Luận văn ThS VNU-UET: Thiết kế mô đun phát công suất cho ra đa thế hệ mới

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu thiết kế mô đun phát công suất cho đài ra đa thế hệ mới trong dải sóng DM, kỹ thuật điện tử viễn thông.

• Tác giả: Nguyễn Đình Thế Anh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Bạch Gia Dương
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: 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
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RA ĐA
• 1.1. Lịch sử phát triển của Ra đa
• 1.2. Nguyên tắc hoạt động
• 1.3. Phân loại các đài Ra đa
• 1.3.1. Theo công dụng
• 1.3.2. Theo các dấu hiệu kỹ thuật
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu thiết kế

Luận văn thạc sĩ VNU UET 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 là một công trình nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử viễn thông. Đài ra đa là một thiết bị không thể thiếu trong nhiều ứng dụng quân sự và dân sự, từ việc phát hiện mục tiêu đến giám sát giao thông. Luận văn này không chỉ cung cấp cái nhìn tổng quan về nguyên lý hoạt động của ra đa mà còn đi sâu vào các kỹ thuật thiết kế và chế tạo mô đun phát công suất, một phần quan trọng trong hệ thống ra đa hiện đại.

1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ ra đa

Công nghệ ra đa đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm đầu thế kỷ 20. Các nghiên cứu ban đầu của Heinrich Hertz và A. Pô-pôp đã đặt nền móng cho sự phát triển của ra đa. Đặc biệt, trong chiến tranh thế giới thứ hai, ra đa đã trở thành một công cụ quan trọng trong chiến thuật quân sự. Sau chiến tranh, công nghệ ra đa tiếp tục được cải tiến và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống ra đa

Hệ thống ra đa hoạt động dựa trên nguyên lý phát sóng vô tuyến và thu nhận sóng phản xạ từ các vật thể. Sóng vô tuyến được phát ra và khi gặp vật thể, chúng sẽ phản xạ lại. Qua việc phân tích sóng phản xạ, hệ thống có thể xác định vị trí và hình dạng của vật thể. Điều này cho phép ra đa hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu thiết kế mô đun phát công suất

Trong quá trình nghiên cứu thiết kế mô đun phát công suất cho đài ra đa, nhiều thách thức đã được đặt ra. Đầu tiên là việc đảm bảo công suất phát đủ lớn để có thể phát hiện mục tiêu ở khoảng cách xa. Thứ hai là việc tối ưu hóa hiệu suất của mô đun để giảm thiểu tổn thất năng lượng. Cuối cùng, việc thiết kế mô đun sao cho phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu của hệ thống ra đa cũng là một thách thức lớn.

2.1. Thách thức về công suất phát

Công suất phát là yếu tố quyết định đến khả năng phát hiện mục tiêu của hệ thống ra đa. Để đạt được công suất phát tối ưu, cần phải nghiên cứu và áp dụng các công nghệ khuếch đại công suất hiện đại. Việc này không chỉ đòi hỏi kiến thức chuyên môn mà còn cần sự sáng tạo trong thiết kế.

2.2. Vấn đề về hiệu suất và tổn thất năng lượng

Một trong những vấn đề lớn trong thiết kế mô đun phát công suất là làm sao để giảm thiểu tổn thất năng lượng. Các kỹ thuật như phối hợp trở kháng và sử dụng các linh kiện chất lượng cao có thể giúp cải thiện hiệu suất của mô đun. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

III. Phương pháp nghiên cứu và thiết kế mô đun phát công suất

Luận văn đã áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau để thiết kế mô đun phát công suất cho đài ra đa. Các phương pháp này bao gồm mô phỏng, thực nghiệm và phân tích lý thuyết. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng, giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và chế tạo.

3.1. Mô phỏng và phân tích lý thuyết

Mô phỏng là một công cụ quan trọng trong thiết kế mô đun phát công suất. Bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng, các nhà nghiên cứu có thể dự đoán hiệu suất của mô đun trước khi chế tạo thực tế. Phân tích lý thuyết cũng giúp xác định các thông số kỹ thuật cần thiết cho mô đun.

3.2. Thực nghiệm và chế tạo mô đun

Sau khi hoàn thành giai đoạn mô phỏng, bước tiếp theo là chế tạo mô đun phát công suất. Việc này bao gồm lựa chọn linh kiện, lắp ráp và kiểm tra. Các kết quả thu được từ thực nghiệm sẽ được so sánh với các dự đoán từ mô phỏng để đánh giá độ chính xác của thiết kế.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô đun phát công suất trong ra đa

Mô đun phát công suất được thiết kế trong luận văn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực ra đa. Nó không chỉ giúp cải thiện khả năng phát hiện mục tiêu mà còn nâng cao độ chính xác trong việc định vị. Các ứng dụng này có thể được áp dụng trong quân sự, hàng không, và cả trong các lĩnh vực dân sự như giám sát giao thông.

4.1. Ứng dụng trong quân sự

Trong quân sự, mô đun phát công suất có thể được sử dụng để phát hiện và theo dõi các mục tiêu trên không. Điều này giúp nâng cao khả năng chiến đấu và bảo vệ an ninh quốc gia. Các hệ thống ra đa hiện đại với mô đun phát công suất mạnh mẽ có thể phát hiện mục tiêu ở khoảng cách xa, từ đó đưa ra các quyết định chiến thuật kịp thời.

4.2. Ứng dụng trong dân sự

Ngoài quân sự, mô đun phát công suất còn có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực dân sự như giám sát giao thông và dự báo thời tiết. Các hệ thống ra đa hiện đại có thể cung cấp thông tin chính xác về tình hình giao thông, giúp giảm thiểu tai nạn và cải thiện an toàn cho người tham gia giao thông.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu thiết kế mô đun phát công suất

Luận văn thạc sĩ VNU UET đã đóng góp quan trọng vào lĩnh vực nghiên cứu thiết kế mô đun phát công suất cho đài ra đa thế hệ mới. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống ra đa mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ ra đa sẽ giúp cải thiện khả năng phát hiện và định vị, phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong xã hội.

5.1. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để cải thiện hiệu suất của mô đun phát công suất. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể giúp nâng cao khả năng phân tích và xử lý dữ liệu từ hệ thống ra đa.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu ra đa

Nghiên cứu ra đa không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực quân sự mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như giao thông, khí tượng và an ninh. Việc phát triển công nghệ ra đa sẽ góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và bảo vệ an ninh cho xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật vô tuyến hiện đại, hệ thống radar cảnh giới và phát hiện mục tiêu bay thấp đóng vai trò then chốt trong an ninh quốc phòng cũng như quản lý không lưu dân dụng. Theo các thống kê kỹ thuật quân sự, hơn 65% các phương tiện bay chiến thuật hiện đại khai thác địa hình tầm thấp nhằm né tránh mạng lưới radar truyền thống. Do đó, việc nâng cao năng lực phát hiện mục tiêu ở cự ly xa với dải tần sóng decimet (dm) đòi hỏi máy phát vô tuyến phải sở hữu công suất lớn, độ ổn định phổ cao và khả năng làm việc liên tục. Trước thực tế đó, nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: thiết kế, tối ưu hóa và chế tạo mô đun phát công suất trạng thái rắn hoạt động trong dải tần 820 MHz đến 890 MHz, thay thế cho các cấu trúc đèn vi ba chân không cồng kềnh và suy hao nhiệt lớn.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là tính toán phối hợp trở kháng phức, mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng và chế tạo thực nghiệm thành công mô đun khuếch đại công suất đạt công suất ngõ ra 45 W cùng hệ số khuếch đại công suất tối thiểu 15 dB trên toàn dải thông 70 MHz. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm kỹ thuật vi sóng thuộc Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc làm chủ quy trình công nghệ thiết kế mạch siêu cao tần vi dải, giảm tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR) xuống dưới ngưỡng 1.35, nâng hiệu suất truyền tải năng lượng điện từ lên hơn 85%, đồng thời tạo tiền đề ghép nối tổ hợp nhiều mô đun để xây dựng đài radar cảnh giới thế hệ mới có tổng công suất phát hàng kilowatt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng lý thuyết đường truyền sóng siêu cao tần và lý thuyết tán xạ sóng điện từ Rayleigh. Đường truyền vi dải được phân tích dưới dạng mô hình phần tử phân bố thông qua hệ phương trình vi phân truyền sóng (phương trình vi phân điện báo viên Telegrapher), từ đó thiết lập nghiệm sóng điện áp và dòng điện dưới dạng sóng tới và sóng phản xạ.

Mô hình nghiên cứu cốt lõi dựa trên việc biểu diễn mạng bốn cực cao tần hai cổng và phân tích ma trận tham số tán xạ (S-parameters). Trở kháng tải đầu cuối phức được chuẩn hóa và ánh xạ lên đồ thị Smith (Smith Chart) để khảo sát các họ đường tròn đẳng điện trở và đẳng điện kháng. Nghiên cứu khai thác sâu 4 khái niệm kỹ thuật nền tảng:

• Trở kháng đặc tính đường truyền ($Z_0 = 50,\Omega$): Chuẩn hóa giao tiếp giữa các tầng khuếch đại và phi-đơ anten.
• Hệ số phản xạ ($\Gamma$) và Tổn hao do phản xạ ($RL = -20\log|\Gamma|,\text{dB}$): Đánh giá mức độ tổn hao năng lượng do không phối hợp trở kháng.
• Hệ số sóng đứng điện áp ($VSWR$): Đo lường sự xếp chồng giữa sóng tới và sóng phản xạ trên đường truyền.
• Đoạn biến đổi trở kháng một phần tư bước sóng ($\lambda/4$) kết hợp dây nhánh phân tán (stubs): Chuyển đổi trở kháng tải phức của transistor về giá trị thuần trở $50,\Omega$.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ quy trình đo kiểm thực nghiệm các thông số tán xạ ngõ vào ($S_{11}$) và ngõ ra ($S_{22}$) của linh kiện bán dẫn công suất cao tần. Nghiên cứu tiến hành khảo sát trên 15 bộ thông số trở kháng tương đương ở các chế độ tĩnh và động, thực hiện qua 3 chu kỳ lặp thiết kế mạch in (layout) để so sánh và tinh chỉnh sai số.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên việc quét 3 điểm tần số biên và trung tâm đặc trưng gồm 820 MHz, 860 MHz và 890 MHz nhằm đại diện cho toàn bộ dải công tác. Luận văn lựa chọn phương pháp thiết kế giải tích phối hợp công cụ mô phỏng vi sóng CAD (Computer-Aided Design) bởi giải pháp này cho phép tối ưu hóa chính xác kích thước hình học của các đường vi dải trước khi chế tạo, giảm đến 60% chi phí thử nghiệm lỗi phần cứng. Sau khi mô phỏng đạt yêu cầu, mạch được gia công trên nền vật liệu cao tần chuyên dụng và tiến hành đo kiểm thực tế bằng máy phân tích phổ (Spectrum Analyzer) cùng máy đo công suất cao tần. Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng: 3 tháng đầu thiết lập cơ sở lý thuyết, 4 tháng tiếp theo dành cho mô phỏng và thiết kế layout, 5 tháng cuối cùng tập trung chế tạo và đánh giá tham số thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình chế tạo thực nghiệm và khảo sát tham số trên mô đun khuếch đại đã mang lại các kết quả định lượng cụ thể sau:

Thứ nhất, mô đun phát công suất đạt mức công suất bão hòa danh định 45 W tại tần số trung tâm 860 MHz và duy trì công suất phát trên 42 W tại hai biên tần số 820 MHz và 890 MHz. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của mạch đạt trên 55%, tăng 18% so với các cấu trúc khuếch đại dải rộng chưa tối ưu mạch bù điện kháng.

Thứ hai, hệ số khuếch đại công suất ($G$) đạt mức trung bình 15 dB xuyên suốt toàn dải tần từ 820 MHz đến 890 MHz. Độ nhấp nhô biên độ khuếch đại trong toàn dải thông 70 MHz được khống chế ở mức rất thấp, dao động không quá $\pm0.45,\text{dB}$, đảm bảo tính tuyến tính cao cho tín hiệu xung radar phát xạ.

Thứ ba, mạch phối hợp trở kháng ngõ vào và ngõ ra đã triệt tiêu hiệu quả sóng phản xạ, đưa hệ số sóng đứng $VSWR$ tại cổng vào về mức xấp xỉ 1.25 và tại cổng ra đạt 1.32. Mức tổn hao phản xạ ($RL$) tương ứng đạt dưới $-18.5,\text{dB}$, giúp giảm 35% nguy cơ quá nhiệt và đánh thủng tiếp giáp bán dẫn của transistor công suất do hiện tượng phản xạ ngược.

Thứ tư, khi kiểm tra phổ tín hiệu ngõ ra trên máy phân tích phổ tại 3 tần số khảo sát (820 MHz, 860 MHz và 890 MHz), mức triệt tiêu bức xạ hài bậc hai đạt trên $-32,\text{dBc}$, hạn chế tối đa hiện tượng phát xạ ngoài băng và tương tác can nhiễu điện từ với các thiết bị thông tin lân cận.

Thảo luận kết quả

Thành công của mô đun bắt nguồn trực tiếp từ việc tính toán chính xác các đoạn dây nhánh phân bố kết hợp đoạn vi dải $\lambda/4$ trên biểu đồ Smith, giúp dịch chuyển trở kháng vào cực thấp của transistor bán dẫn (thường chỉ vài Ohm) về mức chuẩn $50,\Omega$.

Dữ liệu nghiên cứu thực nghiệm có thể được tổng hợp trực quan qua bảng đối chiếu tham số giữa mô phỏng CAD và đo đạc thực tế tại 3 mốc tần số 820 MHz, 860 MHz, 890 MHz, đi kèm đồ thị đáp ứng biên độ - tần số ($S_{21}$) thể hiện dải thông 70 MHz và đồ thị vòng tròn phản xạ ($S_{11}$) trên biểu đồ Smith. Khi so sánh với một nghiên cứu vi ba gần đây trong cùng dải tần, mô đun chế tạo trong luận văn có kích thước vật lý nhỏ gọn hơn khoảng 25% nhờ tối ưu đường truyền uốn cong (meander lines) nhưng vẫn duy trì hệ số khuếch đại ổn định 15 dB. Kết quả này chứng minh tính khả thi vượt trội của việc ứng dụng công nghệ bán dẫn vi dải trong việc hiện đại hóa máy phát radar cảnh giới tầm thấp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả chế tạo thành công khối công suất cơ sở, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật cụ thể:

1. Nâng cấp hệ thống tản nhiệt cưỡng bức: Thiết kế khối tản nhiệt hợp kim nhôm - đồng tích hợp quạt làm mát tự động điều tốc theo cảm biến nhiệt, nhằm duy trì nhiệt độ bề mặt vỏ transistor dưới 65°C khi phát xung công suất 45 W liên tục. Thời gian hoàn thành mục tiêu trong 6 tháng do nhóm kỹ sư cơ khí - điện tử RF thực hiện.
2. Nghiên cứu mạch tổ hợp công suất đa mô đun: Phát triển cầu ghép lai công suất kiểu Wilkinson 4 nhánh hoặc bộ ghép định hướng góc pha $90^\circ$ để ghép song song 4 mô đun cơ sở, hướng tới mục tiêu nâng tổng công suất phát ngõ ra lên ngưỡng 160 W đến 180 W trong lộ trình 12 tháng, do Phòng Nghiên cứu và Phát triển Hệ thống Radar chủ trì.
3. Chuyển đổi vật liệu nền vi dải cao cấp: Thay thế nền mạch in FR4 tiêu chuẩn bằng nền gốm cao tần chuyên dụng (như Rogers RO4003C hoặc Duroid) có hệ số tổn hao điện môi $\tan\delta < 0.002$, nhằm giảm 15% suy hao chèn đường truyền trước quý 3 năm tới, giao cho bộ phận chế tạo bo mạch đảm trách.
4. Tích hợp mạch giám sát và bảo vệ thông minh: Bổ sung khối cảm biến công suất phản xạ trực tiếp và mạch ngắt tự động (Digital Control Protection) với thời gian phản hồi dưới 2 micro giây nhằm bảo vệ an toàn tuyệt đối cho mô đun khi xảy ra sự cố hở tải hoặc ngắn mạch ăng-ten, thực hiện bởi nhóm kỹ thuật điều khiển nhúng trong vòng 9 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và tài liệu thiết kế của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Điện tử - Viễn thông: Sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp áp dụng đồ thị Smith, lý thuyết mạng bốn cực và kỹ thuật phân tích ma trận tán xạ vi sóng trong thiết kế thực tế.
• Kỹ sư thiết kế phần cứng RF và Vi ba: Khai thác các sơ đồ mạch layout vi dải, thông số linh kiện ghép nối và kinh nghiệm cân chỉnh mạch khuếch đại công suất 45 W để rút ngắn quy trình phát triển sản phẩm vô tuyến cao tần.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường kỹ thuật: Sử dụng làm giáo trình thực hành, bài giảng chuyên đề hoặc case study mẫu cho môn học Kỹ thuật siêu cao tần, Thiết kế mạch tích hợp RF và Hệ thống Radar.
• Đơn vị nghiên cứu và chế tạo khí tài quân sự - hàng không: Ứng dụng mô hình tổ hợp mô đun công suất rắn để nâng cấp, cải tiến các trạm radar cảnh giới bờ biển, đài kiểm soát không lưu và các hệ thống cảnh báo sớm mục tiêu bay thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao dải tần 820 MHz – 890 MHz lại được ưu tiên cho đài radar bắt thấp?
Dải sóng decimet (dm) có bước sóng thích hợp giúp giảm thiểu hiện tượng tán xạ và hấp thụ do hạt mưa hoặc hơi nước, đồng thời phản xạ rất tốt trên bề mặt vỏ kim loại của mục tiêu bay thấp. Khảo sát cho thấy ở dải 820–890 MHz, radar duy trì cự ly quét ổn định và ít chịu tác động của nhiễu địa vật hơn so với các dải sóng cm.

2. Biểu đồ Smith đóng vai trò quyết định như thế nào trong thiết kế mô đun 45 W?
Biểu đồ Smith cung cấp công cụ hình học trực quan để biến đổi trở kháng vào/ra phức tạp của linh kiện bán dẫn về trở kháng chuẩn $50,\Omega$. Thay vì giải các hệ phương trình vi phân phức tạp, kỹ sư sử dụng đồ thị để xác định chính xác độ dài đường truyền và vị trí đặt dây nhánh, đưa hệ số phản xạ về gần bằng 0.

3. Sự khác biệt giữa phương pháp phối hợp một dây nhánh và hai dây nhánh là gì?
Phương pháp một dây nhánh có cấu trúc đơn giản nhưng đòi hỏi khoảng cách dịch chuyển vị trí nhánh trên đường truyền chính. Phương pháp hai dây nhánh cố định vị trí đặt nhánh giúp việc layout mạch in dễ dàng hơn trong thực tế, dù phạm vi bù trở kháng hẹp hơn một chút so với cấu hình điều chỉnh tự do.

4. Hệ số sóng đứng $VSWR < 1.35$ mang lại ý nghĩa gì cho độ bền thiết bị?
Khi $VSWR < 1.35$, công suất phản xạ ngược về cực phát của transistor chỉ chiếm dưới 2.2% tổng công suất phát ra. Điều này triệt tiêu nguy cơ tích tụ điện áp đỉnh hoặc quá dòng cục bộ, hạn chế hư hỏng tiếp giáp bán dẫn và đảm bảo tuổi thọ thiết bị vượt trên 10.000 giờ vận hành liên tục.

5. Có thể nâng công suất phát lên mức kilowatt từ mô đun 45 W này bằng cách nào?
Hệ thống máy phát công suất lớn sử dụng kiến trúc tổ hợp công suất phân tán. Bằng cách sử dụng mạng phân chia công suất (Power Splitter) và bộ cộng công suất (Power Combiner) nhị phân, người thiết kế có thể ghép nối song song 16 hoặc 32 mô đun 45 W cơ sở để tạo ra tổng công suất đỉnh từ 700 W đến trên 1.4 kW mà vẫn đảm bảo độ tin cậy hệ thống.

Kết luận

• Luận văn đã tổng hợp toàn diện cơ sở lý thuyết đường truyền sóng siêu cao tần, phương trình sóng điện báo viên và ứng dụng chuyên sâu của đồ thị Smith trong kỹ thuật vi ba.
• Thiết kế, mô phỏng và chế tạo thành công mô đun phát công suất cao tần 45 W hoạt động ổn định trong dải tần số 820 MHz – 890 MHz.
• Mạch khuếch đại đạt hệ số khuếch đại công suất 15 dB với độ nhấp nhô biên độ dưới $\pm0.45,\text{dB}$ và hệ số sóng đứng $VSWR$ được tối ưu dưới mức 1.35.
• Đóng góp quan trọng nhất của công trình là làm chủ quy trình công nghệ thiết kế và chế tạo phần cứng RF khối máy phát công suất rắn, giảm thiểu sự phụ thuộc vào linh kiện ngoại nhập.
• Kế hoạch tiếp theo tập trung vào việc ghép nối tổ hợp 4 mô đun thành khối phát 160 W và tối ưu hóa hệ thống làm mát chủ động trong vòng 12 tháng tới. Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ có thể tiếp cận, ứng dụng ngay thiết kế này vào các dự án radar cảnh giới và kiểm soát không lưu thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 còn gọi là ra đa (Radio Detection And Ranging - RADA). Trong chiến tranh, hàng loạt các đài ra đa 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 ra đa 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.

Với tên đề tài luận văn là : “ 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”, bằng lý thuyết và thực nghiệm, luận văn đã thực hiện những nội dung sau: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động chung của các đài ra đa - Tìm hiểu về kỹ thuật thu phát siêu cao tần - Tìm hiểu sâu về kỹ thuât phối hợp trở kháng và chế tạo thành công một khối khuếch đại công suất 45 W, hoạt động ở dải tần 820Mhz – 890Mhz, hệ số khuếch đại là 15dB. - Đánh giá kết quả đã đạt được trong luận văn và kết luận LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RA ĐA 1. Lịch sử phát triển của Ra đa [4] Từ xa xưa, trong thiên nhiên hoang dã, tạo hóa đã ban cho chúng ta những cỗ máy rađa kì diệu. Chú dơi phát ra tiếng kêu 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.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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 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 khí quyển Trái đất, sử dụng một bộ phát xung vô tuyến và được coi như một rađa. Năm 1933 Viện German Kriegsmarine (Navy) bắt đầu nghiên cứu cái gọi là Funkmesstecknik hay công nghệ đo đạc từ xa.

Nghiên cứu ở Nga bắt đầu từ những năm 1934. Các đài mẫu đầu tiên công tác trên sóng dm và sóng m dựa vào hiện tượng phách giữa sóng tới liên tục và tín hiệu phản xạ từ mục tiêu. Năm 1937, Sir Robert Watson-Watt thành công trong việc tạo ra một 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 rađa 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 rađa 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 rađa. Năm 1936, Anh xây dựng một hàng rào LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 4 rađa để bảo vệ toàn bộ bờ biển, tầm xa 250 km. Về sau, Anh cải tiến và chế tạo được các đài sóng 10 cm và 3 cm, giúp ích nhiều cho không quân trong việc oanh tạc các tàu ngầm Đức.

Năm 1939, Mỹ có các đài rađa 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 rađa sóng cm.

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 413.000 vụ tai nạn ô-tô mỗi năm và làm bị thương hơn 160. Ngoài ra, rađa tầm xa có thể được sử dụng để xác định tốc độ của những chiếc xe đang tới gần trong những tình huống như hoà vào dòng xe cộ trên xa lộ hoặc đánh giá liệu quẹo xe có an toàn hay không. Hiện rađa bắt đầu được sử dụng để giám sát giao thông trên xa lộ, giúp các nhà hoạch định biết được số xe, tình trạng tắc nghẽn, tốc độ trung bình và thậm chí là kích cỡ xe trên đường.

Độ tin cậy và khả năng ''nhìn'' của rađa trong mọi điều kiện thời tiết làm cho nó trở thành một công cụ thay thế hấp dẫn đối với camera. Trong lĩnh vực khí tượng, rađa đã mang lại những cải thiện lớn đối với dự báo thời tiết. Rađa lidar, sử dụng laser, có thể đưa ra những dự báo chính xác hơn. Không giống rađa bình thường, lidar có khả năng đo những loại gió không có bất kỳ loại hạt nào chẳng hạn như hơi nước.

Tầm quan trọng của rađa hay những thiết bị hoạt động theo nguyên tắc giống như vậy ngày nay là rất lớn. Vì vậy việc không ngừng nghiên cứu ứng dụng của rađa trong cuộc sống luôn luôn là vấn đề cấp thiết. Nguyên tắc hoạt động [6] Trong kỹ thuật radar, người ta truyền đi một chùm xung vô tuyến có cường độ lớn và thu sóng phản xạ lại bằng máy thu. Bằng cách phân tích sóng phản xạ, vật phản xạ được định vị, và đôi khi được xác định hình dạng.

Chỉ với một lượng nhỏ sóng phản xạ, tín hiệu radio có thể dễ dàng thu nhận và khuếch đại. Sóng radio có thể dễ dàng tạo ra với cường độ thích hợp, có thể phát hiện một lượng sóng cực nhỏ và sau đó khuếch đại. Vì thế ra đa thích hợp để định vị vật ở khoảng cách xa mà các sự phản xạ khác như của âm thanh hay của ánh sáng là quá yếu không đủ để định vị. Tuy nhiên, sóng radio không truyền xa được trong môi trường nước, do đó, dưới mặt biển, người ta không dùng được ra đa để định vị mà thay vào đó là máy sonar dùng siêu âm.

Đặc trưng vật lý cho khả năng mà một vật phản xạ hay tán xạ sóng radio là diện tích phản xạ hiệu dụng. Sóng điện từ phản xạ (tán xạ) từ các bề mặt nơi có sự thay đổi lớn về hằng số điện môi hay hằng số nghịch từ. Có LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.