Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật điện tử (mã số: 9 52 02 03) của nghiên cứu sinh Phạm Cao Đại, được 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 (năm 2023), tập trung giải quyết các vấn đề kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng mô-đun thu phát (MĐTP) dùng trong hệ thống mạng pha tích cực (HTMPTC) và hệ thống mạng pha tích cực đa chức năng.

Trong các hệ thống vô tuyến hiện đại, đặc biệt là ra-đa và thông tin vô tuyến, HTMPTC quét búp sóng điện tử (Active Electronically Scanned Array - AESA) đóng vai trò trung tâm nhờ khả năng cấu hình mềm dẻo và thực hiện đồng thời nhiều nhiệm vụ. Tuy nhiên, việc phát triển các HTMPTC quy mô lớn với hàng trăm đến hàng nghìn MĐTP đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật:

  • Sự thay đổi pha không mong muốn xuất hiện khi điều khiển thay đổi mức suy giảm biên độ tín hiệu trên các bộ suy giảm số thương mại, làm sai lệch giản đồ bức xạ và hướng búp sóng tổng hợp.
  • Độ phân giải xoay pha của các bộ xoay pha thương mại bị giới hạn bởi số bít điều khiển; việc sử dụng các bộ xoay pha có số bít cao làm tăng chi phí chế tạo.
  • Hiệu suất công suất của bộ khuếch đại công suất (KĐCS) bán dẫn bị suy giảm mạnh khi hoạt động ở chế độ lùi công suất (back-off), điều này diễn ra phổ biến do yêu cầu phân bố công suất không đồng đều trên mặt mở ăng-ten (như phân bố Taylor, Chebyshev) để giảm búp sóng bên và yêu cầu thay đổi công suất phát theo cự ly hoạt động. Nhiệt lượng tiêu tán từ các bộ KĐCS gây áp lực lớn lên hệ thống làm mát và làm tăng hệ số tạp của bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA).
  • Các cấu trúc MĐTP số hiện nay thường tách rời hoặc chỉ áp dụng riêng lẻ kỹ thuật tổng hợp số trực tiếp (DDS) hoặc bộ điều chế I/Q, chưa tối ưu hóa được độ linh hoạt trong việc tạo dạng sóng phức tạp và điều khiển tham số pha, biên độ.

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng cho MĐTP dùng trong HTMPTC nói chung và HTMPTC đa chức năng nói riêng, phù hợp với điều kiện kỹ thuật, công nghệ và chi phí trong nước. Để thực hiện mục tiêu này, tác giả xác định ba nhiệm vụ nghiên cứu:

  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 KĐCS có hiệu suất cao, phù hợp với các đặc điểm hoạt động đặc thù để nâng cao hiệu suất năng lượng của HTMPTC.
  3. Xây dựng cấu trúc MĐTP giao tiếp số dùng cho HTMPTC đa chức năng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

  • Đối tượng nghiên cứu: MĐTP trong các HTMPTC, tập trung vào các thành phần trong mạch cao tần (RF) ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng hệ thống gồm bộ suy giảm, bộ xoay pha, bộ KĐCS, khối tổng hợp và điều khiển tham số tín hiệu.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào các giải pháp kỹ thuật và công nghệ ở dải tần số RF dưới 10 GHz (băng C và băng X), sử dụng linh kiện đóng vỏ thương mại (COTS) và vật liệu bán dẫn GaN, kết hợp mô hình mảng ăng-ten 1 chiều (đường thẳng 16 chấn tử) và 2 chiều (mặt phẳng 16×16 chấn tử).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Công nghệ mạng pha tích cực được bắt đầu nghiên cứu từ năm 1958 tại Phòng thí nghiệm Lincoln thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và nhanh chóng phát triển sang các ứng dụng thương mại như thông tin di động, mạng cảm biến vô tuyến (WSN), thông tin vệ tinh và chẩn đoán y tế. Luận án đã tổng hợp các hướng nghiên cứu chính trên thế giới và tại Việt Nam:

Các hướng nghiên cứu trên thế giới:

  • Tích hợp đa kênh trên chíp đơn ở tần số cao: Shahramian và các cộng sự thiết kế chíp chứa 16 MĐTP ở băng tần W tích hợp ăng-ten dạng flip-chip PCB cho truyền dữ liệu tốc độ cao. Sadhu và các cộng sự phát triển vi mạch chứa 32 MĐTP ở tần số 28 GHz quét búp sóng hai phân cực với độ phân giải 1°. Các giải pháp này có mật độ tích hợp cao nhưng công suất ra của mỗi kênh thấp.
  • MĐTP và vi mạch khuếch đại công suất băng X: Zhuchkova thiết kế MĐTP đa kênh băng X phân bố công suất cố định gồm loại 10 W ở tâm và loại 3 W ở rìa mảng để hạ búp sóng bên xuống -20 dB, tuy nhiên mức công suất không điều chỉnh linh hoạt được. P. Schuh và các cộng sự thiết kế bộ front-end đơn chíp công nghệ GaN cho AESA băng X. T. Thrivikraman thực hiện front-end 2 kênh công suất thấp bằng công nghệ SiGe BiCMOS.
  • Kết hợp đa công nghệ vi mạch: Heijningen và các tác giả kết hợp GaAs (cho bộ xoay pha, tiền khuếch đại), Silicon (cho tuyến thu mật độ cao) và GaN (cho KĐCS và LNA). Martin Oppermann thiết kế MĐTP hai phân cực với front-end GaN MMIC và core-chip điều khiển SiGe BiCMOS.

Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam: Các cơ sở nghiên cứu trong nước tập trung vào dải tần dưới 10 GHz do điều kiện công nghệ chế tạo: Đại học Bách khoa Hà Nội và Đại học Quốc tế (ĐHQG TPHCM) nghiên cứu mảng pha phẳng và mô-đun thông tin vệ tinh; Học viện Kỹ thuật Quân sự nghiên cứu chế tạo ra-đa 3D băng X; Tập đoàn Viettel nghiên cứu ra-đa 3D băng L, băng S và trạm gốc 5G; Viện Kỹ thuật 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 băng X dùng cho Hải quân.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Các công trình trong nước chưa có giải pháp khắc phục hiện tượng lệch pha của bộ suy giảm số và nâng cao độ phân giải xoay pha với chi phí thấp bằng linh kiện COTS; chưa có thiết kế bộ KĐCS GaN sử dụng kỹ thuật điều chế nguồn nhằm duy trì hiệu suất PAE cao khi lùi công suất trong điều kiện phân bố biên độ mặt mở ăng-ten; chưa xây dựng cấu trúc hoàn chỉnh cho MĐTP giao tiếp số kết hợp DDS và bộ điều chế I/Q cho HTMPTC đa chức năng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên nền tảng lý thuyết trường điện từ, lý thuyết ăng-ten mảng pha tích cực, kỹ thuật mạch siêu cao tần và kỹ thuật xử lý tín hiệu số:

  • Lý thuyết mảng ăng-ten: Tính toán độ lệch pha giữa các phần tử liền kề $\Delta\phi = kd \sin\theta = \frac{2\pi}{\lambda} d \sin\theta$ và công thức tổng hợp hệ số mảng $F(u) = \sum_{n=1}^N A_n \exp[j 2\pi (n-1)u]$.
  • Quan hệ công suất - cự ly: Phương trình truyền sóng Friis cho thông tin vô tuyến ($P_t \propto R^2$) và phương trình ra-đa cơ bản ($P_t \propto R^4$).
  • Lý thuyết KĐCS hiệu suất cao: Khảo sát hiệu suất cộng công suất (Power-Added Efficiency - PAE): $$PAE = \frac{P_{out} - P_{in}}{P_{DC}} \times 100%$$ và công thức hiệu suất PAE tổng thể của hệ thống gồm $N$ phần tử: $$PAE_{HT} = \frac{\sum_{k=1}^N (P_{out_k} - P_{in_k})}{\sum_{k=1}^N P_{DC_k}} \times 100% = \frac{\sum_{k=1}^N P_k}{\sum_{k=1}^N \frac{P_k}{PAE_k}} \times 100%$$
  • Phương pháp phối hợp trở kháng triệt sóng hài: Kỹ thuật điều chế nguồn (Supply Modulation) kết hợp chế độ làm việc Class AB và mạng phối hợp trở kháng đầu ra triệt hài bậc 2 ($2f_0$) và bậc 3 ($3f_0$) mô phỏng theo chế độ Class F.
  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:
    • Mô phỏng chuyên dụng: Sử dụng phần mềm ADS (Advanced Design System) để phân tích tham số tán xạ S, Load/Source Pull xác định trở kháng tối ưu nguồn $Z_{S_opt}$ và tải $Z_{L_opt}$, phân tích mạch dải vi dải (MLIN).
    • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mạch in (PCB) thử nghiệm với linh kiện COTS (như bóng bán dẫn GaN HEMT TGF2977-SM của Qorvo, bộ suy giảm số RFSA3714 của Qorvo, HMC425A của Analog Devices).
    • Phương pháp đo kiểm: Sử dụng máy phân tích mạng véc-tơ, máy phát tín hiệu, máy phân tích phổ và dao động ký số để đo kiểm các tham số công suất, bước nhảy pha, sai số RMSE và dạng sóng phát.

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 thuyết về HTMPTC, HTMPTC đa chức năng và cấu trúc MĐTP tương tự và MĐTP số. Tác giả phân tích sâu các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của MĐTP:

  1. Độ phân giải bộ xoay pha và góc hướng búp sóng: Tác giả phân tích quan hệ giữa số bít điều khiển pha của bộ xoay pha với góc quét nhỏ nhất của búp sóng ăng-ten mảng thẳng với khoảng cách chấn tử $d = \lambda/2$.
Số bít bộ xoay pha Bước nhảy pha ($\Delta\theta$) (độ) Góc hướng đầu tiên ($\theta_1$) (độ)
4 22,5 7,181
5 11,25 3,583
6 5,625 1,791
7 2,812 0,895
8 1,406 0,448
  1. Hiện tượng lệch pha của bộ suy giảm số: Khảo sát thực tế trên bộ suy giảm số thương mại 7 bít RFSA3714 (Qorvo) cho thấy khi điều chỉnh mức suy giảm lên 32 dB ở tần số 4 GHz, góc xoay pha ký sinh tăng lên tới 50°. Đây là sai số lớn làm biến dạng búp sóng nếu không được bù pha.
  2. Đặc thù phân bố công suất trên mặt mở ăng-ten: Khảo sát mạng phẳng 16×16 chấn tử với phân bố Taylor ($n=3$, mức búp sóng bên -25 dB) chỉ ra tỷ lệ biên độ giữa chấn tử ở tâm và chấn tử ở rìa là 1 : 0,1314, tương ứng dải biến thiên công suất 17,63 dB. Khi đó, phần lớn các bộ KĐCS trên mặt mở hoạt động ở chế độ lùi công suất dẫn đến PAE suy giảm nghiêm trọng.

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

Chương 2 trình bày giải pháp thiết kế cấu trúc bộ suy giảm số có khả năng kết hợp điều khiển xoay pha tín hiệu với độ phân giải cao bằng cách sử dụng các linh kiện đóng vỏ thương mại (COTS).

  • Nguyên lý cấu trúc: Cấu trúc đề xuất sử dụng bộ phân chia công suất/bộ ghép lai (hybrid coupler) phân tách tín hiệu thành hai nhánh đồng pha (I) và vuông pha (Q), trên mỗi nhánh bố trí một bộ suy giảm số điều khiển độc lập. Tín hiệu sau khi suy giảm được tổng hợp véc-tơ tại đầu ra.
  • Thuật toán điều khiển: Xây dựng lưu đồ xác định các cặp hệ số suy giảm $(R_I, R_Q)$ tương ứng để tạo ra mức suy giảm biên độ thiết lập $A_{TL}$ và góc xoay pha mong muốn $\Delta\phi$, đồng thời triệt tiêu độ lệch pha ký sinh do bản thân bộ suy giảm gây ra.
  • Kết quả mô phỏng và đo lường:
    • Mô phỏng ở băng C: Với bộ suy giảm số 7 bít, cấu trúc đạt khả năng xoay pha liên tục trong dải từ 0° đến 45° với độ phân giải tương đương bộ xoay pha 7 bít và 8 bít, sai số pha nhỏ hơn 0,5° đến 1,0°.
    • Thử nghiệm thực tế: Mạch thử nghiệm chế tạo sử dụng linh kiện COTS kiểm chứng tại góc xoay pha 2,81° và các mức suy giảm khác nhau cho thấy sự tương thích giữa kết quả tính toán lý thuyết, mô phỏng và đo đạc thực tế.

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 giải quyết bài toán nâng cao hiệu suất năng lượng cho tầng khuếch đại phát của MĐTP khi hoạt động trong điều kiện công suất đầu ra thay đổi:

  • Thiết kế bộ KĐCS GaN điều chế nguồn (Supply-Modulated PA):
    • Linh kiện sử dụng: Bóng bán dẫn GaN HEMT mã hiệu TGF2977-SM (hãng Qorvo).
    • Chế độ làm việc: Thiết lập thiên áp làm việc ở chế độ Class AB kết hợp điều chế điện áp cực máng $V_{DS}$ theo mức công suất tín hiệu đầu vào/đầu ra.
    • Mạng phối hợp trở kháng: Mạng phối hợp trở kháng đầu vào (IMN) và đầu ra (OMN) được thiết kế tối ưu hóa bằng mô hình đường truyền vi dải (MLIN) trên phần mềm ADS thông qua kỹ thuật Load/Source Pull. Mạng OMN thực hiện phối hợp trở kháng tại tần số sóng hài cơ bản $f_0$ đồng thời tạo ngắn mạch/hở mạch để triệt tiêu sóng hài bậc hai ($2f_0$) và sóng hài bậc ba ($3f_0$).
Tham số kỹ thuật Thiết kế bộ KĐCS thứ nhất Thiết kế bộ KĐCS thứ hai
Công nghệ bán dẫn GaN HEMT (TGF2977-SM) GaN HEMT (TGF2977-SM)
Chế độ thiên áp Class AB Class AB kết hợp điều chế nguồn
Hiệu suất PAE cực đại Đạt đỉnh ở mức bão hòa > 54% trong dải 6 dB back-off
Băng thông hoạt động Băng tần thiết kế (băng X/C) Duy trì PAE > 35% trên toàn dải
Mạng triệt sóng hài IMN và OMN vi dải triệt $2f_0, 3f_0$ Tối ưu hóa đa đoạn mạch dải vi dải
  • Đánh giá hiệu quả cải thiện PAE trên quy mô hệ thống:
    • Hệ thống mạng đường thẳng và mạng phẳng 16×16 chấn tử: Khảo sát trên các phân bố biên độ (Taylor, Chebyshev), kết quả chứng minh việc áp dụng bộ KĐCS GaN điều chế nguồn giúp nâng cao hiệu suất PAE của toàn hệ thống thêm từ 10% đến hơn 25% so với việc sử dụng các bộ KĐCS có điện áp nguồn cố định khi hệ thống hoạt động ở chế độ lùi công suất hoặc điều khiển giảm búp sóng bên.

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 MĐTP giao tiếp số hoàn chỉnh nhằm đáp ứng yêu cầu linh hoạt của các hệ thống vô tuyến đa chức năng:

  • Cấu trúc MĐTP đề xuất: Tích hợp bộ KĐCS GaN điều chế nguồn, bộ suy giảm số kết hợp xoay pha, và khối tạo tín hiệu phát số kết hợp giữa bộ tổng hợp số trực tiếp (DDS) và bộ điều chế véc-tơ I/Q (IQ Modulator).
  • Nguyên lý điều khiển tín hiệu: Bộ DDS thực hiện tạo tín hiệu trung tần số (IF) có khả năng thay đổi tần số linh hoạt; bộ điều chế I/Q nhận tín hiệu điều khiển từ bộ xử lý số DSP qua DAC để thực hiện đồng thời việc xoay pha mịn và điều khiển biên độ chính xác cho từng MĐTP.
  • Kết quả thực nghiệm chế tạo và tạo dạng sóng: Bộ tạo tín hiệu phát mẫu được chế tạo và thử nghiệm thành công 4 dạng tín hiệu phát đặc trưng cho các chức năng khác nhau:
    1. Tín hiệu ra-đa xung đơn (Single Pulse): Phục vụ chức năng đo cự ly mục tiêu cơ bản.
    2. Tín hiệu điều chế mã pha nhị phân (Barker 7 bít): Độ rộng xung hẹp 96 ns, phục vụ chức năng nén xung nâng cao độ phân giải cự ly.
    3. Tín hiệu nhảy tần nhanh từ xung sang xung (Frequency Hopping): Phục vụ khả năng kháng nhiễu và bảo mật truyền dẫn.
    4. Tín hiệu điều tần liên tục băng thông rộng (FMCW): Ứng dụng cho ra-đa quét liên tục độ phân giải cao.
  • Thử nghiệm tổng hợp búp sóng: Thử nghiệm điều khiển pha và biên độ trên mô hình mạng ăng-ten dạng đường thẳng 16 chấn tử cách đều $\lambda/2$ chứng minh khả năng định hình giản đồ bức xạ theo phân bố biên độ giảm búp sóng bên và quay hướng búp sóng chính chính xác theo góc đặt trước.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các đóng góp khoa học và kỹ thuật cụ thể:

  1. Đề xuất cấu trúc bộ suy giảm số kết hợp xoay pha tín hiệu: Giải pháp sử dụng linh kiện đóng vỏ COTS cho phép thực hiện đồng thời hai chức năng suy giảm biên độ và xoay pha tín hiệu điều khiển số. Cấu trúc này giải quyết được hiện tượng xoay pha ký sinh của bộ suy giảm, nâng cao độ phân giải xoay pha (đạt mức tương đương 7 bít - 8 bít trong dải 0 - 45° với sai số dưới 1°) mà không cần sử dụng các bộ xoay pha chuyên dụng đắt tiền, đồng thời hỗ trợ hiệu chuẩn sai lệch pha giữa các kênh thu phát.
  2. Thiết kế bộ KĐCS GaN điều chế nguồn hiệu suất cao: Thiết kế thành công bộ KĐCS sử dụng bóng bán dẫn GaN HEMT với mạng phối hợp trở kháng triệt sóng hài bậc cao hoạt động ở chế độ Class AB điều chế điện áp nguồn $V_{DS}$. Kết quả thực nghiệm mô phỏng đạt hiệu suất PAE trên 54% trong dải lùi công suất 6 dB (back-off) và PAE trên 35% trên dải tần công tác. Giải pháp nâng cao hiệu suất PAE của toàn bộ HTMPTC khi áp dụng các phân bố công suất không đồng đều trên mặt mở ăng-ten và khi thay đổi công suất phát thích ứng theo cự ly hoạt động.
  3. Đề xuất cấu trúc MĐTP giao tiếp số kết hợp DDS và bộ điều chế I/Q: Cấu trúc mới cho phép tổng hợp linh hoạt các dạng tín hiệu phát đa dạng (xung đơn, mã pha Barker 7 bít 96 ns, nhảy tần, FMCW) và điều khiển chính xác pha, biên độ tín hiệu ngay tại tầng phát trung tần/cao tần, đáp ứng yêu cầu hoạt động của HTMPTC đa chức năng.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Ứng dụng cấu trúc bộ suy giảm kết hợp xoay pha trong các hệ thống mảng pha quét búp sóng tương tự và lai tương tự - số để giảm giá thành phần cứng.
  • Áp dụng kỹ thuật điều chế nguồn cho các trạm ra-đa mảng pha tích cực và trạm phát thông tin vô tuyến nhằm giảm công suất tiêu tán nhiệt và hạ thấp yêu cầu hệ thống làm mát.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Các thiết kế và thực nghiệm trong luận án chủ yếu thực hiện ở dải tần số dưới 10 GHz (băng C và băng X), chưa mở rộng lên các dải tần số sóng milimét (mmWave) trên 30 GHz.
  • Các mô hình thử nghiệm phần cứng sử dụng linh kiện đóng vỏ thương mại (COTS) riêng lẻ lắp ráp trên mạch in PCB, chưa tích hợp thành vi mạch tích hợp cao tần nguyên khối (MMIC) hoặc giải pháp đóng gói System-on-Chip (SoC) do điều kiện công nghệ chế tạo trong nước.
  • Thực nghiệm quét búp sóng mới dừng lại ở mô hình tính toán và thử nghiệm trên mảng 16 chấn tử giả định.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Nghiên cứu tích hợp các giải pháp đề xuất lên công nghệ vi mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC/MMIC) sử dụng công nghệ GaN-on-Silicon hoặc SiGe BiCMOS để giảm kích thước cho các ứng dụng tần số cao.
  • Phát triển hoàn thiện phần thu số trực tiếp đồng bộ với khối phát DDS - IQ Modulator để tạo thành MĐTP số toàn diện.
  • Thử nghiệm trên các mảng ăng-ten thực tế quy mô lớn trong điều kiện bức xạ không gian tự do.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật vô tuyến và Viễn thông có thể tham khảo phương pháp luận thiết kế mạch siêu cao tần, kỹ thuật phối hợp trở kháng triệt sóng hài cho KĐCS GaN và phương pháp phân tích hiệu suất năng lượng mảng pha.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng RF và hệ thống nhúng: Tham khảo trực tiếp sơ đồ nguyên lý, thông số mạch dải vi dải (Bảng kích thước mạch OMN/IMN trong Chương 3), quy trình thiết kế Load/Source Pull trên ADS và thuật toán điều khiển cặp suy giảm $(R_I, R_Q)$ để bù pha.
  • Các đơn vị nghiên cứu phát triển công nghiệp quốc phòng và viễn thông: (Như Viettel, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, các Viện nghiên cứu chuyên ngành) có thể ứng dụng cấu trúc MĐTP số kết hợp DDS và bộ điều chế I/Q để phát triển các đài ra-đa 3D băng C/X và trạm thông tin mạng pha tích cực đa chức năng với chi phí tối ưu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao sự thay đổi mức suy giảm của bộ suy giảm số lại gây sai lệch pha trong MĐTP?
Trong các bộ suy giảm số (như RFSA3714), mỗi bít suy giảm được cấu tạo từ các chuyển mạch bán dẫn và mạng điện trở. Khi chuyển đổi các trạng thái suy giảm khác nhau, điện dung ký sinh và chiều dài đường truyền tương đương thay đổi, dẫn đến góc dịch pha ký sinh khác nhau. Ở mức suy giảm cao (ví dụ 32 dB) và tần số cao (4 GHz), độ lệch pha ký sinh có thể lên tới 50°, làm lệch hướng búp sóng nếu không được bù pha.

2. Transistor GaN HEMT nào được lựa chọn để thiết kế bộ KĐCS trong luận án và có đặc tính gì?
Luận án sử dụng bóng bán dẫn GaN HEMT mã hiệu TGF2977-SM của hãng Qorvo. Đây là linh kiện đóng vỏ thương mại hoạt động ở dải tần cao tần với mật độ công suất lớn, nhiệt độ kênh cho phép lên tới 225 °C (khuyến cáo vận hành ở nhiệt độ thấp để tăng chỉ số MTTF), thích hợp cho thiết kế bộ KĐCS hiệu suất cao băng C và X.

3. Kỹ thuật điều chế nguồn (Supply Modulation) giải quyết vấn đề gì trong HTMPTC?
Khi HTMPTC áp dụng phân bố biên độ (như phân bố Taylor để giảm búp sóng bên) hoặc khi giảm công suất phát theo cự ly gần, các bộ KĐCS phải làm việc ở chế độ lùi công suất (back-off), làm hiệu suất PAE giảm mạnh nếu giữ nguyên điện áp nguồn. Kỹ thuật điều chế nguồn điều chỉnh điện áp cực máng $V_{DS}$ giảm tương ứng với mức tín hiệu đầu vào, giúp bộ KĐCS duy trì trạng thái bão hòa hiệu suất cao (PAE > 54% trong dải lùi 6 dB), từ đó giảm tiêu tán nhiệt và nâng cao PAE của toàn hệ thống.

4. Khối tạo tín hiệu phát trong cấu trúc MĐTP số của luận án kết hợp những công nghệ nào và đã thử nghiệm các dạng sóng nào?
Khối phát kết hợp bộ tổng hợp số trực tiếp (DDS) và bộ điều chế véc-tơ I/Q (IQ Modulator). Cấu trúc này đã được chế tạo mẫu và thử nghiệm thành công 4 dạng sóng: tín hiệu xung đơn ra-đa, tín hiệu điều chế mã pha Barker 7 bít xung hẹp (96 ns), tín hiệu nhảy tần theo từng xung và tín hiệu điều tần liên tục băng rộng FMCW.

5. Công thức tính hiệu suất PAE của hệ thống mạng pha tích cực phụ thuộc vào các tham số nào?
Hiệu suất PAE của hệ thống gồm $N$ phần tử ($PAE_{HT}$) phụ thuộc trực tiếp vào hiệu công suất cao tần ($P_k = P_{out_k} - P_{in_k}$) và hiệu suất $PAE_k$ của từng bộ KĐCS tại phần tử thứ $k$, tính theo công thức: $$PAE_{HT} = \frac{\sum_{k=1}^N P_k}{\sum_{k=1}^N \frac{P_k}{PAE_k}} \times 100%$$

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Cao Đại đã giải quyết ba bài toán kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế MĐTP cho hệ thống mạng pha tích cực: nâng cao độ phân giải xoay pha và bù lệch pha bằng bộ suy giảm số COTS, tối ưu hóa hiệu suất năng lượng bằng bộ KĐCS GaN điều chế nguồn triệt sóng hài, và xây dựng cấu trúc MĐTP số linh hoạt kết hợp DDS cùng bộ điều chế I/Q. Các kết quả mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng và đo kiểm thực nghiệm trên phần cứng mẫu đã minh chứng tính khả thi và hiệu quả kỹ thuật của các giải pháp đề xuất. Công trình cung cấp cơ sở kỹ thuật và dữ liệu tham khảo cho việc nghiên cứu, phát triển các hệ thống mạng pha tích cực và ra-đa đa chức năng trong điều kiện công nghệ hiện nay.