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

ch 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

206

H.H. Dũng, C.V. Linh, …, “Thiết kế hệ thống điều khiển… anten mạng pha chủ động.”


Thông tin khoa học công nghệ

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 thuphát, 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.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016

207


Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa

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:

208

H.H. Dũng, C.V. Linh, …, “Thiết kế hệ thống điều khiển… anten mạng pha chủ động.”