Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu radar - Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ *********** NGUYỄN VĂN HẠNH NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THU TÍN HIỆU TRONG ĐÀI RA ĐA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2014 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ *********** NGUYỄN VĂN HẠNH NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THU TÍN HIỆU TRONG ĐÀI RA ĐA Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 62 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Nguyễn Thị Ngọc Minh 2. TS Chu Xuân Quang Hà Nội – 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

TÁC GIẢ LUẬN ÁN Nguyễn Văn Hạnh ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới các thầy cô hướng dẫn: - TS Nguyễn Thị Ngọc Minh, Viện Ra đa/ Viện KH & CNQS - TS Chu Xuân Quang, Viện Vật lý Kỹ thuật/ Viện KH & CNQS đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành được luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Nhà khoa học đã cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện KH & CNQS, Phòng Đào tạo đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành nhiệm vụ. Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Thủ trưởng Viện Ra đa, Thủ trưởng Viện Điện tử - Viễn thông đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ tôi đạt kết quả mong muốn.

Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Ra đa / Viện Ra đa, nơi tôi trực tiếp công tác và học tập, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. iii MỤC LỤC Trang Danh mục các ký hiệu. vii Danh mục các từ viết tắt……………………………………………………….

ix Danh mục các bảng……………………………………………………………. xi Danh mục các hình vẽ…………………………………………………………. xii MỞ ĐẦU……………………………………………………………………… 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU RA ĐA. Cấu hình và cấu trúc máy thu ra đa.

Cấu hình máy thu ra đa. Phân loại cấu trúc máy thu. Máy thu siêu ngoại sai. Máy thu đổi tần trực tiếp…………………………………….

Máy thu trung tần thấp………………………………………. Máy thu đa kênh dải rộng. So sánh các cấu trúc máy thu. Các yêu cầu kỹ thuật chính đối với máy thu ra đa.

Tạp và độ nhạy máy thu. Thời gian khôi phục độ nhạy máy thu……………………………… 17 1. Hệ số khuếch đại, dải động và độ tuyến tính……. Hệ số khuếch đại.

Độ chính xác và độ ổn định tần số. Xây dựng nội dung nghiên cứu của luận án. Hiện trạng ra đa của Quân đội ta. Xu thế phát triển hệ thống thu đài ra đa.

Tổng quan tình hình nghiên cứu. Về chất lượng thu của máy thu ra đa………………………………. Nội dung nghiên cứu của luận án ………………….…………… 29 Kết luận chương 1. 31 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THU TÍN HIỆU TRONG ĐÀI RA ĐA.

Hạn chế các tín hiệu cường độ mạnh vào máy thu. Chức năng, tác dụng của bộ hạn chế công suất trong ra đa…. Bộ hạn chế siêu cao tần bằng bán dẫn. Bộ hạn chế varactor thụ động.

Bộ hạn chế điốt PIN. Bộ hạn chế điốt PIN giả tích cực…………. Bộ hạn chế Varactor PIN…………. Một số mô hình bộ hạn chế công suất đã sử dụng trong thực tế.

Đề xuất một bộ hạn chế công suất cho hiệu quả cao. Tính toán các tham số của bộ hạn chế công suất. Nâng cao độ ổn định tần số và giảm mức tạp pha của 52 bộ dao động tại chỗ. Độ ổn định tần số của các bộ dao động VCO.

Sự phát sinh tạp trong bộ dao động……. Khảo sát tạp điều biên (AM) và điều pha (PM) ở đầu ra bộ dao động dùng transistor. Tạp do chuyển đổi và điều chế trong các bộ dao động………. Điều chế bởi một tín hiệu tạp……….

Các mô hình tạp của bộ dao động. Cách tiếp cận phi tuyến để tính toán, phân tích tạp của các bộ dao động. Tạp chuyển đổi…………. Tạp điều chế……….

Tạp của bộ dao động với mạch PLL……. Giới thiệu chung về vòng khóa pha. Mật độ phổ công suất tạp pha. Phổ tạp pha PLL.

82 Kết luận chương 2. 84 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. Bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu đài ra đa. Đánh giá công suất lọt sau đèn cặp nhả điện trên đài ra đa.

Mô phỏng bộ hạn chế công suất bằng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần ADS. Kết quả đo thực tế. Đo trong Phòng thí nghiệm. Đo khi làm việc trên đài ra đa.

Bộ dao động sử dụng một vòng khóa pha. Chức năng của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất. Nguyên lý làm việc của bộ dao động đài ra đa trinh sát mặt đất. Kết quả đo thực tế.

Đo, đánh giá phổ dao động. Đo, đánh giá tạp pha. Đo, đánh giá độ ổn định tần số. Bộ dao động sử dụng nhiều vòng khóa pha.

Chức năng của bộ dao động LO1 và LO2. Nguyên lý làm việc của bộ dao động LO1 và LO2. Máy thu đài ra đa băng tần VHF. Kết quả đo thực tế.

111 vi Kết luận chương 3. 114 KẾT LUẬN CHUNG……………………………………………. 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ. 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………….

121 PHỤ LỤC: CÁC SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH VÀ ẢNH CHỤP SẢN PHẨM vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên aE Hằng số tạp nhấp nháy của mạch khuếch đại lặp. Ap Tổn hao của điốt PIN khi không cấp nguồn [dB] aR Hằng số tạp nhấp nháy của mạch cộng hưởng. As Tổn hao của điốt PIN khi cấp nguồn [dB] B Dải thông máy thu [Hz] C Điện dung [F] C •k,-k(ω) Hệ số tương quan ở dải biên trên và dưới của hài thứ k C ckPM − AM (ω ) Hệ số tương quan PM- AM ở hài thứ k E Vector phần thực và phần ảo của tất cả các lỗi HB EB Vector phụ lỗi sinh ra do dải biên EH Vector phụ lỗi sinh ra do hài sóng mang F Hệ số tạp [dB] fC Tần số sóng mang [Hz] fco Tần số góc tạp nhấp nháy của transistor [Hz] fIF Tần số trung tần [Hz] fLO Tần số ngoại sai [Hz] fm Tần số điều chế [Hz] fo Tần số trung tâm [Hz] fRF Tần số tín hiệu [Hz] fs Tần số lấy mẫu [Hz] G Hệ số khuếch đại [dB] Id Dòng điều khiển điốt PIN [mA] K0 Hệ số khuếch đại điện áp dao động [lần] L Điện cảm [H] M Ma trận Jacobian của các lỗi HB N Hệ số chia trong mạch PLL [lần] Nk(ω), N-k(ω) Mật độ phổ công suất tạp ở dải biên trên và dưới của [dBc/Hz] hài thứ k Nth Công suất tạp nhiệt [dBm] viii Ký hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên Psav Công suất trung bình đầu ra bộ dao động [dBm] Q Hệ số phẩm chất Rf Điện trở thuận điốt PIN [Ω] RFin Tín hiệu vào [dBm] RFout Tín hiệu ra [dBm] RL Điện trở tải [Ω] Rp Điện trở của điốt PIN khi không cấp nguồn [Ω] Rs Điện trở của điốt PIN khi cấp nguồn [Ω] Rx Thu XB Vector biến trạng thái bao gồm các thành phần ở dải biên XH Vector bao gồm các thành phần hài sóng mang Y Dẫn nạp [S] Z0 Trở kháng của đường truyền [Ω] ζ ( fm ) Tạp pha của bộ VCO [dBc/Hz] 〈•〉 Trung bình chung ε Hằng số điện môi [F/m] ω Tần số [rad/s] λ Bước sóng [m] β Chỉ số điều chế của tín hiệu điều chế θ Pha của tín hiệu [rad] τ Hằng số thời gian [s] ⊗ Liên hợp hoán vị * Liên hợp phức ix DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC Chuyển đổi tương tự- số (Analog Digital Converter) ADS Phần mềm thiết kế mạch ADS (Advance Design Systems) AFC Tự động điều chỉnh tần số (Automatic Frequency Control) AGC Tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại (Automatic Gain Control) AM Điều biên (Amplitude Modulation) BPF Bộ lọc dải thông (Band Pass Filter) BUF Bộ đệm (Buffer) BW Dải thông (Band Width) COHO Bộ dao động tại chỗ tương can (Coherent Local Oscillator) CP Bơm tích điện (Charge Pump) CW Sóng liên tục (Continous Wave) DC Một chiều (Direct Current) DDC Biến đổi số trực tiếp (Direct Digital Conversion) DDS Tổng hợp kỹ thuật số trực tiếp (Direct Digital Synthesizer) DR Dải động (Dynamic Range) DSP Xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processing) FIL Bộ lọc (Filter) FM Điều tần (Frequency Modulation) HB Cân bằng hài (Harmonic Balance) IC Vi mạch (Integrated Circuit) IF Trung tần (Intermediate Frequency) IIP1 Điểm chắn đầu vào bậc 1 (First order Input Intercept Point) IIP2 Điểm chắn đầu vào bậc 2 (Second order Input Intercept Point) IIP3 Điểm chắn đầu vào bậc 3 (Third order Input Intercept Point) Im Phần ảo (Imaginary) IM Điều biến tương hỗ (Intermodulation) IM2 Điều biến tương hỗ bậc 2 (Second order Intermodulation) IM3 Điều biến tương hỗ bậc 3 (Third order Intermodulation) IP2 Điểm chắn bậc 2 (Second order Intercept Point) IP3 Điểm chắn bậc 3 (Third order Intercept Point) ISF Hàm độ nhạy trong xung (Impulse Sensitivity Function) x KĐ Khuếch đại LNA Bộ khuếch đại tạp thấp (Low Noise Amplifier) LPF Bộ lọc thông thấp (Low Pass Filter) LO Bộ dao động tại chỗ (Local Oscillator) MASH Hình dạng tạp đa tầng (Multi-Stage Noise Shaping) MOS Độ nhạy hoạt động tối thiểu (Minimum Operational Sensitivity) NCS Nghiên cứu sinh PD Bộ tách sóng pha (Phase Detector) PFD Bộ tách sóng pha- tần số (Phase Frequency Detector) PLL Vòng khóa pha (Phase Lock Loop) PM Điều pha (Phase Modulation) PSD Mật độ phổ công suất (Power Spectrum Density) Re Phần thực (Real) REF Tham chiếu (Reference) RF Tần số vô tuyến (Radio Frequency) RMS Giá trị trung bình bình phương (Root Mean Square) RS Độ nhạy máy thu (Receiver Sensitivity) SCT Siêu cao tần SDM Điều chế Σ-Δ (Sigma - Delta Modulator) SNR Tỷ số tín/tạp (Signal Noise Ratio) SS Trạng thái ổn định (Steady State) SSB Đơn biên (Single Side Band) STALO Bộ dao động tại chỗ ổn định (Stable Local Oscillator) STC Điều khiển độ nhạy theo thời gian (Sensitivity Time Control) TCXO Bộ dao động tinh thể có bù khử nhiệt độ (Temperature Compensated Crystal Oscillator) VCO Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Control Oscillator) VHF Tần số rất cao (Very High Frequency) xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh các cấu trúc máy thu khác nhau.1: Các dải công suất của các thiết bị bảo vệ cao tần.2: So sánh 3 kiểu hạn chế thụ động, tích cực và giả tích cực.3: Tham số kỹ thuật của bộ hạn chế công suất.1: Các tham số kỹ thuật chính của 3 loại điốt PIN.