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].
Điều này đạt được bằng cách truyền tín hiệu có cùng tần số từ tất cả các phần tử riêng lẻ trong mảng nhưng có độ lệch, độ dịch pha nhất định giữa mỗi phần tử ăng-ten. Ăng-ten mảng pha gồm hai loại chính: Ăng-ten mảng pha thụ động (Passive Phased Array), các phần tử ăng-ten không có khả năng điều chỉnh độ pha và biên độ một cách độc lập, thay vào đó, hình dạng và hướng của mẫu sóng được điều chỉnh thông qua thiết kế vật lý của mảng ăng-ten. Các phần tử ăng-ten thường được kết hợp với các phần tử phản xạ hoặc chất điện từ khác dé tạo ra mẫu sóng mong muốn [ I]. Ăng-ten mảng pha tích cực (Active Phased Array), mỗi phần tử ăng-ten trong mảng có thể được điều chỉnh độc lập về pha và biên độ sử dụng mạch kích hoạt riêng.
Nó cung cấp khả năng kiểm soát linh hoạt về hình dạng và hướng của mẫu sóng phản xạ, cho phép thay đổi hướng quét, phát hiện và theo dõi mục tiêu một cách nhanh chong [12]. Trong nghiên cứu hiện đại, ăng-ten mảng, đặc biệt là ăng-ten mảng pha tích cực, đang thu hút sự quan tâm rất lớn vì những lợi ích mà nó mang lại.2 Ung dụng của ăng-ten mảng ẢAng-ten mảng có nhiêu ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực truyện thông di động, ra-đa, truyền thông vệ tinh và máy bay không người lái. Truyền thông di động Trong truyền thông 5G, các công nghệ như MIMO, đa chùm tia, đa truy cập và mạng siêu mật độ được sử dụng để nâng cao hiệu suất hệ thống trên tần số sóng milimet. Mặc dù tần số sóng này không phù hợp cho việc truyền thông di động do tổn thất cao, các kỹ thuật như tạo chùm tia có thể giải quyết vấn đề này bằng cách tập trung bức xạ từ cấu trúc ăng-ten mảng.
Điều này quan trọng đề đạt được băng thông rộng, vùng phủ sóng rộng, công suất lớn và khả năng tạo ra nhiều chùm tia độc lập trong môi trường 5G [13]. Một số lợi ích khi ứng dụng kiến trúc ăng-ten mảng trong 5G như sau: — Tối ưu hóa hiệu suất mạng: Bằng cách điều khiển chùm sóng điện tử, tín hiệu được tập trung vào các thiết bị một cách hiệu quả hơn, tạo kết nối đáng tin cậy và giảm nhiễu xung quanh. Khả năng tự động thích ứng với môi trường và nhu cầu người dùng giúp đảm bảo tốc độ và khả năng kết nối. — Bảo đảm kết nối mạng: Kiến trúc ăng-ten mảng tạo ra nhiều chùm sóng vô tuyến, phục vụ từng thiết bị một cách độc lập.
Khả năng đa tia giúp mạng 5G hỗ trợ đa dạng thiết bị mà không giảm hiệu suất. Mô hình đa búp sóng tạo bởi cấu trúc ăng-ten mảng pha [14] —_ Thúc đây phát triển ứng dụng: Ăng-ten mảng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng cao cấp như thành phố thông minh, phẫu thuật từ xa và thực tế ảo trên mạng 5G thông qua các thiết kế ăng-ten thông minh. Hệ thống ra-da Ăng-ten mảng được sử dụng trong ra-đa để phát hiện, theo đõi và xác định vị trí các đối tượng di động. Các thiết kế ăng-ten truyền thống như feedhorn dần được thay thế bằng ăng-ten mảng pha nhờ vào những ưu điểm như mẫu ăng-ten linh hoạt, dải động lớn, khả năng điều khiển hướng sóng, hiệu suất tốt, độ nhạy cao, khả năng giảm nhiễu, và độ chính xác cao trong việc đo góc [15] [16].
Ăng-ten mảng phẳng ra-đa phòng không di động VHF Nebo-M [17] Một số các sản phẩm ra-đa quân sự thế hệ mới do Viettel sản xuất sử dụng kiến trúc ăng-ten mảng như VRS-SRS, VRS ~ MRS [18] đã bắt kịp xu hướng với các sản phẩm của các hãng sản xuất ra-đa nổi tiếng trên thế giới như Thales (Pháp), Lockheed Martin (Mỹ), nhận được sự quan tâm lớn của truyền thông trong nước và quốc tế. Kiến trúc ăng-ten mảng trong đài ra-đa 3D VRS-MRS [18] c. Truyền thông vệ tỉnh Ban đầu, ăng-ten vệ tinh sử dụng ăng-ten đĩa đơn có kích thước lớn và chỉ có thể nhận tín hiệu từ một vệ tinh duy nhất. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ, ăng-ten mảng pha đã trở thành một lựa chọn phổ biến trong ngành truyền 9 thông vệ tỉnh [19].
Ăng-ten mảng pha cho phép điều chỉnh góc phát sóng và tạo mẫu pha, điều này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng quét rộng, tạo mô hình phát sóng đa hướng cho phép phục vụ các khu vực hẹp và mật độ dân số cao, beamforming cho phép tập trung tín hiệu vệ tinh vào các khu vực cụ thể, cải thiện chất lượng tín hiệu và giảm nhiễu. Ngoài ra, ăng-ten mảng cũng có khả năng điều chỉnh để tránh nhiễu từ thời tiết xấu như mưa, tuyết hay mây đen, giúp đảm bảo ổn định liên lạc trong môi trường khắc nghiệt. a) Ang-ten mang mai vom trac dia (GEODA); b) Mô hình hoạt động của mảng con (rong kiến trúc GEODA; e) Chỉ tiết mảng phẳng tích cực 45 phần tử 1.2 Giới thiệu về công nghệ ăng-ten mảng thưa Trong kiên trúc ăng-ten mảng, đặc biệt trong các ứng dụng sử dụng nhiêu phần tử thu phát (TRM) như ra-đa (ví dụ như đài ra-đa Sea Based X band (SBX) với 45056 TRM), giá trị của mỗi TRM thường rất cao (một khối TRM có giá trị khoảng 16,000 $). Để giảm chỉ phí sản xuất và thời gian lắp đặt, kiến trúc ăng- ten mảng thưa đang là một hướng nghiên cứu đang rất được quan tâm.
Việc áp dụng kiến trúc này nhằm bảo toàn những ưu điểm của ăng-ten mảng mà vẫn giảm chỉ phí của sản phẩm dựa trên việc giảm số lượng TRM và các phần tử ăng- ten. Cấu trúc, đặc điểm và ứng dụng của kiến trúc ăng-ten này được trình bày dưới đây.1 Cấu trúc và đặc điểm của công nghệ ăng-ten mảng thưa Ăng-ten mảng thưa tuyến tính là một dạng của mảng tuyến tính không đồng nhất (NULA), có độ rộng khâu độ bằng máng ULA nhưng mật độ các phần tử thưa hơn so với mảng ULA [20]. Các phần tử ăng-ten trong mảng thưa được phân tán rải rác và có khoảng cách không đều. Điều này tạo ra một cấu trúc mảng không đồng nhất, gồm các vị trí ăng-ten được chọn một cách không liên tục và có thể không đối xứng.
Cấu trúc mảng thưa cần ít phần tử phát xạ hơn để cung cấp 10 cùng khẩu độ so với mảng ULA. Tuy nhiên, sự thiếu phần tử phát xạ đầu tiên/cuối cùng hoặc cả hai sẽ làm giảm khẩu độ mảng đi một hoặc hai đơn vị. Do đó, phần tử phát xạ đầu tiên và cuối cùng được giả định rằng luôn hoạt động để bảo toàn khẩu độ mảng [20]. ae = = ae = Vi mi i phan tử phát xạ | | 60%* te tk kok ok 5 | owweivy v¥ov vY 3 | 40t ' bbb > > be E lee + + + + + & ZUA44A A a a a 4 ˆ Tnhh Tp oo 4 6 Chiều dài khâu độ ăng-ten Hình 1.
Một số vị trí đặt phần tử ăng-ten trong kiến trúc mảng thưa [20] Kiến trúc ăng-ten mảng thưa có những ưu điểm cũng như nhược điểm riêng, cần cân đối giữa các ưu nhược điểm này để hướng tới cấu hình hiệu quả phục vụ từng yêu cầu riêng.