NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MẢNG THƯA CHO MẢNG ANG-TEN TICH CỰC

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mảng thưa cho ăng ten tích cực, tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng khả năng ứng dụng trong viễn thông. Đề tài thạc sĩ kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Như Thành
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tiến Ban
• Trường học: Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mảng thưa cho mảng ăng-ten tích cực
• Loại tài liệu: Đề án Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĂNG-TEN MẢNG THƯA
• 1.1. Giới thiệu về ăng-ten mảng
• 1.1.1. Ăng-ten mảng
• 1.1.2. Ứng dụng của ăng-ten mảng
• 1.2. Giới thiệu về công nghệ ăng-ten mảng thưa
• 1.2.1. Cấu trúc và đặc điểm của công nghệ ăng-ten mảng thưa
• 1.2.2. Ứng dụng của công nghệ ăng-ten mảng thưa
• 1.3. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: VẤN ĐỀ BÚP SÓNG BÊN CAO VÀ GIẢI PHÁP CẢI THIỆN
• 2.1. Các dạng ăng-ten mảng thưa đang được nghiên cứu
• 2.1.1. Minimum redundancy arrays (MRAs)
• 2.1.2. Minimum hole arrays (MHAs)
• 2.1.3. Co-prime arrays
• 2.1.4. Nested arrays, super-nested arrays
• 2.2. Nhược điểm của các nghiên cứu về kiến trúc ăng-ten mảng thưa
• 2.2.1. Ứng dụng sử dụng mẫu bức xạ một chiều
• 2.2.2. Ứng dụng sử dụng mẫu bức xạ hai chiều
• 2.4. Kết quả mô phỏng các giải pháp đề xuất
• 2.4.1. Kịch bản và tham số mô phỏng
• 2.4.2. Kết quả mô phỏng
• 2.5. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 3.1. Xây dựng hệ thống thực nghiệm
• 3.1.1. Hệ ăng-ten
• 3.1.2. Hệ mô-đun thu phát và bộ chia
• 3.1.3. Hệ thống điều khiển
• 3.2. Phương pháp và quy trình đo kiểm
• 3.2.1. Công cụ sử dụng đo kiểm
• 3.2.2. Các bước thực hiện
• 3.3. Kết quả đo kiểm và đánh giá
• 3.3.1. Kết quả đo kiểm búp sóng một chiều
• 3.3.2. Kết quả đo kiểm búp sóng hai chiều
• 3.4. Kết luận chương
• KẾT LUẬN

Tóm tắt

I. Tổng quan về ăng ten mảng thưa Đề án Thạc sĩ 55 ký tự

Đề án thạc sĩ tập trung vào nghiên cứu ứng dụng công nghệ mảng thưa cho ăng-ten tích cực, một lĩnh vực đầy tiềm năng trong bối cảnh phát triển của mạng viễn thông 5G và các hệ thống radar hiện đại. Công nghệ mảng thưa hứa hẹn giảm chi phí sản xuất và độ phức tạp của hệ thống, đồng thời duy trì hiệu suất hoạt động. Theo tài liệu gốc, việc giảm số lượng phần tử ăng-ten (bao gồm cả phần thu phát) giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí sản xuất. Tuy nhiên, thách thức đặt ra là làm sao để tối ưu hóa hiệu suất của ăng-ten mảng thưa, đặc biệt là trong việc kiểm soát các thông số như mức búp sóng bên và phạm vi quét điện. Đề án này hướng đến việc giải quyết những thách thức đó, mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi công nghệ mảng thưa trong các lĩnh vực quan trọng.

1.1. Giới thiệu chung về công nghệ ăng ten mảng 58 ký tự

Trong các ứng dụng viễn thông, sử dụng các ăng ten định hướng cao là yêu cầu quan trọng. Tuy nhiên, mô hình bức xạ của một phần ăng-ten đơn lẻ thường có độ định hướng tương đối thấp. Do đó, phương pháp mở rộng kích thước của khẩu độ bức xạ được áp dụng. Tuy nhiên, nó gây ra một hạn chế bao gồm sự xuất hiện của nhiều thùy bên và khó khăn trong việc chế tạo các ăng-ten có kích thước lớn. Phương pháp hiệu quả để tăng kích thước điện của ăng-ten là xây dựng một mảng các phần bức xạ, trong đó trường bức xạ tổng là tổng hợp của các trường bức xạ riêng. Đây chính là cách định nghĩa ăng-ten mảng.

1.2. Ưu điểm của công nghệ ăng ten mảng thưa 53 ký tự

Công nghệ ăng-ten mảng thưa giúp giảm đáng kể chi phí, giảm số phần phát, giảm yêu cầu năng lượng và không gian. Cấu trúc này cũng giúp giảm hiện tượng ghép nối giữa các phần trong mảng, giảm ảnh hưởng của nhiễu cực đến hiệu suất phát/thu. Với một lượng cảm biến nhất định, mảng thưa cung cấp khẩu độ lớn hơn mức cao hơn mảng đầy. Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm như khả năng thu thập thông tin một hướng hạn chế.

II. Thách thức và giải pháp tối ưu hóa ăng ten mảng thưa 59 ký tự

Một trong những thách thức lớn nhất khi sử dụng công nghệ mảng thưa là kiểm soát mức búp sóng bên, đặc biệt trong các ứng dụng như radar, nơi yêu cầu phạm vi quét điện rộng. Các phương pháp truyền thống như MRA và MHA có những hạn chế nhất định về vấn đề này. Đề án thạc sĩ cần tập trung vào việc nghiên cứu các phương pháp tối ưu hóa ăng-ten để giải quyết vấn đề này. Theo tài liệu, việc nâng cao ứng dụng của công nghệ mảng thưa trong ăng-ten mảng cực, ngoài việc xem xét các tham số như chọn không gian và hệ số tối ưu thành phần, các mức búp bên và phạm vi quét điện được bổ sung nghiên cứu. Điều này là cần thiết để thiện khả năng hoạt động của hệ thống ăng-ten mảng thưa trong nhiều mảng ứng dụng.

2.1. Các phương pháp giảm mức búp sóng bên 52 ký tự

Nghiên cứu các thuật toán chọn chấn và điều chỉnh bộ pha biên độ của các chân để giảm thiểu và bỏ các nhược điểm của kiến trúc mảng thưa. Cần phải nghiên cứu các phương pháp MRA (Minimum Redundancy Arrays) và MHA (Minimum Hole Arrays), CPA (Co-Prime Arrays), NA (Nested Array) SNA (Supper Nested Array). Phân tích những ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp, từ đó đề xuất giải pháp phù hợp. Đặc biệt cần tập trung vào ứng dụng trong radar, nơi yêu cầu mức búp bên thấp và phạm vi quét rộng.

2.2. Tối ưu hóa phạm vi quét điện cho ăng ten 52 ký tự

Phạm vi quét điện là yếu tố quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng radar và thông tin vệ tinh. Nghiên cứu các kỹ thuật beamforming để mở rộng phạm vi quét điện của ăng-ten mảng thưa. Cần xem xét ảnh hưởng của khoảng cách giữa các phần tử ăng-ten đến phạm vi quét điện. Sử dụng các phần mềm mô phỏng như HFSS và CST để kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế.

III. Thiết kế và mô phỏng ăng ten tích cực mảng thưa 60 ký tự

Quá trình thiết kế và mô phỏng ăng-ten tích cực mảng thưa đóng vai trò then chốt trong việc đánh giá hiệu quả của các giải pháp tối ưu hóa. Đề án cần trình bày chi tiết quy trình thiết kế, từ lựa chọn vật liệu ăng-ten đến xác định các thông số kỹ thuật quan trọng như tần số hoạt động, độ lợi và băng thông. Việc sử dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng như HFSS và CST là bắt buộc để kiểm tra và tối ưu hóa hiệu suất của ăng-ten. Theo tài liệu, cần có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn để đảm bảo tính khả thi của đề án. Việc xây dựng mô hình mô phỏng chính xác sẽ giúp dự đoán và cải thiện hiệu suất của ăng-ten trong môi trường thực tế.

3.1. Lựa chọn vật liệu và tần số hoạt động 50 ký tự

Vật liệu ăng-ten và tần số hoạt động là hai yếu tố then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất của ăng-ten tích cực mảng thưa. Cần nghiên cứu các loại vật liệu có độ dẫn điện cao, tổn thất thấp và khả năng chịu nhiệt tốt. Lựa chọn tần số hoạt động phù hợp với ứng dụng cụ thể (ví dụ: 5G, radar, thông tin vệ tinh). Phân tích ảnh hưởng của vật liệu và tần số hoạt động đến độ lợi, băng thông và VSWR của ăng-ten.

3.2. Quy trình mô phỏng bằng phần mềm HFSS CST 55 ký tự

Xây dựng mô hình ăng-ten 3D trong phần mềm HFSS hoặc CST. Thiết lập các thông số mô phỏng (ví dụ: điều kiện biên, tần số quét). Thực hiện mô phỏng để đánh giá hiệu suất của ăng-ten (ví dụ: độ lợi, băng thông, VSWR, mẫu bức xạ). Tối ưu hóa thiết kế dựa trên kết quả mô phỏng. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả đo kiểm thực tế để đánh giá độ chính xác của mô hình.

IV. Ứng dụng thực tế và đánh giá hiệu suất ăng ten 55 ký tự

Đề án cần tập trung vào việc nghiên cứu các ứng dụng thực tế của ăng-ten tích cực mảng thưa, đặc biệt trong lĩnh vực viễn thông 5G và hệ thống radar. Việc đánh giá hiệu suất của ăng-ten trong môi trường thực tế là vô cùng quan trọng. Theo tài liệu, cần xây dựng một hệ thống thực nghiệm để đo kiểm và đánh giá các thông số quan trọng như độ lợi, băng thông, VSWR và mẫu bức xạ. Kết quả đánh giá sẽ cung cấp thông tin quan trọng để cải thiện thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất của ăng-ten trong các ứng dụng thực tế.

4.1. Ứng dụng trong mạng viễn thông 5G 44 ký tự

Công nghệ mảng thưa có thể được ứng dụng trong các trạm gốc 5G để giảm chi phí và độ phức tạp của hệ thống ăng-ten. Nghiên cứu các kỹ thuật beamforming để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống MIMO. Phân tích ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn đến hiệu suất của ăng-ten.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống radar 41 ký tự

Ăng-ten tích cực mảng thưa có thể được ứng dụng trong các hệ thống radar quân sự và dân sự để phát hiện và theo dõi mục tiêu. Nghiên cứu các kỹ thuật giảm nhiễu để cải thiện độ chính xác của hệ thống radar. Phân tích ảnh hưởng của nhiễu đến hiệu suất của ăng-ten.

V. Xây dựng hệ thống thực nghiệm và đánh giá kết quả 59 ký tự

Để kiểm chứng và đánh giá hiệu quả của các phương pháp tối ưu hóa và thiết kế ăng-ten tích cực mảng thưa, việc xây dựng một hệ thống thực nghiệm là vô cùng quan trọng. Hệ thống này sẽ cho phép đo kiểm các thông số thực tế của ăng-ten và so sánh với kết quả mô phỏng. Theo tài liệu, quá trình đo kiểm cần tuân thủ các quy trình và tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo tính chính xác và tin cậy của kết quả. Dữ liệu thu thập được sẽ cung cấp cơ sở để cải thiện thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất của ăng-ten trong môi trường thực tế.

5.1. Phương pháp đo kiểm và công dụng 41 ký tự

Trình bày chi tiết phương pháp đo kiểm (ví dụ: đo trường gần, đo trường xa). Liệt kê các công dụng của việc đo kiểm (ví dụ: đánh giá độ lợi, băng thông, VSWR, mẫu bức xạ). Đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả đo kiểm.

5.2. Kết quả đo kiểm búp sóng và đánh giá 53 ký tự

Phân tích kết quả đo kiểm búp sóng (ví dụ: độ rộng búp sóng, mức búp bên). So sánh kết quả đo kiểm với kết quả mô phỏng. Đánh giá hiệu suất của ăng-ten dựa trên kết quả đo kiểm. Đề xuất các giải pháp để cải thiện hiệu suất của ăng-ten.

VI. Kết luận và hướng phát triển của công nghệ 52 ký tự

Đề án cần đưa ra kết luận về những thành công và hạn chế của nghiên cứu. Đồng thời, đề xuất các hướng phát triển tiềm năng của công nghệ mảng thưa trong tương lai. Theo tài liệu, cần tiếp tục nghiên cứu các phương pháp tối ưu hóa hiệu suất của ăng-ten, đặc biệt là trong việc kiểm soát mức búp sóng bên và phạm vi quét điện. Ngoài ra, cần mở rộng phạm vi ứng dụng của ăng-ten tích cực mảng thưa sang các lĩnh vực mới như Internet of Things (IoT) và thông tin vệ tinh.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu và đánh giá 46 ký tự

Tóm tắt các kết quả đạt được trong đề án. Đánh giá ưu điểm và nhược điểm của các giải pháp đã được đề xuất. Đề xuất các cải tiến để nâng cao hiệu quả của nghiên cứu.

6.2. Hướng phát triển công nghệ trong tương lai 54 ký tự

Nêu ra các hướng phát triển tiềm năng của công nghệ mảng thưa. Ví dụ: Ứng dụng trong IoT, thông tin vệ tinh, radar thế hệ mới. Nghiên cứu các vật liệu mới cho ăng-ten. Phát triển các thuật toán tối ưu hóa hiệu suất ăng-ten. Cần nghiên cứu thêm về phương pháp giảm nhiễu và can thiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỷ nguyên bùng nổ của mạng di động thế hệ thứ 5 (5G/6G) và các hệ thống ra-đa mảng pha hiện đại, mảng ăng-ten tích cực (Active Phased Array Antenna) giữ vai trò then chốt trong việc định hình chất lượng phủ sóng, nâng cao tỷ số tín trên tạp (SNR) và tăng độ chính xác định hướng góc đến (DOA). Tuy nhiên, để mở rộng khẩu độ bức xạ nhằm thu hẹp độ rộng búp sóng chính và tăng cự ly tác chiến hay tầm phủ sóng, cấu trúc mảng tuyến tính đồng nhất (ULA) truyền thống đòi hỏi số lượng phần tử bức xạ cùng các khối thu phát (TRM) tương ứng rất lớn. Trong thực tế ngành vô tuyến, chi phí cho mỗi mô-đun TRM chất lượng cao có thể lên tới 16.000 USD, khiến các hệ thống quy mô lớn như đài ra-đa SBX với 45.056 khối TRM hay đài AN/TPY-2 với 25.344 phần tử đối mặt với rào cản tài chính khổng lồ và mức tiêu thụ điện năng lớn.

Vấn đề cốt lõi nảy sinh khi giãn khoảng cách giữa các phần tử vượt quá nửa bước sóng ($>\lambda/2$) để tiết kiệm chấn tử là sự xuất hiện của các thùy cách tử (grating lobes) và búp sóng bên (sidelobe) có biên độ cao, gây suy giảm năng lượng búp chính và làm tăng nguy cơ thu tín hiệu nhiễu ngoài ý muốn. Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mảng thưa cho mảng ăng-ten tích cực" được thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông vào năm 2024 dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Tiến Ban nhằm giải quyết triệt để bài toán tối ưu hóa này.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng cấu trúc mảng thưa cải tiến có khả năng mô-đun hóa, triệt tiêu búp sóng bên, mở rộng góc quét điện tử và kiểm chứng trực tiếp trên hệ thống thực nghiệm băng X. Đề án đã đạt được độ lợi tiết kiệm chấn tử lên tới 62,5% (chỉ sử dụng 24 phần tử thay vì 64 phần tử tiêu chuẩn), kiểm soát mức búp bên vượt ngưỡng 15 dB đến 25 dB trong dải quét từ $-30^\circ$ đến $+30^\circ$, tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc nội địa hóa các thiết bị viễn thông và ra-đa công nghệ cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết mảng pha tích cực, nguyên lý mảng không đồng nhất (Non-Uniform Linear Array - NULA) và các thuật toán xử lý tín hiệu không gian. Khung lý thuyết trọng tâm bao gồm:

• Lý thuyết tổng hợp mảng thưa: Kế thừa và phát triển từ các mô hình kinh điển như mảng dự phòng tối thiểu (Minimum Redundancy Arrays - MRA), mảng lỗ hổng tối thiểu (Minimum Hole Arrays - MHA), mảng đồng dư (Co-Prime Arrays - CPA) và mảng lồng nhau (Nested Arrays - NA / Super Nested Arrays - SNA). Đề tài chỉ ra hạn chế của các mô hình này trong việc khó sản xuất hàng loạt và đề xuất mô hình mảng thưa khối hóa kết hợp vùng trung tâm dày đặc (inner array) với khoảng cách $d_{\text{inner}} = \lambda/2$ và vùng biên thưa thớt (outer array) với khoảng cách $d_{\text{outer}} = 3\lambda$.
• Nguyên lý nhân mẫu bức xạ và tạo búp sóng thích nghi: Đối với mẫu bức xạ một chiều, áp dụng mô hình toán học tối ưu hóa vector trọng số phức $w$ thông qua hàm mục tiêu cực tiểu hóa năng lượng búp bên tại hướng góc triệt tiêu ($\Theta_{\text{null}}$) đồng thời bảo toàn năng lượng búp sóng chính ($\Theta_{\text{main}}$). Đối với mẫu bức xạ hai chiều, áp dụng nguyên lý nhân đồ hình giữa búp phát ($AF_{\text{TX}}$) và búp thu ($AF_{\text{RX}}$) kết hợp phân bố cửa số Chebyshev để triệt tiêu hoàn toàn thùy cách tử.
• Lý thuyết biến đổi trường gần - trường xa (Near-Field to Far-Field - NF2FF): Ứng dụng các phép biến đổi tích phân Fourier và hàm Hankel để tái tạo chính xác đồ hình bức xạ không gian 3D từ dữ liệu pha và biên độ đo quét trên mặt phẳng trường gần.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng điện từ chuyên sâu và đo kiểm thực nghiệm nghiêm ngặt:

• Cỡ mẫu và cấu hình phần cứng: Hệ thống thực nghiệm băng X gồm 24 phần tử ăng-ten Vivaldi chế tạo trên vật liệu bo mạch in (PCB), kết nối với 3 mô-đun TRM (mỗi mô-đun gồm 8 kênh thu phát độc lập, tổng cộng 24 kênh điều khiển số). Hệ thống sử dụng bộ chia tín hiệu cao tần và nguồn tỉ lệ 1:8, ăng-ten đo mẫu dạng loa chuẩn và hệ thống quét trường gần trên thanh ray cơ khí điều khiển động cơ bước có bước dịch chuyển dưới 1 mm.
• Phương pháp phân tích và mô phỏng: Sử dụng MATLAB để tính toán lý thuyết và chạy thuật toán tối ưu hóa Gradient Descent. Đồng thời, nghiên cứu sử dụng bộ đôi phần mềm Ansys HFSS và CST Studio Suite để mô phỏng trường điện từ 3D toàn sóng. Việc lựa chọn công cụ mô phỏng 3D chuyên dụng nhằm tính toán chính xác hiện tượng ghép nối tương hỗ (mutual coupling) phức tạp giữa các chấn tử Vivaldi đặt sát nhau – yếu tố mà các công thức giải tích thuần túy thường bỏ qua.
• Tiến trình đo kiểm: Đo đạc phân bố trường gần qua máy phân tích mạng véc-tơ (VNA), kiểm soát sai số biên độ giữa các kênh dưới $\pm 0,5\text{ dB}$ và sai số lệch pha dưới $\pm 5^\circ$. Dữ liệu quét từ $-45^\circ$ đến $+45^\circ$ với bước đo $10^\circ$ được lưu dưới định dạng file tiêu chuẩn .s1p và xử lý chuyển đổi sang trường xa qua phần mềm viết trên nền tảng C# và MATLAB.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi vượt trội của kiến trúc mảng thưa cải tiến qua cả ba khía cạnh: tính toán giải tích, mô phỏng 3D và đo kiểm phần cứng:

• Tối ưu hóa số lượng phần tử và chi phí phần cứng: Kiến trúc 24 phần tử đề xuất tạo ra khẩu độ bức xạ và độ rộng búp sóng tương đương với mảng ULA tiêu chuẩn 64 phần tử. Mức độ tinh giản chấn tử và khối TRM đạt 62,5%, giúp cắt giảm hơn 60% tổng chi phí sản xuất linh kiện bán dẫn cao tần và giảm đáng kể lượng nhiệt tỏa ra trên toàn bộ dàn ăng-ten.
• Chất lượng búp sóng một chiều (1D Beamforming): Khi áp dụng bộ trọng số pha - biên độ tối ưu hóa bằng thuật toán thích nghi, mức búp sóng bên tại góc quét $0^\circ$ đạt mức suy giảm $-17,1\text{ dB}$ trên mô phỏng MATLAB và $-15,56\text{ dB}$ trên phần mềm Ansys HFSS/CST Studio. Dải quét búp sóng điện tử duy trì ổn định trong khoảng từ $-20^\circ$ đến $+20^\circ$ mà không làm biến dạng búp sóng chính.
• Hiệu năng vượt bậc của búp sóng hai chiều (2D Beamforming): Thông qua kỹ thuật nhân mẫu bức xạ kết hợp cửa sổ Chebyshev, mức búp bên triệt tiêu đạt tới $-25\text{ dB}$ tại góc $0^\circ$. Khả năng quét búp sóng điện tử đạt dải rộng từ $-30^\circ$ đến $+30^\circ$ trên mô phỏng chuyên dụng và mở rộng tới $\pm 45^\circ$ trong môi trường tính toán giải tích.
• Độ chính xác thực nghiệm cao: Kết quả đo kiểm trường gần sau khi biến đổi NF2FF cho thấy sự trùng khớp chặt chẽ với mô phỏng Ansys HFSS. Độ rộng búp sóng đo được tại góc $0^\circ$ đạt xấp xỉ $2,6^\circ$, các vị trí triệt tiêu búp bên (null placement) trùng khớp hoàn toàn với các đỉnh thùy cách tử của tuyến thu.

Thảo luận kết quả

Khi đối sánh kết quả với các kiến trúc mảng thưa truyền thống như MRA, MHA và Co-prime, giải pháp đề xuất khắc phục được nhược điểm nghiêm trọng nhất của các nghiên cứu trước đây là mức búp bên cao (thường chỉ đạt dưới $10\text{ dB}$) và cấu trúc hình học bất đối xứng gây khó khăn cho gia công chế tạo. Bằng cách gom cụm 16 chấn tử trung tâm cách đều $\lambda/2$ và phân tách 8 chấn tử biên thành các khối trượt đối xứng cách đều $3\lambda$, thiết kế này cho phép "block hóa" các cụm phần tử, mở đường cho dây chuyền sản xuất công nghiệp hàng loạt.

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                           SO SÁNH CÁC KIẾN TRÚC MẢNG                        |
+----------------------+--------------------+-------------------+-------------+
| Tiêu chí             | Mảng ULA chuẩn     | Mảng thưa CPA/NA  | Giải pháp   |
|                      |                    | truyền thống      | Đề xuất     |
+----------------------+--------------------+-------------------+-------------+
| Số phần tử tương ứng | 64 phần tử         | 24 - 32 phần tử   | 24 phần tử  |
| Tỷ lệ tiết kiệm TRM  | 0% (Tham chiếu)    | 50% - 62,5%       | 62,5%       |
| Mức búp bên (SLL)    | < -20 dB           | -6 dB đến -10 dB  | < -15.56 dB |
| Khả năng Block hóa   | Rất cao            | Rất thấp          | Rất cao     |
| Độ phức tạp gia công | Thấp               | Rất cao           | Trung bình  |
+----------------------+--------------------+-------------------+-------------+

Dữ liệu so sánh qua các biểu đồ bức xạ chứng minh rằng sự sai lệch nhỏ giữa mô phỏng HFSS và tính toán lý thuyết bắt nguồn từ hiện tượng sóng phản xạ bề mặt và tổn hao trên các đầu nối SMA. Tuy nhiên, sai số pha được khống chế chặt chẽ dưới $\pm 5^\circ$ đã bảo đảm độ định hướng của búp chính không bị suy giảm quá $0,8\text{ dBi}$, hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe của hệ thống đài ra-đa 3D hiện đại.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được từ đề án, 4 nhóm giải pháp mang tính hành động cao được đề xuất nhằm ứng dụng và hoàn thiện công nghệ:

• Tối ưu hóa thuật toán điều khiển thích nghi thời gian thực: Nâng cấp thuật toán Gradient Descent bằng các kỹ thuật tối ưu hóa phi tuyến bậc cao kết hợp trí tuệ nhân tạo (AI/Machine Learning) nhằm rút ngắn thời gian hội tụ tính toán trọng số phức dưới 5 mili-giây, ngăn chặn hiện tượng kẹt tại điểm cực tiểu cục bộ khi điều khiển búp sóng động. (Chủ thể: Nhóm nghiên cứu xử lý tín hiệu số viễn thông; Thời gian: 6 tháng).
• Tiêu chuẩn hóa và thương mại hóa mô-đun TRM mảng thưa: Xây dựng quy chuẩn đóng gói mô-đun TRM 8 kênh tích hợp IC chuyển pha số và suy hao số độ phân giải cao (sai số pha $<3^\circ$, sai số biên độ $<0,1\text{ dB}$), phục vụ sản xuất khối lượng lớn cho các hệ thống đài ra-đa phòng không và cảnh giới biển. (Chủ thể: Các doanh nghiệp công nghệ cao như Viettel High Tech, VNPT; Thời gian: 12 tháng).
• Mở rộng tích hợp công nghệ vào mạng Massive MIMO 5G/6G: Ánh xạ cấu trúc mảng thưa 2D lên các trạm gốc Massive MIMO thương mại hoạt động tại dải tần sóng milimet (mmWave từ 28 GHz đến 39 GHz), hướng tới mục tiêu giảm 40% công suất tiêu thụ điện toàn trạm và tiết kiệm 50% chi phí lắp đặt khối vô tuyến (RU). (Chủ thể: Các nhà mạng viễn thông và viện thiết kế thiết bị; Thời gian: 18 tháng).
• Hoàn thiện hệ thống đo kiểm tự động hóa trường gần: Đầu tư nâng cấp giàn cơ khí quét trường gần đa trục tự động tích hợp buồng đo câm (Anechoic Chamber), giúp chuẩn hóa quy trình hiệu chỉnh pha - biên độ tự động cho các mảng ăng-ten cỡ lớn trên 100 chấn tử. (Chủ thể: Phòng thí nghiệm trọng điểm thuộc các trường đại học khối kỹ thuật; Thời gian: 9 tháng).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn cung cấp nguồn tài liệu kỹ thuật toàn diện, giàu giá trị thực tiễn và đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng:

• Kỹ sư thiết kế phần cứng RF và ăng-ten cao tần: Tiếp cận quy trình từng bước từ tính toán giải tích, mô phỏng điện từ trên HFSS/CST đến phương pháp chế tạo chấn tử Vivaldi và hiệu chuẩn dây dẫn tín hiệu vi dải băng X.
• Chuyên gia xử lý tín hiệu và điều khiển hệ thống: Tham khảo phương pháp xây dựng hàm mục tiêu thích nghi, thuật toán tối ưu hóa vector trọng số phức và thuật toán biến đổi trường gần - trường xa (NF2FF) xử lý dữ liệu ma trận tán xạ.
• Lãnh đạo kỹ thuật và kiến trúc sư hệ thống tại các doanh nghiệp viễn thông, quốc phòng: Có cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác để phân tích bài toán tối ưu chi phí (Cost-Benefit Analysis), lựa chọn giải pháp mảng thưa thay thế mảng đầy đủ trong các dự án phát triển ra-đa 3D, thiết bị truyền thông vệ tinh GEO và trạm phát sóng 5G.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp nghiên cứu định hướng ứng dụng, cách thức kết hợp giữa lý thuyết vi ba, mô phỏng chuyên sâu và đo kiểm hệ thống phần cứng thực tế.

Câu hỏi thường gặp

Ăng-ten mảng thưa giúp giảm chi phí sản xuất hệ thống ra-đa như thế nào?

Ăng-ten mảng thưa giảm trực tiếp số lượng chấn tử phát xạ và các khối thu phát (TRM) đi kèm mà vẫn giữ nguyên khẩu độ ăng-ten tương đương mảng ULA. Trong đề án này, số phần tử giảm từ 64 xuống 24 (tiết kiệm 62,5%), giúp cắt giảm hàng trăm ngàn USD chi phí linh kiện bán dẫn cao tần và giảm đáng kể điện năng tiêu thụ.

Làm thế nào để loại bỏ thùy cách tử khi khoảng cách chấn tử lớn hơn nửa bước sóng?

Nghiên cứu sử dụng hai kỹ thuật chính: Với mẫu bức xạ 1 chiều, áp dụng thuật toán Gradient Descent tìm bộ trọng số biên độ - pha tối ưu để nén búp bên. Với mẫu bức xạ 2 chiều, áp dụng nguyên lý nhân đồ hình ($AF_{\text{Total}} = AF_{\text{TX}} \times AF_{\text{RX}}$) kết hợp phân bố Chebyshev, đặt các điểm triệt tiêu (null) của tuyến phát trùng khớp với vị trí thùy cách tử của tuyến thu.

Tại sao cần kết hợp cả mô phỏng MATLAB và Ansys HFSS/CST Studio?

MATLAB xử lý nhanh các thuật toán tối ưu và ma trận giải tích lý thuyết truyền sóng phẳng. Tuy nhiên, Ansys HFSS và CST Studio là phần mềm mô phỏng trường điện từ 3D toàn sóng, giúp tính toán chính xác hiện tượng ghép nối tương hỗ (mutual coupling) phức tạp và bức xạ thực tế giữa các chấn tử Vivaldi, đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối trước khi chế tạo mạch.

Phương pháp biến đổi trường gần sang trường xa (NF2FF) có ưu điểm gì?

Phương pháp NF2FF cho phép thu nhận dữ liệu bức xạ ăng-ten ngay trong không gian phòng thí nghiệm có kích thước giới hạn bằng cách quét bề mặt ở cự ly gần. Sử dụng biến đổi Fourier và hàm Hankel, dữ liệu được chuyển đổi chính xác sang búp sóng trường xa mà không cần không gian đo đạc ngoài trời rộng lớn hàng trăm mét.

Hệ thống thực nghiệm trong đề tài được thiết lập trên dải tần số nào?

Hệ thống thực nghiệm được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hoạt động ở dải tần số băng X (X-band). Hệ thống bao gồm 24 chấn tử Vivaldi dải rộng, 3 khối TRM 8 kênh điều khiển số độc lập cùng hệ thống máy phân tích mạng véc-tơ (VNA) và phần mềm điều khiển động cơ quét tự động.

Kết luận

• Đề tài đã giải quyết thành công bài toán búp sóng bên cao của công nghệ mảng thưa khi ứng dụng cho mảng ăng-ten tích cực, tạo bước đột phá trong thiết kế ăng-ten mảng pha hiện đại.
• Cấu trúc đề xuất đạt độ lợi giảm 62,5% số lượng phần tử bức xạ và khối TRM so với mảng tuyến tính đồng nhất ULA có cùng kích thước khẩu độ.
• Mức búp sóng bên được kiểm soát triệt để, đạt độ suy giảm $-15,56\text{ dB}$ trên mẫu 1D và $-25\text{ dB}$ trên mẫu 2D với phạm vi quét búp sóng điện tử ổn định từ $-30^\circ$ đến $+30^\circ$.
• Hệ thống thực nghiệm băng X với 24 kênh điều khiển số độc lập đã chứng minh tính khả thi tuyệt đối và độ tin cậy cao của các mô hình toán học và kết quả mô phỏng 3D.
• Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp viễn thông - quốc phòng quan tâm có thể khai thác trực tiếp thiết kế khối hóa này để tích hợp vào các dự án thương mại hóa trạm gốc 5G/6G Massive MIMO và các đài ra-đa cảnh giới tầm xa thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề và giải quyết vấn đề. — Tiếp cận bằng mô phỏng: sử dụng công cụ mô phỏng MATLAB để mô phỏng và kiểm chứng kết quả từ cơ sở lý thuyết. Đánh giá được hiệu quả của giải pháp thông qua kết quả giản đồ hướng trên mô phỏng. —_ Tiếp cận bằng thực tiễn: xây dựng hệ thống thực tế để áp dụng, đánh giá kết quả tính toán và mô phỏng.

TONG QUAN VE CONG NGHE ANG-TEN MANG THUA 1.1 Giới thiệu về ăng-ten mảng Trong thông tin liên lạc từ xa, việc sử dụng các ăng-ten có độ định hướng cao là cần thiết. Tuy nhiên, mô hình bức xạ của ăng-ten đơn phần tử thông thường có độ định hướng tương đối thấp [5]. Để giải quyết vấn đề này, một phương pháp được áp dụng là mở rộng kích thước của khẩu độ bức xạ, tuy nhiên, nó gây ra một số hạn chế, bao gồm sự xuất hiện của nhiều thùy bên và khó khăn trong việc chế tạo các ăng-ten có kích thước lớn. Một phương pháp hiệu quả để tăng kích thước điện của ăng-ten là xây dựng một mảng các phần tử bức xạ, trong đó trường bức xạ tổng là tổng hợp của các trường bức xạ riêng lẻ [5].

Để có tính định hướng cao, các thành phần trường bức xạ này tương tác theo hướng mong muốn và triệt tiêu tại các không gian còn lại. Đây chính là cách mà ăng-ten mảng được định nghĩa.1 Ăng-ten mảng ẢAng-ten mảng là sự sắp xêp hình học của tập hợp các phân tử cảm biên riêng lẻ có cùng kiểu bức xạ, các phần tử này được kết nối hoạt động cùng nhau như một ăng-ten duy nhất để truyền hoặc nhận sóng vô tuyến [6]. Các ăng-ten thành phần thường được kết nối với một máy thu hoặc máy phát duy nhất, được bố trí theo cấu trúc hình học bất kỳ tại những vị trí khác nhau trong không gian mảng. Một số loại ăng-ten mảng điển hình như: a.

Ăng-ten mảng tuyến tính Các phần tử ăng-ten thành phần được sắp xếp đọc theo một trục với một bộ dịch pha. Với cấu trúc này, ăng-ten được bế trí đơn giản nhưng việc điều khiển chùm tia bị giới hạn trong một mặt phẳng. Búp sóng chính + 1 1 1 1 1 11 TTTT11T1 ớ Hình 1. Cấu trúc ăng-ten mang tuyến tính [7] b.

Ăng-ten mảng phẳng Ăng-ten mảng phẳng bao gồm nhiều ăng-ten riêng lẻ, mỗi ăng-ten được kết nối với một bộ dịch pha riêng. Các ăng-ten được sắp xếp theo cấu trúc ma trận trên một mặt phẳng. Nhờ cấu trúc này, chùm tỉa tạo ra có thể được lệch trong hai chiều phẳng khác nhau. Tuy nhiên, một nhược điểm của ăng-ten mảng phẳng là cần có số lượng lớn bộ dịch pha.

0, VOL LAADADL ASA. ly LESS a ee 2 Hình 1. Cấu trúc ăng-ten mảng phẳng N x M phần tử ăng-ten thành phần [8] c. Ăng-ten mảng quét tần số Trong trường hợp việc điều khiển chùm tia phụ thuộc vào tần số của máy phát, ăng-ten mảng pha được gọi là ăng-ten mảng quét tần số.

Ăng-ten mảng quét tần số không sử dụng bộ dịch pha và việc điều khiển chùm tia được thực hiện thông qua việc điều chỉnh tần số của máy phát. fa) Phần tử ăng-ten (hì Ị| ị{ i‘ (Serer arene Hình 1. a) Cấu trúc ăng-ten mảng quét tần số và b) Hướng truyền sóng [9] d. Ăng-ten mảng pha Ang-ten mang pha là ăng-ten mảng được điều khiển bằng điện tử để tạo ra chùm sóng vô tuyến, trong đó hình dạng và hướng của mẫu bức xạ có thể thay đổi thông qua việc quét điện tử mà không cần di chuyên ăng-ten về mặt vật lý [10].