Do có sựtương đồng về cấu trúc vật lý nên mơ hình phân tích trường điện từ truyền tải trong SIW cũng tương tự với của ống dẫn sóng kim loai chữ nhật với điều kiện biên là trường E
bằng khơng ở thành của ống dẫn sóng.
Tuy nhiên, khác với ống dẫn sóng vốn có thành là tấm kim loại liên tục, SIW lại có thành với những khe hở lặp lại tuần hoàn dọc theo chiều dài ống dẫn sóng (là các khe giữa các lỗ via kim loại). Vì thế cho nên chếgiao động và lan truyền của sóng điện từ bên trong SIW sẽ khác với của ống dẫn sóng kim loại. Cụ thể, sự tồn tại của các khe này đã cắt ngang, ngăn không cho dòng bề mặt chạy trên thành của cấu trúc theo phương ngang. Vì thế, theo lý thuyết về lan truyền sóngđiện từ trong các mơi trường định hướng thì trong SIW chỉ tồn tại được chếđộ lan truyền 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 TE10 và TE20 trong cấu trúc SIW [16] b) TE10 trong SIW
dạng 2D
Một vấn đề về quan trọng trong thiết kế cấu trúc SIW là vấn đề về tổn thất, điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng hoạt động ở tần số mili-mét. Ba
17 loại tổn thất chính được nhắc đến là tổn thất đường truyền (conductor losses) (do tường kim loại có độ dẫn điện hữu hạn), tổn thất điện môi (do hao tổn trong vật liệu điện môi) và tổn thất bức xạ (do sự mất mát năng lượng thông qua các khe hở giữa các lỗ via). Tổn thất đường truyền và tổn thất điện môi trong cấu trúc SIW có tính chất tương tựnhư trong RWG có điện mơi. Tổn thất đường truyền có thể giảm bằng việc tăng độ dày chất nền vì hằng số suy giảm gần như tỷ lệ nghịch với độ dày chất nền, trong khi đó, các kích thước hình học khác của cấu trúc không ảnh hưởng nhiều đến tổn thất này. Ngược lại, tổn thất điện môi chỉ phụ thuộc vào vật liệu điện môi chứ không phụ thuộc vào cấu trúc hình học của SIW và do đó, tổn thất này chỉ có thể được hạn chế bằng cách sử dụng chất nền điện môi tốt hơn. Cuối cùng, tổn thất bức xạ có thểđược giữở mức nhỏ khi các lỗ via được thiết kế một cách hợp lý. Khoảng các giữa các lỗ via càng gần thì hao tổn rị rỉ các thấp, tuy nhiên điều đó sẽảnh hưởng đến độ cứng cơ học của mạch, do đó, cần cân nhắc phù hợp để thu được hao tổn thấp nhưng không làm ảnh hưởng đến việc chế tạo mạch.
1.3.2 Nguyên lý và phương pháp thiết kế
Như tên gọi SIW - ống dẫn sóng “tích hợp”, việc thiết kế cấu trúc này sẽ chủ yếu dựa vào mơ hình và lý thuyết vềống dẫn sóng lan truyền sóng điện từ theo chế độ TE. Với các yêu cầu vềcác đặc tính đường truyền (tần số cắt fc – tần số giới hạn dưới cho phép chếđộ lan truyền sóng bắt đầu tồn tại được trong ống dẫn, hằng số truyền sóng β - quyết định các vật tốc truyền sóng, pha của dao động điện từ trong ống) được đặt ra, ta sẽtính tốn kích thước của một ống dẫn sóng chữ nhật có điện mơi đổđầy bên trong thỏa mãn được yêu cầu thiết kếđó.
Sau đó chuyển đổi mơ hình của ống dẫn sóng trên sang các kích thước cho cấu trúc SIW tương đương bằng (1.17) và 1 sốđiều kiện kèm theo (gọi là các luật thiết kế) để đảm bảo sự tương đương đó. Các luật thiết kếđược xây dựng nhằm đảm bảo tiêu chí về sựsuy hao, độ bền của mạch [9].
Với một đường truyền dẫn sóng trên cơng nghệ SIW thì thơng số quan trọng của nó gồm: d: đường kính via p: khoảng cách via a: độ rộng ống dẫn Hằng sốđiện mối lấp đầy εr Hình 1.21 Mặt cắt ngang SIW
Theo lý thuyết về trường điện từ thì ta có thể tính tốn, chuyển đổi tương đương kích thước của một RWG sang SIW có cùng tần số cắt như sau [16] :
2 2 1.08 0.1 RWG RWG d d a a p a = − + 1.17
Với aRWG là độ rộng của ống dẫn sóng chữ nhật được đổ đầy điện mơi εr có tần số cắt là fc.
18 2 RWG c r c a f ε = 1.18
Sau khi tính tốn được thơng số độ rộng giữa hai hàng via kim loại của đường truyền SIW, ta sẽ áp dụng thêm các quy luật thiết kế [15] [16] để tìm ra được giá trị, khoảng giá trị phù hợp cho khoảng cách theo chiều dọc của các via p, đường kính lỗvia d để có thểthu được cấu trúc SIW có tiêu chí phù hợp:
Đảm bảo suy hao do bức xạtrên khe đủ nhỏ:
p>d 1.19
Đảm bảo về kết cấu cơ học của mạch:
/ c 0.05
p λ > 1.20
Đảm bảo điều kiện vềsuy hao lọt khe đủ nhỏ:
/ g 0.25 p λ < 1.21 Trong đó: 2 1 2 g RWG a λ λ λ = − 1.22
Bước sóng của sóng điện từ trong ống dẫn sóng
1.3.3 Ứng dụng cơng 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 thơng, truyền thơng 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 cơng nghệ SIW vào thiết kếđó là:
Ăng-tennhư ănten khe ống dẫn sóng, ăng-ten slot backed waveguide…
Phần tử thụ động như các đường dẫn sóng; mạch dịch pha; mạch lọc; mạch cộng hưởng; bộ chia, ghép cơng suất; bộđịnh hướng tín hiệu; các phần tử chuyển đổi, ghép nối SIW với các đường dẫn sóng khác.
Phần tử tích cựcnhư các mạch dao dộng, bộ trôn tần số, bộ khuếch đại… Hiện nay giới hạn về tần số hiệu quảđể chế tạo, sản xuất các phần tử SIW với các công nghệ sản xuất mạch in đại trà đang vào cỡ 30 GHz. Tuy nhiên về lý thuyết, chúng ta có thể áp dụng công nghệ SIW cho các thiết kếở các dải tần số lớn hơn. Nhưng do những vấn đề về sai số trong chế tạo (của các công nghệ mạch in PCB và LTTC) và yêu cầu đảm bảo về kết cấu vật lý (tính chịu lực) của phần tử nên SIW ở dải tần cao hơn thường đi kèm với các vật liệu chế tạo đặc biệt, có giá thành cao. Vì vậy, việc nâng cao tần số hoạt động hiệu quả của SIW trong sản xuất đại trà với PCB hay LTCC chính là nhiệm vụ cho các nghiên cứu về SIW trong tương lai [16].
19 Song song với việc nâng cao dải tần áp dụng hiệu quả công nghệ SIW trong thiết kế, sản xuất, ở khía cạnh ứng dụng với các nhu cầu về thu gọn hơn nữa kích thước mạch, mở rộng băng thơng hay giảm suy hao mà nhiều kỹ thuật cải tiến SIW đã được các nghiên cứu quan tâm phát triển [15]. Các kỹ thuật tiêu biểu có thể kể tới là: Airfilled SIW cho mục đích giảm hao truyền dẫn; SIWF, HMSIW, FHMSIW cho nhu cầu thu gọn kích thước thiết bị; SISW, Ridge Waveguide in SIW, Slab-AFSIW cho yêu cầu 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 và đường truyền vi dảihoặc GCPW
Cấu trúc SIW có thểđược tích hợp với các thiết bị khác thông qua cấu trúc chuyển đổi giữa SIW và cấu trúc vi dải. Trong phần này, cấu trúc chyển đổi vi dải hình nón (taper) được giới thiệu.
a) b)
Hình 1.22 Phân bố điện trường trong chế độ ưu thế của a) SIW b) Đường truyền vi dải
Như có thể thấy trong Hình 1.22, chếđộ lan truyền sóng trong đường truyền vi dải là cấu trúc Quasi-TEM, trong khi đó, chếđộ lan truyền trong cấu trúc SIW là TE. Để tích hợp cấu trúc SIW với các cấu trúc sử dụng đường truyền vi dải mà khơng bị tổn hao nhiều thì cần phải có một cấu trúc chuyển đổi, cấu trúc chuyển đổi được giới thiệu là cấu trúc chuyển đổi vi dải hình nón taper. Cấu trúc của taper được thể hiện trong Hình 1.23.
Hình 1.23 Cấu trúc đường chuyển đổi vi dải hình nón (taper)
Các kích thước được tính tốn như sau [17]: • 𝐿𝐿𝑡𝑡 =𝑘𝑘.𝜆𝜆4 (k=1,3,5, 7…; 𝜆𝜆là độdài bước sóng) • 𝑊𝑊𝑠𝑠: Độ rộng của đường vi dải
20 𝑋𝑋1 = ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ 60η 𝑙𝑙𝑛𝑛 �80ℎ𝑊𝑊 𝑡𝑡 +0,25𝑊𝑊ℎ 𝑡𝑡� 𝑛𝑛ế𝑢𝑢 𝑊𝑊ℎ𝑡𝑡 > 1 120𝜋𝜋 ηℎ(𝑊𝑊𝑡𝑡 ℎ + 1,393 + 0,667𝑙𝑙𝑛𝑛 (𝑊𝑊ℎ𝑡𝑡+ 1,444) 𝑛𝑛ế𝑢𝑢 𝑊𝑊ℎ𝑡𝑡< 1 1.23 𝑋𝑋2 =4,38𝑎𝑎 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑝𝑝 (−0,627𝜀𝜀 𝜀𝜀𝑟𝑟 𝑟𝑟+ 1 2 + 𝜀𝜀𝑟𝑟−1 2�1 + 12𝑊𝑊𝑛𝑛 𝑡𝑡 ) 1.24
Nhằm tăng tính linh hoạt của các phần tử cao tần sử dụng công nghệ SIW, cấu trúc chuyển đổi giữa GCPW sang SIW cũng được trình bày trong luận văn này.
Hình 1.24 Cấu trúc chuyển đổi GCPW sang SIW
Ngồi các điều kiện và thơng số được trình bày tương tự như chuyển tiếp microstrip sang SIW, cấu trúc này có các điều kiện bổ sung thêm (1.25) [18]:
max w 2 2 2 r c f gl g f ε + + < 1.25
Trong đó wf, g, gl là chiều rộng dải, khe hở giữa đường vi dải và mặt phẳng đất liền kề, và khoảng cách giữa khe hở và via. Và f_max là tần số hoạt động lớn nhất.
1.3.5 Công nghệ AFSIW, Slab-AFSIW
Nằm trong xu hướng cải tiến nhằm giảm suy hao truyền dẫn và mở rộng băng thông đường truyền, hai công nghệ AFSIW và Slab-AFSIW đã được tập trung nghiên cứudựa vào mơ hình đường truyền SIW truyền thống. Từđó góp phần làm đa dạng hơn hệ thống các cơng nghệ SIW, giúp chúng đáp ứng được nhiều yêu cầu thiết kếđặc biệt hơn.
Cơng nghệ AFSIW hay có tên tiếng việt là ống dẫn sóng tích hợp trên chất nền đổđầy bằng khơng khí, được giới thiệu trong [19] với mục đich giảm độ suy hao của đường truyền trên chất điện mơi.
21 Cấu trúc có thể mô tả là một đường SIW với lớp điện môi được khoét đi ở phía bên trong, chỉ để lại hai dải điện môi ăn sâu 1 đoạn vào trong thành ống - nhằm tạo khung nâng đỡ cấu trúc và lỗ via kim loại khi chế tạo.
Hình 1.25 Cấu trúc AFSIW
Mơ hình phân tích, thiết kế cấu trúc này tương tự với của SIW truyền thống nhưng thay vào đó là hằng sốđiện mơi εr của khơng khí. Thơng số về tần số cắt của đường truyền có thểđược tính tốn bằng cách giải phương trình sau (thường sử dụng các phương pháp số trên máy tính như lặp Newton Raphson để tìm nghiệm). ( 1 2) 2 tan r W W fc r cot W fc c c ε π π ε − = 1.26
Trong đó: fc là tần số cắt cần xác định, W1 là khoảng cách giữa hai thành via kim loại, W2 là độ rộng phần khoét đi của lớp điện môi và εr là hằng sốđiện môi của chất nền
Trong các loại tổn hao trên đường truyền dẫn sóng, tổn hao do điện mơi chiếm phần trăm khá lớn [19] vì vậy việc loại bỏ tối đa thể tích điện mơi và thay bằng khơng khí trong đường truyền này đã làm giảm đáng kể suy hao truyền dẫn.
1.4 Kết luận
Chương này trình bày về 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 và công nghệống dẫn sóng trong chất nền SIW. Thế hệ thứ 5 hay công nghệ 5G tiếp tục triển khai việc khai thác ở các tần số cao hơn bao gồm hai dải tần số chính: sub-6G và dải tần số siêu cao tần (milimeterwave, từ 28 GHz -39 GHz) vừa đểtăng tốc độ truyền nhận và cịn giảm kích thước ăng-ten. Các ăng-ten mảng trở nên hiệu quả khi kết hợp phương pháp mili-mét và công nghệ Massive ăng ten. Các phương pháp phân bố cơng suất điển hình cho mảng tuyến tính cũng được trình bày: phân bố Schelkunoff Polynomial, phân bố Chebyshev, phân bố Taylor. Công nghệ SIW được tác giả trình bày chi tiết. SIW được sử dụng phổi biến nhằm tích hợp ống dẫn sóng vào trong các chất nền của các 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.
22
CHƯƠNG 2.ĂNG-TEN BĂNG TẦN MILIMET ĐỘ LỢI CAO
Chương 2 đưa ra cấu trúc ăng-ten mảng răng lược phân bố công suất theo phân bố Taylor và một cấu trúc ăng-ten phần tử sử dụng cơng nghệ SIW với băng tần Milimet có độ lợi cao.
2.1 Ăng-ten mảng răng lược theo phân bố Taylor 2.1.1 Cấu hình ăng-ten mảng răng lược 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 thơng 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.
Hình ảnh mẫu ăng-ten mảng răng lược được mơ tả trong Hình 2.1. Trong
ăng-ten mảng răng lược vi dải, vì phần tử mảng bức xạ được gắn trực tiếp vào đường cấp nguồn, suy hao trên đường truyền cấp liệu có thể khá nhỏ so với các ăng-ten mảng vi dải thông thường khác được kết nối qua nhánh microstrip từ đường cấp liệu. Nhánh của ăng-ten răng lược vi dải khơng cịn là đường truyền thơng thường mà chính là phần tử bức xạ. Bức xạ từ sựgián đoạn tại điểm nối của phần tử bức xạ tham gia vào bức xạ chính từ phần tử. Do đó, mơ hình mạch tương đương không thểđược sử dụng trong thiết kế nữa. Do đó, trong q trình mơ phỏng phải được sử dụng đểước tính chính xác biên độ và pha của bức xạ từ các phần tử. Sóng phản xạ từ các phần tửtrong đường cấp liệu làm giảm hiệu suất của ăng-ten. Khi tất cả các phần tử bức xạđược kích thích cùng pha đối với chùm tia rộng, sóng phản xạ cũng cùng pha và suy hao hồi lưu tăng lên tại điểm cung cấp. Hơn nữa, sóng phản xạ từ các phần tử lại bức xạ từ các phần tử khác. Dạng bức xạcũng suy giảm vì nó khơng được tính đến trong thiết kế sóng truyền. Do đó, cấu trúc khe để triệt tiêu sóng phản xạđược đề xuất để giảm phản xạ từ phần tử bức xạ. Tính khả thi của cấu trúc đề xuất được xác nhận trong thử nghiệm (Hayashi và đồng tác giả, 2008) [20].
Mặt khác, trong thiết kế của các ăng ten mảng ống dẫn sóng với khe slot nối tiếp để phân cực dọc và ngang. Các khe bức xạ được đặt cách nhau khoảng một nửa bước sóng dẫn hướng để kích thích cùng pha. Sựbù đắp xen kẽvà định hướng từ trục trung tâm của ống dẫn sóng là cần thiết đểhướng chùm tia chính vềhướng rộng (Volakis, 2007)[21]. Vì khoảng cách nhỏ hơn một bước sóng trong khơng 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 nói chung, hai phân cực trực giao được sử dụng