LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, sự hội nhập kinh tế quốc tế giữa các nước trên thế giới đã làm gia tăng nhu cầu giao thương, học tập, du lịch của mọi người. Vì thế vấn đề đi lại trên các phương tiện giao thông ngày càng tăng, số lượng hành khách cũng tăng lên đáng kể. Để giảm thiểu thời gian lưu thông và rút ngắn quảng đường vận chuyển thì vận tải Hàng không là không thể thiếu được. Từ đó, ngày càng có nhiều hãng Hàng không tham gia vận chuyển và số lượng các máy bay vận tải không ngừng tăng nhanh trên thế giới.
Mật độ bay trên các đường bay cũng tăng cao. Song song với các nhà vận tải chuyên nghiệp ấy thì ngành quản lý và điều hành bay cùng các dịch vụ kỹ thuật mặt đất cũng phát triển mạnh mẽ và được trang bị các thiết bị máy móc hiện đại. Sự phát triễn không ngừng của nghành hành không dân dụng Việt Nam đòi hỏi các phương thức dẫn đường cho máy bay càng có độ chính xác cao, trong đó thiết bị Radar đóng vai trò tất yếu. Để tăng khả năng phân biệt được mục tiêu (máy bay) và đo cự ly chính xác, chống nhiễu đòi hỏi các hệ thống rađar thế hệ mới phải đáp ứng công nghệ cao.
Vì lý do đó tôi chọn đề tài “Thiết kế mô phỏng máy phát công suất tín hiệu dải rộng điều chế mã pha Barker 13 phần tử dùng cho radar tầm thấp”. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài này gồm các phần chính sau đây : + Nghiên cứu cấu trúc radar thế thệ mới. + Nghiên cứu mã Barker, kỹ thuật nén xung, điều chế mã pha. + Nghiên cứu mạch cầu Wilkinson, Thiết kế mô phỏng bộ chia /cộng công suất 8 đường dùng cầu Wilkinson sử dụng phần mềm Ansoft.
+ Nghiên cứu thiết kế mô phỏng khối khuếch đại công suất bán dẫn (bóng đèn xung bán dẫn 200W LDMOS FETs PTF082001E) sử dụng phần mềm Ansoft. + Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc máy phát radar xung dải rộng theo phương pháp tổ hợp công suất gồm 64 mô đun công suất thành phần 200W, hoạt động ở dải tần 820MHz - 900MHz. + Kiểm tra đối chiếu kết quả mô phỏng Ansoft so với kết quả thu được trên phần mềm ADS. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Đối với các đài radar thế hệ cũ dùng đèn phát magnetron theo kiểu tự dao động, có độ ổn định tần số thấp.
Chính vì thế, tôi đã đề xuất cấu trúc máy phát tín hiệu radar xung dải rộng công suất 9.6kW băng tần UHF sử dụng bóng công suất được chế tạo theo công nghệ bán dẫn oxit kim loại bù CMOS, có độ ổn định cao và công suất tiêu tán thấp. Việc sử dụng giải pháp này sẽ khắc phục được nhược điểm về độ ổn đinh tần số, cho phép khuếch đại các dao động có độ ổn định ngang cấp thạch anh, chính vì thế cấu trúc theo kiểu này cho phép xử lý lọc doppler cho các mục tiêu di động được tốt hơn. Trong phần này, chúng tôi sẽ đưa ra cấu trúc máy phát sử dụng phương pháp tổ hợp công suất tín hiệu phát trước khi đưa ra angten, nghĩa là tổ hợp bằng phương pháp cộng công suất từ các mô đun công suất phát thành phần. Giải pháp này ngoài việc chủ động về công suất phát ra trong thiết kế thì còn một ưu điểm nữa là có thể hoàn toàn thay thế các mô đun một cách dễ dàng, nếu có một vài mô đun bị hỏng hóc thì cả hệ thống vẫn hoàn toàn hoạt động bình thường.
Các mô đun phát công suất thành phần công suất 160W được thiết kế hoàn toàn giống nhau để đảm bảo tính ổn định về biên độ, độ di pha nhỏ, đảm bảo các thông số về băng thông dải động, hệ số khuếch đại, ổn định với các biến môi trường. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 CHƢƠNG 1 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ RADAR SƠ CẤP – PHƢƠNG TRÌNH RADAR 1. Tổng quan về radar 1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động tổng quát của RADAR 1.
Định nghĩa Radar RADAR là từ viết tắt của thuật ngữ: Radio Detecting And Ranging, có nghĩa là phát hiện và xác định cự ly bằng sóng vô tuyến. Nguyên lý hoạt động tổng quát của RADAR sơ cấp Radar (sơ cấp) là một thiết bị cảm biến sóng điện từ được sử dụng để phát hiện và định vị những vật thể phản xạ lại sóng điện từ do radar phát đi. Chuyển mạch Máy phát Máy thu thu/phát Transmitter Receiver Duplexer phát – Transmitting path Máy phát Duplexer Ăng ten Sóng điện từ Mục tiêu Tuyến thu – Receiving path Hiển thị Máy thu Duplexer Ăng ten Phản xạ (echo) Mục tiêu Hình 1. Sơ đồ khối đơn giản của Radar sơ cấp và đường đi của các tín hiệu Nguyên lý hoạt động của nó có thể tóm tắt như sau: - Thiết bị Radar phát xạ một năng lượng sóng điện từ từ ăng ten để truyền vào không gian.
- Một phần năng lượng điện từ bị chắn bởi vật thể phản xạ, thông thường được gọi là “mục tiêu” (target) nằm cách radar 1 khoảng không gian. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 - Một số năng lượng bị tái bức xạ (phản xạ) và quay trở về và được ăng ten radar thu nhận. Tín hiệu này được gọi là tín hiệu phản xạ - echo - Sau khi được khuếch đại bởi máy thu và trải qua một quá trình xử lý tín hiệu, thiết bị xác định có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu bằng cách tạo một tín hiệu ở ngõ ra của máy thu. Từ thời điểm đó, vị trí của mục tiêu và các thông tin khác của mục tiêu sẽ được thiết bị radar được tính toán.
Hình ảnh chỉ vị trí của mục tiêu và các thông tin liên quan khác sẽ được hiển thị trên màn hình radar. Các thành phần cơ bản của Radar Hình 1. Sơ đồ khối đơn giản của một radar sơ cấp sử dụng một bộ khuếch đại công suất như một máy phát và một máy thu đổi tần 1. Các thông tin đƣợc Radar cung cấp Việc phát hiện các mục tiêu chỉ là một chức năng nhỏ trừ khi có được các thông tin khác liên quan đến mục tiêu.Tương tự như vậy, có các thông tin về mục tiêu mà không phát hiện được mục tiêu thì cũng vô nghĩa.
+ Cự ly (Range) Hầu hết tính năng của các loại radar truyền thống là khả năng xác định cự ly của mục tiêu bằng cách đo thời gian mà tín hiệu đi từ radar với vận tốc truyền sóng điện từ bằng vận tốc ánh sáng đến mục tiêu và quay trở về radar. Không có loại thiết bị nào có thể đo khoảng cách từ một mục tiêu ở xa ở một cự ly xa với độ chính xác bằng radar (về cơ bản giới hạn về độ chính xác ở cự ly dài là do vận tốc truyền sóng điện từ). Ở cự ly ngắn, độ chí nh xác có thể đến vài cm. Để đo cự ly, một số phương pháp đánh dấu mốc thời gian được sử dụng trong dạng sóng phát đi.
Một trong số đó là sử dụng một xung ngắn (được điều chế biên độ), nhưng cũng có thể sử dụng kiểu điều chế pha hay điều chế tần số. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 Độ chính xác của phép đo cự ly phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu radar. Băng thông càng lớn thì độ chính xác càng cao. Do đó, băng thông là thông số cơ bản liên quan đến độ chính xác của phép đo cự ly.
+ Tốc độ hƣớng tâm (Radial Velocity) Tốc độ hướng tâm của một mục tiêu được xác định bằng cách xác định sự thay đổi cự ly theo thời gian. Nó có thể được xác định thông qua việc đo độ dịch tần số do hiệu ứng Doppler. Việc xác định chính xác vận tốc hướng tâm cần có thời gian. Do đó, thời gian là tham số cơ bản để xác định chất lượng của phép đo vận tốc hướng tâm.
Tốc độ di chuyển của mục tiêu và hướng di chuyển được xác định thông qua quỹ đạo của nó, bằng cách xác định các vị trí của mục tiêu theo thời gian. + Hƣớng – góc Một phương pháp được dùng để xác định hướng của mục tiêu là xác định giá trị góc mà ở đó biên độ của tín hiệu phản hồi về ăng ten là lớn nhất. Điều này yêu cầu ăng ten phải có độ rộng búp sóng hẹp (nghĩa là độ lợi ăng ten cao). Radar giám sát hàng không sử dụng ăng ten có búp sóng quay xác định góc theo phương pháp này.
Góc đó một mục tiêu là góc có thể được xác định bằng ăng ten hai búp sóng, hai búp sóng này lệch nhau 1 góc và thông qua việc so sánh biên độ tín hiệu phản hồi thu được trên mỗi búp sóng. Với loại ăng ten 4 búp sóng cho phép xác định được góc phương vị - góc trong mặt phẳng ngang và góc cao (hay còn gọi là góc ngẫng) – góc theo mặt phẳng đứng. Độ chính xác của phép đo góc phụ thuộc vào kích thước về mặt điện trường của ăng ten, nghĩa là kích thước của ăng ten tính theo bước sóng. + Kích thƣớc và Hình dạng Nếu radar có đủ độ phân giải cần thiết theo cự ly và góc, nó có thể xác định được kích thước của mục tiêu với độ phân giải cao.
Cự ly thông thường là tọa độ ở độ phân giải nhất định. Độ phân giải cự ly theo phương ngang (bằng cự ly nhân với độ rộng búp sóng ăng ten) có thể xác định được bằng ăng ten có độ rộng búp sóng hẹp. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Dải tần số hoạt động của Radar 1.
Phổ tần số Phổ của sóng điện từ cho thấy tần số điện từ có thể lên tới 1024 Hz. Toàn bộ dải tần rất lớn này được chia nhỏ thành các băng tần con như sau Hình 1. Các băng tần được radar sử dụng Hình 1. Một số loại radar và tần số hoạt động của nó LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Phân chia các băng tần + Băng tần A và B (radar HF và VHF) Ngày nay, những tần số này được dùng cho radar cảnh báo sớm, vì vậy được gọi là Radar ngoài đường chân trời (OTH). Với việc sử dụng những tần số thấp hơn, sẽ dễ dàng chế tạo được các máy phát công suất phát cao hơn. Đây là tần số tốt cho hoạt động của các radar phát hiện và bám đuổi vệ tinh và tên lửa đạn đạo ở cự ly xa. Các radar này hoạt động cảnh báo sớm và dò sóng mục tiêu giống như radar giám sát của Hệ thống Phòng không Mở rộng Tầm trung (MEADS).