Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã ICAO và hệ phát băng tần L công suất lớn cho hệ thống phát tín hiệu nhận dạng : Luận án TS. Vật lý: 62 44 03 01

Trên thế giới vấn đề này được nghiên cứu tại một số nước, đặc biệt tập trung phần lớn ở Mỹ, hệ thống thu, phát và xử lý tín hiệu ở dải sóng siêu cao tần được nghiên cứu và phát triển rất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-o0o -

ĐẶNG THỊ THANH THỦY

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ TẠO MÃ ICAO VÀ

HỆ PHÁT BĂNG TẦN L CÔNG SUẤT LỚN CHO HỆ

THỐNG PHÁT TÍN HIỆU NHẬN DẠNG

Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và điện tử

Mã số: 62 44 03 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

HÀ NỘI - 2011

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Vô tuyến, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và Trung tâm nghiên cứu Điện

tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bạch Gia Dương

PGS TS Vũ Anh Phi

Phản biện 1:………

Phản biện 2: ………

Phản biện 3: ………

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp nhà nước chấm luận

án tiến sỹ họp tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội vào hồi …… giờ …… ngày …… tháng …… năm…

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN……… 1

MỤC LỤC……… 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT……… 4

DANH MỤC CÁC BẢNG……….………7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……….………… 8

MỞ ĐẦU……….……… 11

Chương 1 Giới thiệu về hệ thống thông tin hỏi đáp và những yêu cầu đặc thù ở dải sóng siêu cao tần….……….….17

1.1 Những nét chung về hệ thống thông tin hỏi đáp … ……… …….17

1.1.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo hệ thống hỏi đáp vô tuyến trên thế giới và trong nước……… ……….17

1.1.2 Lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần………24

1.1.3 Mạch dải siêu cao tần……… …………35

1.1.4 Kỹ thuật phối hợp trở kháng………37

1.2 Yêu cầu về tín hiệu hỏi đáp………….……… 39

Kết luận chương 1……….…40

Chương 2 Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã hỏi đáp linh hoạt nhận dạng mục tiêu ……… ……… …42

2.1 Mã theo chuẩn ICAO……….…….……42

2.1.1 Định dạng cấu trúc trường của gói thông tin và nội dung dữ liệu………… 43

2.1.2 Bộ phát đáp chế độ S……… .44

2.2 Nghiên cứu lựa chọn phương tiện tạo mã …… ……… 49

2.2.1 Thử nghiệm tạo mã bằng vi điều khiển PIC16F877A………50

2.2.2 Thử nghiệm tạo mã bằng vi điều khiển PSOC………51

2.2.3 Thử nghiệm tạo mã bằng DSP……….54

2.2.4 Thử nghiệm tạo mã bằng công nghệ FPGA………55

Kết luận chương 2 61

3

Chương 3 Nghiên cứu, lựa chọn, ứng dụng những công nghệ mới trong thiết kế chế

tạo máy phát siêu cao tần 62

3.1 Nghiên cứu công nghệ tổ hợp tần số 63

3.1.1 Kỹ thuật tổ hợp tần số PLL 63

3.1.2 Ứng dụng công nghệ PLL chế tạo bộ tạo dao động sóng mang……….71

3.1.3 Khảo sát mạch tạo dao động sóng mang 77

3.2 Nghiên cứu các công nghệ chế tạo bộ khuếch đại công suất siêu cao tần…….79

3.2.1 Lý thuyết khuếch đại công suất……… 79

3.2.2 Ứng dụng chế tạo mạch khuếch đại công suất cơ sở 200W… 84

3.2.3 Chế tạo khối nguồn nuôi cho các bộ khuếch đại công suất……… 97

3.3 Nghiên cứu giải pháp công nghệ nâng cao công suất phát siêu cao tần………98

3.3.1.Phương pháp cầu Hybrid và Wilkinson……… 99

3.3.2 Thiết kế, mô phỏng và chế tạo cầu Wilkinson……….….102

3.3.3 Ứng dụng công nghệ xây dựng bộ tổ hợp công suất……… 109

3.4 Xây dựng đầu thu siêu cao tần, hoàn thiện hệ thống hỏi-đáp nhận dạng thông tin ……… ……113

Kết luận chương 3……… 116

KẾT LUẬN CHUNG……… 119

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN……… 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 123

PHỤ LỤC………131

4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Surveillance - Broadcast

Hệ thống quảng bá giám sát phụ thuộc tự động

Line

Đường dây thuê bao số phi đối xứng

Data Communication

Thông tin dữ liệu giữa các phương tiện dịch vụ không lưu

Handling System

Hệ thống trao đổi bản tin dịch vụ không lưu

ATCRBS Air traffic control radar beacon

system

Kiểm soát hệ thống đèn hiệu radar không lưu

Network

Mạng viễn thông hàng không

5

Device

Thiết bị logic lập trình phức tạp

communication

Hệ thông tin di động toàn cầu

Viện kỹ thuật điện và điện tử

6

Computer

Kiểu máy tính với tập các lệnh rút gọn

System

Hệ thống tránh va chạm lưu không

áp

Description Langguage

Ngôn ngữ mô tả phần cứng tốc độ cao

7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Nội dung các trường trong gói thông tin

Bảng 2.2 Ví dụ mã địa chỉ của một số nước

Bảng 2.3 Bảng các thông số cấu hình cho vi điều khiển

Bảng 3.1 Sự phụ thuộc tần số vào điện áp của VCO 500MHz-1100MHz

Bảng 3.2 Đặc trưng tần số của mạch khuếch đại công suất cơ sở

Bảng 3.3 Khảo sát hệ số khuếch đại trên máy phân tích phổ tại tần số 1030Mhz Bảng 3.4 Độ suy giảm lối ra của cầu Wilkinson

Bảng 3.5 Kết quả tổ hợp công suất

8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình quá trình trao đổi thông tin

Hình 1.2 Mô hình hệ thống CNS/ATM

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thu phát vô tuyến

Hình 1.4 Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương

Hình 1.5 Các đường truyền với một trở kháng tải

Hình 1.8 Đường truyền vi dải

Hình 1.9 Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản

Hình 1.10 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh

Hình 1.11 Sơ đồ phối hợp trở kháng bằng phương pháp λ/4

Hình 2.1 Cấu trúc các trường trong gói thông tin

Hình 2.2 Định dạng tín hiệu thăm dò mode 3/A, C, S

Hình 2.3 Định dạng tín hiệu thăm dò mode S

Hình 2.4 Định dạng trả lời mode S

Hình 2.5 PIC đóng gói kiểu PDIP

Hinh 2.6 Tạo chuỗi mã ICAO bằng vi điều khiển pic16F877A;

Hình 2.7 Vi điều khiển PSOC

Hình 2.8 Bộ phát mã ICAO sử dụng vi điều khiển PSOC

Hình 2.9 Kết nối các mô đun trong và nạp chương trình cho VĐK PSOC

Hình 2.10 Một đoạn mã ICAO mode-S được tạo bởi vi điều khiển PSOC

Hình 2.11 DSP56307EVM

Hình 2.12 Mã ICAO mode-S được tạo bởi kít DSP56307EVM

Hình 2.13 Kit Spartan-3E FPGA Starter của hãng Xilinx và định nghĩa khối tạo mã Hình 2.14 Một đoạn mã ICAO mode-S được tạo bởi kít Spartan-3E FPGA Starter Hình 2.15 Sơ đồ thiết kế mạch phát mã ICAO bằng công nghệ FPGA

Hình 2.16 Bộ phát mã ICAO bằng công nghệ FPGA (a); Đoạn mã ICAO (b)

Hình 2.17 Độ trễ sườn trước (a) và sườn sau (b) của xung trong đoạn mã ICAO

9

Hình 3.1 Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha

Hình 3.2.Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL

Hình 3.3 Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp

Hình 3.4 Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha

Hình 3.5 Cấu trúc của bộ so pha số

Hình 3.6 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập

Hình 3.7 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng nhau

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý và mạch chế tạo khối VCO

Hình 3.9 Đồ thị sự phụ thuộc của tần số vào điện áp của VCO 500MHz-1100MHz Hình 3.10 Sơ đồ chức năng của họ IC ADF 411x

Hình 3.11 Sơ đồ bộ tổ hợp tần số băng L

Hình 3.12 a)Bộ tổ hợp tần số ;b) Tín hiệu phát ở tần số 1030MHz

Hình 3.13 Một số tần số phát trong dải 1020MHz-1100MHz

Hình 3.15 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu vào bộ khuếch đại (nghiệm thứ 1) Hình 3.16 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu vào bộ khuếch đại (nghiệm thứ 2) Hình 3.17 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu ra bộ khuếch đại (nghiệm thứ 1) Hình 3.18 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu ra bộ khuếch đại (nghiệm thứ 2)

Hình 3.19 Mạch thực nghiệm bộ khuếch đại công suất 1W

Hình 3.20 Sơ đồ khối bộ khuếch đại siêu cao tần công suất 200W

Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại 45W

Hình 3.22 Kết quả mô phỏng tầng khuếch đại 45W

Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại 200W

Hình 3.24 Kết quả mô phỏng tấng khuếch đại 200W

Hình 3.25 Bộ khuếch đại công suất 45W

Hình 3.26 Chế tạo mạch khuếch đại công suất 200W

Hình 3.27 Mạch thực nghiệm của bộ khuếch đại công suất 200W

Hình 3.28 Thiết bị đo công suất

Hình 3.29 Mô hình đo chế độ khuếch đại xung của bộ khuếch đại công suất cơ sở

10

Hình 3.30 Đặc trưng tần số của mạch khuếch đại công suất cơ sở Hình 3.31 Đặc trưng biên độ của bộ khuếch đại công suất cơ

Hình 3.32 Sơ đồ khối nguồn nuôi một chiều

Hình 3.33 Chế tạo các khối nguồn nuôi ổn áp một chiều

Hình 3.35 Kết quả mô phỏng cầu Hybrid

Hình 3.36 Sơ đồ nguyên lý cầu Wilkinson

Hình 3.37 Mô tả phíp làm mạch

Hình 3.39 Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 2

Hình 3.41 Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 4

Hình 3.43 Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 8

Hình 3.45 Bộ tổ hợp công suất 3kW nguyên lý

Hình 3.46 Mạch tổ hợp công suất 3.2 KW

Hình 3.47 Hệ thống nguồn nuôi của khối tổ hợp công suất

Hình 3.48 Hệ thống quạt làm mát cho các mô đun khuếch đại

Hình 3.49 Sơ đồ khối của đầu thu cao tần

Hình 3.50 Kết quả khối khuếch đại tạp âm thấp

Hình 3.51 Mạch trộn tần

Hình 3.52 Mạch khuếch đại trung tần

11

MỞ ĐẦU

Việt nam đang trên đà hội nhập với thế giới và tham gia vào quá trình toàn cầu hoá, tạo ra những cơ hội cho sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế nước ta, cho phép chúng ta tiếp cận với nền văn minh công nghiệp của thế giới Việc tham gia quá trình toàn cầu hoá là một tất yếu khách quan, nhưng trong điều kiện nền kinh tế cũng như trình độ khoa học kỹ thuật của chúng ta còn kém phát triển là những thách thức đòi hổi sự nỗ lực không ngừng, nhằm nhanh chóng tiếp cận những tiến bộ của khoa học công nghệ trên thế giới Trong hoàn cảnh đó, việc mở rộng và gia tăng vượt bậc về giao thông đường không đường biển bảo đảm giao lưu quốc tê phát triển kinh tế,văn hóa,du lịch có ý nghĩa quan trọng Sự phát triển giao thương với nước ngoài, giao thông đường biển và đư ờng không ngày càng diễn ra nhô ̣n nhi ̣p Do vậy việc quản lý mục tiêu trên không,trên biển thuộc chủ quyền lãnh thổ trở nên rất khó khăn và càng trở nên phức ta ̣p

Để thực hiện tốt việc giám sát các phương tiện tham gia lưu thông trên biển

và trên không thì trước hết vấn đề phát triển khoa học kỹ thuật, trang bị các phương tiện thiết bị cần được quan tâm triển khai và đầu tư tích cực Một trong những thiết

bị quan trọng đó phải kể đến đó là hệ thống phát tín hiệu mã nhận dạng các mục tiêu trên không và trên biển

Hiện nay việc quản lí mục tiêu trên không và trên biển đòi hỏi phải thống nhất

mã nhận dạng do đó ở nước ta việc nghiên cứu lĩnh vực này đang được hết sức quan tâm Để giải quyết vấn đề nêu trên, một mặt cần nghiên cứu các thành tựu về các loại mã nhận dạng (hỏi-đáp) mục tiêu đã và đang sử dụng nhằm nắm được những vấn đề lý luận về nguyên lý cấu trúc, đánh giá độ tin cậy, tính ổn định, công nghệ tạo mã, từ đó đưa ra những lựa chọn tốt cho loại mã định sử dụng Mặt khác nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị cho phép mềm dẻo tạo mã nhận dạng phù hợp với mã nhận dạng chuẩn hoá quốc tế và tạo mã riêng cho các phương tiện khác, đồng thời đáp ứng yêu cầu an toàn và an ninh cho các phương tiện bay trên không

và tầu bè đi lại trên biển, quản lí chặt chẽ hải phận, không phận, đảm bảo chủ quyền trên không và trên biển

12

Cho đến nay, ở các mức độ khác nhau, các cơ sở nghiên cứu trong nước đã nghiên cứu, giải quyết một số vấn đề liên quan, trong đó đáng chú ý là đề tài mã số: QG.07.26, thực hiện 2007-2009; đề tài mã số: KC.01.12/06-10, thực hiện 2006-

2010, mà NCS tham gia dưới lãnh đạo của chủ nhiệm đề tài PGS.TS Bạch Gia Dương [2]; đề tài thuộc Bộ quốc phòng quản lý định hướng cấp Học viện của nhóm nghiên cứu thuộc Học viện Kỹ thuật quân sự về hệ thống IFF…

Trên thế giới vấn đề này được nghiên cứu tại một số nước, đặc biệt tập trung phần lớn ở Mỹ, hệ thống thu, phát và xử lý tín hiệu ở dải sóng siêu cao tần được nghiên cứu và phát triển rất mạnh, các thành tựu thuộc lĩnh vực này được thể hiện ở

nghiên cứu trên thế giới được đăng trên tạp chí chuyên ngành của Viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) điều này chứng tỏ mức độ quan trọng của việc phát triển các hệ thống trao đổi thông tin ở dải sóng siêu cao tần phục

vụ cho các nhiệm vụ điều khiển giao thông hàng không, các dịch vụ hàng không dân sự và các nhiệm vụ quân sự khác

Một số hệ thống (ví dụ các hệ thống dùng trong dân sự hoặc hệ thống điều khiển giao thông hàng không, hệ thống nhận biết chủ quyền quốc gia…) cần tuân theo chuẩn quy định chung của thế giới Trong một số lĩnh vực đặc biệt các mã thông tin cần được bảo mật và được thay đổi liên tục do đó đòi hỏi chúng ta phải phát triển hệ thống, nghiên cứu phương tiện, môi trường tạo mã mềm dẻo, linh hoạt đáp ứng được những yêu cầu đặt ra Như vậy bộ mã hỏi-đáp cần nghiên cứu xây dựng phải là một bộ mã đa năng,linh hoạt đáp ứng những chuẩn chung,phổ biến và khi có nhu cầu cũng đáp ứng được các yêu cầu riêng theo mục đích sử dụng Ngoài

ra, việc nghiên cứu, chế tạo và hoàn thiện hệ thống trong điều kiện trong nước còn

có ý nghĩa quan trọng với một nước đang phát triển như nước ta, giúp chúng ta có thể làm chủ được hệ thống và phát triển hệ thống hoàn thiện hơn phù hợp với điều kiện kỹ thuật nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu, nhiệm vụ

Đề tài luận án “Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã ICAO và hệ phát băng tần

13

L công suất lớn cho hệ thống phát tín hiệu nhận dạng” có các mục tiêu sau:

- Nghiên cứu xây dựng các phương tiện tạo mã tín hiệu mềm dẻo, linh hoạt

- Nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới, phù hợp để xây dựng một hệ

thống truyền dẫn linh hoạt, có khả năng chuyển tần nhanh, độ nhạy cao, dải tần phù hợp (băng tần L), công suất lớn

Phương pháp nghiên cứu: Bằng cách tổng hợp,phân tích tiếp cận vấn đề trên

cơ sở lý thuyết về mã hóa, kỹ thuât siêu cao tần và mô hình toán học, xây dựng mô hình cấu trúc, mô phỏng thiết kế các phần tử và hệ thống,nhằm chế tạo chúng với việc ứng dụng những công nghệ tiên tiến và phù hợp

Phạm vi nghiên cứu:Hệ thống phát tín hiệu nhận dạng thông tin mục tiêu

Trên cơ sở đó luận án đã đề ra các nội dung nghiên cứu nhằm thực hiện tốt các mục tiêu đặt ra:

Với mục tiêu thứ nhất, luận án đặt ra các nội dung nghiên cứu tìm hiểu về mã hỏi-đáp đã được sử dụng trên thế giới, trong đó đi sâu vào mã chuẩn quy định đang được sử dụng rộng rãi đó là mã ICAO, trên cơ sở đó nghiên cứu,tìm kiếm, thử nghiệm các phương tiện tạo mã linh hoạt, có độ tích hợp cao, có thể tái lập cấu hình các dạng mã đang sử dụng (mã ICAO), đáp ứng yêu cầu điều chế mã pha có độ rộng xung hẹp… đồng thời dễ dàng thay đổi cấu trúc mã theo các yêu cầu khác nhau Các vấn đề an ninh hàng không cũng như hàng hải ở nhiều nước diễn ra rất phức tạp, điều đó thể hiện rất rõ ở nước ta, do đó những hệ phát mã trao đổi thông tin bí mật hay nhận dạng đối tượng là một thiết bị rất quan trọng Các hệ thống hổi-đáp nhận dạng mục tiêu thương phẩm trên thế giới (ví dụ hệ mã ICAO) muốn can thiệp vào cấu trúc và công nghệ rất phức tạp,hầu như không thể,vì vậy nếu trong nước không chủ động nghiên cứu phần mềm, chế tạo phần cứng thì việc nhập thiết

bị của nước ngoài sẽ bị hạn chế về mặt sử dụng và phát triển các hệ thống tương tự

Mã ICAO ngoài nhiệm vụ trao đổi và nhận dạng thông tin kiểm soát an ninh còn có chức năng hỗ trợ cứu nạn, chỉ dẫn…Trên cơ sở nghiên cứu đánh giá khả năng mã ICAO , luận án sẽ nghiên cứu phương tiện tạo mã hỏi-đáp đa năng,linh hoạt, cơ động về độ rộng xung, độ dài chuỗi xung phục vụ cho nhiều lĩnh vực Như vậy việc

14

nghiên cứu, tìm kiếm, ứng dụng đối tượng linh hoạt tạo mã có tính thực tiễn khoa học cao vừa thực hiện được yêu cầu bảo mật vừa có thể dùng chung cho các mục đích khác

Để đạt được mục tiêu thứ hai của luận án: xây dựng một hệ thống phát tín hiệu siêu cao tần có khả năng linh hoạt chuyển đổi tần số phát Các nội dung nghiên cứu đặt ra trên cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, công nghệ mạch dải, nghiên cứu, lựa chọn các công nghệ mới,phù hợp ( kỹ thuật tổ hợp tần số, khuếch đại công suất,

kỹ thuật phối hợp trở kháng, kỹ thuật tổ hợp công suất v.v…) để mô phỏng xây dựng sơ đồ nguyên lý, sơ đồ thiết kế thực nghiệm chế tạo các phần tử chính của hệ thống phát siêu cao tần Khối phát dao động nội ( sóng mang) để điều chế thông tin

đã được gia công, khối này phải đáp ứng nhu cầu chuyển tần linh hoạt, ở đây luận

án tập trung vào dải sóng băng tần L là băng tần chứa tần số sóng mang của hệ phát tín hiệu mã dự kiến xây dựng Sự chuyển tần linh hoạt đáp ứng yêu cầu sử dụng, thay đổi theo chương trình hoặc ngẫu nhiên tùy thuộc yêu cầu người sử dụng Chính

vì thế luận án lựa chọn phương pháp tạo sóng mang bằng phương pháp tổ hợp tần

số Phương pháp này cho phép thay đổi tần số rất linh hoạt tần số sóng mang với những bước nhảy thô hoặc mịn, thay đổi từ một vài KHz đến vài trăm KHz theo chương trình Một ưu điểm nữa của phương pháp tổ hợp tần số tạo ra tín hiệu dao động nội có độ ổn định tần số tương đối cao Điều đó đảm bảo thực hiện được tốt quá trình trộn tần số từ trung tần lên cao tần ở phần phát hoặc trộn từ cao tần xuống trung tần ở phần thu Giải pháp này kết hợp với khuếch đại công suất sẽ khắc phục được nhược điểm của các phương pháp dao động công suất lớn truyền thống dùng đèn Magnetron, Klystron … [38] yêu cầu nguồn nuôi phức tạp, chế tạo khó khăn, thiết bị cồng kềnh, không thay đổi được tần số Một điều không kém phần quan trọng trong nội dung này là công nghệ giải quyết vấn đề công suất, đối với tần số thấp công suất không phải là vấn đề khó khăn nhưng khi đưa dải tần lên cao thì vấn

đề công suất rất phức tạp vì sóng cao tần tiêu tán rất nhiều khi truyền trong không gian, do đó công suất tín hiệu trước khi đưa lên anten hoặc rada phát đi phải đảm bảo đủ lớn để nơi thu có thể nhận và khôi phục được thông tin trung thực Giải

15

quyết vấn đề nâng cao công suất phát, luận án chọn phương thức tổ hợp công suất trong số nhiều phương pháp nâng cao công suất Tín hiệu phát lên không gian với tần số dải sóng siêu cao tần cần công suất lớn, khi tổ hợp công suất từ các bộ khuếch đại công suất nhỏ cần giảm bớt các điều kiện về pha do đó luận án đề xuất phương pháp tổ hợp công suất đồng pha và đồng biên độ Khi áp dụng phương pháp

tổ hợp công suất thì yêu cầu đặt ra phải chế tạo được các mô đun giống nhau (pha

và hệ số khuếch đại tương đương nhau) có độ ổn định cao Ở tần số cao các ký sinh trong mạch ảnh hưởng nhiều đến tín hiệu do vậy việc tạo các mô đun khuếch đại cơ

sở và các bộ cộng đồng dạng nhau là rất khó do vậy yêu cầu một công nghệ đảm bảo khi chế tạo các thông số trong mạch ở mỗi phiên bản gần giống nhau hoàn toàn Công nghệ luận án lựa chọn là công nghệ mạch dải

Công nghệ tạo công suất lớn từ tổ hợp các mô đun công suất cơ sở có rất nhiều lợi thế cho những hệ phát tín hiệu hoạt động liên tục vì sự rủi ro do hỏng hóc của các khối khuếch đại công suất được chia nhỏ Tùy vào mục đích và công nghệ chế tạo mà người ta chọn số lượng mô đun công suất cơ sở Nếu số lượng mô đun công suất cơ sở ít thì công suất của mỗi mô đun cơ sở phải cao, đồng nghĩa với việc công nghệ chế tạo phải rất hiện đại và nguy cơ suy giảm tín hiệu lớn khi một mô đun có trục trặc Ngược lại nếu chọn số mô đun nhiều sẽ có ưu điểm là mỗi mô đun công suất nhỏ, dễ chế tạo không đòi hỏi công nghệ phải quá hiện đại, độ ổn định cao hơn

và khi một khối cơ sở hỏng khả năng ảnh hưởng đến hoạt động của cả hệ thống là không đáng kể Tuy nhiên nhược điểm khi phối kết hợp sẽ đòi hỏi số lần điều chỉnh nhiều hơn và nếu công suất cơ sở nhỏ quá thì kết quả cộng sẽ không có hiệu quả Với khả năng và công nghệ như nước ta hiện nay và dựa trên các kết quả nghiên cứu đầu tiên trong nước về giải pháp này, luận án đề xuất và thử nghiệm kiến trúc

32 mô đun

Những thành công bước đầu trong việc nghiên cứu lựa chọn áp dụng các công nghệ góp phần đưa ra một phương pháp thiết kế chế tạo ,xây dựng hệ thống phát siêu cao tần mới có tính khoa học, và thực tiễn

Nội dung của luận án được chia thành các phần sau:

7 Tài liệu tham khảo

Các kết quả nghiên cứu của luận án đƣợc công bố trong 9 bài báo và báo cáo khoa học của NCS và cộng sự tại các hội nghị Quốc tế ATC-REV 2008, 2009, ICCE 2010, trên các tạp chí Khoa học Công nghệ 2010, tạp chí Journal of Science VNU 2008, 2009

17

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN HỎI ĐÁP

VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐẶC THÙ Ở DẢI SÓNG SIÊU CAO TẦN

Những hệ thống phát tín hiệu mã pha phục vụ nhận dạng thông tin mục tiêu

được nghiên cứu đáp ứng nhu cầu quản lý không phận, hải phận quốc gia Hệ thống được xây dựng dựa trên cơ sở khoa học về một hệ thống phát siêu cao tần, dựa trên các cơ sở lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần, các công nghệ hiện đại

1.1 Những nét chung về hệ thông tin hỏi đáp siêu cao tần

1.1.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo hệ thống hỏi đáp vô tuyến trên thế giới và trong nước

Khái niệm về điều khiển giao thông hàng không là một khái niệm mới mặc dù máy bay được phát minh từ năm 1903 và lĩnh vực hàng không cũng không ngừng phát triển, thời đó các phi công điều khiển máy bay được trang bị hệ thống liên lạc vô tuyến để truyền thông tin về mặt đất Khi rada được phát minh trong khoảng thời gian chiến tranh thế giới thứ II, người ta đã sử dụng nó để giám sát cả máy bay quân

sự và dân sự Nhưng phải đến tận những năm 50 của thế kỷ XX người ta mới hình thành một hệ thống điều khiển không lưu.Sự phát triển của hệ thống đi kèm với sự phát triển trao đổi thông tin mode S (chế độ S) Mode S là một công nghệ kết nối thông tin sử dụng đặc biệt cho việc thẩm vấn đối tượng bay Thiết bị mode S bao gồm những trạm thu phát mặt đất và những bộ phát-đáp trên máy bay, cung cấp các thông tin để nhận biết máy báy Phương pháp này bảo đảm rằng khi máy bay khác nhận sự thẩm vấn sẽ không trả lời được và chỉ những máy bay được trang bị mode

S mới trả lời Nội dung trả lời chứa đựng thông tin như báo cáo độ cao, thiết bị sử dụng trên máy bay, nơi đi nơi đến…

Sự phát triển tiến bộ của khoa học kỹ thuật và kinh tế thế giới kéo theo sự gia tăng về lưu lượng máy bay, vì vậy giao thông hàng không càng trở nên phức tạp và

hệ thống điều khiển không lưu không ngừng được nâng cấp nhằm đáp ứng nhu cầu

đó Mục đích của hệ thống này là luôn đảm bảo mỗi máy bay hoạt động trong một vùng không gian nào đó đều được giám sát bởi trạm mặt đất Hệ thống phát mã hỏi phải đồng bộ, phối hợp với hệ thống thu nhận mã và tín hiệu trả lời Sự phối hợp

Hệ thống tránh các va chạm giao thông hàng không (TCAS) nằm trên máy bay được bảo vệ, theo định kỳ truyền tín hiệu thẩm vấn tới bộ thu ở trên máy bay khác (gọi là máy bay mục tiêu) trong vùng lân cận của máy bay được bảo vệ Để trả lời cho các tín hiệu thẩm vấn, hệ phát đáp của các máy bay mục tiêu phát một tín hiệu trả lời Các thiết bị trên chiếc máy bay TCAS được bảo vệ, xác định phạm vi của các máy bay mục tiêu theo thời gian truyền giữa các tín hiệu thẩm vấn và tín hiệu trả lời nhận được Kết quả thu được là dữ liệu về những tình huống va chạm có thể xảy ra khi giao thông Các TCAS khi hoạt động phát đi tần số trong khoảng 1030 ±

10 MHz và nhận được tần số trong khoảng 1090 ± 10 MHz Bộ phát-đáp điều khiển không lưu sử dụng mode-A-C và chế độ thẩm vấn mode-S Bộ phát- đáp gửi một tín hiệu xác định được mã hóa để trả lời tín hiệu thẩm vấn nhận được từ một trạm radar trên mặt đất để xác định vị trí và loại máy bay… tín hiệu trả lời từ các bộ phát- đáp này được sử dụng để tạo ra các hiển thị về vị trí máy bay trả lời, nhận dạng và độ cao của nó, dùng cho việc kiểm soát không lưu Chức năng mode-S của

bộ phát-đáp được sử dụng để gửi thông tin liên quan đến TCAS với các máy bay được trang bị thiết bị này Các bộ phát- đáp mode S bao gồm các bộ phát tín hiệu và

bộ nhận tín hiệu băng tần L và một bảng điều khiển Các hệ thống này này nhận

Máy bay khác

Máy bay trang

bị mode S Thông tin mới

Thông tin thông thường

Trạm mặt

đất thông

thường

Trạm mặt đất mode S

có thể xác định không chỉ vị trí giao thông xung đột, mà còn sẽ thấy rõ chỉ thị về giao thông, tốc độ và độ cao tương đối Các thông tin này có thể được nhận và xử lý bởi một máy bay khác hoặc các hệ thống mặt đất giúp cho việc xác định vị trí thuận lợi và tránh va chạm Hệ thống ADS-B có thể bao gồm một hệ thống định vị toàn

cầu GPS (Global Positioning System), khi đó cho phép máy bay xác định vị trí của

mình Với hệ thống này sẽ không cần các anten định hướng cao và các thông tin chính xác về khoảng thời gian Mỗi ADS-B được trang bị cho máy bay sẽ quảng bá

vị trí của nó với dữ liệu cần thiết khác, bao gồm cả tốc độ máy bay và hướng bay

Hệ thống này sẽ cung cấp một cách chính xác về bức tranh giao thông hàng không với chỉ một radar duy nhất Hơn nữa, hệ thống ADS-B còn làm giảm khả năng xảy

ra tắc nghẽn không lưu Dù hệ thống ADS-B đảm bảo được việc giám sát không lưu chính xác hơn, nhưng hiện tại vẫn chưa được coi là một hệ thống độc lập Bởi vì hệ thống ADS-B phụ thuộc vào tín hiệu định vị GPS Để thu được đầy đủ lợi ích của ADS-B, hệ thống phải được thực hiện trên tất cả máy bay Nếu một máy bay được trang bị ADS-B nhưng máy bay khác lại không được trang bị, thì cả hai máy bay sẽ đều trở nên “mù” đối với nhau, vì vậy sự trang bị rộng rãi ADS-B cần được coi là yêu cầu đầu tiên trong việc giám sát không lưu Tuy nhiên việc trang bị đầy đủ ADS-B còn phụ thuộc vào từng nước, thứ nhất bởi vì nó sử dụng tần số 1090 Mhz

để truyền có thể gây can nhiễu với hệ thống ATC và TCAS Thứ hai giá của ADS-B khá cao vì vậy mà hầu hết các hãng hàng không dân dụng ngày nay chưa sử dụng

Hệ thống quản lý không lưu (Air Traffic Management - ATM) [4,16,29,40] có thể hiểu là quản lý sự lưu thông của máy bay di chuyển trên không Sự lưu thông của máy bay trên các tuyến đường bay cần phải tuân theo sự điều hành của bộ phận

20

kiểm soát không lưu dưới mặt đất để đảm bảo hoạt động bay an toàn và hiệu quả Tuy nhiên, để xác định tuyến đường bay trên không, máy bay cần dựa vào mốc tín hiệu phát lên của các thiết bị dẫn đường, dẫn hướng Việc giám sát hoạt động bay của bộ phận kiểm soát không lưu không thể thực hiện bằng mắt thường mà cần tới

sự hỗ trợ của các thiết bị radar Liên lạc giữa kiểm soát viên không lưu dưới đất với phi công trên trời cần nhờ tới các trang thiết bị thông tin đất đối không (ví dụ như

HF, VHF) Ngoài ra nhu cầu trao đổi thông tin giữa các bộ phận dưới đất liên quan tới quản lý không lưu cũng cần tới sự giúp đỡ của hạ tầng thông tin mặt đất Hiện nay, hạ tầng kỹ thuật phục vụ quản lý không lưu đã bộc lộ nhiều mặt hạn chế Khi lưu lượng bay đạt tới một ngưỡng nào đó, những hạn chế này sẽ là rào cản khiến hệ thống sẽ không đủ an toàn và hiệu quả để đáp ứng các yêu cầu của quản lý không lưu

Vào năm 1983, tổ chức hàng không dân dụng quốc tế ICAO đã tiến hành nghiên cứu tìm giải pháp cho vấn đề này Đây là một cơ quan của tổ chức liên hợp quốc, có trách nhiệm lập ra các nguyên tắc và kỹ thuật của dẫn đường hàng không quốc tế, tạo điều kiện đối với các kế hoạch và phát triển của nền không vận quốc tế

để đảm bảo sự phát triển an toàn và hợp lệ Sau thời gian nghiên cứu, ICAO nhận thấy rằng chỉ khi thay thế toàn bộ hạ tầng thông tin, dẫn đường, giám sát (Communication, Navigation, Surveillance - CNS) hiện tại bằng một hệ thống mới, cùng với phương thức quản lý không lưu, mới có khả năng khắc phục những hạn chế của hệ thống trên phương diện toàn cầu ICAO cũng đồng thời đưa ra một mô hình CNS/ATM mới ứng dụng các công nghệ viễn thông hiện đại, trong đó nổi bật

là liên kết dữ liệu và vệ tinh Năm 1991, đề xuất này chính thức được phê chuẩn Hiện nay ICAO đã xây dựng tiêu chuẩn cho một số ứng dụng, bao gồm các ứng dụng đất đối không như quản lý khung cảnh (Context Management - CM), giám sát phụ thuộc tự động (Automatic Dependent Surveillance - ADS), thông tin liên kết dữ liệu giữa kiểm soát viên không lưu và phi công (Controller-Pilot Datalink Communications - CPDLC), và các ứng dụng mặt đất như hệ thống trao đổi bản tin dịch vụ không lưu (Air Traffic Service Message Handling System -

21

AMHS), thông tin dữ liệu giữa các phương tiện dịch vụ không lưu (Air Traffic Service Inter-facility Data Communication - AIDC)

Mọi hoạt động của ATM

được diễn ra trên cơ sở hạ tầng

CNS Bản chất CNS là tập hợp

các hệ thống thông tin, dẫn

đường, giám sát Thông tin

(C-ommunication) có nhiệm vụ trao

đổi, phân bố thông tin giữa các bộ

phận mặt đất, máy bay, kết nối

các thành phần trong hệ thống với

nhau và tới những nhà cung cấp,

người dùng liên quan khác Dẫn

đường (N-Navigation) có chức năng

xác định vị trí, tốc độ, hướng dịch chuyển của máy bay, giúp máy bay di chuyển đúng hướng Giám sát (S-Serveillance) cung cấp cho các bộ phận quản lý thông lưu dưới mặt đất vị trí, hoạt động của các máy bay trên không

Ưu điểm lớn nhất của hệ thống CNS/ATM (hình 1.2) so với các hệ thống hàng không cũ là khả năng kết nối giữa các hệ thống Phần lớn các hệ thống hàng không hiện đang hoạt động là những hệ thống rời rạc Thông tin, dẫn đường, giám sát là các hệ thống hoạt động độc lập, không liên quan tới nhau Xét riêng hệ thống thông tin, thông tin đất đối không và thông tin mặt đất cũng là hai mảng khác độc lập, dựa trên các mạng và các thông tin độc lập Chính vì không có sự kết nối giữa các hệ thống nên cơ sở hạ tầng các trang thiết bị rất lớn và cồng kềnh, nhưng khả năng lại hạn chế bởi không có sự hỗ trợ lẫn nhau, việc nâng cấp cũng khó khăn và tốn kém Hệ thống CNS/ATM yêu cầu các thành phần hệ thống phải tuân thủ theo một tiêu chuẩn chung thống nhất Trên cơ sở đó tất cả các hệ thống đều có khả năng kết nối với nhau, mở rộng tầm hoạt động của hệ thống trên diện rộng toàn cầu Bên cạnh đó, sự tương tác giữa các hệ thống cho phép phát triển khả năng tự động hoá ở

Hình 1.2 Mô hình hệ thống CNS/ATM

Hệ thống hỗ trợ ATM

Chuyến bay

Hệ thống môi trường hàng không (AIS,MET)

Hệ thống hoạt động ATM

Hệ thống truyền thông Hệ thống dẫn đường Hệ thống giám sát

Nguồn nhân lực ATM

đa năng rất khó khăn và đặc biệt quan trọng đối với các nước sử dụng cho những nhiệm vụ cần có độ bảo mật cao hơn

Tình hình trong nước

Hiện tại, mạng ATN chưa được triển khai tại Việt Nam [4], vì vậy hệ thống ADS/CPDLC của ATMS sẽ được thực hiện qua liên kết dữ liệu do ARINC cung cấp Hệ thống đang trong quá trình thử nghiệm Trong thời gian tới, Việt Nam sẽ tiếp tục đầu tư, cài đặt thêm các trạm liên kết dữ liệu VHF tại các tỉnh Hà Nội, Đà Nẵng, Quy Nhơn, TP Hồ Chí Minh, và Cà Mau; thiết lập kết nối AIDC giữa ATMS với các trung tâm kế cận và kiểm soát không lưu Nội Bài; thiết lập kết nối ATN tới các nước Lào, Singapore, Hồng Kông, và Thái Lan theo khuyến cáo của ICAO; triển khai hệ thống AMHS

Đối với hàng không quân sự: Hệ thống CNS/ATM của ngành hàng không quân sự hầu hết vẫn sử dụng các thiết bị của Liên xô cũ, những thiết bị này không thể giao tiếp được với các máy bay dân sự loại mới của Boeing và Airbus Việc kiểm soát không lưu và kiểm soát tầu bè trên biển không có hệ thống nhận dạng chung

Hiện nay chúng ta vẫn sử dụng các hệ thống cũ hoặc phải mua các hệ thống có sẵn hoặc từng phần hệ thống của nước ngoài giá thành tương đối cao như các hệ thống dẫn đường CAT I ILS, K1, K3 hiện đang được sử dụng ở Cảng hàng không

23

Cát Bi, Tân Sơn Nhất, Nội Bài

Hệ thống nhận biết chủ quyền quốc gia Việt nam hiện đang trang bị chủ yếu trong quân đội dưới dạng máy hỏi-đáp; đối với dân sự thì trang bị chủ yếu dưới dạng ra đa thứ cấp làm nhiệm vụ dẫn đường hàng không; còn đối với hàng không chủ yếu là các phương tiện vô tuyến khác Các trang bị nhận biết chủ quyền quốc gia trang bi ̣ cho quân đội được trang bi ̣ đồng bô ̣ với các đài ra đa sơ cấp sản xuất thời kỳ đó Hê ̣ thống hỏi -đáp của Viê ̣t nam đa số là thiết bi ̣ theo hê ̣ thống

КРЕМНИЙ-2, НИХРОМ và ПАРОЛЬ do Liên Xô cũ chế ta ̣o Các hệ thống hỏi đáp này đều được sản xuất trên công nghê ̣ khá cũ Phần lớn các trang b ị đã hỏng nhiều lần hoă ̣c khả năng làm viê ̣c thấp Viê ̣c sửa chữa , khôi phu ̣c hê ̣ thống này rất khó khăn vì linh kiên thay thế hiện tại không sản xuất và rất khó tìm kiếm trên thi ̣ trường Mă ̣t khác , bô ̣ mã mâ ̣t trong hê ̣ thống ПАРОЛЬ không được phía nhà sản xuất chuyển giao nên hê ̣ thống chỉ làm viê ̣c được ở những mã hỏi – đáp không bảo mật [4] Hệ thống sử dụng bộ mã nhận biết Quốc gia và thiết kế chế tạo hệ thống máy hỏi-đáp riêng của nước ta đã được đặt ra từ lâu, song cho đến nay mới chỉ có một số đề tài, đề án riêng lẻ cải tiến một số bộ phận trong máy hỏi chủ yếu nhằm khôi phục hệ thống hiện có của Liên xô như chế tạo ăngten máy hỏi, mô phỏng bộ

mã mới của Nga, sửa chữa khôi phục các khối máy hỏi, hoặc phục vụ cho một loại rađa cụ thể, đề tài nghiên cứu phối kết các mô đun của hệ thống mua của nước ngoài, phát triển hệ thống để lắp đặt cho các trạm mặt đất và cho máy bay Kết quả các đề tài về thiết bị hỏi-đáp đã thực hiện cho đến nay còn hạn chế, chưa mang tính tổng thể Xu hướng chung được đặt ra cấp thiết là:

- Xây dựng thiết kế hệ thống cho hệ thống hỏi-đáp nhận dạng tín hiệu có tính

đa dụng dùng chung cho nhiều lĩnh vực Phân biệt các ứng dụng bằng các chế độ hỏi-đáp, phù hợp với mọi điều kiện thực tế

- Có chế độ bảo mật dùng riêng cho những nhiệm vụ đặc biệt bằng cách dùng thiết bị mã mật-giải mã xây dựng trên cơ sở khóa mã và thuật toán của riêng Việt Nam

Như vậy một hệ thống thiết bị nhận dạng tín hiệu vừa tuân theo chuẩn quốc

24

tế vừa phục vụ được những mục tiêu đặc thù được đặt ra với yêu cầu cấp bách, đòi hỏi nghiên cứu chế tạo và triển khai sản xuất ứng dụng đồng bộ sau này Việc nghiên cứu các công nghệ mới ứng dụng vào việc thiết kế chế tạo thiết bị rất quan trọng, cho phép mềm dẻo tạo mã nhận dạng cho phương tiện trên không dân dụng phù hợp với mã nhận dạng chuẩn hoá quốc tế và tạo mã bí mật cho các phương tiện phục vụ những mục đích đặc biệt khác

Hiện nay, tại Trung tâm Khoa học Công Nghệ, Học viện Kỹ thuật Quân sự

và Viện Kỹ thuật quân sự Phòng không không quân thuộc Bộ Quốc Phòng, các chuyên gia cũng đã nghiên cứu thiết kế chế tạo được một số thiết bị trong hệ thống hỏi-đáp tuân theo chuẩn của Nga với mục đích thay thế các thiết bị cũ đã quá lạc hậu Tuy nhiên, việc triển khai thiết kế máy phát hỏi siêu cao tần công suất lớn cho

hệ thống hỏi- đáp và hệ thống nhận biết chủ quyền Quốc gia theo quy chuẩn của ICAO thì rất ít cơ sở nghiên cứu

Vấn đề nghiên cứu lựa chọn và ứng dụng công nghệ xây dựng hệ thống thông tin ở dải sóng siêu cao tần không những có ý nghĩa về mặt kinh tế, hạn chế việc

nhập thiết bị của nước ngoài, mà còn giúp chúng ta chủ động trong việc sửa chữa,

thay thế và nâng cấp các hệ thống dẫn đường và giám sát không phận theo chuẩn

thống nhất của quốc tế để đáp ứng nhu cầu hiện đại hóa trang thiết bị cho các cảng hàng không và các đài rađa Các nghiên cứu phục vụ cho việc thiết kế, chế tạo hệ thống sẽ góp phần đặt nền móng cho bước triển khai sản xuất không chỉ một mà nhiều loại thiết bị thông tin hoạt động ở dải sóng siêu cao tần phục vụ cho tất cả máy bay, tàu bè đang hoạt động trên lãnh thổ Việt Nam được giám sát, và tham gia các dịch vụ chỉ dẫn, cứu hộ, cứu nạn đảm bảo an toàn dưới sự giám sát, quản lý của các trạm mặt đất, đất liền và đảm bảo được những thông tin bí mật trong nhiều lĩnh vực quan trọng khác

Các nghiên cứu bắt đầu từ cơ sở lý thuyết, dưới đây là những điểm cơ bản về

lý thuyết trong truyền dẫn sóng siêu cao tần

1.1.2 Lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần

Mô ̣t hê ̣ thống thu phát không dây thường được cấu ta ̣o theo sơ đồ tổng quát

25

hình 1.3:

(b)

Hình 1.3 Sơ đồ khối hê ̣ thống thu phát vô tuyến

(a)Khối phát (b)Khối thu

Thiết kế một hệ thống thông tin siêu cao tần có rất nhiều vấn đề khác với hệ thông tin tần thấp Sự khác biệt này do tính chất của sóng cao tần tạo nên, ta xem xét những nét chính sau:

1.1.2.1 Lý thuyết đường truyền

Trong các hệ thống siêu cao tần và sóng milimet, bước sóng của tín hiệu có thể bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của các bộ phận và đường truyền của chúng Điều này có nghĩa là có thể diễn ra những thay đổi quan trọng về pha tín hiệu dọc theo đường truyền và có sự biến đổi trở kháng danh định của một thiết bị hoặc một thành phần mà tín hiệu đi qua Những sự biến đổi trở kháng này gây ra các sóng phản xạ trên đường truyền Điều này sẽ dẫn đến sự tổn hao năng lượng trên đường truyền do năng lượng bị phản xạ Luợng năng lượng bị phản xạ được xác định bởi

hệ số phản xạ , có quan hệ với trở kháng

Mô hình tương đương tham số tập trung của đường truyền

Nhìn chung, các đường truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song để tín hiệu điện áp truyền qua Trước hết, chúng ta khảo sát một đường truyền gồm một

Phát mã diều khiển

Phát tín hiệu sin

Điều chế

Khuêch

Đa ̣i

Hiển thi ̣ Ang-ten

a)

b)

26

cặp dây dẫn song song như hình vẽ Hai dây dẫn này được mô hình hoá bằng (hình 1.4):

- Điện dung song song tính theo chiều dài đơn vị của dây dẫn C [ F/m]

- Điện dẫn song song tính theo đơn vị dài [S/m]

Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ tạo ra một dòng điện trong dây dẫn theo chiều ngược lại, đó là thành phần cảm ứng và sẽ có một điện trở hữu hạn nối tiếp trong các dây dẫn

- Điện cảm nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ H/m]

- Điện trở nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ /m]

Hình 1.4 Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương

Một đoạn ngắn ∆z của đường truyền được biểu diễn trên sơ đồ tương đương như hình 1.4 Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian

z z

z z

27

z

U z U U

z

I z I

z z z

z z

z z

z z

(1.5) Cặp phương trình (1.4) và (1.5) được gọi là cặp phương trình điện báo và hoàn toàn có tính chất khái quát, các điện áp và dòng điện trên đây ở bất kỳ vị trí hay thời điểm nào qua bốn tham số dây dẫn G, C, R và L

Theo [], nghiệm của phương trình trên có dạng:

định bằng các điều kiện biên của dây cụ thể,  được gọi là hệ số truyền sóng phức

Ta thấy hệ số truyền sóng là hàm của tần số

Theo phương trình (1.16) hệ số truyền sóng  chứa cả phần thực và phần ảo

độ là 1 và góc biểu thị pha của tín hiệu tăng lên theo thời gian và giảm đi theo khoảng cách

Các chỉ số f và b là tương ứng với sóng sóng tới và sóng phản xạ

Vì tham số  của phương trình (1.18 và 1.19) biểu thị sự suy giảm biên độ của các sóng, gọi là hệ số suy giảm có đơn vị tính là dB/m hoặc np/m (neper)

Nếu biểu thị sự suy giảm công suất W1 và W2, ta có:

Sóng sẽ suy giảm N khi biên độ của nó thay đổi exp(-N) giữa hai điểm của một dây dẫn Từ hai tỷ số trên đây ta có thể rút ra 1 neper = 8,868 dB Biên độ của sóng giảm đi 1/e (  37%) sau mỗi khoảng cách 1/

Số hạng  mô tả sự biến thiên về pha của các sóng lan truyền và được gọi là hằng số pha Các đơn vị của  là radian/m hoặc độ/m Độ dài của một bước sóng () khi pha có độ lệch là 2, do đó:

Hình 1.5 Các đường truyền với một trở kháng tải

Ta có các phương trình sau cho điện áp và dòng trong dây dẫn

e Z

z U e

Z

z U z

0 0

U U Z

U Z

U

0 0

0

00

b f

b f

L

L

U U U

U Z

Z U U

U U I

U Z

1

0 0

Z Z

L

L L

L

Z

Z Z

'

1

1

Z Z

Z Z Z

Z U

đặc trưng của đường Ta gọi trường hợp này là phối hợp trở kháng

Ta xét công suất trung bình theo thời gian tại điểm z ở trên đường truyền:

I z U

(1.23)

ảo nên có thể đơn giản hoá (1.23) thành:

Phương trình trên cho thấy công suất trung bình có giá trị cố định tại mọi

điểm trên đường Vậy công suất toàn bộ trên tải bằng công suất tới

Như vậy, nếu tải phối hợp thì  = 0, ta có tổn hao ngược bằng vô cùng

Nếu tải phối hợp, ׀ ׀=0 thì điện áp trên đường truyền luôn bằng điện áp tới

 z U f

sóng đứng, khi đó biên độ điện áp trên đường truyền không cố định Từ [7] ta có:

f

i f

z j

U z

Trong đó l = -z, được tính chiều dương bắt đầu từ tải,  là pha của hệ số phản

(1.27)

min

max

S S

l j

e U

e U

(0) là hệ số phản xạ tại z = 0 (đầu nguồn vào)

Ta có thể thấy rằng công suất truyền trên đường truyền không đổi nhưng điện

áp trên đường truyền thay đổi theo từng điểm, ít nhất là khi không phối hợp Vì vậy,

ta thấy rằng trở kháng có thể thay đổi Tại điểm l =- z tính từ tải thì trở kháng vào

1

1

Z e

e Z

e e

U

e e

U l I

l U

l l

l f

l l

l L

l L

in

e Z Z e

Z Z

e Z Z e

Z Z Z

0 0

0

l tg jZ Z Z l jZ

l Z

l jZ

l Z

0

0 0

sin cos

sin cos

(1.34) Kết quả trên rất quan trọng, có cho phép tính trở kháng vào với các tải khác nhau, sóng siêu cao tần tiêu tán rất nhiều trên đường truyền, trở kháng vào các tuyến đường truyền sẽ quyết định nhiều đến tín hiệu lối ra do đó mạch luôn phải được phối hợp trở kháng Các thông số trong mạch hoạt động ở dải sóng siêu cao tần cần được tính toán phù hợp để đạt được giá trị tối ưu, phương pháp hiệu quả nhất, tiện lợi nhất cho đến nay là phương pháp sử dụng biểu đồ Smith

1.1.2.2 Biểu đồ Smith

Biểu đồ này [20]do P.H Smith lập ra năm 1983, điều này làm giảm nhẹ đáng

kể các tính toán về đường truyền Phần này trình bày nguồn gốc tính toán của biểu

đồ, có rất nhiều ví dụ về việc sử dụng biểu đồ Smith Ta có thể nghĩ rằng ngày nay khi máy tính đã phát triển thì ứng dụng biểu đồ này không quan trọng nữa, ngược lại nó cho nhiều tiện ích hơn so với dùng máy tính với biểu đồ thông thường Ngày nay biểu đồ Smith là một phần của thiết kế máy tính (CAD) với phần mềm thiết kế siêu cao tần Nhờ có nó ta có thể dễ dàng tính toán, hiểu được mạch lọc đường truyền siêu cao tần, dễ dàng giải quyết các công việc của kỹ thuật siêu cao tần như vấn đề phối hợp trở kháng…

Biểu đồ này chính là biểu diễn hình học của hệ thức:

0 1

1

L

z

(1.36)

e z

1

Một giá trị bất kỳ của hệ số phản xạ  có thể được biểu diễn lên hệ toạ độ cực dưới dạng một bán kính vectơ ׀ ׀ và góc pha  Như vậy, ứng với mỗi điểm trên mặt phẳng của hệ số phản xạ có một giá trị của hệ số phản xạ hoàn toàn xác định, và một giá trị trở kháng z hoàn toàn xác định

Trên mặt phẳng hệ số phản xạ (giới hạn trong vòng bán kính bằng 1 và   1)

có thể vẽ được 2 họ đường cong, một họ gồm những đường đẳng điện trở r = const

và một họ gồm những đường đẳng điện kháng x = const

Theo [20] có 2 họ phương trình:

2 2

r

i

2 2

) 1

L L

i r

x

Hình 1.6 cho ta biểu đồ Smith chuẩn:

34

- Hệ số phản xạ tại vị trí l trên đường truyền có thể được xác định khi biết hệ

số phản xạ  tại vị trí tải, dựa vào công thức:

(từ 0 đến 0,5λ cho mỗi vòng quay)

Theo quy định của biểu đồ Smith:

Chiều quay từ tải hướng về nguồn là thuận

chiều kim đồng hồ Chiều quay từ nguồn

hướng về tải là ngược chiều kim đồng hồ

Trên mỗi chiều quay, có một vòng đánh số

theo độ và một vòng đánh số theo số bước

sóng để tiện sử dụng

Khi vẽ đường tròn đẳng S trên biểu đồ Smith thì đường tròn này sẽ cắt trục hoành tại 2 điểm Giao điểm nằm phía bên phải của tâm biểu đồ biểu thị cho vị trí

Ngược lại, giao điểm nằm phái trái của tâm biểu đồ biểu thị cho vị trí trên đường

Trên biểu đồ Smith cũng nhận thấy ngay khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng bằng 0,25λ

Phương pháp giản đồ Smith là một phương pháp kinh điển có ý nghĩa trong việc thiết kế các đường truyền sóng cao tần và siêu cao tần hiện nay vẫn còn rất thuận tiện và hữu hiệu trong quá trình tính toán các thông số đường truyền và phối hợp trở kháng

Hình 1.7 Biểu diễn điểm bụng và

điểm nút của sóng đứng trên biểu

đồ Smith

35

1.1.3 Mạch dải siêu cao tần

Chúng ta đã biết, ở dải sóng vô tuyến điện thông thường: dài, trung, ngắn; các mạch dao động cộng hưởng thường được xây dựng từ các phần tử tập trung (tụ điện

C và cuộn cảm L) Nhưng ở dải sóng siêu cao tần ( trừ phần sóng dài của sóng mét)

Vì vậy, ở dải sóng siêu cao tần, người ta sử dụng các mạch dao động có tham

số phân bố Do đó công nghệ lựa chọn để chế tạo hệ thống của luận án là công nghệ

mạch dải

Trong kỹ thuật đo lường và các thiết bị thu ở dải sóng từ dm đến mm thường sử dụng đường truyền là các mạch dải siêu cao tần có các ưu điểm như dễ sản xuất (dùng công nghệ PCB) [15], khối lượng nhẹ, khả năng tương thích với các quy trình của mạch tích hợp, phạm vi trở kháng đặc trưng hợp lý, tổn hao thấp, dải tần tương đối rộng Vì các mạch dải được chế tạo dưới dạng mạch in nên chúng được sử dụng rất phổ biến trong vi mạch siêu cao tần

Tính toán các thông số đặc trưng của mạch dải [1,28]

w h

t

εr

Hình 1.8 Đường truyền vi dải

Trở kháng đặc trưng phụ thuộc vào bề rộng, độ cao, hằng số điện môi và bề dày của dải (hình 1.9)

/11'

411

/814'

411

/814'

41Ln1

h w

h

/1

4Ln

2

/11

t w h

t

e t

1212

12

r eff

1212

12

1

h

w w

h r

r eff

Tham số S: là các tham số trong ma trận tán xạ

Công suất đƣa ra tải:

2 2

) (

2 ) (

1

)

L c

c c

L

R

V R

V R

Nếu tải được đặt xa so với máy phát tức là phải sử dụng một đoạn cáp nối thì

sẽ có 2 đơn vị phối hợp trở kháng Một là từ máy phát đến đường truyền, hai là từ đường truyền đến tải Các nhân tố rời rạc của một đơn vị phối hợp trở kháng được đặt nối tiếp hoặc song song

Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản được mô tả ở hình 1.10, trong đó sử dụng một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng Mạch phối hợp thường

là một mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết kế sao cho

truyền

Hình 1.9 Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản

Mạch phối hợp trở kháng là phần quan trọng của một mạch siêu cao tần vì những lý do sau:

- Khi nguồn và tải được phối hợp trở kháng với đường truyền, năng lượng tối đa từ nguồn sẽ được truyền đến tải còn năng lượng tổn hao trên đường truyền là nhỏ nhất

- Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu của hệ thống khác trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âm thấp

- Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp điện cho dàn anten gồm nhiều phần tử), phối hợp trở kháng sẽ làm lệch về biên độ và pha khi phân chia công suất

38

dùng các phần tử tập trung, phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh, phối hợp bằng đoạn dây λ/4, phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ, phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp…

* Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh: Một đoạn dây chêm là một phần của đường truyền, nó có chiều dài l và thường được kết thúc bằng mạch hở hoặc ngắn mạch [5]

Phối hợp trở kháng bằng dây nhánh là phương pháp được sử dụng khá phổ biến do đơn giản và dễ điều chỉnh Có thể mắc dây nhánh vào đường truyền theo sơ

đồ song song hoặc nối tiếp với đoạn dây hở mạch hoặc ngắn mạch (xem hình 1.10)

Y L

Y 0

d A

A

A

A d

Hình 1.10 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh

* Kỹ thuật phối hợp bằng đoạn dây λ/4: thường sử dụng với các tải có trở kháng thực (hình 1.12)

39

thiết để đảm bảo truyền sóng tối ưu Trong quá trình thiết kế cần thực hiện phối hợp trở kháng đầu vào, đấu ra ở các chân IC Đảm bảo phối hợp trở kháng ở đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại rất quan trọng, nó có ý nghĩa quyết định đến hệ số khuếch đại cũng như chất lượng tín hiệu khi qua bộ khuếch đại công suất

1.2 Yêu cầu về tín hiệu hỏi đáp

Để xây dựng một hệ thống thông tin hoạt động ở dải sóng siêu cao tần chứa thông tin trong các xung có độ rộng xung vài trăm nano giây cần tìm kiếm lựa chọn các công nghệ phù hợp để đảm bảo tín hiệu xung rất hẹp được điều chế truyền trong không gian không bị mất mát thông tin Ở đây do xung ngắn hạn nên buộc chúng ta phải sử dụng mã pha ma níp, tín hiệu sóng mang lật pha liên tục theo thông tin Vấn đề an toàn thông tin hiện nay có hai giải pháp chính trên thế giới:

- Giải pháp thứ nhất là : thay đổi mã liên tục; Ngày nay với công nghệ hiện đại khi ta phát một chùm xung phức tạp thì sau một thời gian phát tín hiệu đi đối phương sẽ sử dụng các phương tiện hiện đại, kỹ thuật máy tính điện tử để giải mã và thông tin sẽ bị lộ, do đó phương pháp thay đổi mã liên tục sẽ góp phần làm mất phương hướng hệ thống dò tìm của đối phương

- Giải pháp thứ hai là: sử dụng các biện pháp mã hóa thông tin, sử dụng các chìa khóa để chuyển thông tin sang dạng khác trước khi đưa vào định dạng

mã để phát đi [26,68,75]

Ngoài việc đảm bảo tính ổn định, bảo mật cần tạo những yếu tố thuận lợi cho người sử dụng, chính vì thế luận án đi sâu nghiên cứu các môi trường, phương tiện tạo mã, thay đổi linh hoạt, có thể phát được xung ngắn hạn, độ dài mã đáp ứng được yêu cầu linh hoạt của mã được sử dụng

Trong quá trình xây dựng hệ thống phát mã pha ngoài việc tạo nên yếu tố bảo mật nhờ môi trường tạo mã linh hoạt, thay đổi cấu trúc mã, tạo xung hẹp để điều chế lật pha liên tục, tổ hợp các trạng thái…Luận án đề xuất phương án linh hoạt trong cả tần số sóng mang trong băng tần L, việc thay đổi tần số sóng mang theo tác chiến của người sử dụng cũng có ý nghĩa bảo mật rất lớn, vì trong chiến tranh công nghệ hiện đại, các mã dù bí mật đến đâu, linh hoạt thay đổi cấu trúc mã thường