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 T. M. Nghĩa, N. Đ. Vinh, , “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cho máy thu ra đa băng X.” 70 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 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 71 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. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. M. Nghĩa, N. Đ. Vinh, , “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cho máy thu ra đa băng X.” 72 Hình 3. Sơ đồ nguyên lý khuếch đại tạp thấp. Hình 4. Sơ đồ nguyên lý dịch pha. 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 01 Mô đun khuếch đại tạp thấpLNA Dải tần 8,2 ÷ 8,9 GHz Hệ số khuếch đại 17-20 dB Hệ số tạp: ≤2,5 dB 02 Mô đun điều chỉnh pha số Dải tần 8,2 ÷ 8,9 GHz Dải điều chỉnh pha ≤3600 Bước nhảy pha ≤22,50 Độ sai pha giữa một kênh ± 50 03 Mô đun suy giảm số Dải tần 8,2 ÷ 8,9 GHz 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 mạch in : 1,72 mm Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 73 - ¼ bước sóng: 5,3 mm Tính bằng công thức “coplanar waveguide calculator” ta được: - Độ rộng mạch in: 1,5 mm - Độ rộng khoảng cách giữa mạch in và 2 bên đất: 0,49 mm Lựa chọn linh kiện: Bộ dịch pha được thiết kế bằng IC MAPS-010166 với 6 bit điều khiển, dải điều chỉnh pha là 3600, bước nhảy pha là 5,60, trở kháng vào ra 50Ω. Mô đun điều khiển pha số được thiết kế với IC chính là PIC16F887, nhận lệnh từ máy tính và điều khiển các bit trên các kênh của bộ dịch pha theo yêu cầu đặt ra. Phần mềm điều khiển pha số được viết bằng chương trình LabVIEW trên máy tính và CCS cho PIC16F887 trên các bộ điều khiển. Kết nối giữa máy tính và các bộ điều khiển bằng cổng RS232. Giao diện chương trình điều khiển thể hiện ở hình 5. Hình 5. Chương trình điều khiển. 3. CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đo đạc các kết quả Ảnh chụp tuyến thu cao tần 4 kênh điều khiển pha số thể hiện ở hình 6. Sau khi thiết kế, sử dụng máy phân tích mạng vector để kiểm tra độ lệch pha Δφ theo hình 7. Các giá trị góc lệch pha theo tổ hợp tín hiệu điều khiển được trình bày trong bảng 2. Bảng 2. Kết quả của bài đo tại tần số 8,5GHz. Góc pha Kênh1 kênh 2 kênh 3 kênh 4 Góc pha Kênh1 kênh 2 kênh 3 kênh 4 Độ Độ 0 0 0 0 0 179,2 -177,3 - 179,6 - 178,8 -177,9 5,6 -5,7 -5,5 -5,2 -5,7 184,8 175,5 176,3 177,2 177,8 11,2 -9,8 -9,9 -8,8 -11,1 190,4 171 172,2 171,8 170,1 16,8 -14,6 -15,6 -14,5 -16,8 196 169,2 168,2 167,6 168,5 22,4 -22,5 -22,9 -22,2 -23 201,6 165,1 162,2 160,4 161,1 28 -27,9 -28,4 -28,1 -30,1 207,2 163,9 155,6 154,9 153,4 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. M. Nghĩa, N. Đ. Vinh, , “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cho máy thu ra đa băng X.” 74 33,6 -31,8 -32,4 -31,6 -34,5 212,8 159,4 151,4 149,2 150,5 39,2 -37,5 -38,6 -37,4 -40,9 218,4 153,3 143,8 141,8 142,8 44,8 -43,5 -45,2 -44,4 -43,7 224 145,5 139,2 138,9 140,4 50,4 -49,6 -51 -50,3 -50,1 229,6 139,5 132,3 131,4 132,8 56 -52,6 -56,5 -55,2 -54,2 235,2 135,4 128,5 127,9 129,8 61,6 -59,1 -62,4 -60,2 -59,1 240,8 129,2 122,9 121,5 122,4 67,2 -65 -68,2 -67,8 -65,5 246,4 123,6 116,4 114,6 115,1 72,8 -69,7 -73,6 -73,1 -71,1 252 116,8 109,2 107,6 108,4 78,4 -73,6 -78,8 -78,2 -75,4 257,6 113,1 105,4 104,5 104,8 84 -79,7 -85,2 -82,7 -81,2 263,2 106,1 99,3 98,2 98 89,6 -84,7 -89,7 -90,7 -86,5 268,8 102,7 94,5 93,4 93,7 95,2 -90,7 -96,3 -95,4 -91,5 274,4 96,2 88,4 87,8 87,5 100,8 -94,9 -98,3 -99,2 -95,6 280 92,8 85,6 84,3 84,2 106,4 -100,2 -104,6 -105,8 -102,4 285,6 86,3 79,3 77,6 78,7 112 -110,4 -113,5 -111,2 -109,2 291,2 76,2 72,5 70,4 71,8 117,6 -116,9 -117,1 -118,2 -115,1 296,8 69,3 66,1 65,2 65,2 123,2 -122,4 -124,3 -124,3 -119,8 302,4 63,5 61,8 60,1 60,5 128,8 -129 -129,5 -130,1 -126,7 308 56,6 54,3 56,2 55,1 134,4 -132,5 -133,4 -135,4 -130,9 313,6 53,2 53,7 52,4 52,1 140 -139,7 -139,5 -141,5 -135,9 319,2 45,7 46,4 45,6 45,2 145,6 -144,6 -146,3 -146,5 -140,5 324,8 40,6 43,8 41,8 42 151,2 -150,1 -151,2 -152,7 -147,6 330,4 34,7 35,2 34,6 34,2 156,8 -158,2 -157,4 -157,4 -154,9 336 27,2 28,1 27,2 27,8 162,4 -164,2 -163,5 -163,2 -163,2 341,6 20,2 20,3 19,3 19,7 168 -170,1 -169,4 -169,5 -169,3 347,2 15,8 15,7 14,2 14,4 173,6 -176,4 -174,9 -174,8 -174,5 352,8 9,2 6,7 6,1 6,4 Trong bảng 2 giá trị pha khi đo bằng máy phân tích véc tơ các góc lệch pha nhỏ hơn 1800 sẽ cho giá trị âm, còn khi lớn hơn 1800 thì tổng giá trị của chúng với 1800 thành 3600. Độ sai pha của các kênh đo được trung bình < 50. 3.2. Khảo sát mức công suất khi thay đổi pha ở 1 kênh của bộ cộng công suất Sơ đồ nguyên lý bộ cộng công suất thay đổi pha trình bày như hình 8. Hình 6. Tuyến thu cao tần 4 kênh. Hình 7. Đo kết quả trên máy đo véc tơ. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 75 Hình 8. Sơ đồ nguyên lý đo công suất bộ cộng khi thay đổi pha. Máy phát tín hiệu ở tần số trung tâm 8,5GHz, công suất +10dBm, bộ chia và bộ cộng là cân bằng, góc pha ban đầu của 2 mô đun xoay pha Δφ 1 và Δφ 2 là 00. Kết quả đo trên máy phân tích phổ, thể hiện ở bảng 3. Bảng 3. Kết quả của bài đo cộng công suất. Δφ 1 (độ) 0 0 0 0 0 0 0 0 Δφ 2 (độ) 0 44,8 89,6 134,4 179,2 224 268,8 313,6 Công suất ra (dBm) 6 5,1 3,1 0,9 -0,1 0,8 2,9 5,2 Sử dụng sơ đồ trên ta có thể tổ hợp 4 kênh thu thành một kênh tổng và một kênh hiệu tương ứng với việc tạo ra kênh thu tín hiệu sai số góc để xác định tọa độ góc của mục tiêu. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày một giải pháp kỹ thuật hiện đại sử dụng trong thiết kế chế tạo mô đun dịch pha điều khiển số máy thu băng X và các khả năng ứng dụng của chúng. Các khảo sát thực tế với các kênh thu đồng pha (kênh tổng) và ngược pha (kênh hiệu) cho phép các ứng dụng trong thực tiễn cho các máy thu đáp ứng các yêu cầu về xác định tham số góc của mục tiêu. Sản phẩm của đề tài có thể được áp dụng cho các máy thu của các đài ra đa mạng pha như Pozitiv. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phạm Minh Việt, “Kỹ thuật siêu cao tần”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002. Trang 35-46. [2]. Volco V.V.M, Trần Hữu Vị biên dịch, “Thiết kế máy thu ra đa tín hiệu xung”, Học viện KTQS, 1990. Trang 20-45. [3]. Pieter L.D. Abrie, “Design of RF and Microwave Amplifiers and Oscilators”, Artech House Publishers 1996. Trang 51-76. [4]. Edward C. Niehenke, Robert A. Pucel, Inder J. Bahl, “Microwave and Millimeter- Wave Integrated Circuits”, IEEE, 2002. Trang 34-55. [4]. W. Buhring, J. Ender, “Radar techniques using array antennas”, Wulf-Dieter Wirth, 2000. Trang 78-92. [5]. George D. Vendelin, Anthony M. Pavio, Ulrich L. Rohde, “Microwave circuit design using linear and nonlinear techniques”, A John Wiley & Sons, Inc, Publication, 2005. Trang 45-61. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. M. Nghĩa, N. Đ. Vinh, , “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cho máy thu ra đa băng X.” 76 [6]. Christopher Bowick, “RF circuit Design”, Charon Tec Ltd (A Macmillan Company), Chennai, India, 2008. Trang 60-73. ABSTRACT DESIGN AND IMPLEMENTATION OF MODUL PHASE SHIFTING DIGITAL RECEIVER X-BAND RADAR This article presents an experimental study and implementation of a digital phase shifter module, including four X-band receiver channels. The channels have the same structure, consist of LNA amplifier, digital phase shifter with 5,60 shift step and digital attenuator with 0.5 dB resolution to ensure amplitude balance between channels. Using digital controller connected computer allows flexible adjustment of phase angle and amplitude of the signal receiver channels, that is basic to design multi-channel receiver modules for many applications in X-band radar, such as: Adjust the phase angle and amplitude of the signal receiver channels according to the specific law; Perform beam synthesis and beam scanning of phased antenna array; Adjust the receiver channel pair with antiphase and inphase signals to generate differential channels and sum channels for angle measuring applications based on signal balance principle. Keywords: Design phase shifter, X-band radar. Nhận bài ngày 10 tháng 5 năm 2017 Hoàn thiện ngày 25 tháng 5 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 18 tháng 8 năm 2017 Địa chỉ: 1Phòng Kỹ thuật Máy thu – Viện Ra đa – Viện KHCNQS; 2Phòng Thiết kế hệ thống – Viện Ra đa – Viện KHCNQS. *Email: ngrad68@gmail.com.