(Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật) Nghiên Cứu Nâng Cao Chất Lượng Mô Đun Thu Phát Dùng Cho Hệ Thống Mạng Pha Tích Cực

KÃt quÁ cąa să tÁp trung nghiên cću m¿nh mÁ trong nhāng nm gần đây đã t¿o ra nền tÁng và các giÁi pháp cÁ về lý luÁn và công nghá cho să phát triển ćng dăng đầy hća hẹn cąa công nghá ATM

B Ộ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO B Ộ QUÞC PHÒNG

B Ộ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ QUÞC PHÒNG

Chuyên ngành: K Ỹ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã sß: 9 52 02 03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

nghiên cću cąa tôi d°ãi să h°ãng d¿n cąa các cán bá h°ãng d¿n Các sá liáu,

kÃt quÁ trình bày trong luÁn án là trung thăc và ch°a đ°āc công bá trong bÃt kỳ công trình nào tr°ãc đây Các kÃt quÁ sÿ dăng tham khÁo đều đã đ°āc trích d¿n đầy đą và đúng quy đánh

Hà N ội, ngày tháng năm 2023

Tác gi Á

Ph ¿m Cao Đ¿i

L âI CÀM ¡N

Tôi xin trân trãng gÿi lßi cÁm ¡n sâu sÃc tãi tÃt cÁ các tÁp thể và cá nhân,

nhāng ng°ßi đã giúp đÿ tôi trong quá trình hoàn thành luÁn án này Đầu tiên và quan trãng nhÃt, tôi muán bày tß lòng biÃt ¡n đÃn hai thầy h°ãng d¿n cąa tôi,

TiÃn s* Lê Đ¿i Phong và TiÃn s* Tránh Đình C°ßng Vãi kiÃn thćc sâu ráng và uyên bác, hai thầy đã đ°a ra nhāng đánh h°ãng và gāi ý nghiên cću đầy tính thách thćc Đãng thßi, d°ãi să khích lá m¿ng mÁ cąa hai thầy trong suát quá trình nghiên cću đã giúp tôi có đầy nhiát huyÃt để hoàn thành luÁn án này Tôi cũng muán cÁm ¡n các thành viên trong nhóm nghiên cću cąa tôi,

TiÃn s* Nguyßn Hoàng Nguyên, TiÃn s* L°¡ng Duy M¿nh, TiÃn s* Ph¿m Viát Anh, Th¿c sỹ L°u Vn TuÃn và TiÃn sỹ Đß Thành Quân đã phái hāp tham gia tích căc trong quá trình nghiên cću, đãc nhiều bài báo cąa tôi, bao gãm cÁ luÁn

án này và đ°a ra nhāng phÁn hãi, câu hßi, thÁo luÁn, và lßi khuyên có giá trá Các đãng nghiáp cąa tôi trong Trung tâm Nghiên cću thiÃt kà vi m¿ch chuyên dăng và Vián Tích hāp há tháng đã hÃt sćc ąng há, tham gia thÁo luÁn

và đ°a ra các ý kiÃn phê bình mang tính xây dăng rÃt có giá trá để tôi hoàn thành mát cách tát nhÃt các nghiên cću trong luÁn án này Đãng thßi tÃt cÁ b¿n

bè tôi t¿i Hãc vián kỹ thuÁt Quân să đã giúp tôi v°āt qua nhāng khó khn và cung cÃp nhiều hß trā tinh thần Tôi muán gÿi lßi cÁm ¡n chân thành cąa mình tãi tÃt cÁ đãng nghiáp và b¿n bè

Bên c¿nh đó, tôi cũng chân thành cÁm ¡n Phòng Sau đ¿i hãc và Há QuÁn

lý hãc viên sau đ¿i hãc - Hãc vián Kỹ thuÁt Quân să đã giúp đÿ về các thą tăc,

kà ho¿ch và t¿o điều kián thßi gian tát nhÃt để tôi hoàn thành luÁn án Đãng

thßi tôi xin cÁm ¡n Bá môn Công nghá đián tÿ và Trung tâm Kỹ thuÁt Vißn thông/Khoa Vô tuyÃn đián tÿ đã giúp đÿ về trang thiÃt bá đo l°ßng để tôi hoàn thành tát các thÿ nghiám nghiên cću

Và tôi rÃt biÃt ¡n gia đình lãn, và gia đình nhß cąa tôi vãi tình yêu th°¡ng,

să quan tâm, ąng há và đáng viên th°ßng xuyên Vā tôi, Trần Thá Kim Ph°āng luôn tin t°áng tôi ngay cÁ khi tôi nghi ngß về bÁn thân mình và chia s¿ nhāng

áp lăc vãi tôi Hai con Thành Đô và Minh Đng luôn mang l¿i cho tôi nhiều

niềm vui đ¡n giÁn mà nhiều h¿nh phúc Cuái cùng, và quan trãng nhÃt, tôi

muán cÁm ¡n mẹ tôi, ng°ßi đã qua đßi tr°ãc khi luÁn án này hoàn thành Bà đã Ánh h°áng đÃn tôi rÃt nhiều vãi tình yêu và să đáng viên vô điều kián

DANH MĂC HÌNH VÀ, Đâ THà iii

DANH MĂC BÀNG vii

DANH MĂC KÝ HIàU TOÁN HâC viii

DANH MĂC CÁC THUÀT NGĀ VÀ ĐàNH NGH)A x

GIâI THIàU LUÀN ÁN 1

1 Tính cÃp thiÃt cąa luÁn án 1

2 Măc tiêu và nhiám vă cąa luÁn án 3

3 Đái t°āng và ph¿m vi nghiên cću 3

4 Ph°¡ng pháp nghiên cću 4

5 Tình hình nghiên cću trong và ngoài n°ãc 4

6 Đóng góp cąa luÁn án 8

7 Bá căc cąa luÁn án 9

Ch°¡ng 1 MÔ-ĐUN THU PHÁT CHO CÁC Hà THàNG M¾NG PHA TÍCH CĂC 12

1.1 Giãi thiáu chung về Há tháng m¿ng pha tích căc và Há tháng m¿ng pha tích căc đa chćc nng 12

1.1.1 Há tháng m¿ng pha tích căc 12

1.1.2 Há tháng m¿ng pha tích căc đa chćc nng 14

1.2 Mô đun thu phát cho Há tháng m¿ng pha tích căc 15

1.2.1 Mô-đun thu phát t°¡ng tă 16

1.2.2 Mô-đun thu phát sá 18

1.3 Các nái dung nghiên cću nâng cao chÃt l°āng cąa mô-đun thu phát dùng cho các há tháng m¿ng pha tích căc 20

1.3.1 Bá xoay pha và Bá suy giÁm tín hiáu 20

1.3.2 Bá khuÃch đ¿i công suÃt 24

1.3.3 Phân bá công suÃt trên mặt má ng-ten và thay đổi công suÃt theo ph¿m vi ho¿t đáng 28

a)Tổng hāp búp sóng và phân bá công suÃt trên mặt má ng-ten 28

b)Ph¿m vi ho¿t đáng và công suÃt phát cąa há tháng 29

1.4 KÃt luÁn ch°¡ng 1 32

Ch°¡ng 2 Bà SUY GIÀM Sà KÂT HĀP XOAY PHA TÍN HIàU 34

2.1 Bá suy giÁm sá kÃt hāp xoay pha tín hiáu 34

2.1.1 GiÁi pháp nâng cao đá phân giÁi bá xoay pha tín hiáu 35

2.1.2 CÃu trúc đề xuÃt cąa bá suy giÁm sá kÃt hāp xoay pha tín hiáu 37

2.2 Hiáu quÁ cąa cÃu trúc đề xuÃt qua thiÃt kà thÿ nghiám 41

2.2.1 Mô tÁ thiÃt kà thÿ nghiám 41

2.2.2 Các kÃt quÁ mô phßng, đánh giá 43

2.2.3 Các kÃt quÁ đo l°ßng, thÿ nghiám 50

2.3 KÃt luÁn ch°¡ng 2 55

Ch°¡ng 3 Bà KHUÂCH Đ¾I CÔNG SUÂT HIàU SUÂT CAO CHO MÔ-ĐUN THU PHÁT CĄA Hà THàNG M¾NG PHA TÍCH CĂC 57

3.1 Yêu cầu thiÃt kà và lăa chãn linh kián và ph°¡ng pháp thiÃt kà 57

3.2 ThiÃt kà bá khuÃch đ¿i công suÃt thć nhÃt 59

3.2.1 Mô tÁ thiÃt kà 59

3.2.2 KÃt quÁ mô phßng, đánh giá hiáu suÃt cąa bá KĐCS thć nhÃt 69

3.3 ThiÃt kà bá khuÃch đ¿i công suÃt thć hai 73

3.3.1 Mô tÁ thiÃt kà 74

3.3.2 KÃt quÁ mô phßng hiáu suÃt cąa bá KĐCS thć hai 79

3.4 Hiáu quÁ cÁi thián hiáu suÃt công suÃt cąa há tháng 85

3.4.1 Há tháng sÿ dăng m¿ng ng-ten d¿ng đ°ßng thẳng 85

3.4.2 Há tháng sÿ dăng m¿ng ng-ten m¿ng pha phẳng hình chā nhÁt 86

a)Phân tích, đánh giá theo kích th°ãc m¿ng và phân phá công suÃt 87

b)Phân tích, đánh giá theo mćc công suÃt há tháng 89

3.5 KÃt luÁn ch°¡ng 3 92

Ch°¡ng 4 CÂU TRÚC MÔ ĐUN THU PHÁT GIAO TIÂP Sà CHO Hà THàNG M¾NG PHA TÍCH CĂC ĐA CHĆC NNG 93

4.1 CÃu trúc mô-đun thu phát sá đề xuÃt 93

4.1.1 Mô tÁ cÃu trúc và các thành phần chính 95

4.1.2 Điều khiển tham sá pha, biên đá cąa tín hiáu phát 97

a)Chà đá t¿o tín hiáu phát 97

b)Nguyên lý và khÁ nng điều khiển pha và biên đá cąa tín hiáu phát cąa chà đá t¿o tín hiáu phát kÃt hāp cÁ hai bá DDS và bá điều chà I/Q 98

4.2 Thÿ nghiám các thành phần tổng hāp tín hiáu phát 106

4.2.1 Thÿ nghiám khÁ nng tổng hāp các d¿ng tín hiáu phát 107

a)Tổng hāp tín hiáu trung tần phát d¿ng xung đ¡n 107

b)Tổng hāp tín hiáu điều chà mã pha 108

c)Tổng hāp tín hiáu nhÁy tần 109

d)Tổng hāp tín hiáu phát bng thông ráng 109

4.2.2 Thÿ nghiám khÁ nng xoay pha và điều khiển biên đá 110

4.2.3 NhÁn xét kÃt quÁ thÿ nghiám 114

4.3 KÃt luÁn ch°¡ng 4 115

KÂT LUÀN VÀ H¯âNG NGHIÊN CĆU 116

DANH MĂC CÁC CÔNG TRÌNH CĄA TÁC GIÀ 119

TÀI LIàU THAM KHÀO 120

PHĂ LĂC I

T ừ viÁt tÃt Ti Áng Vißt Ti Áng Anh

ATMPTC ng-ten m¿ng pha tích căc Active Phased-Array Antenna

HTMPTC Há tháng m¿ng pha tích căc Active Phased-Array System HTMPTĐ Há tháng m¿ng pha quét

đián tÿ thă đáng

Passive Phased-Array System

b) Ch ā viÁt tÃt tiÁng Anh

DDS Direct Digital Synthesis Bá tổng hāp sá trăc tiÃp

LIF Low Intermediate Frequency Tần sá trung tần thÃp

T ừ viÁt tÃt Ti Áng Anh Ti Áng Vißt

-Output

Há tháng nhiều đầu vào và nhiều đầu ra

integrated circuit

Vi m¿ch tích hāp cao tần nguyên

khái MTBF Mean time between failures Thßi gian trung bình giāa hai lần

hßng hóc MTTF Mean time to failure Thßi gian trung binh đÃn khi

hßng hóc

Oscillators

Bá dao đáng điều khiển sá

OMN Output Matching Network M¿ng phái hāp trá kháng đầu ra

Scanned Array

MÁng quét đián tÿ thă đáng

RMSE Root mean squared error Sai sá trung bình bình ph°¡ng

đ¿i thay đổi đ°āc

DANH M ĀC HÌNH V¾, Đâ THâ

2 Hình 1.2: CÃu trúc điển hình cąa HTMPTC đa chćc nng 15

3 Hình 1.3: CÃu trúc điển hình MĐTP cho HTMPTC t°¡ng tă 17

5 Hình 1.5: S¡ đã khái MĐTP sá dăa trên bá điều chà I/Q 19

7 Hình 1.7: Góc xoay pha theo mćc suy giÁm và tần sá 23

8 Hình 1.8: Phân bá biên đá Taylor vãi m¿ng ng-ten phẳng

10 Hình 2.1: Bá xoay pha sÿ dăng hybrid coupler kÃt hāp bá

khuÃch đ¿i VGA

36

11 Hình 2.2: CÃu trúc bá xoay pha cáng véc-t¡ sÿ dăng bá trán

tần

36

12 Hình 2.3: CÃu trúc bá suy giÁm sá kÃt hāp xoay pha tín hiáu 37

13 Hình 2.4: Biểu dißn mái quan há giāa há sá suy giÁm và góc

xoay pha

38

14 Hình 2.5: S¡ đã nguyên lý bá suy giÁm sá kÃt hāp xoay pha 42

15 Hình 2.6: S¡ đã layout bá suy giÁm sá kÃt hāp xoay pha 43

16 Hình 2.7: L°u đã xác đánh các cặp há sá suy giÁm phù hāp 44

STT Tên hình v ¿, đã thã Trang

17 Hình 2.8: Sá l°āng cặp há sá suy giÁm theo góc xoay pha 45

18 Hình 2.9: DÁi điều khiển mćc suy giÁm theo góc xoay pha 45

19 Hình 2.10: Sai sá mćc suy giÁm theo mćc suy giÁm tín hiáu 47

20 Hình 2.11: Góc xoay pha theo các mćc suy giÁm tín hiáu 47

21 Hình 2.12: KÃt quÁ mô phßng vãi yêu cầu t°¡ng đ°¡ng bá xoay

pha 8 bít

48

22 Hình 2.13: KÃt quÁ mô phßng vãi sai sá góc xoay pha 0,5 đá 49

23 Hình 2.14: KÃt quÁ khÁo sát á góc xoay pha 22,5 đá vãi sai sá

25 Hình 2.16: KÃt quÁ thÿ nghiám vãi góc xoay pha 2,81 đá 51

26 Hình 2.17: Đo sai sá góc xoay pha theo mćc suy giÁm tín hiáu 52

27 Hình 2.18: Sai sá mćc suy giÁm theo mćc suy giÁm tín hiáu 52

STT Tên hình v ¿, đã thã Trang

35 Hình 3.8: Trá kháng nguãn (a) và tÁi (b) biểu dißn trên đã thá

Smith

66

37 Hình 3.10: S¡ đã nguyên lý bá KĐCS thć nhÃt trên ADS 68

39 Hình 3.12: Há sá phÁn x¿ đầu vào và đầu ra cąa bá KĐCS thć

42 Hình 3.15: Hiáu suÃt tín hiáu lãn cąa bá KĐCS thć nhÃt 71

43 Hình 3.16: Phổ các hài tín hiáu đầu ra cąa bá KĐCS thć nhÃt 72

44 Hình 3.17: Hiáu suÃt tín hiáu lãn vãi đián áp nguãn V thay DS

đổi

72

45 Hình 3.18: Mô hình 2 đ°ßng truyền m¿ch dÁi điển hình 74

47 Hình 3.20: M¿ng phái hāp trá kháng đầu vào IMN và thiên cáp

50 Hình 3.23: Các đặc tuyÃn há sá phÁn x¿ đầu vào S và đầu ra 11

STT Tên hình v ¿, đã thã Trang

53 Hình 3.26: Hiáu suÃt PAE vãi các đián áp nguãn khác nhau 81

54 Hình 3.27: Hiáu suÃt PAEvãi khi điều chà nguãn và khi nguãn

cá đánh

82

55 Hình 3.28: KhÁo sát hiáu suÃt bá KĐCS vãi m¿ng đ°ßng thẳng 86

56 Hình 3.29: Hiáu suÃt PAE cąa HTMPTC vãi các điều kián

60 Hình 4.2: S¡ đã khái chćc nng bá điều chà I/Q điển hình 99

61 Hình 4.3: Nguyên lý điều khiển pha và biên đá cąa bá điều chÃ

I/Q

102

62 Hình 4.4: B°ãc nhÁy pha theo mćc đián áp chuẩn hóa 103

63 Hình 4.5: Há tháng thÿ nghiám vãi bá DDS và bá điều chà I/Q 106

66 Hình 4.8: Kiểm tra khÁ nng điều chà tín hiáu nhÁy tần từ xung sang xung 109

67 Hình 4.9: Kiểm tra khÁ nng điều chà tín hiáu bng thông ráng

DANH M ĀC BÀNG

1 BÁng 1.1: Sá bít bá xoay pha và góc h°ãng đầu tiên búp

3 BÁng 2.2: BÁng so sánh tính nng xoay pha vãi các công

4 BÁng 2.3: Mát sá bá xoay pha thăc tà và các linh kián

5 BÁng 3.1: Chiều dài các đ°ßng truyền m¿ch dÁi cąa m¿ng

8 BÁng 3.4: Các lo¿i phân bá biên đá sÿ dăng để phân tích 87

9 BÁng 3.5: Mćc cÁi thián hiáu suÃt PAE(%) á các điều

10 BÁng 4.1: Sá bít N 1 và b°ãc nhÁy pha căc đ¿i 104

11 BÁng 4.2: Tham sá các tr°ßng hāp thÿ nghiám điều khiển

DANH M ĀC KÝ HIÞU TOÁN HäC

ý(þ), ( )s t o Tín hiáu đầu vào, tín hiáu đầu ra

DANH M ĀC CÁC THUÀT NGĀ VÀ ĐâNH NGH)A

Mát cÃu trúc có khÁ nng điều khiển sá cho phép vừa

thăc hián chćc nng suy giÁm, vừa thăc hián chćc nng xoay pha tín hiáu

Hiáu suÃt cáng

công suÃt

Hiáu suÃt cąa bá KĐCS, tính bái tß sá giāa hiáu cąa công

suÃt cąa tín hiáu cao tần đầu ra và công suÃt cąa tín hiáu cao tần đầu vào vãi công suÃt tiêu thă nguãn

Kỹ thuÁt điều chÃ

nguãn

Kỹ thuÁt điều khiển đián áp nguãn cąa bá KĐCS sao cho phù hāp vãi mćc tín hiáu đầu vào (hoặc đầu ra) để đ¿t đ°āc hiáu suÃt công suÃt cao

Đá phân giÁi pha Să thay đổi nhß nhÃt góc pha cąa tín hiáu hoặc b°ãc nhÁy

pha nhß nhÃt cąa tín hiáu có thể đ¿t đ°āc

Đá phân giÁi biên

Mô-đun thu phát

giao tiÃp sá

Mô-đun thu phát có các tín hiáu vào/ra và các tín hiáu điều khiển, đãng bá c¡ bÁn là các tín hiáu sá

Các mô-đun thu/phát (MĐTP) là thành phần không thể thiÃu trong tÃt cÁ các há tháng vô tuyÃn Nh° tên gãi, các MĐTP có hai nhiám vă là phát và thu các lo¿i tín hiáu vô tuyÃn khác nhau thông qua các há tháng ng-ten tùy theo

chćc nng cąa há tháng Cùng vãi să phát triển cąa khoa hãc, kỹ thuÁt và công nghá, các công nghá vi m¿ch bán d¿n tích hāp mãi cho phép nghiên cću, thiÃt

kà các MĐTP vãi tính nng, đá tích hāp, hiáu nng và hiáu suÃt ngày càng cao h¡n Điều này t¿o ra xu h°ãng và c¡ hái cho să nghiên cću và ćng dăng công nghá ng-ten m¿ng pha tích căc (ATMPTC) trong thăc tà và ng°āc l¿i [1] KÃt

quÁ cąa să tÁp trung nghiên cću m¿nh mÁ trong nhāng nm gần đây đã t¿o ra

nền tÁng và các giÁi pháp cÁ về lý luÁn và công nghá cho să phát triển ćng dăng đầy hća hẹn cąa công nghá ATMPTC trong các há tháng vô tuyÃn, từ các há

tháng ra-đa, các há tháng thông tin vá tinh đã biÃt tr°ãc đây, đÃn các ćng dăng trong các há tháng thông tin vô tuyÃn hián đ¿i, m¿ng cÁm biÃn vô tuyÃn (Wireless Sensor Networks 3 WSN), Internet v¿n vÁt (Internet of Thing 3 IoT)

và các há tháng vô tuyÃn đa chćc nng [2], [3], [4], [5], [6]

H°ãng nghiên cću, phát triển này ngày càng đ°āc thúc đẩy m¿nh mÁ do tính °u viát cąa các há tháng vô tuyÃn sÿ dăng ATMPTC Vãi cÃu trúc mô đun hóa và khÁ nng tổng hāp, quét búp sóng đián tÿ linh ho¿t, há tháng sÿ dăng ATMPTC có khÁ nng cÃu hình ho¿t đáng mềm d¿o, thông minh h¡n, và có

khÁ nng thăc hián đãng thßi nhiều chćc nng khác nhau (ra-đa, thông tin, tác chiÃn đián tÿ, hß trā đián tÿ &) trên cùng mát há tháng [7], [8], [9]

Bên c¿nh nhāng lāi ích rõ rát cąa viác sÿ dăng ATMPTC, cũng bao gãm nhiều thách thćc, c¡ hái về công nghá, đá phćc t¿p và chi phí phát triển ban đầu so vãi há tháng thông th°ßng [10], [11], [12], [13] Ví dă, các thách thćc

trong phát triển há tháng là do há tháng có thể bao gãm hàng trm tãi hàng ngàn các MĐTP Điều này cũng d¿n tãi đá phćc t¿p cao trong điều khiển và đãng bá tham sá giāa các MĐTP cąa há tháng cũng nh° các yêu cầu khÃt khe khác trong thiÃt kÃ, chà t¿o Bên c¿nh đó là yêu cầu về kích th°ãc, trãng l°āng

cąa há tháng Ngoài ra, vãi sá l°āng MĐTP lãn nh° vÁy cũng yêu cầu rÃt lãn

về nhân lăc và kinh phí để nghiên cću và chà t¿o ban đầu

Các nghiên cću, phát triển về há tháng sÿ dăng ATMPTC, gãi chung là

há tháng m¿ng pha tích căc (HTMPTC), đã đ°āc phát triển từ lâu Tuy nhiên,

v¿n còn nhiều thách thćc cÁ về lý thuyÃt, kỹ thuÁt, và công nghá đái vãi các ćng dăng thăc tà că thể, cũng nh° cần có các ph°¡ng pháp luÁn và giÁi pháp

mãi để đ¿t đ°āc hiáu suÃt cao h¡n cho HTMPTC Trong đó, MĐTP đ°āc xem

là thành phần c¡ bÁn và quan trãng nhÃt cąa HTMPTC [14] Do vÁy, viác nghiên cću các giÁi pháp để nâng cao chÃt l°āng cąa MĐTP v¿n luôn là vÃn đề đ°āc quan tâm nghiên cću hàng đầu

Trong MĐTP dùng cho HTMPTC, viác điều khiển các tham sá pha và biên đá tín hiáu thu/phát trên từng MĐTP liên quan trăc tiÃp tãi khÁ nng tổng

hāp và quét búp sóng cąa há tháng [15] Trong đó, bao gãm các tham sá về

ph¿m vi, đá phân giÁi và đá chính xác mćc biên đá, đá phân giÁi và đá chính xác góc xoay pha tín hiáu Về cÃu trúc, để đÁm bÁo khÁ nng tổng hāp và quét búp sóng tát, các MĐTP đ°āc bá trí phân bá trên mặt má ng-ten vãi không gian h¿n chà vãi khoÁng cách giāa các chÃn tÿ ng-ten th°ßng bằng nÿa b°ãc sóng để cho góc quét búp sóng ráng Điều này cáng vãi viác sÿ dăng các bá khuÃch đ¿i công suÃt (KĐCS) bán d¿n có mÁt đá công suÃt cao d¿n tãi vÃn đề

về công suÃt tiêu tán và thách thćc cąa há tháng làm mát Do đó, cần các giÁi pháp để nâng cao hiáu suÃt nng l°āng, đặc biát là hiáu suÃt cąa các bá KĐCS

để giÁm thiểu công suÃt tiêu tán, từ đó giÁm áp lăc cho há tháng làm mát, nâng cao chÃt l°āng và tuổi thã chung cąa toàn bá há tháng

Bên c¿nh đó, trong xu h°ãng phát triển cąa các há tháng vô tuyÃn sá đa

chćc nng hián nay, MĐTP cho HTMPTC đa chćc nng đòi hßi phÁi có cÃu trúc phù hāp đÁm bÁo tính linh ho¿t, đa chćc nng, chÃt l°āng và hiáu suÃt cao

2 M āc tiêu và nhißm vā căa luÁn án

Măc tiêu cąa luÁn án là nghiên cću về các giÁi pháp nhằm nâng cao chÃt l°āng cho MĐTP dùng trong các HTMPTC nói chung và các HTMPTC đa chćc nng nói riêng Trong đó, các yÃu tá về khÁ nng, điều kián kỹ thuÁt và công nghá trong n°ãc cũng nh° chi phí đ°āc tính đÃn Để đ¿t đ°āc măc tiêu trên, các nhiám vă chính đ°āc đặt ra cąa luÁn án, bao gãm:

- Đề xuÃt giÁi pháp lo¿i bß các sai lách, nâng cao đá phân giÁi xoay pha

và các vÃn đề liên quan vãi kỹ thuÁt, công nghá phù hāp và chi phí thÃp

- Nghiên cću, thiÃt kà bá KĐCS có hiáu suÃt cao, phù hāp vãi các đặc điểm ho¿t đáng đặc thù để nâng cao hiáu suÃt nng l°āng cąa các HTMPTC

- Xây dăng cÃu trúc MĐTP giao tiÃp sá dùng cho HTMPTC đa chćc nng

3 Đái t°ÿng và ph¿m vi nghiên cąu

- Đái t°āng nghiên cću: Đái t°āng nghiên cću cąa LuÁn án là MĐTP trong các HTMPTC Trong đó, tÁp trung nghiên cću các thành phần chính Ánh h°áng trăc tiÃp tãi các tham sá chÃt l°āng cąa MĐTP và há tháng

- Ph¿m vi nghiên cću: LuÁn án tÁp trung nghiên cću các giÁi pháp kỹ thuÁt

và công nghá để nâng cao chÃt l°āng MĐTP, đặc biát là các thành phần trong

m¿ch cao tần (Radio Frequency - RF) và các thành phần, tham sá liên quan trăc

tiÃp tãi chÃt l°āng cąa MĐTP dùng cho các HTMPTC Đó là bá suy giÁm, khÁ nng xoay pha, hiáu suÃt công suÃt cąa các bá KĐCS và bá tổng hāp và điều khiển tham sá tín hiáu Bên c¿nh đó là khÁ nng tích hāp các giÁi pháp trong

cÃu trúc tổng thể cąa MĐTP dùng cho HTMPTC đa chćc nng

4 Ph°¢ng pháp nghiên cąu

LuÁn án sÿ dăng kÃt hāp nhiều ph°¡ng pháp nghiên cću để đ¿t đ°āc măc tiêu đề ra, bao gãm:

+ KhÁo sát, phân tích các nghiên cću đã có về HTMPTC, các thách thćc

và xây dăng ph°¡ng án giÁi quyÃt phù hāp

+ Mô phßng các cÃu trúc, thiÃt kà đề xuÃt, đánh h°ãng ćng dăng và phân tích hiáu quÁ theo điều kián ćng dăng sát thăc tÃ

+ Thăc nghiám chà t¿o và đo l°ßng kiểm tra tham sá sÁn phẩm theo tr°ßng

hāp ćng dăng giÁ đánh

5 Tình hình nghiên c ąu trong và ngoài n°ác

Công nghá m¿ng pha nói chung và công nghá m¿ng pha tích căc quét búp sóng đián tÿ (Active electronically scanned array- AESA) nói riêng đã mang

l¿i cuác cách m¿ng không chß trong l*nh văc quác phòng mà còn trong các ngành th°¡ng m¿i Khi xem xét să phát triển đang dißn ra trong l*nh văc này,

có thể khẳng đánh chÃc chÃn rằng, t°¡ng lai cąa các há tháng vô tuyÃn thuác

về công nghá m¿ng pha và HTMPTC

Nhāng tiÃn bá trong ngành công nghiáp đián tÿ hàng không, đặc biát là trong máy bay chiÃn đÃu đã bác lá nhāng h¿n chà trong há tháng ra-đa điều khiển quét búp sóng c¡ khí truyền tháng Tác đá quét chÁm, ph¿m vi bao phą h¿n chà và thiÃu khÁ nng theo dõi và bám măc tiêu là mát sá h¿n chà nổi bÁt [6] Să phát triển cąa công nghá m¿ng pha đ°āc bÃt đầu sau ChiÃn tranh thÃ

giãi thć hai Nm 1958, phòng thí nghiám Lincoln cąa Vián Công nghá Massachusetts (MIT) bÃt đầu nghiên cću công nghá này và phát triển nhanh chóng sau đó [16] Khi nhu cầu tng, các l*nh văc ćng dăng mãi đ°āc khám phá và să phát triển cąa công nghá m¿ng pha tích căc đóng vai trò nh° chÃt

xúc tác, đặc biát là trong să phát triển cąa ra-đa m¿ng pha Hián nay, công nghá

m¿ng pha không chß giãi h¿n trong l*nh văc quác phòng mà còn đang đ°āc nghiên cću, phát triển cho các măc đích th°¡ng m¿i khác nh°: thông tin di đáng [4], [17], m¿ng cÁm biÃn vô tuyÃn WSN [18], [19], chuẩn đoán hình Ánh trong

y tÃ, thông tin vá tinh [20], và thiÃt bá siêu âm m¿ng pha dùng phát hián các khuyÃt tÁt bên trong các cÃu trúc mà không làm hßng cÃu trúc đó [21].v.v XuÃt phát từ nhāng tính °u viát và xu h°ãng ćng dăng ngày càng rõ nét

cąa công nghá m¿ng pha tích căc trong các há tháng vô tuyÃn, ngày càng có nhiều các nghiên cću về cÃu trúc há tháng, ph°¡ng pháp xÿ lý, các thành phần

cát yÃu, công nghá vÁt liáu, công nghá làm mát& để v°āt qua các thách thćc

và nâng cao chÃt l°āng, hiáu nng để đ°a vào các l*nh văc ćng dăng ngày càng

ráng rãi h¡n cąa các HTMPTC

Cùng vãi đó, să phát triển về công nghá vÁt liáu bán d¿n và vi m¿ch tích

hāp đã thúc đẩy m¿nh mÁ să phát triển và khÁ nng đ°a vào ćng dăng thăc tÃ

ráng rãi cąa các HTMPTC Công nghá vi m¿ch tích hāp giúp tng khÁ nng tích hāp và hiáu quÁ nng l°āng, đặc biát cho các phần tÿ RF Về công nghá

vÁt liáu cho vi m¿ch cao tần, có să chuyển đổi từ sÿ dăng vÁt liáu GaAs sang

sÿ dăng vÁt liáu GaN, SiGe BiCMOS và tích hāp GaN lên wafer silicon Viác phát triển công nghá vi m¿ch và vÁt liáu cũng cho phép tích hāp mát hoặc nhiều MĐTP trên cùng mát chíp đ¡n [22], [23], [24] Viác tích hāp MĐTP trên mát chíp đ¡n đặc biát có ý ngh*a đái vãi các há tháng ho¿t đáng á dÁi tần RF cao trên 30 GHz có không gian vô cùng h¿n chà Ví dă, nm 2015, S Shahramian

và các tác giÁ đã công bá mát thiÃt kà chíp chća 16 MĐTP dùng cho há tháng

m¿ng pha ho¿t đáng á bng tần W, vãi ng-ten tích hāp d¿ng flip-chip PCB cho ćng dăng truyền dā liáu nhiều ghi-ga-bít [25] Nm 2017, B Sadhu và các tác giÁ đã công bá kÃt quÁ nghiên cću vi m¿ch chća 32 MĐTP á tần sá 28 GHz,

có khÁ nng quét búp sóng hai phân căc vãi đá phân giÁi 1.4 đá [26] Mát điểm

đặc tr°ng cąa các chíp chća nhiều MĐTP là có mÁt đá linh kián cao và do đó, công suÃt cao tần phát th°ßng rÃt thÃp Điều này d¿n tãi ph¿m vi ho¿t đáng cąa

há tháng bá h¿n chà nhÃt đánh, hoặc sá l°āng MĐTP phÁi rÃt lãn

Đái vãi các há tháng ho¿t đáng á tần sá d°ãi 10 GHz, không gian giāa các chÃn tÿ ng-ten (th°ßng đ°āc chãn bằng nÿa b°ãc sóng) là đą để cho phép các thành phần cao tần RF, trung tần (Intermediate frequency 3 IF) và/hoặc bng gác (BaseBand - BB) đ°āc thiÃt kÃ, chà t¿o trên bo m¿ch PCB vãi các linh kián, vi m¿ch tích hāp riêng l¿ và vi m¿ch tích hāp cao tần nguyên khái (Monolithic microwave integrated circuit - MMIC) (d¿ng đóng vß hoặc ch°a đóng vß) Đã có rÃt nhiều công bá nghiên cću về vi m¿ch KĐCS RF sÿ dăng công nghá GaAs và sau này là GaN MMIC, cũng nh° các bá khuÃch đ¿i dăa trên linh kián đóng vß GaAs, GaN [27], [28], [29], [30]

Mát sá nghiên cću khác tÁp trung thiÃt kà MĐTP hoặc các thành phần RF

cąa MĐTP vãi măc đích dùng cho HTMPTC Trong các công bá [29], [31] và [32], các tác giÁ đã đ°a ra các kÃt quÁ nghiên cću, thiÃt kà MĐTP á bng tần X cho các há tháng AESA đa chćc nng sÿ dăng công nghá MMIC trên các công nghá vÁt liáu GaN và GaN kÃt hāp SiGe Tác giÁ N.V Zhuchkova công bá kÃt

quÁ thiÃt kà MĐTP đa kênh bng tần X dùng cho HTMPTC [23], bao gãm hai

lo¿i MĐTP khác nhau á mćc công suÃt đầu ra Trong đó, các MĐTP vãi công suÃt đầu ra lãn (10 W) đ°āc bá trí á khu văc tâm cąa m¿ng ng-ten và các MĐTP vãi công suÃt đầu ra nhß h¡n (3 W) đ°āc bá trí á khu văc phía ngoài

và gần mép cąa m¿ng ng-ten KÃt quÁ đem l¿i là giÁm đ°āc mćc búp sóng bên

xuáng -20 dB Tuy nhiên, giÁi pháp này có mćc công suÃt đầu ra cá đánh nên không cho phép điều chßnh linh ho¿t và hình thành nhiều búp sóng hoặc các

d¿ng búp sóng khác nhau Mát nghiên cću cąa P Schuh và các tác giÁ về thiÃt

kà bá front-end đ¡n chíp hiáu nng cao sÿ dăng công nghá GaN dùng cho há

tháng AESA bng tần X thà há tiÃp theo đ°āc công bá trong [33] Mát thiÃt kÃ

đ¡n chíp khác chß bao gãm bá front-end cąa hai kênh tuyÃn vãi công suÃt căc

thÃp dùng cho ra-đa m¿ng pha bng X đ°āc T K Thrivikraman thăc hián trên công nghá SiGe BiCMOS [34]

Mát h°ãng nghiên cću khác cũng đ°āc quan tâm là kÃt hāp các °u điểm

cąa nhiều công nghá vi m¿ch khác nhau trong cùng mát thiÃt kà MĐTP M V Heijningen công bá nghiên cću sÿ dăng kÃt hāp công nghá GaAs, GaN và Silicon tích hāp cao trên cùng chíp [35] Trong đó, công nghá GaAs có chi phí

thÃp đ°āc sÿ dăng để thiÃt kà bá xoay pha, bá tiền khuÃch đ¿i, trong khi công nghá silicon có mÁt đá tích hāp cao đ°āc sÿ dăng để thiÃt kà tuyÃn thu, còn công nghá GaN có hiáu suÃt công suÃt cao h¡n thì đ°āc áp dăng để thiÃt kà bá KĐCS và bá khuÃch đ¿i t¿p âm thÃp (Low Noise Amplifier - LNA) Mát công

bá khác về sÿ dăng nhiều công nghá là cąa Martin Oppermann về thiÃt kà MĐTP hai phân căc vãi phần front-end sÿ dăng công nghá GaN MMIC và

phần điều khiển đián tÿ (khuÃch đ¿i tuyÃn tính, xoay pha, suy giÁm, chuyển

m¿ch thu phát) là core-chip sÿ dăng công nghá SiGe BiCMOS [32]

Trên thăc tÃ, các HTMPTC là các há tháng vô tuyÃn sÿ dăng kỹ thuÁt, công nghá cao và v¿n đ°āc bÁo mÁt về kỹ thuÁt, công nghá cąa các n°ãc tiên

tiÃn Tuy nhiên, do các tính nng °u viát và khÁ nng đa dăng cąa nó nên ngày càng đ°āc nhiều n°ãc, công ty nghiên cću, phát triển và công bá sÁn phẩm trên các ćng dăng dân dăng nh° các há tháng thông tin vá tinh, các há ra-đa dân

dăng dùng phát hián Drone và đặc biát là các há tháng thông tin di đáng 5G, các m¿ng WSN và IoT v.v [2], [3], [4], [5], [6] Nhß chính sách hái nhÁp sâu

ráng vãi thà giãi, đặc biát trong ho¿t đáng nghiên cću khoa hãc và phát triển công nghá, t¿i Viát Nam, trong nhāng nm vừa qua cũng đã có nhiều c¡ sá nghiên cću triển khai các nghiên cću và phát triển ćng dăng liên quan tãi các HTMPTC Tuy nhiên, do h¿n chà về công nghá và công nghiáp vi m¿ch tích

hāp nên các nghiên cću, thiÃt kà c¡ bÁn tÁp trung á các HTMPTC có dÁi tần sá

làm viác RF thÃp h¡n 10 GHz Lý do là vì đây là dÁi tần sá cho phép khÁ nng cao trong thiÃt kÃ, chà t¿o vãi các linh kián đóng vß hoặc chíp không đóng vß

Mát sá nghiên cću về há tháng ng-ten m¿ng pha phẳng và mát sá đun thành phần dùng trong thông tin vá tinh đã đ°āc triển khai cąa Đ¿i hãc Bách khoa Hà Nái [36], Đ¿i hãc Quác tÃ-Đ¿i hãc Quác gia TPHCM [37] Hãc

mô-vián Kỹ thuÁt quân să cũng đã triển khai nhiều đề tài, nhiám vă nghiên cću, chà t¿o và thÿ nghiám về ra-đa 3D á bng tần X cho các ćng dăng ra-đa quân

să và dân dăng TÁp đoàn Vißn thông Quân đái - Viettel đang nghiên cću, phát triển các lo¿i ra-đa 3D bng L, bng S và há tháng tr¿m gác cho m¿ng di đáng 5G [38], [39] Vián Kỹ thuÁt quân să cąa Quân chąng Phòng không-Không quân đang triển khai thăc hián các nghiên cću, phát triển ra-đa 3D á bng S

Vián Ra-đa/Vián Khoa hãc và Công nghá quân să đã hāp tác vãi Nam Phi để phát triển ra-đa bng tần X sÿ dăng ng-ten m¿ng pha dùng cho HÁi quân [40] Tuy nhiên, các nghiên cću trong n°ãc nói chung ch°a đề xuÃt giÁi pháp

thăc să hiáu quÁ trong lo¿i bß các sai lách, nâng cao đá phân giÁi xoay pha và các vÃn đề liên quan vãi kỹ thuÁt, công nghá phù hāp và chi phí thÃp; ch°a có nghiên cću nào thiÃt kà bá KĐCS có hiáu suÃt cao, phù hāp vãi các đặc điểm

ho¿t đáng đặc thù để nâng cao hiáu suÃt nng l°āng cąa các HTMPTC Về tổng

thể, ch°a có nghiên cću nào đề xuÃt cÃu trúc MĐTP giao tiÃp sá dùng cho HTMPTC đa chćc nng

6 Đóng góp căa luÁn án

Các kÃt quÁ nghiên cću và đóng góp că thể cąa luÁn án gãm:

1 Đề xuÃt cÃu trúc bá suy giÁm sá kÃt hāp xoay pha tín hiáu có đá phân

giÁi cao và chi phí thÃp dăa trên các linh kián đóng vß th°¡ng m¿i COTS CÃu trúc đề xuÃt cho phép ćng dăng lo¿i bß vÃn đề xoay pha cąa bá suy giÁm, hiáu

chßnh sai sá pha và/hoặc nâng cao đá phân giÁi xoay pha tín hiáu cąa MĐTP

2 Nghiên cću, thiÃt kà thành công bá KĐCS công nghá GaN điều chà nguãn (GaN Supply-Modulated Power Amplifier) có hiáu suÃt công suÃt đ°āc duy trì á mćc cao vãi dÁi ráng mćc công suÃt đầu ra KÃt quÁ này cho phép cÁi thián hiáu suÃt công suÃt cąa HTMPTC phù hāp vãi đặc thù về phân bá công

suÃt trên mặt má ng-ten cąa HTMPTC và khi thay đổi công suÃt phát t°¡ng thích vãi că ly ho¿t đáng

3 Đề xuÃt cÃu trúc MĐTP sá cho HTMPTC đa chćc nng Trong đó, ngoài áp dăng bá suy giÁm sá kÃt hāp xoay pha tín hiáu và bá KĐCS GaN điều

chà nguãn, đề xuÃt sÿ dăng kÃt hāp bá tổng hāp sá trăc tiÃp (Direct Digital Synthesis - DDS) và bá điều chà I/Q (IQ modulator) để tổng hāp và điều khiển pha, biên đá tín hiáu phát đáp ćng các yêu cầu cąa HTMPTC đa chćc nng

7 B á cāc căa luÁn án

Nái dung chính cąa luÁn án đ°āc thể hián trong 4 ch°¡ng, că thể nh° sau:

Ch°¢ng 1 cąa luÁn án trình bày nhāng khái niám, đặc điểm c¡ bÁn về

HTMPTC, MĐPT cho HTMPTC và các thách thćc trong nghiên cću, thiÃt kà MĐTP cho HTMPTC Trong đó, các °u điểm chính cąa HTMPTC và HTMPTC đa chćc nng cũng đ°āc trình bày cho thÃy HTMPTC là xu h°ãng

và t°¡ng lai cąa các há tháng vô tuyÃn kể cÁ trong l*nh văc quân să và ćng

dăng dân dăng MĐTP đ°āc xác đánh là thành phần h¿t nhân và chiÃm tß lá lãn

về kinh phí và các vÃn đề kỹ thuÁt, công nghá cần giÁi quyÃt Đặc điểm cÃu trúc

há tháng, ph°¡ng thćc ho¿t đáng và các vÃn đề về giÁm chi phí, nâng cao chÃt l°āng đặt ra các bài toán kỹ thuÁt đặc thù về hiáu suÃt công suÃt, đá phân giÁi xoay pha, tính đa chćc nng & đang là các thách thćc và măc tiêu chính cho các nghiên cću hián nay để đ°a HTMPTC ćng dăng ráng rãi trong thăc tà Các

nái dung đ°āc phân tích, khÁo sát trong Ch°¢ng 1 chính là nền tÁng cho các

đề xuÃt trong Ch°¢ng 2, Ch°¢ng 3 và Ch°¢ng 4

Ch°¢ng 2 trình bày đề xuÃt về giÁi pháp bá suy giÁm sá kÃt hāp xoay pha

tín hiáu có đá phân giÁi cao KÃt quÁ nghiên cću cho thÃy cÃu trúc bá suy giÁm

sá kÃt hāp xoay pha tín hiáu đề xuÃt có khÁ nng thăc hián đãng thßi hai chćc nng suy giÁm và xoay pha tín hiáu điều khiển sá vãi đá phân giÁi cao, chi phí

thÃp Các kÃt quÁ mô phßng vãi thiÃt kà că thể á dÁi tần sá bng C chß ra rằng,

vãi bá suy giÁm tín hiáu sá 7 bít đ°āc sÿ dăng, cÃu trúc đề xuÃt cho phép v¿n đÁm bÁo giā nguyên các tính nng và đá phân giÁi cąa bá suy giÁm, đãng thßi

có khÁ nng thăc hián xoay pha tín hiáu trong ph¿m vá từ 0 đÃn 45 đá vãi đá phân giÁi t°¡ng đ°¡ng bá xoay pha 7 bít vãi sai sá 1 đá Nng lăc cąa giÁi pháp

đề xuÃt cho phép ćng dăng để lo¿i bß hián t°āng xoay pha cąa bÁn thân bá suy

giÁm, nâng cao chÃt l°āng xoay pha tín hiáu khi kÃt hāp sÿ dăng các bá xoay pha đá phân giÁi thÃp thay cho các bá xoay pha phân giÁi cao đÃt tiền, và hiáu chuẩn sai lách pha giāa các MĐTP

Ch°¢ng 3 trình bày các nái dung nghiên cću thiÃt kà các bá KĐCS phù

hāp vãi điều kián ho¿t đáng cąa MĐTP trong các HTMPTC Đó là các bá khuÃch đ¿i công suÃt sÿ dăng bóng bán d¿n GaN và kỹ thuÁt điều chà nguãn đ°āc nghiên cću, thiÃt kà chi tiÃt Các bá KĐCS đ°āc thiên áp ho¿t đáng á Class AB và có các m¿ng phái hāp trá kháng đầu vào, đầu ra đ°āc thiÃt kà tái

°u theo ph°¡ng pháp triát hài Nhß các giÁi pháp kỹ thuÁt này, các bá KĐCS đ°āc thiÃt kà có khÁ nng duy trì hiáu suÃt công suÃt cao trong dÁi ráng công

suÃt đầu ra và bng thông ráng Bá KĐCS GaN điều chà nguãn đ°āc thiÃt kÃ

có mćc hiáu suÃt công suÃt (Power Added Efficiency - PAE) trên 54% trong dÁi 6 dB công suÃt đầu ra back-off và lãn h¡n 35 % trong dÁi tần sá từ 9.0 đÃn 9.8 GHz Các kÃt quÁ mô phßng và phân tích trên mát sá lo¿i phân bá công suÃt

và mô hình HTPMTC vãi cÃu trúc và kích cÿ m¿ng ng-ten khác nhau cho thÃy,

bá khuÃch đ¿i GaN điều chà nguãn giúp nâng cao đáng kể hiáu suÃt công suÃt

PAE cąa cÁ há tháng

Ch°¢ng 4 cąa luÁn án trình bày đề xuÃt mát cÃu trúc MĐTP giao tiÃp sá

mãi dùng cho các HTMPT đa chćc nng Các đặc điểm và yêu cầu cąa MĐTP trong các HTMPT đa chćc nng đ°āc xem xét, phân tích làm c¡ sá cho viác đề

xuÃt cÃu trúc mãi CÃu trúc MĐTP đề xuÃt mãi ngoài ćng dăng các giÁi pháp

kỹ thuÁt, công nghá đã đ°āc đề xuÃt trong Ch°¢ng 2 và Ch°¢ng 3, còn đề

xuÃt thêm giÁi pháp tổng hāp và điều khiển các tham sá pha, biên đá tín hiáu phát bằng viác sÿ dăng kÃt hāp bá DDS và bá điều chà IQ GiÁi pháp này cho phép đáp ćng khÁ nng tổng hāp linh ho¿t, đa d¿ng các d¿ng tín hiáu phát vãi

chÃt l°āng và yêu cầu cao, cũng nh° cho phép điều khiển chính xác và đá phân

giÁi cao các tham sá pha, biên đá cąa tín hiáu phát đáp ćng yêu cầu và chÃt l°āng cąa viác tổng hāp và quét búp sóng phát Bá tổng hāp tín hiáu phát đ°āc

chà t¿o m¿u và thÿ nghiám trong viác tổng hāp các d¿ng tín hiáu xung đ¡n, tín

hiáu điều chà pha nhá phân Baker 7 bít có đá ráng xung điều chà hẹp (96 ns), tín hiáu nhÁy tần từ xung qua xung, và tín hiáu điều tần liên tăc (Frequency-Modulated Continuous Wave - FMCW) có bng thông ráng Các kÃt quÁ thÿ nghiám cho thÃy khÁ nng tổng hāp chính xác các d¿ng tín hiáu phát theo yêu

cầu KhÁ nng điều khiển chính xác pha, biên đá tín hiáu phát cũng đ°āc thÿ nghiám và minh chćng trong các tr°ßng hāp sÿ dăng phân bá biên đá để giÁm búp sóng bên và điều khiển quay h°ãng búp sóng chính trên mô hình giÁ thiÃt m¿ng ng-ten d¿ng đ°ßng thẳng 16 chÃn tÿ cách đều nÿa b°ãc sóng

Cuái cùng là phần kÃt luÁn chung cąa luÁn án Trong đó, tóm tÃt l¿i nhāng

kÃt quÁ và đóng góp cąa luÁn án cũng nh° mát sá đánh h°ãng phát triển nghiên

cću tiÃp theo trong t°¡ng lai

Ch°¢ng 1

1.1 Giái thißu chung về Hß tháng m¿ng pha tích căc và Hß tháng

m ¿ng pha tích căc đa chąc nng

Trong lý thuyÃt ng-ten, há tháng m¿ng pha sÿ dăng ng-ten m¿ng pha (ATMP) Trong đó, ATMP là mát há tháng gãm nhiều ng-ten đ°āc sÃp xÃp trong không gian theo mát bá trí nào đó, do vÁy, giÁn đã bćc x¿ tổng hāp có

thể đ°āc tng c°ßng trên h°ãng că thể và triát tiêu trên các h°ãng không mong

muán Trong các HTMPTC, h°ãng búp sóng cąa ATMP có thể đ°āc quét đián

tÿ tích căc mà không cần đÃn các c¡ cÃu quay c¡ khí, ngh*a là có thể t¿o ra búp sóng thu/phát vô tuyÃn theo các h°ãng khác nhau mà không cần di chuyển ng-ten [41], [42], [43], [44] KhÁ nng tổng hāp búp sóng đác đáo này giúp há

tháng m¿ng pha nói chung, HTMPTC nói riêng ngày càng đ°āc nghiên cću và ćng dăng ráng rãi trong thăc tißn [2], [3], [4], [5], [6]

1.1.1 Hß tháng m¿ng pha tích căc

Trong các há tháng vô tuyÃn, có hai lo¿i há tháng m¿ng pha quét đián tÿ

là há tháng m¿ng pha quét đián tÿ thă đáng (HTMPTĐ) (Passive Electronically Scanned Array - PESA) và HTMPTC Há tháng HTMPTĐ sÿ dăng mát bá KĐCS lãn tÁp trung và mát bá khuÃch đ¿i t¿p thÃp (LNA) cùng vãi các phần

tÿ xoay pha đ°āc bá trí t¿i mßi anten trong m¿ng [6] Trong há tháng này, để

thăc hián viác tổng hāp và quét búp sóng, các bá xoay pha có thể đ°āc thăc

hián bằng viác sÿ dăng vÁt liáu ferrite garnet đặt trong áng d¿n sóng (có đá tin

cÁy cao nh°ng chà t¿o đÃt [45]) Các bá xoay pha này có thể cháu đ°āc các mćc công suÃt cao cąa bá KĐCS lãn trong HTMPTĐ Mát nh°āc điểm cąa ph°¡ng pháp này là thßi gian để ferrite thay đổi tr¿ng thái lãn, kÃt quÁ d¿n tãi thßi gian thay đổi h°ãng búp sóng lãn và viác quét búp sóng chÁm cąa HTMPTĐ

Ng°āc l¿i vãi các HTMPTĐ, trong các há tháng HTMPTC, mßi phần tÿ anten gÃn vãi mát MĐTP riêng vãi cÃu trúc điển hình nh° mô tÁ trên Hình 1.1

Hß tháng xÿ lý, điều khiển và hiển thã

H knh 1.1: Sơ đồ cấu trúc điển hình HTMPTC

Theo cÃu trúc này, tín hiáu phát đ°āc t¿o ra từ bá t¿o tín hiáu và cÃp tãi

từng MĐTP qua m¿ng nguãn nuôi à h°ãng ng°āc l¿i, tín hiáu thu sau khi đi qua các MĐTP đ°āc cáng l¿i qua m¿ng cáng tín hiáu tr°ãc khi đ°a đÃn máy thu Viác điều khiển pha và biên đá tín hiáu đ°āc thăc hián trên từng MĐTP

Vãi các HTMPTC sá, viác t¿o tín hiáu phát và giÁi điều chà tín hiáu thu có thể đ°āc thăc hián ngay trên từng MĐTP d°ãi să điều khiển, đãng bá và thu nhÁn

trăc tiÃp từ há tháng xÿ lý tín hiáu sá bên trên từng MĐTP và cÁ há tháng Trong HTMPTC, do các bá xoay pha đ°āc đặt tr°ãc bá KĐCS nên chß

phÁi ho¿t đáng vãi tín hiáu có công suÃt thÃp và có thể sÿ dăng đi-át hoặc các chuyển m¿ch bán d¿n tr°ßng (FET) để chuyển từ tr¿ng thái pha hián t¿i sang giá trá pha mong muán mát cách nhanh chóng Điều này cho phép các HTMPTC có thể thay đổi pha để quét búp sóng hoặc thay đổi từ tr¿ng thái phát sang thu mát cách nhanh chóng và linh ho¿t

Trong nhāng nm gần đây, HTMPTC đ°āc nghiên cću, phát triển và ćng

dăng ráng rãi trong há tháng ra-đa, thông tin và đặc biát là xu h°ãng phát triển các há tháng vô tuyÃn đa chćc nng [3], [46], [47] CÃu trúc cąa HTMPTC mang l¿i đá tin cÁy cao, dÁi đáng ráng, đá nh¿y cao, cháng nhißu đián tÿ tát, linh ho¿t và đa nng v.v [46], [48] Kỹ thuÁt tổng hāp búp sóng sÿ dăng trong HTMPTC cho phép tổng hāp giÁn đã búp sóng thu/phát mát cách linh ho¿t, quét búp sóng ng-ten trong không gian, và thiÃt lÁp đa kênh hoặc bám đa măc tiêu khác nhau mát các linh ho¿t

1.1.2 Hß tháng m¿ng pha tích căc đa chąc nng

Các há tháng vô tuyÃn đa chćc nng th°ßng là să kÃt hāp nhiều chćc nng trong mát há tháng ra-đa [49] hoặc kÃt hāp giāa chćc nng thông tin liên

l¿c và ra-đa trên cùng mát há tháng vô tuyÃn [50] Các há tháng vô tuyÃn đa

chćc nng đã đ°āc nghiên cću, phát triển từ lâu [51], [52] để chia s¿ tài nguyên

về tần sá, h¿n chà nhißu đián tÿ qua l¿i l¿n nhau giāa các thiÃt bá [53], [54], nâng cao hiáu suÃt sÿ dăng há tháng cũng nh° giúp giÁm sá l°āng và chi phí vòng đßi thiÃt bá [55] Cùng vãi gia tng về nhu cầu cąa các há tháng thông tin liên l¿c và khÁ nng th°¡ng m¿i hóa cąa các há tháng ra-đa, các há tháng vô tuyÃn đa chćc nng ngày càng đ°āc chú trãng nghiên cću phát triển Theo đó, các chćc nng cąa há tháng vô tuyÃn đa chćc nng có thể kể đÃn nh°: thông tin liên l¿c vô tuyÃn, ra-đa d¿n đ°ßng, ra-đa thßi tiÃt, tác chiÃn đián tÿ & Theo đó, các công nghá MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) và HTMPTC là

yÃu tá quan trãng trong các há tháng vô tuyÃn đa chćc nng [55]

Mát cÃu trúc điển hình cho há tháng vô tuyÃn đa chćc nng trên tàu đ°āc

mô tÁ trên Hình 1.2, theo đó, toàn bá hoặc mßi phần cąa mặt má ng-ten có thể đ°āc sÿ dăng để tổng hāp mát lo¿i hoặc đãng thßi nhiều búp sóng đác lÁp dùng cho các chćc nng há tháng khác nhau

M¿ng ng-ten thu

M¿ng ng-ten phát

Các máy thu tín hißu sá

Bß xÿ lý tín hißu và

dā lißu

Bß t¿o tín hißu phát sá

Hß tháng quÁn lý

và phân bổ

tài nguyên

Đ°ãng dā lißu Đ°ãng điều khiển

H knh 1.2: Cấu trúc điển hình của HTMPTC đa chức năng

Bên c¿nh nhāng °u điểm, viác hāp nhÃt nhiều chćc nng trên cùng mát

há tháng cũng tiềm ẩn các rąi ro và thách chćc Do nhiều chćc nng há tháng khác nhau đ°āc hāp nhÃt trên cùng mát thiÃt bá phần cćng nên nÃu bá hßng hóc thiÃt bá sÁ d¿n tãi mÃt khÁ nng thăc hián nhiám vă cąa tÃt cÁ các chćc nng do

há tháng đÁm nhiám Điều này là nghiêm trãng h¡n rÃt nhiều so vãi tr°ßng hāp

mßi chćc nng đ°āc thăc hián bái mát há tháng riêng biát Bên c¿nh đó, HTMPTC đa chćc nng đ°āc xây dăng dăa trên thành phần giā vai trò nền tÁng và quyÃt đánh là các MĐTP sÁ phÁi đái dián vãi các vÃn đề về sá l°āng

lãn MĐTP lãn; să h¿n chà không gian bá trí; hiáu suÃt cąa các bá KĐCS; chi phí giá thành; vÃn đề làm mát

1.2 Mô đun thu phát cho Hß tháng m¿ng pha tích căc

Nh° đã phân tích á trên, công nghá m¿ng pha và HTMPTC đem l¿i rÃt nhiều lāi ích và đang trá thành xu h°ãng phát triển cąa nhiều l*nh văc từ quân

să đÃn dân dăng Trong HTMPTC, MĐTP đóng vai trò thành phần cát lõi Đặc

biát, trong HTMPTC đa chćc nng, các yêu cầu đái vãi MĐTP càng đ°āc đòi

hßi cao h¡n Ngoài các yêu cầu về xoay pha, suy giÁm biên đá để tổng hāp búp sóng, các tính nng về khÁ nng t¿o các t¿o d¿ng sóng và bng thông tín hiáu cho các lo¿i tín hiáu khác nhau t°¡ng ćng vãi các tính nng khác nhau là đặc

biát quan trãng

Hián nay, các HTMPTC sÿ dăng ba cÃu trúc tổng hāp và quét búp sóng chính là t°¡ng tă, t°¡ng tă + sá và sá hoàn toàn Trong đó, khÁ nng tổng hāp

và quét búp sóng cąa HTMPTC phă thuác trăc tiÃp vào kiểu MĐTP đ°āc sÿ

dăng Trong phần này, LuÁn án giãi thiáu hai cÃu trúc MĐTP điển hình đ°āc dùng trong HTMPTC là MĐTP t°¡ng tă và MĐTP sá

1.2.1 Mô- đun thu phát t°¢ng tă

Trong HTMPTC sÿ dăng kỹ thuÁt tổng hāp và quét búp sóng t°¡ng tă, tín

hiáu phát th°ßng đ°āc t¿o ra từ mát bá t¿o tín hiáu và đ°āc trán lên tần sá cao

tần tr°ãc khi đ°āc cÃp tãi các MĐTP qua m¿ng cÃp nguãn nuôi Tín hiáu cao

tần thu từ các MĐTP sau khi đã đ°āc điều khiển pha, biên đá theo các giá trá

trãng sá mong muán sÁ đ°āc cáng l¿i bái m¿ng cáng tín hiáu cao tần và đ°a vào máy thu để thăc hián các công đo¿n xÿ lý tín hiáu tiÃp theo Do đó, trên

mßi MĐTP đều đ°āc bá trí các bá xoay pha và bá suy giÁm tín hiáu (hoặc khuÃch đ¿i VGA) để thăc hián tổng hāp và quét búp sóng phát, thu mong muán

Do sÿ dăng chung bá t¿o tín hiáu và máy thu xÿ lý, cÃu trúc điển hình MĐTP t°¡ng tă sÿ dăng trong HTMPTC th°ßng gãm các thành phần chính

cąa phần tín hiáu cao tần nh° mô tÁ trên Hình 1.3 [6] Theo hình vÁ, trên tuyÃn phát, mßi MĐTP chća các bá tiền khuÃch đ¿i và bá KĐCS riêng Phần KĐCS

có thể bao gãm mát sá bá KĐCS, trong đó công suÃt đầu ra cąa các bá khuÃch đ¿i này đ°āc kÃt hāp để đ¿t đ°āc công suÃt đầu ra cần thiÃt đ°a tãi ng-ten

Bß xoay pha Bß suy giÁm

Chuyển m¿ch

thu/phát

Circulator

BÁo vß kênh thu

Chuyển m¿ch thu/phát Bß khuÁch đ¿i

công suÃt Tx

Rx

Bß tiền khuÁch đ¿i

Bß khuÁch đ¿i t¿p âm thÃp

Tx

Rx

Điều khiển

chuyển m¿ch

H knh 1.3: Cấu trúc điển hknh MĐTP cho HTMPTC tương tự

Trên tuyÃn thu cao tần, tín hiáu cao tần thu đ°āc từ ng-ten đ°āc đ°a qua

bá Circulator, bá bÁo vá kênh thu (Limitter) tãi bá khuÃch đ¿i t¿p âm thÃp (LNA) Mát bá Circulator đ°āc sÿ dăng để cung cÃp chćc nng song công và cách ly giāa các tuyÃn thu và phát, đãng thßi ngn chặn viác kéo tÁi cąa bá KĐCS gây ra bái các thay đổi cąa trá kháng đầu vào phần tÿ ng-ten trong quá trình quét búp sóng [56] Để giÁm thiểu chi phí, các bá xoay pha (Phased Shifter

3 PS) và bá khuÃch đ¿i có há sá khuÃch đ¿i (HSKĐ) biÃn đổi đ°āc (Variable Gain Amplifier - VGA) hoặc các bá suy giÁm tín hiáu (Attenuator-ATT) đ°āc

sÿ dăng chung và đ°āc điều khiển bái các bá chuyển m¿ch thu phát (CMTP)

KiÃn trúc này t¿o ra să cân bằng hiáu suÃt tái °u giāa các tham sá há sá t¿p, hài

bÁc ba và dÁi đáng máy thu cąa MĐTP [57]

Ngoài các thành phần cao tần trên, các m¿ch ổn áp và điều khiển sá cũng th°ßng đ°āc đặt trong MĐTP Bá l°u trā nng l°āng căc bá có thể đ°āc sÿ

dăng để duy trì mćc dòng xung phát và đáp ćng các yêu cầu khi thßi gian phát tng Ngoài ra, các bá ổn áp đ°āc mÃc nái tiÃp có thể đ°āc sÿ dăng cho mát sá

hoặc tÃt cÁ các đián áp để giÁm đá gān và nhißu cąa nguãn đián xuáng mćc

chÃp nhÁn đ°āc để đáp ćng các yêu cầu ngày càng cao về đá s¿ch cąa phổ tần

sá [58] Các tín hiáu sá để điều khiển bá xoay pha và bá suy giÁm tín hiáu th°ßng đ°āc đ°a nái tiÃp vào MĐTP để giÁm sá l°āng đ°ßng điều khiển giúp

giÁm đá phćc t¿p Chußi dā liáu nái tiÃp này có thể đ°āc chuyển đổi thành dā

liáu song song trong MĐTP Bá nhã cũng có thể đ°āc sÿ dăng trên MĐTP để l°u các giá trá tham sá tính toán sẵn giúp giÁm thßi gian cần thiÃt cho viác chuyển đổi giāa các vá trí búp sóng đã đ°āc xác đánh tr°ãc Mặc dù các MĐTP

sá có să phát triển m¿nh mÁ, nh°ng MĐTP t°¡ng tă v¿n đ°āc nghiên cću, phát triển và ćng dăng trong các ćng dăng că thể do có nhāng đặc điểm riêng

1.2.2 Mô- đun thu phát sá

Trong HTMPTC sá, các thành phần liên quan tãi bá xoay pha, bá suy

giÁm tín hiáu (hoặc bá khuÃch đ¿i cao tần có điều khiển) cąa MĐTP đ°āc lo¿i

bß và thay bằng các bá biÃn đổi tín hiáu Trong đó, tín hiáu phát d¿ng sá có thể đ°āc t¿o ra từ tín hiáu sá đầu ra bá t¿o tín hiáu đ°a qua bá biÃn đổi sá - t°¡ng

tă (Digital-Analog Converter - DAC) và trán tần lên tần sá RF ho¿t đáng tr°ãc khi khuÃch đ¿i lên công suÃt cần thiÃt để phát đi Tín hiáu cao tần thu sau khi khuÃch đ¿i LNA sÁ đ°āc trán tần xuáng tần sá trung tần (hoặc bng tần c¡ sá)

và đ°a tãi bá biÃn đổi t°¡ng tă-sá (Analog-Digital Converter - ADC) để chuyển thành dā liáu sá tr°ãc khi đ°a tãi bá xÿ lý tín hiáu sá (DSP) Các tham sá về pha, biên đá cąa tín hiáu trên cÁ tuyÃn phát và thu đều có thể đ°āc điều khiển, thiÃt lÁp và xÿ lý d°ãi d¿ng dā liáu sá trong bá DSP

Trong [59], mát cÃu trúc MĐTP dăa trên bá DDS dùng cho HTMPTC đ°āc giãi thiáu Điểm chú ý trong cÃu trúc đề xuÃt là mßi MĐTP sÁ chća mát

bá DDS để thăc hián đãng thßi hai nhiám vă là t¿o tín hiáu phát và thiÃt lÁp tham sá tín hiáu trung tần phát nh° mô tÁ trên Hình 1.4 Trong hình, chćc nng

cąa các bá xoay pha và bá suy giÁm tín hiáu phát đ°āc thăc hián tích hāp trên

bá DDS Các tham sá pha, biên đá và tần sá cąa tín hiáu phát đ°āc đ°a tãi đầu vào bá DDS từ bá DSP Bá DDS sÁ tổng hāp ra tín hiáu phát theo các tham sá đ°a tãi và ho¿t đáng đãng bá trong há tháng bái să điều khiển cąa bá DSP và các tín hiáu chuẩn chung

DDS Bß trßn tần lên và

m¿ch KĐCS

Chuyển m¿ch thu/phát

Máy thu sá

Tín hiáu chuẩn Tín hiáu I/Q sá

Tần sá Pha Biên đá

Trong [60], các tác giÁ đề xuÃt cÃu trúc MĐTP cho há tháng thăc hián hai

chćc nng ra-đa và thông tin vô tuyÃn trong các há tháng giao thông thông minh trong t°¡ng lai Trong đó, MĐTP sÿ dăng giÁi pháp t¿o các tín hiáu I/Q trăc

tiÃp từ các tín hiáu sá nhÁn đ°āc từ bá DSP và đ°a qua các bá chuyển đổi sá - t°¡ng tă (Digital to Analog Converter 3 DAC) tr°ãc khi đ°a tãi bá điều chà I/Q để t¿o tín hiáu phát Mát giÁi pháp t°¡ng tă đ°āc giãi thiáu trong [61] cho các há tháng thông tin trên tàu có s¡ đã khái MĐTP đ°āc mô tÁ trên Hình 1.5

ADC

Bß điều chÁ I/Q

Mô đun thu/phát

Bá khuÃch đ¿i t¿p âm thÃp

Bá khuÃch đ¿i công suÃt

Circulator

Dao đáng chą

Bá biÃn đổi t°¡ng tă-sá

H knh 1.5: Sơ đồ khối MĐTP số dựa trên bộ điều chế I/Q

Dß thÃy, MĐTP giao tiÃp sá cho HTMPTC sá nói chung và HTMPTC đa

chćc nng đa sá nói riêng hián nay chą yÃu dăa trên sÿ dăng kỹ thuÁt điều chà I/Q hoặc kỹ thuÁt DDS để thăc hián đãng thßi viác t¿o d¿ng sóng tín hiáu phát cũng nh° các chćc nng xoay pha và suy giÁm biên đá tín hiáu cho viác tổng

hāp và quét búp sóng sá khi phát

1.3 Các n ßi dung nghiên cąu nâng cao chÃt l°ÿng căa mô-đun thu phát dùng cho các h ß tháng m¿ng pha tích căc

Các yêu cầu về MĐTP bÃt nguãn từ các yêu cầu đái vãi ATMP cąa HTMPTC và có các thay đổi đáng kể tùy thuác vào ćng dăng Các thông sá chính cần xem xét, và tính đÃn đái vãi MĐTP dùng cho các HTMPTC khi nghiên cću, thiÃt kà và chà t¿o có thể kể đÃn nh°: tần sá ho¿t đáng và bng thông; công suÃt phát; hiáu suÃt công suÃt; nhißu và hài tín hiáu phát; tín hiáu

sÿ dăng; há sá t¿p tuyÃn thu; há sá khuÃch đ¿i tuyÃn thu và nhißu hài bÁc ba;

sá bit điều khiển biên đá và pha; sai sá trung bình bình ph°¡ng (Root mean squared error - RMSE) cąa biên đá và pha; yêu cầu về thßi gian trung bình giāa các lần hßng hóc (MTBF); chi phí nghiên cću, chà t¿o thÿ nghiám và sÁn xuÃt Trong ph¿m vi nghiên cću cąa LuÁn án, Nghiên cću sinh tÁp trung nghiên

cću, tiÃp cÁn các vÃn đề liên quan đÃn chÃt l°āng cąa MĐTP dùng cho HTMPTC chą yÃu d°ãi đây:

1.3.1 B ß xoay pha và Bß suy giÁm tín hißu

MĐTP trong các HTMPTC phÁi có khÁ nng điều khiển góc pha và biên

đá tín hiáu Đái vãi các HTMPTC tổng hāp và quét búp sóng t°¡ng tă, MĐTP

cần có ít nhÃt mát bá xoay pha và bá suy giÁm tín hiáu trên các tuyÃn thu/phát

vãi các tham sá đą để đáp ćng các yêu cầu cąa chćc nng tổng hāp và quét búp sóng cąa há tháng Theo đó, đá phân giÁi cąa bá xoay pha là tham sá Ánh h°áng

trăc tiÃp tãi chÃt l°āng quét búp sóng cąa HTMPTC

Để đánh giá Ánh h°áng cąa đá phân giÁi pha đÃn chÃt l°āng cąa HTMPTC, xét HTMPTC sÿ dăng ATMP d¿ng đ°ßng thẳng vãi N phần tÿ

ng-ten nh° chß ra trong Hình 1.6

Theo hình vÁ, các phần tÿ ng-ten đ°āc đặt cách đều nhau bái khoÁng cách d dãc theo trăc tãa đá Xét tr°ßng hāp thu tín hiáu, ćng vãi góc sóng tãi

ñ , tín hiáu thu đ°āc trên các chÃn tÿ liền kề có góc pha lách nhau mát l°āng

bằng nhau ò và đ°āc tính theo công thćc sau:

H knh 1.6: Sơ đồ bố trí của ATMP gồm N phần tử

Do vÁy, mát cách đ¡n giÁn, để tÃt cÁ các chÃn tÿ đều thu đ°āc tín hiáu và cáng đãng pha nhau nhằm thu đ°āc mćc tín hiáu tái đa, há tháng cần điều khiển

bá xoay pha để bù l°āng pha sai lách này Theo nguyên lý này, viác điều khiển góc xoay pha quyÃt đánh góc quét búp sóng Xét trong tr°ßng hāp sÿ dăng các

bá xoay pha sá (đ°āc ćng dăng phổ biÃn hián nay), do góc xoay pha chß đ¿t đ°āc á các điểm t°¡ng ćng vãi đá phân giÁi xoay pha nên không phÁi góc quét nào búp sóng ng-ten cũng có thể h°ãng tãi chính xác GiÁ sÿ đá phân giÁi xoay pha, t°¡ng ćng vãi b°ãc nhÁy pha có thể thiÃt lÁp, là  đá, thì góc

h°ãng cąa búp sóng ng-ten có thể quét chính xác ñn đ°āc xác đánh nh° sau:

1sin ( )

kd



trong đó, n là chß sá góc h°ãng cąa búp sóng ng-ten có thể quét đ°āc, và M

là sá l°āng b°ãc nhÁy góc pha đặt đ°āc cąa bá xoay pha sÿ dăng