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(“Ra dio D etecting A nd R anging,”
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 sỹ: “ Nghiên
cứu thiết kế chế tạo modun khuếch đại công suất dùng trong máy phát
Radar dải sóng dm(820-900Mhz) ”. Bằng lý thuyết và thực nghiệm, luận
văn đã thực hiện những nội dung sau:
-

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các đài radar hoạt động ở
dải sóng dm.

-

Tìm hiểu về kỹ thuật thu phát siêu cao tần
Tìm hiểu sâu về kỹ thuật phối hợp trở kháng và chế tạo thành
công một modun khuyếch đại công suất 80W, hoạt động ở


• Những ngày đầu tiên thí nghiệm và khám phá của con người
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.
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, Pôpôp 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

3


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 radar (RAdio
Detection And Ranging - RADAR). Tên “radar” 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 coi là thời điểm
khởi đầu của các hệ thống radar.
Năm 1904, Christian Hülsmeyer đã nhận được bằng sáng chế của Đức
cho thiết bị gọi là Teltôiobiloskop, thiết bị quan sát vật thể từ xa.
Năm 1922, Guglielmo Marconi đã có một bài diễn thuyết trình bày về
ý tưởng là có thể phát hiện được những vật thể từ xa sử dụng sóng vô tuyến.
Nhưng mãi đến năm 1933, ông mới đưa ra được thiết bị đầu tiên như vậy.
Trong năm 1925/26, hai nhà vật lý Mỹ Breit và Tuve, cũng như hai
nhà nghiên cứu Anh Appleton và Barnett đã trình diễn một số phép đo bầu

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.
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

5


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
xã hội. Năm 1946, Liên-xô, Mỹ và Hung-ga-ri đã dùng radar 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, radar đã thâm nhập vào
cuộc sống vì radar 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, radar hiện đại có thể
dò tìm bên dưới sa mạc của Ai Cập và nhìn thấy những lòng sông cổ cũng
như phế tích.
Hãng xe Toyota và nhiều hãng xe hơi trên thế giới đang lắp đặt một hệ
thống rađa cảnh báo va chạm cho loại xe sang trọng hoặc trang bị nho những
xe không người lái. Một giây sau khi radar trên xe dò thấy một vụ va chạm
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
413.000 vụ tai nạn ô-tô mỗi năm và làm bị thương hơn 160.000 người. Ngoài
ra, radar tầm xa có thể được sử dụng để xác định tốc độ của những chiếc xe

-

Phát hiện xa các mục tiêu trên không ( radar cảnh giới)

7


-

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,
phương vị và độ cao với độ chính xác đủ đảm bảo dẫn đường thành công.
Radar phát hiện mục tiêu bay thấp: để trinh sát các mục tiêu bay thấp.
Radar 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,

xung và radar bức xạ liên tục. Radar bức xạ xung có ưu điểm chính là :
đơn giản việc đo cự ly, về mặt kỹ thuật cho phép dễ dàng sử dụng chung
một anten cho cả phát và thu. Nhược điểm của nó là cần phải dùng máy
phát công suất xung lớn, khá phức tạp việc đo tốc độ mục tiêu. Radar bức
xạ liên tục cho phép tách mục tiêu theo tốc độ và đo đơn trị tốc độ trong
dải tốc độ khá rộng, công suất phát không cần lớn. Nhược điểm của loại
này là việc khử ghép giữa tuyến thu và phát rất phức tạp, thiết bị đầu cuối
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.

9


Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống radar
• Anten
Anten radar hoạt động như bộ giao tiếp giữa hệ thống radar và vật tự
do bay trong không gian bằng sóng radio được truyền đi và nhận về. Nhiệm
vụ của anten radar là lan truyền sóng ra không gian được định hướng trong
quá trình phát và nhận tín hiệu trong quá trình thu. Khi phát sóng thì anten
chỉ được nối với bộ phận truyền, còn khi thu thì anten chỉ được kết nối với
bộ phận thu. Việc này được thực hiện bởi khối chuyển mạch song công
Duplexer.

(4π) .r
3

4

(1.2)

η, η’ 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
trong quá trình truyền.
• Khối chuyển mạch song công (Duplexer)
Khi chỉ có một anten sử dụng cả việc truyền và nhận tín hiệu, thì trong
hầu hết các hệ thống radar đều sử dụng Duplexer. Chuyển mạch Duplexer sẽ
chuyển hệ thống radar từ chế độ phát sang chế độ thu. Trong trạng thái phát,
chuyển mạch sẽ nối anten với bộ phận phát và không kết nối với bộ phận
thu. Bộ thu sẽ được cách lý với xung truyền có công suất cao để bảo vệ bộ
thu tránh bị hỏng những bộ phận có độ nhạy cao. Ngay sau quá trình phát,
chuyển mạch sẽ ngắt kết nối với bộ phận truyền và kết nối bộ thu với anten.

11


Hình 1.3. Sơ đồ kết nối anten
• Khối tạo sóng Waveform Generator
Bộ phận phát tín hiệu số được xây dựng bởi sự liên kết với nguồn tín
hiệu số với bộ chuyển đổi D/A. Trong quá trình hoạt động thì bộ nhớ số
được sử dụng dể lưu giữ tín hiệu dạng số. Bộ nhớ sẽ đọc ra các đặc trưng của

u=

u=

U1U 2
[cos(ω1t + θ1 − ω2t − θ 2 ) − cos(ω1t + θ1 + ω2t + θ 2 )]
2

U1U 2
[cos 2π ( f1 − f 2 + θ1 − θ 2 ) − cos 2π ( f1 + f 2 + θ1 + θ 2 )]
2

(1.4)
(1.5)

(1.6)

Từ công thức trên ta thấy tín hiệu ra của bộ tách sóng pha bao gồm cả
tổng và hiệu tần số của hai tín hiệu vào. Tuy nhiên mạch lọc thông thấp
không cho phép tín hiệu tổng đi qua mà chỉ cho phép tín hiệu vi sai đi qua.
Mixer được sử dụng để truyền tín hiệu trong một dải phổ này tới một
dải phổ khác. Trong truyền dẫn radar, Mixer được sử dụng để truyền trực
tiếp tần số của tín hiệu (IF) được tạo ra bởi bộ tạo dao động sang tín hiệu
cao tần RF. Khối thực hiện điều đó được gọi là bộ biến đổi tăng tần số lên.
Trong radar nhận tín hiệu thì Mixer lại làm nhiệm vụ ngược lại là giảm tần
số thu được xuống từ tần số RF về trung tần IF.

13



vôn) đáp ứng yêu cầu của mạch tách sóng. Nếu dùng nhiều tầng khuếch đại
sẽ dẫn đến kết cấu và kỹ thuật phức tạp và rất dễ bị tự kích làm độ nhạy
không cao, chất lượng kém. Ngày nay, hầu hết tất cả các máy thu đều hoạt
động theo nguyên tắc thu đổi tần. Tín hiệu thu từ ăng ten có tần số thu được
đưa vào một bộ biến đổi tần. Trong máy thu có bộ dao động nội phát ra dao
động có tần số tần số là ω n . Dao động này cũng được đưa vào bộ biến đổi tần
trộn với tín hiệu ω th . Ở lối ra của bộ biến tần sẽ thu được tín hiệu có tần số:
(1.7)
Khi cần thu tín hiệu có tần số ω th bất kỳ, thì dù ω th biến đổi thế nào ωn
cũng biến đổi một lượng tương tự để luôn đảm bảo
là tần số trung gian giữa ω th và

Vậy

có giá trị cố định.

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

Khối nguồn(Power Systtôi)
Radar là một hệ thống điện tử rất phức tạp. Mỗi thành phần đều cần có

khối nguồn để vận hành. Trong quá trình hoạt động, mỗi bộ phận lại cần các
giá trị điện áp khác nhau. Để đáp ứng các giá trị nguồn khác nhau đó, chỉ
cần sử dụng một nguồn bên ngoài, sau đó điện áp được biến đổi thành các
mức điện áp cần thiết. Để biến đổi điện áp DC thành các mức điện áp DC
thường sử dụng các nguồn Switching điều chỉnh. Các nguồn Switching điều

16


chỉnh là mạch điện tử ở đó sử dụng các cuộn dây, các transistor hoặc tụ điện
như là phần tử dự trữ năng lượng để truyền tải năng lượng từ khối vào tới
các khối ra.
•

Khối hiển thị (display)
Khối màn hình hiển thị có chức năng hiển thị các thông tin- thông số

kỹ thuật của hệ thống radar, thông tin về mục tiêu mà radar thu được. Khối
có chức năng giúp con người giao tiếp vơi hệ thống radar.

CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THU PHÁT SIÊU CAO TẦN
1. Giới thiệu chung

17


Thuật ngữ “viba” hay sóng siêu cao tần (microwaves) là để chỉ những

Khi nghiên cứu đường truyền đối với các tín hiệu tần thấp, ta thường
coi các đường dây nối(hay đường truyền) là ngắn mạch. Điều này chỉ đúng
khi kích thước của mạch là nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu. Còn đối với tín
hiệu cao tần và đặc biệt đối với tín hiệu siêu cao thì ta phải có những nghiên
cứu đặc biệt về đường truyền.

18


Trong các hệ thống siêu cao tần và sóng milimet, bước sóng của tín
hiệu có thể bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của các bộ phận và đường truyền
của chúng. Điều này có nghĩa là có thể diễn ra những thay đổi quan trọng về
pha tín hiệu dọc theo đường truyền và có sự biến đổi trở kháng danh định
của một thiết bị hoặc một thành phần mà tín hiệu đi qua. Những sự biến đổi
trở kháng này gây ra các sóng phản xạ trên đường truyền. Điều này sẽ dẫn
đến sự tổn hao năng lượng trên đường truyền do năng lượng bị phản xạ.
Luợng năng lượng bị phản xạ được xác định bởi hệ số phản xạ Γ, có quan
hệ với trở kháng.
Sơ đồ mạch điện tương đương được sử dụng rộng rãi trong tần số
radio(RF) và trong sóng siêu cao tần để mô tả trạng thái mạch điện trong cả
hai trường hợp phần tử tích cực và phần tử thụ động. Trong mạng hai cổng
thì các yếu tố truyền như là hằng số trở kháng Z, yếu tố dẫn nạp Y, và hệ số
tán xạ S là các tham số quan trọng nhất thể hiện tính chất đặc biệt của các
yếu tố phi tuyến như transistor lưỡng cực hoặc transistor trường, khi chúng
ta thiết kế các bộ khuếch đại hoặc các bộ dao động.
2.1.

Mô hình tương đương tham số tập trung của đường truyền

Hình 2.1. Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương


Phương 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:
-

Đối với điện áp ta có:

V ( z , t ) − R∆zI ( z , t ) − L∆z

-

δI ( z , t )
− V ( z + ∆z , t ) = 0
δt

(2.1)

Đối với dòng điện:

I ( z , t ) − G∆zV ( z , t ) − C∆z

δV ( z, t )
− I ( z + ∆z , t ) = 0
δt



δV
= iωV
δt

Thay vào (2.3) và (2.4) ta nhận được:
δV ( z )
= −( R + iωL) I ( z )
δz

(2.5)

δI ( z )
= −(G + iωC )V ( z )
δz

(2.6)

Thay
Z = R + iωL 

Y = G + iωC 

(2.7)

ta có thể viết lại (2.5) và (2.6):

δV

= − IZ 

= ( ZY ) I ( z ) 
δz 2


(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 đường dây. Nghiệm của phương trình vi phân
Bây giờ ta tìm nghiệm của phương trình vi phân (2.9).
Đặt ZY = γ 2
Theo (2.7) ta có:
γ 2 = ( R + iωL)(G + iωC )

Ta nhận thấy γ là một số phức, có thể viết
γ = α + iβ = ( R + iωL)(G + iωC

(2.10)

Hệ phương trình (2.9) có thể được viết lại

d 2V ( z )
− γ 2V ( z ) = 0
2

dz

2
d I ( z)


1
δV ( z )
R + iωL δz

Áp dụng (2.12a) ta nhận được:
I ( z) =

Ký hiệu Z 0 =

1
(V0+ e −γz − V0− eγz )
R + iωL

(2.13a)

R + iωL
, ta viết lại (2.13a):
γ
I ( z) =

1
(V0+ e −γz − V0− eγz )
Z0

(2.13b)

So sánh (2.13b) với (2.12b) ta rút ra được các mối quan hệ sau:
I 0+ =



23


Khi chuyển biểu thức biểu thị hàm sóng về miền thời gian, ta cần nhân thêm
với hàm mũ e iωt , nghĩa là:
V ( z, t ) = V0+ e −γz e iωt + V0− e γz e iωt

Lưu ý rằng biên độ của điện áp V 0 (hoặc dòng điện I 0 ) cũng là các đại lượng
phức, ví dụ:
V0+ = V0+ e iφ

+

V0− = V0− e iφ

−

do đó:
+

V0+ e −γz e iωt = V0+ e iφ e −αz e − iβz e iωt
= V0+ e −αz e i (ωt − βz +φ

+

)

−



vf =

ω
β

(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 (δ≠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; δ=0
Thay vào (2.10), ta nhận được:

γ = α + iβ = iω LC

(2.20)

β = w LC

α = 0

(2.21)

Suy ra:

Trở kháng đặc tính của đường truyền được xác định theo (2.15):
Z0 =


(2.24)

25