Trung Quốc phát minh ăng-ten siêu mỏng cho máy bay tàng hình

Viện Công nghệ Điện tử Tây Nam Trung Quốc và Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Trung Quốc (UESTC) đã giới thiệu ăng-ten vòng tròn toàn hướng siêu băng rộng, thiết kế siêu mỏng. Ăng-ten này có chiều cao chỉ bằng 0,047 lần bước sóng tần số thấp, nhỏ hơn nhiều và có khả năng phủ sóng dải tần rộng hơn. Công trình này đã được công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Điện tử.

Máy bay tàng hình J-20 do Trung Quốc phát triển: Ảnh: SMCP

Công nghệ này giúp duy trì khả năng liên lạc và dẫn đường hiệu quả mà không ảnh hưởng đến tính năng tàng hình radar hoặc hiệu suất khí động học.

Máy bay chiến đấu hiện đại ngày càng được thiết kế với hình dạng phẳng hơn để giảm thiểu dấu hiệu radar và tăng hiệu suất khí động học. Những máy bay này thường có cấu hình cánh bay không đuôi, giúp giảm đáng kể diện tích bề mặt có thể phát hiện bằng radar. Tuy nhiên, thiết kế mượt mà này lại gây khó khăn khi tích hợp hệ thống liên lạc và dẫn đường.

Ăng-ten truyền thống cồng kềnh và nhô ra khỏi máy bay nên dễ bị radar phát hiện. Để duy trì cả khả năng tàng hình và hiệu suất khí động học, ăng-ten nhỏ gọn tích hợp vào cấu trúc máy bay trở nên cần thiết. Hiện nay, ăng-ten nhỏ đến 5 mm có thể được tích hợp vào bề mặt máy bay, nhưng chỉ hoạt động trong dải tần hẹp 2,3-2,5 GHz. Để phủ sóng dải tần rộng hơn (150-600 MHz), chiều cao ăng-ten cần tăng lên đến 0,39 lần bước sóng, khiến kích thước lớn hơn nhiều so với 5 mm ban đầu.

Sơ đồ nguyên lý của mảng vòng phù hợp toàn hướng dựa trên phần tử ăng-ten ghép chặt. (In biểu thị biên độ kích thích của cổng thứ n, ra thể hiện khoảng cách từ trọng tâm của bát giác đều đến tâm của phần tử ăng-ten). Nguồn: sciencedirect

"Chúng tôi đề xuất ăng-ten mảng vòng tròn siêu băng rộng phù hợp với máy bay, dựa trên phần tử khe dài siêu băng rộng ghép chặt và phương pháp thu nhỏ truyền thống của ăng-ten toàn hướng", Phó Giáo sư Feng Yang, trưởng nhóm nghiên cứu từ UESTC cho biết.

Nhóm nghiên cứu đã thu nhỏ ăng-ten bằng cách mở rộng đường dẫn dòng điện, khiến nó có chiều dài điện lớn hơn kích thước vật lý. Thiết kế gồm hai ăng-ten lưỡng cực ghép chặt bố trí theo mẫu hình tròn, với mặt phẳng H (tương ứng với từ trường) thẳng hàng theo hướng mảng. Mỗi ăng-ten được thiết kế với khe hở dài, định hình dòng điện và cho phép hoạt động trên dải tần số rộng. Các phần tử được cấp nguồn đồng pha và công suất bằng nhau, đảm bảo cường độ tín hiệu đồng đều.

Sơ đồ quy trình xây dựng mảng phù hợp vòng tròn toàn hướng. Nguồn: sciencedirect

Để đạt thiết kế mỏng, ăng-ten sử dụng hai phần tử kết nối với bộ chia công suất dọc theo hướng mặt phẳng E (trường điện). Tuy nhiên, việc sử dụng chỉ hai phần tử dẫn đến hiệu ứng biên như mất dòng điện ở các cạnh và không khớp trở kháng. Để giải quyết vấn đề này, họ đã đưa vào tường ngắn mạch, phản xạ trường điện như gương và giúp kiểm soát dòng điện dọc theo ăng-ten. Họ cũng đặt điện trở tập trung trong khoảng cách của tường để hấp thụ sóng phản xạ biên.

Để giảm nhiễu phản xạ mặt đất, các nhà nghiên cứu đặt bề mặt chọn lọc tần số điện trở giữa ăng-ten và mặt đất kim loại. Mô phỏng cho thấy bề mặt này hấp thụ hơn 30% năng lượng phản xạ, đặc biệt ở tần số cao khi nhiễu nghiêm trọng nhất, cải thiện hiệu suất tổng thể.

Mẫu thử ăng-ten thực tế của mảng vòng phù hợp toàn hướng. Nguồn: sciencedirect

Kết quả là một mảng vòng tròn toàn hướng siêu mỏng, cực kỳ nhỏ gọn với tám phần tử, chiều cao chỉ bằng 0,047 lần bước sóng tần số thấp và đường kính bên 0,19 lần bước sóng. Ăng-ten hoạt động trên dải tần rộng, đạt băng thông trở kháng gần 12:1 trong khi duy trì tỷ số sóng đứng điện áp hoạt động (VSWR) ổn định dưới 3, cho thấy hiệu suất tốt với mất mát năng lượng tối thiểu. Ngoài ra, nó đảm bảo đặc tính bức xạ toàn hướng tốt, với các mẫu tăng ích được kiểm soát trong phạm vi 3 dB trên toàn bộ băng thông hoạt động, lý tưởng cho các ứng dụng ăng-ten đa chức năng trên máy bay.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng