Thiết kế hệ thống điều khiển quét cánh sóng trong ra đa sử dụng anten mạng pha chủ động

Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÉT CÁNH SÓNG TRONG<br /> RA ĐA SỬ DỤNG ANTEN MẠNG PHA CHỦ ĐỘNG<br /> Hà Huy Dũng*, Cao Việt Linh, Phạm Đức Toàn, Bùi Công Phước, Lê Duy Hiệu<br /> Tóm tắt: Các ra đa sử dụng anten mạng pha ngoài khả năng tạo dạng búp sóng<br /> thích nghi cao, còn cho ra đa khả năng điều khiển búp sóng tới một vị trí nhất định<br /> trong không gian với thời gian thực hiện chỉ vài s. Việc thiết kế hệ thống điều<br /> khiển quét cánh sóng là một bài toán được nghiên cứu nhiều và ngày càng được<br /> nâng tầm và bổ sung các phương pháp cũng như công nghệ mới. Bài báo mô tả<br /> trình tự thiết kế trên cơ sở liên hệ chặt chẽ với yêu cầu kỹ thuật của đài ra đa.<br /> Từ khóa: Thiết kế hệ thống, Quét cánh sóng, Mô đun thu-phát.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Các ra đa từ cảnh giới đến điều khiển hỏa lực đang được sử dụng trong quân đội<br /> ta hiện nay phần lớn vẫn điều khiển quét cánh sóng nhờ hệ thống cơ điện.Tiềm<br /> năng nâng cao khả năng bắt mục tiêu trong các loại ra đa truyền thống này bị giới<br /> hạn bởi các yêu cầu điều khiển vị trí của hệ thống anten ra đa. Các phương pháp<br /> quét cơ học hiện nay vốn chậm và đòi hỏi mức năng lượng lớn nhằm đáp ứng đủ<br /> nhanh với số lượng lớn các dạng mục tiêu quân sự tốc độ cao. Với các hệ thống<br /> quét cơ học, quán tính ra đa và sự thiếu linh hoạt ngăn cản khả năng giảm thiểu<br /> thời gian phản ứng và bắt mục tiêu.<br /> Với xu hướng phát triển anten mạng pha và kỹ thuật điều khiển số các ra đa thế<br /> hệ mới đã sử dụng phương quét điện để điều khiển hướng cánh sóng, việc quét<br /> bằng điện giúp búp sóng ra đa được định vị gần như tức thời không có quán tính,<br /> các khoảng trễ, và độ rung động như các hệ thống cơ học. Trong thời đại phát triển<br /> số hóa hiện nay, quét cánh sóng ra đa bằng điều khiển điện càng có khả năng phát<br /> triển, hoàn thiện. Phương pháp này có những lợi ích chính gồm:<br /> - Tăng tốc độ dữ liệu (nhờ giảm thời gian phản ứng hệ thống).<br /> - Điều khiển vị trí cánh sóng ra đa tức thời trong miền góc quạt được thiết lập<br /> (vị trí cánh sóng có thể thay đổi với vài s).<br /> - Loại bỏ các lỗi cơ học và các sai số thường có ở các anten quét bằng hệ thống<br /> cơ khí.<br /> - Nâng cao sự mềm dẻo của các ra đa hoạt động đa chế độ, tự động bám sát mục<br /> tiêu, dẫn đường tên lửa, điều khiển cảnh báo va trạm không lưu trong cùng<br /> một khoảng thời gian.<br /> Xét về tổng quan cấu trúc anten mạng pha có thể chia thành hai nhánh như minh<br /> họa trên hình 1:<br /> - Chủ động: Tín hiệu (xung) phát đến phần tử siêu cao tần (anten) nhỏ, các phần<br /> tử phát xạ đều có các mô đun thu-phát độc lập có thể chế tạo loạt.<br /> - Bị động: Tín hiệu cung cấp đến anten cần công suất lớn, các phần tử phát xạ<br /> được gắn với một bộ dịch pha độc lập.<br /> Về phương pháp quét điện cơ bản có thể chia thành hai nhánh thực hiện chính:<br /> - Điều khiển tại phần cao tần nhờ tác động lên các bộ dịch pha và suy giảm của<br /> mô đun thu-phát;<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 203<br />  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> - Điều khiển từ phần trung tần nhờ thay đổi tham số pha trước khi trộn tần lên.<br /> Phương pháp này có nhược điểm đó là sự cồng kềnh về kích thước thiết bị do<br /> phải sử dụng nhiều linh kiện số.<br /> Trong bài báo này, các tác giả mong muốn xây dựng một qui trình phân tích,<br /> thiết kế hệ thống, các yêu cầu cơ bản với một cấu trúc anten mạng pha cụ thể đó là<br /> anten mạng pha theo cấu trúc chủ động và việc điều khiển được thực hiện tại phần<br /> cao tần.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Các cấu trúc anten mạng pha.<br /> 2. CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN<br /> QUÉT CÁNH SÓNG ANTEN<br /> Một số cấu trúc điều khiển quét cánh sóng có thể được sử dụng trong các anten<br /> mạng pha, bao gồm:<br /> - Điều khiển thời gian trễ;<br /> - Quét tần số;<br /> - Quét pha.<br /> Các cấu trúc này sử dụng các đơn vị xử lý tính toán các thiết lập cho Mô đun<br /> thu phát từ một lượng gradient pha (sự tăng giảm pha giữa các phần tử) đối với<br /> từng phân giải cánh sóng. Trên thực tế, việc truyền tải các lệnh dạng số có thể ảnh<br /> hưởng tới các tín hiệu cao tần, để giải quyết vấn đề này cấu trúc điều khiển dựa<br /> trên các bảng tra cứu và các trạng thái máy được thiết kế. Với những tham số kể<br /> trên hệ thống điều khiển quét cánh sóng phải đảm bảo thời gian xử lý của mình để<br /> các mô đun thu-phát kịp cập nhật các thiết lập hiệu chỉnh cho cánh sóng tiếp theo<br /> (chuyển chế độ thu-phát). Mô hình thực tế của hệ thống được thể hiện tại hình 2.<br /> Khi thiết kế một hệ thống điều khiển quét cánh sóng anten, cần thiết phải tuân<br /> thủ việc tạo các tham số đối với từng thành phần của hệ thống. Về tổng thể các<br /> khâu tuần tự cần thiết kế được chỉ ra trên hình 3.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 204 H.H. Dũng, C.V. Linh, …, “Thiết kế hệ thống điều khiển… anten mạng pha chủ động.”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Cấu trúc hệ thống quay búp sóng anten mạng pha.<br /> Có thể phân chia các khâu trong hình 3 thành ba phần cần thiết kế. Phần thứ<br /> nhất là các phần tử lô gic (Xử lý tính toán – Điều khiển mạng) thực hiện các xử lý<br /> tính toán tạo ra các lệnh điều khiển, kiểm soát hệ thống. Tại đây, các thuật toán xử<br /> lý dữ liệu tập trung vào tốc độ thực hiện và tính đồng bộ của các lệnh điều khiển.<br /> Khả năng nâng cao tốc độ xử lý nhờ các phương pháp phân chia điều khiển song<br /> song cũng được thiết kế tại đây. Thành phần thứ hai là các giao thức truyền dữ<br /> liệu, nhiệm vụ của thành phần này là truyền tải đầy đủ, chính xác các tập lệnh của<br /> thành phần thứ nhất đến thành phần chấp hành. Các chuẩn giao tiếp tin cậy tốc độ<br /> cao được sử dụng phù hợp với từng dạng dữ liệu lệnh. Thành phần thứ ba là thành<br /> phần chấp hành điều khiển tạo ra kết quả cuối cùng của hệ thống bao gồm các thiết<br /> kế Bus cao tần mặt sau anten, mô đun thu-phát và các phần tử phát xạ. Các yêu cầu<br /> kỹ thuật đối vớira đa được thực hiện trên thành phần này do đo các tham số của nó<br /> quyết định đến các thiết kế tham số của hai thành phần còn lại.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Các thành phần chính trong hệ thống điều khiển quay cánh sóng.<br /> Bảng 1 minh họa các tham số chung nhất tác động lên bài toán thiết kế của<br /> thành phần này.<br /> Bảng 1. Các tham số tham khảo mô đun Thu-Phát anten mạng pha.<br /> Tham số Giá trị tham khảo<br /> Phân cực H,V<br /> Tần số phát 9.36GHz<br /> Băng thông >50MHz<br /> Chu kỳ xung/tần số lặp 20dB<br /> Cách ly >45dB<br /> Bước thực hiện suy giảm 0.5dB<br /> Bước thực hiện dịch pha 5.6250<br /> Miền dịch pha 3600<br /> Tần số lặp >1KHz<br /> Các thành phần được thiết kế tối ưu dưới dạng các Block thiết bị và được kết<br /> nối thông qua các loại cáp, thiết bị truyền dẫn. Các thiết kế đảm bảo từng thành<br /> phần được kiểm tra độc lập trước khi tổ hợp thành thiết bị hoàn chỉnh. Tất nhiên<br /> điều này sẽ làm tăng độ phức tạp của quá trình tổ hợp và kết nối trong hệ thống.<br /> Điều này có thể được giảm thiểu nhờ việc ghép nhóm cho các thành phần ví như<br /> các mô đun thu-phát, các mạng phân bố cao tần và điều khiển điện có thể được gộp<br /> vào nhóm và chế tạo trên cùng bảng mạch, tạo thành các vỉ card chuyên dụng.<br /> Các ra đa anten mạng khe hiện đại có các phần cứng mềm dẻo cho phép hệ thống<br /> thích nghi với các chế độ quét phù hợp với dạng mục tiêu, địa hình, thời tiết.v.v.. do<br /> đó hệ thống điều khiển quét cánh sóng cần đáp ứng đủ nhanh với các lệnh do bộ<br /> phận tính toán đưa tới. Nói cách khác các giao diện thông tin và lõi xử lý tốc độ cao<br /> cần phải được sử dụng để tính toán cho các thiết lập bộ suy giảm và dịch pha, đặc<br /> biệt với các hệ thống có tần số lặp xung phát, độ rộng xung phát ngắn.<br /> 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÉT CÁNH SÓNG<br /> ANTEN MẠNG PHA<br /> Một mạng pha với N phần tử, mỗi phần tử có một mô đun thu-phát với M tín<br /> hiệu điều khiển (các bit cho bộ dịch pha, bộ suy giảm số, tín hiệu phát, tín hiệu thu,<br /> tín hiệu phân cực), cần tất cả NxM tín hiệu điều khiển để chuyển cánh sóng, có thể<br /> thấy tín hiệu cần thiết lên tới hàng nghìn. Giải pháp thực tế duy nhất để giảm giá<br /> thành và độ phức tạp của việc nối dây là sử dụng phương pháp truyền thông nối<br /> tiếp/tuần tự. Việc truyền thông nối tiếp lượng lớn dữ liệu như thế này trong một<br /> thời gian ngắn đòi hỏi phải có băng thông lớn và sử dụng các giao diện nối tiếp tốc<br /> độ cao thiết kế hợp. Tuy nhiên, vấn đề băng thông có thể tránh được nếu sử dụng<br /> hệ thống phân bố điều khiển quét cánh sóng. Trong loại hệ thống này, máy tính<br /> quét cánh sóng sẽ phát ra các gradient pha (cho phương vị và góc tà) cho tất cả các<br /> bộ điều khiển số mô đun thu-phát, tạo ra các thiết lập pha và biên độ cần để triển<br /> khai cánh sóng.<br /> Thiết lập pha được tính toán từ gradient pha, vị trí phần tử trong mạng, và hệ số<br /> hiệu chỉnh pha của phần tử đó. Còn biên độ thường được lấy ra từ bảng tra cứu.<br /> Tính toán thiết lập các bit pha có thể được thực hiện nhờ sử dụng FPGA.<br /> Ví dụ thời gian cần để phát ra gradient pha 36 bit trên mạng 10 Mbps (3.6s) và<br /> để tính toán pha (2.12s) là khoảng 5.7s. Các vấn đề với cách triển khai này là<br /> việc tính toán pha được thực hiện trong mỗi xung thu và phát, và chi phí thời gian<br /> tính toán cho mỗi cánh sóng có thể quá lớn cho các ra đa thích nghi tầm gần(sử<br /> dụng phân cực thay đổi qua lại và kỹ thuật dồn kênh cánh sóng), thường cần các<br /> xung ngắn (tức là cỡ 1 s). Do đó, thay vì tính toán pha với một bộ điều khiển số,<br /> hệ thống sử dụng một bảng tra cứu hiệu chỉnh để biến đổi các lệnh cánh sóng là<br /> <br /> <br /> 206 H.H. Dũng, C.V. Linh, …, “Thiết kế hệ thống điều khiển… anten mạng pha chủ động.”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> các thiết lập pha và biên độ. Các bảng tra cứu này chuyên biệt cho mỗi mô đun<br /> thu/phát. Chúng chứa các trạng thái bộ dịch pha và suy giảm cho mỗi góc quét ở<br /> tất cả các chế độ hoạt động. Hình 4 mô tả một hệ thống được thiết kế đảm bảo đáp<br /> ứng những yêu cầu đã đặt ra. Trong hình các dữ liệu lệnh, và tham số cho vị trí kế<br /> tiếp của cánh sóng được cập nhật, lưu trữ trong bảng kế tiếp (next beam) đảm bảo<br /> thuật toán xử lý song song các trạng thái hoạt động.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Các mô đun lô gic trong điều khiển quét cánh sóng anten mạng.<br /> Các hoạt động, thành phần cơ bản trong hệ thống gồm một mạng các máy trạng<br /> thái tùy chọn (bộ điều khiển số) được triển khai trong các FPGA của mô đun thu-<br /> phát, thay vì lõi vi xử lý. Các máy trạng thái có ưu điểm là phản hồi ngay lập lức<br /> và song song với một lượng lớn tín hiệu báo thời điểm. Hệ thống được đồng bộ<br /> hoàn toàn vì một clock chung điều khiển tất cả hoạt động. Một bảng trình tự khả<br /> trình chứa chuỗi tiếp theo của các cánh sóng phải triển khai trong mạng. Bảng tra<br /> cứu sau đó sẽ dịch các điều khiển cánh sóng thành các thiết lập hiệu chỉnh. Thanh<br /> ghi cổng lưu các thiết lập cho cánh sóng hiện thời và tạo các tín hiệu điều khiển<br /> cho các phần tử RF (bộ suy hao, dịch pha, chuyển mạch thu/phát, chuyển mạch<br /> V/H, bộ khuếch đại). Việc chuyển cánh sóng và thời điểm được điều khiển tại<br /> sườn lên (chuyển từ mức thấp sang mức cao) của tín hiệu TR. Tín hiệu này cũng<br /> đóng vai trò như “tín hiệu tiến tới”, cho phép lệnh cánh sóng tiếp theo được đọc từ<br /> bảng trình tự. Vòng lặp sẽ chạy vô hạn định cho tới khi bảng trình tự được cập nhật<br /> với một trình tự cánh sóng mới.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 207<br />  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> Với Ra đa tầm gần hoạt động với phân cực đảo qua lại và sử dụng PRF 3 kHz<br /> với 30 xung tích hợp cho mỗi kênh có thời gian ngừng 4x30/3000 = 40 ms. Với ra<br /> đa này, thời gian chết để cập nhật bảng trình tự là khoảng 6/40x103*100 = 0.015%<br /> của chu kỳ dừng, thể hiện một phần rất nhỏ của thời gian.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Hệ thống điều khiển quét cánh sóng anten mạng như trình bày trong bài báo,<br /> với trình tự thiết kế và các tham số cần đảm bảo là một hệ thống có khả năng vận<br /> hành tin cậy, ổn định và có tính thích nghi cao. Quá trình kiểm tra hệ thống có thể<br /> được thực hiện nhờ các phần mềm phát lệnh ngẫu nhiên, thu lệnh phản hồi và đo<br /> đạc các tham số cánh sóng. Trong tương lai với sự phát triển của mạng Nơ ron các<br /> thuật toán tự thích nghi và hiệu chỉnh có thể được tích hợp vào các thuật toán tại<br /> các mô đun lô gic.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. R. J. Mailloux, “Phased Array Antenna Handbook”. Norwood, MA: Artech<br /> House, 2005.<br /> [2]. A. K. Agrawal and E. L. Holzman, “Beamformer architectures for active<br /> phased-arrayradar antennas”, in IEEE International Radar Conference, vol.<br /> 47, pp. 1888 1899,May 1999.<br /> [3]. J. J. Alter, J. P. Letellier, and J. M. Willey, “Programmable beam transform<br /> and beamsteering control system for a phased array radar antenna”. Patent<br /> US 5008680, Apr.1991.<br /> ABSTRACT<br /> DESIGNING A BEAM STEERING CONTROL SYSTEM IN RADAR USING<br /> ACTIVE PHASED ARRAY ANTENNAS<br /> Phased array antennas not only give radars the capability to generate<br /> highly adaptive beams, but also offer them the capability to steer the beams<br /> to a particular position in space in a matter of microseconds. Designing a<br /> beam steering control system is a problem which is paid much attention by<br /> researchers in recent year. It is becoming increasingly complex, and many<br /> new techniques and technologies are used to solve the problem. This paper<br /> described the designing procedure with the relations to radars’ technical<br /> specifications.<br /> Keywords: System design, Beam scanning, Transceiver module.<br /> <br /> Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016<br /> <br /> <br /> Địa chỉ: Viện Ra đa/Viện KHCN-Quân sự.<br /> *<br /> Email: dungsystemdesigner@gmail.com<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 208 H.H. Dũng, C.V. Linh, …, “Thiết kế hệ thống điều khiển… anten mạng pha chủ động.”<br />