1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGÔ VĂN THƢỞNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI
CÔNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SÓNG
DM(820-900MHZ)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BẠCH GIA DƢƠNG HÀ NỘI - 2011

3
LỜI MỞ ĐẦU
Trong thiên nhiên, tạo hóa đã ban cho một số loài vật có khả năng kì
diệu như những máy radar. Những con dơi hoặc những con cá heo phát ra
những sóng siêu âm trên nhứng “anten” của chúng để tìm kiếm định vị con
mồi. Từ cách thức săn mồi của loài dơi và một số loài khác đã thúc đẩy các
nhà khoa học nghiên cứu và phát minh ra cách định vị mục tiêu bằng sóng
siêu âm. Hay còn gọi là kỹ thuật radar(“Radio Detecting And Ranging,”
nghĩa là dò tìm và xác định khoảng cách bằng sóng vô tuyến. Trong chiến
tranh, hàng loạt các đài radar được cho ra đời với nhiều chiến thuật khác
nhau, nâng cao khả năng chiến đấu cho quân đội. Sau chiến tranh, các nhà
khoa học tập trung cải tiến, chế tạo các đài radar mới không những phục vụ
trong quân sự mà còn trong lĩnh vực thiên văn và đời sống xã hội phục vụ
cho lợi ích loài người.
Radar là một thiết bị kết hợp rất nhiều khối điện tử phức tạp cả về công
nghệ và khoa học, chính vì vậy trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, với
mục tiêu nghiên cứu và chế tạo khối khuếch đại công suất sử dụng trong máy
phát Radar tầm thấp, tôi xin giới thiệu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “ Nghiên
cứu thiết kế chế tạo module khuếch đại công suất dùng trong máy phát

5
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI
CÔNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SÓNG
DM(820-900MHZ)
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR
1. Lịch sử phát triển của Radar
Từ xa xưa, trong thiên nhiên hoang dã, tạo hóa đã ban cho chúng ta
những cỗ máy “radar” kì diệu. Chú dơi phát ra sóng siêu âm từ mũi, nhận
tiếng vọng tại hai “ăng-ten” ở hai tai, qua đó phân tích để tìm kiếm và định
vị mồi.
Hình 1.0: Cách săn bắt mồi của loài dơi

 Những ngày đầu tiên thí nghiệm và khám phá của con ngƣời
Năm 1887, nhà vật lý Đức Heinrich Hertz lần đầu tiên đã tạo ra sóng
vô tuyến trong phòng thí nghiệm. Các sóng này có thể truyền qua hoặc phản
xạ bởi các loại vật liệu khác nhau. Với cống hiến tuyệt vời này, Hertz được
nhân loại tôn vinh và lấy tên ông làm đơn vị tần số sóng vô tuyến.

6
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-

hệ thống cho phép phát hiện máy bay ném bom từ khoảng cách lớn hơn 150
km. Và ông được coi là người phát minh ra hệ thống radar hoàn chỉnh.
 Trong chiến tranh thế giới lần thứ 2
Trong những năm ác liệt của chiến tranh, Liên-xô đã cho ra đời hàng
loạt các đài radar với nhiều chiến thuật khác nhau, nâng cao khả năng chiến
đấu cho quân đội và đã góp phần vào thắng lợi chung của Hồng quân Liên-
xô. Cùng lúc, các nước như Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Nhật cũng để nhiều sức
lực vào việc phát triển kỹ thuật radar. Năm 1936, Anh xây dựng một hàng
rào radar để bảo vệ toàn bộ bờ biển, tầm xa 250 km. Về sau, Anh cải tiến và
chế tạo được các đài radar sóng 10 cm và 3 cm, giúp ích nhiều cho không
quân trong việc oanh tạc các tàu ngầm của Đức.
Năm 1939, Mỹ có các đài radar ngắm bắn cao xạ dùng sóng dài 1,5 m,
tầm xa 150 km. Nhưng các đài này lại không phân biệt được máy bay ta và
máy bay địch. Cho nên, ngày 7/12/1941, Mỹ đã chịu thất bại nặng nề trong
trận tấn công Trân Châu Cảng của Nhật vào căn cứ hải quân Mỹ. Sau thất
bại này, Mỹ cũng đã cố gắng nghiên cứu thêm về radar sóng cm.
Năm 1939, Đức đã trang bị 6000 đài radar 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 radar sóng 3 cm.

8
Với tính cạnh tranh sống còn như vậy, vào cuối cuộc chiến kinh thiên
động địa, hầu hết các công nghệ radar 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 dải sóng cm, sóng mm để áp dụng trong quân sự, thiên văn và đời sống

Mục đích của việc phân loại là chia tập hợp các đài radar thành từng
nhóm có những dấu hiệu chung, không phụ thuộc vào tính đa dạng của các
giải pháp kỹ thuật và kết cấu từng đài radar riêng lẻ để tiện cho việc phân
tích các đặc điểm cấu trúc đài radar theo quan điểm kỹ thuật hệ thống.

Hình 1.1. Sơ đồ phân loại các đài radar
Do vậy thường phân các đài radar theo các dấu hiệu chiến thuật và các
dấu hiệu kỹ thuật.
Các dấu hiệu chiến thuật thường gồm: công dụng của đài radar, số
lượng tọa độ đo được, mức độ cơ động của đài, …
Các dấu hiệu kỹ thuật gồm: Dải sóng làm việc của đài, phương pháp
radar, phương pháp đo cự ly, …

10
 Theo công dụng có thể chia các đài radar thành các loại sau:
- Phát hiện xa các mục tiêu trên không ( radar cảnh giới)
- Phát hiện các mục tiêu trên không và dẫn đường cho máy
bay tiêm kích đến các mục tiêu đó ( radar cảnh giới và dẫn
đường)
- Phát hiện các mục tiêu bay thấp
- Chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không

Radar cảnh giới: để trinh sát các mục tiêu trên không ở cự ly xa. Loại
đài radar 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.
Radar 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 đường cần thông tin về vị trí không gian của các
mục tiêu và các máy bay tiêm kích, radar cần đo được cả ba tọa độ: cự ly,

cũng rất phức tạp khi cần quan sát nhiều mục tiêu theo nhiều tham số.
3. Sơ đồ khối máy phát radar
Radar là hệ thống rất hoàn thiện và phức tạp về mặt điện và từ.
Thường chúng là những cỗ máy hoàn chỉnh. Hệ thống radar là sự sắp xếp
những khối nhỏ khác nhau, bản thân những khối này lại được sắp xếp với
những mục đích khác nhau. Sự đa dạng của các khối tùy thuộc vào mục đích
của từng radar, nhưng sự hoạt động cơ bản và các khối chính là tương tự
nhau. Trong sơ đồ khối, tôi chỉ đề cập đến các khối quan trọng mà không thể
thiếu trong các hệ thống radar. 12
Waveform
Generator
Upconversion
Clocks & Local
Osillators
Dislay Dowconversion
Duplexer
Signal & data
processing
Antena
Possitioning
System
Power
Amplifier
Low noise
Amplifier
Control &
Power

)2
p
2t
2
(1.1)
Trong đó A là diện tích hữu dụng của anten thu
G là hệ số khuếch đại của anten thu
P
p
là công suất phát của đài radar
Thông thường anten thu và anten phát chung nên G=G’, và khi tính
đến hệ số tổn hao của tuyến anten phía thu và phát ta có:
43
22
p
t
r.)4(
G.P
P





(1.2)
, ’ là hiệu suất truyền năng lượng từ máy phát đến anten và từ anten
đến máy thu.
Một trong những anten được sử dụng trong sóng siêu cao tần là anten
Parabol phản xạ. Tính chất hình học của Parabol rất hữu ích trong việc tập
trung năng lượng trong quá trình tiếp nhận, và tạo ra các búp sóng phát ra

15
Trộn tần là quá trình tác động lên hai tín hiệu sao cho trên đầu ra
bộ trộn tần nhận được các thành phần tần số tổng hoặc hiệu của hai tín
hiệu đó.
Bộ trộn tần có nhiệm vụ cho ra một tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha
hoặc hiệu tần số của hai tín hiệu vào. Giả sử tín hiệu điều khiển và tín hiệu
ra có điện thế được viết bởi công thức sau:

1 1 1 1
2 2 2 2
( ) sin( )
( ) ( )
u t U t
u t U rect t




(1.3)
Khi đó tín hiệu ra của bộ tách sóng pha sẽ là:
1 2 1 1 2 2
[sin( ) sin( )]u U U t t
   
  
(1.4)
số thu được xuống từ tần số RF về trung tần IF.

16

Hình 1.4. Mô hình hoạt động bộ trộn tần
 Khối khuếch đại công suất (Power Amplifier)
Khối khuếch đại là một thiết bị biến đổi tín hiệu có biên độ nhỏ ở đầu
vào thành một tín hiệu có biên độ lớn ở đầu ra mà dạng tín hiệu không thay
đổi.
Thực chất khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển,
ở đó năng lượng của nguồn cung cấp một chiều được biến đổi thành năng
lượng xoay chiều có quy luật giống như quy luật của tín hiệu điều khiển.
Mạch khuếch đại được chia thành nhiều loại khác nhau:
- Theo dạng tín hiệu cần khuếch đại: khuếch đại tín hiệu liên tục(
khuếch đại micro, âm thanh…) và khuếch đại tín hiệu xung( radarr, máy thu
hình, các thiết bị tính toán, điều khiển…).
- Theo dải tần số tín hiệu cần khuếch đại: mạch khuếch đại một
chiều (f= 0 và tần số thấp), mạch khuếch đại tần thấp( f= 16Hz đến 20KHz),
khuếch đại trung tần và cao tần( f > 20KHz)
- Theo đặc tuyến tần số: mạch khuếch đại cộng hưởng( hệ số
khuếch đại K đạt giá trị lớn nhất tại tần số cộng hưởng), khuếch đại dải hẹp(
K không thay đổi trong một dải hẹp tần số và suy giảm rõ rệt ngoài vùng
này), khuếch đại dải rộng( dải tần làm việc cỡ vài chục MHz).
- Theo trở tải: khuếch đại điện trở, khuếch đại biến thế, khuếch
đại cộng hưởng, khuếch đại điện cảm…

17
- Theo tính chất các đại lượng vật lý lấy ra: khuếch đại thế (K
U
),

th
và và được gọi là khuếch đại trung
tần. Khuếch đại trung tần hoạt động ở tần số thấp nên dễ khuếch đại và
hệ số khuếch đại đạt được rất lớn, tính ổn định cao và cũng rất gọn nhẹ, dễ
chế tạo.
Đối với máy pháy radar thì khối khuếch đại công suất được sử dụng để
khuếch đại tín hiệu cao tần trước khi phát. Trong lịch sử có nhiều kiểu bộ
khuếch đại được sử dụng trong radar, chẳng hạn như ống khuếch đại có điều
khiển lưới, khuếch đại từ trường chéo(CFAs), ống truyền sóng(TWTs),…Đối
với bộ khuếch đại công suất lớn, các tham số quan trọng là hệ số khuếch đại
và độ ổn định trong dải tần làm việc. Hệ số khuếch đại lớn mà vẫn đảm bào
được sự ổn định trong dải tần làm việc
 Khối khuếch đại tạp âm thấp(Low Noise Amplifier)

18
Tín hiệu thu được thường có biên độ rất nhỏ và có lẫn tạp. Mục đích
của bộ khuếch đại tạp âm thấp(LNA) là nâng tín hiệu lên công suất theo yêu
cầu trong khi tín hiệu đã bị lẫn thêm tạp và có thể bị méo dạng tín hiệu vì
vậy sự phục hồi của tín hiệu có thể gây một sự trễ trong hệ thống. Bộ LNA
là bộ khuếch đại với tạp âm thấp. Tín hiệu tạp được xác đinh bằng hệ số tín
hiệu tạp lối vào trên hệ số tín hiệu tạp lối ra. LNA được sử dụng ở phần đầu
của khối radar thu. Tham số khuếch đại có lẫn tạp âm thấp, nhất là ở sóng
siêu cao tần.
 Khối điều khiển xử lý tín hiệu (Signal Processing/Data Processing/Control
Subsysttôis)
Công nghệ xử lý tín hiệu tùy thuộc vào tín hiệu thu được chưa được
trộn. Một số công nghệ xử lý tín hiệu thông thường được sử dụng trong
radar là hệ số tương quan, bộ lọc Doppler, phản xạ ảnh,… Khối xử lý dữ liệu
sử dụng bộ biến đổi dữ liệu được tạo ra bởi khối tín hiệu trực tiếp vào khi
radar hoạt động. Khối xử lý tín hiệu là một khối rất phức tạp cả về công

20
CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT THU PHÁT SIÊU CAO TẦN
1. Giới thiệu chung
Thuật ngữ “viba” hay sóng siêu cao tần (microwaves) là để chỉ những
sóng điện từ có bước sóng rất nhỏ, ứng với phạm vi tần số rất cao của phổ
tần số vô tuyến điện.
Phạm vi của dải tần số này cũng không có sự quy định chặt chẽ và
thống nhất toàn thế giới. Giới hạn trên của dải thường được coi là tới
300GHz (f = 3.10
11
Hz), ứng với bước sóng  = 1 mm(sóng milimet), còn
giới hạn dưới có thể khác nhau tuỳ thuộc vào các quy ước theo như tập quán
sử dụng. Một số nước coi "sóng cực ngắn" là những sóng có tần số cao hơn
30 MHz ( bước sóng  ≤ 10m ), còn một số nước khác coi "viba" là những
sóng có tần số cao hơn 300 MHz ( bước sóng  ≤ 1 m ).
Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và những thành tựu đạt được
trong việc chinh phục các băng tần cao của phổ tần số vô tuyến, khái niệm
về phạm vi dải tần của "viba" cũng có thể còn thay đổi.
- UHF (Ultra High Frequency): f = 300 MHz ÷ 3 GHz
- SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz
- EHF (Extrtôiely High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz
22

Hình 2.1. Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương
Nhìn chung, các đường truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song
để tín hiệu điện áp truyền qua.
Trước hết, chúng ta khảo sát một đường truyền gồm một cặp dây dẫn
song song như hình vẽ. Hai dây dẫn này được mô hình hoá bằng:
- Điện dung song song tính theo chiều dài đơn vị của dây dẫn C [ F/m]
- Điện dẫn song song tính theo đơn vị dài [S/m]
Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ tạo ra một dòng điện
trong dây dẫn theo chiều ngược lại, đó là thành phần cảm ứng. cũng sẽ có
một điện trở hữu hạn nối tiếp trong các dây dẫn.
- Điện cảm nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ H/m]
- Điện trở nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ /m]
Một đoạn ngắn ∆z của đường truyền được biểu diễn trên sơ đồ tương đương
như (hình 2.1). Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian.
2.2. Phƣơng trình sóng và nghiệm
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:

23
- Đối với điện áp ta có:
0),(

t
tzI
LtzRI
z
tzV




),(
),(
),(

(2.3)
t
tzV
CtzGV
z
tzI




),(
),(
),(

(2.4)
Đối với tín hiệu hình sin, tần số


zVCiG
z
zI




(2.6)
Thay





CiGY
LiRZ


(2.7)
ta có thể viết lại (2.5) và (2.6):

24









2
2
2
2
zIZY
z
zI
zVZY
z
zV




(2.9)
Phương trình (2.9) hệ 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.
2.3. Truyền sóng trên đƣờng dây. Nghiệm của phƣơng 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


2
zI
dz
zId
zV
dz
zVd


(2.11)
Theo lý thuyết về phương trình vi phân, ta có nghiệm của (2.11)
zz
eVeVzV



00
)(
(2.12a)
zz
eIeIzI



00
)(
(2.12b)
Công thức (2.12a) và (2.12b) biểu thị các sóng điện áp và dòng điện
trên đường dây, trong đó, số hạng chứa
z

LiR
zI



)(1
)(



Áp dụng (2.12a) ta nhận được:
)(
1
)(
00
zz
eVeV
LiR
zI






(2.13a)
Ký hiệu


LiR