Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ chuyên ngành Vật lý Vô tuyến và điện tử (mã số: 62 44 03 01) với đề tài "Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã ICAO và hệ phát băng tần L công suất lớn cho hệ thống phát tín hiệu nhận dạng" do nghiên cứu sinh Đặng Thị Thanh Thủy thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Bạch Gia Dương và PGS. Vũ Anh Phi tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và Trung tâm nghiên cứu Điện tử Viễn thông (Trường Đại học Công nghệ), Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2011.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Trong bối cảnh lưu lượng giao thông hàng không và hàng hải quốc tế gia tăng nhanh chóng, công tác quản lý, giám sát các phương tiện di chuyển trên không và trên biển thuộc chủ quyền quốc gia đối mặt với nhiều yêu cầu kỹ thuật phức tạp. Hệ thống phân biệt, nhận dạng mục tiêu và quản lý không lưu đòi hỏi phải có sự thống nhất về cấu trúc mã tín hiệu theo các quy chuẩn quốc tế, tiêu biểu là tiêu chuẩn của Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO), đồng thời phải đáp ứng các yêu cầu bảo mật thông tin trong các nhiệm vụ quân sự, an ninh quốc gia.
Tại Việt Nam, phần lớn các thiết bị nhận biết chủ quyền và nhận dạng bạn - thù (IFF) trang bị trong quân đội thời điểm nghiên cứu là các hệ thống do Liên Xô cũ chế tạo như КРЕМНИЙ-2, НИХРОМ và ПАРОЛЬ. Các hệ thống này hoạt động trên nền tảng công nghệ cũ, linh kiện thay thế khan hiếm và không có khả năng tương thích với các thế hệ máy bay dân sự hiện đại (Boeing, Airbus). Đặc biệt, bộ mã mật trong hệ thống ПАРОЛЬ không được phía nhà sản xuất chuyển giao nên thiết bị chỉ vận hành được ở các chế độ không bảo mật. Mặt khác, các hệ thống thiết bị hỏi - đáp thương phẩm của nước ngoài thường được đóng gói trọn gói, giữ bí mật về công nghệ phần cứng lẫn thuật toán phần mềm, dẫn đến chi phí đầu tư rất cao và không thể can thiệp để tích hợp mã bảo mật riêng hay linh hoạt chuyển đổi mục đích sử dụng. Do đó, việc nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo bộ tạo mã linh hoạt và máy phát tín hiệu siêu cao tần công suất lớn ở băng tần L là đòi hỏi cấp bách cả về mặt khoa học kỹ thuật lẫn an ninh - quốc phòng.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định hai mục tiêu cốt lõi:
- Nghiên cứu xây dựng các phương tiện tạo mã tín hiệu mềm dẻo, linh hoạt, có khả năng tái lập cấu hình các dạng mã nhận dạng chuẩn quốc tế (mã ICAO) và tạo lập các mã riêng phục vụ mục đích bảo mật.
- Nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới, phù hợp để xây dựng hệ thống truyền dẫn linh hoạt, có khả năng chuyển tần nhanh, độ nhạy cao, hoạt động ở dải sóng siêu cao tần băng L với công suất phát lớn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phát tín hiệu nhận dạng thông tin mục tiêu (hệ thống hỏi - đáp vô tuyến siêu cao tần).
- Phạm vi nghiên cứu: Dải sóng siêu cao tần băng L (tập trung tại tần số sóng mang 1030 MHz cho tín hiệu hỏi và 1090 MHz cho tín hiệu trả lời); cấu trúc mã nhận dạng theo chuẩn ICAO Mode S và các giải pháp vi mạch tạo mã (vi điều khiển, DSP, FPGA); các công nghệ chế tạo máy phát siêu cao tần công suất lớn (bộ vòng bám pha PLL, bộ khuếch đại công suất vi dải cơ sở 200W, mạng tổ hợp công suất 3kW dùng cầu Wilkinson kiến trúc 32 mô đun).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế
- Tình hình nghiên cứu quốc tế: Hệ thống truyền dẫn và xử lý tín hiệu ở dải sóng siêu cao tần băng L phục vụ quản lý không lưu và quân sự được phát triển mạnh mẽ tại các quốc gia tiên tiến, đặc biệt là Hoa Kỳ, được phản ánh qua các tiêu chuẩn của ICAO và các công bố trên các tạp chí của Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE). Các hệ thống tiêu biểu bao gồm hệ thống tránh va chạm giao thông hàng không (TCAS), radar giám sát thứ cấp (SSR), hệ thống phát đáp (Transponder), hệ thống giám sát phụ thuộc tự động (ADS-B), đài dẫn đường vô tuyến đa năng (DME, TACAN), hệ thống định vị vệ tinh (GPS), hệ thống phân phối thông tin chiến thuật liên hợp (JTIDS/MIDS). Từ năm 1983 đến năm 1991, ICAO đã chuẩn hóa mô hình Truyền thông, Dẫn đường, Giám sát và Quản lý Không lưu (CNS/ATM) với các giao thức trao đổi dữ liệu như CM, ADS, CPDLC, AMHS và AIDC.
- Tình hình nghiên cứu trong nước: Trước thời điểm luận án, việc nghiên cứu hệ thống hỏi - đáp chủ yếu dừng lại ở các đề tài sửa chữa, phục hồi các khối máy hỏi, ăng-ten hoặc mô phỏng mã của các hệ thống cũ của Liên Xô tại Học viện Kỹ thuật Quân sự và Viện Kỹ thuật quân sự Phòng không - Không quân. Một số cơ sở hàng không dân dụng mua sắm các hệ thống dẫn đường nước ngoài như CAT I ILS, K1, K3 tại các sân bay Cát Bi, Tân Sơn Nhất, Nội Bài. Về nghiên cứu cấp nhà nước và cấp đại học, nghiên cứu sinh đã trực tiếp tham gia đề tài mã số QG.26 (giai đoạn 2007-2009) và đề tài trọng điểm cấp nhà nước mã số KC.12/06-10 (giai đoạn 2006-2010) do PGS. Bạch Gia Dương làm chủ nhiệm.
Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết
Các công trình trước đây ở Việt Nam chưa xây dựng được một giải pháp tổng thể từ khâu tạo mã tín hiệu mềm dẻo đến khâu thiết kế, chế tạo máy phát siêu cao tần công suất lớn băng L tuân thủ chuẩn ICAO. Luận án lựa chọn giải quyết trọn vẹn khoảng trống này bằng việc:
- Khảo sát, so sánh và lựa chọn nền tảng phần cứng tối ưu để phát mã ICAO Mode S với độ rộng xung hẹp nano giây và sườn xung dốc.
- Làm chủ kỹ thuật tổng hợp tần số linh hoạt bằng vòng bám pha (PLL) kết hợp bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO).
- Thiết kế mạch vi dải phối hợp trở kháng và hiện thực hóa bộ tổ hợp công suất mức kilowatt (3kW) từ 32 mô đun khuếch đại 200W sử dụng cầu chia/ghép Wilkinson.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và mô hình phân tích
- Lý thuyết đường truyền siêu cao tần: Ở dải tần số cao, bước sóng tương đương hoặc nhỏ hơn kích thước mạch, đòi hỏi mô hình đường truyền tham số phân bố gồm điện trở $R$, điện cảm $L$, điện dẫn $G$ và điện dung $C$ trên một đơn vị chiều dài. Phương trình vi phân đường truyền (phương trình điện báo) mô tả quan hệ điện áp và dòng điện: $$\frac{\partial^2 U(z,t)}{\partial z^2} = LC \frac{\partial^2 U(z,t)}{\partial t^2} + (RC + LG)\frac{\partial U(z,t)}{\partial t} + RG \cdot U(z,t)$$ Hệ số truyền sóng phức được xác định bởi: $\gamma = \alpha + j\beta = \sqrt{(R + j\omega L)(G + j\omega C)}$, trong đó $\alpha$ là hệ số suy giảm (dB/m hoặc neper/m, với $1\text{ neper} = 8,868\text{ dB}$) và $\beta$ là hằng số pha ($\beta = \frac{2\pi}{\lambda}$).
- Hệ số phản xạ và tỷ số sóng đứng (SWR): Hệ số phản xạ tại tải $Z_L$ trên đường truyền có trở kháng đặc trưng $Z_0$ được tính bằng: $$\Gamma_L = \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0}$$ Tỷ số sóng đứng biểu thị mức độ phối hợp trở kháng: $$\text{SWR} = \frac{U_{\max}}{U_{\min}} = \frac{1 + |\Gamma_L|}{1 - |\Gamma_L|}$$
- Biểu đồ Smith: Công cụ đồ thị biểu diễn mặt phẳng phức của hệ số phản xạ $\Gamma$, cho phép xác định trực quan các họ đường cong đẳng điện trở $r = \text{const}$ và đẳng điện kháng $x = \text{const}$, hỗ trợ tính toán trở kháng vào $Z_{in}$ tại vị trí cách tải một khoảng $l$: $$Z_{in}(l) = Z_0 \frac{Z_L + j Z_0 \tan(\beta l)}{Z_0 + j Z_L \tan(\beta l)}$$
- Lý thuyết đường truyền vi dải (Microstrip line): Mạch dải siêu cao tần chế tạo trên chất nền điện môi với bề rộng dải $w$, chiều dày đế $h$, độ dày lớp kim loại $t$ và hằng số điện môi tương đối $\varepsilon_r$. Hằng số điện môi hiệu dụng $\varepsilon_{\text{eff}}$ và trở kháng đặc trưng $Z_0$ được xác định dựa trên tỷ lệ $w/h$.
- Kỹ thuật phối hợp trở kháng: Luận án áp dụng phương pháp phối hợp bằng đoạn dây nhánh chêm (stub matching) và đoạn dây biến áp trở kháng một phần tư bước sóng ($\lambda/4$) với công thức: $$R_x = \sqrt{R_c R_L}$$
- Lý thuyết tổ hợp tần số PLL và tổ hợp công suất Wilkinson: Sử dụng vòng khóa pha số (DPLL), bộ so pha số và bộ chia công suất phân kỳ Wilkinson (chia 2, chia 4, chia 8) bảo đảm tính cô lập cao giữa các cổng và tổn hao truyền dẫn nhỏ.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm chế tạo:
- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm chuyên dụng Advanced Design System (ADS) để mô phỏng mạng phối hợp trở kháng đầu vào/đầu ra của các tầng khuếch đại, mô phỏng tham số tán xạ $S$ của các bộ chia/ghép công suất Wilkinson và cầu Hybrid $180^\circ$.
- Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mạch in vi dải (PCB), lập trình cấu hình trên vi điều khiển PIC16F877A, PSoC, kít DSP56307EVM và FPGA Spartan-3E; đo đạc tham số bằng máy phân tích phổ, máy phân tích mạng véc-tơ, máy hiện sóng số và thiết bị đo công suất chuyên dụng.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Giới thiệu về hệ thống thông tin hỏi đáp và những yêu cầu đặc thù ở dải sóng siêu cao tần
Chương này tổng kết kiến trúc của các hệ thống hỏi - đáp vô tuyến trong quản lý không lưu và quân sự, đồng thời thiết lập cơ sở lý thuyết truyền sóng siêu cao tần.
+-----------------------------------+
| BỘ PHÁT MÃ ĐIỀU KHIỂN (MÃ HÓA) |
+-----------------+-----------------+
|
v
+------------------+ +-------------------+ +-------------------+
| KHỐI TẠO TÍN HIỆU| ---> | KHỐI ĐIỀU CHẾ | ---> | BỘ KHUẾCH ĐẠI | ---> ĂNG-TEN PHÁT
| SÓNG MANG (PLL) | | MÃ PHA (DPSK) | | CÔNG SUẤT (3kW) |
+------------------+ +-------------------+ +-------------------+
Luận án phân tích chi tiết:
- Cấu trúc hệ thống CNS/ATM, vai trò của chế độ Mode S, nguyên lý thẩm vấn và trả lời của radar SSR, hệ thống tránh va chạm TCAS và hệ thống ADS-B.
- Các hiện tượng vật lý trên đường truyền siêu cao tần: sóng phản xạ, sóng đứng, tổn hao công suất và biến đổi pha dọc đường truyền.
- Nguyên lý ứng dụng biểu đồ Smith để giải quyết bài toán phối hợp trở kháng nguồn - đường truyền - tải, đảm bảo công suất truyền qua tải đạt cực đại và tổn hao phản xạ là nhỏ nhất.
- Yêu cầu kỹ thuật đối với tín hiệu hỏi - đáp: Chuỗi xung phải có độ rộng xung hẹp (vài trăm nano giây), thời gian sườn trước (sườn lên) và sườn sau (sườn xuống) cực ngắn để chống chồng phổ khi điều chế lật pha; tín hiệu phải có tính linh hoạt cao về tần số lặp lại xung, khoảng cách xung và tần số sóng mang nhằm phục vụ mục đích bảo mật thông tin.
Chương 2. Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã hỏi đáp linh hoạt nhận dạng mục tiêu
Chương 2 tập trung giải mã cấu trúc định dạng chuẩn ICAO và thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm nhằm tìm kiếm phương tiện vi mạch tạo mã tối ưu.
+---------------------------------------+
| CẤU TRÚC GÓI THÔNG TIN MODE S (ICAO) |
+-------------------+-------------------+
|
+------------------------+------------------------+
| |
v v
+---------------------------+ +---------------------------+
| ĐỊNH DẠNG NGẮN (56 BITS) | | ĐỊNH DẠNG DÀI (112 BITS) |
| Độ dài chuỗi hỏi: 19 µs | | Độ dài chuỗi hỏi: 33 µs |
| Độ dài chuỗi đáp: 22 µs | | Độ dài chuỗi đáp: 36 µs |
+---------------------------+ +---------------------------+
- Định dạng mã theo chuẩn ICAO:
- Cấu trúc gói thông tin ATS gồm các trường dữ liệu tiêu chuẩn (Bảng 2.1) phân tách bằng các ký tự quy ước:
| Trường | Nội dung dữ liệu |
|---|---|
| Trường 3 | Loại thông tin, số và dữ liệu chỉ dẫn |
| Trường 5 | Mô tả tình trạng khẩn cấp |
| Trường 7 | Sự phát hiện máy bay, chế độ SSR và mã nhận dạng |
| Trường 8 | Luật lệ bay và loại chuyến bay |
| Trường 9 | Số lượng, loại máy bay và trọng lượng |
| Trường 10 | Trang thiết bị trên máy bay |
| Trường 13 | Giờ và sân bay cất cánh |
| Trường 14 | Dữ liệu ước lượng |
| Trường 15 | Lộ trình chuyến bay |
| Trường 16 | Đích đến, tổng thời gian bay và sân bay dự bị |
| Trường 17 | Thời gian và sân bay đến |
| Trường 18 | Thông tin khác |
| Trường 19 | Thông tin bổ sung |
| Trường 20 | Cảnh báo tìm kiếm và thông tin cứu hộ |
| Trường 21 | Thông báo lỗi liên lạc vô tuyến |
| Trường 22 | Dữ liệu bổ sung khác |
- Địa chỉ máy bay Mode S sử dụng 24 bit, cho phép phân bổ $2^{24} = 16.777.214$ địa chỉ duy nhất. Luận án thống kê tiền tố địa chỉ của một số quốc gia:
| Quốc gia | Tiền tố mã nhị phân địa chỉ 24 bit |
|---|---|
| Việt Nam | 100010001---------------- |
| Trung Quốc | 011110-------------------- |
| Colombia | 000010101100-------------- |
| Comoros | 0000011010100------------- |
| Venezuela | 000011011----------------- |
- Cấu trúc xung tín hiệu thăm dò và trả lời Mode S:
- Tín hiệu thăm dò (Uplink - 1030 MHz): Gồm các xung P1, P2 (xung triệt thùy bên SLS cách P1 2 $\mu\text{s}$), P3, P4 ($1,6\ \mu\text{s}$) và xung P6 mang dữ liệu. Xung P6 có độ dài $16,25\ \mu\text{s}$ (định dạng ngắn 56 bit) hoặc $30,25\ \mu\text{s}$ (định dạng dài 112 bit), điều chế khóa dịch pha vi sai (DPSK). Điểm lật pha $180^\circ$ đồng bộ xuất hiện tại $1,25\ \mu\text{s}$ sau sườn lên của P6; các chip dữ liệu có độ rộng $0,25\ \mu\text{s}$; bit cuối cách sườn xuống $0,75\ \mu\text{s}$. Xung P5 được phát từ ăng-ten đẳng hướng để triệt thùy bên.
- Tín hiệu trả lời (Downlink - 1090 MHz): Điều chế vị trí xung (PPM). Gồm 4 xung mào đầu ($0,5\ \mu\text{s}$), khoảng cách giữa P1 và P3 là $3,5\ \mu\text{s}$, chuỗi dữ liệu bắt đầu sau xung đầu tiên $8\ \mu\text{s}$. Mỗi bit kéo dài $1\ \mu\text{s}$ chứa 2 vị trí xung $0,5\ \mu\text{s}$.
- Thực nghiệm lựa chọn phương tiện tạo mã:
Luận án đã tiến hành thiết kế và thử nghiệm tạo chuỗi mã ICAO trên 4 nền tảng phần cứng:
- Vi điều khiển PIC16F877A: Xung tạo ra có độ trễ lớn, sườn xung thoải, tần số xung nhịp thấp không đáp ứng được yêu cầu tạo xung nano giây của Mode S.
- Vi điều khiển PSoC (CY8C29466): Tích hợp khối tương tự và số, nhưng tốc độ xử lý vẫn bị giới hạn khi tạo chuỗi mã mật tốc độ cao.
- Bộ xử lý tín hiệu số DSP (kít DSP56307EVM): Tốc độ xử lý tốt hơn, tạo được các đoạn mã ngắn nhưng tính linh hoạt trong việc thay đổi cấu trúc phần cứng bị hạn chế.
- Mảng cổng lập trình được FPGA (kít Spartan-3E của Xilinx): Kết quả thực nghiệm cho thấy FPGA đáp ứng vượt trội về độ chính xác thời gian, sườn xung trước và sườn sau cực dốc (độ trễ chỉ vài nano giây), khả năng tái lập cấu hình logic phần cứng linh hoạt, cho phép lập trình thay đổi cấu trúc trường, số lượng xung, độ rộng xung và thuật toán mã hóa mật dễ dàng qua ngôn ngữ VHDL.
Chương 3. Nghiên cứu, lựa chọn, ứng dụng những công nghệ mới trong thiết kế chế tạo máy phát siêu cao tần
Chương này trình bày toàn bộ quá trình thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm phần cứng của hệ máy phát băng L công suất lớn.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| HỆ THỐNG MÁY PHÁT BĂNG L CÔNG SUẤT LỚN |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| |
| [Khối Tổ Hợp Tần Số PLL] ---> [Khuếch Đại 1W] ---> [Tầng Đệm 45W] |
| (IC ADF411x + VCO 500-1100MHz) |
| | |
| v |
| [Mô Đun Khuếch Đại Cơ Sở 200W] |
| | |
| v |
| [ĂNG-TEN] <--- [TỔ HỢP CÔNG SUẤT 3kW] <--- [Mạng Cầu Ghép Wilkinson (32 Mô Đun)] |
| |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
-
Khối tạo dao động sóng mang bằng kỹ thuật tổ hợp tần số PLL:
- Ứng dụng IC tổ hợp tần số họ ADF411x của hãng Analog Devices kết hợp với khối dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) dải 500 MHz - 1100 MHz.
- Mạch tạo ra tín hiệu sóng mang có độ ổn định tần số cao, cho phép chuyển đổi tần số linh hoạt bằng phần mềm điều khiển trong dải 1020 MHz - 1100 MHz với các bước nhảy tần số mịn (từ vài kHz đến vài trăm kHz), phát chuẩn tại tần số trung tâm 1030 MHz. Giải pháp này thay thế hoàn toàn các đèn điện tử chân không công suất lớn truyền thống (Magnetron, Klystron) vốn cồng kềnh, nguồn nuôi phức tạp và tần số cố định.
-
Chế tạo bộ khuếch đại công suất cơ sở 200W:
- Luận án thiết kế mạch khuếch đại phân tầng trên công nghệ mạch vi dải: tầng khuếch đại tiền kích 1W $\rightarrow$ tầng khuếch đại trung gian 45W $\rightarrow$ tầng khuếch đại công suất cơ sở 200W.
- Thiết kế và mô phỏng mạng phối hợp trở kháng ngõ vào/ngõ ra trên phần mềm ADS nhằm đạt hệ số khuếch đại tối ưu và phối hợp trở kháng $50\ \Omega$.
- Thực nghiệm đo đạc đặc trưng biên độ - tần số tại 1030 MHz cho thấy mạch khuếch đại cơ sở hoạt động ổn định ở chế độ xung, đáp ứng mức công suất ra danh định 200W. Đồng thời, chế tạo hệ thống nguồn ổn áp một chiều công suất lớn cung cấp dòng nuôi ổn định cho mạch.
-
Nghiên cứu giải pháp nâng cao công suất phát - Bộ tổ hợp công suất 3kW:
- Để đạt công suất phát cực đại phát xạ không gian, luận án đề xuất giải pháp tổ hợp công suất đồng pha, đồng biên độ từ các mô đun cơ sở 200W.
- Thiết kế, mô phỏng và chế tạo các bộ chia/ghép công suất vi dải sử dụng cầu Hybrid $180^\circ$ và cầu Wilkinson (bộ chia 2, chia 4 và chia 8) trên nền phíp cao tần chuyên dụng, sử dụng điện trở công suất dán không cảm ứng và đầu nối đồng trục (connector) chất lượng cao.
- Tiến hành ghép nối 32 mô đun khuếch đại công suất cơ sở 200W thông qua mạng cầu chia/ghép Wilkinson nhiều tầng, hiện thực hóa thành công khối tổ hợp công suất đỉnh đạt trên 3kW tại tần số 1030 MHz. Hệ thống được trang bị khối nguồn nuôi tập trung và hệ thống quạt làm mát cưỡng bức đảm bảo tản nhiệt khi phát xung liên tục.
-
Xây dựng đầu thu siêu cao tần hoàn thiện hệ thống:
- Thiết kế khối đầu thu gồm bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA), mạch trộn tần (Mixer) và bộ khuếch đại trung tần (IF), tạo thành tuyến thu - phát hỏi đáp nhận dạng thông tin khép kín.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới về mặt khoa học và công nghệ
- Làm chủ và hiện thực hóa bộ tạo mã nhận dạng đa năng: Luận án đã nghiên cứu toàn diện cấu trúc mã ICAO Mode S, thử nghiệm so sánh các công nghệ vi xử lý và khẳng định công nghệ FPGA (Xilinx Spartan-3E) là giải pháp tối ưu để tạo chuỗi mã hỏi - đáp. Thiết kế thành công bộ phát mã có khả năng tái cấu trúc linh hoạt về độ rộng xung (đến mức nano giây), độ trễ sườn cực nhỏ, linh hoạt thay đổi nội dung dữ liệu và số lượng xung, đáp ứng cả chuẩn quốc tế lẫn yêu cầu bảo mật riêng.
- Làm chủ công nghệ tổng hợp tần số sóng mang băng L: Ứng dụng thành công kỹ thuật PLL với IC ADF411x và VCO dải rộng để chế tạo bộ tạo dao động sóng mang linh hoạt chuyển đổi tần số trong dải 1020 MHz - 1100 MHz (tần số trung tâm 1030 MHz), khắc phục các hạn chế của nguồn phát sóng siêu cao tần truyền thống bằng đèn Magnetron/Klystron.
- Thiết kế, chế tạo thành công mô đun khuếch đại công suất xung 200W: Ứng dụng lý thuyết đường truyền vi dải và phần mềm ADS để tính toán, phối hợp trở kháng tối ưu, chế tạo thành công mô đun khuếch đại cơ sở 200W hoạt động ổn định ở băng L.
- Hiện thực hóa kiến trúc tổ hợp công suất lớn 3kW: Đề xuất và chế tạo thành công hệ thống chia/ghép công suất đồng pha, đồng biên độ sử dụng cầu Wilkinson (chia 2, chia 4, chia 8), tích hợp 32 mô đun cơ sở 200W để đạt công suất phát xung đỉnh 3kW tại 1030 MHz.
- Chế tạo tích hợp đồng bộ hệ thống thu - phát: Hoàn thiện tuyến phát công suất lớn và tuyến thu siêu cao tần (LNA - Trộn tần - Khuếch đại trung tần), đặt nền tảng kỹ thuật cho việc chế tạo hoàn chỉnh đài hỏi - đáp nhận dạng vô tuyến tại Việt Nam.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án vào việc nâng cấp, thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hệ thống hỏi - đáp quân sự thế hệ cũ (như Kremniy-2, Nikhrom, Parol) trên các đài radar cảnh giới và tàu hải quân.
- Ứng dụng khối phát công suất lớn và bộ tạo mã ICAO trong các đài radar giám sát thứ cấp (SSR) và trạm kiểm soát không lưu dân dụng tại các sân bay nội địa.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Quá trình tổ hợp công suất quy mô lớn (32 mô đun cơ sở) đòi hỏi sự đồng nhất nghiêm ngặt về biên độ và pha giữa các nhánh; việc chế tạo thủ công trong phòng thí nghiệm gặp nhiều khó khăn trong việc duy trì tính lặp lại hoàn hảo giữa các phân bản vi dải. Hệ thống chủ yếu được đánh giá qua các phép đo thực nghiệm tại phòng thí nghiệm chuyên ngành, chưa trải qua quá trình thử nghiệm dã ngoại dài ngày trên các phương tiện bay hoặc tàu biển thực tế.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo: Tiếp tục chuẩn hóa quy trình công nghệ chế tạo PCB mạch dải công nghiệp để nâng cao độ đồng nhất; nghiên cứu tích hợp sâu các thuật toán mật mã đặc thù của Việt Nam vào chip FPGA; thử nghiệm tích hợp toàn bộ đài phát 3kW lên hệ thống đài radar thứ cấp thực địa để đánh giá tầm hoạt động và độ tin cậy trong môi trường tác chiến điện tử.
Giá trị tham khảo
- Đối với các nhà nghiên cứu và nghiên cứu sinh: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp tính toán mạch dải siêu cao tần, kỹ thuật sử dụng biểu đồ Smith trong phối hợp trở kháng phức tạp và phương pháp thiết kế bộ chia công suất Wilkinson nhiều tầng.
- Đối với kỹ sư vô tuyến, radar và hàng không: Cung cấp giải pháp phần cứng và kiến trúc cụ thể để phát triển các thiết bị thu phát băng L, bộ tạo mã Mode S ICAO trên FPGA, cũng như kinh nghiệm thiết kế tầng khuếch đại công suất bán dẫn xung mức kilowatt.
- Đối với các cơ quan quản lý và chuyển giao công nghệ: Là cơ sở khẳng định năng lực tự chủ công nghệ trong nước đối với các thiết bị giám sát không lưu và nhận biết chủ quyền quốc gia, giảm thiểu phụ thuộc vào nhập khẩu thiết bị từ nước ngoài.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án đã thử nghiệm tạo mã ICAO trên những nền tảng phần cứng nào và kết luận ra sao?
Tác giả đã thử nghiệm tạo chuỗi mã ICAO trên 4 nền tảng phần cứng: vi điều khiển PIC16F877A, vi điều khiển PSoC (CY8C29466), bộ xử lý tín hiệu số DSP (kít DSP56307EVM) và mảng cổng lập trình được FPGA (kít Spartan-3E của Xilinx). Kết quả thực nghiệm khẳng định FPGA là nền tảng tối ưu nhất nhờ khả năng tạo chuỗi xung có sườn lên và sườn xuống cực dốc (độ trễ chỉ vài nano giây), đáp ứng chính xác các khoảng thời gian khắt khe của mã Mode S và cho phép tái lập cấu hình logic phần cứng linh hoạt qua phần mềm.
2. Tần số hoạt động chuẩn của tín hiệu hỏi và tín hiệu trả lời trong hệ thống Mode S là bao nhiêu?
Theo quy chuẩn của ICAO được luận án khảo sát, tần số phát tín hiệu hỏi (Uplink - từ trạm mặt đất lên máy bay) là 1030 MHz và tần số phát tín hiệu trả lời (Downlink - từ máy bay phát đáp về mặt đất) là 1090 MHz.
3. Giải pháp công nghệ nào được sử dụng để đạt công suất phát siêu cao tần 3kW?
Tác giả sử dụng phương pháp tổ hợp công suất đồng pha, đồng biên độ từ các mô đun bán dẫn vi dải. Hệ thống bao gồm 32 mô đun khuếch đại công suất cơ sở 200W, được ghép nối với nhau thông qua mạng cầu chia/ghép công suất Wilkinson (sử dụng các bộ chia/ghép 2, 4 và 8) và cầu Hybrid $180^\circ$ trên chất nền vi dải, tạo ra công suất đỉnh đạt 3kW tại tần số 1030 MHz.
4. Tại sao tác giả sử dụng phương pháp tổ hợp tần số PLL thay cho các đèn phát cao tần truyền thống?
Các đèn phát cao tần truyền thống như Magnetron hay Klystron có nhược điểm lớn: kích thước cồng kềnh, yêu cầu hệ thống nguồn nuôi cao áp phức tạp, khó chế tạo và đặc biệt là tần số sóng mang bị cố định, không thể thay đổi. Việc ứng dụng kỹ thuật tổ hợp tần số PLL kết hợp IC ADF411x và VCO cho phép tạo sóng mang có độ ổn định cao, thiết bị gọn nhẹ và có thể lập trình chuyển đổi tần số linh hoạt với bước nhảy từ vài kHz đến vài trăm kHz trong dải 1020 MHz - 1100 MHz.
5. Cấu trúc trường địa chỉ máy bay trong hệ thống Mode S ICAO gồm bao nhiêu bit?
Trường địa chỉ máy bay Mode S theo chuẩn ICAO gồm 24 bit, cho phép đánh số định danh duy nhất cho $16.777.214$ phương tiện bay trên phạm vi toàn cầu mà không bị trùng lặp. Tiền tố địa chỉ cấp cho máy bay đăng ký tại Việt Nam bắt đầu bằng chuỗi nhị phân 100010001....
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Đặng Thị Thanh Thủy đã giải quyết thành công bài toán thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống tạo mã hỏi - đáp chuẩn ICAO Mode S và máy phát siêu cao tần băng L công suất lớn 3kW. Bằng việc làm chủ công nghệ lập trình FPGA để tạo chuỗi mã pha linh hoạt, kết hợp kỹ thuật tổng hợp tần số PLL và mạng tổ hợp công suất vi dải Wilkinson 32 mô đun, công trình đã chứng minh tính khả thi của việc tự chủ chế tạo các thiết bị nhận dạng vô tuyến hiện đại tại Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu đóng góp nền tảng kỹ thuật và thực nghiệm quan trọng phục vụ công tác hiện đại hóa mạng lưới quản lý không lưu dân dụng và bảo đảm an ninh, chủ quyền lãnh thổ quốc gia trên không và trên biển.