Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu công nghệ xây dựng anten mạng pha số tuyến thu băng X" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Lê Quang Thảo tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, thuộc chuyên ngành Vật lý Vô tuyến và Điện tử (mã số: 62440105), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Thị Ngọc Minh và PGS.TS. Phạm Quốc Triệu. Đề tài được hoàn thành với sự phối hợp nghiên cứu cùng Viện Ra-đa thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự và Trường Đại học Kỹ thuật và Kinh tế Budapest (Hungary).

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ sự phát triển của công nghệ xử lý số, vi xử lý tốc độ cao và việc ứng dụng dải tần số siêu cao trong các khí tài quân sự. Anten mạng pha số sở hữu các đặc tính kỹ thuật như kích thước gọn, tốc độ xử lý nhanh, khả năng định hình búp sóng hẹp, quét búp sóng linh hoạt bằng phương pháp số và cho phép triệt nhiễu không gian. Tuy nhiên, các thông tin về công nghệ thiết kế, chế tạo phần cứng và thuật toán điều khiển số phần lớn bị hạn chế do yêu cầu bảo mật công nghệ quân sự và thương mại của các quốc gia phát triển. Tại Việt Nam, các cơ sở nghiên cứu và ứng dụng hầu như chưa đi sâu vào công nghệ chế tạo anten mạng pha số mà chủ yếu khai thác các khí tài sẵn có.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án xác định bao gồm:

  • Sự thiếu hụt các nghiên cứu chuyên sâu trong nước về việc xây dựng phần mềm điều khiển số và thuật toán xử lý tín hiệu không gian – thời gian cho anten mạng pha số.
  • Vấn đề độ phức tạp tính toán lớn của các thuật toán thích nghi và thuật toán ước lượng hướng sóng tới khi triển khai trên hệ thống mạng có số phần tử lớn, dẫn đến độ trễ cao trong xử lý thời gian thực.
  • Chi phí cao và sự phức tạp của các phương pháp đo lường đặc trưng hướng bức xạ truyền thống (như đo trường xa trực tiếp hoặc trường gần gián tiếp đòi hỏi hệ thống cơ điện quay quét cơ học).

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là nghiên cứu công nghệ xây dựng phần điều khiển số của anten mạng pha số sử dụng trong hệ thống ra-đa tuyến thu băng X, trong đó tập trung áp dụng kỹ thuật tính toán song song vào các thuật toán xử lý số nhằm nâng cao chất lượng tuyến thu.

Các mục tiêu cụ thể được tác giả xác định gồm:

  1. Cực tiểu hoá công suất về nguồn nhiễu cố định và biết trước một cách nhanh chóng để giảm ảnh hưởng của nhiễu trong bài toán thích nghi tín hiệu.
  2. Nâng cao hiệu suất tính toán đồng thời tăng độ phân giải mục tiêu trong bài toán ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu.
  3. Mở rộng kết quả tính toán để áp dụng đo nhanh đặc trưng hướng của hệ thống anten bằng phương pháp quay pha số.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là anten mạng pha số hoạt động ở băng tần X (tần số trung tâm 9,7 GHz) ứng dụng trong các đài ra-đa điều khiển hỏa lực và ra-đa cảnh giới.

Phạm vi nghiên cứu được xác định cụ thể:

  • Về phạm vi không gian: Nghiên cứu cấu trúc mảng tuyến tính và mảng phẳng 4 kênh thu (kích thước mạng 4x8 phần tử chấn tử vi dải) tại Viện Ra-đa – Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. Khảo sát trường bức xạ và điều khiển búp sóng số theo mặt phẳng phương vị (phương nằm ngang), trong khi đặc trưng hướng theo phương thẳng đứng (góc ngẩng) được giữ cố định.
  • Về phạm vi thời gian và công nghệ: Luận án tập trung vào các giải pháp công nghệ xây dựng phần mềm điều khiển số trên cơ sở phần cứng sẵn có từ đề tài hợp tác quốc tế giai đoạn 2014–2015, sử dụng các mô hình tính toán song song trên máy tính và các bộ xử lý số tín hiệu.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan, tác giả hệ thống hóa lịch sử phát triển của lý thuyết anten mạng từ các công trình ban đầu của Karl Ferdinand Braun (thực nghiệm năm 1905, giải Nobel năm 1909), công trình phát triển của Luis Alvarez trong Thế chiến thứ II phục vụ dẫn đường cất hạ cánh máy bay (giải Nobel năm 1968), đến các ứng dụng vô tuyến vũ trụ của Anton Hewish và Martin Ryle (giải Nobel năm 1974).

Về tình hình nghiên cứu trong nước, tác giả điểm lại các nhóm nghiên cứu tiêu biểu:

  • Nhóm nghiên cứu tại Viện Ra-đa – Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự: Tập trung vào kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật mạch dải và các kỹ thuật điều khiển búp sóng thích nghi phục vụ chế tạo anten mạng pha băng X.
  • Nhóm nghiên cứu do GS. Phan Anh đứng đầu: Nghiên cứu các phương pháp ước lượng hướng sóng tới sử dụng thuật toán MUSIC và ứng dụng anten thông minh cho các hệ thống ra-đa tích cực.
  • Nhóm của tác giả Nguyễn Quang Hưng: Nghiên cứu quá trình tạo búp sóng số và xử lý tín hiệu số theo không gian – thời gian ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động GSM và CDMA.
  • Nhóm của tác giả Trương Vũ Bằng Giang: Khảo sát phương pháp đo tự động đặc trưng bức xạ của anten thông qua điều khiển quay hướng tự động từ máy tính, nghiên cứu các phương pháp số hóa tạo búp sóng cho hệ anten phẳng phục vụ truyền thông vệ tinh và dẫn đường.
  • Các công trình khác tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà Nội), Học viện Phòng không – Không quân, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.

Về tình hình nghiên cứu quốc tế, luận án khảo sát các công trình công bố trên các tạp chí của IEEE và IEE:

  • M. R. Mohd Shah và cộng sự (Đại học Kỹ thuật Malaysia Melaka): Thiết kế anten mạng vi dải lưỡng cực trên chất nền FR4 hoạt động ở tần số 2,4 GHz.
  • Yuusuke Yamashita và cộng sự (Tập đoàn Toshiba, Nhật Bản): Ứng dụng vật liệu Gallium Nitride (GaN) để chế tạo anten mạng pha băng X tích hợp bộ khuếch đại công suất lớn.
  • Zhao Yan-Qui và cộng sự (Trung Quốc): Thiết kế các mô hình anten mạng pha với các phần tử phân bố trong không gian ba chiều.
  • Y. Guo và cộng sự: Đề xuất phương pháp giảm búp sóng phụ của anten mạng pha sử dụng các bộ dịch pha số.
  • Linrang Zhang và cộng sự: Phương pháp tạo búp sóng nhằm thu nhận các tín hiệu kết hợp.
  • Lu Jiaguo và cộng sự: Thiết kế anten tích cực dựa trên hệ thống điều khiển đồng bộ số thay cho phương pháp điều khiển tương tự.
  • R. Haupt: Ứng dụng thuật toán di truyền (GA) trong bài toán tối ưu hóa anten mạng pha số.
  • M. Fanton, D. Hess, Lior Shmidov và cộng sự: Đánh giá, so sánh các phương pháp đo đặc trưng bức xạ anten và phát triển các hệ thống đo đặc trưng hướng tự động (tiêu biểu như hệ thống đo ORBIT/FR).

Vị trí của luận án: Luận án không đi sâu vào chế tạo vật lý phần cứng siêu cao tần mà kế thừa phần cứng anten mạng pha 4 kênh băng X đã được chế tạo tại Viện Ra-đa. Khoảng trống mà luận án tập trung giải quyết là tích hợp kỹ thuật tính toán song song nhằm tăng tốc độ xử lý của thuật toán di truyền (trong bài toán thích nghi triệt nguồn nhiễu cố định) và thuật toán MUSIC (trong bài toán ước lượng hướng sóng tới với lưới quét mịn), đồng thời phát triển giải pháp đo nhanh giản đồ hướng bằng quét pha số mà không cần hệ thống quay cơ học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án dựa trên lý thuyết anten mạng pha tuyến tính cách đều (Uniform Linear Array - ULA) gồm $N$ phần tử đặt dọc theo một trục với khoảng cách cách đều $d$.

Cường độ bức xạ tổng hợp của mạng được mô tả bằng tích giữa đặc trưng hướng của một phần tử $f_1(\theta, \phi)$ và hàm đặc trưng hướng tổng hợp (hệ số mạng) $f_{KN}$: $$E = E_1 \cdot f_{KN}$$

Với giả thiết các dòng kích thích có biên độ bằng nhau và góc pha giữa hai phần tử liên tiếp lệch nhau một lượng $\Psi$, hàm đặc trưng hướng tổ hợp có dạng: $$f_{KN} = \sum_{n=1}^{N} e^{i(n-1)\Psi}$$

Hàm đặc trưng hướng biên độ tổ hợp chuẩn hóa được xác định bởi: $$F_{KN} = \frac{\sin(N\Psi / 2)}{N \sin(\Psi / 2)}$$ Trong đó: $$\Psi = kd\cos\theta - \delta$$ Với $k = 2\pi / \lambda$ là số sóng, $d$ là khoảng cách giữa các phần tử, $\theta$ là góc khảo sát, và $\delta$ là độ lệch pha dòng điện giữa hai phần tử kề nhau.

Khi các phần tử đồng pha ($\delta = 0$), búp sóng cực đại chính hướng vuông góc với trục mạng ($\theta_M = 90^\circ$). Khi thực hiện luân phiên đảo pha ($\delta = 180^\circ$), cực đại chính dịch chuyển về hướng trục mạng.

Trong mạng anten thích nghi băng hẹp, tín hiệu đầu ra của bộ tạo búp sóng $y(t)$ được tính bằng tích vô hướng giữa véc-tơ trọng số phức $w$ và véc-tơ tín hiệu thu nhận $x(t)$: $$y(t) = w^H x(t) = \sum_{n=1}^{N} w_n^* x_n(t)$$ Công suất đầu ra trung bình của mạng: $$P(w) = w^H R w$$ Trong đó $R = E[x(t)x^H(t)]$ là ma trận tương quan kích thước $N \times N$.

Đối với bộ tạo búp sóng điều khiển "hướng không" (null steering), véc-tơ trọng số được xác định nhằm duy trì độ lợi bằng 1 tại hướng tín hiệu mong muốn $a_0$ và bằng 0 tại các hướng nhiễu giao thoa $a_i$: $$w^H a_0 = 1, \quad w^H a_i = 0 \quad (i = 1, \dots, M-1)$$ Điều kiện này dẫn đến phương trình ma trận $w^H A = e_1^T$, với nghiệm được xác định qua phép nghịch đảo ma trận hoặc nghịch đảo giả: $$w = e_1^T [A^H (A A^H)^{-1}]$$

Trong bài toán ước lượng hướng sóng tới (DOA), thuật toán MUSIC (Multiple Signal Classification) phân tích cấu trúc riêng của ma trận hiệp phương sai $R$ để chia không gian quan sát thành không gian con tín hiệu và không gian con nhiễu, từ đó xác định hướng sóng tới thông qua cực đại của phổ MUSIC.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp giữa phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm trên mô hình vật lý:

  • Phương pháp mô phỏng: Thiết lập các thuật toán thích nghi sử dụng giải thuật di truyền (GA), thuật toán di truyền song song (PGA), thuật toán MUSIC tuần tự và MUSIC song song trên máy tính. Các mô hình toán học được khảo sát trước tiên trên các hệ thống anten có số lượng phần tử lớn để đánh giá tính chất hội tụ, độ phân giải và thời gian tính toán.
  • Phương pháp tính toán song song: Áp dụng kiến trúc đa luồng và tính toán phân tán (theo phân loại của Flynn: SISD, SIMD, MIMD) sử dụng cụm máy tính từ 1 đến 4 máy để đo lường mức độ tăng tốc độ xử lý khi phân chia miền tính toán.
  • Phương pháp thực nghiệm: Kiểm chứng các thông số pha tính toán được trên hệ thống phần cứng anten mạng pha số tuyến thu băng X gồm 4 kênh thu độc lập đặt tại phòng thí nghiệm của Viện Ra-đa.

Nguồn tư liệu và cấu hình phần cứng thực nghiệm

Hệ thống phần cứng thực nghiệm được xây dựng từ đề tài hợp tác quốc tế giữa Viện Ra-đa và Đại học Kỹ thuật và Kinh tế Budapest. Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Thông số kỹ thuật Giá trị thực tế
Dải tần số công tác 9,7 GHz ± 50 MHz
Tổng số chấn tử phát xạ 32 phần tử (bố trí thành 4 cột, mỗi cột 8 phần tử)
Hệ số khuếch đại anten 15,2 dB
Công suất xung cực đại 1 kW
Công suất phát liên tục 1 W
Tần số trung tần (IF) 30 MHz
Độ rộng dải trung tần (IF) 3,3 MHz
Mức công suất ra IF $\le 1,1$ dBm
Độ phân giải bộ biến đổi tương tự - số (ADC) 12 bit
Số kênh thu ADC độc lập 4 kênh
Độ rộng búp sóng theo phương thẳng đứng (góc ngẩng) 10 độ
Độ rộng búp sóng theo phương nằm ngang (phương vị) 20 độ
Kích thước hình học khối anten (dài x rộng x cao) 150 x 200 x 30 mm

Mỗi kênh trong 4 kênh thu gồm 8 phần tử bức xạ được ghép đồng pha thông qua bộ chia/cộng công suất vi dải. Lối ra của 4 kênh thu được đưa qua 4 máy thu siêu cao tần độc lập để hạ tần về tần số trung tần 30 MHz, sau đó số hóa qua khối ADC 12 bit để đưa vào bộ xử lý tín hiệu số.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ANTEN MẠNG PHA SỐ CHO TUYẾN THU BĂNG X

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết tổng quan về anten mạng pha, phân tích quá trình hình thành trường bức xạ từ mô hình chấn tử nửa bước sóng đến hệ anten mạng tuyến tính cách đều. Tác giả chứng minh toán học biểu thức hệ số mạng $f_{KN}$, khảo sát sự phụ thuộc của độ rộng búp sóng chính và số lượng cực đại phụ vào số lượng phần tử $N$ và khoảng cách tương đối $d/\lambda$.

Nội dung chương phân tách công nghệ chế tạo anten mạng pha số thành hai cấu phần độc lập nhưng liên kết chặt chẽ:

  1. Chế tạo phần cứng: Bao gồm các phần tử bức xạ vi dải, máy phát cao tần, bộ trộn tần, bộ khuếch đại tạp âm thấp, bộ khuếch đại công suất và khối chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (ADC/DAC). Phần cứng đóng vai trò khung vỏ bức xạ và biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số tại trung tần 30 MHz.
  2. Xây dựng phần mềm: Đóng vai trò xử lý số tín hiệu tại đầu ra của ADC. Phần mềm thực hiện tính toán ma trận trọng số phức để điều khiển độ lệch pha và biên độ của từng kênh, từ đó lái búp sóng số, tạo điểm không triệt nhiễu và ước lượng hướng sóng.

Tác giả mô tả chi tiết hệ thống thực nghiệm 4 kênh tại Viện Ra-đa và kết luận: do phần cứng thực nghiệm tương đương với mảng tuyến tính 4 phần tử theo phương ngang, các nghiên cứu lý thuyết trong luận án cần được mô phỏng với số phần tử lớn hơn trước khi rút gọn để áp dụng trên phần cứng 4 kênh này.

CHƯƠNG 2 TỐI ƯU HÓA XỬ LÝ TÍN HIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán xử lý số tín hiệu thông qua hai thuật toán trọng tâm: thuật toán di truyền song song (Parallel Genetic Algorithm - PGA) trong bài toán thích nghi và thuật toán MUSIC song song trong bài toán ước lượng hướng sóng tới.

Trong bài toán thích nghi:

  • Tác giả phân tích hạn chế của phương pháp búp sóng lái "hướng không" cổ điển khi xử lý trong môi trường nhiều nguồn nhiễu phức tạp.
  • Ứng dụng thuật toán di truyền (GA) để tìm kiếm véc-tơ trọng số pha tối ưu nhằm hạ thấp công suất đầu ra tại các hướng có nguồn nhiễu cố định, biết trước mà không làm suy giảm tín hiệu tại hướng thu mong muốn.
  • Để khắc phục nhược điểm tốc độ tính toán chậm của GA khi số phần tử mạng lớn, tác giả đề xuất mô hình thuật toán di truyền song song (PGA) dựa trên cấu trúc MIMD. Không gian quần thể được phân chia cho các nút tính toán xử lý đồng thời, giúp rút ngắn thời gian hội tụ.

Trong bài toán ước lượng hướng sóng tới (DOA):

  • Tác giả khảo sát các thuật toán ước lượng truyền thống như Bartlett, Capon và chỉ ra ưu thế về độ phân giải của thuật toán MUSIC.
  • Thuật toán MUSIC thực hiện phân rã giá trị riêng ma trận tương quan $R$ để xác định ma trận không gian con nhiễu $E_n$, từ đó tính hàm phổ MUSIC $P_{MUSIC}(\theta) = 1 / (a^H(\theta) E_n E_n^H a(\theta))$.
  • Khi quét góc với bước quét rất mịn ($\Delta\theta = 0,005$ hoặc $\Delta\theta = 0,001$), khối lượng tính toán của phép quét phổ tăng vọt. Tác giả đề xuất kỹ thuật phân chia miền quét góc cho các bộ xử lý chạy song song.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy khi sử dụng hệ thống từ 1 đến 4 máy tính tính toán song song, thời gian thực thi thuật toán giảm rõ rệt theo tỷ lệ số máy tham gia tính toán, đáp ứng yêu cầu xử lý tín hiệu mục tiêu trong thời gian thực.

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẶC TRƯNG HƯỚNG NHANH SỬ DỤNG KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG SỐ

Chương 3 giải quyết bài toán kiểm tra, đo lường đặc trưng hướng bức xạ của anten mạng pha số.

Tác giả phân tích hai phương pháp đo lường truyền thống:

  • Đo trực tiếp trường xa: Đòi hỏi khoảng cách đo $R \ge 2D^2 / \lambda$ (với $D$ là kích thước lớn nhất của anten), yêu cầu không gian bãi đo rất lớn hoặc buồng câm đắt tiền, việc quay quét cơ học bề mặt anten tốn nhiều thời gian.
  • Đo gián tiếp qua trường gần: Sử dụng đầu dò quét trên mặt phẳng, mặt trụ hoặc mặt cầu gần anten rồi dùng phép biến đổi Fourier để suy ra giản đồ trường xa. Phương pháp này đòi hỏi hệ thống cơ khí chính xác cao và thuật toán chuyển đổi phức tạp.

Từ đặc tính điều khiển số của anten mạng pha, tác giả đề xuất phương pháp đo đặc trưng hướng nhanh bằng kỹ thuật tạo búp sóng số (quay pha số):

  • Thay vì sử dụng động cơ cơ học để quay bề mặt bức xạ anten theo từng nấc góc, anten được đặt cố định hướng về một nguồn phát chuẩn cố định ở trường xa.
  • Hệ thống xử lý số thực hiện thay đổi giá trị pha của các phần tử thông qua phần mềm điều khiển số để dịch chuyển búp sóng chính quét qua các góc trong không gian.
  • Tín hiệu thu được tại mỗi bước quay pha số được ghi nhận để tái tạo lại giản đồ hướng bức xạ. Phương pháp này loại bỏ hoàn toàn hệ thống cơ cấu chấp hành cơ điện quay quét, giảm thời gian đo lường và chi phí thử nghiệm.

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Chương 4 công bố các số liệu thực nghiệm đo đạc trên hệ anten mạng pha 4 kênh thu (32 phần tử) tại Viện Ra-đa nhằm kiểm chứng các kết quả mô phỏng ở Chương 2 và Chương 3.

Nội dung thực nghiệm bao gồm:

  1. Thực nghiệm thuật toán di truyền song song:
    • Khảo sát trường hợp 1 nguồn nhiễu đặt tại góc phương vị $-20^\circ$.
    • Khảo sát trường hợp 1 nguồn nhiễu đặt tại góc phương vị $30^\circ$.
    • Khảo sát trường hợp đồng thời 2 nguồn nhiễu đặt tại $-20^\circ$ và $30^\circ$.
    • Kết quả đo đạc độ lệch pha giữa các phần tử (được lập thành các bảng số liệu 4.1, 4.2, 4.3 trong văn bản) cho thấy sau khi thuật toán PGA hội tụ, giản đồ hướng của hệ anten đã tạo các điểm cực tiểu (điểm không) sâu tại đúng các góc có nguồn nhiễu, trong khi vẫn duy trì búp sóng chính về hướng tín hiệu có ích.
  2. Thực nghiệm tính toán song song cho thuật toán MUSIC:
    • Bố trí nguồn phát chuẩn tại các góc khác nhau: trường hợp 2 nguồn phát tại $-30^\circ$ và $20^\circ$; trường hợp 2 nguồn phát tại $-20^\circ$ và $30^\circ$; trường hợp 3 nguồn phát tại $-30^\circ$, $20^\circ$ và $60^\circ$.
    • Hệ thống tính toán song song phân chia dải quét phổ cho các luồng xử lý độc lập. Kết quả thực nghiệm khẳng định thuật toán xác định chính xác vị trí góc tới của các nguồn tín hiệu phát, thời gian ước lượng giảm tương ứng với số lượng bộ xử lý tham gia tính toán.
  3. Thực nghiệm phương pháp đo nhanh đặc trưng hướng:
    • Triển khai đo giản đồ hướng của anten 4 kênh bằng cách điều khiển độ lệch pha số. Kết quả đo nhanh bằng phần mềm khớp với kết quả đo theo phương pháp truyền thống trên hệ thống đo tự động ORBIT/FR, xác nhận tính khả thi của phương pháp đo bằng quay pha số.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và thực tiễn được luận án xác định bao gồm:

  • Về mặt lý luận và thuật toán:
    • Ứng dụng kỹ thuật tính toán song song vào thuật toán di truyền (PGA) trong bài toán anten thích nghi, cho phép tìm kiếm nhanh các bộ trọng số pha tối ưu để đặt cực tiểu công suất bức xạ (tạo điểm không) triệt tiêu các nguồn nhiễu cố định, biết trước.
    • Tích hợp kỹ thuật tính toán song song vào thuật toán ước lượng hướng sóng tới MUSIC, giải quyết được bài toán nghẽn thời gian tính toán khi quét phổ góc tới với lưới quét mịn ($\Delta\theta = 0,005$ và $\Delta\theta = 0,001$), đảm bảo độ phân giải mục tiêu cao trong thời gian thực.
  • Về mặt công nghệ và thực tiễn:
    • Đề xuất và thực nghiệm thành công phương pháp đo nhanh đặc trưng hướng của anten mạng pha số dựa trên kỹ thuật quay pha số. Giải pháp này cho phép đo kiểm tra nhanh đặc trưng bức xạ của anten sau chế tạo mà không cần hệ thống quay cơ học cồng kềnh, giảm chi phí và thời gian đo lường.
    • Ứng dụng và kiểm chứng thành công các giải pháp phần mềm trên hệ thống phần cứng anten mạng pha số tuyến thu băng X (9,7 GHz) gồm 4 kênh thu độc lập tại Viện Ra-đa – Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Tiếp tục hoàn thiện các mô-đun phần mềm xử lý song song để tích hợp trực tiếp lên các vi mạch chuyên dụng tốc độ cao như DSP hoặc FPGA.
  • Mở rộng cấu trúc phần cứng anten lên số lượng kênh thu lớn hơn để nâng cao độ định hướng và khả năng xử lý không gian hai chiều.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án nêu rõ các hạn chế thực tế trong quá trình nghiên cứu:

  • Tài liệu chuyên sâu về công nghệ chế tạo anten mạng pha số của nước ngoài rất khó tiếp cận do các rào cản về bí mật công nghệ quân sự và bản quyền thương mại.
  • Điều kiện chế tạo trong nước chưa tự sản xuất được đồng bộ các dòng anten mạng pha số, số lượng hệ thống phần cứng phục vụ nghiên cứu còn rất hạn chế.
  • Cấu tạo vật lý của hệ anten thực nghiệm chỉ có 4 kênh thu độc lập theo góc phương vị, trong khi 8 phần tử trên mỗi cột được ghép nối cố định đồng pha trên mạch dải vi dải. Do đó, việc điều khiển số chỉ thực hiện được đối với búp sóng theo phương nằm ngang (góc phương vị), còn đặc trưng hướng theo phương thẳng đứng (góc ngẩng) cố định ở mức 10 độ, chưa thực hiện được việc lái búp sóng 3D trong không gian hai chiều.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu thích nghi đối với các nguồn nhiễu di động và nhiễu chưa biết trước góc tới.
  • Mở rộng nghiên cứu áp dụng kỹ thuật số hóa toàn phần cho cả tuyến phát và tuyến thu trên các mảng anten hai chiều có số lượng kênh thu phát lớn hơn.

Giá trị tham khảo

Văn bản luận án cung cấp giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Vật lý Vô tuyến, Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Viễn thông và Kỹ thuật Ra-đa: Tham khảo cơ sở lý thuyết anten mảng tuyến tính ULA, thuật toán tạo búp sóng thích nghi, thuật toán MUSIC và mô hình song song hóa thuật toán xử lý tín hiệu.
  • Kỹ sư thiết kế khí tài quân sự và hệ thống thông tin vô tuyến: Tham khảo sơ đồ khối phần cứng tuyến thu băng X (9,7 GHz), các thông số phối ghép trung tần IF 30 MHz, khối ADC 12 bit và phương pháp đo nhanh giản đồ hướng bằng quét pha số không dùng cơ cấu quay cơ học.
  • Phần đáng tham khảo nhất trong tài liệu là Chương 2 (các biểu thức toán học và sơ đồ khối song song hóa thuật toán MUSIC và GA) và Chương 3 (nguyên lý và sơ đồ bố trí hệ thống đo nhanh giản đồ hướng bằng phần mềm).

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu hình phần cứng thực nghiệm của anten mạng pha số trong luận án có thông số kỹ thuật như thế nào?

Hệ thống phần cứng thực nghiệm hoạt động ở dải tần 9,7 GHz ± 50 MHz (băng X), gồm 32 chấn tử bức xạ vi dải chia làm 4 kênh thu độc lập (mỗi kênh gồm 8 phần tử ghép đồng pha trên mạch dải). Hệ thống có hệ số khuếch đại 15,2 dB, công suất xung cực đại 1 kW, công suất liên tục 1 W. Tín hiệu thu qua 4 máy thu được chuyển đổi về tần số trung tần IF 30 MHz (độ rộng dải IF 3,3 MHz, mức ra công suất $\le 1,1$ dBm) và được số hóa bởi bộ ADC 12 bit 4 kênh. Độ rộng búp sóng theo phương thẳng đứng là 10 độ (cố định) và theo phương nằm ngang là 20 độ.

2. Thuật toán di truyền song song (PGA) được sử dụng nhằm mục đích gì trong luận án?

PGA được sử dụng trong bài toán thích nghi tín hiệu để tìm kiếm bộ trọng số pha tối ưu cho các phần tử mạng anten. Mục tiêu là cực tiểu hóa công suất đầu ra của máy thu tại các hướng có nguồn nhiễu cố định, biết trước (tạo các điểm không sâu trong giản đồ hướng tại các góc nhiễu như $-20^\circ$ và $30^\circ$) nhằm triệt tiêu nhiễu mà không làm méo búp sóng chính hướng về tín hiệu có ích. Việc tính toán song song giúp rút ngắn thời gian hội tụ của thuật toán.

3. Việc áp dụng tính toán song song cho thuật toán MUSIC giải quyết vấn đề kỹ thuật nào?

Thuật toán MUSIC thông thường đòi hỏi khối lượng tính toán rất lớn khi thực hiện quét phổ trên toàn dải góc với bước lưới mịn ($\Delta\theta = 0,005$ hoặc $\Delta\theta = 0,001$). Luận án áp dụng tính toán song song (trên cụm từ 1 đến 4 máy tính) bằng cách chia nhỏ không gian quét góc cho các bộ xử lý chạy đồng thời, giúp giảm đáng kể thời gian tính toán ước lượng hướng sóng tới (DOA), hỗ trợ khả năng phân giải nhiều mục tiêu trong thời gian thực.

4. Nguyên lý của phương pháp đo nhanh đặc trưng hướng do tác giả đề xuất là gì?

Phương pháp đo nhanh sử dụng kỹ thuật quay pha số thay vì quay cơ học bề mặt anten. Anten được đặt cố định hướng về nguồn phát chuẩn trường xa. Phần mềm điều khiển số sẽ thay đổi độ lệch pha giữa các kênh để quét búp sóng chính qua các góc không gian, đồng thời ghi nhận công suất thu được tại mỗi vị trí pha. Dữ liệu này được dùng để tái tạo giản đồ hướng bức xạ mà không cần hệ thống giá quay cơ học, giúp giảm chi phí và thời gian kiểm tra sau chế tạo.

5. Hệ thống anten thực nghiệm của luận án có khả năng điều khiển búp sóng trong không gian hai chiều không?

Không. Do cấu trúc phần cứng chỉ gồm 4 kênh thu độc lập theo hàng ngang, còn 8 phần tử trên mỗi cột được hàn nối đồng pha cố định bằng mạch cộng vi dải, hệ thống chỉ có thể điều khiển dịch pha và lái búp sóng số theo phương nằm ngang (góc phương vị). Đặc trưng hướng theo phương thẳng đứng (góc ngẩng) là cố định với độ rộng búp sóng 10 độ.

Kết luận

Luận án của tác giả Lê Quang Thảo đã nghiên cứu các giải pháp công nghệ xây dựng phần mềm điều khiển số cho tuyến thu anten mạng pha số băng X (9,7 GHz) trên cơ sở mảng 4 kênh thu thực nghiệm tại Viện Ra-đa. Công trình đã ứng dụng kỹ thuật tính toán song song để tối ưu hóa thời gian xử lý của thuật toán di truyền trong bài toán triệt nhiễu thích nghi và thuật toán MUSIC trong bài toán ước lượng hướng sóng tới. Đồng luận án đề xuất và thực nghiệm thành công phương pháp đo nhanh đặc trưng hướng bức xạ bằng kỹ thuật quay pha số, đóng góp dữ liệu thực nghiệm và giải pháp kỹ thuật phục vụ công tác nghiên cứu, chế tạo anten mạng pha số trong nước.