Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Văn Hạnh với đề tài "Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa" được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự (Bộ Quốc phòng), chuyên ngành Kỹ thuật điện tử (mã số: 62 52 02 03), dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Ngọc Minh và TS. Chu Xuân Quang vào năm 2014.

Về tính cấp thiết, hệ thống ra đa trong trang bị của Quân đội nhân dân Việt Nam (thuộc các quân chủng Phòng không - Không quân, Hải quân, Pháo binh, Biên phòng, Tăng thiết giáp) có số lượng lớn nhưng khoảng 90% là ra đa thế hệ thứ nhất sản xuất từ những năm 1970 (như các dòng Π-12, Π-14, Π-15, Π-18, Π-19, Π-35, Π-37, ΠPB-16...). Các khí tài này hoạt động dựa trên kỹ thuật tương tự, sử dụng linh kiện đèn điện tử (đèn sóng chạy, đèn dao động Klistron) và tín hiệu đơn xung dải hẹp có độ rộng xung nhỏ (từ 2 μs đến 6 μs). Để đạt cự ly phát hiện xa, công suất đỉnh xung phát yêu cầu rất lớn (ví dụ: đài Π-18 là 200 kW; đài Π-37 từ 600 kW đến 700 kW mỗi kênh; đài ΠPB-16 là 700 kW). Tình trạng số giờ tích lũy hoạt động cao (nhiều đài vượt quá 35.000 giờ), vật tư thay thế khan hiếm hoặc đã ngừng sản xuất, đường truyền và đèn cặp nhả điện suy giảm chất lượng dẫn đến hiện tượng đánh lửa và công suất lọt từ máy phát sang máy thu lớn (có đài đạt mức 1 W CW, công suất đỉnh xung lọt khi đèn chưa kịp phóng điện có biên độ vượt 150 kV trong thời gian khoảng 15 ns). Hệ quả là cự ly phát hiện của các đài giảm xuống chỉ còn khoảng 60% so với tính năng danh định, máy thu thường xuyên bị suy giảm độ nhạy hoặc cháy hỏng tầng đầu vào. Trong khi đó, các dòng ra đa thế hệ mới (như 1Л13-3, 55Ж6, Kacta-2E2) chỉ chiếm khoảng 10% và chi phí mua sắm vật tư thay thế rất cao.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định: Trong nước, việc thay thế các bộ khuếch đại đèn sóng chạy (như UV-99) bằng linh kiện bán dẫn siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) gặp bế tắc lớn ở khâu bảo vệ đầu vào. Các bộ hạn chế công suất điốt PIN thụ động nhập ngoại (như UV-394 của Nga) hoặc các thiết kế thử nghiệm trước đó chỉ dùng điốt PIN ghép song song cách nhau λ/4 làm việc thụ động hoặc tích cực đơn thuần theo xung kích phát, không triệt tiêu được đỉnh xung lọt cực ngắn ban đầu, khiến LNA bán dẫn nhanh chóng bị đánh thủng. Đồng thời, các bộ dao động nội (LO/VCO) sử dụng đèn Klistron cũ (như K-172P) có độ ổn định kém, trôi tần số và mức tạp pha cao, nhưng các nghiên cứu nội địa trước đó về VCO bán dẫn dải sóng đềximét và centimét (giai đoạn 2002–2003) chưa thực hiện đo đạc, đánh giá tạp pha cũng như mức độ ảnh hưởng của tạp pha đến chất lượng tuyến thu ra đa.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

  • Nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng máy thu đài ra đa thông qua việc hoàn thiện các mô-đun trong tuyến thu siêu cao tần (bộ hạn chế công suất cao tần, bộ khuếch đại cao tần tạp thấp, bộ dao động bán dẫn siêu cao tần VCO) nhằm nâng cao độ nhạy, giảm mức tạp pha, tăng độ ổn định tần số và cải thiện chất lượng thu tín hiệu.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản:

  1. Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng bảo vệ đầu vào máy thu của các đài ra đa quân sự hiện có nhằm nâng cao độ nhạy máy thu, duy trì công tác bảo đảm kỹ thuật và phục vụ sẵn sàng chiến đấu.
  2. Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng cao độ ổn định và giảm mức tạp pha của máy thu đài ra đa; cụ thể là nâng cao độ ổn định tần số, giảm mức tạp pha của các bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) sử dụng một hoặc nhiều vòng khóa pha (PLL).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các mô-đun siêu cao tần (SCT) phần đầu máy thu ra đa, bao gồm bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu, bộ khuếch đại tạp thấp (LNA) và bộ tạo dao động tại chỗ (VCO kết hợp PLL).
  • Phạm vi không gian: Áp dụng trên tuyến thu của ba loại đài ra đa quân sự tiêu biểu làm việc ở các dải sóng mét (VHF) và centimét (băng tần Ku, dải tần 16 GHz và băng sóng centimét của đài ra đa cảnh giới dẫn đường).
  • Phạm vi thời gian: Nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng được triển khai hoàn thành vào năm 2014.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong luận án, tác giả điểm lại các hướng nghiên cứu công nghệ máy thu ra đa trong và ngoài nước:

Về nghiên cứu quốc tế:

  • Công ty ELSYS (Ukraina) thực hiện giải pháp bán dẫn hóa tuyến thu cao tần đài ra đa Π-37: chế tạo bộ hạn chế công suất theo nguyên lý thụ động hoàn toàn, bộ dao động ngoại sai VCO và các bộ trộn tần tín hiệu, trộn tần tự động điều chỉnh tần số (AFC) trên mạch dải, sử dụng vòng khóa pha (PLL) để ổn định tần số và kết hợp bộ lọc dải hẹp trước bộ trộn.
  • Công ty RETIA (Cộng hòa Séc) cải tiến ra đa Π-18 theo hướng phát và xử lý tín hiệu phức tạp dải rộng.
  • Nhà máy MYPOM (Liên bang Nga) cung cấp gói cải tiến đài ra đa Π-19 có tính năng tương đương đài Kacta-2E2 trang bị cho tổ hợp tên lửa phòng không C-125-2M (chương trình C-125M1A).
  • Các nghiên cứu nền tảng về cấu hình máy thu, tạp pha, độ tuyến tính và dải động của máy thu siêu cao tần được trích dẫn qua tài liệu của Skolnik M.I. (Radar Handbook [47]) và W.L. Melvin, J.A. Scheer (Principles of Modern Radar [55]).

Về nghiên cứu trong nước:

  • Trung tâm Khoa học kỹ thuật và Công nghệ quân sự (2002–2003): Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ dao động bán dẫn siêu cao tần (VCO) độ ổn định cao làm dao động ngoại sai cho ra đa dải sóng đềximét và centimét, tuy nhiên sản phẩm chưa thực hiện đo đạc đánh giá tạp pha và tác động của tạp pha tới máy thu.
  • Viện Kỹ thuật quân sự phối hợp Viện Kỹ thuật Phòng không - Không quân (1993–1995): Triển khai đề tài cấp Bộ nghiên cứu chế tạo bộ khuếch đại tạp thấp thay thế đèn sóng chạy UV-99 trên đài Π-37. Tuy nhiên, do đèn cặp nhả điện suy giảm, xung lọt qua có biên độ điện áp đỉnh vượt 150 kV trong 15 ns, dẫn đến việc bộ khuếch đại bán dẫn bị đánh thủng, tuổi thọ sản phẩm rất thấp. Bộ khuếch đại UV-394 nhập từ Nga cũng gặp hạn chế tương tự do chỉ dùng 3 điốt PIN mắc song song ở chế độ thụ động.
  • Viện Ra đa (2001–2006): Triển khai dự án sản xuất thử nghiệm cấp Nhà nước "Hoàn thiện công nghệ chế tạo bộ khuếch đại tạp thấp", sử dụng mạch điốt PIN mắc song song cách nhau λ/4 kết hợp chế độ thụ động và tích cực dựa trên xung kích phát của đài; kết quả vẫn chưa cắt được hoàn toàn đỉnh xung phát rò lọt sang máy thu.
  • Nhà máy Z119 và Học viện Kỹ thuật Quân sự: Thực hiện thiết kế chế tạo khối khuếch đại trung tần; Bộ môn Ra đa (Học viện Kỹ thuật Quân sự) tập trung vào các hệ thống chống nhiễu.
  • Viện Kỹ thuật Phòng không - Không quân (2006): Phối hợp đối tác nước ngoài chế tạo thành công đài ra đa sóng mét RV-01 với các giải pháp hiện đại như anten mạng pha, chuyển mạch anten bằng điốt PIN có điều khiển, khuếch đại bán dẫn công suất lớn, tổng hợp tần số số trực tiếp (DDS) và tách sóng pha số.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Xử lý dứt điểm bài toán bảo vệ an toàn cho khối LNA bán dẫn trước xung công suất lọt có biên độ rất cao (chế độ nửa tích cực nửa thụ động kết hợp đánh lệch dải thông của bộ lọc dải thông dạng cài răng lược) đạt mức suy hao > 90 dB và thời gian khôi phục độ nhạy < 10 ns. Đồng thời, giải quyết bài toán giảm tạp pha và ổn định tần số cho bộ dao động ngoại sai bằng kỹ thuật vòng khóa pha (1 vòng PLL cho băng Ku và nhiều vòng PLL chia tần số cao xuống tần số thấp kết hợp suy giảm - khuếch đại cho băng VHF) để thay thế hoàn toàn các đèn điện tử cũ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và các khái niệm sử dụng

  1. Lý thuyết tạp âm và độ nhạy máy thu: Hệ số tạp của một tầng khuếch đại xác định theo tỷ số tín/tạp (SNR): $$F = \frac{\text{SNR}{\text{in}}}{\text{SNR}{\text{out}}} \quad [\text{lần}], \quad F,[\text{dB}] = 10\log_{10}F$$

Công thức Friis cho hệ thống ghép chuỗi $n$ tầng: $$F_T = F_1 + \frac{F_2 - 1}{g_1} + \frac{F_3 - 1}{g_1 g_2} + \dots + \frac{F_n - 1}{g_1 g_2 \dots g_{n-1}}$$

Hệ số tạp của máy thu ra đa khi có bộ khuếch đại tạp thấp (LNA) đứng đầu: $$F_{\text{MT}} = F_{\text{LNA}} + \frac{F_{\text{rest}} - 1}{g_{\text{LNA}}}$$ Trong đó $F_{\text{MT}}$ là hệ số tạp máy thu, $F_{\text{LNA}}$ và $g_{\text{LNA}}$ là hệ số tạp và hệ số khuếch đại của LNA, $F_{\text{rest}}$ là hệ số tạp tổng của các tầng phía sau.

Độ nhạy máy thu tối thiểu ($RS_{\text{min}}$): $$RS_{\text{min}} = \text{SNR}{\text{min}} \cdot k T_0 B \cdot F$$ Quy đổi sang đơn vị dBm: $$RS{\text{min}},[\text{dBm}] = -174,[\text{dBm}] + F,[\text{dB}] + 10\log_{10}B + 10\log_{10}\text{SNR}{\text{min}}$$ Trong đó $k = 1,38 \times 10^{-23}$ J/K (hằng số Boltzmann), $T_0 = 290$ K, $B$ là dải thông máy thu. Khi nối với anten có hệ số khuếch đại $G$, độ nhạy hoạt động tối thiểu là $\text{MOS} = \text{SNR}{\text{min}} k T_0 B F / G$.

  1. Dải động và độ phi tuyến: Dải động của máy thu ($DR$) phụ thuộc vào điểm chắn điều biến tương hỗ bậc ba đầu vào ($IIP3$) và độ nhạy tối thiểu: $$DR = \frac{2(IIP3 + RS_{\text{min}})}{3}$$ Mối quan hệ xác định điểm chắn bậc hai ($IIP2$) và bậc ba ($IIP3$): $$IIP2 = RF_{\text{in}} + \frac{\Delta IM3}{2}, \quad IIP3 = RF_{\text{in}} + \Delta IM2$$ Ảnh hưởng xếp tầng của độ tuyến tính qua công thức: $$\frac{1}{IP3_{\text{tổng cộng}}} = \frac{1}{IP3_1} + \frac{g_1^2}{IP3_2} + \dots$$

  2. Lý thuyết tạp pha và độ ổn định của bộ dao động tại chỗ (STALO/VCO):

  • Mật độ phổ tạp pha do độ nhạy rung động ($g$-sensitivity) theo hướng $i$: $$L(f_v) = 20\log_{10}\left[\frac{\Gamma_i f_0 \gamma_i(f_v)}{f_v}\right] \quad [\text{dBc SSB / Hz}]$$ Độ nhạy rung động tổng hợp: $\Gamma = \sqrt{\Gamma_x^2 + \Gamma_y^2 + \Gamma_z^2}$.
  • Mô hình tạp pha phi tuyến của bộ dao động dùng transistor dựa trên phương pháp cân bằng hài (Harmonic Balance - HB), phân tách thành hai cơ chế: tạp chuyển đổi (conversion noise) và tạp điều chế (modulation noise).
  • Khảo sát hệ thống vòng khóa pha (PLL) với 7 nguồn tạp âm chính: tạp của dao động tham chiếu, tạp của bộ đệm đầu vào tham chiếu, tạp của bản thân bộ VCO, tạp của bộ lọc vòng (LPF), tạp của mạch bơm tích điện (Charge Pump - CP), tạp lượng tử hóa của bộ điều chế $\Sigma$-$\Delta$ (SDM), và tạp của bộ tách sóng pha (PD/PFD).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng chuyên dụng và đo đạc thực nghiệm:

  • Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm thiết kế vi sóng và siêu cao tần ADS (Advanced Design System) để mô phỏng đặc tính truyền dẫn, dải thông của bộ lọc cài răng lược, đặc tuyến hạn chế phi tuyến của các loại điốt PIN, và phân tích đáp ứng pha/tạp pha của mạch tổng hợp tần số.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mẫu phần cứng thực tế (mạch dải siêu cao tần, linh kiện bán dẫn PIN, Varactor, transistor siêu cao tần), đo đạc các tham số kỹ thuật trong phòng thí nghiệm bằng máy phân tích phổ, máy phân tích mạng véc-tơ, máy đo tạp pha chuyên dụng. Sau đó, lắp ráp trực tiếp vào ba hệ thống đài ra đa thực tế tại trận địa/đơn vị để đối chứng với kết quả tính toán và mô phỏng.

Dữ liệu và vật tư linh kiện nghiên cứu

Văn bản ghi nhận các thông số và chủng loại linh kiện thực tế:

  • Các điốt PIN dùng cho bộ hạn chế công suất: MA4L401-30, MLP7100, HP5082-3041.
  • Đèn điện tử nguyên bản cần thay thế: Đèn sóng chạy UV-99 (trên đài ra đa cảnh giới dẫn đường), đèn Klistron K-172P (trên đài ra đa trinh sát mặt đất).
  • Các thông số công suất lọt: Mức công suất lọt trung bình đo được đạt 1 W CW, xấp xỉ 1 kW đỉnh xung; xung lọt có thời gian duy trì trước khi đèn cặp nhả điện phóng điện khoảng 15 ns với biên độ điện áp đỉnh > 150 kV.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU RA ĐA

Nội dung chương tập trung hệ thống hóa cơ sở cấu hình tuyến thu ra đa, đánh giá các kiến trúc máy thu, các tham số kỹ thuật then chốt và thực trạng kỹ thuật hệ thống ra đa quân sự Việt Nam.

Tác giả phân tích sơ đồ khối cơ bản của máy thu ra đa bao gồm: mạch điều khiển độ nhạy theo thời gian (STC), bộ khuếch đại tạp thấp (LNA), bộ lọc cao tần (RF BPF), bộ đổi tần (trộn với dao động ngoại sai STALO), bộ lọc trung tần (IF BPF), bộ khuếch đại trung tần, bộ hạn chế IF và bộ biến đổi tương tự - số (ADC). Bốn cấu trúc máy thu ra đa được phân tích chi tiết:

  1. Máy thu siêu ngoại sai (Superheterodyne): Đổi tần một hoặc nhiều cấp qua trung tần IF.
  2. Máy thu đổi tần trực tiếp (Direct Digital Conversion / Homodyne): Đổi tần trực tiếp tín hiệu RF xuống băng tần cơ sở (I/Q).
  3. Máy thu trung tần thấp (Low IF): Tín hiệu hạ xuống tần số trung tần thấp nhưng khác 0 để tránh hiện tượng trôi DC.
  4. Máy thu đa kênh dải rộng: Ứng dụng trong anten mạng pha, sử dụng hệ thống ngân hàng bộ lọc chuyển kênh đầu vào/đầu ra.

Luận án tổng hợp bảng so sánh ưu và nhược điểm giữa 4 cấu trúc máy thu:

Kiểu máy thu Ưu điểm chính Nhược điểm chính
Máy thu siêu ngoại sai Độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt; dễ dàng tối ưu hóa chọn lọc tại tầng trung tần; dễ loại bỏ tần số ảnh khi đổi tần lên; bộ ADC yêu cầu đơn giản. Bị mất cân bằng biên độ và pha giữa hai nhánh I và Q; khó tích hợp các bộ lọc RF, IF và bộ dao động; tiêu thụ công suất lớn; cấu trúc phức tạp; dễ xuất hiện đáp ứng giả do rò tín hiệu LO, IF.
Máy thu đổi tần trực tiếp Cấu trúc đơn giản, không cần tầng lọc trung tần; không có dải tần số ảnh; không có nhiều đáp ứng giả; ADC đơn giản. Khó khăn khi thực hiện bù trôi DC; mất cân bằng biên độ và pha I/Q; rò tín hiệu giữa máy thu và máy phát; nhạy với hài điều biến tương hỗ bậc hai (IM2); tạp nhấp nháy $1/f$ lớn; yêu cầu độ tuyến tính RF rất cao.
Máy thu trung tần thấp Khắc phục được vấn đề trôi DC; nén được tín hiệu ở các kênh lân cận; suy giảm tín hiệu ảnh tới mức tối đa; cấu trúc tương đối đơn giản. Vẫn tồn tại mất cân bằng pha/biên độ I/Q; đòi hỏi hệ số khuếch đại RF lớn với độ tuyến tính cao; không sử dụng được bộ lọc RF và IF đầu tiên thông thường; yêu cầu bộ ADC dải động cao.
Máy thu đa kênh dải rộng Các kênh thu hoạt động độc lập; xử lý tín hiệu linh hoạt, độ phân giải cao; phù hợp với hệ thống anten mạng pha hiện đại. Cấu trúc rất phức tạp; đòi hỏi số lượng lớn các bộ lọc dải thông cao tần; giá thành chế tạo cao.

Về thực trạng kỹ thuật, tác giả nêu rõ 90% ra đa quân đội là thế hệ cũ từ thập niên 1970, cự ly phát hiện giảm còn 60% do đèn điện tử già hóa, công suất phát sụt giảm, hệ số tạp máy thu tăng, đường truyền bị đánh lửa, và công suất lọt qua chuyển mạch thu - phát lớn (lên tới 1 W CW, công suất đỉnh 1 kW, xung đột biến ban đầu > 150 kV trong 15 ns). Từ đó, chương 1 xác lập việc tập trung giải quyết hai khâu mấu chốt ở phần siêu cao tần: bộ hạn chế công suất bảo vệ LNA và bộ dao động ngoại sai VCO có tạp pha thấp, độ ổn định cao.

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THU TÍN HIỆU TRONG ĐÀI RA ĐA

Chương 2 trình bày phương pháp luận lý thuyết và giải pháp thiết kế cho hai cụm mô-đun siêu cao tần.

1. Hạn chế các tín hiệu cường độ mạnh vào máy thu

Tác giả phân tích các mạch hạn chế công suất siêu cao tần bán dẫn:

  • Bộ hạn chế dùng điốt Varactor: Đáp ứng nhanh nhưng công suất chịu đựng thấp.
  • Bộ hạn chế dùng điốt PIN: Công suất chịu đựng lớn nhờ lớp bán dẫn tinh khiết I (Intrinsic), điện trở cao tần $R_f$ thay đổi theo dòng điều khiển hoặc mức năng lượng kích hoạt.
  • Bộ hạn chế điốt PIN giả tích cực (tự kích hoạt bằng trích một phần công suất cao tần qua mạch tách sóng để tạo thiên áp điều khiển phân cực thuận).
  • Bộ hạn chế Varactor kết hợp PIN.

Luận án đề xuất giải pháp thiết kế bộ hạn chế công suất 4 phần hoạt động ở chế độ nửa tích cực nửa thụ động:

  • Kết hợp kỹ thuật đánh lệch dải thông của bộ lọc dải thông (BPF) dạng cài răng lược với hiệu ứng dẫn của điốt PIN khi công suất siêu cao tần lọt vào. Khi có xung công suất lớn, các điốt PIN dẫn làm ngắn mạch các thanh cộng hưởng, làm sai lệch đột ngột tần số cộng hưởng của bộ lọc cài răng lược, đẩy toàn bộ công suất phản xạ trở lại thay vì truyền qua đầu ra.
  • Kết hợp mạch hạn chế giả tích cực sử dụng mạch tách sóng tạo xung điều khiển mở nhanh điốt PIN HP5082-3041 và mạch cộng/chia công suất vi dải. Cấu hình này đạt độ suy hao tổng cộng vượt 90 dB đối với tín hiệu công suất lớn, thời gian khôi phục độ nhạy máy thu $< 10$ ns, bảo vệ an toàn cho LNA bán dẫn.

2. Nâng cao độ ổn định tần số và giảm mức tạp pha của bộ dao động tại chỗ

Tác giả khảo sát các mô hình tạp âm của bộ dao động transistor và cơ chế chuyển đổi tín hiệu:

  • 4 nguyên nhân chính gây tạp trong bộ dao động: tạp biến đổi lên $1/f$ (tạp nhấp nháy FM), tạp nhiệt FM, tạp pha nhấp nháy và nền tạp nhiệt.
  • Phân tích sự khác biệt giữa hai cơ chế tiếp cận phi tuyến:
    • Tạp chuyển đổi (Conversion Noise): Mô tả chính xác phân bố phổ tạp âm ở vùng tần số xa sóng mang, nhưng không phù hợp với quan sát vật lý ở vùng tần số rất gần sóng mang.
    • Tạp điều chế (Modulation Noise): Mô tả chính xác phổ tạp âm ở độ lệch tần số gần sóng mang, nhưng không phản ánh đúng ở các độ lệch tần số xa sóng mang.
  • Phân tích 7 nguồn tạp âm trong mạch vòng khóa pha (PLL): Tạp pha ở độ lệch tần số gần sóng mang chịu chi phối bởi tạp của dao động tham chiếu, bộ tách sóng pha (PD/PFD) và mạch lọc vòng; trong khi tạp pha ở độ lệch xa sóng mang phụ thuộc trực tiếp vào đặc tính tạp của bản thân bộ dao động VCO.
  • Giải pháp đa vòng khóa pha (Multi-loop PLL): Phân tích chỉ ra cấu trúc 2 vòng khóa pha giúp cải thiện tạp pha tới 8 dB so với cấu trúc 1 vòng PLL đơn lẻ. Luận án đề xuất kỹ thuật sử dụng dao động chuẩn thạch anh/VCO phụ ở tần số cao từ 741,0 MHz đến 927,5 MHz có độ ổn định cao, sau đó chia tần xuống dải tần thấp 57,75 MHz đến 92,75 MHz để triệt giảm tạp pha, kết hợp mạch suy giảm và khuếch đại lặp nhiều tầng ở đầu ra vòng lặp.

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Chương 3 trình bày các kết quả mô phỏng bằng ADS, chế tạo phần cứng và đo đạc thực tế trên ba hệ thống đài ra đa:

1. Bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu đài ra đa sóng centimét

  • Đo đạc thực tế xung lọt sau đèn cặp nhả điện qua bộ suy giảm đồng trục 50 dB, xác nhận đỉnh xung lọt có biên độ rất cao trong 15 ns đầu khi đèn chưa phóng điện.
  • Kết quả mô phỏng trên phần mềm ADS cho thấy bộ lọc dải thông cài răng lược kết hợp điốt PIN MA4L401-30 và MLP7100 tạo ra mức triệt tiêu công suất cao tần sâu khi điốt chuyển sang trạng thái trở kháng thấp.
  • Đo kiểm phòng thí nghiệm: Đo tổn hao truyền qua khi không có tín hiệu mạnh (tổn hao xen nhỏ), đo đặc tuyến hạn chế công suất khi tăng mức tín hiệu vào. So sánh giữa 3 phương pháp: hạn chế thụ động hoàn toàn, hạn chế tích cực bằng xung kích phát của đài, và giải pháp hạn chế đề xuất (nửa tích cực nửa thụ động dùng mạch tách sóng kết hợp đổi dải thông). Phương pháp đề xuất cắt được hoàn toàn đỉnh xung lọt nhọn ban đầu, đạt độ suy hao $> 90$ dB và thời gian khôi phục độ nhạy máy thu $< 10$ ns.
  • Thử nghiệm trên đài ra đa cảnh giới dẫn đường sóng centimét: Lắp đặt bộ hạn chế công suất cùng bộ LNA bán dẫn thay thế cho đèn sóng chạy UV-99. Kết quả LNA hoạt động an toàn, không bị suy giảm tính năng hay đánh thủng sau thời gian dài phát xung, độ nhạy máy thu được nâng cao rõ rệt so với đèn UV-99 cũ.

2. Bộ dao động sử dụng một vòng khóa pha (băng Ku, 16 GHz)

  • Chế tạo bộ dao động nội cho đài ra đa trinh sát mặt đất làm việc tại tần số 16 GHz (thay thế đèn Klistron K-172P).
  • Khảo sát bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) vi dải kết hợp 1 vòng PLL:
    • Đo phổ dao động khi thay đổi điện áp cấp cho điốt Varactor.
    • Đo tạp pha tại tần số 16,24 GHz và 16,27 GHz: Mức tạp pha của máy thu khi sử dụng vòng khóa pha PLL giảm sâu so với khi VCO chạy tự do không có PLL.
    • Đo độ ổn định tần số theo thời gian: Cấu trúc có PLL giữ tần số dao động ổn định tuyệt đối trong thời gian dài, triệt tiêu hiện tượng trôi tần do nhiệt độ.

3. Bộ dao động sử dụng nhiều vòng khóa pha (băng tần VHF)

  • Thiết kế hệ thống tổng hợp tần số dao động nội LO1 và LO2 cho máy thu đa kênh đài ra đa băng VHF, dải tần làm việc 57,75 MHz đến 92,75 MHz.
  • Sử dụng bộ dao động chuẩn tần số cao (741,0 MHz $\div$ 927,5 MHz), sau đó chia tần xuống dải 57,75 MHz $\div$ 92,75 MHz kết hợp vòng khóa pha đa vòng và mạch suy giảm - khuếch đại lặp.
  • Đo kiểm thực tế: Đo phổ đầu ra, đo mức triệt tiêu hài giả và tạp pha của toàn máy thu đài ra đa băng VHF. Tạp pha đo được tại các điểm tần số trong dải thông đạt chỉ tiêu kỹ thuật đề ra, tạp pha giảm hơn 8 dB so với cấu trúc một vòng PLL thông thường, thời gian thiết lập tần số nhanh và bước nhảy tần nhỏ, đáp ứng yêu cầu đồng bộ đa kênh máy thu.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và kỹ thuật thực tiễn được luận án tổng kết:

  1. Đề xuất giải pháp kỹ thuật chế tạo bộ hạn chế công suất nửa tích cực nửa thụ động: Thiết kế bộ hạn chế công suất 4 phần dải sóng centimét dựa trên việc đánh lệch dải thông của bộ lọc cài răng lược kết hợp hiệu ứng dẫn của điốt PIN và mạch hạn chế giả tích cực tự tạo xung điều khiển. Bộ hạn chế đạt độ suy hao tổng cộng $> 90$ dB đối với tín hiệu công suất lớn, thời gian khôi phục độ nhạy máy thu $< 10$ ns, giải quyết triệt để vấn đề bảo vệ bộ khuếch đại tạp thấp bán dẫn (LNA) trước xung công suất lọt qua đèn cặp nhả điện để thay thế đèn sóng chạy UV-99.
  2. Làm rõ bản chất cơ chế tạp âm phi tuyến trong bộ dao động transistor: Phân tích và chỉ rõ tính chất bổ trợ của hai phương pháp giải tích: phương pháp tạp chuyển đổi mô tả chính xác tạp âm ở tần số xa sóng mang, trong khi phương pháp tạp điều chế mô tả chính xác tạp âm ở tần số gần sóng mang. Đồng thời, xác định 4 nguyên nhân chính gây tạp (tạp biến đổi $1/f$, tạp nhiệt FM, tạp pha nhấp nháy, nền tạp nhiệt) và hệ thống hóa 6 điểm lưu ý khi thiết kế tối thiểu hóa tạp pha cho bộ dao động VCO siêu cao tần.
  3. Phát triển giải pháp tổng hợp tần số đa vòng khóa pha (Multi-loop PLL): Chứng minh trên lý thuyết và thực nghiệm cấu trúc hai vòng khóa pha giúp triệt giảm mức tạp pha tới 8 dB so với một vòng PLL. Đề xuất kỹ thuật tạo dao động chuẩn ở tần số cao (741,0 MHz $\div$ 927,5 MHz) có độ ổn định cao rồi chia xuống tần số làm việc thấp (57,75 MHz $\div$ 92,75 MHz), kết hợp kỹ thuật suy giảm - khuếch đại lặp để giảm tạp pha và tăng độ ổn định cho máy thu đa kênh dải VHF.
  4. Kiểm chứng thực nghiệm thành công trên khí tài thật: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hoàn chỉnh các khối mô-đun siêu cao tần trên ba loại đài ra đa thực tế trong biên chế quân đội: thay thế đèn sóng chạy UV-99 trên đài ra đa cảnh giới dẫn đường, thay thế đèn Klistron K-172P trên đài ra đa trinh sát mặt đất băng Ku (16 GHz), và hoàn thiện khối dao động nội máy thu đa kênh đài ra đa băng VHF.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

  • Áp dụng rộng rãi giải pháp bộ hạn chế công suất kết hợp đổi dải thông bộ lọc cài răng lược để thay thế hàng loạt các khối khuếch đại đèn sóng chạy cũ bằng bán dẫn LNA trên các dòng đài ra đa cảnh giới dải sóng centimét.
  • Chuẩn hóa quy trình thiết kế bộ dao động ngoại sai bán dẫn sử dụng kỹ thuật vòng khóa pha (đơn vòng cho băng Ku và đa vòng chia tần cho băng VHF) trong các chương trình hiện đại hóa và đóng mới đài ra đa quân sự.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Luận án tập trung giải quyết các bài toán kỹ thuật ở tầng siêu cao tần phần đầu máy thu (mô-đun hạn chế công suất, LNA, bộ tạo dao động ngoại sai VCO/PLL); chưa đi sâu vào các khâu xử lý tín hiệu số (DSP) dải rộng sau bộ đổi tần và ADC.
  • Phạm vi thử nghiệm thực tế tập trung vào ba dòng đài ra đa đại diện làm việc ở dải sóng centimét và mét; chưa mở rộng đánh giá thực nghiệm trên toàn bộ các băng tần khác hiện có trong quân đội (như dải sóng đềximét).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng nghiên cứu áp dụng các giải pháp kỹ thuật đã đề xuất cho các đài ra đa làm việc ở các dải tần số khác nhau trong toàn quân.
  • Nghiên cứu phát triển tích hợp khối thu kỹ thuật số hoàn chỉnh (lấy mẫu trực tiếp trung tần IF cao hoặc lấy mẫu trực tiếp tần số vô tuyến RF) nhằm giảm thiểu tối đa các phần tử phần cứng tương tự, nâng cao dải động và khả năng chống nhiễu của đài ra đa thế hệ mới.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo chuyên môn cao:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và kỹ sư ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật viễn thông, Kỹ thuật Ra đa: Cung cấp cơ sở tính toán lý thuyết chi tiết, phương pháp mô phỏng trên ADS về mạch hạn chế công suất siêu cao tần phi tuyến và kỹ thuật thiết kế mạch tổng hợp tần số PLL ít tạp pha.
  • Đối với cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy quốc phòng (như Nhà máy Z119) và viện nghiên cứu chuyên ngành (Viện Ra đa, Viện Điện tử, Viện Kỹ thuật PK-KQ): Cung cấp giải pháp công nghệ cụ thể, khả thi để thay thế các linh kiện đèn điện tử chân không (đèn sóng chạy UV-99, đèn Klistron K-172P) đã khan hiếm bằng linh kiện bán dẫn thế hệ mới, giúp khôi phục và nâng cao cự ly phát hiện của các đài ra đa cảnh giới và trinh sát mặt đất.
  • Các phần nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Chương 2: Phương pháp luận phân tích tạp chuyển đổi / tạp điều chế và tính toán 7 nguồn tạp âm trong mạch PLL.
    • Chương 3: Sơ đồ nguyên lý và kết quả đo đạc thực nghiệm mạch hạn chế công suất nửa tích cực nửa thụ động và mạch PLL đa vòng dải VHF.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao các bộ hạn chế công suất điốt PIN thụ động trước đây không bảo vệ được khối khuếch đại LNA bán dẫn trên đài ra đa thế hệ cũ?

Trên các đài ra đa cũ (như đài Π-37), công suất phát xung rất lớn (lên tới 700 kW) và đèn cặp nhả điện bị suy giảm chất lượng. Khi máy phát phát xung, trong khoảng thời gian khoảng 15 ns đầu tiên trước khi đèn cặp nhả điện kịp đánh lửa phóng điện, một đỉnh xung rò lọt có điện áp cực lớn ($> 150$ kV) sẽ lọt thẳng sang tuyến thu. Các bộ hạn chế thụ động thông thường chỉ dùng điốt PIN mắc song song trên đường truyền đòi hỏi một khoảng thời gian trễ nhất định để dòng cao tần kích hoạt hạt dẫn trong vùng I của điốt. Do đó, phần đỉnh xung nhọn 15 ns ban đầu vẫn lọt qua trọn vẹn và đánh thủng ngay lập tức các transistor siêu cao tần nhạy cảm trong bộ LNA.

2. Nguyên lý hoạt động của giải pháp bộ hạn chế công suất do tác giả đề xuất có điểm gì khác biệt?

Bộ hạn chế đề xuất làm việc theo nguyên lý nửa tích cực nửa thụ động kết hợp 4 phần:

  • Sử dụng bộ lọc dải thông dạng cài răng lược tích hợp điốt PIN. Ở trạng thái bình thường (thu tín hiệu yếu), mạch hoạt động như một bộ lọc thông dải với tổn hao chèn thấp. Khi có công suất lớn đi tới, điốt PIN dẫn làm ngắn mạch các thanh cộng hưởng, làm sai lệch đột ngột dải thông của bộ lọc cài răng lược, khiến năng lượng cao tần bị phản xạ hoàn toàn trở lại mà không truyền sang LNA.
  • Kết hợp mạch hạn chế giả tích cực sử dụng mạch tách sóng tạo xung điều khiển mở nhanh điốt PIN HP5082-3041 và mạch cộng/chia công suất vi dải. Nhờ đó, mạch triệt tiêu được đỉnh xung lọt ban đầu, đạt độ suy hao tổng cộng $> 90$ dB và thời gian khôi phục độ nhạy cực nhanh ($< 10$ ns).

3. Phân tích của luận án về sự khác nhau giữa tạp chuyển đổi (Conversion Noise) và tạp điều chế (Modulation Noise) trong bộ dao động transistor là gì?

Qua cách tiếp cận phi tuyến (phương pháp cân bằng hài HB), tác giả chỉ ra:

  • Phân tích tạp chuyển đổi mô tả chính xác mật độ phổ tạp âm của bộ dao động ở các độ lệch tần số nằm xa sóng mang, nhưng nền tạp âm của nó không phù hợp với các quan sát vật lý ở độ lệch tần số rất gần sóng mang.
  • Ngược lại, phân tích tạp điều chế mô tả rất chính xác tạp âm của bộ dao động ở các tần số gần sóng mang, nhưng lại không phản ánh đúng các quan sát thực nghiệm ở độ lệch tần số xa sóng mang. Do đó, khi tính toán tạp pha tổng thể của bộ dao động transistor, phải kết hợp cả hai cơ chế tùy thuộc vào vùng tần số lệch khảo sát.

4. Tại sao cấu trúc hai vòng khóa pha (2-loop PLL) lại được lựa chọn cho bộ dao động máy thu đài ra đa băng VHF?

Bộ dao động sử dụng một vòng PLL đơn lẻ luôn gặp mâu thuẫn kỹ thuật giữa độ phân giải bước nhảy tần, tốc độ khóa pha và mức tạp pha (dải thông vòng lọc hẹp thì giảm tạp pha tham chiếu nhưng khóa chậm, dải thông rộng thì khóa nhanh nhưng tạp pha cao). Luận án áp dụng cấu trúc hai vòng PLL kết hợp bộ dao động chuẩn tần số cao (741,0 MHz $\div$ 927,5 MHz) có độ ổn định cao rồi chia tần xuống dải làm việc (57,75 MHz $\div$ 92,75 MHz). Kỹ thuật này cùng với mạch suy giảm và khuếch đại lặp giúp giảm tạp pha tới 8 dB so với một vòng PLL, đồng thời đạt được dải tần công tác rộng, bước tần nhỏ và thời gian thiết lập tần số rất nhanh.

5. Những linh kiện đèn điện tử chân không nào trên các đài ra đa thực tế đã được thay thế thành công trong nghiên cứu này?

Luận án đã chế tạo các khối bán dẫn siêu cao tần để thay thế trực tiếp:

  • Đèn sóng chạy UV-99 trên đài ra đa cảnh giới dẫn đường sóng centimét được thay thế bằng cụm mô-đun gồm bộ hạn chế công suất 4 phần và bộ khuếch đại tạp thấp bán dẫn LNA.
  • Đèn dao động Klistron K-172P trên đài ra đa trinh sát mặt đất (dải Ku, tần số 16 GHz) được thay thế bằng bộ dao động bán dẫn điều khiển bằng điện áp (VCO) kết hợp một vòng khóa pha (PLL).

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Văn Hạnh đã giải quyết thành công các yêu cầu kỹ thuật cấp bách trong việc nâng cao chất lượng tuyến thu siêu cao tần cho các đài ra đa quân sự thế hệ cũ tại Việt Nam. Bằng việc kết hợp nghiên cứu lý thuyết phi tuyến, mô phỏng trên phần mềm ADS và chế tạo thực nghiệm, tác giả đã phát triển thành công giải pháp bộ hạn chế công suất nửa tích cực nửa thụ động có độ suy hao $> 90$ dB cùng các bộ dao động ngoại sai VCO ứng dụng kỹ thuật khóa pha đơn vòng và đa vòng có tạp pha thấp. Các mô-đun chế tạo đã được lắp đặt, kiểm chứng trực tiếp trên ba hệ thống đài ra đa thực tế, chứng minh tính đúng đắn của giải pháp kỹ thuật và mở ra khả năng làm chủ công nghệ thay thế linh kiện bán dẫn thế hệ mới cho các khí tài quân sự hiện có.