Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh vận tải hàng không toàn cầu tăng trưởng hơn 10% mỗi năm, nhu cầu giám sát và điều hành bay an toàn tại các vùng tiếp cận tầm thấp đòi hỏi các hệ thống radar giám sát sơ cấp phải đạt độ chính xác cực cao và khả năng chống nhiễu địa vật vượt trội. Tuy nhiên, các hệ thống đài radar truyền thống sử dụng đèn phát sóng tự dao động magnetron thường bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng như độ trôi dạt tần số lớn, công suất tiêu tán cao, tuổi thọ linh kiện ngắn và khả năng phân biệt mục tiêu bay thấp có diện tích phản xạ hiệu dụng nhỏ khoảng 1 m² còn rất hạn chế. Để giải quyết triệt để bài toán này, đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng hệ thống máy phát công suất bán dẫn dải rộng thế hệ mới, ứng dụng kỹ thuật điều chế mã pha Barker 13 phần tử cho radar tầm thấp hoạt động trong dải tần số 820 MHz đến 900 MHz.

Mục tiêu cụ thể của công trình là làm chủ quy trình thiết kế khối khuếch đại công suất 200W sử dụng transistor bán dẫn LDMOS FETs PTF082001E, kết hợp bộ cộng công suất 8 đường vi dải theo cấu trúc cầu Wilkinson để xây dựng cấu hình máy phát tổng hợp 64 module, cung cấp tổng công suất đỉnh lên tới 9.6 kW tại tần số trung tâm 860 MHz. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội với sự hướng dẫn của Phó Giáo sư Tiến sĩ Bạch Gia Dương. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi nâng cao tỉ lệ phát hiện mục tiêu đạt trên 80%, kiểm soát xác suất báo động sai ở mức 1.5 nhân 10 mũ trừ 3, đồng thời tạo tiền đề cho việc tự chủ công nghệ sản xuất đài radar giám sát hàng không và phòng không tầm thấp tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của đề tài được xây dựng trên hai trụ cột chính: lý thuyết truyền sóng vô tuyến - phương trình radar sơ cấp và lý thuyết nén xung số kết hợp mã hóa pha vi dải. Phương trình radar sơ cấp đóng vai trò xác định mối quan hệ giữa công suất phát cực đại 9.6 kW, độ lợi anten định hướng trong khoảng 30 dB đến 40 dB, tiết diện phản xạ hiệu dụng của mục tiêu 1 m² và suy hao truyền sóng trong không gian tự do để tính toán cự ly phát hiện mục tiêu đơn trị cực đại. Đồng thời, nguyên lý nén xung điều chế mã pha nhị phân Barker 13 bit được áp dụng nhằm dung hòa mâu thuẫn giữa cự ly phát hiện xa (đòi hỏi xung phát dài, năng lượng lớn) và độ phân giải cự ly cao (đòi hỏi xung phát cực ngắn). Với tỉ số nén xung đạt 13:1, hệ số phẩm chất nén xung cho phép nén độ rộng xung hiệu dụng xuống còn một phần mười ba, giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu vào máy thu.

Bên cạnh đó, lý thuyết mạch vi dải phân chia và tổ hợp công suất công bằng cầu Wilkinson được sử dụng để phối hợp trở kháng 50 Ohm giữa các tầng khuếch đại, đảm bảo độ cách ly giữa các cổng đầu ra trên 20 dB và hạn chế tối đa suy hao công suất phản xạ. Các khái niệm cốt lõi bao gồm diện tích phản xạ hiệu dụng, thuật toán ngưỡng phát hiện thích nghi với mức báo động sai cố định, hệ số đầy xung 1% và hiệu ứng dịch tần Doppler được tích hợp chặt chẽ nhằm tối ưu hóa khả năng tách lọc mục tiêu di động ra khỏi nhiễu địa vật cố định.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm kết hợp bộ tham số tán xạ S phi tuyến của linh kiện bán dẫn LDMOS PTF082001E do nhà sản xuất cung cấp và dữ liệu đo kiểm thực tế trên máy phân tích mạng véc tơ. Cỡ mẫu thiết kế bao gồm 64 module khuếch đại công suất 200W độc lập, được phân bổ qua hệ thống chia và cộng công suất 8 nhánh hai cấp. Phương pháp chọn mẫu tham số tập trung vào việc chuẩn hóa các thông số điện động học tại tần số trung tâm 860 MHz và dải thông 80 MHz, đảm bảo tính đồng pha và đồng biên độ tuyệt đối giữa các nhánh công suất thành phần.

Phương pháp phân tích được thực hiện thông qua mô phỏng điện từ trường và tham số mạch vi dải bằng phần mềm Ansoft Designer SV, sau đó đối chiếu chéo với phần mềm Advanced Design System ADS 2008A và kiểm chứng thực nghiệm bằng máy phân tích mạng chuyên dụng. Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp này là vì môi trường vi dải siêu cao tần UHF đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối trong việc mô hình hóa các đường truyền phân tán, tính toán chính xác hiện tượng ghép nối ký sinh và tối ưu hóa hệ số phản xạ tại từng cổng vào ra trước khi tiến hành gia công mạch in thực tế. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, mô phỏng và hiệu chỉnh mạch kéo dài trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và đo đạc thực nghiệm đã đem lại ba phát hiện kỹ thuật mang tính đột phá:

Thứ nhất, mô hình bộ chia và tổ hợp công suất 8 đường dùng cầu Wilkinson trên chất nền vi dải đạt hiệu năng xuất sắc với hệ số phản xạ đầu vào S11 tại tần số trung tâm 860 MHz đạt mức dưới âm 25 dB, độ cách ly giữa các nhánh đầu ra vượt mức 22 dB và suy hao xen truyền dẫn S21 đạt mức âm 9.2 dB trên mỗi nhánh (rất sát với giá trị lý thuyết âm 9.03 dB, suy hao tạp tán chỉ khoảng 0.17 dB).

Thứ hai, thiết kế mạch khuếch đại công suất 200W sử dụng transistor LDMOS FETs PTF082001E cho thấy hệ số khuếch đại công suất S21 đạt trên 13.5 dB tại dải tần 820 MHz đến 900 MHz. Các hệ số phối hợp trở kháng đầu vào S11 và đầu ra S22 đều đạt mức lý tưởng dưới âm 18 dB, cho phép module phát ra công suất đỉnh đạt 200W với hiệu suất biến đổi năng lượng cực máng đạt hơn 55%.

Thứ ba, cấu trúc tổng thể 64 module bán dẫn ghép nối qua mạng Wilkinson đạt tổng công suất phát xạ đỉnh 9.6 kW. Khi tích hợp kỹ thuật điều chế mã pha Barker 13 phần tử, hệ thống đạt tỉ lệ nén xung 13:1, giúp nâng cao độ phân giải cự ly của radar lên gấp 13 lần so với dạng sóng xung đơn truyền thống có cùng độ dài năng lượng, đồng thời triệt tiêu mức búp sóng phụ xuống dưới âm 22.3 dB.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp mạch khuếch đại và tổ hợp công suất đạt hiệu suất vượt trội là nhờ việc tính toán chính xác mạng phối hợp trở kháng phức hợp vi dải hình chữ L và chữ T, giúp chuyển đổi trở kháng cực thấp của transistor LDMOS về mức chuẩn 50 Ohm mà không gây tổn hao nhiệt lớn. So với các hệ thống radar sử dụng đèn điện tử chân không truyền thống có độ trôi tần số hàng trăm kHz, máy phát bán dẫn mới duy trì độ ổn định tần số ngang cấp thạch anh với độ lệch pha cực nhỏ dưới 2 độ giữa các kênh, giúp hệ thống lọc Doppler tách tín hiệu mục tiêu chuyển động cải thiện hiệu quả thêm 35%. Đặc biệt, cấu hình ghép nối 64 module song song mang lại khả năng dự phòng nóng vượt bậc: khi có 1 đến 2 module bị suy giảm công suất hoặc hỏng hóc cục bộ, tổng công suất toàn đài chỉ giảm dưới 4%, hệ thống vẫn duy trì hoạt động liên tục mà không gây gián đoạn phiên trực.

Toàn bộ dữ liệu phản xạ và truyền dẫn được mô tả trực quan thông qua đồ thị vòng tròn trở kháng Smith Chart cho các nhánh lối vào, lối ra và các bảng so sánh tham số tán xạ S giữa mô phỏng Ansoft Designer với phần mềm ADS và máy đo phân tích mạng. Sai số biên độ giữa kết quả đo đạc thực tế và mô phỏng trên máy tính chỉ dao động trong khoảng 2.1% đến 2.5%, khẳng định tính chính xác cao của mô hình thiết kế vi dải đã đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra bốn đề xuất và khuyến nghị kỹ thuật có tính ứng dụng cao:

Một là, nâng cấp vật liệu chế tạo mạch in vi dải sang dòng chất nền Teflon hoặc Rogers RT Duroid có hệ số tổn hao điện môi cực thấp, nhằm giảm suy hao xen của bộ tổ hợp công suất 8 đường xuống dưới 0.12 dB trên mỗi nhánh, mục tiêu hoàn thành trong vòng 6 tháng do nhóm kỹ sư phần cứng RF đảm nhiệm.

Hai là, thiết kế tích hợp khối làm mát cưỡng bức bằng chất lỏng hoặc tấm đồng vi kênh tản nhiệt cho cụm 64 module bán dẫn LDMOS, đảm bảo nhiệt độ bề mặt vỏ transistor luôn duy trì dưới 75 độ C khi máy phát vận hành ở chế độ công suất đỉnh 9.6 kW liên tục, triển khai trong 9 tháng bởi bộ phận cơ điện tử.

Ba là, phát triển thuật toán nén xung số thời gian thực trên chip FPGA và vi xử lý DSP tốc độ cao, nghiên cứu mở rộng áp dụng mã Barker ghép đa thành phần hoặc mã đa pha Frank để nâng tỉ số nén xung lên trên 30:1, lộ trình thực hiện 12 tháng do đội ngũ kỹ sư xử lý tín hiệu số phụ trách.

Bốn là, xây dựng module giám sát số thông minh có khả năng tự động ngắt và cách ly các nhánh khuếch đại bị lỗi trở kháng đầu ra, duy trì suy hao công suất toàn hệ thống dưới 0.5 dB trong các tình huống khẩn cấp, do các chuyên gia điều khiển tự động hoàn thiện trong thời gian 8 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn to lớn cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

Kỹ sư thiết kế phần cứng cao tần và vi sóng: Tiếp cận phương pháp luận chuẩn xác về thiết kế mạch phối hợp trở kháng phi tuyến cho transistor công suất lớn LDMOS và quy trình tối ưu hóa mạch cộng công suất Wilkinson nhiều đường trên dải siêu cao tần.

Chuyên gia kỹ thuật và chỉ huy các trạm radar hàng không, quân sự: Nắm bắt giải pháp công nghệ bán dẫn thể rắn công suất 9.6 kW để ứng dụng vào việc nâng cấp, hiện đại hóa các đài radar giám sát tầm thấp thế hệ cũ, nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu bay thấp có diện tích phản xạ nhỏ.

Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Điện tử - Viễn thông: Khai thác tài liệu tham khảo chất lượng cao về kỹ thuật nén xung số, mã hóa pha Barker 13 bit và phương pháp kết hợp hai phần mềm mô phỏng Ansoft Designer cùng Agilent ADS.

Cán bộ quản lý kỹ thuật tại các cơ quan quản lý bay và viện nghiên cứu: Sử dụng các số liệu kỹ thuật và phân tích độ tin cậy của hệ thống làm cơ sở xây dựng kế hoạch chuyển đổi công nghệ sang các trạm radar thể rắn hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Mã Barker 13 phần tử mang lại ưu thế vượt trội gì cho radar tầm thấp? Mã Barker 13 phần tử cung cấp tỉ số nén xung 13:1 với mức búp sóng phụ cực đại đạt âm 22.3 dB so với búp chính. Nhờ đó, radar vừa duy trì được độ dài xung phát lớn để bảo đảm năng lượng phát hiện xa, vừa thu hẹp độ rộng xung phản hồi về một phần mười ba để tăng độ phân giải cự ly lên 13 lần.

Tại sao mạch cầu Wilkinson 8 đường lại được chọn để tổ hợp công suất? Mạch cầu Wilkinson 8 đường đảm bảo phối hợp trở kháng 50 Ohm lý tưởng, cung cấp độ cách ly giữa các cổng đầu ra trên 22 dB và có suy hao xen thấp dưới 0.2 dB. Cấu trúc này ngăn chặn hiện tượng sóng phản xạ từ một nhánh bị lỗi làm ảnh hưởng đến các module khuếch đại công suất còn lại.

Hệ thống máy phát 9.6 kW có bị ngừng hoạt động nếu một vài module bị hỏng không? Hoàn toàn không. Nhờ cấu trúc tổ hợp công suất song song từ 64 module 200W độc lập qua cầu Wilkinson, khi có một vài module gặp sự cố, hệ thống chỉ suy giảm nhẹ tổng công suất phát mà không bị tê liệt, đảm bảo chỉ số sẵn sàng vận hành của trạm radar luôn đạt trên 98%.

Dải tần 820 MHz đến 900 MHz có ý nghĩa gì đối với khả năng phát hiện tầm thấp? Dải tần 820 MHz đến 900 MHz thuộc băng tần UHF có bước sóng phù hợp, chịu mức độ suy hao khí quyển và thời tiết thấp hơn các băng tần cao, đồng thời tận dụng tốt sự phản xạ mặt đất trong vùng Fresnel để tăng cường năng lượng bức xạ bám sát đường chân trời nhằm phát hiện máy bay bay thấp.

Độ tin cậy giữa mô phỏng phần mềm và kết quả đo đạc thực tế ra sao? Kết quả kiểm chứng tham số S trên máy phân tích mạng véc tơ cho thấy sai số biên độ và tần số so với mô phỏng trên Ansoft Designer SV và ADS 2008A chỉ dưới 2.5%, khẳng định tính chính xác của mô hình lý thuyết và quy trình chế tạo mạch in thực tế.

Kết luận

  • Thiết kế hoàn chỉnh kiến trúc máy phát bán dẫn xung dải rộng 820 MHz đến 900 MHz với tổng công suất phát xạ đỉnh đạt 9.6 kW.
  • Ứng dụng thành công kỹ thuật nén xung mã pha Barker 13 bit, giúp cải thiện độ phân giải cự ly mục tiêu lên gấp 13 lần và giảm mức búp sóng phụ xuống âm 22.3 dB.
  • Làm chủ quy trình mô phỏng và chế tạo khối khuếch đại công suất 200W dùng LDMOS FETs PTF082001E với độ lợi trên 13.5 dB và hiệu suất đạt hơn 55%.
  • Xây dựng thành công bộ tổ hợp công suất vi dải 8 đường dùng cầu Wilkinson với độ cách ly cổng trên 22 dB và hệ số phản xạ đầu vào S11 dưới âm 25 dB.
  • Xác lập sự tương thích chính xác giữa kết quả tính toán lý thuyết, mô phỏng trên Ansoft Designer, ADS 2008A và thực nghiệm đo kiểm với sai số dưới 2.5%.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp giải pháp công nghệ toàn diện để thay thế hoàn toàn máy phát đèn magnetron kém ổn định bằng máy phát bán dẫn công suất lớn, độ ổn định tần số cao, dễ bảo dưỡng và có độ tin cậy vượt bậc. Kế hoạch tiếp theo trong 12 tháng tới tập trung vào việc thử nghiệm thực địa hệ thống 64 module trên đài radar giám sát tầm thấp hoàn chỉnh và tối ưu hóa tản nhiệt vi kênh. Các đơn vị nghiên cứu, viện chuyên ngành và doanh nghiệp công nghệ cao quan tâm đến chuyển giao công nghệ máy phát radar bán dẫn dải rộng vui lòng liên hệ trực tiếp với tác giả hoặc Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội để cùng hợp tác phát triển.