Phương pháp thiết kế anten mảng răng lược công nghệ vi dải cho hệ thống di động thế hệ mới hoạt động ở dải tần 28 GHz

Bài báo trình bày phương pháp thiết kế một anten mảng cấu trúc răng lược, công nghệ vi dải hoạt động trong vùng tần số 28 GHz. Trong bài báo này, lý thuyết, quy trình thiết kế cho loại anten kể trên và kết quả mô phỏng được trình bày cụ thể, chi tiết. Việc mô phỏng được thực hiện trên phần mềm CST đối với một mảng 8 phần tử răng lược, kích thước khoảng 15 mm x 60 mm x 0.2 mm đạt được hệ số phản xạ ngược S11 = - 45 dB, độ tăng ích G = 15.8 dB tại tần số cộng hưởng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Phương pháp thiết kế anten mảng lược công nghệ vi dải cho hệ thống di động hệ hoạt động dải tần 28 GHz Lê Thị Cẩm Hà(1),(5), Lê Minh Thùy(2), Tô Thị Thảo(3), Nguyễn Trọng Đức(4), Vũ Văn Yêm(5) Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn; (2) Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; (3) Khoa Cơ bản, Học viện Cơng nghệ Bưu viễn thơng; (4) Khoa Cơng nghệ thông tin, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam; (5) Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: ltcha@ftt.edu.vn, tththao@gmail.com, trong-duc.nguyen@vimaru.edu.vn,{thuy.leminh, yem.vuvan}@hust.edu.vn (1) Một số nghiên cứu gần dải tần thực với nhiều cấu trúc khác như: mảng anten Vivaldi đạt độ tăng ích G = 6.96–11.32 dB [5], mảng 4x4 anten lưỡng cực điện từ gồm lớp phức tạp đạt hệ số tăng ích 19 dBi [6]; mảng phần tử anten vi dải hình chữ nhật lớp ký sinh có G = 13.44 dBi [7]; mảng 42 phần tử anten vi dải hai lớp ký sinh đạt G = 21,4 dBi [8]; mảng 16 phần tử anten vi dải hình chữ nhật sử dụng cấu trúc mặt đất khuyết DGS (Defected Ground Structure) đạt G = 17.4 dBi [9]… Có thể thấy rằng, với phương thức kể trên, để đạt độ tăng ích mong muốn, cấu trúc anten thiết kế thường sử dụng nhiều lớp, cấu trúc đặc biệt DGS, phải khoét, chẻ khe … phức tạp - điều mà dải tần milimet nên tránh Trong đó, anten mảng kiểu lược so với anten mảng khác có nhiều ưu điểm dễ chế tạo, gọn nhẹ, giá thành thấp dễ dàng tích hợp với thiết bị khác Hơn đường tiếp điện cho phần tử anten ngắn nên hiệu có suy hao tương đối thấp, giảm tổn hao xạ mặt xạ giả đường tiếp điện so với phương pháp cấp nguồn song song nối tiếp truyền thống cho anten vi dải [10] Tuy nhiên, từ trước đến nay, anten cấu trúc lược sử dụng đa số công nghệ định vị tự động ô tô tần số 76.5 GHz [11], [12], [13], nay, chưa có báo đề cập rõ đến quy trình thiết kế cụ thể, đặc biệt dải tần 28 GHz Vì vậy, báo này, đưa phương pháp, quy trình thiết kế cụ thể loại anten này, việc mô thực tần số 28 GHz Thêm vào đó, với ưu điểm kể trên, đề xuất cấu trúc mảng anten lược công nghệ vi dải cho ứng dụng hệ thống thông tin di động 5G Abstract — Bài báo trình bày phương pháp thiết kế anten mảng cấu trúc lược, công nghệ vi dải hoạt động vùng tần số 28 GHz Trong báo này, lý thuyết, quy trình thiết kế cho loại anten kể kết mơ trình bày cụ thể, chi tiết Việc mô thực phần mềm CST mảng phần tử lược, kích thước khoảng 15 mm x 60 mm x 0.2 mm đạt hệ số phản xạ ngược S11 = - 45 dB, độ tăng ích G = 15.8 dB tần số cộng hưởng Với cấu trúc lớp đơn giản, nhỏ gọn, giá thành rẻ, dễ dàng tích hợp vào thiết bị cao tần, anten kiểu ứng viên cho hệ thống di dộng 5G tương lai Keywords – Anten mảng, anten milimet, mảng lược, khuếch đại cao, 5G I GIỚI THIỆU Anten sóng milimet nghiên cứu rộng rãi vấn đề thời cho công nghệ truyền thơng khơng dây hệ mới, có hệ thống di động 5G Sự đời 5G hi vọng bước tiến quan trọng phát triển kinh tế xã hội, chìa khóa để tiến vào giới IoT Cơng nghệ 5G tổ chức nghiên cứu nhằm tiến tới chuẩn chung Theo 3GPP đề xuất, chuẩn dải tần 5G linh động, tùy theo vị trí địa lý vùng lãnh thổ, băng tần từ 24.25 - 29.5 GHz 37 - 43.5 GHz hay thường gọi tắt 28, 38 GHz dải tần hứa hẹn phát triển sớm hệ thống 5G Chính dải tần chọn sử dụng làm nảy sinh trở ngại mặt công nghệ để 5G triển khai vào thực tế Anten chế tạo cơng nghệ vi dải đơn giản có độ khuếch đại thấp, băng thơng hẹp Để cải thiện, sử dụng công nghệ anten cộng hưởng điện môi DRA (Dielectric Resonator Antenna) nhằm tăng hiệu suất xạ, mở rộng băng thơng [1]; dùng thấu kính để tăng độ lợi [2]; hay dùng đế điện môi gốm cho hệ số phẩm chất, hiệu suất xạ cao, băng thông lớn [3], [4] … Tuy nhiên, bước sóng milimet kích thước anten giảm nhỏ đáng kể dẫn đến khó khăn cho q trình chế tạo nhằm đạt độ xác cao Để cải thiện độ tăng ích anten, đồng thời phần giảm thiểu vấn đề sai số chế tạo ta ghép anten thành mảng II THIẾT KẾ ANTEN MẢNG RĂNG LƯỢC A CẤU TRÚC ANTEN Một anten vi dải lược có cấu trúc gồm đế điện mơi nằm mặt phẳng đất số phần tử xạ hình chữ nhật gắn trực tiếp vào đường cấp nguồn nằm dọc đế điện mơi hình vẽ 158 Từ [13], chiều rộng phần tử xạ cho hệ số ghép dựa hai tham số S11 S21 theo công thức sau: |𝑆21|2 𝐶 = (1 − |𝑆11|2 − ( )) 100% (1) |𝑆21′|2 Trong đó, |𝑆11|, |𝑆21| biên độ hệ số tán xạ đơn vị phần tử xạ, |𝑆21′| biên độ hệ số tán xạ đường cấp nguồn khơng có phần tử xạ thu thông qua mô C THIẾT KẾ ANTEN MẢNG RĂNG LƯỢC Để thiết kế anten mảng lược, trước hết ta phải biết hệ số ghép phần tử Hệ số ghép phần tử mảng định nghĩa tỉ số công suất xạ khỏi phần tử công suất đầu vào phần tử theo công thức: 𝑃𝑟𝑎𝑑 (𝑛) 𝐶= − (2) 𝑃𝑓 (𝑛) Mặt khác, quan hệ công suất đầu vào, đầu xạ phần tử thứ n sau: 𝑃𝑓+ (𝑛) = 𝑃𝑓− (𝑛) − 𝑃𝑟𝑎𝑑 (𝑛) (3) Hình Mơ hình cấu trúc anten mảng vi dải lược Khoảng cách hai phần tử xạ xấp xỉ bước sóng để phần tử mảng kích thích pha Chiều dài cộng hưởng phần tử xạ xác định bước sóng Với phương pháp cấp nguồn trực tiếp, công suất đầu vào phân phối từ phần tử phần tử cuối Chiều rộng chiều dài cộng hưởng phần tử xạ có chức điều khiển cơng suất xạ ngồi khơng khí phần tử anten Để thiết kế mảng, ta tiến hành thiết kế, mô đơn vị phần tử anten, phân tích hệ số S11, S21 từ tính hệ số ghép C Sau đó, dựa vào hệ số ghép mảng yêu cầu để lựa chọn đơn vị phần tử anten thích hợp, cuối ghép phần tử lựa chọn thành mảng anten B THIẾT KẾ MỘT ĐƠN VỊ PHẦN TỬ BỨC XẠ Đầu tiên hệ số phản xạ đường cấp nguồn phân tích độc lập hình (a) Biên độ phản xạ, suy hao đường truyền phụ thuộc vào đặc tính vật liệu điện mơi số, chiều dày lớp điện môi độ rộng đường cấp nguồn Hình Các loại cơng suất anten vi dải lược Công suất đầu phần tử thứ n có quan hệ với cơng suất đầu vào phần tử thứ n+1 theo công thức sau: 𝑃𝑓+ (𝑛) = 𝑃𝑓− (𝑛 + 1) + 𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 (𝑛) (4) Với Ploss suy hao xạ truyền dẫn bao gồm suy hao lớp đồng, suy hao lớp điện mơi, kích thích sóng bề mặt Ploss phụ thuộc vào đặc tính vật liệu sử dụng Hình Thứ tự phân tích mơ đơn vị phần tử anten Kế tiếp, phần tử xạ thêm vào để tạo thành đơn vị phần tử anten phân tích hình (b) Chú ý quay phần tử xạ góc 450, góc miếng xạ nằm trung tuyến đường cấp nguồn hình (c) Các thông số chiều dài, chiều rộng phần tử xạ ảnh hưởng trực tiếp đến tần số cộng hưởng, biên độ phản xạ, hệ số ghép đơn vị phần tử anten Chiều dài cộng hưởng phần tử xạ tối ưu phần mềm ứng với chiều rộng phần tử xạ khác cho biên độ phản xạ S11 thấp tần số cộng hưởng Hình Hệ số ghép mảng với luật phân bồ Đối với mảng lược, công suất đầu vào phân phối cho phần từ xạ từ đầu đến cuối mảng, thiết kế này, lựa chọn luật phân bố nguồn (trọng số Em có giá trị tất phần tử - hình 4) Dựa vào hệ số ghép có, chọn giá trị chiều dài, chiều rộng phần tử xạ cần thiết mảng 159 III QUY TRÌNH THIẾT KẾ ANTEN MẢNG RĂNG LƯỢC Bảng Tham số kích thước phần tử xạ We theo hệ số ghép C% tính theo công thức Việc thiết kế anten mảng lược thực theo quy trình sau: #n C (%)_ LT We (mm) #n C (%)_ LT We (mm) Xác định tham số đầu vào: Tần số cộng hưởng ( ), số phần tử xạ (n) 12.21 2.4 14.00 2.55 16.39 2.7 19.73 2.8 24.75 2.95 33.11 3.1 49.83 3.3 Khi thêm phần tử xạ vào chiều dài phần tử xạ quy định tần số cộng hưởng chiều rộng điều khiển hệ số ghép C% Thiết kế đường truyền đơn vị xạ anten |S21'| 10.82 2.3 Hế số ghép C% theo tính tốn: C% (tt) Thêm phần tử xạ: Xác định Le, thay đổi We Hệ số ghép C% mô phỏng: C% (mp) Chọn giá trị We ứng với C% (mp) = C% (tt) Hình Quan hệ Le tần số cộng hưởng Kết mô cho thấy đơn vị phần tử anten với chiều dài cộng hưởng phần tử xạ, ta thay đổi chiều rộng We từ 0.01 mm 3.3mm thu hệ số ghép C% dải xấp xỉ 1% đến 48.2% Ghép đơn vị xạ anten thành mảng lược Tối ưu thiết kế Hình Quy trình thiết kế anten mảng lược IV KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Việc thiết kế mơ khảo sát đặc tính anten thực thông qua phần mềm CST, vật liệu điện mơi có số điện mơi tương đối Ɛr = 2.1, suy hao tan δ = 0.001, chiều dày h = 0.127 mm Khi mô đơn vị xạ anten, tiến hành khảo sát đồ thị S11 S21 đường cấp nguồn (hình 6), biên độ S11 xấp xỉ -70 dB tần số cộng hưởng Chiều rộng đường cấp nguồn 0.4 mm trở kháng đặc tính 50 Ohm Hình Sự thay đổi C% thay đổi We qua mơ Hình Lựa chọn C% mơ dựa theo C% lý thuyết Hình Hệ số S11, S21 đường truyền 160 Dựa vào bảng hệ số C% tính tốn lý thuyết bảng 1, ta lựa chọn thông số chiều dài chiều rộng phần tử xạ có C% tương ứng mơ (b) Hình 10 Lựa chọn We theo C% mong muốn Hình 13 Đồ thị 2D anten mảng lược thiết kế Trên sở thông số lựa chọn, thu anten mảng gồm phần tử xạ (hình 11) Hình 11 Mơ hình anten mảng lược thiết kế Sau tối ưu tham số anten, tần số cộng hưởng giá trị S11 = - 45 dB; băng thông đạt giá trị (27.4 – 28.3) GHz hình 12 Hình 14 Đồ thị 3D anten mảng lược thiết kế Hình 13 thể đồ thị xạ 2D mảng lược thiết kế, mặt phẳng yoz ta có hệ số khuếch đại G = 14.1 dB, mức búp sóng phụ SLL = -20.6 dB (hình 13 a), giá trị mặt phẳng xoz 15.8 dB -14.9 dB (hình 13 b) Cuối cùng, hình 14 thể đồ thị xạ 3D cấu trúc anten mảng lược V Hình 12 Đồ thị S11 anten mảng lược thiết kế KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp tổng quát, quy trình thiết kế cụ thể, rõ ràng cho anten mảng lược Sau đó, anten mảng gồm phần tử lược thiết kế, mô chi tiết, kết mô đạt hệ số phản xạ ngược thấp S11 = - 45 dB, hệ số tăng ích lên đến 15.8 dB tần số 28 GHz với kích thước nhỏ khoảng 15 mm x 60 mm x 0.2 mm, cấu trúc phẳng, lớp, đơn giản, dễ chế tạo So với anten khác dải milimet sử dụng cấu trúc nhiều lớp, khoét khe, sử dụng thấu kính, hay cấu trúc đặc biệt khác phức tạp anten mảng lược cơng nghệ vi dải ứng viên đáng để lựa chọn cho hệ di động thứ (a) VI [1] 161 TÀI LIỆU THAM KHẢO N M Nor, M H Jamaluddin, M R Kamarudin, M Khalily, “Rectangular Dielectric Resonator Antenna Array for 28 GHz Applications”, Progress In Electromagnetics Research C, vol 63, pp 5361, 2016 [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] Eugean Kim, Seung-Tae Ko, Young Ju Lee, Jungsuek Oh, “MillimeterWave Tiny Lens Antenna Employing U-Shaped Filter Arrays for 5G”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 7, pp 845848, 2018 Kuo-Sheng Chin, Ho-Ting Chang, Jia-AnLiu, Hsien-Chin Chiu, Jeffrey S Fu, Shuh-Han Chao, “28-GHz patch antenna arrays with PCB and LTCC substrates”, Proceedings of 2011 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference, no.1, pp.355-358, 2011 Mohammad A Matin, “Review on Millimeter Wave Antennas- Potential Candidate for 5G Enabled Applications”, Advanced Electromagnetics, vol 5, no 3, pp 98-105, 2016 Shuangshuang Zhu, “A Compact Gain-Enhanced Vivaldi Antenna Array with Suppressed Mutual Coupling for 5G mmWave Application ” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 17, pp 776-779, May 2018 Abdolmehdi Dadgarpour, Milad Sharifi Sorkherizi, Ahmed A Kishk, “Planar High-efficiency Antenna Array using New Printed Ridge Gap Waveguide Technology”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 65, pp 3772-3776, July 2017 Philip Ayiku Dzagbletey, KS Kim, WJ Byun, YB Jung, “Stacked microstrip linear array with highly suppressed side-lobe levels and wide bandwidth” IET Microwave Antennas and Propagation, vol 11, pp 1722, 2017 Philip Ayiku Dzagbletey, Young-Bae Jung, “Stacked Microstrip Linear Array for Millimeter-Wave 5G Baseband Communication”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 17, pp 780-783, May 2018 Mohammed Abu Saada, Talal Skaik, Ramadan Alhalabi, “Design of Efficient Microstrip Linear Antenna Array for 5G Communications Systems”, International Conference on Promising Electronic Technologies (ICPET), pp.43-47, 2017 James, J R., P S Hall, “Handbook of Microstrip Antennas”, IEEE Electromagn Waves Ser., vol 2, Peter Peregrinus Ltd., London, 1989 Dapeng Wu, Ziqiang Tong, Ralf Reuter, Heiko Gulan, Jian Yang, “A 76.5 GHz microstrip comb-line antenna array for automotive radar system”, 9th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), pp.1-5, 2015 Lin Zhang, Wenmei Zhang, Y P Zhang, “Microstrip Grid and Comb Array Antennas”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 59, pp 4077- 4084, Nov 2011 Y Hayashi, K Sakakibara, M Nanjo, S Sugawa, N Kikuma, and H Hirayama, “Millimeter-wave Microstrip Comb-line Antenna Using Reflection-canceling Slit Structure,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 59, no 2, pp 398-406, Feb 2011 162 ... trúc anten mảng lược V Hình 12 Đồ thị S11 anten mảng lược thiết kế KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp tổng quát, quy trình thiết kế cụ thể, rõ ràng cho anten mảng lược Sau đó, anten mảng. .. Đồ thị 2D anten mảng lược thiết kế Trên sở thông số lựa chọn, thu anten mảng gồm phần tử xạ (hình 11) Hình 11 Mơ hình anten mảng lược thiết kế Sau tối ưu tham số anten, tần số cộng hưởng giá trị... thơng qua mô C THIẾT KẾ ANTEN MẢNG RĂNG LƯỢC Để thiết kế anten mảng lược, trước hết ta phải biết hệ số ghép phần tử Hệ số ghép phần tử mảng định nghĩa tỉ số công suất xạ khỏi phần tử công suất đầu