Các nghiên cứu Loại ăng- ten Kiểu cấp nguồn (số nguồn) Kích thước λ Số lớp Băng thông (%) Độ lợi (dbi) Hiệu suất (%) [28] Patch GCPW (2) 0,7 x 0,7 2 8,6 7 90 [29] Dipole Waveguide (2) 1x1 3 22 8,4 NA [30] Dipole Waveguide (1) 1x1 2 38,7 9,4 86,9 [31] Dipole Waveguide (1) 1,14 x 1,14 4 36 9,6 NA [32] S- dipole GCPW (1) 1x1 3 36 7 NA [33] Dipole Waveguide (1) 1x1 2 50,5 9,6 95,8 [34] Horn Microstrip (1) 1x1 1 NA 8,2- 10,5 NA
37 This work [27] Dipole GCPW (1) 1x1 2 14 9,9 89 2.3 Kết luận
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 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 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 thơng 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. Lớpawngthieets kếăng-ten được nằm trong khoang SIW. Cấu trúc cho băng thơng 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.
38
CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN ĂNG-TEN MẢNG CHO ỨNG DỤNG ĐỊNH DẠNG BÚP SÓNG
3.1 Mục tiêu
Nhằm đánh giá sơ bộ khảnăng ứng dụng của mảng ăng-ten răng lược vi dải cho ứng dụng định dạng búp sóng. Một hệ thống định dạng búp sóng sử dụng hệ thống mạch dịch pha – ma trận Butler 4x4 AFSIW kết hợp với mảng 4 phần tử ăng-ten răng lược vi dải. Hệ thống thiết kế theo nguyên lý tạo hình búp sóng cố định – xử lý tín hiệu kiểu tương tự. Tín hiệu cấp tới mỗi đầu vào sẽ ứng với độ lệch pha khác nhau của các phần tử trong mảng, và với mỗi chếđộ lệch pha đó có thể tạo ra được búp sóng có các góc quay tương ứng. Bằng ma trận Butler với bốn cổng đầu vào có thể tạo được 4 chế độ lệch pha ở đầu ra cấp tới mảng ăng-ten, tương ứng với 4 các góc quay của búp sóng tương ứng trong không gian bao phủ vùng toạ độ từ θ2L° cho tới θ2R°. Một hệ thống hồn chỉnh được mơ tả trong Hình
3.1.
Hình 3.1 Mơ hình mảng ăng-ten có điều hướng búp sóng bằng ma trận butler
Ma trận Butler 4x4 AFSIW tác giả sử dụng kết quảđồ án của cựu sinh viên Vũ Hồng Tiến lab RF3I – viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội. Thiết kế hồn chỉnh của ma trận Butler trong đồán được mơ tảnhư trong Hình 3.2. Mạch được mơ hình trên phần mềm thiết kế, mô phỏng mạch cao tần và vi sóng CST 2019 với vật liệu chế tạo Rogers RT5880 0,508mm có đọ dày lớp đồng 0,017mm. Thiết kế với kích thước mơ tả của mạch có thể thực hiện bằng công nghệ chế tạo mạch in PCB trong thực tế. Các cổng nhận tín hiệu đầu vào của mạch được đánh số từ 1 tới 4 và các cổng đầu ra để ghép nối tới mảng ăng-ten được đánh số từ 5 tới 8. Các cổng này đều có chiều rộng giữa các hàng via là 7,04mm. Ma trận Butler 4x4 trên AFSIW có cấu tạo gồm các phần tử đã thiết kế và đánh giá đạt các tiêu chí như sau:
• Dải tần hoạt động 27-29 GHz
• Hệ số phản xạở các cổng đầu vào thấp hơn -15dB • Hệ số cách ly giữa các cổng đầu vào cao hơn 15dB
• Độ dịch pha các cổng đều đạt giá trị gần lý tưởng ( -45°) và sai lệch so với giá trị này khơng q 5°
39
Hình 3.2 Ma trận Butler 4x4 AFSIW- kết quả đồ án của cựu sinh viên Vũ Hồng Tiến lab RF3I – viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội
3.2 Thiết kế mảng ăng-ten răng lược vi dải có điều hướng búp sóng
Ma trận Butler 4x4 AFSIW sử dụng công nghệ (AFSIW) ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền khơng khí. Chế độ lan truyền sóng trong các cơng nghệ ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền chiếm ưu thế là TE10. Chế độ lan truyền sóng của các cơng nghệ đường vi dải – ăng-ten răng lược vi dải là Quasi-TEM. Do đó khi ghép nối trực tiếp ma trận Butler 4x4 AFSIW và mảng ăng-ten răng lược vi dải sẽ gây ra thất thoát năng lượng lớn do đột ngột thay đổi chếđộ lan truyền sóng. Một giải pháp hữu hiệu được đề xuất là bộ chuyển đổi từ AFSIW sang đường vi dải. Để thu gọn kích thước của hệ thống, tác giả thiết kế hệ thống hoàn chỉnh trên 2 lớp tương ứng với 3 khối chính: ma trận Butler 4x4 AFSIW, bộ chuyển đổi từ ma trận Butler 4x4 AFSIW sang mảng ăng-ten, mảng ăng-ten. Lớp 1 gồm ma trận Butler 4x4 AFSIW và bộ chuyển đổi AFSIW sang SIW. Lớp 2 bao gồm bộ chuyển đổi từSIW sang đường vi dải Hình 3.3.
Hình 3.3 Hệ thống mảng bốn ăng-ten răng lược phần tử vi dải dịch pha
Bộ chuyển đổi AFSIW sang SIW gồm hai giai đoạn: bộ chuyển đổi từ AFSIW sang SIW và bộ chuyển đổi từSIW sang đường vi dải. Bộ chuyển đổi từ AFSIW sang SIW được thiết kế trên cùng mặt phẳng với ma trận Butler 4x4 AFSIW thuộc lớp 1. Bộ chuyển đổi có cấu trúc khối khơng khí lấp đầy hình tam giác thu nhỏ dần được mơ tả trong Hình 3.4. Kích thước giới hạn của bộ chuyển đổi AFSIW sang SIW 7,33 x 10 x 0,503 mm với chất nền Rogers RT5880. Ngồi ra, một khe cắt khơng khí hình chữ nhật ở cuối bộ chuyển đổi có kích thước xấp xỉ
40 độ rộng ống dẫn sóng 6,5mm nhằm dẫn truyền sóng lên bộ chuyển đổi SIW sang đường vi dải.
a) Cấu trúc hoàn chỉnh của bộ chuyển đổi AFSIW sang SIW
b) Cấu trúc chỉ có phần via, chất điện mơi và phần khơng khí lấp đầy
Hình 3.4 Bộ chuyển đổi từ AFSIW sang SIW
Bộ chuyển đổi thứ 2 là bộ chuyển đổi SIW sang đường vi dải được thiết kế trên cùng mặt phẳng với mảng 4 phần tửăng-ten răng lược vi dải được mơ tả trong
Hình 3.5.
a) Cấu trúc hồn chỉnh của bộ chuyển đổi SIW sang đường vi dải
b) Cấu trúc mặt kim loại tiếp giáp với bộ chuyển đổi AFSIW
sang SIW
Hình 3.5 Bộ chuyển đổi SIW sang đường vi dải
Cấu trúc chuyển đổi từ SIW sang đường vi dải được giới thiệu chi tiết tại chương 1. Bộ thông số được mô phỏng trong phần mềm CST 2019 trên chất nền Rogers RT5880 dày 0,381mm: wl=1,07mm, lt=1,4mm, wt=6mm, L=7,05mm,
41 W=7,33mm. Tương ứng với bộ chuyển đổi AFSIW sang SIW thì phần tiếp giáp của bộ chuyển đổi SIW sang đường vi dải cũng cómột khe cắt khơng khí hình chữ nhật có kích thước tương tự là 6,5mm nhằm dẫn truyền sóng lên bộ chuyển đổi SIW sang đường vi dải.
Bộ chuyển đổi từAFSIW sang đường vi dải hồn chỉnh được mơ tả chi tiết theo Hình 3.6.
Hình 3.6 Cấu trúc hoàn chỉnh bộ chuyển đổi AFSIW sang đường vi dải
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,