Tổng quan nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa mạng thông tin liên lạc phục vụ an ninh quốc phòng và trật tự an toàn xã hội, các hệ thống vô tuyến bộ đàm chuyển giao từ công nghệ tương tự sang công nghệ vô tuyến số Trunking dải tần UHF 430–470 MHz. Thực tế vận hành cho thấy, khi tích hợp nhiều máy phát trên cùng một tháp anten thông qua bộ phối hợp kênh Combiner, mức suy hao công suất chèn thường dao động từ 3 dB đến 6 dB. Điều này làm suy giảm bán kính phủ sóng từ 30% đến 45% nếu không có giải pháp bù công suất thích hợp. Đồng thời, sự phụ thuộc vào thiết bị phần cứng cao tần nhập khẩu từ nước ngoài đặt ra thách thức lớn về an toàn thông tin và tính chủ động trong bảo trì hệ thống.

Đề tài nghiên cứu hướng tới mục tiêu thiết kế, mô phỏng và chế tạo hoàn chỉnh hai khối phần cứng cao tần cốt lõi của trạm gốc Trunking: bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier - PA) đạt mức công suất đầu ra 70–90 W từ mức đầu vào 15–20 W (độ lợi xấp xỉ 8 dB) và bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low Noise Amplifier - LNA) với hệ số tạp âm NF dưới 0.8 dB và độ lợi trên 15 dB. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn năm 2019.

Kết quả đạt được của luận văn mang ý nghĩa thực tiễn to lớn: giúp tối ưu hóa vùng phủ sóng của trạm thu phát thêm khoảng 35% đến 50%, bảo đảm độ nhạy thu cho máy thu trung tâm khi phân chia tới nhiều kênh, đồng thời tạo tiền đề cho việc tự chủ công nghệ sản xuất thiết bị vô tuyến chuyên dụng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết đường truyền sóng siêu cao tần, ma trận tán xạ tham số S (S-parameters) và phương pháp phối hợp trở kháng trên đồ thị Smith. Trong kỹ thuật siêu cao tần, bài toán truyền công suất cực đại từ nguồn đến tải đòi hỏi hệ số phản xạ tại các cửa phải tiệm cận giá trị 0, tương ứng hệ số sóng đứng điện áp VSWR duy trì dưới mức 1.5:1 để triệt tiêu hiện tượng sóng đứng gây nhiệt và suy hao.

Khung lý thuyết của luận văn tích hợp 4 mô hình cốt lõi:

  • Lý thuyết khuếch đại tín hiệu lớn và tính phi tuyến: Xác định điểm nén công suất 1 dB (P1dB) và điểm chặn giao thoa bậc 3 (IIP3/OIP3) nhằm duy trì độ tuyến tính cao, hạn chế phát xạ hài bậc cao.
  • Lý thuyết tạp âm hệ thống tầng: Ứng dụng công thức Friis để chứng minh rằng hệ số tạp âm (Noise Figure - NF) và độ lợi của tầng khuếch đại thứ nhất trong mạch LNA đóng vai trò quyết định trên 90% chất lượng tín hiệu của toàn bộ chuỗi thu.
  • Mô hình mạch chia và cộng công suất Wilkinson: Thiết kế mạng phân chia công suất 1:2 sử dụng các đoạn biến đổi trở kháng một phần tư bước sóng ($\lambda/4$) có phối hợp trở kháng cách ly giữa các cổng đạt trên 20 dB.
  • Tiêu chuẩn ổn định Rolett: Tính toán hệ số ổn định K > 1 và đại lượng trung gian delta < 1 để bảo đảm mạch khuếch đại không rơi vào trạng thái tự kích dao động.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích, mô phỏng phần mềm chuyên dụng và thực nghiệm chế tạo kiểm chuẩn trên phần cứng:

  • Phương pháp mô phỏng tham số RF: Sử dụng phần mềm Advanced Design System (ADS 2009/2011) để mô phỏng ma trận tham số S, tối ưu hóa mạch phối hợp trở kháng đầu vào/đầu ra cho transistor công suất MRF648 và transistor tạp âm thấp SPF-3043 trên tần số trung tâm 450 MHz.
  • Phương pháp thiết kế mạch in cao tần: Sử dụng phần mềm Altium Designer để layout bo mạch in PCB trên vật liệu nền sợi thủy tinh FR-4, tích hợp các đường truyền vi dải và cáp đồng trục 75 Ohm nhằm giảm thiểu kích thước vật lý của các nhánh $\lambda/4$.
  • Cỡ mẫu và quy trình đo kiểm thực nghiệm: Nghiên cứu thực hiện lấy mẫu đo đạc trên 10 dải tần số cụ thể trải đều từ 430 MHz đến 570 MHz (bao gồm các điểm đo then chốt: 440 MHz, 441 MHz, 445 MHz, 450 MHz, 460 MHz, 465 MHz, 475 MHz, 500 MHz, 530 MHz, 570 MHz). Việc chọn các điểm tần số này nhằm kiểm tra độ bằng phẳng của đáp ứng biên độ trong dải thông và độ dốc triệt tiêu dải chặn của bộ lọc thông thấp.
  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Việc phân tích ma trận S và phổ tần số bằng máy phân tích mạng véc-tơ (VNA) kết hợp máy phân tích phổ (Spectrum Analyzer) là giải pháp tối ưu cho mạch siêu cao tần, giúp phản ánh chính xác độ dịch pha, mức phối hợp trở kháng thực tế và mức phát xạ hài ngoài băng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thử nghiệm thực tế đã mang lại 4 kết quả kỹ thuật nổi bật:

  • Chế tạo thành công bộ khuếch đại công suất UHF: Sử dụng transistor lưỡng cực MRF648 tại điện áp nguồn 13.8 V, mạch đạt công suất đầu ra từ 70 W đến 90 W khi cấp công suất đầu vào 15–20 W trong toàn bộ băng thông 430–470 MHz. Mạch phối hợp trở kháng đầu vào đạt hệ số phản xạ S11 = -20.273 dB và hệ số truyền dẫn S21 = -0.108 dB. Mạch phối hợp đầu ra đạt S11 = -34.271 dB và S21 = -0.042 dB, bảo đảm hiệu suất truyền công suất trên 95%.
  • Tối ưu hóa bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA: Ứng dụng công nghệ bán dẫn GaAs pHEMT với linh kiện SPF-3043, mạch LNA đạt hệ số phản xạ đầu vào S11 = -18.578 dB tại tần số trung tâm 450 MHz. Khi ghép 2 tầng khuếch đại, độ lợi thực tế đạt mức 29.67 dB trong mô phỏng và duy trì từ 25 dB đến 28 dB khi đo kiểm trên máy phân tích phổ ở các tần số 441 MHz và 460 MHz.
  • Sáng tạo trong thiết kế bộ chia/cộng Wilkinson: Thay vì dùng hoàn toàn đường vi dải trên nền FR-4 chiếm diện tích lớn ở bước sóng 450 MHz (chiều dài mỗi nhánh $\lambda/4$ lên tới hơn 8 cm), việc tích hợp đoạn cáp đồng trục 75 Ohm giúp giảm 65% diện tích bo mạch trong khi vẫn bảo đảm mức chia công suất chính xác -3 dB tại mỗi cửa ra và độ cách ly giữa hai cổng vượt mức 22 dB.
  • Bộ lọc thông thấp LPF triệt tiêu sóng hài hiệu quả: Bộ lọc đạt suy hao xen tại tần số 475 MHz cực thấp (S21 xấp xỉ 0 dB), trong khi suy hao tại tần số cắt trên 500 MHz tăng vọt, giúp triệt tiêu hoàn toàn các thành phần sóng hài bậc hai (900 MHz) và bậc ba (1350 MHz) với mức suy giảm trên 40 dBc.

Thảo luận kết quả

Các kết quả trên cho thấy sự tương thích xuất sắc giữa mô hình tính toán lý thuyết và sản phẩm thực tế sau chế tạo. Mức suy hao truyền dẫn thực tế chỉ chênh lệch khoảng 0.2 dB đến 0.5 dB so với mô phỏng trên ADS, nguyên nhân chủ yếu do dung sai của linh kiện tập trung (tụ điện, cuộn cảm cao tần) và tổn hao điện môi của vật liệu nền FR-4 ở dải tần UHF.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua đồ thị Smith và các biểu đồ đường cong đáp ứng tần số của tham số S11, S21:

Hạng mục thông số Mục tiêu thiết kế ban đầu Kết quả mô phỏng (ADS) Kết quả đo thực nghiệm
Dải tần làm việc 430 – 470 MHz 430 – 470 MHz 430 – 470 MHz
Công suất phát ra (PA) 70 – 90 W 88.5 W (@ 450 MHz) 75 – 85 W (@ 13.8 V)
Độ lợi công suất PA $\ge$ 8.0 dB 8.5 dB 7.8 – 8.2 dB
Độ lợi tầng thu LNA $\ge$ 15.0 dB 29.67 dB (2 tầng) 25.0 – 28.0 dB
Hệ số phản xạ vào S11 $< -15.0$ dB -20.27 dB (PA) / -18.58 dB (LNA) $< -16.5$ dB
Tần số cắt bộ lọc LPF 500 MHz 500 MHz (S21 $\approx$ 0 dB @ 475 MHz) Chặn hoàn toàn $> 500$ MHz

So sánh với các module nhập khẩu thương mại của các hãng viễn thông quốc tế, module khuếch đại tự chế tạo đạt mức chỉ tiêu kỹ thuật tương đương 90-95% nhưng giảm thiểu được hơn 50% chi phí sản xuất, mở ra khả năng tự chủ hoàn toàn trong việc thay thế, sửa chữa khối cao tần trạm gốc.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nâng cao hiệu quả ứng dụng các thiết bị cao tần vào mạng Trunking thực tế, 4 giải pháp trọng tâm được khuyến nghị thực hiện:

  • Nâng cấp vật liệu nền bo mạch sang chất lượng cao: Chuyển đổi vật liệu từ nền FR-4 sang vật liệu chuyên dụng cao tần Rogers RO4003C hoặc RT/duroid 5880 nhằm giảm tổn hao tiếp tuyến điện môi từ mức 0.02 xuống dưới 0.0027, giúp tăng hiệu suất công suất phát thêm 6% đến 8%. Kế hoạch thực hiện trong vòng 6 tháng do nhóm nghiên cứu phần cứng chủ trì.
  • Tích hợp mạch tự động điều khiển công suất và bảo vệ quá tải: Bổ sung module giám sát nhiệt độ tự ngắt và mạch cảnh báo hệ số sóng đứng (VSWR protection) tự động ngắt nguồn phân cực khi VSWR vượt quá 2.5:1 nhằm bảo vệ an toàn cho transistor MRF648. Thời hạn triển khai 3 tháng do kỹ sư thiết kế mạch đảm nhiệm.
  • Phát triển mạch điều khiển độ lợi tự động cho khối LNA: Thiết kế bổ sung tầng AGC (Automatic Gain Control) cho bộ khuếch đại tạp âm thấp để tránh hiện tượng bão hòa máy thu khi máy phát di động hoạt động ở cự ly quá gần trạm gốc (dưới 100 mét), hoàn thành trong 9 tháng tới.
  • Xây dựng quy chuẩn đo kiểm đồng bộ theo tiêu chuẩn quốc gia: Thiết lập quy trình kiểm định chất lượng xuất xưởng cho các thiết bị RF nội địa theo tiêu chuẩn QCVN 42:2011/BTTTT đối với thiết bị thông tin vô tuyến bộ đàm, thực hiện trong thời gian 12 tháng bởi cơ quan kiểm chuẩn chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn cung cấp tài liệu giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Kỹ sư thiết kế phần cứng RF và viễn thông: Nắm bắt phương pháp phối hợp trở kháng phức tạp cho transistor công suất lớn, kỹ thuật ghép nối Wilkinson bằng cáp đồng trục và quy trình tối ưu hóa layout mạch in cao tần hạn chế ký sinh.
  • Cán bộ kỹ thuật phụ trách mạng thông tin chuyên dụng: Các đơn vị quản lý thông tin chỉ huy thuộc Công an, Quân đội, Kiểm lâm, Cứu hộ cứu nạn cần tài liệu tham khảo để hiểu sâu cấu trúc trạm gốc Trunking, qua đó tối ưu hóa công tác vận hành và bảo trì trạm lặp Repeater.
  • Học viên cao học và sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông: Nguồn tài liệu học thuật thực chứng về phương pháp sử dụng phần mềm ADS kết hợp Altium Designer để hiện thực hóa các bài toán siêu cao tần từ lý thuyết ra mạch in thực tế.
  • Doanh nghiệp sản xuất thiết bị vô tuyến trong nước: Định hướng dây chuyền nội địa hóa các linh kiện cao tần trong trạm chuyển tiếp, giảm chi phí đầu tư hạ tầng mạng bộ đàm diện rộng cho các khu công nghiệp, cảng biển và dịch vụ công cộng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần nâng công suất phát trạm gốc lên 70–90 W trong khi bộ đàm cầm tay chỉ phát 4–5 W?

Trạm gốc Trunking phải chịu mức suy hao chèn từ 3 dB đến 6 dB qua bộ Combiner và hàng chục mét cáp phi-đơ nối lên cột anten. Mức công suất 70–90 W bảo đảm duy trì cường độ điện trường tại rìa vùng phủ đạt từ -95 dBm đến -105 dBm, giúp máy cầm tay thu rõ tín hiệu.

Vì sao bộ chia Wilkinson sử dụng đoạn cáp đồng trục thay cho đường vi dải thông thường?

Ở tần số 450 MHz, một phần tư bước sóng trên nền FR-4 dài khoảng 8–9 cm. Nếu vẽ đường vi dải, mạch in sẽ rất cồng kềnh và dễ bị suy hao điện môi. Thay thế bằng cáp đồng trục 75 Ohm giúp tiết kiệm 65% diện tích bo mạch và chống nhiễu bức xạ tốt hơn.

Transistor SPF-3043 có ưu điểm gì khi dùng cho mạch khuếch đại tạp âm thấp?

Linh kiện chế tạo theo công nghệ 0.25 µm GaAs pHEMT mang lại hệ số tạp âm cực thấp chỉ 0.54 dB tại dải tần cao và độ lợi vượt trội trên 20 dB. Điều này giúp khuếch đại các tín hiệu thu yếu từ anten mà không làm tăng nền tạp âm máy thu.

Hệ số sóng đứng VSWR 1.5:1 có ý nghĩa như thế nào đối với độ bền của máy phát?

Chỉ số VSWR 1.5:1 tương đương công suất phản xạ chỉ chiếm khoảng 4% tổng công suất phát. Mức năng lượng phản xạ nhỏ này giữ cho nhiệt độ của phiến bán dẫn transistor MRF648 luôn nằm trong ngưỡng an toàn dưới 60 độ C, ngăn ngừa cháy hỏng linh kiện.

Kết quả của luận văn có thể ứng dụng cho các chuẩn số khác như TETRA hay DMR không?

Hoàn toàn khả thi. Do khối PA, LNA, bộ chia Wilkinson và bộ lọc thông thấp LPF được thiết kế cho toàn dải tần số 430–470 MHz với băng thông rộng 40 MHz, các module này tương thích tốt với mọi chuẩn điều chế số trong dải UHF bao gồm DMR, TETRA và APCO P25.

Kết luận

  • Luận văn đã giải quyết triệt để bài toán tự chủ thiết kế phần cứng siêu cao tần cho hệ thống vô tuyến bộ đàm Trunking UHF 430–470 MHz phục vụ an ninh chuyên dụng.
  • Sản phẩm bộ khuếch đại công suất 70–90 W và bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA độ lợi 29.67 dB đã được chế tạo, đo kiểm thực tế với các chỉ tiêu kỹ thuật tiệm cận tiêu chuẩn quốc tế.
  • Đưa ra giải pháp kỹ thuật sáng tạo trong việc kết hợp cáp đồng trục vào bộ cộng chia Wilkinson, thu gọn đáng kể kích thước module và nâng cao độ bền hoạt động.
  • Trong giai đoạn 2026–2028, hướng nghiên cứu cần mở rộng sang việc tích hợp công nghệ bán dẫn GaN (Gallium Nitride) để đẩy công suất phát lên trên 150 W và mở rộng dải tần sang 800/900 MHz.
  • Các đơn vị viễn thông và viện nghiên cứu chuyên ngành nên tiếp tục kế thừa kết quả này để chuyển giao sản xuất hàng loạt, từng bước thay thế hoàn toàn thiết bị ngoại nhập trong mạng thông tin trọng yếu.