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 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 203 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÉT CÁNH SÓNG TRONG RA ĐA SỬ DỤNG ANTEN MẠNG PHA CHỦ ĐỘNG Hà Huy Dũng*, Cao Việt Linh, Phạm Đức Toàn, Bùi Công Phước, Lê Duy Hiệu Tóm tắt: Các ra đa sử dụng anten mạng pha ngoài khả năng tạo dạng búp sóng thích nghi cao, còn cho ra đa khả năng điều khiển búp sóng tới một vị trí nhất định trong không gian với thời gian thực hiện chỉ vài s. Việc thiết kế hệ thống điều khiển quét cánh sóng là một bài toán được nghiên cứu nhiều và ngày càng được nâng tầm và bổ sung các phương pháp cũng như công nghệ mới. Bài báo mô tả trình tự thiết kế trên cơ sở liên hệ chặt chẽ với yêu cầu kỹ thuật của đài ra đa. Từ khóa: Thiết kế hệ thống, Quét cánh sóng, Mô đun thu-phát. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các ra đa từ cảnh giới đến điều khiển hỏa lực đang được sử dụng trong quân đội ta hiện nay phần lớn vẫn điều khiển quét cánh sóng nhờ hệ thống cơ điện.Tiềm năng nâng cao khả năng bắt mục tiêu trong các loại ra đa truyền thống này bị giới hạn bởi các yêu cầu điều khiển vị trí của hệ thống anten ra đa. Các phương pháp quét cơ học hiện nay vốn chậm và đòi hỏi mức năng lượng lớn nhằm đáp ứng đủ nhanh với số lượng lớn các dạng mục tiêu quân sự tốc độ cao. Với các hệ thống quét cơ học, quán tính ra đa và sự thiếu linh hoạt ngăn cản khả năng giảm thiểu thời gian phản ứng và bắt mục tiêu. Với xu hướng phát triển anten mạng pha và kỹ thuật điều khiển số các ra đa thế hệ mới đã sử dụng phương quét điện để điều khiển hướng cánh sóng, việc quét bằng điện giúp búp sóng ra đa được định vị gần như tức thời không có quán tính, các khoảng trễ, và độ rung động như các hệ thống cơ học. Trong thời đại phát triển số hóa hiện nay, quét cánh sóng ra đa bằng điều khiển điện càng có khả năng phát triển, hoàn thiện. Phương pháp này có những lợi ích chính gồm: - Tăng tốc độ dữ liệu (nhờ giảm thời gian phản ứng hệ thống). - Điều khiển vị trí cánh sóng ra đa tức thời trong miền góc quạt được thiết lập (vị trí cánh sóng có thể thay đổi với vài s). - Loại bỏ các lỗi cơ học và các sai số thường có ở các anten quét bằng hệ thống cơ khí. - Nâng cao sự mềm dẻo của các ra đa hoạt động đa chế độ, tự động bám sát mục tiêu, dẫn đường tên lửa, điều khiển cảnh báo va trạm không lưu trong cùng một khoảng thời gian. Xét về tổng quan cấu trúc anten mạng pha có thể chia thành hai nhánh như minh họa trên hình 1: - Chủ động: Tín hiệu (xung) phát đến phần tử siêu cao tần (anten) nhỏ, các phần tử phát xạ đều có các mô đun thu-phát độc lập có thể chế tạo loạt. - Bị động: Tín hiệu cung cấp đến anten cần công suất lớn, các phần tử phát xạ được gắn với một bộ dịch pha độc lập. Về phương pháp quét điện cơ bản có thể chia thành hai nhánh thực hiện chính: - Điều khiển tại phần cao tần nhờ tác động lên các bộ dịch pha và suy giảm của mô đun thu-phát; Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa H.H. Dũng, C.V. Linh, , “Thiết kế hệ thống điều khiển anten mạng pha chủ động.” 204 - Điều khiển từ phần trung tần nhờ thay đổi tham số pha trước khi trộn tần lên. Phương pháp này có nhược điểm đó là sự cồng kềnh về kích thước thiết bị do phải sử dụng nhiều linh kiện số. Trong bài báo này, các tác giả mong muốn xây dựng một qui trình phân tích, thiết kế hệ thống, các yêu cầu cơ bản với một cấu trúc anten mạng pha cụ thể đó là anten mạng pha theo cấu trúc chủ động và việc điều khiển được thực hiện tại phần cao tần. Hình 1. Các cấu trúc anten mạng pha. 2. CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÉT CÁNH SÓNG ANTEN Một số cấu trúc điều khiển quét cánh sóng có thể được sử dụng trong các anten mạng pha, bao gồm: - Điều khiển thời gian trễ; - Quét tần số; - Quét pha. Các cấu trúc này sử dụng các đơn vị xử lý tính toán các thiết lập cho Mô đun thu phát từ một lượng gradient pha (sự tăng giảm pha giữa các phần tử) đối với từng phân giải cánh sóng. Trên thực tế, việc truyền tải các lệnh dạng số có thể ảnh hưởng tới các tín hiệu cao tần, để giải quyết vấn đề này cấu trúc điều khiển dựa trên các bảng tra cứu và các trạng thái máy được thiết kế. Với những tham số kể trên hệ thống điều khiển quét cánh sóng phải đảm bảo thời gian xử lý của mình để các mô đun thu-phát kịp cập nhật các thiết lập hiệu chỉnh cho cánh sóng tiếp theo (chuyển chế độ thu-phát). Mô hình thực tế của hệ thống được thể hiện tại hình 2. Khi thiết kế một hệ thống điều khiển quét cánh sóng anten, cần thiết phải tuân thủ việc tạo các tham số đối với từng thành phần của hệ thống. Về tổng thể các khâu tuần tự cần thiết kế được chỉ ra trên hình 3. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 205 Hình 2. Cấu trúc hệ thống quay búp sóng anten mạng pha. Có thể phân chia các khâu trong hình 3 thành ba phần cần thiết kế. Phần thứ nhất là các phần tử lô gic (Xử lý tính toán – Điều khiển mạng) thực hiện các xử lý tính toán tạo ra các lệnh điều khiển, kiểm soát hệ thống. Tại đây, các thuật toán xử lý dữ liệu tập trung vào tốc độ thực hiện và tính đồng bộ của các lệnh điều khiển. Khả năng nâng cao tốc độ xử lý nhờ các phương pháp phân chia điều khiển song song cũng được thiết kế tại đây. Thành phần thứ hai là các giao thức truyền dữ liệu, nhiệm vụ của thành phần này là truyền tải đầy đủ, chính xác các tập lệnh của thành phần thứ nhất đến thành phần chấp hành. Các chuẩn giao tiếp tin cậy tốc độ cao được sử dụng phù hợp với từng dạng dữ liệu lệnh. Thành phần thứ ba là thành phần chấp hành điều khiển tạo ra kết quả cuối cùng của hệ thống bao gồm các thiết kế Bus cao tần mặt sau anten, mô đun thu-phát và các phần tử phát xạ. Các yêu cầu kỹ thuật đối vớira đa được thực hiện trên thành phần này do đo các tham số của nó quyết định đến các thiết kế tham số của hai thành phần còn lại. Hình 3. Các thành phần chính trong hệ thống điều khiển quay cánh sóng. Bảng 1 minh họa các tham số chung nhất tác động lên bài toán thiết kế của thành phần này. Bảng 1. Các tham số tham khảo mô đun Thu-Phát anten mạng pha. Tham số Giá trị tham khảo Phân cực H,V Tần số phát 9.36GHz Băng thông >50MHz Chu kỳ xung/tần số lặp <30% Độ rộng xung 1-60Us Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa H.H. Dũng, C.V. Linh, , “Thiết kế hệ thống điều khiển anten mạng pha chủ động.” 206 Khuếch đại Phát, thu >20dB Cách ly >45dB Bước thực hiện suy giảm 0.5dB Bước thực hiện dịch pha 5.6250 Miền dịch pha 3600 Tần số lặp >1KHz Các thành phần được thiết kế tối ưu dưới dạng các Block thiết bị và được kết nối thông qua các loại cáp, thiết bị truyền dẫn. Các thiết kế đảm bảo từng thành phần được kiểm tra độc lập trước khi tổ hợp thành thiết bị hoàn chỉnh. Tất nhiên điều này sẽ làm tăng độ phức tạp của quá trình tổ hợp và kết nối trong hệ thống. Điều này có thể được giảm thiểu nhờ việc ghép nhóm cho các thành phần ví như các mô đun thu-phát, các mạng phân bố cao tần và điều khiển điện có thể được gộp vào nhóm và chế tạo trên cùng bảng mạch, tạo thành các vỉ card chuyên dụng. Các ra đa anten mạng khe hiện đại có các phần cứng mềm dẻo cho phép hệ thống thích nghi với các chế độ quét phù hợp với dạng mục tiêu, địa hình, thời tiết.v.v.. do đó hệ thống điều khiển quét cánh sóng cần đáp ứng đủ nhanh với các lệnh do bộ phận tính toán đưa tới. Nói cách khác các giao diện thông tin và lõi xử lý tốc độ cao cần phải được sử dụng để tính toán cho các thiết lập bộ suy giảm và dịch pha, đặc biệt với các hệ thống có tần số lặp xung phát, độ rộng xung phát ngắn. 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÉT CÁNH SÓNG ANTEN MẠNG PHA Một mạng pha với N phần tử, mỗi phần tử có một mô đun thu-phát với M tín hiệu điều khiển (các bit cho bộ dịch pha, bộ suy giảm số, tín hiệu phát, tín hiệu thu, tín hiệu phân cực), cần tất cả NxM tín hiệu điều khiển để chuyển cánh sóng, có thể thấy tín hiệu cần thiết lên tới hàng nghìn. Giải pháp thực tế duy nhất để giảm giá thành và độ phức tạp của việc nối dây là sử dụng phương pháp truyền thông nối tiếp/tuần tự. Việc truyền thông nối tiếp lượng lớn dữ liệu như thế này trong một thời gian ngắn đòi hỏi phải có băng thông lớn và sử dụng các giao diện nối tiếp tốc độ cao thiết kế hợp. Tuy nhiên, vấn đề băng thông có thể tránh được nếu sử dụng hệ thống phân bố điều khiển quét cánh sóng. Trong loại hệ thống này, máy tính quét cánh sóng sẽ phát ra các gradient pha (cho phương vị và góc tà) cho tất cả các bộ điều khiển số mô đun thu-phát, tạo ra các thiết lập pha và biên độ cần để triển khai cánh sóng. Thiết lập pha được tính toán từ gradient pha, vị trí phần tử trong mạng, và hệ số hiệu chỉnh pha của phần tử đó. Còn biên độ thường được lấy ra từ bảng tra cứu. Tính toán thiết lập các bit pha có thể được thực hiện nhờ sử dụng FPGA. Ví dụ thời gian cần để phát ra gradient pha 36 bit trên mạng 10 Mbps (3.6s) và để tính toán pha (2.12s) là khoảng 5.7s. Các vấn đề với cách triển khai này là việc tính toán pha được thực hiện trong mỗi xung thu và phát, và chi phí thời gian tính toán cho mỗi cánh sóng có thể quá lớn cho các ra đa thích nghi tầm gần(sử dụng phân cực thay đổi qua lại và kỹ thuật dồn kênh cánh sóng), thường cần các xung ngắn (tức là cỡ 1 s). Do đó, thay vì tính toán pha với một bộ điều khiển số, hệ thống sử dụng một bảng tra cứu hiệu chỉnh để biến đổi các lệnh cánh sóng là Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 207 các thiết lập pha và biên độ. Các bảng tra cứu này chuyên biệt cho mỗi mô đun thu/phát. Chúng chứa các trạng thái bộ dịch pha và suy giảm cho mỗi góc quét ở tất cả các chế độ hoạt động. Hình 4 mô tả một hệ thống được thiết kế đảm bảo đáp ứng những yêu cầu đã đặt ra. Trong hình các dữ liệu lệnh, và tham số cho vị trí kế tiếp của cánh sóng được cập nhật, lưu trữ trong bảng kế tiếp (next beam) đảm bảo thuật toán xử lý song song các trạng thái hoạt động. Hình 4. Các mô đun lô gic trong điều khiển quét cánh sóng anten mạng. Các hoạt động, thành phần cơ bản trong hệ thống gồm một mạng các máy trạng thái tùy chọn (bộ điều khiển số) được triển khai trong các FPGA của mô đun thu- phát, thay vì lõi vi xử lý. Các máy trạng thái có ưu điểm là phản hồi ngay lập lức và song song với một lượng lớn tín hiệu báo thời điểm. Hệ thống được đồng bộ hoàn toàn vì một clock chung điều khiển tất cả hoạt động. Một bảng trình tự khả trình chứa chuỗi tiếp theo của các cánh sóng phải triển khai trong mạng. Bảng tra cứu sau đó sẽ dịch các điều khiển cánh sóng thành các thiết lập hiệu chỉnh. Thanh ghi cổng lưu các thiết lập cho cánh sóng hiện thời và tạo các tín hiệu điều khiển cho các phần tử RF (bộ suy hao, dịch pha, chuyển mạch thu/phát, chuyển mạch V/H, bộ khuếch đại). Việc chuyển cánh sóng và thời điểm được điều khiển tại sườn lên (chuyển từ mức thấp sang mức cao) của tín hiệu TR. Tín hiệu này cũng đóng vai trò như “tín hiệu tiến tới”, cho phép lệnh cánh sóng tiếp theo được đọc từ bảng trình tự. Vòng lặp sẽ chạy vô hạn định cho tới khi bảng trình tự được cập nhật với một trình tự cánh sóng mới. Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa H.H. Dũng, C.V. Linh, , “Thiết kế hệ thống điều khiển anten mạng pha chủ động.” 208 Với Ra đa tầm gần hoạt động với phân cực đảo qua lại và sử dụng PRF 3 kHz với 30 xung tích hợp cho mỗi kênh có thời gian ngừng 4x30/3000 = 40 ms. Với ra đa này, thời gian chết để cập nhật bảng trình tự là khoảng 6/40x103*100 = 0.015% của chu kỳ dừng, thể hiện một phần rất nhỏ của thời gian. 4. KẾT LUẬN Hệ thống điều khiển quét cánh sóng anten mạng như trình bày trong bài báo, với trình tự thiết kế và các tham số cần đảm bảo là một hệ thống có khả năng vận hành tin cậy, ổn định và có tính thích nghi cao. Quá trình kiểm tra hệ thống có thể được thực hiện nhờ các phần mềm phát lệnh ngẫu nhiên, thu lệnh phản hồi và đo đạc các tham số cánh sóng. Trong tương lai với sự phát triển của mạng Nơ ron các thuật toán tự thích nghi và hiệu chỉnh có thể được tích hợp vào các thuật toán tại các mô đun lô gic. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. R. J. Mailloux, “Phased Array Antenna Handbook”. Norwood, MA: Artech House, 2005. [2]. A. K. Agrawal and E. L. Holzman, “Beamformer architectures for active phased-arrayradar antennas”, in IEEE International Radar Conference, vol. 47, pp. 1888 1899,May 1999. [3]. J. J. Alter, J. P. Letellier, and J. M. Willey, “Programmable beam transform and beamsteering control system for a phased array radar antenna”. Patent US 5008680, Apr.1991. ABSTRACT DESIGNING A BEAM STEERING CONTROL SYSTEM IN RADAR USING ACTIVE PHASED ARRAY ANTENNAS Phased array antennas not only give radars the capability to generate highly adaptive beams, but also offer them the capability to steer the beams to a particular position in space in a matter of microseconds. Designing a beam steering control system is a problem which is paid much attention by researchers in recent year. It is becoming increasingly complex, and many new techniques and technologies are used to solve the problem. This paper described the designing procedure with the relations to radars’ technical specifications. Keywords: System design, Beam scanning, Transceiver module. Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016 Địa chỉ: Viện Ra đa/Viện KHCN-Quân sự. *Email: dungsystemdesigner@gmail.com