Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số bốn kênh cho máy thu ra đa băng X

Bài viết trình bày một nghiên cứu thực nghiệm chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số gồm 4 kênh thu tín hiệu ra đa băng X. Các kênh thu có kết cấu giống nhau gồm bộ khuếch đại tạp thấp LNA, bộ dịch pha điều khiển số với bước dịch pha 5,60 và bộ suy giảm điều khiển số với độ phân giải 0,5 dB để đảm bảo cân bằng biên độ giữa các kênh.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số bốn kênh cho máy thu ra đa băng X Kỹ thuật điều khiển & Điện tử NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ ĐUN DỊCH PHA ĐIỀU KHIỂN SỐ BỐN KÊNH CHO MÁY THU RA ĐA BĂNG X Trần Minh Nghĩa1*, Nguyễn Đình Vinh1, Vũ Minh Thành1, Nguyễn Khả Hậu2 Tóm tắt: Bài báo trình bày một nghiên cứu thực nghiệm chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số gồm 4 kênh thu tín hiệu ra đa băng X. Các kênh thu có kết cấu giống nhau gồm bộ khuếch đại tạp thấp LNA, bộ dịch pha điều khiển số với bước dịch pha 5,60 và bộ suy giảm điều khiển số với độ phân giải 0,5 dB để đảm bảo cân bằng biên độ giữa các kênh. Sử dụng bộ điều khiển số kết nối máy tính cho phép điều chỉnh linh hoạt góc lệch pha và biên độ tín hiệu các kênh thu, qua đó làm cơ sở để thiết kế các mô đun thu với số lượng kênh lớn nhằm ứng dụng trong máy thu ra đa băng X như: Điều chỉnh góc lệch pha và biên độ tín hiệu các kênh thu theo quy luật cho trước; Thực hiện việc tổ hợp búp sóng và quét búp sóng thu cho an ten mạng pha; Điều chỉnh các cặp kênh thu ngược pha và đồng pha nhau để tạo ra tín hiệu kênh tổng và kênh hiệu cho các ứng dụng đo bám góc theo nguyên lý cân bằng tín hiệu. Từ khóa: Thiết kế bộ dịch pha, Ra đa băng X. 1. MỞ ĐẦU Các mô đun dịch pha và điều chỉnh biên độ (gọi chung là mô đun dịch pha) là các phần tử cơ bản để xây dựng máy thu và máy phát đa kênh cho hệ thống an ten mạng pha. Máy thu trong các hệ thống thu phát dùng an ten mạng pha là máy thu đa kênh có khả năng điều khiển độ dịch pha và biên độ tín hiệu trong từng kênh theo quy luật nhờ các mô đun dịch pha. Có khá nhiều dạng mô đun được tích hợp cho các ứng dụng trên các dải tần số khác nhau tùy theo nhu cầu sử dụng. Ở dải tần số băng X và cao hơn thì việc thiết kế, chế tạo các bộ dịch pha là rất khó khăn do các yêu cầu khắt khe về công nghệ thực hiện. Ngày nay, việc tạo và quét búp sóng an ten mạng pha có xu hướng được thực hiện ở dải tần số trung tần để giảm bớt các khó khăn khi thực hiện ở cao tần, tuy nhiên các mô đun dịch pha ở cao tần vẫn có những ứng dụng nhất định trong các hệ thống như tạo sự đồng đều pha cho các kênh của các bộ ghép, bộ cộng, trừ tín hiệu cao tần... Do đó, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dịch pha có khả năng điều chỉnh pha bằng các bộ điều khiển tương tự hay điều khiển số cho các ứng dụng trên vẫn tiếp tục được thực hiện. Trong bài viết này trình bày một nghiên cứu thực nghiệm thiết kế kỹ thuật - công nghệ và chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số gồm 4 kênh thu tín hiệu ra đa băng X và một số ứng dụng thiết thực của nó trong thực tế. 2. THIẾT KẾ MÔ ĐUN DỊCH PHA ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO MÁY THU BĂNG TẦN X 2.1. Mô phỏng mạng pha Công cụ mô phỏng sử dụng chương trình 3D Antenna Array để mô phỏng cho mảng an ten 1 chiều với 4 phần tử nằm trên trục X, chọn độ phân giải của bộ dịch pha là 22,50, có nghĩa mảng anten có thể tạo ra được 360/22,5 = 16 đồ thị bức xạ khác nhau. Xem hình 1. Trong tọa độ cực cho thấy hướng chính của mảng an ten (khi các an ten là đẳng hướng) có thể được quét để thu/phát tín hiệu từ các hướng khác nhau tùy theo độ lệch pha giữa các an ten. Trong tọa độ Đề-các cho thấy khi kết hợp độ rộng cánh sóng của tất cả các hướng chính lại với nhau thì độ rộng cánh sóng của cả mảng an ten là 360 độ. Nói cách khác, với 70 T. M. Nghĩa, N. Đ. Vinh, …, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo … cho máy thu ra đa băng X.” Nghiên cứu khoa học công nghệ độ phân giải pha của các bộ dịch pha bằng 22,50 thì mảng an ten này có thể bao quát mọi hướng thu/phát nếu các an ten là đẳng hướng. Hình 1. Mô phỏng an ten mạng pha với 4 phần tử trên trục X. 2.2. Chế tạo mô đun dịch pha số trong thực tế Sơ đồ nguyên lý của tuyến thu điều khiển pha số gồm 4 kênh thu tín hiệu ra đa băng X thể hiện trong hình 2. Hình 2. Sơ đồ nguyên lý tuyến thu cao tần 4 kênh điều khiển pha số. Trong đó, mô đun khuếch đại tạp thấp và mô đun suy giảm số đảm bảo mức công suất biên độ tín hiệu thu được từ an ten, mô đun dịch pha số tạo tổ hợp búp sóng cho máy thu. Sơ đồ nguyên lý mô đun khuếch đại tạp thấp và mô đun dịch pha thể hiện ở hình 3 và hình 4. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 71  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình 3. Sơ đồ nguyên lý Hình 4. Sơ đồ nguyên lý dịch pha. khuếch đại tạp thấp. Các tham số của từng mô đun được thể hiện ở bảng 1. Bảng 1. Tham số kỹ thuật các mô đun. STT Mô đun Tham số Chỉ tiêu kỹ thuật Mô đun khuếch đại Dải tần 8,2 ÷ 8,9 GHz 01 tạp thấpLNA Hệ số khuếch đại 17-20 dB Hệ số tạp: ≤2,5 dB Mô đun điều chỉnh Dải tần 8,2 ÷ 8,9 GHz 02 pha số Dải điều chỉnh pha ≤3600 Bước nhảy pha ≤22,50 Độ sai pha giữa một kênh ± 50 03 Mô đun suy giảm Dải tần 8,2 ÷ 8,9 GHz số Hệ số suy giảm ≤30 dB Để tính toán độ rộng mạch in, sử dụng công thức tính độ rộng cho mạch in đơn bằng chương trình “microstrip line calculator” và tính theo ống dẫn sóng đồng trục phẳng bằng chương trình “coplanar waveguide calculator”. Chọn mạch in cao tần là ROGER4350, với các tham số : - hằng số điện môi: 3,48 - Độ dày mạch in : 0,76 mm - Tần số trung tâm : 8,5 GHz - Trở kháng vào ra : 50 Ω Tính bằng công thức “microstrip line calculator” ta được: - Độ rộng mạ ...