Luận văn thạc sĩ về thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp cho radar sóng centimet

Luận văn thạc sĩ trình bày thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp cho radar sóng centimet, ứng dụng trong kỹ thuật điện, điện tử và viễn thông.

• Người hướng dẫn: GS. Bạch Gia Dương
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Khuếch Đại Tạp Âm Thấp Cho Radar Sóng Centimet
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Phân loại các đài radar
• 1.3. Sơ đồ khối máy phát radar
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần
• 2.3. Các loại đường truyền
• 2.4. Phương trình truyền sóng
• 2.5. Hệ số phản xạ
• 2.6. Hệ số sóng đứng
• 2.7. Phối hợp trở kháng
• 2.7.1. Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung
• 2.7.2. Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh/dây chêm
• 2.7.3. Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây lamda/4
• 2.7.4. Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ
• 2.7.5. Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây mắc nối tiếp
• 3. CHƯƠNG 3: BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP VÀ CƠ CHẾ BẢO VỆ
• 3.1. Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA
• 3.2. Các thông số quan trọng của mạch khuếch đại LNA
• 3.2.1. Hệ số tạp âm Noise Figure
• 3.2.2. Hệ số khuếch đại
• 3.2.3. Tính ổn định của hệ thống
• 3.3. Cơ chế bảo vệ
• 3.3.1. Giới thiệu về hệ thống Radar
• 3.3.2. Cơ chế bảo vệ sử dụng PIN Diode
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI MẠCH
• 4.1. Tính toán mô phỏng và thiết kế
• 4.2. Giới thiệu Transistor cao tần SPF-3043
• 4.3. Các tham số S-Parameter của Transistor SPF-3043
• 4.4. Thiết kế mạch phối hợp trở kháng
• 4.5. Chế tạo Layout
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống radar

Radar, viết tắt của RAdio Detection And Ranging, là một thiết bị quan trọng trong việc phát hiện và xác định cự ly của các vật thể bằng sóng điện từ. Nguyên lý hoạt động của radar đã được phát triển từ những năm đầu thế kỷ 20 và đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, từ quân sự đến dân sự. Hệ thống radar có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm công dụng, dải sóng làm việc và phương pháp đo cự ly. Việc phân loại này giúp cho việc phân tích và cải tiến các đặc điểm kỹ thuật của radar trở nên dễ dàng hơn. Các loại radar như radar cảnh giới, radar dẫn đường và radar phát hiện mục tiêu bay thấp đều có những ứng dụng riêng biệt, phục vụ cho các mục đích khác nhau trong việc bảo vệ an ninh quốc gia và quản lý không phận.

1.1 Phân loại các đài radar

Phân loại radar dựa trên công dụng và kỹ thuật giúp xác định rõ ràng các loại radar khác nhau. Radar cảnh giới được sử dụng để phát hiện các mục tiêu trên không ở cự ly xa, trong khi radar dẫn đường cung cấp thông tin cần thiết cho máy bay tiêm kích. Radar phát hiện mục tiêu bay thấp có khả năng hoạt động ở dải sóng centimet, giúp phát hiện các mục tiêu gần mặt đất. Việc phân loại này không chỉ giúp cho việc nghiên cứu và phát triển radar mà còn hỗ trợ trong việc ứng dụng công nghệ radar vào thực tiễn, từ quân sự đến dân sự.

II. Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần

Kỹ thuật siêu cao tần là một lĩnh vực quan trọng trong thiết kế radar, đặc biệt là trong việc phát triển các bộ khuếch đại tạp âm thấp. Các thông số như hệ số tạp âm, hệ số khuếch đại và tính ổn định của hệ thống đều ảnh hưởng đến hiệu suất của radar. Việc nghiên cứu các loại đường truyền và phương trình truyền sóng là cần thiết để đảm bảo rằng tín hiệu radar được truyền đi một cách hiệu quả nhất. Hệ số phản xạ và hệ số sóng đứng cũng là những yếu tố quan trọng cần được xem xét trong quá trình thiết kế mạch siêu cao tần.

2.1 Các loại đường truyền

Đường truyền trong kỹ thuật siêu cao tần có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tín hiệu radar được truyền đi một cách chính xác. Các loại đường truyền khác nhau có thể ảnh hưởng đến độ suy giảm tín hiệu và độ chính xác của thông tin thu được. Việc lựa chọn loại đường truyền phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống radar, từ đó nâng cao khả năng phát hiện và theo dõi mục tiêu.

III. Bộ khuếch đại tạp âm thấp và cơ chế bảo vệ

Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) là một thành phần quan trọng trong hệ thống radar, giúp giảm thiểu tạp âm và tăng cường tín hiệu thu được. Hệ số tạp âm và hệ số khuếch đại là hai thông số chính cần được tối ưu hóa trong thiết kế LNA. Cơ chế bảo vệ sử dụng PIN Diode là một giải pháp hiệu quả để bảo vệ LNA khỏi các tín hiệu phát ra từ máy phát. Việc nghiên cứu và phát triển các bộ khuếch đại tạp âm thấp với cơ chế bảo vệ không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao trong việc nâng cao hiệu suất của hệ thống radar.

3.1 Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA

Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) được thiết kế để hoạt động ở dải sóng centimet, với mục tiêu giảm thiểu tạp âm và cung cấp hệ số khuếch đại lớn. Hệ số tạp âm (NF) và hệ số khuếch đại (Gain) là hai thông số quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của LNA. Việc tối ưu hóa các thông số này sẽ giúp cải thiện khả năng thu tín hiệu của radar, từ đó nâng cao độ chính xác trong việc phát hiện và theo dõi mục tiêu.

IV. Thiết kế mô phỏng và thực thi mạch

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp là một bước quan trọng trong quá trình phát triển radar. Sử dụng phần mềm mô phỏng như ADS giúp kiểm tra và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của mạch trước khi thực hiện chế tạo. Việc chế tạo layout và lắp ráp mạch cũng cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo rằng mạch hoạt động ổn định và hiệu quả. Kết quả đo đạc trên máy VECTOR NETWORK ANALYZER sẽ cung cấp thông tin quan trọng để đánh giá hiệu suất của mạch khuếch đại tạp âm thấp đã chế tạo.

4.1 Tính toán mô phỏng và thiết kế

Tính toán và mô phỏng là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp. Sử dụng phần mềm ADS, các thông số như hệ số tạp âm, hệ số khuếch đại và phối hợp trở kháng được xác định và tối ưu hóa. Việc này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí mà còn đảm bảo rằng mạch được thiết kế đạt yêu cầu kỹ thuật trước khi tiến hành chế tạo thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Radar là một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực quốc phòng và dân sự, với khả năng phát hiện và định vị mục tiêu từ xa bằng sóng điện từ. Theo báo cáo của ngành, các hệ thống radar hiện đại hoạt động chủ yếu ở các băng tần từ HF đến mm, trong đó băng tần C (4-8 GHz) được sử dụng phổ biến cho radar sóng centimet với ưu điểm về độ phân giải và khả năng phát hiện mục tiêu ở cự ly trung bình. Tuy nhiên, tín hiệu thu được từ anten radar thường rất yếu và dễ bị ảnh hưởng bởi tạp âm, do đó việc thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) có hệ số tạp âm thấp và hệ số khuếch đại cao là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất hệ thống radar.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở băng tần C, kết hợp với cơ chế bảo vệ sử dụng PIN Diode nhằm hạn chế công suất phát lọt vào máy thu, bảo vệ các linh kiện bán dẫn khỏi hư hỏng. Mục tiêu cụ thể là thiết kế bộ LNA có hệ số khuếch đại lớn hơn 10 dB, hệ số tạp âm NF ≤ 2 dB, đồng thời tích hợp cơ chế bảo vệ hiệu quả cho radar sóng centimet. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian năm 2016 tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, với ứng dụng chính trong các hệ thống radar quân sự và dân sự.

Việc phát triển bộ khuếch đại tạp âm thấp với cơ chế bảo vệ không chỉ góp phần nâng cao chất lượng tín hiệu thu nhận mà còn tăng độ bền và độ ổn định của hệ thống radar, từ đó nâng cao khả năng bảo vệ chủ quyền quốc gia và ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, hàng không, và giám sát môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật siêu cao tần (microwave engineering) bao gồm:

• Lý thuyết đường truyền sóng: Phân tích các loại đường truyền như cáp đồng trục, ống dẫn sóng chữ nhật, và mạch dải, cùng với phương trình truyền sóng và hệ số phản xạ để đảm bảo phối hợp trở kháng tối ưu, giảm tổn hao và sóng đứng trong mạch.

• Phối hợp trở kháng: Sử dụng các phương pháp phối hợp trở kháng như mạch hình L, dây nhánh, đoạn dây λ/4 và đoạn dây có chiều dài bất kỳ để tối ưu hóa truyền năng lượng giữa các phần tử trong mạch khuếch đại, đảm bảo hệ số phản xạ thấp và hiệu suất cao.

• Thông số S-parameter và hệ số tạp âm (Noise Figure - NF): Áp dụng ma trận tán xạ để phân tích các tham số mạng 2 cửa, xác định hệ số khuếch đại (Gain), hệ số tạp âm và tính ổn định của mạch. Công thức Friis được sử dụng để tính hệ số tạp âm tổng thể của hệ thống nhiều tầng.

• Cơ chế bảo vệ bằng PIN Diode: Nghiên cứu cấu tạo và đặc tính chuyển mạch của PIN Diode, sử dụng làm công tắc đóng mở nhanh với trở kháng cao khi ngắt và thấp khi đóng, nhằm bảo vệ bộ khuếch đại khỏi công suất phát lọt vào máy thu.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số tạp âm NF, hệ số khuếch đại Gain, hệ số phản xạ, hệ số sóng đứng, điểm nén 1-dB, điểm chặn bậc 3 (IIP3), và cơ chế bảo vệ thụ động bằng PIN Diode.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu lý thuyết từ các công trình nghiên cứu quốc tế và trong nước về kỹ thuật siêu cao tần, thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp, và ứng dụng PIN Diode trong bảo vệ mạch.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng ADS 2009 để thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp băng tần C (4-5 GHz). Phân tích các tham số S-parameter, hệ số tạp âm, hệ số khuếch đại và tính ổn định của mạch.

• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mạch khuếch đại tạp âm thấp dựa trên kết quả mô phỏng, sử dụng transistor cao tần SPF-3043 với công nghệ pHEMT Gallium Arsenide. Thực hiện đo đạc tham số trên máy VECTOR NETWORK ANALYZER để kiểm chứng các chỉ tiêu kỹ thuật như hệ số khuếch đại, hệ số phản xạ và hệ số tạp âm.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng trong 6 tháng đầu năm 2016, chế tạo và đo đạc thực nghiệm trong 3 tháng tiếp theo, hoàn thiện báo cáo và luận văn trong 3 tháng cuối năm.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một mạch khuếch đại tạp âm thấp đơn kênh, được lựa chọn do tính khả thi và tập trung vào tối ưu hóa hiệu suất cho radar sóng centimet.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hệ số khuếch đại đạt trên 10 dB: Mạch khuếch đại tạp âm thấp thiết kế và chế tạo đạt hệ số khuếch đại (Gain) trung bình khoảng 19-22 dB tại tần số 4 GHz, vượt yêu cầu đề ra. Kết quả đo thực tế cho thấy hệ số khuếch đại S21 đạt khoảng 20 dB, phù hợp với mô phỏng.

2. Hệ số tạp âm thấp (NF ≤ 0.54 dB): Sử dụng transistor SPF-3043 với công nghệ pHEMT giúp giảm hệ số tạp âm xuống mức 0.54 dB tại 4 GHz, đảm bảo tín hiệu thu được có chất lượng cao, giảm thiểu ảnh hưởng của tạp âm nội tại mạch.

3. Tính ổn định và tuyến tính cao: Hệ số ổn định K > 1 và |∆| < 1 được duy trì trong toàn bộ dải tần thiết kế, đảm bảo mạch không bị dao động tự phát. Điểm nén 1-dB và điểm chặn bậc 3 (IIP3) đạt giá trị cao, cho thấy mạch có khả năng xử lý tín hiệu lớn mà không bị méo dạng.

4. Cơ chế bảo vệ hiệu quả bằng PIN Diode: Mạch bảo vệ sử dụng PIN Diode cho thấy khả năng cách ly công suất phát lọt vào máy thu lên đến 40 dB, bảo vệ bộ khuếch đại khỏi bị đánh thủng khi tín hiệu phát mạnh. Thời gian chuyển mạch nhanh (cỡ nano giây) giúp bảo vệ kịp thời trong quá trình chuyển đổi thu-phát.

Thảo luận kết quả

Kết quả đạt được cho thấy việc ứng dụng transistor SPF-3043 và kỹ thuật phối hợp trở kháng chính xác đã nâng cao hiệu suất bộ khuếch đại tạp âm thấp, đồng thời giảm thiểu tạp âm nội tại, phù hợp với yêu cầu của radar sóng centimet. So với các nghiên cứu trước đây, hệ số tạp âm NF giảm đáng kể, góp phần cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của hệ thống radar.

Việc tích hợp cơ chế bảo vệ bằng PIN Diode là giải pháp hiệu quả, khắc phục nhược điểm của các bộ khuếch đại bán dẫn dễ bị hư hỏng do công suất phát lọt. So sánh với các phương pháp bảo vệ truyền thống như đèn sóng chạy, giải pháp PIN Diode có ưu điểm về kích thước nhỏ gọn, thời gian chuyển mạch nhanh và dễ tích hợp vào mạch.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ tham số S21 (hệ số khuếch đại), S11 (hệ số phản xạ), và đồ thị hệ số tạp âm NF theo tần số, giúp minh họa rõ ràng hiệu suất mạch trong dải tần thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa thiết kế mạch phối hợp trở kháng: Áp dụng các phương pháp phối hợp trở kháng đa tầng và sử dụng phần mềm mô phỏng nâng cao để giảm thiểu tổn hao và sóng đứng, nâng cao hệ số khuếch đại và giảm hệ số tạp âm. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: nhóm nghiên cứu kỹ thuật vi sóng.

2. Phát triển cơ chế bảo vệ đa lớp: Kết hợp PIN Diode với các linh kiện bảo vệ bổ sung như mạch hạn chế công suất và mạch lọc nhiễu để tăng cường khả năng bảo vệ bộ khuếch đại trong các điều kiện hoạt động khắc nghiệt. Thời gian thực hiện: 9 tháng; Chủ thể: phòng thí nghiệm thiết kế mạch.

3. Nâng cao độ bền và độ ổn định của mạch: Sử dụng linh kiện có chất lượng cao, cải tiến thiết kế layout PCB để giảm nhiễu và tăng khả năng tản nhiệt, đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: bộ phận sản xuất và kiểm định chất lượng.

4. Mở rộng ứng dụng cho các băng tần khác: Nghiên cứu thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp với cơ chế bảo vệ tương tự cho các băng tần radar khác như X, Ku, Ka nhằm đa dạng hóa ứng dụng trong quân sự và dân sự. Thời gian thực hiện: 12 tháng; Chủ thể: trung tâm nghiên cứu công nghệ radar.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vi sóng: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp và cơ chế bảo vệ, hỗ trợ phát triển các sản phẩm radar và viễn thông.

2. Sinh viên ngành kỹ thuật điện tử viễn thông: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập và nghiên cứu về kỹ thuật siêu cao tần, thiết kế mạch khuếch đại và ứng dụng PIN Diode.

3. Các đơn vị phát triển và sản xuất radar quân sự: Cung cấp giải pháp thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp hiệu quả, nâng cao độ bền và khả năng bảo vệ thiết bị thu trong hệ thống radar sóng centimet.

4. Doanh nghiệp công nghệ viễn thông và công nghiệp điện tử: Áp dụng công nghệ thiết kế mạch và bảo vệ mạch trong các sản phẩm thu phát tín hiệu, nâng cao chất lượng và độ ổn định sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) là gì và tại sao quan trọng trong radar?
   LNA là mạch khuếch đại tín hiệu với hệ số tạp âm thấp, giúp khuếch đại tín hiệu yếu thu được từ anten mà không làm tăng đáng kể tạp âm. Điều này cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR), nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu của radar.

2. Tại sao cần cơ chế bảo vệ cho bộ khuếch đại tạp âm thấp?
   Trong radar monostatic, công suất phát lớn có thể lọt vào máy thu do chuyển mạch thu-phát không hoàn hảo, gây hư hỏng linh kiện bán dẫn nhạy cảm trong LNA. Cơ chế bảo vệ như sử dụng PIN Diode giúp ngăn chặn công suất này, bảo vệ mạch khỏi bị đánh thủng.

3. PIN Diode hoạt động như thế nào trong cơ chế bảo vệ?
   PIN Diode có thể chuyển đổi nhanh giữa trạng thái dẫn và cách ly nhờ đặc tính điện trở và điện dung của lớp intrinsic. Khi phân cực thuận, nó dẫn điện với trở kháng thấp, khi phân cực ngược hoặc không phân cực, trở kháng cao, ngăn chặn tín hiệu không mong muốn.

4. Làm thế nào để phối hợp trở kháng trong mạch siêu cao tần?
   Phối hợp trở kháng được thực hiện bằng các mạch như mạch hình L, dây nhánh, đoạn dây λ/4 hoặc đoạn dây có chiều dài tùy ý, nhằm đảm bảo trở kháng đầu vào của mạch bằng trở kháng đặc trưng của đường truyền, giảm sóng phản xạ và tổn hao.

5. Phần mềm ADS được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   ADS (Advanced Design System) là phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần, được sử dụng để thiết kế, mô phỏng các tham số S, hệ số tạp âm, hệ số khuếch đại và tính ổn định của bộ khuếch đại tạp âm thấp trước khi chế tạo thực tế, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

Kết luận

• Bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần C được thiết kế và chế tạo thành công với hệ số khuếch đại trên 10 dB và hệ số tạp âm NF ≤ 0.54 dB, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của radar sóng centimet.
• Cơ chế bảo vệ sử dụng PIN Diode hiệu quả trong việc hạn chế công suất phát lọt vào máy thu, bảo vệ linh kiện bán dẫn khỏi hư hỏng.
• Phương pháp phối hợp trở kháng chính xác giúp tối ưu hóa truyền năng lượng và giảm sóng phản xạ trong mạch.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm khẳng định tính ổn định và tuyến tính cao của mạch, phù hợp ứng dụng trong các hệ thống radar hiện đại.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng cho các băng tần radar khác, đồng thời phát triển cơ chế bảo vệ đa lớp nhằm nâng cao độ bền và hiệu suất hệ thống.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ triển khai tối ưu thiết kế mạch phối hợp trở kháng và phát triển các giải pháp bảo vệ nâng cao. Độc giả và các chuyên gia quan tâm được khuyến khích tham khảo và ứng dụng các kết quả nghiên cứu trong phát triển công nghệ radar và viễn thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.

z 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.

z 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.

z 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).

z 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 z 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.

z 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. Bên cạnh búp sóng chính còn có các búp sóng phụ; nếu búp sóng phụ càng nhỏ thì năng lượng tập trung cho búp sóng chính càng lớn và khả năng tránh can nhiễu giữa các hệ thống càng cao.