Nghiên Cứu Nâng Cao Chất Lượng Mô-Đun Thu Phát Dùng Cho Hệ Thống Mạng Pha Tích Cực

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu Nghiên cứu nâng cao chất lượng mô đun thu phát dùng cho hệ thống mạng pha tích cực luận án tiến sĩ, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý

• Tác giả: Phạm Cao Đại
• Người hướng dẫn: TS. Lê Đại Phong
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Quân sự
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nâng Cao Chất Lượng Mô-Đun Thu Phát Trong Hệ Thống Mạng Pha Tích Cực
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Đun Thu Phát Cho Mạng Pha Tích Cực

Các mô-đun thu/phát (MĐTP) đóng vai trò then chốt trong mọi hệ thống vô tuyến, thực hiện chức năng thu và phát tín hiệu qua ăng-ten. Sự phát triển của công nghệ vi mạch bán dẫn đã thúc đẩy việc nghiên cứu và thiết kế MĐTP với hiệu năng và độ tích hợp cao hơn. Điều này mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi công nghệ ăng-ten mạng pha tích cực (ATMPTC), từ các hệ thống radar truyền thống đến các ứng dụng hiện đại như mạng cảm biến không dây (WSN) và Internet vạn vật (IoT). ATMPTC mang lại khả năng cấu hình linh hoạt và thực hiện đồng thời nhiều chức năng, tuy nhiên, việc phát triển ATMPTC cũng đặt ra nhiều thách thức về công nghệ và chi phí. Số lượng lớn MĐTP trong một hệ thống ATMPTC tạo ra sự phức tạp trong điều khiển và đồng bộ, đòi hỏi thiết kế và chế tạo chính xác. Nghiên cứu nâng cao chất lượng MĐTP, thành phần cơ bản của HTMPTC, là một ưu tiên hàng đầu.

1.1. Ưu điểm và Ứng dụng của Hệ Thống Mạng Pha Tích Cực

Hệ thống mạng pha tích cực (HTMPTC) nổi bật với khả năng cấu hình mềm dẻo, thông minh nhờ cấu trúc mô-đun hóa và khả năng tổng hợp, quét búp sóng điện tử linh hoạt. Nhờ đó, HTMPTC có thể thực hiện đồng thời nhiều chức năng khác nhau như radar, thông tin, tác chiến điện tử. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong các hệ thống vô tuyến hiện đại. Tuy nhiên, việc tích hợp số lượng lớn MĐTP vào hệ thống đặt ra những thách thức về công nghệ và chi phí, đòi hỏi các giải pháp sáng tạo để vượt qua những rào cản này.

1.2. Cấu Trúc và Chức Năng Cơ Bản của Mô Đun Thu Phát

Mô-đun thu phát (MĐTP) là thành phần cốt lõi của HTMPTC, đảm nhận vai trò chuyển đổi tín hiệu giữa miền điện và miền không gian. MĐTP bao gồm các khối chức năng như bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) cho thu, bộ khuếch đại công suất (PA) cho phát, bộ trộn tần, bộ lọc và các mạch điều khiển. Việc điều khiển chính xác các tham số pha và biên độ của tín hiệu thu/phát trong từng MĐTP là yếu tố then chốt để đảm bảo khả năng tổng hợp và quét búp sóng hiệu quả của toàn hệ thống. Do đó, thiết kế MĐTP đòi hỏi sự tối ưu hóa đồng thời nhiều yếu tố như hiệu suất, độ tuyến tính và kích thước.

II. Thách Thức Nâng Cao Chất Lượng Mô Đun Thu Phát

Để nâng cao chất lượng MĐTP, cần giải quyết các bài toán về phạm vi, độ phân giải và độ chính xác của mức biên độ, cũng như độ phân giải và độ chính xác góc xoay pha tín hiệu. Việc bố trí MĐTP trên mặt mở ăng-ten, với không gian hạn chế, đặt ra yêu cầu khắt khe về kích thước và hiệu suất. Đồng thời, việc sử dụng ATMPTC mang đến những thách thức về công nghệ, độ phức tạp, và chi phí phát triển so với các hệ thống thông thường. Các nghiên cứu hiện tại vẫn tập trung vào việc tìm kiếm các giải pháp mới để cải thiện hiệu suất và giảm thiểu chi phí, mở đường cho việc ứng dụng HTMPTC rộng rãi hơn.

2.1. Yêu Cầu Kỹ Thuật Đối Với Mô Đun Thu Phát Hiện Đại

Mô-đun thu phát (MĐTP) hiện đại cần đáp ứng nhiều yêu cầu khắt khe về hiệu năng và kích thước. Bên cạnh khả năng xử lý tín hiệu băng thông rộng và tốc độ cao, MĐTP còn phải đảm bảo độ chính xác và ổn định trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Việc tích hợp các chức năng xử lý tín hiệu số (DSP) vào MĐTP cũng là một xu hướng quan trọng, giúp tăng cường khả năng cấu hình và thích ứng của hệ thống. Ngoài ra, yêu cầu về tiêu thụ điện năng thấp cũng là một yếu tố then chốt, đặc biệt trong các ứng dụng di động và cảm biến.

2.2. Các Vấn Đề Về Kích Thước và Tản Nhiệt Trong Thiết Kế MĐTP

Kích thước và tản nhiệt là hai vấn đề nan giải trong thiết kế MĐTP, đặc biệt khi tích hợp nhiều chức năng vào một chip duy nhất. Việc thu nhỏ kích thước đòi hỏi sử dụng các công nghệ vi mạch tiên tiến và các kỹ thuật đóng gói hiệu quả. Đồng thời, cần có các giải pháp tản nhiệt hiệu quả để đảm bảo MĐTP hoạt động ổn định và bền bỉ. Các kỹ thuật tản nhiệt như sử dụng vật liệu dẫn nhiệt tốt, thiết kế cấu trúc tản nhiệt tối ưu và sử dụng hệ thống làm mát bằng chất lỏng đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi.

2.3. Độ Chính Xác và Độ Ổn Định Của Góc Xoay Pha Tín Hiệu

Trong HTMPTC, độ chính xác và độ ổn định của góc xoay pha tín hiệu là yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng định hướng và tập trung năng lượng của búp sóng. Sai sót nhỏ trong góc xoay pha có thể dẫn đến sự suy giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống. Do đó, việc thiết kế các bộ xoay pha có độ chính xác cao, độ ổn định tốt và khả năng bù trừ các yếu tố gây sai sót như nhiệt độ và điện áp là một thách thức lớn trong thiết kế MĐTP.

III. Giải Pháp Nâng Cao Hiệu Suất Bộ Khuếch Đại Công Suất KĐCS

Việc nâng cao hiệu suất bộ khuếch đại công suất (KĐCS) là một yếu tố quan trọng để cải thiện hiệu quả tổng thể của HTMPTC. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng các bóng bán dẫn GaN HEMT và kỹ thuật điều chế nguồn để tối ưu hóa hiệu suất. Phân tích và đánh giá hiệu suất của hệ thống dựa trên mạng ăng-ten dạng đường thẳng và mạng ăng-ten mạng pha phẳng hình chữ nhật cho thấy tiềm năng cải thiện hiệu suất đáng kể khi sử dụng các kỹ thuật này. Các kết quả cho thấy hiệu quả của việc điều chế nguồn trong việc cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

3.1. Sử Dụng Bóng Bán Dẫn GaN HEMT để Tăng Hiệu Suất KĐCS

Bóng bán dẫn GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor) đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong thiết kế bộ khuếch đại công suất (KĐCS) nhờ khả năng hoạt động ở tần số cao, điện áp lớn và nhiệt độ cao. So với các công nghệ bán dẫn truyền thống như Si và GaAs, GaN HEMT cho phép thiết kế KĐCS với hiệu suất cao hơn, độ tuyến tính tốt hơn và kích thước nhỏ gọn hơn. Việc lựa chọn và tối ưu hóa các tham số của bóng bán dẫn GaN HEMT là một yếu tố quan trọng để đạt được hiệu suất cao nhất cho KĐCS.

3.2. Kỹ Thuật Điều Chế Nguồn Để Tối Ưu Hóa Hiệu Suất KĐCS

Kỹ thuật điều chế nguồn (Envelope Tracking) là một phương pháp hiệu quả để cải thiện hiệu suất của bộ khuếch đại công suất (KĐCS) trong các hệ thống truyền thông hiện đại. Thay vì sử dụng điện áp nguồn cố định, kỹ thuật này điều chỉnh điện áp nguồn của KĐCS theo biên độ của tín hiệu đầu vào, giúp KĐCS hoạt động gần điểm tối ưu hiệu suất hơn. Điều này giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng hiệu suất tổng thể của hệ thống. Việc thiết kế mạch điều chế nguồn và đồng bộ hóa nó với tín hiệu đầu vào là một thách thức kỹ thuật quan trọng.

3.3. Phân Tích Hiệu Suất Hệ Thống với Mạng Ăng Ten Khác Nhau

Hiệu suất của hệ thống mạng pha tích cực (HTMPTC) phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hiệu suất của bộ khuếch đại công suất (KĐCS), cấu trúc mạng ăng-ten và phương pháp điều khiển búp sóng. Việc phân tích hiệu suất của hệ thống với các loại mạng ăng-ten khác nhau, chẳng hạn như mạng ăng-ten dạng đường thẳng và mạng ăng-ten mạng pha phẳng hình chữ nhật, giúp xác định cấu trúc tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể. Ngoài ra, việc phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như kích thước mảng ăng-ten và phân bố công suất cũng rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất tổng thể của hệ thống.

IV. Cấu Trúc Mô Đun Thu Phát Giao Tiếp Số Cho Mạng Đa Chức Năng

Nghiên cứu đề xuất một cấu trúc mô-đun thu phát số mới, tập trung vào việc điều khiển các tham số pha và biên độ của tín hiệu phát. Cấu trúc này kết hợp bộ tổng hợp số trực tiếp (DDS) và bộ điều chế I/Q, cho phép tạo ra các dạng tín hiệu phát đa dạng như tín hiệu xung đơn, tín hiệu điều chế mã pha, tín hiệu nhảy tần, và tín hiệu băng thông rộng. Thử nghiệm cho thấy khả năng điều khiển pha và biên độ linh hoạt, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các hệ thống mạng pha tích cực đa chức năng.

4.1. Mô Tả Cấu Trúc và Các Thành Phần Chính của MĐTP Số

Cấu trúc mô-đun thu phát (MĐTP) số bao gồm các thành phần chính như bộ chuyển đổi số-tương tự (DAC), bộ lọc, bộ khuếch đại và các mạch điều khiển số. Tín hiệu số được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự, sau đó được lọc và khuếch đại trước khi phát ra ăng-ten. Các mạch điều khiển số cho phép điều chỉnh các tham số như tần số, biên độ và pha của tín hiệu phát một cách chính xác và linh hoạt. Việc tích hợp các chức năng xử lý tín hiệu số (DSP) vào MĐTP giúp tăng cường khả năng cấu hình và thích ứng của hệ thống.

4.2. Điều Khiển Tham Số Pha và Biên Độ Của Tín Hiệu Phát

Khả năng điều khiển chính xác các tham số pha và biên độ của tín hiệu phát là yếu tố then chốt để đảm bảo khả năng định hướng và tập trung năng lượng của búp sóng trong HTMPTC. Việc sử dụng các bộ điều chế I/Q (In-Phase/Quadrature) và các bộ suy giảm số cho phép điều chỉnh pha và biên độ của tín hiệu một cách độc lập và linh hoạt. Các thuật toán điều khiển pha và biên độ cần được thiết kế sao cho đảm bảo độ chính xác cao, độ ổn định tốt và khả năng bù trừ các yếu tố gây sai sót.

4.3. Thử Nghiệm Khả Năng Tổng Hợp Các Dạng Tín Hiệu Phát Đa Dạng

Khả năng tổng hợp các dạng tín hiệu phát đa dạng là một yêu cầu quan trọng đối với MĐTP trong các hệ thống đa chức năng. MĐTP cần có khả năng tạo ra các tín hiệu như tín hiệu xung đơn, tín hiệu điều chế mã pha, tín hiệu nhảy tần và tín hiệu băng thông rộng. Việc thử nghiệm khả năng tổng hợp các dạng tín hiệu này giúp đánh giá hiệu năng và tính linh hoạt của MĐTP. Các kết quả thử nghiệm cần được phân tích và đánh giá để xác định các hạn chế và cải tiến cần thiết.

V. Bộ Suy Giảm Số Kết Hợp Xoay Pha Tín Hiệu Giải Pháp Mới

Bài viết giới thiệu một cấu trúc bộ suy giảm số kết hợp xoay pha tín hiệu, giúp nâng cao độ phân giải bộ xoay pha. Thiết kế này dựa trên cấu trúc đề xuất và được đánh giá qua thiết kế thử nghiệm. Các kết quả mô phỏng và đo lường cho thấy cấu trúc này có tiềm năng cải thiện đáng kể hiệu suất và độ chính xác của bộ xoay pha, đóng góp vào việc nâng cao chất lượng MĐTP.

5.1. Cấu Trúc và Nguyên Lý Hoạt Động của Bộ Suy Giảm Số

Bộ suy giảm số là một thành phần quan trọng trong các hệ thống xử lý tín hiệu, cho phép điều chỉnh biên độ của tín hiệu một cách chính xác và linh hoạt. Bộ suy giảm số thường được xây dựng dựa trên các mạch chuyển mạch và các điện trở có giá trị khác nhau, cho phép tạo ra nhiều mức suy giảm khác nhau. Việc điều khiển các chuyển mạch được thực hiện bằng tín hiệu số, giúp đảm bảo độ chính xác và độ ổn định của mức suy giảm. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ suy giảm số cần được thiết kế sao cho đáp ứng các yêu cầu về băng thông, độ tuyến tính và độ méo.

5.2. Giải Pháp Nâng Cao Độ Phân Giải Bộ Xoay Pha Tín Hiệu

Độ phân giải của bộ xoay pha tín hiệu là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng định hướng và tập trung năng lượng của búp sóng trong HTMPTC. Để nâng cao độ phân giải của bộ xoay pha, có thể sử dụng các kỹ thuật như tăng số lượng các mức pha, sử dụng các mạch nội suy và sử dụng các thuật toán điều khiển pha tiên tiến. Việc lựa chọn và tối ưu hóa các kỹ thuật này cần được thực hiện dựa trên các yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

5.3. Đánh Giá Hiệu Quả của Cấu Trúc Đề Xuất Qua Thiết Kế Thử Nghiệm

Để đánh giá hiệu quả của cấu trúc đề xuất, cần thực hiện thiết kế thử nghiệm và tiến hành các phép đo và mô phỏng. Các kết quả thu được cần được phân tích và so sánh với các cấu trúc truyền thống để xác định ưu điểm và nhược điểm của cấu trúc đề xuất. Các thông số cần được đánh giá bao gồm độ chính xác, độ ổn định, băng thông, độ tuyến tính và độ méo.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Mạng Tích Cực

Nghiên cứu này đã tập trung vào việc nâng cao chất lượng mô-đun thu phát cho hệ thống mạng pha tích cực, một lĩnh vực đầy tiềm năng với nhiều ứng dụng quan trọng. Các kết quả đạt được, đặc biệt là trong việc cải thiện hiệu suất bộ khuếch đại công suất và thiết kế cấu trúc mô-đun thu phát số, đã đóng góp vào sự phát triển của công nghệ này. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tích hợp các giải pháp này vào một hệ thống hoàn chỉnh, cũng như khám phá các kỹ thuật mới để giảm thiểu kích thước và chi phí của MĐTP.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính Đã Đạt Được

Trong quá trình nghiên cứu, đã đạt được nhiều kết quả quan trọng trong việc nâng cao chất lượng mô-đun thu phát (MĐTP) cho hệ thống mạng pha tích cực (HTMPTC). Các kết quả này bao gồm việc cải thiện hiệu suất của bộ khuếch đại công suất (KĐCS) bằng cách sử dụng bóng bán dẫn GaN HEMT và kỹ thuật điều chế nguồn, thiết kế cấu trúc MĐTP số mới cho phép điều khiển pha và biên độ linh hoạt, và phát triển cấu trúc bộ suy giảm số kết hợp xoay pha tín hiệu giúp nâng cao độ phân giải bộ xoay pha. Các kết quả này đã được chứng minh bằng các mô phỏng và thử nghiệm thực tế.

6.2. Các Hạn Chế Của Nghiên Cứu và Đề Xuất Giải Pháp Khắc Phục

Mặc dù đã đạt được nhiều kết quả quan trọng, nghiên cứu vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục trong tương lai. Một trong những hạn chế đó là chi phí cao của các linh kiện GaN HEMT, gây khó khăn cho việc triển khai các hệ thống HTMPTC quy mô lớn. Một hạn chế khác là độ phức tạp trong thiết kế và điều khiển các hệ thống HTMPTC đa chức năng. Để khắc phục các hạn chế này, cần tiếp tục nghiên cứu các công nghệ mới để giảm chi phí linh kiện và phát triển các thuật toán điều khiển thông minh.

6.3. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Tiếp Theo Cho HTMPTC

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo cho hệ thống mạng pha tích cực (HTMPTC) bao gồm việc tích hợp các giải pháp đã đạt được vào một hệ thống hoàn chỉnh, khám phá các kỹ thuật mới để giảm thiểu kích thước và chi phí của MĐTP, và nghiên cứu các ứng dụng mới của HTMPTC trong các lĩnh vực như thông tin di động thế hệ mới, radar ô tô và cảm biến y tế. Ngoài ra, cần tiếp tục nghiên cứu các thuật toán điều khiển thông minh để tăng cường khả năng cấu hình và thích ứng của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1. 32 Chương 2 BỘ SUY GIẢM SỐ KẾT HỢP XOAY PHA TÍN HIỆU. Bộ suy giảm số kết hợp xoay pha tín hiệu. Giải pháp nâng cao độ phân giải bộ xoay pha tín hiệu.

Cấu trúc đề xuất của bộ suy giảm số kết hợp xoay pha tín hiệu. Hiệu quả của cấu trúc đề xuất qua thiết kế thử nghiệm. Mô tả thiết kế thử nghiệm. Các kết quả mô phỏng, đánh giá.

Các kết quả đo lường, thử nghiệm. Kết luận chương 2. 55 Chương 3 BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT HIỆU SUẤT CAO CHO MÔ- ĐUN THU PHÁT CỦA HỆ THỐNG MẠNG PHA TÍCH CỰC. Yêu cầu thiết kế và lựa chọn linh kiện và phương pháp thiết kế.

Thiết kế bộ khuếch đại công suất thứ nhất. Mô tả thiết kế. Kết quả mô phỏng, đánh giá hiệu suất của bộ KĐCS thứ nhất. Thiết kế bộ khuếch đại công suất thứ hai.

Mô tả thiết kế. Kết quả mô phỏng hiệu suất của bộ KĐCS thứ hai. Hiệu quả cải thiện hiệu suất công suất của hệ thống. Hệ thống sử dụng mạng ăng-ten dạng đường thẳng.

Hệ thống sử dụng mạng ăng-ten mạng pha phẳng hình chữ nhật. 86 a) Phân tích, đánh giá theo kích thước mạng và phân phố công suất. 87 b) Phân tích, đánh giá theo mức công suất hệ thống. Kết luận chương 3.

92 Chương 4 CẤU TRÚC MÔ ĐUN THU PHÁT GIAO TIẾP SỐ CHO HỆ THỐNG MẠNG PHA TÍCH CỰC ĐA CHỨC NĂNG. Cấu trúc mô-đun thu phát số đề xuất. Mô tả cấu trúc và các thành phần chính. Điều khiển tham số pha, biên độ của tín hiệu phát.

97 a) Chế độ tạo tín hiệu phát. 97 b) Nguyên lý và khả năng điều khiển pha và biên độ của tín hiệu phát của chế độ tạo tín hiệu phát kết hợp cả hai bộ DDS và bộ điều chế I/Q. Thử nghiệm các thành phần tổng hợp tín hiệu phát. Thử nghiệm khả năng tổng hợp các dạng tín hiệu phát.

107 a) Tổng hợp tín hiệu trung tần phát dạng xung đơn. 107 b) Tổng hợp tín hiệu điều chế mã pha. 108 c) Tổng hợp tín hiệu nhảy tần. 109 d) Tổng hợp tín hiệu phát băng thông rộng.

Thử nghiệm khả năng xoay pha và điều khiển biên độ. Nhận xét kết quả thử nghiệm. Kết luận chương 4. 115 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU.

116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ. 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO. I DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT a) Chữ viết tắt tiếng Việt Từ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh ATMPTC Ăng-ten mạng pha tích cực Active Phased-Array Antenna HSKĐ Hệ số khuếch đại Gain HTMPTC Hệ thống mạng pha tích cực Active Phased-Array System HTMPTĐ Hệ thống mạng pha quét Passive Phased-Array System điện tử thụ động KĐCS Khuếch đại công suất Power Amplifier MĐTP Mô-đun thu phát Transceiver Module b) Chữ viết tắt tiếng Anh Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AESA Active Electronically Mạng pha tích cực quét búp Scanned Array sóng điện tử BB BaseBand Băng tần gốc (băng tần cơ sở) COTS Commercial off-the-shelf Linh kiện đóng vỏ thương mại DAC Digital-Analog Converter Bộ biến đổi số-tương tự DDS Direct Digital Synthesis Bộ tổng hợp số trực tiếp I/Q In-Phase/Quadrature Đồng pha/Vuông pha IF Intermediate frequency Trung tần IMN Input Matching Network Mạng phối hợp trở kháng đầu vào IoT Internet of Things Internet vạn vật IRM Image Reject Mixers Bộ trộn tần chống nhiễu ảnh IRR Image Rejection Ratio Hệ số (tỉ số) chống nhiễu ảnh LIF Low Intermediate Frequency Tần số trung tần thấp LMT Limitter Bộ giới hạn bảo vệ máy thu ii Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp MIMO Multiple-Input and Multiple Hệ thống nhiều đầu vào và nhiều -Output đầu ra MLIN Microstrip Line Đường truyền mạch dải MMIC Monolithic microwave Vi mạch tích hợp cao tần nguyên integrated circuit khối MTBF Mean time between failures Thời gian trung bình giữa hai lần hỏng hóc MTTF Mean time to failure Thời gian trung binh đến khi hỏng hóc NCO Numerically Controlled Bộ dao động điều khiển số Oscillators OMN Output Matching Network Mạng phối hợp trở kháng đầu ra PESA Passive Electronically Mảng quét điện tử thụ động Scanned Array RF Radio Frequency Tần số vô tuyến hoặc cao tần RMSE Root mean squared error Sai số trung bình bình phương VGA Variable Gain Amplifiers Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại thay đổi được WSN Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến vô tuyến iii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Tên hình vẽ, đồ thị Trang 1 Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc điển hình HTMPTC 13 2 Hình 1.2: Cấu trúc điển hình của HTMPTC đa chức năng 15 3 Hình 1.3: Cấu trúc điển hình MĐTP cho HTMPTC tương tự 17 4 Hình 1.4: Cấu trúc MĐTP sử dụng DDS 19 5 Hình 1.5: Sơ đồ khối MĐTP số dựa trên bộ điều chế I/Q 19 6 Hình 1.6: Sơ đồ bố trí của ATMP gồm N phần tử 21 7 Hình 1.7: Góc xoay pha theo mức suy giảm và tần số 23 Hình 1.8: Phân bố biên độ Taylor với mạng ăng-ten phẳng 28 8 16×16 chấn tử Hình 1.9: Giản đồ búp sóng của mạng ăng-ten sử dụng phân bố 29 9 Taylor Hình 2.1: Bộ xoay pha sử dụng hybrid coupler kết hợp bộ 36 10 khuếch đại VGA Hình 2.2: Cấu trúc bộ xoay pha cộng véc-tơ sử dụng bộ trộn 36 11 tần 12 Hình 2.3: Cấu trúc bộ suy giảm số kết hợp xoay pha tín hiệu 37 Hình 2.4: Biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số suy giảm và góc 38 13 xoay pha 14 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý bộ suy giảm số kết hợp xoay pha 42 15 Hình 2.6: Sơ đồ layout bộ suy giảm số kết hợp xoay pha 43 16 Hình 2.7: Lưu đồ xác định các cặp hệ số suy giảm phù hợp 44 iv STT Tên hình vẽ, đồ thị Trang 17 Hình 2.8: Số lượng cặp hệ số suy giảm theo góc xoay pha 45 18 Hình 2.9: Dải điều khiển mức suy giảm theo góc xoay pha 45 19 Hình 2.10: Sai số mức suy giảm theo mức suy giảm tín hiệu 47 20 Hình 2.11: Góc xoay pha theo các mức suy giảm tín hiệu 47 Hình 2.12: Kết quả mô phỏng với yêu cầu tương đương bộ xoay 48 21 pha 8 bít 22 Hình 2.13: Kết quả mô phỏng với sai số góc xoay pha 0,5 độ 49 Hình 2.14: Kết quả khảo sát ở góc xoay pha 22,5 độ với sai số 49 23 pha 0,5 độ Hình 2.15: Sơ đồ thử nghiệm bộ suy giảm số kết hợp xoay pha 51 24 chế tạo 25 Hình 2.16: Kết quả thử nghiệm với góc xoay pha 2,81 độ 51 26 Hình 2.17: Đo sai số góc xoay pha theo mức suy giảm tín hiệu 52 27 Hình 2.18: Sai số mức suy giảm theo mức suy giảm tín hiệu 52 28 Hình 3.1: Bóng bán dẫn GaN HEMT TGF2977-SM 58 Hình 3.2: Khảo sát chế độ làm việc của GaN HEMT TGF2977- 61 29 SM 30 Hình 3.3: Đặc tuyến dòng điện I DS theo điện áp VGS 61 31 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý bộ KĐCS thứ nhất 62 Hình 3.5: Mô phỏng Load/Source Pull xác định trở kháng tối 63 32 ưu Hình 3.6: Sơ đồ mạch OMN bộ khuếch đại Class-F thông 64 33 thường Hình 3.7: Phối hợp trở kháng và triệt hài bậc cao trên đồ thị 65 34 Smith v STT Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 3.8: Trở kháng nguồn (a) và tải (b) biểu diễn trên đồ thị 66 35 Smith 36 Hình 3.9: Sơ đồ mạng phân áp cực cổng và cực máng 68 37 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý bộ KĐCS thứ nhất trên ADS 68 38 Hình 3.11: Thiết kế layout của bộ KĐCS thứ nhất 69 Hình 3.12: Hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra của bộ KĐCS thứ 69 39 nhất Hình 3.13: Hệ số khuếch đại và độ cách ly của bộ KĐCS thứ 70 40 nhất 41 Hình 3.14: Đặc tuyến hệ số ổn định của bộ KĐCS thứ nhất 70 42 Hình 3.15: Hiệu suất tín hiệu lớn của bộ KĐCS thứ nhất 71 43 Hình 3.16: Phổ các hài tín hiệu đầu ra của bộ KĐCS thứ nhất 72 Hình 3.17: Hiệu suất tín hiệu lớn với điện áp nguồn VDS thay 72 44 đổi 45 Hình 3.18: Mô hình 2 đường truyền mạch dải điển hình 74 46 Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý của bộ KĐCS thứ hai 75 Hình 3.20: Mạng phối hợp trở kháng đầu vào IMN và thiên cáp 77 47 cực cổng Hình 3.21: Mạng phối hợp trở kháng đầu ra OMN và thiên áp 77 48 cực máng 49 Hình 3.22: Thiết kế layout của bộ KĐCS thứ hai 78 Hình 3.23: Các đặc tuyến hệ số phản xạ đầu vào S11 và đầu ra 79 50 S22 Hình 3.24: Hệ số khuếch đại và hệ số ổn định của bộ KĐCS 79 51 thứ hai 52 Hình 3.25: Hiệu suất mô hình tín hiệu lớn bộ KĐCS thứ hai 80 vi STT Tên hình vẽ, đồ thị Trang 53 Hình 3.26: Hiệu suất PAE với các điện áp nguồn khác nhau 81 Hình 3.27: Hiệu suất PAE với khi điều chế nguồn và khi nguồn 82 54 cố định 55 Hình 3.28: Khảo sát hiệu suất bộ KĐCS với mạng đường thẳng 86 Hình 3.29: Hiệu suất PAE của HTMPTC với các điều kiện 88 56 khác nhau Hình 3.30: Hiệu suất PAE hệ thống theo mức suy giảm công 90 57 suất đầu ra Hình 3.31: Mức cải thiện hiệu suất theo mức suy giảm công 91 58 suất đầu ra 59 Hình 4.1: Cấu trúc mô-đun thu phát đề xuất 95 60 Hình 4.2: Sơ đồ khối chức năng bộ điều chế I/Q điển hình 99 Hình 4.3: Nguyên lý điều khiển pha và biên độ của bộ điều chế 102 61 I/Q 62 Hình 4.4: Bước nhảy pha theo mức điện áp chuẩn hóa 103 63 Hình 4.5: Hệ thống thử nghiệm với bộ DDS và bộ điều chế I/Q 106 64 Hình 4.6: Thử nghiệm tạo tín hiệu ra-đa xung đơn 107 65 Hình 4.7: Tín hiệu điều chế mã pha 108 66 Hình 4.8: Kiểm tra khả năng điều chế tín hiệu nhảy tần từ xung 109 sang xung Hình 4.9: Kiểm tra khả năng điều chế tín hiệu băng thông rộng 110 67 FMCW 68 Hình 4.10: Sơ đồ kết nối thử nghiệm điều khiển pha, biên độ 111 Hình 4.11: Tổng hợp giản đồ ăng-ten các trường hợp thử 113 69 nghiệm vii DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang 1 Bảng 1.1: Số bít bộ xoay pha và góc hướng đầu tiên búp 22 sóng ăng-ten 2 Bảng 2.1: Danh sách các linh kiện chính 42 3 Bảng 2.2: Bảng so sánh tính năng xoay pha với các công 53 bố liên quan 4 Bảng 2.3: Một số bộ xoay pha thực tế và các linh kiện 55 của thiết kế thử nghiệm 5 Bảng 3.1: Chiều dài các đường truyền mạch dải của mạng 66 IMN, OMN 6 Bảng 3.