Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật điện tử (mã số: 9 52 02 03) của tác giả Phạm Cao Đại, thực hiện tại Học viện Kỹ thuật Quân sự dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lê Đại Phong và TS. Trịnh Đình Cường, tập trung giải quyết các bài toán kỹ thuật trọng yếu nhằm nâng cao chất lượng của mô-đun thu phát (MĐTP) dùng trong hệ thống mạng pha tích cực (HTMPTC).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Mô-đun thu phát là thành phần cơ bản và chiếm tỷ trọng lớn về kinh phí cũng như khối lượng kỹ thuật trong các hệ thống mạng pha tích cực (Active Electronically Scanned Array - AESA). Trong thực tế triển khai, các hệ thống AESA đòi hỏi hàng trăm đến hàng nghìn MĐTP được bố trí trong một không gian hạn chế trên mặt mở ăng-ten (khoảng cách giữa các chấn tử thường bằng nửa bước sóng $\lambda/2$ để đạt góc quét rộng và tránh hiện tượng búp sóng phụ grating lobes). Cấu hình mật độ cao này kết hợp với các bộ khuếch đại công suất bán dẫn dẫn đến công suất tiêu tán nhiệt lớn, làm gia tăng nhiệt độ làm việc của linh kiện, suy giảm thời gian hoạt động trung bình đến khi hỏng hóc (MTTF/MTBF) và ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số tạp âm của bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) ở tuyến thu.

Bên cạnh đó, việc điều khiển búp sóng đòi hỏi độ phân giải và độ chính xác cao về pha và biên độ. Các bộ suy giảm số thông thường luôn đi kèm hiện tượng xoay pha ký sinh (parasitic phase shift) khi thay đổi mức suy giảm. Ngoài ra, việc phân bố công suất trên mặt mở ăng-ten để giảm mức búp sóng bên (như phân bố Taylor, Chebyshev) cùng yêu cầu thay đổi công suất phát theo cự ly hoạt động khiến các bộ khuếch đại công suất thường xuyên phải làm việc ở chế độ lùi công suất (power back-off), nơi hiệu suất công suất bị suy giảm nghiêm trọng. Xu hướng phát triển các hệ thống vô tuyến số đa chức năng (kết hợp ra-đa, thông tin liên lạc, tác chiến điện tử) cũng đòi hỏi cấu trúc MĐTP linh hoạt, có khả năng tạo dạng sóng phức tạp và điều khiển số trực tiếp.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng cho MĐTP dùng trong các HTMPTC nói chung và các HTMPTC đa chức năng nói riêng, có tính đến điều kiện kỹ thuật, công nghệ và tối ưu hóa chi phí chế tạo.

Để đạt được mục tiêu này, luận án xác định 3 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Đề xuất giải pháp loại bỏ các sai lệch, nâng cao độ phân giải xoay pha và các vấn đề liên quan với kỹ thuật, công nghệ phù hợp và chi phí thấp.
  2. Nghiên cứu, thiết kế bộ khuếch đại công suất (KĐCS) có hiệu suất cao, phù hợp với các đặc điểm hoạt động đặc thù để nâng cao hiệu suất năng lượng của các HTMPTC.
  3. Xây dựng cấu trúc MĐTP giao tiếp số dùng cho HTMPTC đa chức năng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô-đun thu phát trong các hệ thống mạng pha tích cực, tập trung vào các thành phần chính ảnh hưởng trực tiếp đến tham số chất lượng của MĐTP và toàn hệ thống.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các giải pháp kỹ thuật và công nghệ đối với các thành phần trong mạch cao tần (RF) và phần xử lý tham số tín hiệu, bao gồm: bộ suy giảm tín hiệu, khả năng xoay pha, hiệu suất công suất của bộ KĐCS, khối tổng hợp và điều khiển tham số tín hiệu phát. Dải tần số nghiên cứu, thiết kế và đo kiểm thực nghiệm tập trung ở các tần số dưới $10\text{ GHz}$ (băng C và băng X).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Công nghệ mạng pha tích cực bắt đầu được nghiên cứu tập trung từ năm 1958 tại Phòng thí nghiệm Lincoln thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và phát triển mạnh mẽ qua các giai đoạn. Luận án đã điểm lại các công trình tiêu biểu trên thế giới và trong nước theo các hướng tiếp cận chính:

  • Hướng vi mạch tích hợp cao tần nguyên khối (MMIC) và tích hợp đơn chíp:

    • Shahramian và cộng sự thiết kế chíp chứa 16 MĐTP ở băng W tích hợp ăng-ten dạng flip-chip PCB cho truyền dữ liệu tốc độ gigabit.
    • Sadhu và cộng sự công bố vi mạch chứa 32 MĐTP ở tần số $28\text{ GHz}$, hỗ trợ quét búp sóng hai phân cực với độ phân giải $1,4^\circ$.
    • Zhuchkova thiết kế MĐTP đa kênh băng X với việc phân bổ công suất cố định ($10\text{ W}$ ở tâm và $3\text{ W}$ ở rìa mạng ăng-ten) giúp giảm búp sóng bên xuống $-20\text{ dB}$, tuy nhiên mức công suất không thể điều chỉnh linh hoạt.
    • P. Schuh và cộng sự phát triển bộ front-end đơn chíp công nghệ GaN cho hệ thống AESA băng X.
    • T. Thrivikraman và cộng sự thiết kế front-end hai kênh công suất cực thấp trên nền công nghệ SiGe BiCMOS cho ra-đa mạng pha băng X.

  • Hướng kết hợp đa công nghệ vật liệu bán dẫn (Heterogeneous Integration):

    • Heijningen và cộng sự kết hợp công nghệ GaAs (chi phí thấp cho bộ xoay pha, tiền khuếch đại), Silicon (mật độ tích hợp cao cho tuyến thu) và GaN (hiệu suất cao cho bộ KĐCS và LNA) trên cùng một mô-đun.
    • Martin Oppermann phát triển MĐTP hai phân cực kết hợp tầng front-end GaN MMIC và chip điều khiển trung tâm (core-chip) công nghệ SiGe BiCMOS.

  • Tình hình nghiên cứu trong nước:

    • Đại học Bách khoa Hà Nội và Đại học Quốc tế (Đại học Quốc gia TP.HCM) đã nghiên cứu hệ thống ăng-ten mạng pha phẳng và các mô-đun thành phần cho thông tin vệ tinh.
    • Học viện Kỹ thuật Quân sự nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ra-đa 3D băng X.
    • Tập đoàn Viettel nghiên cứu, phát triển ra-đa 3D băng L, băng S và trạm gốc cho mạng 5G.
    • Viện Kỹ thuật quân sự thuộc Quân chủng Phòng không - Không quân nghiên cứu ra-đa 3D băng S.
    • Viện Ra-đa (Viện Khoa học và Công nghệ quân sự) hợp tác với Nam Phi phát triển ra-đa mạng pha băng X dùng cho Hải quân.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù có nhiều nghiên cứu trong nước đã được triển khai, các công trình chủ yếu dừng lại ở việc ứng dụng các module thương mại có sẵn mà chưa giải quyết triệt để vấn đề sai lệch góc pha và nâng cao độ phân giải xoay pha với chi phí thấp; chưa có nghiên cứu thiết kế bộ KĐCS hiệu suất cao thích ứng với chế độ lùi công suất do phân bố mặt mở và thay đổi cự ly hoạt động; và chưa có đề xuất hoàn chỉnh về cấu trúc MĐTP giao tiếp số kết hợp DDS và bộ điều chế I/Q phục vụ cho HTMPTC đa chức năng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

Luận án sử dụng các hệ thống biểu thức toán học và lý thuyết trường điện từ làm nền tảng phân tích:

  1. Mô hình tổng hợp búp sóng mạng pha đường thẳng $N$ phần tử cách đều khoảng cách $d$: Độ lệch pha giữa hai chấn tử liền kề ứng với góc sóng tới $\theta$ được xác định theo công thức: $$\psi = k d \sin \theta$$ Trong đó $k = \frac{2\pi}{\lambda}$ là số sóng, $\lambda$ là bước sóng.

    Khi sử dụng bộ xoay pha số với bước nhảy pha nhỏ nhất $\Delta \theta$, các góc hướng chính $\theta_n$ mà búp sóng có thể hướng tới chính xác được tính bởi: $$\theta_n = \arcsin\left(\frac{n \Delta \theta}{k d}\right)$$

    Trường tổng hợp của mảng $N$ phần tử có phân bố hệ số kích thích biên độ và pha $A_n$: $$F(u) = \sum_{n=1}^N A_n \exp[j 2\pi (n-1)u]$$

  2. Hiệu suất cộng công suất (Power-Added Efficiency - PAE): Hiệu suất PAE của một bộ KĐCS đơn lẻ và của toàn hệ thống mạng pha $N$ phần tử được xác định theo: $$\text{PAE} = \frac{P_{out} - P_{in}}{P_{DC}} \times 100%$$ $$\text{PAE}{\text{HT}} = \frac{\sum{k=1}^N (P_{out_k} - P_{in_k})}{\sum_{k=1}^N P_{DC_k}} \times 100% = \frac{\sum_{k=1}^N \Delta P_k}{\sum_{k=1}^N \frac{\Delta P_k}{\text{PAE}_k}} \times 100%$$

  3. Quan hệ giữa công suất phát và cự ly hoạt động ($R$):

    • Đối với hệ thống thông tin vô tuyến (phương trình truyền Friis): $$P_t = P_{t\max} \left(\frac{R}{R_{\max}}\right)^2$$
    • Đối với hệ thống ra-đa (phương trình tầm quét ra-đa): $$P_t = P_{t\max} \left(\frac{R}{R_{\max}}\right)^4$$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng thời ba phương pháp nghiên cứu chính:

  • Phương pháp khảo sát, phân tích lý thuyết: Phân tích đặc tính làm việc của mạng ăng-ten, ảnh hưởng của sai số pha, phân bố biên độ Taylor/Chebyshev và đặc tuyến dòng điện $I_{DS} - V_{GS}$, $V_{DS}$ của linh kiện bán dẫn GaN HEMT.
  • Phương pháp mô phỏng số chuyên dụng: Sử dụng phần mềm ADS (Advanced Design System) để thực hiện mô phỏng Load-Pull / Source-Pull nhằm tìm trở kháng tải tối ưu $Z_{L_opt}$ và trở kháng nguồn $Z_{S_opt}$, thiết kế mạng phối hợp trở kháng đầu vào (IMN) và đầu ra (OMN) triệt tiêu sóng hài bậc cao ($2f_0, 3f_0$), mô phỏng tham số $S$ ($S_{11}, S_{21}, S_{12}, S_{22}$), hệ số ổn định ($\mu$) và hiệu suất tín hiệu lớn.
  • Phương pháp thực nghiệm và đo lường: Chế tạo mạch in vi dải (Microstrip Line - MLIN) sử dụng linh kiện đóng vỏ thương mại (COTS), đo kiểm thực tế trên các thiết bị đo lường chuyên dụng cao tần tại Bộ môn Công nghệ điện tử và Trung tâm Kỹ thuật Viễn thông (Học viện Kỹ thuật Quân sự).

Nguồn tư liệu và linh kiện sử dụng

  • Linh kiện bán dẫn: Transistor GaN HEMT TGF2977-SM của hãng Qorvo.
  • Linh kiện điều khiển suy giảm: Bộ suy giảm số RFSA3714 (Qorvo), HMC425A (Analog Devices).
  • Dữ liệu đo kiểm tham số thực nghiệm: Dữ liệu đo lường trực tiếp các dạng sóng phát (xung đơn, mã pha Barker, nhảy tần, FMCW) và các tham số tán xạ RF.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mô-đun thu phát cho các hệ thống mạng pha tích cực

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về HTMPTC và HTMPTC đa chức năng, so sánh giữa hệ thống mạng pha thụ động (PESA) và mạng pha tích cực (AESA). Phân tích cấu trúc kinh điển của MĐTP tương tự và MĐTP số.

Luận án chỉ ra mối quan hệ định lượng giữa số lượng bit điều khiển của bộ xoay pha và góc hướng quét búp sóng đầu tiên khi khoảng cách giữa các chấn tử $d = \lambda/2$:

Số bit bộ xoay pha Bước nhảy pha $\Delta \theta$ (độ) Góc hướng đầu tiên $\theta_1$ (độ)
4 bit 22,5 7,181
5 bit 11,25 3,583
6 bit 5,625 1,791
7 bit 2,812 0,895
8 bit 1,406 0,448

Chương này cũng phân tích hiện tượng xoay pha ký sinh của bộ suy giảm số; ví dụ bộ suy giảm RFSA3714 gây ra góc xoay pha tăng dần theo tần số và mức suy giảm, đạt mức lệch pha lên tới $50^\circ$ ở tần số $4\text{ GHz}$ tại mức suy giảm $32\text{ dB}$. Đồng thời, phân tích sự biến thiên công suất trên mảng phẳng $16 \times 16$ sử dụng phân bố Taylor ($\bar{n} = 3$, mức búp sóng bên $-25\text{ dB}$), trong đó chấn tử ở rìa có biên độ chuẩn hóa chỉ bằng $0,1314$ so với chấn tử ở tâm (tương đương dải biến thiên công suất $17,63\text{ dB}$), chứng minh sự cần thiết phải nâng cao hiệu suất bộ KĐCS ở chế độ lùi công suất.

Chương 2: Bộ suy giảm số kết hợp xoay pha tín hiệu

Chương 2 trình bày giải pháp cấu trúc mạch suy giảm số kết hợp xoay pha tín hiệu dựa trên việc điều khiển kết hợp hai nhánh vector (sử dụng hybrid coupler hoặc mạng suy giảm điều khiển số đa nhánh) từ các linh kiện đóng vỏ COTS.

Luận án xây dựng thuật toán và lưu đồ xác định các cặp hệ số suy giảm phù hợp nhằm điều khiển đồng thời biên độ và góc pha. Kết quả thiết kế, mô phỏng và đo lường thử nghiệm ở dải tần băng C cho thấy:

  • Cấu trúc mạch sử dụng bộ suy giảm số 7 bit cho phép thực hiện dải xoay pha từ $0^\circ$ đến $45^\circ$.
  • Độ phân giải xoay pha đạt được tương đương với bộ xoay pha 7 bit và 8 bit chuyên dụng với sai số góc pha nhỏ hơn $0,5^\circ - 1^\circ$.
  • Giữ nguyên được độ phân giải và dải động suy giảm biên độ thiết lập ban đầu.
  • Cho phép bù triệt để lượng dịch pha ký sinh do chính bộ suy giảm gây ra và hiệu chuẩn sai lệch pha ban đầu giữa các kênh MĐTP trong hệ thống mà không cần mua các bộ xoay pha thương mại đắt tiền.

Chương 3: Bộ khuếch đại công suất hiệu suất cao cho mô-đun thu phát của hệ thống mạng pha tích cực

Chương 3 tập trung nghiên cứu, thiết kế bộ KĐCS công nghệ GaN hoạt động ở chế độ Class-AB kết hợp mạng phối hợp trở kháng triệt sóng hài (theo nguyên lý Class-F) và kỹ thuật điều chế điện áp nguồn cực máng (Supply Modulation).

  • Thiết kế mạch: Luận án sử dụng bóng bán dẫn GaN HEMT TGF2977-SM của hãng Qorvo. Sử dụng công cụ mô phỏng Load-Pull/Source-Pull trên ADS để xác định trở kháng tối ưu tại tần số cơ bản $f_0$, ngắn mạch hài bậc 2 ($2f_0$) và hở mạch hài bậc 3 ($3f_0$) trên đồ thị Smith.
  • Hai phương án thiết kế:
    • Bộ KĐCS thứ nhất: Thiết kế tối ưu hóa mạng IMN/OMN vi dải ở chế độ Class-AB thiên áp cực cổng $V_{GS}$ và cực máng $V_{DS}$.
    • Bộ KĐCS thứ hai: Tích hợp kỹ thuật điều chế nguồn $V_{DS}$ biến thiên linh hoạt theo mức công suất yêu cầu.
  • Kết quả đạt được:
    • Hiệu suất cộng công suất $\text{PAE}$ đạt trên $54%$ trong dải lùi công suất $6\text{ dB}$ (back-off) khi áp dụng điều chế nguồn (so với việc sụt giảm sâu khi giữ áp $V_{DS}$ cố định).
    • Duy trì $\text{PAE} > 35%$ trên toàn dải tần số từ $9\text{ GHz}$ đến $10\text{ GHz}$.
    • Đánh giá trên mạng ăng-ten đường thẳng và mảng phẳng $16 \times 16$: Kết quả mô phỏng với các phân bố biên độ (Taylor, Chebyshev) và các mức suy giảm công suất phát theo cự ly khẳng định kỹ thuật điều chế nguồn giúp nâng cao rõ rệt hiệu suất năng lượng toàn hệ thống, giảm tải cho hệ thống làm mát.

Chương 4: Cấu trúc mô đun thu phát giao tiếp số cho hệ thống mạng pha tích cực đa chức năng

Chương 4 đề xuất cấu trúc hoàn chỉnh của MĐTP giao tiếp số phục vụ cho HTMPTC đa chức năng. Cấu trúc tích hợp bộ suy giảm kết hợp xoay pha (Chương 2), bộ KĐCS GaN điều chế nguồn (Chương 3) và khối tổng hợp tín hiệu phát phối hợp giữa bộ tổng hợp số trực tiếp (DDS) và bộ điều chế I/Q.

Các kết quả chế tạo mẫu thử nghiệm và đo kiểm chức năng tạo dạng sóng:

  • Tín hiệu xung đơn: Tạo thành công xung trung tần có độ rộng và chu kỳ lặp điều khiển chính xác.
  • Tín hiệu điều chế mã pha: Tổng hợp tín hiệu mã pha nhị phân Barker 7 bit với độ rộng xung điều chế hẹp đạt $96\text{ ns}$.
  • Tín hiệu nhảy tần: Thực hiện chuyển đổi tần số nhanh từ xung sang xung (pulse-to-pulse frequency hopping).
  • Tín hiệu điều tần liên tục băng thông rộng (FMCW): Tạo dạng sóng quét tần tuyến tính với độ sạch phổ cao.
  • Khả năng điều khiển quét búp sóng: Thử nghiệm điều khiển biên độ và góc pha trên mô hình mảng ăng-ten đường thẳng 16 chấn tử cách đều $\lambda/2$, chứng minh khả năng định hình búp sóng chính và hạ thấp búp sóng bên theo đúng các trọng số lý thuyết.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt học thuật và kỹ thuật

  1. Đề xuất cấu trúc bộ suy giảm số kết hợp xoay pha tín hiệu: Phát triển giải pháp phần cứng và thuật toán điều khiển sử dụng linh kiện đóng vỏ thương mại COTS, cho phép thực hiện đồng thời hai chức năng suy giảm biên độ và xoay pha với độ phân giải cao ($7 - 8\text{ bit}$, dải xoay pha $0 - 45^\circ$, sai số $\le 1^\circ$), loại bỏ hiện tượng xoay pha ký sinh và hỗ trợ hiệu chuẩn sai lệch pha giữa các kênh MĐTP.
  2. Nghiên cứu, thiết kế bộ KĐCS GaN điều chế nguồn hiệu suất cao: Thiết kế thành công bộ KĐCS GaN HEMT Class-AB kết hợp triệt hài và điều chế điện áp nguồn cực máng, duy trì hiệu suất $\text{PAE} > 54%$ trong dải lùi công suất $6\text{ dB}$ và $\text{PAE} > 35%$ trong dải tần $9 - 10\text{ GHz}$, giải quyết bài toán suy giảm hiệu suất do phân bố mặt mở và thay đổi cự ly phát.
  3. Xây dựng cấu trúc MĐTP giao tiếp số cho HTMPTC đa chức năng: Đề xuất và thử nghiệm cấu trúc kết hợp giữa bộ DDS và bộ điều chế I/Q, đáp ứng khả năng tạo đa dạng các dạng sóng vô tuyến (xung đơn, mã pha Barker $96\text{ ns}$, nhảy tần, FMCW) và điều khiển búp sóng phát linh hoạt.

Giải pháp và kiến nghị

  • Ứng dụng cấu trúc bộ suy giảm kết hợp xoay pha từ linh kiện COTS để hạ giá thành sản xuất MĐTP trong các dự án ra-đa và truyền thông mảng pha trong nước.
  • Ứng dụng kỹ thuật KĐCS điều chế nguồn cho các trạm AESA công suất lớn nhằm giảm thể tích khối tản nhiệt và nâng cao chỉ số MTTF của toàn trạm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các thử nghiệm phần cứng mới được tiến hành ở dải tần số dưới $10\text{ GHz}$ (băng C và băng X) trên nền bo mạch in vi dải PCB và linh kiện COTS, chưa thực hiện ở mức vi mạch tích hợp nguyên khối (MMIC/ASIC).
  • Mô hình thử nghiệm mảng pha thực tế mới dừng lại ở cấu hình thực nghiệm đường thẳng 16 phần tử và tính toán mô phỏng mảng phẳng $16 \times 16$, chưa thử nghiệm trên hệ thống mảng pha quy mô hàng nghìn phần tử thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu tích hợp các giải pháp mạch đề xuất lên các vi mạch chuyên dụng (ASIC/MMIC) để giảm kích thước và ứng dụng cho các dải tần số cao hơn (trên $30\text{ GHz}$, băng tần sóng milimet).
  • Phát triển các thuật toán điều khiển số thời gian thực và xử lý đồng bộ đa kênh tự động cho các hệ thống mảng pha kích thước lớn.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Luận án là tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp phân tích, mô phỏng Load-Pull/triệt hài trên ADS, lý thuyết tổng hợp búp sóng mảng pha, và thiết kế mạch cao tần sử dụng công nghệ bán dẫn GaN.
  • Đối với kỹ sư và cán bộ nghiên cứu phát triển (R&D): Cung cấp các sơ đồ nguyên lý, số liệu thiết kế mạng phối hợp trở kháng IMN/OMN vi dải, thuật toán điều khiển cặp suy giảm số để xoay pha, và cấu trúc phối hợp DDS - bộ điều chế I/Q có khả năng ứng dụng trực tiếp vào chế tạo các hệ thống ra-đa mảng pha 3D, thiết bị tác chiến điện tử và trạm thu phát thông tin mảng pha.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống mạng pha tích cực (HTMPTC) khác biệt như thế nào so với hệ thống mạng pha thụ động (HTMPTĐ)?

Trong HTMPTĐ (PESA), hệ thống sử dụng một bộ khuếch đại công suất lớn tập trung và các bộ xoay pha ferrite đặt trong ống dẫn sóng ở từng chấn tử; thời gian chuyển trạng thái của ferrite chậm khiến tốc độ quét búp sóng bị hạn chế. Ngược lại, trong HTMPTC (AESA), mỗi phần tử ăng-ten được gắn riêng một MĐTP chứa bộ KĐCS và LNA riêng; bộ xoay pha hoạt động ở mức công suất thấp (dùng diode hoặc bán dẫn trường FET) cho phép thay đổi pha và hướng búp sóng với tốc độ cao và độ tin cậy vượt trội.

2. Hiện tượng xoay pha ký sinh của bộ suy giảm số được luận án giải quyết bằng cách nào?

Các bộ suy giảm số COTS thường làm biến đổi góc pha của tín hiệu khi thay đổi mức suy giảm (ví dụ RFSA3714 làm dịch pha tới $50^\circ$ ở $4\text{ GHz}$, $32\text{ dB}$). Luận án giải quyết vấn đề này bằng cách đề xuất cấu trúc mạch phối hợp hai bộ suy giảm số 7 bit trên hai nhánh vector kết hợp thuật toán tính toán các cặp mức suy giảm, cho phép điều chỉnh biên độ đồng thời bù trừ chính xác góc pha bị dịch, đạt độ phân giải pha mịn tương đương bộ xoay pha $7 - 8\text{ bit}$ với sai số dưới $1^\circ$.

3. Bộ khuếch đại công suất GaN trong luận án đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật nào?

Bộ KĐCS sử dụng transistor GaN HEMT TGF2977-SM, hoạt động ở chế độ Class-AB kết hợp mạng phối hợp trở kháng triệt sóng hài bậc 2 ($2f_0$) và bậc 3 ($3f_0$). Khi tích hợp kỹ thuật điều chế điện áp cực máng (Supply Modulation), bộ khuếch đại duy trì hiệu suất cộng công suất $\text{PAE} > 54%$ trong dải lùi công suất đầu ra $6\text{ dB}$ (back-off) và đạt $\text{PAE} > 35%$ trong toàn dải tần $9 - 10\text{ GHz}$.

4. Khối tạo tín hiệu phát số kết hợp DDS và bộ điều chế I/Q đã thử nghiệm thành công những dạng tín hiệu nào?

Luận án đã chế tạo mẫu và đo kiểm thực nghiệm thành công 4 dạng tín hiệu phát:

  • Tín hiệu trung tần phát dạng xung đơn.
  • Tín hiệu điều chế mã pha nhị phân Barker 7 bit với độ rộng xung hẹp $96\text{ ns}$.
  • Tín hiệu nhảy tần nhanh từ xung sang xung (pulse-to-pulse).
  • Tín hiệu điều tần liên tục băng thông rộng (FMCW).

5. Vì sao việc nâng cao hiệu suất PAE của bộ KĐCS lại có ý nghĩa quyết định đối với chất lượng HTMPTC?

Bộ KĐCS là thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong MĐTP. Khi hiệu suất PAE thấp, phần lớn công suất DC chuyển hóa thành nhiệt năng tiêu tán, làm tăng nhiệt độ kênh của linh kiện bán dẫn (giới hạn chịu nhiệt của quy trình QGaN25 là $225^\circ\text{C}$, nhưng khuyến cáo làm việc ở mức $85^\circ\text{C}$ đối với TGF2977-SM). Nhiệt lượng cao làm giảm chỉ số thời gian hỏng hóc trung bình (MTTF), gây áp lực nặng nề lên hệ thống làm mát trong không gian lắp đặt $\lambda/2$ chật hẹp, đồng thời làm tăng tạp âm nhiệt của khối LNA ở tuyến thu bên cạnh.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Phạm Cao Đại đã giải quyết một cách có hệ thống các thách thức kỹ thuật trọng yếu trong việc nâng cao chất lượng mô-đun thu phát cho hệ thống mạng pha tích cực. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa phân tích lý thuyết, mô phỏng chuyên sâu và chế tạo đo kiểm thực nghiệm, công trình đã đóng góp 3 giải pháp kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao: cấu trúc bộ suy giảm số kết hợp xoay pha phân giải cao giá thành thấp, bộ khuếch đại công suất GaN điều chế nguồn duy trì hiệu suất cao ở chế độ lùi công suất, và cấu trúc MĐTP giao tiếp số đa chức năng kết hợp DDS cùng bộ điều chế I/Q. Toàn bộ các kết quả đạt được tạo cơ sở kỹ thuật vững chắc cho việc làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo mô-đun thu phát mảng pha tích cực phục vụ cả mục đích quốc phòng và dân sự trong điều kiện công nghệ trong nước.