Luận văn Nghiên cứu thiết kế chế tạo Module khuếch đại công suất dùng trong máy phát Radar dải sóng DM(820-900mhz)

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu thiết kế chế tạo Module khuếch đại công suất dùng trong máy phát Radar dải sóng DM(820-900mhz)

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGÔ VĂN THƢỞNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SÓNG DM(820-900MHZ) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2011 1
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGÔ VĂN THƢỞNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SÓNG DM(820-900MHZ) Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã sô: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BẠCH GIA DƢƠNG HÀ NỘI - 2011 2
3. LỜI MỞ ĐẦU Trong thiên nhiên, tạo hóa đã ban cho một số loài vật có khả năng kì diệu như những máy radar. Những con dơi hoặc những con cá heo phát ra những sóng siêu âm trên nhứng “anten” của chúng để tìm kiếm định vị con mồi. Từ cách thức săn mồi của loài dơi và một số loài khác đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu và phát minh ra cách định vị mục tiêu bằng sóng siêu âm. Hay còn gọi là kỹ thuật radar(“Radio Detecting And Ranging,” nghĩa là dò tìm và xác định khoảng cách bằng sóng vô tuyến. Trong chiến tranh, hàng loạt các đài radar 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 radar 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. Radar là một thiết bị kết hợp rất nhiều khối điện tử phức tạp cả về công nghệ và khoa học, chính vì vậy trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, với mục tiêu nghiên cứu và chế tạo khối khuếch đại công suất sử dụng trong máy phát Radar tầm thấp, tôi xin giới thiệu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo module khuếch đại công suất dùng trong máy phát Radar dải sóng dm(820-900Mhz) ”. Bằng lý thuyết và thực nghiệm, luận văn đã thực hiện những nội dung sau: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các đài radar hoạt động ở dải sóng dm. - Tìm hiểu về kỹ thuật thu phát siêu cao tần - Tìm hiểu sâu về kỹ thuật phối hợp trở kháng và chế tạo thành công một module khuyếch đại công suất 80W, hoạt động ở dải tần 820Mhz – 900Mhz, hệ số khuyếch đại là 17dB. 3
4. - Đánh giá kết quả đã đạt được trong luận văn và hướng nghiên cứu phát triển tiếp từ luận văn. Nội dung của luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1. Tổng quan về hệ thống Radar Chương 2. Kỹ thuật thu phát siêu cao tần Chương 3. Thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất siêu cao tần 4
5. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT DÙNG TRONG MÁY PHÁT RADAR DẢI SÓNG DM(820-900MHZ) CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR 1. Lịch sử phát triển của Radar 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. Hình 1.0: Cách săn bắt mồi của loài dơi Những ngày đầu tiên thí nghiệm và khám phá của con ngƣời Năm 1887, nhà vật lý Đức Heinrich Hertz lần đầu tiên đã tạo ra sóng vô tuyến trong phòng thí nghiệm. Các sóng này có thể truyền qua hoặc phản xạ bởi các loại vật liệu khác nhau. Với cống hiến tuyệt vời này, Hertz được nhân loại tôn vinh và lấy tên ông làm đơn vị tần số sóng vô tuyến. 5
6. Ngày 7/5/1895, nhà bác học Nga A.S. 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 radar (RAdio Detection And Ranging - RADAR). Tên “radar” 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 coi là thời điểm khởi đầu của các hệ thống radar. Năm 1904, Christian Hülsmeyer đã nhận được bằng sáng chế của Đức cho thiết bị gọi là Teltôiobiloskop, 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 radar. Năm 1933 Viện German Kriegsmarine (Navy) bắt đầu nghiên cứu cái gọi là Funkmesstecknik hay công nghệ đo đạc từ xa. 6
7. 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 radar 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 radar 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 radar. Năm 1936, Anh xây dựng một hàng rào radar để bảo vệ toàn bộ bờ biển, tầm xa 250 km. Về sau, Anh cải tiến và chế tạo được các đài radar sóng 10 cm và 3 cm, giúp ích nhiều cho không quân trong việc oanh tạc các tàu ngầm của Đức. Năm 1939, Mỹ có các đài radar 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 radar sóng cm. Năm 1939, Đức đã trang bị 6000 đài radar 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 radar sóng 3 cm. 7
8. Với tính cạnh tranh sống còn như vậy, vào cuối cuộc chiến kinh thiên động địa, hầu hết các công nghệ radar 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 dải 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 radar 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, radar đã thâm nhập vào cuộc sống vì radar 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, radar hiện đại có thể dò tìm bên dưới sa mạc của Ai Cập và nhìn thấy những lòng sông cổ cũng như phế tích. Hãng xe Toyota và nhiều hãng xe hơi trên thế giới đang lắp đặt một hệ thống rađa cảnh báo va chạm cho loại xe sang trọng hoặc trang bị nho những xe không người lái. Một giây sau khi radar trên xe dò thấy một vụ va chạm 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 160.000 người. Ngoài ra, radar 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 radar 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'' 8
9. của radar trong mọi diều kiện thời tiết làm cho nó trở thành một công cụ thay thế hấp dẫn hơn đối với camera. 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. 2. 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. Hình 1.1. 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. 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, 9
10. 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 - Chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không 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 10