Kết quả mô phỏng các hệ số S của bộ chuyển đổi được trình bày trong Hình
3.7. Hệ số phản xạ của bộ chuyển đổi đạt <=-10 dB trên dải tần số 23-29GHz. Hệ số truyền qua S21 khá tốt đạt xấp xỉ -0.48dB trên dải tần hoạt động 23-29GHz. Kết quả cho thấy cấu trúc chuyển đổi tốt, đáp ứng dẫn truyền sóng từ cổng ra ma trận Butler 4x4 AFSIW tới mảng ăng-ten vi dải.
Hình 3.7 Hệ số S của bộ chuyển đổi AFSIW sang đường vi dải
Thiết kế hoàn chỉnh của mảng ăng-ten răng lược vi dải có điều hướng búp sóng được hồn tất bằng việc ghép nối các khối được thiết kế riêng rẽđược trình bày ở trên. Với mảng ăng-ten răng lược có 4 cổng đầu vào tương ứng với port 5, 6, 7, 8 (Hình 3.2) ma trận Butler 4x4 AFSIW. Hệ thống mảng 4 phần tử ăng-ten răng lược vi dải có định dạng búp sóng hồn chỉnh có kích thước hai lớp 133 x 37,2 x 0.95mm. Hệ thống sẽ có 4 cổng đầu vào tương đương với bốn chếđộđịnh dạng búp sóng.
Thực hiện mơ phỏng cấp nguồn lần lượt bốn cổng vào của mảng ăng-ten có định dạng búp sóng. Mơ hình mơ phỏng hệ thống trong phần mềm CST STUDIO SUITE 2019 được trình bày chi tiết theo Hình 3.8. Theo Hình 3.8a gồm lớp chất nền, lỗ via kim loại, khối khơng khí lấp đầy của lớp 1. Lớp 2 được trình bày trong
Hình 3.8b hiển thị cấu trúc mảng bốn phần tử ăng-ten răng lược vi dải và khối chuyển đổi SIW sang đường vi dải.
42
a) Lớp 1 của hệ thống
b) Lớp 2 của hệ thống
Hình 3.8 Cấu trúc ăng-ten có kết hợp mạch dịch pha cho ứng dụng định dạng búp sóng
Kết quả mơ phỏng ban đầu thu được hệ số phản xạđược mô tả trong Hình
3.9. Kết quả cho thấy cả 4 cổng của mảng ăng-ten răng lược có định dạng búp sóng có hệ số phản xạ nhỏhơn -15dB trên dải tần 26-30 GHz.
43
Hệ số phản xạ của cổng 1 và cổng 4
Hệ số phản xạ của cổng 2 và cổng 3
Hình 3.9 Hệ số phản xạ của mảng 4 phần tử ăng-ten răng lược vi dải có định dạng búp sóng
Hệ số cách ly giữa các cổng đạt >12dB trong dải tần hoạt động của mảng ăng-ten 26-31 GHz hiển thị trong Hình 3.10. Kết quả mảng ăng-ten hoạt động tốt trong dải tần 26-30 GHz.
Hệ số cách ly giữa cổng 1 và cổng 2,3
44
Hình 3.10 Hệ số cách ly giữa các cổng đầu vào
Đồ thị bức xạđược xem là kết quảđểđánh giá khảnăng định dạng búp sóng của hệ thống này. Đồ thị bức xạđược hiển thị dưới Hình 3.11.
Cổng 1 Cổng 2
Cổng 3 Cổng 4
Hình 3.11 Đồ thị bức xạ của mảng 4 ăng-ten phần tử răng lược vi dải
Qua đồ thị Hình 3.12 ta thấy rằng có 4 búp sóng chính được tạo ra trên ăng- ten mảng khi cấp nguồn bằng ma trận Butler 4x4, chúng nằm ở các tọa độ -30°, - 10°, 10°, 30° trong hệ tọa độ cực theo phương ngang. Các búp sóng trên cho phép đáp ứng được yêu cầu vềgóc quét của ăng-ten trạm 5G mili-mét.
Hình 3.12 Đồ thị bức xạ của mảng ăng-ten răng lược có điều chỉnh búp sóng
hồn chỉnh
3.3 Kết luận
Chương này đã trình bày thiết kế hồn chỉnh một mảng ăng-ten răng lược vi dải có điều hướng búp sóng bằng ma trận Butler 4x4 trên AFSIW cho trạm thu phát gốc mili-mét. Mảng ăng-ten răng lược vi dải có điều hướng búp sóng sử dụng
45 công nghệ SIW và HFSIW kết hợp với bộ chuyển đổi kép HFSIW sang vi dải hạn chế tổn hao trên chất nền, chếđộ lan truyền sóng tại tần mili-mét. Việc mô phỏng ghép nối ma trận Butler với mảng ăng-ten đã được thực hiện. Kết quả chỉ ra mảng ăng-ten răng lược này có thểđáp ứng được cho trạm thu phát gốc mili-mét như độ lợi cao, búp sóng phụ nhỏ và góc phủ sóng. Ngồi ra, kết quả cấu trúc chuyển đổi giữa đường vi dải và SIW được sử dụng trong ứng dụng trên đã được trình bày trong: Thi Hong Le Dam, Thi Them Truong, Minh Thuy Le, Alejandro Niembro Martin, Emmanuel Dreina, Tan Phu Vuong (2022) “Vertical and Horizontal SIW Horn Antennas
at 60 GHz” 2021 European Microwave Week, 2/4/2022 - 7/4/2022 ExCel London.
Trong luận vănnày, tác giả giả đã trình bày những tìm hiểu về xu hướng phát triển của trạm thu phát gốc, kiến thức về cơng nghệ ống dẫn sóng tích hợp SIW cho băng tần mili-mét cùng những bộ chuyển đổi SIW và đường vi dải, GCPW và SIW, HFSIW sang SIW nhằm làm giảm tổn hao do sai lệch chế độ lan truyền sóng giữa các cơng nghệ. Ngồi ra tác giả cịn tìm hiểu một số phân bố công suất hay sử dụngnhư Schelkunoff Polynomial, Chebyshes, Taylor.
Đề xuất đầu tiên tập trung vào tính tốn và mơ 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 kểđến 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 thơng 38,59% và độtăng 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 tửrăng lược băng thơng 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 thứ hai tập trung thiết kếăng-ten phần tử cho trạm thu phát gốc mili- mét sử dụng cơng nghệống dẫn sóng tích hợp trong chất nền. 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. Lớp 2 là khối bức xạ 4 bộ via kim loại tuowgn ứng với 4 miếng vi dải được thiết kế nằm trong khoang SIW. Cấu trúc cho băng thông 14%, độ tăng ích đạt 9,9dBi. Kích thước khá nhỏ gọn so với các thiết kế tương đương là λ λ× . Cấu trúc ăng-ten đề xuất này của tác giả [27] đã được trình bày tại hội nghị 2021 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC) diễn ra tại thành phố Hồ Chí Minh 10/2021.
Nhằm đánh giá sơ bộ khảnăng hoạt động của mảng ăng-ten răng lược vi dải khi ghép nối vào hệ thống mạch dịch pha – ma trận Butler 4x4 AFSIW. Một cấu trúc mảng ăng-ten răng lược vi dải có điều hướng búp sóng sử dụng ma trận Butler 4x4 AFSIW hồn chỉnh được mơ phỏng với 4 cổng vào. Kết quả mô phỏng thu được ăng-ten hoạt động trong dải tần 25GHz đến 31GHz. Đồ thị bức xạ có 4 búp sóng chính được tạo ra trên ăng-ten mảng khi cấp nguồn bằng ma trận Butler 4x4,
46 chúng nằm ở các tọa độ -30°, -10°, 10°, 30° trong hệ tọa độ cực theo phương ngang với độ lợi các búp có thểđạt tới 21,9dBi.
Kết quả của luận văn được trình bày tại 2 hội nghị:
- Thi Hong Le Dam, Thi Them Truong, Minh Thuy Le, Alejandro Niembro Martin, Emmanuel Dreina, Tan Phu Vuong (2022) “Vertical and
Horizontal SIW Horn Antennas at 60 GHz” 2021 European Microwave
Week, 2/4/2022 - 7/4/2022 ExCel London.
- Thi Them Truong, Thi Anh Vu, Do Toan, Duc Nhat nguyen, Hoang Truyen, Vu Xuan Trung Nguyen, Minh Thuy Le, (2021) “A High-gain
and Wide-Band Patch Antenna for 5G Millimeter-wave Applications”,
2021 International Conference On Advanced Technologies For Communications, pp. 275-279 Ho Chi Minh City.
3.4 Hướng phát triển của luân văntrong tương lai
Ghép mảng đối với ăng-ten phần tử dipole sử dụng công nghệSIW được đề xuất trong chương 2.
47
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Jake Saunders, VP, Asia-Pacific & Advisory Services, ABI Research, “Analyst Angle: The rise and outlook of ăng-tennas in 5G,” Jun. 24, 2018 [2] Huawei, “5G Technology - Beamforming,” Apr. 16, 2021.
https://blog.3g4g.co.uk/search/label/Base%20Station.
[3] C. A. Balanis, Ăng-tenna theory: analysis and design, Fourth edition. Hoboken, New Jersey: Wiley, 2016.
[4] “Minimum requirements related to,” p. 11.
[5] R.S.Elliott, Beamwidth and Directivity of Large Scanning Arrays. The
Microwave Journal, 1963
[6] T. L. Marzetta, “Noncooperative Cellular Wireless with Unlimited Numbers of Base Station Antennas,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 9, no. 11, pp. 3590–3600, Nov. 2010, doi: 10.1109/TWC.2010.092810.091092.
[7] Y. Lo, D. Solomon, and W. Richards, “Theory and experiment on microstrip antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 27, no. 2, pp. 137–145, Mar. 1979, doi: 10.1109/TAP.1979.1142057.
[8] R. F. Harrington, “Effect of antenna size on gain, bandwidth, and efficiency,”
J. Res. Natl. Bur. Stand. Sect. Radio Propag., vol. 64D, no. 1, p. 1, Jan. 1960,
doi: 10.6028/jres.064D.003.
[9] 5G Americas White Paper, “Advanced Antenna Systems for 5G.” Aug. 2019. [10] C. A. Balanis, Antenna theory: analysis and design, Fourth edition. Hoboken,
New Jersey: Wiley, 2016.
[11] 5G Americas White Paper, “Advanced Ăng-tenna Systems for 5G.” Aug. 2019.
[12] R. Bates, “Mode theory approach to arrays,” IEEE Trans. Ăng-tennas Propag., vol. 13, no. 2, pp. 321–322, Mar. 1965, doi:
10.1109/TAP.1965.1138407.
[13] D. Rhodes, “On the Taylor distribution,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 20, no. 2, pp. 143–145, Mar. 1972, doi: 10.1109/TAP.1972.1140179.
[14] R. S. Elliott, Antenna theory and design, Revised ed. Hoboken, N.J: John Wiley & Sons, 2003.
[15] M. Bozzi, A. Georgiadis, and K. Wu, “Review of substrate-integrated waveguide circuits and antennas,” vol. 5, p. 12, 2011.
[16] C. Tomassoni and M. Bozzi, “Substrate Integrated Waveguide Cavity Filters: Miniaturization and New Materials for IoT Applications,” Radioengineering, vol. 26, no. 3, pp. 633–641, Sep. 2017, doi: 10.13164/re.2017.0633.
[17] D. Deslandes, “Design Equations for Tapered Microstrip-to-Substrate Integrated Waveguide Transitions,” p. 4, 2010.
[18] R. Kazemi, A. E. Fathy, S. Yang, and R. A. Sadeghzadeh, “Development of an ultra wide band GCPW to SIW transition,” in 2012 IEEE Radio and
Wireless Symposium, Santa Clara, CA, USA, Jan. 2012, pp. 171–174. doi:
48 [19] F. Parment, A. Ghiotto, T.-P. Vuong, J.-M. Duchamp, and K. Wu, “Air-Filled Substrate Integrated Waveguide for Low-Loss and High Power-Handling Millimeter-Wave Substrate Integrated Circuits,” IEEE Trans. Microw.
Theory Tech., vol. 63, no. 4, pp. 1228–1238, Apr. 2015, doi:
10.1109/TMTT.2015.2408593.
[20] Y. Hayashi, K. Sakakibara, N. Kikuma, and H. Hirayama, “Beam-tilting design of microstrip comb-line antenna array in perpendicular plane of feeding line for three-beam switching,” in 2008 IEEE Antennas and
Propagation Society International Symposium, San Diego, CA, Jul. 2008, pp.
1–4. doi: 10.1109/APS.2008.4618960. [21] “Antenna Engineering Handbook.pdf.”
[22] “Fujimura, K. (1995). Current Status and Trend of Millimeter-Wave Automotive Radar, 1995 Microwave workshops and exhibition digest, MWE’95, pp. 225-230, Yokohama, Japan, Dec. 1995”.
[23] Sehyun Park, Y. Okajima, J. Hirokawa, and M. Ando, “A slotted post-wall waveguide array with interdigital structure for 45/spl deg/ linear and dual polarization,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 53, no. 9, pp. 2865–2871, Sep. 2005, doi: 10.1109/TAP.2005.854554.
[24] K. Sakakibara, “High-Gain Millimeter-Wave Planar Array Antennas with Traveling-Wave Excitation,” in Radar Technology, G. Kouemou, Ed. InTech, 2010. doi: 10.5772/7186.
[25] “High-Gain Millimeter-Wave Planar Array Antennas with Traveling-Wave Excitation_Sakaki_23010.pdf.”
[26] A. T. Abed, “Study of Radiation Properties in Taylor Distribution Uniform Spaced Backfire Antenna Arrays,” Am. J. Electromagn. Appl., vol. 2, no. 3, p. 23, 2014, doi: 10.11648/j.ajea.20140203.11.
[27] T. T. Truong et al., “A High-gain and WideBand Patch Antenna for 5G Millimeter-wave Applications,” in 2021 International Conference on
Advanced Technologies for Communications (ATC), Ho Chi Minh City,
Vietnam, Oct. 2021, pp. 275–279. doi: 10.1109/ATC52653.2021.9598276. [28] Q. Yang et al., “Millimeter-Wave Dual-Polarized Differentially Fed 2-D
Multibeam Patch Antenna Array,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 68, no. 10, pp. 7007–7016, Oct. 2020, doi: 10.1109/TAP.2020.2992896.
[29] Y. Li and K.-M. Luk, “60-GHz Dual-Polarized Two-Dimensional Switch- Beam Wideband Antenna Array of Aperture-Coupled Magneto-Electric Dipoles,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 64, no. 2, pp. 554–563, Feb. 2016, doi: 10.1109/TAP.2015.2507170.
[30] Q. Zhu, K. B. Ng, C. H. Chan, and K.-M. Luk, “Substrate-Integrated- Waveguide-Fed Array Antenna Covering 57–71 GHz Band for 5G Applications,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no. 12, pp. 6298–
6306, Dec. 2017, doi: 10.1109/TAP.2017.2723080.
[31] M. Wang, Q. Zhu, and C. H. Chan, “Wideband, Low-Profile Slot-Fed Dipole- Patch Antenna and Array,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 19, no. 12, pp. 2250–2254, Dec. 2020, doi: 10.1109/LAWP.2020.3029577.
[32] Y.-F. Wang, B. Wu, N. Zhang, Y.-T. Zhao, and T. Su, “Wideband Circularly Polarized Magneto-Electric Dipole $1\times2$ Antenna Array for Millimeter-
49 Wave Applications,” IEEE Access, vol. 8, pp. 27516–27523, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.2971860.
[33] Y. Li and K.-M. Luk, “A 60-GHz Wideband Circularly Polarized Aperture- Coupled Magneto-Electric Dipole Antenna Array,” IEEE Trans. Antennas
Propag., vol. 64, no. 4, pp. 1325–1333, Apr. 2016, doi:
10.1109/TAP.2016.2537390.
[34] T.-H.-L. Dam, T.-T. Truong, M.-T. Le, A. Niembro-Martin, E. Dreina, and P. Vuong, “Vertical and Horizontal SIW Horn Antennas at 60 GHz,” p. 4.