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!
Trang 1Phương 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
Lê Thị Cẩm Hà(1),(5), Lê Minh Thùy(2), Tô Thị Thảo(3), Nguyễn Trọng Đức(4), Vũ Văn Yêm(5)
(1) 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 Công nghệ Bưu chính viễn thông;
(4) Khoa Công 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
Abstract — 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 Với cấu trúc một lớp đơn giản,
nhỏ gọn, giá thành rẻ, dễ dàng tích hợp vào các thiết bị cao tần,
anten kiểu này là ứng viên cho hệ thống di dộng 5G trong tương
lai
Keywords – Anten mảng, anten milimet, mảng răng lược,
khuếch đại cao, 5G
I GIỚITHIỆU Anten sóng milimet hiện nay đang được nghiên cứu rộng rãi
và là một vấn đề thời sự cho các công nghệ truyền thông không
dây thế hệ mới, trong đó có hệ thống di động 5G
Sự ra đời của 5G hi vọng sẽ là một bước tiến quan trọng trong
sự phát triển kinh tế xã hội, là chìa khóa để tiến vào thế giới của
IoT Công nghệ 5G hiện nay đang được các tổ chức nghiên cứu
nhằm tiến tới chuẩn chung Theo 3GPP đề xuất, chuẩn dải tần
của 5G rất linh động, tùy theo vị trí địa lý và vùng lãnh thổ, trong
đó băng tần từ 24.25 - 29.5 GHz và 37 - 43.5 GHz hay thường
được gọi tắt 28, 38 GHz là những dải tần hứa hẹn sẽ được phát
triển sớm trong hệ thống 5G Chính dải tần được chọn sử dụng
làm nảy sinh những trở ngại về mặt công nghệ để 5G có thể được
triển khai vào thực tế
Anten hiện nay có thể được chế tạo bằng công nghệ vi dải
đơn giản nhưng có độ khuếch đại thấp, băng thông hẹp Để cải
thiện, có thể sử dụng công nghệ anten cộng hưởng điện môi
DRA (Dielectric Resonator Antenna) nhằm tăng hiệu suất bức
xạ, mở rộng băng thông [1]; hoặc dùng thấu kính để tăng độ lợi
[2]; hay dùng đế điện môi bằng gốm cho hệ số phẩm chất, hiệu
suất bức xạ cao, băng thông lớn [3], [4] … Tuy nhiên, ở bước
sóng milimet thì kích thước anten giảm nhỏ đáng kể dẫn đến khó
khăn cho quá trình chế tạo nhằm đạt được độ chính xác cao Để
cải thiện độ tăng ích của anten, đồng thời phần nào giảm thiểu
được vấn đề sai số khi chế tạo ta có thể ghép anten thành mảng
Một số nghiên cứu gần đây trong dải tần này được thực hiện với nhiều cấu trúc khác nhau như: mảng 8 anten Vivaldi đạt được
độ tăng ích G = 6.96–11.32 dB [5], mảng 4x4 anten lưỡng cực điện từ gồm 4 lớp phức tạp đạt được hệ số tăng ích 19 dBi [6]; mảng 7 phần tử anten vi dải hình chữ nhật 2 lớp ký sinh có G = 13.44 dBi [7]; mảng 42 phần tử anten vi dải hai lớp ký sinh đạt được 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 được G = 17.4 dBi [9]… Có thể thấy rằng, với các phương thức kể trên, để đạt được độ tăng ích mong muốn, cấu trúc anten thiết kế thường sử dụng nhiều lớp, các cấu trúc đặc biệt như DGS, hoặc phải khoét, chẻ khe … phức tạp - điều
mà trong dải tần milimet là nên tránh
Trong khi đó, một anten mảng kiểu răng lược so với các anten mảng khác có nhiều ưu điểm là dễ chế tạo, gọn nhẹ, giá thành thấp và dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác Hơn nữa đường tiếp điện cho các phần tử anten ngắn nên hiệu quả hơn vì
có suy hao tương đối thấp, giảm được tổn hao bức xạ mặt và bức
xạ giả của đường tiếp điện so với các phương pháp cấp nguồn song song và nối tiếp truyền thống cho anten vi dải [10] Tuy nhiên, từ trước đến nay, anten cấu trúc răng lược được
sử dụng đa số trong công nghệ định vị tự động của ô tô ở tần số 76.5 GHz [11], [12], [13], hơn nữa cho đến nay, chưa có bài báo nào đề cập rõ đến quy trình thiết kế cụ thể, đặc biệt là ở dải tần
28 GHz Vì vậy, trong bài báo này, chúng tôi đưa ra phương pháp, quy trình thiết kế cụ thể đối với loại anten này, việc mô phỏng thực hiện ở tần số 28 GHz Thêm vào đó, với những ưu điểm kể trên, chúng tôi đề xuất cấu trúc mảng anten răng lược công nghệ vi dải cho ứng dụng trong hệ thống thông tin di động 5G
II THIẾTKẾANTENMẢNGRĂNGLƯỢC
A CẤU TRÚC ANTEN
Một anten vi dải răng lược có cấu trúc gồm đế điện môi nằm trên mặt phẳng đất và một số phần tử bức xạ hình chữ nhật được gắn trực tiếp vào đường cấp nguồn nằm dọc trên đế điện môi như hình vẽ 1
Trang 2Hình 1 Mô hình cấu trúc của anten mảng vi dải răng lược
Khoảng cách giữa hai phần tử bức xạ xấp xỉ bằng một bước
sóng để các phần tử của mảng kích thích cùng pha Chiều dài
cộng hưởng của các phần tử bức xạ được xác định bằng một nữa
bước sóng
Với phương pháp cấp nguồn trực tiếp, công suất đầu vào sẽ
được phân phối từ phần tử đầu tiên cho đến phần tử cuối cùng
Chiều rộng và chiều dài cộng hưởng của phần tử bức xạ có chức
năng điều khiển công suất bức xạ ra ngoài không khí của mỗi
phần tử anten
Để thiết kế một mảng, đầu tiên ta tiến hành thiết kế, mô
phỏng từng đơn vị phần tử anten, phân tích hệ số S11, S21 của
nó từ đó tính được hệ số ghép C Sau đó, dựa vào hệ số ghép
mảng yêu cầu để lựa chọn các đơn vị phần tử anten thích hợp,
cuối cùng ghép các phần tử đã được lựa chọn thành mảng anten
B THIẾT KẾ MỘT ĐƠN VỊ PHẦN TỬ BỨC XẠ
Đầu tiên hệ số phản xạ của đường cấp nguồn được phân tích
độc lập như hình 2 (a) Biên độ phản xạ, suy hao đường truyền
phụ thuộc vào các đặc tính của vật liệu điện môi như hằng số,
chiều dày lớp điện môi cũng như độ rộng của đường cấp nguồn
Hình 2 Thứ tự phân tích mô phỏng của một đơn vị phần tử anten
Kế tiếp, phần tử bức xạ sẽ được thêm vào để tạo thành một
đơn vị phần tử anten và phân tích như hình 2 (b) Chú ý là khi
quay phần tử bức xạ góc 450, góc của miếng bức xạ nằm trên
trung tuyến của đường cấp nguồn như hình 2 (c)
Các thông số chiều dài, chiều rộng của phần tử bức xạ sẽ ảnh
hưởng trực tiếp đến tần số cộng hưởng, biên độ phản xạ, cũng
như hệ số ghép của từng đơn vị phần tử anten Chiều dài cộng
hưởng của phần tử bức xạ sẽ được tối ưu bằng phần mềm ứng
với mỗi chiều rộng phần tử bức xạ khác nhau sao cho biên độ
phản xạ S11 là thấp nhất tại tần số cộng hưởng
Từ [13], mỗi chiều rộng phần tử bức xạ sẽ cho một hệ số ghép dựa trên hai tham số S11 và S21 theo công thức sau:
𝐶 = (1 − |𝑆11|2− (|𝑆21|
2
|𝑆21′|2)) 100% (1) Trong đó, |𝑆11|, |𝑆21| là biên độ hệ số tán xạ của đơn vị phần tử bức xạ, và |𝑆21′| là biên độ hệ số tán xạ của đường cấp nguồn không có phần tử bức xạ thu được thông qua mô phỏng
C THIẾT KẾ ANTEN MẢNG RĂNG LƯỢC
Để thiết kế một anten mảng răng lược, trước hết ta phải biết được hệ số ghép của mỗi phần tử Hệ số ghép của một phần tử trong mảng được định nghĩa là tỉ số giữa công suất bức xạ ra khỏi phần tử và công suất đầu vào của phần tử ấy theo công thức:
𝐶 =𝑃𝑟𝑎𝑑(𝑛)
𝑃𝑓−(𝑛) (2) Mặt khác, quan hệ giữa công suất đầu vào, đầu ra và bức xạ của phần tử thứ n bất kỳ như sau:
𝑃𝑓+(𝑛) = 𝑃𝑓−(𝑛) − 𝑃𝑟𝑎𝑑(𝑛) (3)
Hình 3 Các loại công suất trong anten vi dải răng lược Công suất đầu ra của phần tử thứ n có quan hệ với công suất đầu vào phần tử thứ n+1 theo công thức sau:
𝑃𝑓+(𝑛) = 𝑃𝑓−(𝑛 + 1) + 𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠(𝑛) (4) Với Ploss là suy hao do bức xạ và truyền dẫn bao gồm suy hao lớp đồng, suy hao lớp điện môi, do kích thích sóng bề mặt Ploss phụ thuộc vào đặc tính vật liệu sử dụng
Hình 4 Hệ số ghép mảng với luật phân bồ đều Đối với mảng răng lược, công suất đầu vào sẽ được phân phối cho các phần từ bức xạ từ đầu đến cuối mảng, trong thiết
kế này, chúng tôi lựa chọn luật phân bố nguồn đều (trọng số Em
có giá trị là như nhau đối với tất cả các phần tử - hình 4) Dựa vào hệ số ghép đã có, chọn được các giá trị chiều dài, chiều rộng của các phần tử bức xạ cần thiết trong mảng
Trang 3III QUYTRÌNHTHIẾTKẾANTENMẢNGRĂNG
LƯỢC Việc thiết kế một anten mảng răng lược được thực hiện theo
quy trình sau:
Hình 5 Quy trình thiết kế anten mảng răng lược
IV KẾTQUẢMÔPHỎNG Việc thiết kế mô phỏng và các khảo sát đặc tính của anten
được thực hiện thông qua phần mềm CST, trên vật liệu điện môi
có hằng số điện môi tương đối là Ɛr = 2.1, suy hao tan δ = 0.001,
chiều dày h = 0.127 mm
Khi mô phỏng một đơn vị bức xạ anten, tiến hành khảo sát
đồ thị S11 và S21 của đường cấp nguồn (hình 6), biên độ S11
xấp xỉ -70 dB tại tần số cộng hưởng Chiều rộng đường cấp
nguồn là 0.4 mm và trở kháng đặc tính của nó là 50 Ohm
Hình 6 Hệ số S11, S21 của đường truyền
Bảng 1 Tham số kích thước của phần tử bức xạ We theo hệ số ghép
C% tính theo công thức
Khi thêm phần tử bức xạ vào thì chiều dài phần tử bức xạ sẽ quy định tần số cộng hưởng còn chiều rộng sẽ điều khiển hệ số ghép C%
Hình 7 Quan hệ giữa Le và tần số cộng hưởng
Kết quả mô phỏng cho thấy trên một đơn vị phần tử anten với cùng một chiều dài cộng hưởng của phần tử bức xạ, khi ta
thay đổi chiều rộng We từ 0.01 mm cho đến 3.3mm thu được hệ
số ghép C% trong dải xấp xỉ 1% đến 48.2%
Hình 8 Sự thay đổi của C% khi thay đổi We qua mô phỏng
Hình 9 Lựa chọn C% mô phỏng dựa theo C% lý thuyết
Xác định các tham số đầu vào:
Tần số cộng hưởng ( ), số phần tử bức xạ (n)
Thiết kế đường truyền của một đơn vị bức xạ anten tại
Hế số ghép C% theo tính toán:
C% (tt)
Thêm phần tử bức 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)
Ghép các đơn vị bức xạ anten thành mảng răng lược
Tối ưu thiết kế
|S21'|
Trang 4Dựa vào bảng hệ số C% của tính toán lý thuyết như bảng 1,
ta lựa chọn được các thông số chiều dài và chiều rộng của phần
tử bức xạ có C% tương ứng khi mô phỏng
Hình 10 Lựa chọn We theo C% mong muốn
Trên cơ sở các thông số đã lựa chọn, thu được anten mảng
gồm 8 phần tử bức xạ (hình 11)
Hình 11 Mô hình của anten mảng răng lược thiết kế
Sau khi tối ưu các tham số của anten, tại tần số cộng hưởng
giá trị S11 = - 45 dB; băng thông đạt giá trị (27.4 – 28.3) GHz
như hình 12
Hình 12 Đồ thị S11 của anten mảng răng lược thiết kế
Hình 13 Đồ thị 2D của anten mảng răng lược thiết kế
Hình 14 Đồ thị 3D của anten mảng răng lược thiết kế
Hình 13 thể hiện đồ thị bức xạ 2D của mảng răng lược được
thiết kế, trong 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 này
trong mặt phẳng xoz lần lượt là 15.8 dB và -14.9 dB (hình 13
b) Cuối cùng, hình 14 thể hiện đồ thị bức xạ 3D trên cấu trúc anten mảng răng lược
V KẾTLUẬN Bài báo này trình bày phương pháp tổng quát, cũng như quy trình thiết kế cụ thể, rõ ràng cho một anten mảng răng lược Sau
đó, một anten mảng gồm 8 phần tử răng lược cũng được thiết kế,
mô phỏng chi tiết, kết quả mô phỏng đạt được hệ số phản xạ ngược thấp S11 = - 45 dB, hệ số tăng ích lên đến 15.8 dB tại tần
số 28 GHz với kích thước nhỏ khoảng 15 mm x 60 mm x 0.2
mm, cấu trúc phẳng, một lớp, đơn giản, dễ chế tạo So với các anten khác ở dải milimet sử dụng cấu trúc nhiều lớp, khoét khe,
sử dụng thấu kính, hay các cấu trúc đặc biệt khác rất phức tạp thì anten mảng răng lược công nghệ vi dải có thể là ứng viên đáng để lựa chọn cho thế hệ di động thứ 5
VI TÀILIỆUTHAMKHẢO
[1] 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
53-61, 2016
(a)
(b)
Trang 5[2] Eugean Kim, Seung-Tae Ko, Young Ju Lee, Jungsuek Oh, “Millimeter-Wave Tiny Lens Antenna Employing U-Shaped Filter Arrays for 5G”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 7, pp
845-848, 2018
[3] 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
[4] Mohammad A Matin, “Review on Millimeter Wave Antennas- Potential Candidate for 5G Enabled Applications”, Advanced Electromagnetics, vol 5, no 3, pp 98-105, 2016
[5] 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
[6] 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
[7] 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
17-22, 2017
[8] 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
[9] 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
[10] James, J R., P S Hall, “Handbook of Microstrip Antennas”, IEEE Electromagn Waves Ser., vol 2, Peter Peregrinus Ltd., London, 1989 [11] 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
[12] 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
[13] 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
