Thiết kế ăng ten băng tần milimet độ lợi cao sử dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền ứng dụng cho trạm thu phát gốc

CƠ SỞ LÝ THUY Ế T

Xu hướ ng phát tri ể n tr ạ m thu phát g ố c

1.1.1 Lịch sử phát triển của ăng-ten trong các trạm thu phát sóng

Với nhu cầu sử dụng mạng tốc độ cao và dung lượng ngày càng tăng, công nghệ 5G NR (New Radio) đã được phát triển để đáp ứng yêu cầu tăng hiệu suất truyền nhận và mở rộng phạm vi phủ sóng Công nghệ 5G cung cấp các dịch vụ mới như băng thông rộng di động nâng cao (eMBB), truyền thông siêu đáng tin cậy và độ trễ thấp (URLLC) và truyền thông kiểu máy lớn (mMTC) Trong đó, eMBB dự kiến cung cấp tốc độ dữ liệu cực nhanh cho các dịch vụ yêu cầu thông lượng cao như truyền video độ nét cao, thực tế ảo và thực tế tăng cường, nhằm mang đến trải nghiệm tuyệt vời cho người dùng ở cả những khu vực đông đúc như sân bay và sân vận động thể thao, cho phép họ tận hưởng dịch vụ truyền trực tuyến chất lượng cao mà không bị gián đoạn.

Công nghệ 5G đã kế thừa và phát triển những ưu điểm nổi bật của công nghệ 4G, như khả năng tăng cường tính đa dạng trong đường truyền nhằm nâng cao độ tin cậy của dữ liệu Những cải tiến này bao gồm việc đa dạng hóa thời gian truyền tải và phân cực Tuy nhiên, sự khác biệt rõ rệt của 5G so với các thế hệ trước là khả năng truyền tải đồng thời nhiều đối tượng với tốc độ vượt trội.

Công nghệ định dạng búp sóng (Beamforming) sử dụng mảng ăng-ten với nhiều phần tử để định hình chùm tia Bằng cách điều chỉnh pha và biên độ của từng ăng-ten phần tử hoặc các mảng con một cách độc lập, công nghệ này tối ưu hóa hiệu suất truyền tín hiệu.

Cấu hình ăng-ten cho trạm thu phát sóng di động đã trải qua 5 giai đoạn phát triển chính, trong đó việc sử dụng lượng lớn ăng-ten để định dạng chùm tia và tăng độ lợi là một yếu tố quan trọng.

Thế hệ thứ nhất của ăng-ten sử dụng một mảng ăng-ten tuyến tính với đồ thị bức xạ cố định, trong đó đặc tính phân cực chưa được chú trọng Hầu hết các ăng-ten thiết kế cho trạm thu phát gốc của thế hệ này đều tập trung vào việc đạt được độ lợi cao và đồ thị bức xạ ổn định.

Thế hệ thứ hai của công nghệ mạng vẫn sử dụng cấu trúc mảng tuyến tính nhưng đã cải tiến với công nghệ phân cực kép, cho phép tăng dung lượng kênh và truyền phát đồng thời nhiều hướng Ngoài ra, công nghệ này còn áp dụng bộ dịch pha dạng tương tự để điều chỉnh búp sóng theo hai góc khác nhau trong mặt phẳng ngang, được gọi là kỹ thuật điều búp sóng (beam-steering) Đây là công nghệ mảng ăng-ten phổ biến trong các trạm thu phát gốc 4G.

Thế hệ thứ ba của mảng ăng-ten trong trạm đánh dấu sự phát triển vượt bậc với số lượng phần tử ăng-ten lớn, giúp tối đa hóa độ lợi và giảm yêu cầu về công suất đầu vào Điều này cho phép tích hợp phần RRU (Remote Radio Unit) trong một trạm thu phát, được gọi là ăng-ten tích hợp (Integrated Antenna).

Thế hệ thứ tư sử dụng hệ thống mảng ăng-ten lớn với nhiều đầu vào ra, cho phép kích thích độc lập từng phần tử hoặc từng mảng nhỏ với pha và biên độ khác nhau Nhờ vào khả năng này, hệ thống có thể định dạng chùm tia theo yêu cầu, đồng thời điều khiển búp sóng trong cả hai mặt phẳng đứng và ngang, tạo ra độ rộng búp sóng hẹp.

3 độ lợi cao, rất phù hợp với nơi có mật độdân cư cao, sốlượng người truy cập đồng thời lớn

Công nghệ 5G, hay thế hệ thứ năm, đang được triển khai với việc khai thác các tần số cao hơn, bao gồm hai dải tần chính: dưới 6 GHz (sub-6G) và tần số siêu cao (millimeter wave, từ 28 GHz - 39 GHz) Việc sử dụng các tần số này không chỉ giúp tăng tốc độ truyền nhận mà còn giảm kích thước ăng-ten Cấu trúc ăng-ten cho trạm thu phát gốc 5G vẫn áp dụng một số công nghệ như phân cực kép và độ cách ly cao giữa các cổng đầu ra, nhằm giảm thiểu tác động của hiện tượng làm mờ đa đường và tăng dung lượng kênh.

1.1.2 Xu hướng phát triển của trạm thu phát gốc

Các quy hoạch về chỉ tiêu kỹ thuật cho 5G của tổ chức viễn thông quốc tế được ban hành (theo tài liệu ITU-R IMT-2020 (5G) [4]) được tóm tắt trong Hình

1.3 Mục tiêu của các chỉ tiêu kỹ thuật này nhằm đáp ứng các nhu cầu của các công nghệ mới được đề cập phía trên, điều mà 4G chưa thể đáp ứng được Tốc độ kết nối cao lên tới 20Gb/s sẽđáp ứng cho các ứng dụng đòi hỏi băng thông lớn Độ trễ thấp của mạng 5G (cỡ 1ms) sẽ cho phép các ứng dụng có độ phản hồi gần với thời gian thực Mật độ kết nối khả dụng lên tới cả nghìn thiết bị/ km2 sẽ hỗ trợ cho việc triển khai các thiết bị IoT và cảm biến không dây Với những chỉ tiêu kỹ thuật đó, liên minh viễn thông thế giới IUT đã ủy quyền cho tổ chức 3GPP để định nghĩa nên tiêu chuẩn kỹ thuật toàn cầu cho 5G

Hình 1.3 Minh họa tóm tắt các chỉ tiêu kỹ thuật cho 5G quy định bởi IUT [4]

Tiêu chuẩn cho mạng viễn thông 5G đã được hoàn thiện và chuyển sang giai đoạn nghiên cứu và phát triển Các nhà nghiên cứu đang giải quyết các vấn đề kỹ thuật, với mục tiêu tăng tốc độ kết nối lên hơn 100 lần so với 4G, hiện chỉ đạt 10Mbps Để đạt được điều này, họ cần tìm ra công nghệ kết nối không dây phù hợp, và giải pháp được ưa chuộng hiện nay là công nghệ tần số mili-mét Công nghệ này cho phép sử dụng các băng tần tiềm năng gần 300GHz để kết nối không dây giữa các thiết bị và trạm thu phát 5G, mang lại băng thông rộng và tốc độ truyền tải dữ liệu cao.

Hình 1.4 Các công nghệ cốt lõi cấu thành nên 5G [5]

Việc triển khai hệ thống mạng 5G yêu cầu các nhà nghiên cứu kết hợp nhiều công nghệ khác nhau, đặc biệt là small cell, massive MIMO, full duplex và định dạng búp sóng, nhằm giải quyết các vấn đề về độ trễ và khả năng truy cập lớn Sự kết hợp của năm công nghệ này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng mạng viễn thông 5G, tạo nền tảng cần thiết cho các ứng dụng như AR.

VR, streaming game, xe tự lái hay IoT sẽ sử dụng để vận hành trong tương lai

Vấn đề hiện nay với mạng viễn thông 5G và các kết nối không dây là sự gia tăng số lượng thiết bị và công nghệ sử dụng chung dải tần kênh truyền vô tuyến từ 3kHz đến cận 6GHz Điều này dẫn đến việc băng thông dành cho mỗi thiết bị bị hạn chế, làm giảm tốc độ truyền tải dữ liệu.

Một trong những giải pháp được nhiều nhà phát triển 5G ủng hộ là sử dụng phổ tần số mới cho truyền tải dữ liệu không dây, cụ thể là phổ tần số sóng milimet Dải tần số này nằm trong khoảng từ 30 tới 300GHz (bước sóng từ 1 tới 10mm), cao hơn nhiều so với các băng tần truyền thông di động trước đây Việc áp dụng tần số cao hơn và dải tần mới chưa từng được sử dụng sẽ mang lại tốc độ kết nối và băng thông cao hơn.

Hình 1.5 Phổ tần số của các ứng dụng kết nối vô tuyến hiện nay [Ofcom]

Dải tần này hiện chỉ được áp dụng cho liên lạc vệ tinh và radar, do đó, việc triển khai ứng dụng kết nối thiết bị di động mặt đất sẽ mở ra một hướng tiếp cận mới.

Các phương pháp phân bố công su ất cho ăng -ten m ả ng tuy ế n tính 8

Ăng-ten thông thường thường có độ lợi thấp, nhưng trong nhiều ứng dụng, cần thiết phải thiết kế ăng-ten với độ lợi cao để đáp ứng nhu cầu liên lạc đường dài Đặc biệt, ăng-ten cho trạm thu phát gốc yêu cầu độ lợi cao để đảm bảo khả năng thu phát cho một khu vực rộng lớn Để tăng độ lợi của ăng-ten, một phương pháp là tăng kích thước điện của ăng-ten đơn, tuy nhiên, điều này có thể làm thay đổi các đặc tính bức xạ của ăng-ten Vì vậy, lý thuyết xây dựng mảng được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất ăng-ten.

Chín ăng-ten được phát triển để tăng cường kích thước mà không cần mở rộng kích thước của từng ăng-ten đơn lẻ, thông qua việc xây dựng một tập hợp hình học các ăng-ten đơn lẻ như thẳng, phẳng, hoặc tròn nhằm đảm bảo độ lợi cần thiết Trong một mảng ăng-ten, nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến đặc tính hoạt động của mảng này.

- Cấu hình hình học mảng (tuyến tính, hình tròn, hình chữ nhật, )

- Biên độkích thích cho các ăng-ten phần tử

- Pha kích thích cho các ăng-ten phần tử

- Đặc điểm bức xạ của các ăng-ten phần tử

- Khoảng cách giữa các phần tử

Trạm thu phát gốc thường yêu cầu độ rộng búp sóng chính theo hai hướng ngang và dọc khác nhau, với độ rộng búp sóng ngang lớn để đảm bảo độ phủ cho khu vực, trong khi độ rộng búp sóng dọc không cần quá lớn Việc thiết kế mảng ăng-ten với độ rộng búp sóng khác nhau như vậy bằng các kiểu mảng tròn, elip hay không tuyến tính sẽ rất phức tạp Do đó, mảng tuyến tính 2 chiều (planar) thường được sử dụng để xây dựng mảng ăng-ten cho trạm thu phát gốc Trong luận văn này, tôi sẽ tập trung vào phần lý thuyết cho cấu trúc mảng này.

Trong thiết kế mảng ăng-ten, hệ số mảng (array factor - AF) là thông số quan trọng nhất, xác định dạng bức xạ tổng thể của mảng ăng-ten Dạng bức xạ này được tính bằng cách nhân hệ số phần tử mảng (dạng bức xạ của ăng-ten đơn) với hệ số mảng Hệ số mảng là một hàm phụ thuộc vào cấu hình hình học của mảng và pha kích thích cho từng phần tử.

Ta xét một mảng 2 chiều với M phần tử theo trục x Hệ số mảng có thểđược tính như sau [10]:

Trong hệ thống, 𝐼𝐼 𝑚𝑚1 đại diện cho biên độ kích thích của từng phần tử, trong khi 𝑑𝑑 𝑥𝑥 là khoảng cách giữa các phần tử và 𝛽𝛽 𝑥𝑥 thể hiện độ lệch pha giữa chúng Khi N phần tử được sắp xếp liên tiếp trên trục y với khoảng cách 𝑑𝑑 𝑦𝑦, độ lệch pha cũng sẽ được điều chỉnh tương ứng.

𝛽𝛽𝑦𝑦 thì hệ số mảng cho mảng hai chiều này là:

Hình 1.12 Hình ảnh mảng hai chiều theo mặt phảng x0y [4]

Nếu biên độ kích thích cho các phần tửở cả hai chiều là như nhau 𝐼𝐼 𝑚𝑚𝑠𝑠 = 0, ta có thể rút gọn AF (normalized) như sau [10]:

Khi khoảng cách giữa các phần tử 𝑑𝑑𝑥𝑥 và 𝑑𝑑𝑦𝑦 đạt giá trị bằng hoặc lớn hơn 𝜆, hiện tượng grating lobe sẽ xuất hiện, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều đỉnh cực đại có độ lớn bằng nhau.

Nó sẽ gây sai lệch trong quá trình tổng hợp mảng, khiến việc tổng hợp mảng không đạt được độ lợi và yêu cầu bức xạ như mong muốn.

Hình 1.13 Mô hình bức xạ 3 chiều của một mảng ăng-ten 2 chiều với khoảng cách khác nhau [4]

Phạm vi góc của chùm tia chính trong một mảng tỉ lệ nghịch với độ dài của mảng tuyến tính Đặc biệt, khi chiều dài mảng được cố định, chùm chính sẽ mở rộng khi mức thùy bên giảm xuống.

Trong các bài toán tổng hợp, cần tiếp cận đồng đều các mối quan hệ giữa các yếu tố thiết kế Thông số kỹ thuật thiết kế thường bao gồm chiều rộng chùm mong muốn của ăng-ten mảng và mức thùy bên Người thiết kế phải xác định phân bố dòng điện cần thiết cùng với độ dài mảng và số lượng phần tử, nhằm tránh hiện tượng nhiều chùm.

Khi cần nhận hoặc truyền năng lượng theo một hướng cụ thể, chúng ta có thể đảm bảo rằng năng lượng tối thiểu đi theo hướng đó để giảm thiểu nhiễu và tiếng ồn không mong muốn Phân bố Schelkunoff Polynomial cho phép thực hiện điều này một cách hiệu quả, khi một mảng N phần tử có thể đặt N-1 giá trị rỗng độc lập trong mẫu bức xạ của nó Mảng tuyến tính cách đều nhau với khoảng cách nửa bước sóng là một ví dụ điển hình cho phương pháp này.

Phương trình trên là một đa thức trong biến phức z, với bậc N-1 và N số không.

Nếu các số không được đánh số bắt đầu từ số 0, các số không sẽ là 0, 1, , N-2

Khi đó bộ trọng số của mảng ăng-ten có thể viết:

Với các trọng số này ta có thể vẽ biểu đồ hệ số mảng trong Hình 1.14:

Hình 1.14 Hệ số mảng phân bố Schelkunoff Polynomial [11]

Phương pháp này có thể áp dụng cho mọi hướng, nhưng nếu chọn N-1 trống cho một mảng N phần tử, người thiết kế sẽ mất quyền kiểm soát vị trí tối đa của mẫu bức xạ Phương thức này có khả năng mở rộng dễ dàng cho các mảng phẳng và nhiều chiều Sự đơn giản trong việc sắp xếp các trống trong mẫu bức xạ mang lại lợi thế đáng kể cho việc sử dụng mảng trong thực tế.

Vào năm 1046, Dolph đã giải quyết bài toán cải thiện thùy bên của mảng phân bố đều bằng cách phát triển một phương pháp tính trọng số cho các mảng tuyến tính đồng đều hướng về góc rộng 90 độ Phương pháp này cho phép chỉ định mức sidelobe và đạt được độ rộng chùm tia chính tối thiểu Để hiểu rõ hơn về lược đồ trọng số này, chúng ta cần xem xét các đa thức Chebyshev, được biết đến với đặc điểm "gợn sóng bằng nhau" với độ lớn cực đại 1,0 trong khoảng [-1, 1], và được xác định qua một quan hệ đệ quy.

Hình 1.15 là một minh họa cho đa thức Chebyshev:

Hình 1.15 minh họa cho đa thức Chebyshev [12]

Các dao động trong khoảng [-1, 1] đều có độ lớn bằng nhau, và ý tưởng là sử dụng các đa thức tham chiếu tới các hệ số mảng (trọng số mảng) Giả sử có một mảng ăng-ten đối xứng, mỗi phần tử ăng-ten tại vị trí dn sẽ có một phần tử ăng-ten ở vị trí -dn, cả hai đều được nhân với cùng trọng số wn Mảng được giả định nằm dọc theo trục z, với tâm tại z = 0 và khoảng cách đều bằng d Hệ số mảng sẽ có dạng khác nhau tùy thuộc vào số lượng phần tử, với số phần tử chẵn và lẻ được mô tả theo các công thức cụ thể.

Mảng được phân loại là chẵn khi có một số lượng phần tử chẵn (không bao gồm phần tử gốc) và lẻ khi có một số lượng phần tử lẻ (bao gồm một phần tử gốc) Để tính toán hàm cosin, có thể áp dụng công thức mũ phức cho cos( ).

Các thông số của mảng có thể viết lại như sau:

Tham số mức sidelobe S của mảng N phần tử tuyến tính được xác định:

Hình 1.16 là một ví dụ Schebyshev N=6 phần tử với mức Sidelobe là thấp hơp so với búp chính là 30dB Đa thức Schebyshev được viết lại:

AF 16= t −20t +5t 1.15 Đồ thị bức xạ của mảng sẽđược thể hiện như Hình 1.16:

Hình 1.16 Hệ số mảng theo phân bố Schebyshev [12]

Mẫu Taylor tổng quát T α ( , , )u A n tùy ý với α > −1 [13] [14]:

Bằng cách chọn n đủ lớn, mẫu Taylor có thể được sử dụng để gần đúng cho bất kỳ giá trị nào của α, giúp tạo ra mẫu lý tưởng như mong muốn Thực tế đã chứng minh điều này.

Hình 1.17 Không gian mẫu Taylor T α ( , , )u A n và phân bố khẩu độ với α =0 (nét đứt) và α =1(nét liền) với n =5 và mức sidelobe lần lượt là 10, 15, 20 và 25 dB [13]

Hình 1.18 Không gian mẫu Taylor T α ( , , )u A n và phân bố khẩu độ với α =0 (nét đứt) và α =1(nét liền) với n và mức sidelobe lần lượt là 20 dB [13].

Công ngh ệ ố ng d ẫ n sóng tích h ợ p trong ch ấ t n ề n (SIW)

1.3.1 Cấu trúc chung ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền

Công nghệ SIW (ống dẫn sóng tích hợp trên chất nền) được phát triển nhằm tích hợp các ống dẫn sóng kim loại truyền thống lên các tấm mạch in nhỏ gọn, giúp giảm kích thước và chi phí của thiết bị truyền dẫn sóng cao tần dải tần millimet Công nghệ này không chỉ làm giảm sự cồng kềnh và giá thành mà còn duy trì khả năng chống nhiễu Nhờ vào sự tương đương về cấu trúc và đặc tính truyền sóng với ống dẫn sóng, SIW cho phép các nhà thiết kế tận dụng kiến thức và mô hình phân tích sẵn có về ống dẫn sóng chữ nhật.

16 dụng cho thiết kế SIW của mình Công nghệ SIW ngày nay, với những ưu điểm kỹ thuật của mình, hiện đang rất được quan tâm nghiên cứu

SIW là cụm từ viết tắt của Substrate Intergrated Waveguide - ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền SIW có cấu trúc chung được mô tả như trong Hình 1.19

Cấu trúc bao gồm hai hàng lỗ kim loại với đường kính d, cách nhau khoảng a, trong đó các lỗ được sắp xếp theo chu kỳ với khoảng cách p giữa các lỗ liền kề Hai hàng lỗ này tạo thành bức tường chắn sóng điện từ, cho phép tích hợp ống dẫn sóng chữ nhật RWG vào các chất nền của bảng mạch in thông qua quy trình chế tạo phẳng như PCB và LTCC hiện nay.

Mô hình phân tích trường điện từ trong cấu trúc SIW tương tự như ống dẫn sóng kim loại chữ nhật, do sự tương đồng về cấu trúc vật lý Điều kiện biên trong cả hai trường hợp là trường E bằng không tại bề mặt ống dẫn sóng.

Khác với ống dẫn sóng kim loại có thành liên tục, SIW có thành với các khe hở lặp lại dọc theo chiều dài ống dẫn Sự hiện diện của các khe này cắt ngang và ngăn chặn dòng bề mặt chạy theo phương ngang, dẫn đến sự khác biệt trong chế độ dao động và lan truyền sóng điện từ Theo lý thuyết về lan truyền sóng điện từ trong các môi trường định hướng, trong SIW chỉ tồn tại một chế độ lan truyền nhất định.

TE (so với ống dẫn sóng chữ nhật có hai chếđộ TE, TM) [15] Trong đó, chế độ

TE10 là chế độ chiếm ưu thế Ví dụ về chế độ truyền TE10 và TE20 được thể hiện trong Hình 1.4 dưới đây. a) b)

Hình 1.20 a) Chế độ TE 10 và TE 20 trong cấu trúc SIW [16] b) TE 10 trong SIW dạng 2D

Một trong những vấn đề quan trọng trong thiết kế cấu trúc SIW là tổn thất, đặc biệt là trong các ứng dụng hoạt động ở tần số mili-mét.

Trong bài viết này, chúng ta đề cập đến 17 loại tổn thất chính trong các cấu trúc SIW, bao gồm tổn thất đường truyền, tổn thất điện môi và tổn thất bức xạ Tổn thất đường truyền xảy ra do tường kim loại có độ dẫn điện hữu hạn và có thể giảm bằng cách tăng độ dày chất nền, trong khi tổn thất điện môi phụ thuộc vào vật liệu điện môi và không bị ảnh hưởng bởi hình dạng cấu trúc Để hạn chế tổn thất điện môi, việc sử dụng chất nền điện môi tốt hơn là cần thiết Tổn thất bức xạ liên quan đến sự mất mát năng lượng qua các khe hở giữa các lỗ via.

Tổn thất bức xạ có thể được giảm thiểu bằng cách thiết kế hợp lý các lỗ via Khoảng cách giữa các lỗ via càng gần, hao tổn rò rỉ càng thấp; tuy nhiên, điều này có thể ảnh hưởng đến độ cứng cơ học của mạch Do đó, cần cân nhắc kỹ lưỡng để đạt được mức hao tổn thấp mà không làm ảnh hưởng đến quá trình chế tạo mạch.

1.3.2 Nguyên lý và phương pháp thiết kế

Ống dẫn sóng tích hợp (SIW) được thiết kế dựa trên lý thuyết về ống dẫn sóng lan truyền sóng điện từ theo chế độ TE Để đáp ứng các yêu cầu về đặc tính đường truyền như tần số cắt (fc) và hằng số truyền sóng (β), cần tính toán kích thước của ống dẫn sóng chữ nhật có điện môi bên trong sao cho phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế.

Sau khi chuyển đổi mô hình ống dẫn sóng sang kích thước tương đương cho cấu trúc SIW, cần áp dụng các điều kiện kèm theo theo công thức (1.17) và các luật thiết kế Những luật thiết kế này được xây dựng nhằm đảm bảo tiêu chí về sự suy hao và độ bền của mạch.

Với một đường truyền dẫn sóng trên công nghệ SIW thì thông số quan trọng của nó gồm: d: đường kính via p: khoảng cách via a: độ rộng ống dẫn

Hằng sốđiện mối lấp đầy ε r

Hình 1.21 Mặt cắt ngang SIW

Theo lý thuyết trường điện từ, có thể tính toán và chuyển đổi kích thước tương đương của một RWG sang SIW với cùng tần số cắt.

Với a RWG là độ rộng của ống dẫn sóng chữ nhật được đổ đầy điện môi ε r có tần số cắt là fc

Sau khi xác định độ rộng giữa hai hàng via kim loại của đường truyền SIW, chúng ta cần áp dụng các quy luật thiết kế để tìm giá trị và khoảng giá trị thích hợp cho khoảng cách theo chiều dọc của các via p và đường kính lỗ via d Điều này nhằm đảm bảo cấu trúc SIW đáp ứng tiêu chí quan trọng, bao gồm việc giảm thiểu suy hao do bức xạ trên khe, yêu cầu p > d 1.19, đồng thời đảm bảo tính ổn định về kết cấu cơ học của mạch.

/ c 0.05 p λ > 1.20 Đảm bảo điều kiện vềsuy hao lọt khe đủ nhỏ:

Bước sóng của sóng điện từ trong ống dẫn sóng

1.3.3 Ứng dụng công nghệ SIW Ứng dụng chính và được biết đến rộng rãi nhất của SIW là thiết kế nên các phần tử cao tần trong hệ truyền dẫn, bức xạsóng điện tử của hệ thống viễn thông, truyền thông không dây, radar và kết nối vệ tinh Các phần tửnày thường có yêu cầu đặc biệt về khả năng chống nhiễu hay độ suy hao tín hiệu thấp – điều mà các công nghệ thiết kếkhác chưa làm được hoặc làm không hiệu quả Các loại phần tử cao tần có thể áp dụng công nghệ SIW vào thiết kếđó là: Ăng-tennhư ănten khe ống dẫn sóng, ăng-ten slot backed waveguide…

Các phần tử thụ động trong hệ thống vi sóng bao gồm đường dẫn sóng, mạch dịch pha, mạch lọc, mạch cộng hưởng, bộ chia và ghép công suất, cùng với bộ định hướng tín hiệu Ngoài ra, các phần tử chuyển đổi và ghép nối SIW với các đường dẫn sóng khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị vi sóng.

Phần tử tích cựcnhư các mạch dao dộng, bộ trôn tần số, bộ khuếch đại…

Hiện nay, tần số hiệu quả tối đa để sản xuất các phần tử SIW bằng công nghệ mạch in đại trà chỉ đạt khoảng 30 GHz Mặc dù lý thuyết cho phép áp dụng công nghệ SIW ở các dải tần số cao hơn, nhưng các vấn đề về sai số trong chế tạo và yêu cầu về kết cấu vật lý đã hạn chế khả năng này Để sản xuất SIW ở tần số cao hơn, thường cần sử dụng các vật liệu chế tạo đặc biệt với chi phí cao Do đó, nâng cao tần số hoạt động hiệu quả của SIW trong sản xuất đại trà với PCB hay LTCC là một thách thức quan trọng cho các nghiên cứu tương lai về SIW.

Cùng với việc cải thiện dải tần số, công nghệ SIW đang được áp dụng hiệu quả trong thiết kế và sản xuất, đáp ứng nhu cầu thu gọn kích thước mạch, mở rộng băng thông và giảm suy hao Nhiều kỹ thuật cải tiến SIW đã được nghiên cứu và phát triển, bao gồm Airfilled SIW để giảm hao truyền dẫn, SIWF, HMSIW, FHMSIW nhằm thu gọn kích thước thiết bị, và SISW, Ridge Waveguide in SIW, Slab-AFSIW cho việc mở rộng băng thông đường truyền.

1.3.4 Đường chuyển đổi giữaống dẫn sóng trong chất nền (SIW) và đường truyền vi dảihoặc GCPW

K ế t lu ậ n

Chương này tập trung vào ba vấn đề chính: xu hướng phát triển của trạm thu phát gốc, ăng-ten mảng tuyến tính và các phương pháp phân bố công suất cho mảng cùng công nghệ ống dẫn sóng trong chất nền SIW Công nghệ 5G đang khai thác tần số cao hơn, bao gồm hai dải tần chính: sub-6G và dải tần số siêu cao (milimeterwave, từ 28 GHz - 39 GHz), nhằm tăng tốc độ truyền nhận và giảm kích thước ăng-ten Ứng dụng của ăng-ten mảng kết hợp với công nghệ Massive ăng-ten đang ngày càng hiệu quả Các phương pháp phân bố công suất cho mảng tuyến tính như phân bố Schelkunoff Polynomial, Chebyshev và Taylor cũng được đề cập Công nghệ SIW được sử dụng phổ biến để tích hợp ống dẫn sóng vào các chất nền của bảng mạch in, với quy trình chế tạo phẳng như PCB hay LTCC Hiện nay, dải tần 30GHz với công nghệ SIW đang được sản xuất mạch in đại trà.

ĂNG - TEN BĂNG TẦN MILIMET ĐỘ L Ợ I CAO

Ăng -ten m ảng răng lượ c theo phân b ố Taylor

2.1.1 Cấu hình ăng-ten mảng răng lược Ăng-ten mảng răng lược là một ăng-ten mảng tuyến tính điểu Hình 2.1 Hai loại ăng-ten phẳng được phát triển phổ biến cho cấu trúc mảng này: ăng ten microstrip và ăng ten ống dẫn sóng Rất khó để áp dụng một trong hai chúng cho tất cả các ứng dụng sóng milimet với các thông số kỹ thuật khác nhau vì ưu điểm của các ăng-ten là hoàn toàn khác nhau Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng có thể được bao phủ bởi cảăng ten microstrip và ăng ten ống dẫn sóng Ăng ten microstrip được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng có độ lợi tương đối thấp hơn của hệ thống không dây tầm ngắn và mảng con trong hệ thống DBF, không phải cho các ứng dụng có độ lợi cao Ăng-ten ống dẫn sóng thích hợp cho các ứng dụng có độ lợi cao trên 30 dBi

Mẫu ăng-ten mảng răng lược vi dải được mô tả trong Hình 2.1 cho thấy rằng phần tử bức xạ được gắn trực tiếp vào đường cấp nguồn, giúp giảm thiểu suy hao trên đường truyền so với các ăng-ten vi dải thông thường Trong ăng-ten này, nhánh không còn là đường truyền thông thường mà chính là phần tử bức xạ, dẫn đến việc mô hình mạch tương đương không còn phù hợp cho thiết kế Do đó, việc mô phỏng là cần thiết để ước lượng chính xác biên độ và pha của bức xạ Tuy nhiên, sóng phản xạ từ các phần tử trong đường cấp liệu có thể làm giảm hiệu suất của ăng-ten Khi tất cả các phần tử bức xạ được kích thích cùng pha, sóng phản xạ cũng cùng pha, dẫn đến suy hao hồi lưu tăng tại điểm cung cấp Hơn nữa, sóng phản xạ từ các phần tử khác cũng làm giảm dạng bức xạ, điều này không được tính đến trong thiết kế sóng truyền Để khắc phục tình trạng này, cấu trúc khe được đề xuất nhằm triệt tiêu sóng phản xạ từ phần tử bức xạ, và tính khả thi của cấu trúc này đã được xác nhận qua thử nghiệm (Hayashi và đồng tác giả).

Trong thiết kế ăng ten mảng ống dẫn sóng với khe slot, việc phân cực dọc và ngang được thực hiện bằng cách đặt các khe bức xạ cách nhau khoảng một nửa bước sóng dẫn hướng để kích thích cùng pha Sự bù đắp xen kẽ và định hướng từ trục trung tâm của ống dẫn sóng là cần thiết để hướng chùm tia chính rộng hơn Do khoảng cách nhỏ hơn một bước sóng trong không gian tự do, các thùy cách tử không xuất hiện theo bất kỳ hướng nào Đối với hệ thống thông tin liên lạc hai chiều, hai phân cực trực giao được sử dụng để tránh nhiễu giữa các tín hiệu Trong hệ thống radar ô tô, phân cực chéo 45 độ được áp dụng để ngăn chặn ăng ten nhận tín hiệu truyền từ ô tô chạy.

Trong thiết kế ăng ten mảng ống dẫn sóng có rãnh với phân cực tuyến tính, như phân cực chéo 45 độ cho hệ thống radar ô tô, khoảng cách khe cần lớn hơn bước sóng trong không gian tự do Tất cả các khe được đặt tại trung tâm ống dẫn sóng và song song với nhau, khác với mảng ống dẫn sóng khe thông thường Sự sắp xếp này dẫn đến sự xuất hiện của các thùy cách tử trong mẫu bức xạ, làm giảm đáng kể độtăng ích của ăng-ten do sự xuất hiện của các thùy không mong muốn Để khắc phục tình trạng này, vật liệu điện môi thường được sử dụng để lấp đầy trong ống dẫn sóng.

Sử dụng ăng ten răng lược trong ống dẫn sóng hai chiều có thể dẫn đến chi phí cao hơn và giảm hiệu suất do mất điện môi trong dải sóng milimet Các loại ăng ten này bao gồm: ăng ten răng lược ống dẫn sóng hai chiều, ăng ten răng lược ống dẫn sóng hai chiều với nhiều mảng con, và ăng ten răng lược vi dải với nhiều mảng con.

Hình 2.1 Cấu trúc ăng-ten mảng răng lược

Trong dải sóng milimet, nhiều loại ăng-ten phẳng đã được phát triển, với cấu hình hệ thống ăng-ten được minh họa trong Hình 2.1 Hình 2.1 a trình bày một ăng-ten mảng răng lược ống dẫn sóng có rãnh với độ lợi cao và chỉ một cổng cấp liệu Hình 2.1 b cho thấy một ăng-ten mảng răng lược ống dẫn sóng có rãnh khác, nhưng hệ thống này bao gồm nhiều mảng con, mỗi mảng có cổng cấp dữ liệu riêng Mạng cấp nguồn có thể là hệ thống mảng lớn chung nguồn hoặc sử dụng bộ chia công suất và bộ dịch pha Ngoài ra, cấu trúc ăng-ten mảng răng lược ống dẫn sóng có thể được thay thế bằng ăng-ten mảng răng lược vi dải cho các mảng con, như thể hiện trong Hình 2.1 c.

2.1.2 Ăng-ten mảng răng lượcống dẫn sóng

Công nghệ thiết kế ăng-ten răng lược mảng ống dẫn sóng có rãnh nhằm phân cực chéo 45 độ giúp triệt tiêu các thùy cách từ, giảm chi phí sản xuất Cấu hình của ăng-ten được thể hiện trong Hình 2.2 a và b, với các khe bức xạ cắt ở tâm của bức tường hẹp của ống dẫn sóng và nghiêng 45 độ so với trục dẫn hướng Ăng-ten phẳng bao gồm một ống dẫn sóng cấp nguồn và hai hoặc nhiều ống dẫn sóng bức xạ, trong đó khoảng cách giữa các khe theo phương x là một bước sóng dẫn của ống dẫn sóng bức xạ, lớn hơn một bước sóng trong không gian tự do Các thùy cách tử xuất hiện trong mặt phẳng Ozx cho mảng một chiều.

Do đó, các ống dẫn sóng bức xạđược cung cấp xen kẽ lệch pha 180 độ vì các ống

24 dẫn sóng liền kề được đặt cách nhau trong một nửa bước sóng được dẫn hướng 1

Ống dẫn sóng cung cấp 2λ g với các khe được bố trí theo sự dịch chuyển một nửa bước sóng xen kẽ theo hướng x, nhằm bù chênh lệch pha giữa các ống dẫn sóng liền kề Kết quả là, các thùy cách tử không xuất hiện trong mặt phẳng Ozx do khoảng cách giữa các khe trở thành một nửa bước sóng theo phương x Tuy nhiên, các thùy cách tử vẫn hiện diện trong mặt phẳng có trục z và hướng chéo kk’, nhờ vào cấu trúc mạng tinh thể tam giác, nơi khoảng cách giữa các khe theo hướng kk đạt cực đại như thể hiện trong Hình 2.2 a Để ngăn chặn sự xuất hiện của các thùy giữa các phần tử, một nghiên cứu đã đề xuất sử dụng khe dẫn sóng khoang kết thúc mở, như được minh họa trong Hình 2.3.

Hình 2.2 Cấu trúc ăng-ten mảng răng lược ống dẫn sóng gồm nhiều và 2 ống dẫn sóng [24]

Hình 2.3 Cấu hình của một khe dẫn sóng với khoang kết thúc mở [24]

Do kích thước của khoang dẫn sóng nhỏ hơn một bước sóng, cấu trúc khe cộng hưởng không thể được áp dụng Để tăng cường bức xạ, nghiên cứu đã đề xuất việc đặt một cột ở phía đối diện của khe tại đáy ống dẫn sóng, như mô tả trong Hình 2.3 Trong trường hợp này, mức độ bức xạ từ khe sẽ tăng lên tùy thuộc vào chiều cao của cột.

2.1.3 Ăng-ten răng lượcvi dải Ăng ten răng lược vi dải bao gồm một số phần tử bức xạ hình chữ nhật được gắn trực tiếp vào một đường cấp liệu thẳng in trên chất nền điện môi (chất nền trong nghiên cứu được lựa chọn Fluorocarbon, độ dày t = 0,127 mm, hằng sốđiện môi tương đối ε r =2.2 và mất tiếp tuyến tanσ =0.001) như thể hiện trong Hình

2.4 Chiều rộng của đường vi dải tiếp liệu đáp ứng trởkháng đặc trưng mong muốn là 50, 75 Ω Các phần tử bức xạnghiêng 45 độ so với đường vi dải cấp liệu cho yêu cầu phân cực chéo Các phần tử bức xạ có chiều dài Len và chiều rộng Wen được bố trí ở hai bên của đường ăn, chúng tạo thành một sự sắp xếp xen kẽ trong một mảng một chiều Chiều dài cộng hưởng Len đồng nhất với một nửa bước sóng Khoảng cách giữa các phần tử là khoảng một nửa bước sóng sao cho tất cả các phần tửở cả hai phía của đường microstrip được kích thích cùng pha Một phần tử phù hợp được thiết kế để bức xạ theo pha, tất cả công suất còn lại được bức xạở tại phần tử vi dải hình chữ nhật ởđầu cuối của đường cấp liệu Công suất ghép của phần tử bức xạđược điều khiển bởi chiều rộng Wen của phần tử bức xạ Một cách gần đúng thì độ rộng của phần tử bức xạ càng lớn thì công suất bức xạ càng lớn

Hình 2.4: Cấu trúc ăng-ten răng lược vi dải với cấu trúc khe khủ phản xạ

Mẫu bức xạ của ăng-ten răng lược vi dải có chùm tia rộng thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng, nhưng thiết kế thông thường có thể dẫn đến giảm đáng kể đặc tính phản xạ tổng thể của mảng do pha phản xạ phân tán của các phần tử bức xạ Để giải quyết vấn đề này, một cấu trúc khe triệt phản xạ được đề xuất, trong đó một khe hình chữ nhật được cắt trên đường tiếp liệu gần phần tử bức xạ, giúp triệt tiêu phản xạ từ mỗi phần tử bức xạ và khe Điều này cho phép thiết kế mảng góc rộng không độ mà không làm tăng sự mất mát do phản xạ của mảng gây ra, đồng thời tăng tính linh hoạt trong thiết kế của hướng chùm.

26 với sự tối ưu hóa khẩu độ, kích thước khe và khoảng cách khe từ phần tử bức xạ cho từng phần tử bức xạ.

2.1.4 Ăng-ten răng lượcvi dải đề xuấtvới phân bố Taylor và quy trình thiết kế Ăng-ten răng lược được đề xuất cho cấu trúc ăng-ten mảng có độ lợi cao cho trạm thu phát gốc mili-mét Cảăng-ten răng lược ống dẫn sóng và ăng-ten conbline vi dải đều được thiết kế theo quy trình chung dựa trên sự kích thích sóng truyền Sóng phản xạ bị bỏ qua trong thiết kế vì cột và khe khử phản xạđược sử dụng cho ăng-ten răng lược ống dẫn sóng và ăng-ten răng lược vi dải tại từng phần tửtương ứng Do đó, tác giả sẽtrình bày ăng-ten vi dải đề xuất theo quy trình thiết kế Một mô tảban đầu cho quy trình thiết ăng-ten răng lược đơn giản được trình bày theo

Giai đoạn đầu tiên trong thiết kế ăng-ten răng lược bao gồm việc lựa chọn phân bố công suất, số lượng phần tử bức xạ và tính toán hệ số coupling cho từng phần tử Đây là giai đoạn quan trọng quyết định các thông số mong muốn của ăng-ten ăng-ten răng lược được thiết kế dựa trên nguyên lý của ăng-ten mảng tuyến tính nối tiếp, do đó nó cũng được xem như một mảng ăng-ten nhỏ Biên độ kích thích cho các phần tử ăng-ten, hay công suất kích thích mỗi phần tử bức xạ, ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính của ăng-ten răng lược vi dải, đặc biệt là hệ số mức sidelobe Tác giả đã lựa chọn phân bố Taylor với 27 phần tử để tối ưu hóa hiệu suất của ăng-ten.

K ế t lu ậ n

Chương 2 trình bày 2 đề xuất chính cho ăng-ten độ lợi cao tần mili-mét dải tần 28GHz Đề xuất 1 tập trung vào tính toán và mô phỏng ăng-ten răng lược theo phân bố Taylor Ăng-ten răng lược được coi như một ăng-ten tuyến tính nối tiếp do đó hệ số coupling được coi là một thông số quan trọng khi thiết kế Cấu trúc ăng-ten răng lược có cột kim loại hoặc cắt khe phía trước phần tử bức xạ nhằm triệt tiêu sóng phản xạ từ phần tử dẫn xạđến sóng tới Điểm mới cho đề xuất này được kể đến là cấu trúc cắt vát và 2 phần tử chữ nhật 2 bên của phần tử giống hình một chú cá heo nhằm giảm độ rộng của cả cấu trúc ăng-ten răng lược vi dải Tạo điều kiện cho việc ghép mảng ăng-ten lớn (massive antenna) Ăng-ten răng lược đề xuất đáp ứng dải tần mili-mét với băng thông 38,59% và độ tăng ích đạt 17,9dBi với hệ số SLL lần lượt là -21dB và -18,4dB trong 2 mặt phẳng E và H Ngoài ra, ăng-ten mảng 2 phần tửrăng lược vi dải cũng được đề xuất Với cấu trúc mảng 2 phần tử răng lược băng thông vẫn đạt 38,59%, độtăng ích lên đến 20,7dBi với hệ số SLL lần lượt là 18,3dB và 18,4dB trong mặt phẳng E và H Đề xuất 2 tập trung thiết kếăng-ten phần tử cho trạm thu phát gốc sử dụng công nghệ SIW [27] Một cấu trúc dipole thiết kế trên 2 lớp chất nền có kích thước lần lượt là 0,4mm và 0,8mm Lớp 1 xây dựng khối cấp nguồn với bộ chuyển đổi GCPW sang SIW và kết hợp với khẩu độ chữ thập để cấp nguồn lên ăng ten

Thiết kế ăng-ten Lớpawngthieets được đặt trong khoang SIW, với băng thông đạt 14% và độ tăng ích lên đến 9,9dBi Kích thước của ăng-ten này khá nhỏ gọn so với các thiết kế tương đương, chỉ đạt kích thước λ λ× Cấu trúc ăng-ten do tác giả [27] đề xuất đã được trình bày tại hội nghị 2021 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC) diễn ra tại thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 10/2021.

PHÁT TRIỂN ĂNG -TEN M Ả NG CHO Ứ NG D Ụ NG ĐỊ NH D Ạ NG BÚP SÓNG