Trong những năm gần đây, quá trình phát triển của các hệ thống truyền thông vô tuyến đã và đang được thúc đẩy mạnh mẽ bởi sự gia tăng nhu cầu của người sử dụng đối với khả năng truy nhập tốc độ cao vào các hệ thống truyền thông đa phương tiện. Trong khi các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện tại như WLAN, Bluetooth, 2G, 3G (WCDMA), và trong tương lai gần là 4G, đang và sẽ hỗ trợ một cách đa dạng các khả năng truy nhập vô tuyến cho người sử dụng với tốc độ truyền dẫn dữ liệu lên một vài cho đến vài chục Mbps.

Đã có nhiều giải pháp kỹ thuật được đề xuất nhằm mục đích gia tăng dung lượng của hệ thống thông tin di động. Cấu trúc mảng anten nhiều tia hẹp đã và đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm từ phía các nhà nghiên cứu và thiết kế hệ thống vô tuyến. Khi kỹ thuật SDMA được kết hợp vào các hệ thống thông tin di động hiện tại dựa trên nền tảng CDMA thì dung lượng của hệ thống có thể được cải thiện một cách đáng kể thông qua: công suất của sóng mang hướng xuống (từ BTS xuống thuê bao di động) được điều khiển thích nghi theo từng tia hẹp, như biểu diễn trong hình trên và mảng anten nhiều tia hẹp cung cấp khả năng giảm thiểu đáng kể công suất giao thoa (nhiễu) trong toàn mạng, qua đó tăng đáng kể tỷ số sóng mang trên nhiễu C/I. Mặc dù kỹ thuật đa truy nhập kết hợp SDMA/CDMA cho phép gia tăng dung lượng của hệ thống, nhưng lại đặt ra một thách thức to lớn đối với các nhà thiết kế anten đó là phải thiết kế ra các cấu trúc anten mảng thông minh đa tia hẹp, có thể bức xạ nhiều tia đồng thời. Kết quả cho ra sẽ là một cấu trúc anten khá phức tạp về mặt vật lý và hệ thống xử lý tín hiệu.

Hiện nay cũng chỉ có một số ít cơ sở nghiên cứu đang thực hiện những đề tài khoa học thuộc lĩnh vực anten và siêu cao tần đó là Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Viện Kỹ thuật Quân sự, Đại học Khoa học và Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Bách Khoa TP. HCM và Đại học Bách Khoa Hà Nội do lĩnh vực siêu cao tần và anten là một lĩnh vực khó, do đó không có nhiều sinh viên theo đuổi, dẫn đến việc thiếu hụt trầm trọng đội ngũ nghiên cứu chuyên sâu so với nhu cầu phát triển. Điều kiện thiết bị thí nghiệm còn nhiều hạn chế bởi hầu hết các thiết bị đo tần số cao đều có giá thành rất cao, luôn nằm ngoài khả năng trang bị của một đơn vị độc lập nếu không có sự đầu tư tập trung của Nhà nước.  Trước tình hình đó, nhóm nghiên cứu do TS Phạm Nguyễn Thanh Loan, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã thực hiện đề tài: “Thiết kế và phát triển anten thông minh phẳng tích hợp trên đế điện môi có cấu trúc dị thường cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới 3G/4G” nhằm tạo ra một công cụ hoàn chỉnh để tính toán trường điện từ. Từ đó, áp dụng để thiết kế anten thông minh cho hệ thống thông tin di động thế hệ mới 3G/4G.

Sau một thời gian triển khai thực hiện (từ 05/2012 đến 04/2014), đề tài đã thực hiện tốt theo các nội dung nghiên cứu, đáp ứng các chỉ tiêu thiết kế đặt ra. Các nội dung chính đã đạt được như sau:

(1) Tìm kiếm, thu thập và tổng hợp các tài liệu, số liệu kỹ thuật có liên quan đến việc triển khai thử nghiệm anten thông minh trong các hệ thống thông tin di động tế bào. Cho đến nay có hai dự án điển hình triển khai thử nghiệm hệ thống anten thông minh vào hệ thống điện thoại di động, đó là: dự án TSUNAMI II (Technology in Smart antennas for UNiversal Advanced Mobile Infrastructure - Part 2) và Dự án hợp tác giữa Tập đoàn Ericsson và nhà cung cấp dịch vụ Mannesmann Mobilfunk của CHLB Đức nhằm mục tiêu triển khai thử nghiệm công nghệ anten thông minh cho cả hướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink) của hệ thống thông tin di động 2G GSM.

(2) Phát triển công cụ tính toán trường điện từ với sự trợ giúp của máy tính. Xây dựng và áp dụng phù hợp phương trình tích phân hỗn hợp điện từ trường cho các cấu trúc phức tạp. Việc ứng dụng phương trình CFIE vào bài toán nghiên cứu thiết kế anten nhằm biểu diễn chính xác hiện tượng vật lý xảy ra trong các cấu trúc phức tạp, bao gồm sự phân bố cả của dòng điện và dòng từ trong các khe hẹp. Vì vậy, đi sâu nghiên cứu và xây dựng phương trình tích phân điện – từ trường kết hợp dùng cho mục đích mô phỏng các cấu trúc phức tạp, không đồng nhất.  Phát triển thuật toán rời rạc bề mặt mô hình anten thành các phần tử tam giác cho mục đích tính toán xấp xỉ sử dụng hàm cơ bản Rao-Wilton-Glibson (RWG) hiệu chỉnh. Phát triển thuật toán giải phương trình ma trận (hay hệ các phương trình tuyến tính) dạng [V] = [Z] [I] theo phương pháp lặp số dư tối thiểu GMRES (Generalized Minimal RESidual method). Đây là một phương pháp tính toán xấp xỉ nghiệm dạng véc-tơ trong không gian con Krylov với số dư tối thiểu, trong đó véc-tơ nghiệm được tìm bởi thuật toán lặp Arnoldi. Xây dựng công cụ xử lý dữ liệu sau mô phỏng như: tính toán đồ thị bức xạ, tính toán hiệu suất bức xạ, hệ số tăng ích, thuộc tính phối hợp trở kháng.

(3) Nghiên cứu và đề xuất mô hình phần tử bức xạ, cấu trúc máng phản xạ, cấu trúc mạng tiếp điện. Với hiệu suất bức xạ cao, mô hình lưỡng cực điện được lựa chọn làm phần tử bức xạ chính. Bằng việc sắp xếp hai lưỡng cực vuông góc, phần tử bức xạ có phân cực ±45 độ được xây dựng. Máng bức xạ sẽ được sử dụng như mặt phản xạ nhằm mục tiêu tập trung năng lượng về phía các tia sóng chính trong khi giảm thiểu các tia sóng phụ. 

(4) Chế tạo mẫu, đo đạc và triển khai thực nghiệm các mẫu anten thông minh trên mô hình trạm gốc BTS (được xây dựng cho mục đích thử nghiệm). 

(5) Phân tích thiết kế thành công mạch khuếch đại công suất và mạch điều khiển công suất cho trạm gốc 3G/4G. Mô hình anten trạm gốc được thiết kế gồm 04 bộ khuếch đại công suất được điều khiển thích nghi theo từng búp sóng tùy thuộc vào cường độ sóng tới. Mạch điều khiển công suất phát hay nói cách khác là điều khiển tầm phủ sóng của từng búp sóng chính sẽ được thực hiện trên máy tính. Để điều khiển công suất đầu ra thì vi điều khiển sẽ dựa vào tín hiệu đưa ra từ máy tính thông qua module kết nối Ethernet, tín hiệu máy tính điều khiển dựa vào mức công suất đầu ra mong muốn như là mức 40W, 30W hay 20W bằng cách điều khiển 1 attenuator ở đầu vào bộ khuếch đại.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 14826/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)