mục tiêu bay thấp để trinh sát các mục tiêu bay thấp.
Ra đa loại này có búp sóng rà thấp sát mặt đất, làm việc ở dải sóng cm hoặc
dm, có thiết bị chế áp nhiễu tiêu cực phản xạ từ mặt đất, công suất phát nhỏ,
gọn nhẹ, cơ động.
Ra đa chỉ thị mục tiêu cho tên lửa phòng không cần có cự ly tác dụng
đủ xa sao cho sau khi nhận được chỉ thị mục tiêu từ nó, các phương tiện hỏa
lực phòng không đủ thời gian chuẩn bị để tiêu diệt mục tiêu ở tầm xa nhất.
Thông tin ra đa ( về cả 3 tọa độ ) cần đủ chính xác đảm bảo cho các đài điều
khiển tên lửa bám sát ngay được mục tiêu mà không cần sục sạo.
1.3.2. Theo các dấu hiệu kỹ thuật :
Có thể chia ra đa theo dải sóng, theo phương pháp ra đa, theo phương
pháp đo cự ly và theo số lượng kênh ra đa độc lập.
Tần số làm việc của ra đa có thể thuộc các dải tần như bảng dưới đây.
Ra đa dải HF lợi dụng sự phản xạ sóng ở tần đối lưu và tầng điện ly để phát
hiện mục tiêu. Ra đa dải VHF và UHF để phát hiện các mục tiêu ngoài đường

các hệ thống sau:
10

- Hệ thống hình thành tín hiệu phát xạ.
- Hệ thống anten để bức xạ định hướng tín hiệu phát và thu
các tín hiệu phản xạ. Để tạo ra hình dạng vùng quan sát cần
thiết và đảm bảo khả năng xác định các tọa độ góc của mục
tiêu cần tiến hành quét búp sóng anten (theo phương pháp cơ
điện hoặc điện tử) trong các mặt phẳng tương ứng.
- Hệ thống xử lý tín hiệu thu nhằm cực đại hóa chất lượng phát
hiện mục tiêu khi có tác động của các loại nhiễu khác nhau.
Hệ thống này gồm các thiết bị: khuếch đại, lọc phối hợp, tích
lũy tín hiệu, chống nhiễu tiêu cực và chống nhiễu tích cực.
- Hệ thống phát hiện, đo tọa độ và các tham số chuyển động
của mục tiêu. Trong các ra đa phát hiện mục tiêu bằng mắt và
đọc tọa độ trên màn hiện sóng thì đó là hệ thống "hiện sóng-
trắc thủ", còn trong ra đa tự động phát hiện và lấy tọa độ mục
tiêu thì đó là các máy tính điện tử chuyên dụng.
- Hệ thống anten phát làm việc cùng với hệ thống tạo tín hiệu
phát, tạo thành tuyến hình thành và bức xạ tín hiệu phát. Còn
hệ thống anten thu làm việc cùng với hệ thống xử lý tín hiệu
thu, tạo thành tuyến thu và tách tín hiệu khỏi nhiễu. Cấu trúc
và các tham số của hai tuyến này quyết định các đặc trưng
quan trọng nhất của đài ra đa.
* Hệ thống đồng bộ, đảm bảo đồng bộ hoạt động của tất cả các tuyến và
các hệ thống trong đài ra đa
* Hệ thống điều khiển kiểm tra và bảo vệ các chế độ làm việc của đài,
cho phép chọn chế độ tối ưu trong những tình huống nhiễu cụ thể
* Hệ thống nguồn điện cấp điện cho đài ra đa
* Các hệ thống và thiết bị phụ, đảm bảo hoạt động bình thường của các

hợp công suất các mô đun khuếch đại trong máy. Do vậy lý thuyết siêu cao
tần là nền tảng để giải quyết vấn đề trên.
2.1. Lý thuyết đƣờng truyền:[1]
Đường dây truyền sóng là đường truyền dẫn năng lượng sóng điện từ,
là hình thức quá độ giữa mạch điện gồm các phần tử tập trung ở tần số thấp
(L, C, R) và ống dẫn sóng ở siêu cao tần. Đường dây truyền sóng được coi là
mạch điện có phần tử phân bố nhưng nó có thể được biểu diễn theo sơ đồ của
mạch điện với các phần tử tập trung.
Đối với mạch có các phần tử tập trung, ta có thể phân tích bằng lý
thuyết mạch kinh điển, với giả thiết rằng khi có một điện áp đặt vào, lập tức
tác dụng của nó sẽ được thể hiện đồng thời tại mọi điểm trong mạch. Trong
một mạch vòng kín, khi có một dòng điện chạy thì ở mọi điểm trong mạch
vòng ấy, biên độ và pha của dòng đều như nhau.
Thực ra, trong một mạch điện, năng lượng điện từ truyền lan vẫn có
một tốc độ nhất định. Thành ra, khi kích thước của mạch, nghĩa là chiều dài
các dây nối, có giá trị so sánh được với bước sóng, thì tại các điểm khác nhau
trong mạch, dòng điện (và điện áp) sẽ có pha khác nhau. Đó là do có hiện
tượng trễ theo thời gian. Khi ấy, dùng lý thuyết mạch thông thường sẽ không
cho kết quả chính xác và các khái niệm cảm kháng, dung kháng cũng không
đúng nữa. Khi việc truyền năng lượng trong một mạch điện phải mất một thời
gian đáng kể nào đó thì mạch điện đó được xếp vào loại mạch có phần tử
phân bố. Ta có thể hiểu rằng khi trong mạch điện cao tần có đường dây
truyền sóng mà chiều dài của dây có giá trị bằng một phân số đáng kể của
bước sóng thì mạch đó được coi là một hệ có phần tử phân bố. Thể hiện
chính của khái niệm này là trên đường dây xuất hiện sóng đứng của điện áp
(và dòng điện), đồng thời trở kháng vào của đường dây thay đổi theo tần số.

13

2.1.1 Cách biểu diễn một hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ của hệ

kể, giống như khi truyền qua mạng có phần tủ tập trung. Tuy nhiên, không
thể dùng 1 mạng 4 cụm đơn giản để đại diện cho cả dây truyền sóng vì thời
gian cần thiết để năng lượng truyền theo đường dây lớn hơn nhiều so với thời
gian truyền qua mạng đơn giản. Khi đó, để biểu diễn một hệ có phần tử phân
bố (đường dây truyền sóng) ta có thể dùng một chuỗi liên tiếp các mạng 4
cụm đơn giản hình hay T đối xứng như ở (Hình 2.2)
z
z

Hình 2.2: Mạng đơn giản hình T hay đối xứng của đường truyền sóng siêu
cao tần
2.1.2. Phương trình vi phân của đường dây
Xét một đoạn rất ngắn
Z
của đường dây truyền sóng.
Sơ đồ tương đương của đoạn dây với các giá trị điện áp và dòng điện được
hiển thị như ở hình (2.1b).
Áp dụng định luật Kirchhoff, ta có thể viết các hệ thức sau đây đối với điện
áp và dòng điện trên đoạn mạch, tại các thời điểm t:
- Đối với điện áp ta có:
0),(
),(
),(),( tzzV
t
tzI
zLtzzIGtzV
(2.1)
- Đối với dòng điện:
0),(
),(

t
tzV
CtzGV
z
tzI ),(
),(
),(
(2.4)
Đối với tín hiệu hình sin, tần số ta có thể viết:
Ii
t
I
;
Vi
t
V

Thay vào (2.3) và (2.4) ta nhận được:
)()(
)(
zILiR
z
zV
(2.5)
)()(
)(
zVCiG
z
zI
(2.6)

(2.9)
(2.8) là các phương trình vi phân bậc 2 của V và I cho phép tính V, I
tại các điểm bất kỳ trên đường dây khi biết các thông số Z, Y của đường dây
và các điều kiện biên.

2.1.3. Nghiệm của phương trình vi phân
Bây giờ ta tìm nghiệm của phương trình vi phân (2.9).
Đặt
2
ZY

Theo (2.7) ta có:
))((
2
CiGLiR

Ta nhận thấy là một số phức, có thể viết
CiGLiRi )((
(2.10)
Hệ phương trình (2.9) có thể được viết lại
0)(
)(
0)(
)(
2
2
2
2
2
2

và
0
I
biểu thị cho biên độ điện áp và dòng điện sóng thuận.
17

0
V
và
0
I
biểu thị cho biên độ điện áp và dòng điện sóng ngược.
Từ (2.5) ta rút ra:
z
zV
LiR
zI
)(1
)(

Áp dụng (2.12a) ta nhận được:
)(
1
)(
00
zz
eVeV
LiR
zI
(2.13a)

Trong đó
CiG
LiR
Z
0
(2.15)
Từ (2.14) có thể viết
0
0
0
0
0
I
V
I
V
Z
(2.16)
Khi chuyển biểu thức biểu thị hàm sóng về miền thời gian, ta cần nhân thêm
với hàm mũ
ti
e
, nghĩa là
tiztiz
eeVeeVtzV
00
),(

Lưu ý rằng biên độ của điện áp V
0

00
(2.17)
Vận dụng các phép chứng minh và suy luận như khi nghiên cứu lý thuyết
sóng điện từ phẳng trong giáo trình “Lý thuyết trường điện từ”, ta xác định
được ý nghĩa vật lý cũng như các mối quan hệ của các số hạng trong (2.17):
- hệ số pha của sóng, có quan hệ với bước sóng công tác bởi
2
(2.18)

và có quan hệ với vận tốc pha của sóng bởi
f
V
(2.19)
Các biểu thức nhận được ở trên là các công thức tổng quát cho trường hợp
đường truyền dẫn sóng thực tế có tổn hao, nghĩa là khi các dây dẫn không
phải là vật dẫn lý tưởng (R 0) và điện môi trong không gian giữa các dây dẫn
không phải là điện môi lý tưởng ( 0).
Xét trường hợp đường dây truyền sóng không tổn hao.
Đối với trường hợp đường dây truyền sóng lý tưởng ta có:
R=0; =0
Thay vào (2.10), ta nhận được:
LCii
(2.20)
Suy ra:
LC
0
(2.21)
Trở kháng đặc tính của đường truyền được xác định theo (2.15):