Chương 1: Tổng quan về hệ thống Radar. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần. - Chương 3: Bộ khuếch đại tạp âm thấp và cơ chế bảo vệ. - Chương 4: Thiết kế, mô phỏng và thực thi mạch.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR 1. Giới thiệu 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. Cách săn bắt mồi của loài dơi [12].
RADAR, viết tắt của RAdio Detection And Ranging, là một thiết bị được phát minh trong các thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20 dùng để nhận dạng từ xa và xác định cự ly của các vật thể (như tàu thủy và máy bay) bằng các sóng điện từ. Nguyên lý bên trong của radar được thí nghiệm lần đầu tiên bởi nhà vật lý Đức Heinrich Hertz vào cuối thế kỷ 19. Hertz đã kiểm tra lý thuyết về trường điện từ của Maxwell, và chứng tỏ rằng các sóng điện từ phản xạ lại bởi các chất dẫn điện và điện môi. Các phát hiện này chưa được ứng dụng cho đến những năm 1900 khi một kỹ sư người Đức sáng chế một thiết bị để nhận dạng tàu và các chướng ngại vật bằng sóng điện từ.
Tuy nhiên, do cự ly phát hiện nhỏ (cỡ một dặm) nên thiết bị này chưa được thành công lắm. Một vài năm trước khi Thế chiến thứ hai bùng nỗ các hệ thống radar phát sóng liên tục CW được thử nghiệm ở nhiều quốc gia. Các hệ thống radar này hoạt động chủ yếu ở băng tần HF (high frequency: 3 đến 30MHz) và VHF (very high frequency: 30 đến 300MHz) và đạt cự ly phát hiện lên đến 50 dặm. Các radar CW dùng hiệu ứng dịch tần Doppler đo sự dịch chuyển của mục tiêu sinh ra làm nền tảng cho việc phát hiện mục tiêu mà không có thêm bất kì thông tin nào về cự li hay vị trí.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Trong suốt Thế chiến hai, các hệ thống radar được sử dụng một cách có hệ thống như một công cụ để cải thiện hệ thống phòng thủ quân sự, bằng cách phát hiện sớm các máy bay và tàu chiến quân địch, Trong thời kỳ đó, các radar xung cũng được phát minh để cung cấp thông tin về cự ly dựa trên việc đo lường thời gian trễ giữa xung phát và xung phản xạ về từ mục tiêu. Từ đó, các hệ thống radar được phát hiện và cải tiến liên tục cả về phần cứng (máy phát, máy thu, anten radar…) lẫn phần mềm (khi máy tính xuất hiện làm công cụ cho việc phân tích và biểu diễn dữ liệu radar). Hiện nay, radar đã được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực của đời sống như điều khiển không lưu, định vị hàng hải, dự báo thời tiết, các ứng dụng trong đời sống như radar phát hiện mỏ khoáng sản, mỏ dầu,… radar kiểm tra các công trình xây dựng, radar đo tốc độ xe lưu thông và các ứng dụng quân sự như giám sát, định vị, điều khiển, và dẫn đường cho các loại vũ khí. Tầm quan trọng của radar 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 radar trong cuộc sống luôn luôn là vấn đề cấp thiết. Phân loại các đài radar 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. 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.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 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, … 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. 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, gọn nhẹ, cơ động. Radar 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 radar (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.
Theo các dấu hiệu kỹ thuật: Có thể chia radar theo dải sóng, theo phương pháp radar, theo phương pháp đo cự ly và theo số lượng kênh radar độc lập: - Tần số làm việc của radar có thể thuộc các dải tần như bảng bên dưới. Radar dải HF lợi dụng sự phản xạ sóng ở tần đối lưu và tầng điện ly để phát hiện mục tiêu. Radar dải VHF và UHF để phát hiện các mục tiêu ngoài đường chân trời. Các radar cảnh giới thông thường làm việc ở dải sóng m (10 ÷1 m), dm (10 ÷ 1 dm) và cm (10÷ 1 cm).
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 - Theo phương pháp radar có thể chia thành các radar chủ động ( có trả lời thụ động hoặc chủ động) và thụ động như đã trình bày ở mục trước. - Theo phương pháp đo cự ly có thể chia thành 2 nhóm lớn: radar bức xạ 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. 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. Sơ đồ khối hệ thống radar.
- 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 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)= ηAD(θ φ) (1. ηA : hiệu suất của anten (tỉ số giữa công suất phát xạ trên công suất đưa vào anten). Với các anten siêu cao tần, độ lợi cực đại Gmax của anten được xác định theo biểu thức sau: Gmax= (4π/λ2)Ae (1.2) Trong đó: λ : bước sóng (λ = c/f với c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng và f là tần số). Ae : diện tích bề mặt hiệu dụng của anten.
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 tích bề 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.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 (a) Trong tọa độ cực (b) Trong tọa độ vuông góc Hình 1. Đồ thị phương hướng bức xạ của anten. 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.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: θ3dB = 70λ/D = 70c/fD (1.3) 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.