Thạc Sĩ Thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp với cơ chế bảo vệ dùng cho Radar sóng centimet

LỜI MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Bảo vệ chủ quyền quốc gia là một nhiệm vụ đặc biệt quan trọng đối với mỗi dân tộc cả trong thời chiến lẫn thời bình. Việt Nam là một nước đang phát triển, tuy đã có nhiều nguồn lực về kinh tế và xã hội nhưng về mặt công nghệ vẫn còn lạc hậu. Hơn nữa, chúng ta đang sống trong thời kỳ mở cửa và hội nhập với bạn bè quốc tế, cơ hội có nhiều nhưng vẫn đang phải đối mặt với những thách thức ngày càng phức tạp. Hệ thống các đài radar quân sự đã và đang góp phần quan trọng trong công cuộc bảo vệ toàn vẹn lãnh thổ thiêng liêng của tổ quốc. Đài radar là một hệ thống rất phức tạp từ việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động cho đến thiết kế, xây dựng và chế tạo. Trong hệ thống này thì khối chuyển mạch thu - phát và bộ khuếch đại tạp âm thấp đã và đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước đặc biệt quan tâm. Do vậy việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động, từng bước làm chủ công nghệ chế tạo Radar công suất lớn đang là một trong những nhiệm vụ cần thiết của các nhà khoa học Việt Nam. Với tuyến thu siêu cao tần của Radar làm việc ở dải sóng centimet, tầng khuếch đại tạp âm thấp sử dụng đèn sóng chạy để đảm bảo giảm tạp âm cho tuyến thu và cung cấp hệ số khuếch đại lớn (G ≥ 28 dB với hệ số tạp NF ≤ 2 dB). Ngoài ra bộ khuếch đại dùng đèn sóng chạy có tính năng đặc biệt là khi tín hiệu vào lớn thì đèn sóng chạy có tính năng như một bộ suy giảm, nén tín hiệu 40dB tính năng này rất quan trọng để bảo vệ máy thu bán dẫn. Đối với hầu hết Radar tín hiệu phát và thu đều sử dụng một anten qua chuyển mạch thu – phát. Chuyển mạch thu phát đóng máy thu và dẫn tín hiệu phát công suất lớn ra anten. Khi thu chuyển mạch thu phát đóng máy phát và nối anten tới đầu vào bộ khuếch đại tạp âm thấp của máy thu. Tuy nhiên do chuyển mạch thu phát trong chế độ phát công suất lớn không đóng kín lý tưởng nên công suất phát lọt vào máy thu khá lớn. Nếu sử dụng đèn sóng chạy hoàn toàn không ảnh hưởng, công tác đảm bảo vật tư thay thế và nghiên cứu áp dụng phương pháp bảo vệ mới cũng là một nhiệm vụ quan trọng. Các đèn sóng chạy được thay thế bằng các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA). Các bộ LNA bán dẫn với công nghệ CMOS hoàn toàn đáp ứng về hệ số khuếch đại, ưu việt về hệ số tạp âm thấp (NF), có dải động cao. Tuy nhiên đèn bán dẫn cần bổ sung khả năng bảo vệ xung lọt từ máy phát sang máy thu. Để sử dụng đèn bán dẫn trong bộ LNA cần lắp thêm bộ hạn chế công suất lọt giữa chuyển mạch anten và LNA.

Triển khai nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ LNA kết hợp với bộ bảo vệ và hạn chế công suất lọt là nội dung có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Chính vì vậy luận văn “Thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp với cơ chế bảo vệ dùng cho Radar sóng centimet” sẽ trình bày và cố gắng làm rõ hơn các nguyên lý thiết kế, tìm hiểu mô phỏng, cách thức thi công mạch cứng bộ LNA cũng như việc nghiên cứu giải pháp sử dụng PIN Diode bảo vệ LNA.

2. Mục tiêu đề tài

Đề tài luận văn “Thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp với cơ chế bảo vệ dùng cho Radar sóng centimet” có hai mục tiêu lý thuyết và thực tiễn:
- Về lý thuyết:
 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các đài radar hoạt động ở dải sóng cm.
 Tìm hiểu về kỹ thuật thu phát siêu cao tần.
 Tìm hiểu và vận dụng các kiến thức về kỹ thuật phối hợp trở kháng, các giải pháp kỹ thuật nhằm hạn chế tạp âm, lựa chọn linh kiện tối ưu nhằm thiết kế, chế tạo bộ khuyếch đại tạp âm thấp dùng trong máy thu radar.
 Tìm hiểu, nghiên cứu bộ khuếch đại tạp âm thấp với cơ chế bảo vệ sử dụng PIN Diode.
- Về thực tiễn:
 Tính toán, mô phỏng và thiết kế thông số của bộ khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở băng tần C dùng phần mềm ADS 2009.
 Thực thi chế tạo, đo đạc sản phẩm thực tế mạch khuếch đại tạp âm thấp.
3. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện chuyên đề trên, phương pháp nghiên cứu được sử dụng gồm:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp phân tích và tổng
hợp lý thuyết; cập nhật và xử lý tài liệu liên quan về thiết kế mạch khuếch đại
tạp âm thấp; nghiên cứu phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS2009.
- Phương pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng ADS, sau khi đạt chỉ tiêu kỹ thuật sẽ tiến hành chế tạo sản phẩm thực tế mạch khuếch đại tạp âm thấp băng C.
- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: triển khai thực nghiệm để tìm kiểm chứng kết quả thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp đã chế tạo và trên cơ sở đó hoàn thiện thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng C với cơ chế bảo vệ dùng cho radar sóng cm với các thông số hệ số khuếch đại (Gain), hệ số tạp âm NF, phối hợp trở kháng tốt hơn.
4. Nội dung nghiên cứu
4.1.Nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu về cấu trúc tuyến thu và kỹ thuật sử dụng trong Radar.
- Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng trong kỹ thuật siêu cao tần.
- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng ADS và transistor SPF3043.
4.2.Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp
- Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp băng C.
- Thiết kế layout và chế tạo mạch khuếch đại.
- Lắp ráp và đo thử nghiệm trên máy VECTOR NETWORK ANALYZER.
5. Kết cấu luận văn
Nội dung luận văn bao gồm 4 chương:
- 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.

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .i
LỜI CẢM ƠN .ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC BẢNG v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .vi
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii
LỜI MỞ ĐẦU .1
1.Lý do chọn đề tài 1
2.Mục tiêu đề tài .2
3.Phương pháp nghiên cứu .2
4.Nội dung nghiên cứu 3
4.1. Nghiên cứu lý thuyết .3
4.2. Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp .3
5.Kết cấu luận văn .3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR .4
1.1. Giới thiệu 4
1.2. Phân loại các đài radar .5
1.3. Sơ đồ khối máy phát radar .7
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN .17
2.1. Giới thiệu chung .17
2.2. Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần 18
2.2.1. Các loại đường truyền 18
2.2.2. Phương trình truyền sóng .19
2.2.3. Hệ số phản xạ .20
2.2.4. Hệ số sóng đứng .21
2.2.5. Giãn đồ Smith .22
2.3. Phối hợp trở kháng .24
2.3.1. Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung 25
2.3.2. Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh/dây chêm 26
iv
2.3.3. Phối hợp trở kháng bằng doạn dây lamda/4 27
2.3.4. Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ .27
2.3.5. Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây mắc nối tiếp .28
CHƯƠNG 3 BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP VÀ CƠ CHẾ BẢO VỆ .29
3.1. Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA .29
3.2. Các thông số quan trọng của mạch khuếch đại LNA .29
3.2.1. Hệ số tạp âm Noise Figure .29
3.2.2. Hệ số khuếch đại 31
3.2.3. Tính ổn định của hệ thống 33
3.2.4. Độ tuyến tính 34
3.3. Cơ chế bảo vệ .35
3.3.1. Giới thiệu về hệ thống Radar .35
3.3.2. Cơ chế bảo vệ sử dụng PIN Diode .37
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI MẠCH .40
4.1. Yêu cầu .40
4.2. Tính toán mô phỏng và thiết kế 40
4.2.1. Giới thiệu Transistor cao tần SPF-3043 40
4.2.2. Các tham số S-Parameter của Transistor SPF-3043 .42
4.2.3. Thiết kế mạch phối hợp trở kháng 42
4.3. Thực nghiệm 46
4.3.1. Chế tạo Layout .46
4.3.2. Kết quả đo 48
KẾT LUẬN .52
TÀI LIỆU THAM KHẢO 53