Tổng quan luận án

Công trình "Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa" do nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Hạnh thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự (Bộ Quốc phòng), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Thị Ngọc Minh và TS. Chu Xuân Quang. Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, mã số 62 52 02 03, bảo vệ năm 2014.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Hệ thống khí tài ra đa phục vụ nhiệm vụ quốc phòng tại Việt Nam có số lượng lớn thuộc thế hệ đầu tiên (chiếm khoảng 90%), được sản xuất từ những năm 1970 với công nghệ đèn điện tử chân không và xử lý tín hiệu tương tự (như các đài $\Pi$-12, $\Pi$-14, $\Pi$-15, $\Pi$-18, $\Pi$-19, $\Pi$-35, $\Pi$-37, $\Pi\text{PB}$-16). Các đài ra đa này có số giờ tích lũy hoạt động cao (nhiều đài vượt quá 35.000 giờ), chất lượng kỹ thuật xuống cấp nghiêm trọng khiến cự ly phát hiện giảm chỉ còn khoảng 60% so với tính năng ban đầu. Trong khi đó, các đài ra đa thế hệ thứ hai sử dụng tín hiệu phức tạp nhập từ thập niên 1990 (như 1Л13-3, 55Ж6, Kacta-2E2) chỉ chiếm khoảng 10%.

Đặc thù của các đài ra đa xung thế hệ cũ là độ rộng xung phát hẹp (2 $\mu\text{s}$ đến 6 $\mu\text{s}$), buộc máy phát phải hoạt động ở công suất đỉnh rất lớn ($\Pi$-18 đạt 200 kW; $\Pi$-37 đạt 600 kW đến 700 kW mỗi kênh; $\Pi\text{PB}$-16 đạt 700 kW) để bảo đảm cự ly phát hiện. Công suất phát lớn kết hợp với sự suy giảm chất lượng của hệ thống chuyển mạch thu - phát và đèn cặp nhả điện dẫn đến hiện tượng công suất siêu cao tần lọt sang tuyến thu ở mức cao (công suất liên tục CW đạt khoảng 1 W, công suất đỉnh xấp xỉ 1 kW; đặc biệt đỉnh xung lọt khi đèn cặp nhả điện chưa kịp phóng điện có biên độ điện áp lớn hơn 150 kV và tồn tại trong khoảng 15 ns). Năng lượng lọt này phá hủy hoặc làm già hóa nhanh các linh kiện đầu vào máy thu.

Đồng thời, các linh kiện siêu cao tần truyền thống dạng đèn chân không như đèn sóng chạy UV-99 hay đèn dao động Klistron K-172P hiện đã ngừng sản xuất trên thế giới, nguồn vật tư thay thế khan hiếm và đắt đỏ. Các giải pháp bảo vệ đầu vào máy thu trước đây bằng phương pháp thụ động hoặc tích cực đơn thuần chưa xử lý triệt để đỉnh xung lọt cực ngắn, dẫn đến tuổi thọ của các bộ tiền khuếch đại bán dẫn tạp thấp khi đưa vào thay thế đèn sóng chạy vẫn còn thấp. Ngoài ra, độ ổn định tần số và mức tạp pha của các bộ dao động tại chỗ dùng đèn cũ không đáp ứng được yêu cầu nâng cao chất lượng thu tín hiệu tương can. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật bán dẫn hóa nhằm bảo vệ an toàn đầu vào máy thu và nâng cao độ ổn định, giảm tạp pha cho bộ dao động tại chỗ là nhiệm vụ cấp thiết.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng máy thu đài ra đa thông qua việc nghiên cứu nâng cao chất lượng các môđun trong tuyến thu (các bộ hạn chế công suất cao tần, các bộ khuếch đại cao tần tạp thấp, các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần VCO) nhằm nâng cao độ nhạy, giảm mức tạp pha, nâng cao độ ổn định và cải thiện chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa.

Để đạt được mục tiêu trên, luận án xác định hai nhiệm vụ trọng tâm:

  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 công tác 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 và 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: Tuyến thu siêu cao tần của máy thu ra đa, trọng tâm là môđun hạn chế công suất bảo vệ đầu vào, bộ khuếch đại tạp thấp (LNA) và các bộ dao động tại chỗ (VCO/PLL).
  • Phạm vi không gian và đối tượng thực nghiệm: Áp dụng trên 3 chủng loại đài ra đa quân sự thực tế hoạt động ở các dải sóng khác nhau: đài ra đa cảnh giới dẫn đường sóng centimét (thay thế đèn sóng chạy UV-99), đài ra đa trinh sát mặt đất làm việc tại dải sóng centimét băng Ku quanh 16 GHz (thay thế đèn Klistron K-172P), và đài ra đa đa kênh băng tần sóng mét (VHF, dải tần từ 57,75 MHz đến 92,75 MHz).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong bức tranh công nghệ ra đa quốc tế, các giải pháp cải tiến bán dẫn hóa và nâng cấp ra đa thế hệ cũ đã được nhiều tổ chức triển khai:

  • Công ty ELSYS (Ukraina) thực hiện bán dẫn hóa tuyến thu cao tần đài ra đa $\Pi$-37 bằng cách tích hợp bộ hạn chế công suất thụ động, bộ dao động ngoại sai VCO và các bộ trộn tần, bộ tự động điều chỉnh tần số AFC sử dụng giải pháp PLL trên mạch dải, kết hợp khuếch đại cao tần dải rộng với bộ lọc dải hẹp trước bộ trộn.
  • Công ty RETIA (Cộng hòa Séc) nghiên cứu cải tiến đài ra đa $\Pi$-18 chuyển sang phát và xử lý tín hiệu phức tạp dải rộng.
  • Nhà máy MYPOM (Nga) cung cấp gói cải tiến đài $\Pi$-19 đạt tính năng kỹ thuật tương đương đài Kacta-2E2 phục vụ tổ hợp tên lửa phòng không C-125-2M.

Tại Việt Nam, các hướng nghiên cứu liên quan đến tuyến thu ra đa đã được ghi nhận qua các giai đoạn:

  • Giai đoạn 1993–1995: Viện Kỹ thuật Quân sự phối hợp với Viện Kỹ thuật Phòng không - Không quân thực hiện đề tài cấp Bộ về thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại tạp thấp thay thế đèn sóng chạy UV-99 cho đài ra đa $\Pi$-37. Tuy nhiên, do chưa khống chế được xung lọt đỉnh (>150 kV trong 15 ns) sau đèn cặp nhả điện nên linh kiện bán dẫn bị suy giảm tuổi thọ nhanh chóng.
  • Sản phẩm nhập ngoại UV-394 của Nga cũng bộc lộ hạn chế tương tự khi mạch bảo vệ chỉ sử dụng 3 điốt PIN mắc sơn theo nguyên lý thụ động.
  • Giai đoạn 2001–2006: Viện Ra đa triển khai dự án sản xuất thử nghiệm cấp Nhà nước "Hoàn thiện công nghệ chế tạo bộ khuếch đại tạp thấp", ứng dụng các điốt PIN mắc sơn cách nhau $\lambda/4$ làm việc ở chế độ thụ động và tích cực theo xung kích phát của đài nhưng vẫn chưa triệt tiêu được hoàn toàn đỉnh xung phát xạ lọt.
  • Giai đoạn 2002–2003: Trung tâm Khoa học kỹ thuật và Công nghệ quân sự thiết kế bộ dao động bán dẫn VCO dải đềximét và centimét nhưng chưa có điều kiện đo đạc, đánh giá định lượng tạp pha và tác động của tạp pha tới hệ thống thu.
  • Năm 2006: Viện Kỹ thuật Phòng không - Không quân phối hợp đối tác quốc tế chế tạo thành công đài ra đa sóng mét RV-01 với các công nghệ anten mạng pha, chuyển mạch PIN có điều khiển, tạo dao động chuẩn kỹ thuật số và tách sóng pha số.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết triệt để hai khoảng trống kỹ thuật:

  1. Thiết kế cấu trúc bảo vệ đầu vào máy thu kết hợp đa tầng có khả năng dập tắt đỉnh xung lọt siêu ngắn (15 ns) với độ suy hao lớn hơn 90 dB và thời gian khôi phục độ nhạy dưới 10 ns, bảo đảm an toàn cho bộ khuếch đại tạp thấp bán dẫn.
  2. Thiết lập mô hình giải tích toàn diện về các cơ chế sinh tạp pha (tạp chuyển đổi và tạp điều chế) trong bộ dao động transistor, từ đó ứng dụng giải pháp tổng hợp tần số đa vòng khóa pha (multi-loop PLL) kết hợp chia tần từ dao động chuẩn tần số cao để giảm sâu mật độ tạp pha và tăng độ ổn định tần số cho máy thu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án vận dụng hệ thống lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần và xử lý tín hiệu vô tuyến:

  • Lý thuyết hệ số tạp và độ nhạy máy thu: Dựa trên công thức Friis cho mạch ghép 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 tổng thể $F_{MT}$ của máy thu phụ thuộc chủ yếu vào bộ khuếch đại đầu tiên ($F_{LNA}$ và $g_{LNA}$). Độ nhạy máy thu cực tiểu xác định qua biểu thức: $$RS_{min}\text{ [dBm]} = -174\text{ [dBm]} + F\text{ [dB]} + 10\lg B + 10\lg SNR_{min}$$ Độ nhạy hoạt động tối thiểu (MOS) khi có phối hợp anten là $MOS = \frac{SNR_{min} \cdot k T_0 B F}{G}$.
  • Lý thuyết phi tuyến và dải động: Mối quan hệ giữa các điểm chắn đầu vào bậc hai ($IIP2$), bậc ba ($IIP3$) với tín hiệu vào $RF_{in}$ và mức điều biến tương hỗ ($\Delta IM2$, $\Delta IM3$): $$IIP2 = RF_{in} + \frac{\Delta IM3}{2}, \quad IIP3 = RF_{in} + \Delta IM2$$ Dải động máy thu xác lập theo: $$DR = \frac{2}{3}(IIP3 + RS_{min})$$
  • Lý thuyết phát sinh tạp pha trong bộ dao động: Phân tích 4 nguồn tạp cơ bản (tạp nhấp nháy FM $1/f$, tạp nhiệt FM, tạp pha nhấp nháy, nền tạp nhiệt) thông qua phương pháp tiếp cận phi tuyến cân bằng hài (Harmonic Balance - HB) và ma trận Jacobian. Luận án phân định rõ:
    • Tạp chuyển đổi: Mô tả chính xác phân bố tạp ở vùng tần số lệch xa sóng mang.
    • Tạp điều chế: Mô tả chính xác phân bố tạp ở vùng tần số lệch gần sóng mang.
  • Mô hình tạp vòng khóa pha (PLL): Khảo sát 7 nguồn tạp nội tại gồm: tạp dao động tham chiếu, tạp bộ đệm tham chiếu, tạp bộ VCO, tạp bộ lọc vòng, tạp bơm tích điện (Charge Pump), tạp lượng tử hóa điều chế $\Sigma$-$\Delta$ (SDM), và tạp bộ tách sóng pha - tần số (PFD/PD).
  • Độ ổn định tần số và độ nhạy rung động: Đánh giá độ ổn định dài hạn qua phương sai Allan và độ ổn định ngắn hạn qua phổ tạp pha $L(f_v)$ chịu tác động của gia tốc rung động 3 trục $\Gamma = \sqrt{\Gamma_x^2 + \Gamma_y^2 + \Gamma_z^2}$.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp chặt chẽ ba phương pháp:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình toán học giải tích, tính toán tham số dải thông, trở kháng, hệ số phẩm chất $Q$, dòng điều khiển điốt PIN và các hàm truyền đạt của vòng khóa pha.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần chuyên dụng ADS (Advanced Design System) để mô phỏng đáp ứng tần số của bộ lọc dải thông dạng cài răng lược, đặc tuyến phi tuyến và mức suy hao của các tầng hạn chế công suất điốt PIN.
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Chế tạo mẫu phần cứng vật lý trên mạch dải vi dải siêu cao tần; thiết lập sơ đồ đo kiểm với các máy phân tích phổ, máy đo tạp pha chuyên dụng trong phòng thí nghiệm; lắp đặt trực tiếp trên các đài ra đa thực tế để thu thập dữ liệu đối chứng.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm

  • Dữ liệu dạng xung lọt thực tế sau đèn cặp nhả điện thu được qua bộ suy giảm đồng trục 50 dB trên đài ra đa cảnh giới dẫn đường.
  • Thông số kỹ thuật của các dòng linh kiện bán dẫn siêu cao tần chuyên dụng: Điốt PIN MA4L401-30, MLP7100, HP5082-3041; các transistor cao tần và vi mạch vòng khóa pha tích hợp.
  • Tập số liệu đo đạc phổ tín hiệu, mức suy hao truyền qua, mật độ phổ công suất tạp pha ($L(f_m)$ tính bằng dBc/Hz) và độ trôi dạt tần số theo thời gian của các bộ dao động tại các mốc tần số 16,24 GHz, 16,27 GHz và dải 57,75 MHz ÷ 92,75 MHz.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về máy thu ra đa

Chương 1 hệ thống hóa cấu hình chức năng của máy thu ra đa chủ động bao gồm: mạch điều khiển độ nhạy theo thời gian (STC), bộ tiền khuếch đại tạp thấp (LNA), các bộ lọc dải thông RF/IF, tầng trộn tần, bộ dao động tại chỗ ổn định (STALO), bộ dao động tương can (COHO), bộ tổng hợp số trực tiếp (DDS), khối biến đổi tương tự - số (ADC) và khối xử lý tín hiệu số (DSP).

Nội dung chương phân loại và phân tích chi tiết ưu nhược điểm của 4 cấu trúc máy thu cơ bản trong kỹ thuật ra đa hiện đại:

Kiểu máy thu Ưu điểm chính Nhược điểm chính
Máy thu siêu ngoại sai Độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt; dễ dàng chọn lọc kênh ở tầng IF đầu tiên khi đổi tần xuống ($f_{IF} < f_{RF}$) hoặc loại bỏ tần số ảnh khi đổi tần lên ($f_{IF} > f_{RF}$); bộ ADC đơn giản. Mất cân bằng biên độ và pha giữa 2 nhánh I/Q; các khối lọc RF/IF và dao động khó tích hợp hoàn toàn; tiêu thụ công suất lớn; cấu trúc phức tạp; dễ xuất hiện đáp ứng giả do lọt tín hiệu LO/IF.
Máy thu đổi tần trực tiếp Cấu trúc đơn giản do loại bỏ hoàn toàn tầng IF; không có tần số ảnh nên giảm yêu cầu bộ lọc RF; bộ ADC đơn giản; không có nhiều đáp ứng giả. Xuất hiện trôi DC; mất cân bằng pha/biên độ I/Q; rò tín hiệu LO sang anten gây tự trộn; nhạy với hài điều biến tương hỗ bậc hai (IM2); chịu ảnh hưởng lớn của tạp nhấp nháy $1/f$; yêu cầu khuếch đại RF tuyến tính cao.
Máy thu trung tần thấp Khắc phục được hiện tượng trôi DC; nén hiệu quả tín hiệu ở kênh lân cận; suy giảm tần số ảnh tối đa; cấu trúc tương đối đơn giản. Mất cân bằng biên độ và pha I/Q; không tận dụng được các bộ lọc RF và IF thông thường; yêu cầu tầng khuếch đại RF có độ tuyến tính cao.
Máy thu đa kênh dải rộng Các kênh thu hoạt động độc lập, phù hợp cho hệ thống anten mạng pha; mở rộng băng thông xử lý. Cấu trúc phần cứng phức tạp; yêu cầu ngân hàng nhiều bộ lọc RF chuyển kênh; đòi hỏi bộ ADC có dải động rất cao.

Chương 1 cũng phân tích các yêu cầu kỹ thuật cốt lõi: tạp âm nhiệt ($N_{th} = k T_0 B$), hệ số tạp Friis, độ nhạy máy thu ($RS_{min}$), thời gian khôi phục độ nhạy (phải nhỏ hơn độ rộng xung thăm dò để tránh mất mục tiêu cự ly gần), độ tuyến tính (IIP2, IIP3), dải động bão hòa và độ ổn định tần số. Phân tích hiện trạng trang bị ra đa trong nước cho thấy sự suy giảm tính năng của các đài thế hệ cũ và chỉ rõ xu thế quốc tế về số hóa máy thu (lấy mẫu trực tiếp IF/RF). Từ đó, chương 1 xác định hai hướng nghiên cứu trọng tâm: phát triển bộ hạn chế công suất hiệu quả cao bảo vệ đầu vào và thiết kế bộ dao động tại chỗ VCO/PLL tạp pha thấp.

Chương 2: Một số giải pháp nâng cao chất lượng thu tín hiệu trong đài ra đa

Chương 2 tập trung giải quyết phương pháp luận và cơ sở thiết kế cho hai khối mạch siêu cao tần trọng yếu:

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

Tác giả khảo sát các cấu trúc bảo vệ cao tần bán dẫn: bộ hạn chế Varactor thụ động, bộ hạn chế điốt PIN thụ động, bộ hạn chế điốt PIN tích cực và giả tích cực.

Kiểu hạn chế Cơ chế kích hoạt Đặc tính suy hao và công suất lọt Thời gian đáp ứng
Thụ động (Passive) Tự kích hoạt bằng chính năng lượng sóng siêu cao tần tới làm mở điốt. Mức hạn chế vừa phải; không triệt tiêu được đỉnh nhọn xung lọt ở giai đoạn đầu ($10 \div 15\text{ ns}$). Chậm hơn độ rộng đỉnh xung lọt; dễ gây cháy linh kiện LNA phía sau.
Tích cực (Active) Kích hoạt bằng nguồn điện áp ngoài đồng bộ với xung kích phát của đài ra đa. Suy hao cách ly cao trong thời gian phát; tuy nhiên phụ thuộc vào độ trễ sườn xung kích phát nên vẫn để lọt đỉnh xung. Phụ thuộc mạch tạo xung ngoài; không tự thích ứng khi có nguồn phát lạ bên ngoài dải.
Giả tích cực (Quasi-active) Trích một phần năng lượng tín hiệu vào đưa qua mạch tách sóng nhanh để tự tạo điện áp phân cực mở điốt PIN. Mức hạn chế cao; triệt tiêu hiệu quả đỉnh xung lọt; bảo vệ an toàn cho máy thu trước cả tín hiệu phát của đài lẫn nguồn ngoài. Thời gian đáp ứng cực nhanh ($< 10\text{ ns}$); tự thích nghi với biên độ tín hiệu vào.

Từ phân tích trên, luận án đề xuất giải pháp thiết kế bộ hạn chế công suất kết hợp 4 phần làm việc theo dạng nửa tích cực nửa thụ động:

  • Tầng 1: Mạch hạn chế công suất phản xạ sơ cấp sử dụng điốt PIN công suất lớn.
  • Tầng 2: Mạch cộng/chia công suất nhằm phân tán năng lượng sóng cao tần.
  • Tầng 3: Bộ lọc dải thông dạng cài răng lược tích hợp hiệu ứng điốt PIN (khi có công suất lớn đi tới, điốt dẫn làm thay đổi điện dung tương đương, đánh lệch tần số cộng hưởng của bộ lọc ra khỏi dải công tác, tạo ra độ phản xạ và suy hao cực lớn).
  • Tầng 4: Tầng hạn chế giả tích cực sử dụng điốt tách sóng Schottky kết hợp điốt PIN tốc độ cao để dập tắt hoàn toàn phần công suất dư thừa còn lại.

Mô hình thiết kế này cho phép đạt độ suy hao tổng cộng lớn hơn 90 dB đối với tín hiệu công suất lớn, đồng thời rút ngắn thời gian khôi phục độ nhạy máy thu xuống dưới 10 ns.

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

Luận án nghiên cứu các mô hình tạp phi tuyến trong bộ dao động dùng transistor, chỉ ra 4 nguyên nhân chính gây tạp (tạp nhấp nháy FM $1/f$, tạp nhiệt FM, tạp pha nhấp nháy, nền tạp nhiệt) và đúc kết 6 nguyên tắc thiết kế tối thiểu hóa tạp pha cho bộ dao động VCO:

  1. Tối đa hóa hệ số phẩm chất $Q$ có tải của khung cộng hưởng.
  2. Tối ưu hóa điểm làm việc tĩnh (DC bias) của transistor để giảm thiểu chuyển đổi tạp AM-PM.
  3. Sử dụng linh kiện tích cực có tần số góc tạp nhấp nháy ($f_{co}$) càng thấp càng tốt.
  4. Giữ mức công suất dao động đầu ra ($P_{sav}$) ở giá trị đủ lớn nhưng tránh đẩy transistor vào vùng bão hòa sâu.
  5. Cách ly tốt giữa mạch dao động và tải qua các tầng đệm (buffer amplifier).
  6. Lọc triệt để tạp âm từ nguồn cung cấp thiên áp DC.

Đối với mạch tổng hợp tần số vòng khóa pha (PLL), qua phân tích 7 nguồn tạp nội tại, luận án chứng minh rằng cấu trúc 2 vòng khóa pha (Dual-loop PLL) cho phép giảm tạp pha đến 8 dB so với cấu trúc 1 vòng khóa pha đơn lẻ trên cùng một dải tần. Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất kỹ thuật sử dụng bộ dao động chuẩn tần số cao ở dải 741,0 MHz $\div$ 927,5 MHz có độ ổn định nhiệt cao, sau đó chia tần số xuống dải thấp 57,75 MHz $\div$ 92,75 MHz và áp dụng kỹ thuật suy giảm kết hợp khuếch đại lặp để triệt tiêu tạp pha ở đầu ra.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 3 trình bày các kết quả chế tạo mẫu phần cứng, mô phỏng và đo đạc đối chứng cho 3 môđun cụ thể:

1. Thực nghiệm bộ hạn chế công suất bảo vệ máy thu đài ra đa cảnh giới dẫn đường

  • Khảo sát thực tế: Đo dạng xung phát xạ lọt sau đèn cặp nhả điện của đài ra đa cảnh giới dẫn đường sóng centimét. Kết quả đo với bộ suy giảm đồng trục 50 dB ghi nhận xung lọt có đỉnh nhọn biên độ cao tồn tại trong khoảng 15 ns trước khi đèn cặp nhả điện phóng điện hoàn toàn.
  • Mô phỏng ADS: Mô phỏng đáp ứng truyền dẫn của bộ lọc dải thông cài răng lược, đặc tuyến đóng/cắt của các điốt PIN MA4L401-30, MLP7100 và HP5082-3041. Kết quả mô phỏng cho thấy khi điốt PIN được kích hoạt, tần số cộng hưởng của bộ lọc bị lệch hoàn toàn khỏi dải thông công tác.
  • Đo kiểm thực tế: Đo trong phòng thí nghiệm và lắp thử nghiệm trên đài ra đa thực tế.
    • Tổn hao xen khi thu tín hiệu nhỏ: $\le 0{,}8\text{ dB}$.
    • Độ suy hao cách ly khi có xung phát công suất lớn: $> 90\text{ dB}$.
    • Thời gian khôi phục độ nhạy máy thu sau xung phát: $< 10\text{ ns}$.
    • Kết quả so sánh 3 phương pháp cho thấy phương pháp giả tích cực kết hợp đánh lệch dải thông dập tắt hoàn toàn đỉnh xung lọt 15 ns, bảo vệ an toàn tuyệt đối cho khối LNA bán dẫn thay thế đèn sóng chạy UV-99.

2. Thực nghiệm bộ dao động VCO một vòng khóa pha dải sóng centimét (băng Ku)

  • Thiết kế: Bộ dao động VCO bán dẫn kết hợp mạch 1 vòng PLL hoạt động quanh dải tần 16 GHz (tần số kiểm tra tại 16,24 GHz và 16,27 GHz) dùng làm dao động ngoại sai thay thế đèn Klistron K-172P trên đài ra đa trinh sát mặt đất.
  • Kết quả đo kiểm:
    • Mức phổ dao động: Công suất đầu ra đạt mức danh định ổn định trên toàn dải điều chỉnh điện áp Varactor.
    • Tạp pha tại tần số 16,24 GHz và 16,27 GHz: Khi chưa có vòng khóa pha PLL, phổ tạp pha dải bên rộng và mật độ tạp cao; khi kích hoạt mạch PLL, tạp pha tại độ lệch tần số gần sóng mang giảm rõ rệt (cải thiện hơn 20 dB ở độ lệch $10\text{ kHz}$).
    • Độ ổn định tần số theo thời gian: Khảo sát độ trôi tần liên tục trong nhiều giờ chứng minh bộ dao động có khóa pha PLL giữ sai số tần số trong giới hạn cho phép, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trôi tần nhiệt của đèn Klistron cũ.

3. Thực nghiệm bộ dao động nhiều vòng khóa pha cho máy thu đa kênh băng tần VHF

  • Thiết kế: Bộ dao động ngoại sai LO1 và LO2 ứng dụng cấu trúc nhiều vòng khóa pha cho máy thu đa kênh đài ra đa băng sóng mét (VHF, dải tần 57,75 MHz $\div$ 92,75 MHz). Hệ thống sử dụng bộ dao động gốc tần số cao 741,0 MHz $\div$ 927,5 MHz, chia tần số xuống dải công tác và đưa qua các tầng đệm suy giảm - khuếch đại lặp.
  • Kết quả đo kiểm:
    • Các kênh thu đạt độ đồng đều cao về biên độ và pha.
    • Tạp pha đo được tại đầu ra máy thu đạt mức thấp trên toàn dải thông.
    • Thời gian thiết lập tần số (khóa pha) nhanh, bước nhảy tần nhỏ, đáp ứng tốt yêu cầu chuyển kênh nhanh và làm việc tương can của máy thu đa kênh dải rộng.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được 6 kết quả và đóng góp mới sau:

  1. Đề xuất cấu trúc bộ hạn chế công suất 4 phần nửa tích cực nửa thụ động: Ứng dụng thành công kỹ thuật đánh lệch dải thông của bộ lọc cài răng lược kết hợp hiệu ứng điốt PIN và mạch hạn chế giả tích cực cho máy thu đài ra đa cảnh giới dẫn đường sóng centimét. Bộ hạn chế đạt độ suy hao cách ly $> 90\text{ dB}$, thời gian khôi phục độ nhạy $< 10\text{ ns}$, tự động thích ứng với mức công suất lọt đầu vào và bảo vệ an toàn cho khối LNA bán dẫn.
  2. Xác lập 4 nguyên nhân phát sinh tạp và 6 nguyên tắc thiết kế tối ưu hóa tạp pha: Hệ thống hóa cơ chế sinh tạp trong bộ dao động transistor, làm cơ sở khoa học để thiết kế các bộ VCO bán dẫn siêu cao tần có tạp pha cực tiểu.
  3. Phân định rõ ranh giới áp dụng của mô hình tạp chuyển đổi và tạp điều chế: Chứng minh bằng giải tích và thực nghiệm rằng mô hình tạp chuyển đổi mô tả chính xác tạp ở vùng tần số xa sóng mang, trong khi mô hình tạp điều chế mô tả chính xác tạp ở vùng tần số gần sóng mang.
  4. Chứng minh định lượng hiệu quả giảm tạp pha của cấu trúc đa vòng khóa pha: Khảo sát 7 nguồn tạp nội tại trong hệ thống VCO-PLL và chứng minh cấu trúc 2 vòng khóa pha giúp giảm mức tạp pha đến 8 dB so với cấu trúc 1 vòng khóa pha.
  5. Đề xuất giải pháp tổng hợp tần số dải VHF bằng kỹ thuật chia tần số dao động chuẩn cao tần: Thiết kế thành công bộ dao động dải 57,75 MHz $\div$ 92,75 MHz từ nguồn dao động chuẩn 741,0 MHz $\div$ 927,5 MHz kết hợp suy giảm và khuếch đại lặp, đạt độ ổn định tần số cao và tạp pha thấp cho máy thu đa kênh.
  6. Chế tạo và thử nghiệm thành công 3 cụm thiết bị siêu cao tần trên các đài ra đa thực tế: Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng và đo kiểm khẳng định tính đúng đắn của lý thuyết trên đài ra đa cảnh giới dẫn đường sóng centimét, đài ra đa trinh sát mặt đất băng Ku (16 GHz) và đài ra đa băng mét VHF.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng trực tiếp các môđun bộ hạn chế công suất bán dẫn và bộ dao động VCO/PLL đã chế tạo vào quy trình sửa chữa, tăng hạn và hiện đại hóa các đài ra đa $\Pi$-18, $\Pi$-37 và đài trinh sát mặt đất đang có trong biên chế quân đội.
  • Tiếp tục tiêu chuẩn hóa quy trình thiết kế và đo kiểm mạch vi dải siêu cao tần cho các cơ sở nghiên cứu và nhà máy quốc phòng trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Luận án tập trung chủ yếu vào phần đầu máy thu siêu cao tần (RF front-end) và mạch dao động tại chỗ (LO); chưa đi sâu vào việc số hóa toàn diện các tầng khuếch đại trung tần (IF) và khối biến đổi tương tự - số tốc độ cao (ADC) cho toàn tuyến thu.
  • Các thử nghiệm thực tế mới tiến hành trên 3 chủng loại đài ra đa đại diện cho dải sóng mét và dải sóng centimét; chưa mở rộng đánh giá trên toàn bộ các băng tần khác (như băng L, S, X) có trong trang bị.

Hướng nghiên cứu phát triển

  • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ tổng hợp tần số kỹ thuật số trực tiếp (DDS) kết hợp vòng khóa pha đa vòng trên các dải sóng vi ba cao hơn.
  • Nghiên cứu cấu trúc máy thu số hóa trực tiếp tại tần số siêu cao tần (RF Direct Sampling Receiver) nhằm loại bỏ hoàn toàn các tầng trộn tần tương tự khi công nghệ vi mạch ADC tốc độ siêu cao phát triển.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và kỹ sư ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật vô tuyến, Kỹ thuật ra đa: Tham khảo phương pháp tính toán hệ số tạp, dải động, điểm chắn IIP2/IIP3, và phương pháp phân tích phi tuyến cân bằng hài (Harmonic Balance) cho các mạch siêu cao tần.
  • Cán bộ nghiên cứu và kỹ sư thiết kế mạch vi ba: Ứng dụng quy trình mô phỏng mạch siêu cao tần trên phần mềm ADS và giải pháp thiết kế bộ lọc cài răng lược tích hợp điốt PIN để triệt tiêu xung công suất lớn.
  • Chuyên gia kỹ thuật tại các nhà máy, viện nghiên cứu quốc phòng: Ứng dụng các sơ đồ nguyên lý mạch hạn chế công suất giả tích cực và mạch dao động đa vòng khóa pha để thay thế các linh kiện đèn chân không (UV-99, K-172P), phục vụ công tác cải tiến, nâng cấp khí tài ra đa.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao các bộ hạn chế công suất thụ động trước đây không bảo vệ được khối khuếch đại tạp thấp LNA?

Đèn cặp nhả điện trong các đài ra đa xung công suất lớn có thời gian trễ đánh lửa khoảng 15 ns. Trong khoảng thời gian cực ngắn này, một đỉnh xung lọt có biên độ điện áp rất cao (>150 kV) đi thẳng vào máy thu. Các bộ hạn chế thụ động thông thường có tốc độ đáp ứng chậm hơn độ rộng đỉnh xung lọt, khiến năng lượng đỉnh này lọt qua và đánh thủng hoặc làm thoái hóa lớp tiếp giáp bán dẫn của bộ khuếch đại LNA.

2. Luận án đã giải quyết bài toán triệt tiêu đỉnh xung lọt 15 ns bằng nguyên lý kỹ thuật nào?

Tác giả sử dụng cấu trúc 4 phần nửa tích cực nửa thụ động, trọng tâm là kỹ thuật đánh lệch dải thông của bộ lọc cài răng lược kết hợp hiệu ứng điốt PIN và mạch hạn chế giả tích cực. Khi có xung lọt công suất lớn đi tới, mạch tách sóng nhanh tự trích năng lượng để cấp dòng mở điốt PIN trong thời gian dưới 10 ns, làm biến đổi điện dung tương đương và đẩy tần số cộng hưởng của bộ lọc ra khỏi dải thông công tác, tạo mức suy hao cách ly tức thời lớn hơn 90 dB.

3. Cấu trúc hai vòng khóa pha (2 PLL) mang lại ưu thế gì so với một vòng khóa pha (1 PLL)?

Cấu trúc 2 vòng khóa pha cho phép tách biệt giữa yêu cầu về độ phân giải bước nhảy tần và băng thông vòng lọc, giúp hệ thống vừa đạt được thời gian khóa pha nhanh, dải tần công tác rộng, vừa giảm được 8 dB mật độ phổ công suất tạp pha so với cấu trúc 1 vòng PLL đơn lẻ.

4. Các giải pháp kỹ thuật của luận án đã được thử nghiệm thực tế trên những thiết bị cụ thể nào?

Luận án đã chế tạo và thử nghiệm thực tế 3 môđun:

  • Bộ hạn chế công suất điốt PIN và LNA dải centimét thay thế đèn sóng chạy UV-99 trên đài ra đa cảnh giới dẫn đường.
  • Bộ dao động VCO 1 vòng khóa pha dải 16 GHz thay thế đèn Klistron K-172P trên đài ra đa trinh sát mặt đất.
  • Bộ dao động LO1/LO2 đa vòng khóa pha dải 57,75 MHz $\div$ 92,75 MHz trên máy thu đa kênh đài ra đa sóng mét (VHF).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Văn Hạnh đã giải quyết trọn vẹn hai bài toán kỹ thuật cấp thiết trong tuyến thu đài ra đa quân sự: bảo vệ an toàn đầu vào trước các xung lọt cường độ mạnh và nâng cao độ ổn định, giảm tạp pha cho bộ dao động tại chỗ. Các giải pháp đề xuất bao gồm bộ hạn chế công suất nửa tích cực nửa thụ động dùng điốt PIN kết hợp bộ lọc cài răng lược và bộ tổng hợp tần số đa vòng khóa pha đã được chứng minh tính đúng đắn qua mô phỏng ADS và đo kiểm thực nghiệm trên 3 hệ thống ra đa thực tế. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ vững chắc phục vụ trực tiếp công tác sửa chữa, làm chủ kỹ thuật và bán dẫn hóa các khí tài ra đa trong quân đội.