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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc nghệ ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền ứng dụng cho trạm thu phát gốc Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấ

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 (thế hệ thứ năm) đã được phát triển để nâng cao hiệu suất truyền nhận Công nghệ này không chỉ mở rộng phạm vi phủ sóng và dung lượng mà còn 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), cùng với truyền thông kiểu máy lớn (mMTC) Trong đó, eMBB dự kiến sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh chóng, hỗ trợ các dịch vụ yêu cầu thông lượng cao như truyền video độ nét cao và thực tế ảo Mục tiêu của eMBB là mang đến trải nghiệm tuyệt vời cho người dùng, đặc biệt ở những khu vực đông đúc như sân bay và sân vận động, giúp họ tận hưởng dịch vụ truyền trực tuyến chất lượng cao mà không bị gián đoạn.

Công nghệ 5G đã kế thừa những ưu điểm nổi bật của công nghệ 4G, bao gồm việc tăng cường tính đa dạng đường truyền để nâng cao độ tin cậy của bản tin Sự khác biệt rõ ràng 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 điều chỉnh chùm tia Bằng cách kích thích độc lập các ăng-ten phần tử về pha và biên độ, công nghệ này tối ưu hóa khả năng truyền tín hiệu.

Hình 1.2 minh họa việc sử dụng nhiều ăng-ten để định dạng chùm tia và nâng cao độ lợi Cấu hình ăng-ten cho trạm thu phát sóng di động có thể được chia thành 5 giai đoạn phát triển chính.

Thế hệ thứ nhất của ăng-ten chỉ sử dụng một mảng ăng-ten tuyến tính với đồ thị bức xạ cố định Đặc tính phân cực chưa được chú trọng, và hầu hết các ăng-ten cho trạm thu phát trong giai đoạn 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 ăng-ten 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, bộ dịch pha dạng tương tự được áp dụng để điều chỉnh búp sóng theo hai góc khác nhau trong mặt phẳng ngang, được gọi là kỹ thuật điều búp sóng Công nghệ này hiện đang được sử dụng phổ biến trong các trạm thu phát gốc của công nghệ 4G.

Thế hệ thứ ba của mảng ăng-ten trong trạm đánh dấu sử dụng số lượng lớn các phần tử ăng-ten, 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, mang lại 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 triển khai khai thác các tần số cao hơn, bao gồm dải tần số dưới 6 GHz (sub-6G) và dải tần số siêu cao tần (millimeter wave) từ 28 GHz đến 39 GHz Mục tiêu của việc này là tăng tốc độ truyền nhận và giảm kích thước ăng-ten Cấu trúc ăng-ten cho trạm thu phát gốc 5G vẫn sử dụng một số công nghệ như phân cực kép và độ cách ly cao giữa các cổng đầu ra, nhằm giảm 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]

Các 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, trong đó vấn đề quan trọng nhất là tăng tốc độ kết nối lên hơn 100 lần so với 4G, hiện chỉ đạt 10Mbps Để đáp ứng yêu cầu này, công nghệ kết nối không dây phù hợp nhất hiện nay là công nghệ mili-mét Công nghệ này cho phép sử dụng các băng tần tiềm năng ở dải cận 300GHz để kết nối không dây các thiết bị với trạm thu phát của mạng 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 mạng 5G với công nghệ tần số mili-mét đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải kết hợp nhiều công nghệ khác nhau, trong đó nổi bật là small cell, massive MIMO, full duplex và định dạng búp sóng Những công nghệ này sẽ cùng nhau tạo ra một mạng viễn thông 5G mạnh mẽ, là nền tảng thiết yếu cho các ứng dụng như AR.

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

Mạng viễn thông 5G và các kết nối không dây hiện nay đang gặp vấn đề do sự gia tăng số lượng thiết bị và công nghệ sử dụng chung dải tần kênh truyền vô tuyến từ 3kHz đến gần 6GHz Điều này dẫn đến việc băng thông dành cho mỗi thiết bị bị giảm, 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 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 khu vực rộng lớn Để tăng độ lợi của ăng-ten, có thể tăng kích thước điện của ăng-ten đơn, tuy nhiên, điều này có thể làm thay đổi các đặc tính bức xạ khác của ăng-ten Do đó, lý thuyết xây dựng mảng ăng-ten trở nên quan trọng.

9 ăng-ten được thiết kế để tăng cường kích thước mà không cần mở rộng từng ăng-ten đơn lẻ, thông qua việc sắp xếp chúng theo các hình dạng như thẳng, phẳng, hoặc tròn nhằm đạt được độ lợi mong muốn Trong một mảng ăng-ten, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính của nó.

- 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 khác nhau theo hai hướng ngang và dọc Điều này xuất phát từ nhu cầu có độ phủ lớn ở chiều ngang cho khu vực, trong khi độ rộng búp sóng theo chiều dọc cần hạn chế 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 ăng-ten cho trạm thu phát gốc Luận văn này sẽ tập trung vào lý thuyết về cấu trúc mảng này.

Trong thiết kế mảng ăng-ten, hệ số mảng (array factor - AF) là thông số quan trọng nhất Dạng bức xạ tổng thể của mảng ăng-ten được xác định bởi tích của hệ số phần tử mảng (dạng bức xạ của ăng-ten đơn) và hệ số mảng Hệ số này 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]:

Biên độ kích thích cho mỗi phần tử được ký hiệu là 𝐼𝐼 𝑚𝑚1, trong khi khoảng cách giữa các phần tử là 𝑑𝑑 𝑥𝑥 và độ lệch pha giữa các phần tử được ký hiệu là 𝛽𝛽 𝑥𝑥 Nếu N phần tử được sắp xếp liên tiếp trên trục y, như thể hiện trong Hình 1.12, với khoảng cách giữa các phần tử là 𝑑𝑑 𝑦𝑦, thì độ lệch pha sẽ được xác định theo các yếu tố này.

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 \(d_{dx}\) và \(d_{dy}\) bằng hoặc lớn hơn \( \lambda \), hiện tượng xuất hiện nhiều hơn một đỉnh cực đại có độ lớn bằng nhau, được gọi là grating lobe.

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 Đối với một mảng có chiều dài nhất định, chùm chính sẽ mở rộng khi mức thùy bên được hạ xuống.

Trong các bài toán tổng hợp, các mối quan hệ cần được tiếp cận đồng đều Các thông số kỹ thuật thiết kế bao gồm thông tin về 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, 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 giảm thiểu nhiễu và tiếng ồn không mong muốn Phân bố Schelkunoff Polynomial cho phép thực hiện điều này một cách hiệu quả Một mảng N phần tử có thể thiết lập N-1 giá trị rỗng độc lập trong mẫu bức xạ của nó, giúp tối ưu hóa hướng truyền tín hiệu Mảng tuyến tính với khoảng cách nửa bước sóng là một ví dụ điển hình cho phương pháp này.

Phương trình này 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 dễ dàng mở rộng cho các mảng phẳng và nhiều chiều, và sự đơn giản trong việc đặt các trống trong mẫu bức xạ mang lại lợi thế mạnh mẽ 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 cách đều nhau, hướng đến 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 "gợn sóng bằng nhau" có độ lớn cực đại 1,0 trong khoảng [-1, 1], và được xác định thông 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 Giả sử có một mảng ăng-ten đối xứng, mỗi phần tử ăng-ten tại vị trí \(d_n\) có một phần tử ăng-ten ở vị trí \(-d_n\), cả hai đều được nhân với cùng trọng số \(w_n\) Mảng này nằm dọc theo trục \(z\) với tâm tại \(z = 0\) và khoảng cách đều bằng \(d\) Hệ số mảng sẽ có dạng (1.9) cho số phần tử chẵn và (1.10) cho số phần tử lẻ, như được chỉ ra trong tài liệu [10] [12].

Mảng được phân loại thành mảng chẵn nếu có một số lượng phần tử chẵn (không bao gồm phần tử gốc) và mảng lẻ nếu có một số lượng phần tử lẻ (bao gồm một phần tử gốc) Để tính toán hàm cosin, ta có thể sử dụng công thức mũ phức.

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 gần đúng với mẫu lý tưởng cho bất kỳ giá trị nào của α 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) ra đời nhằm tích hợp thiết kế và chế tạo các ống dẫn sóng kim loại truyền thống lên các tấm mạch in nhỏ gọn Điều này giúp thu gọn kích thước và giảm giá thành của nhiều thiết bị truyền dẫn sóng cao tần dải tần millimet, vốn trước đây cồng kềnh và đắt tiền SIW vẫn đảm bảo khả năng chống nhiễu và 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, và các lỗ được sắp xếp theo chu kỳ với khoảng cách p giữa hai lỗ liền kề Hai hàng lỗ này tạo thành bức tường chắn sóng điện từ Ống dẫn sóng chữ nhật RWG đã được tích hợp 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 mô hình của ống dẫn sóng kim loại chữ nhật, do có sự tương đồng về cấu trúc vật lý Điều kiện biên trong cả hai mô hình đều yêu cầu trường điện E bằng không tại bề mặt của ống dẫn sóng.

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

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, điều này càng trở nên đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng hoạt động ở tần số mili-mét.

Bài viết đề cập đến 17 loại tổn thất chính, 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, trong khi tổn thất điện môi liên quan đến hao tổn trong vật liệu điện môi Tổn thất đường truyền và tổn thất điện môi trong cấu trúc SIW có tính chất tương tự như trong RWG có điện môi Để giảm tổn thất đường truyền, có thể tăng độ dày chất nền, vì hằng số suy giảm tỷ lệ nghịch với độ dày Ngược lại, tổn thất điện môi chỉ phụ thuộc vào vật liệu điện môi và không bị ảnh hưởng bởi cấu trúc hình học của SIW, do đó, có thể hạn chế tổn thất này bằng cách sử dụng chất nền điện môi tốt hơn.

Tổn thất bức xạ có thể được giảm thiểu khi thiết kế các lỗ via một cách hợp lý Khoảng cách giữa các lỗ via càng gần thì hao tổn rò rỉ càng thấp, nhưng 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 SIW (Substrate Integrated Waveguide) được thiết kế dựa trên mô hình và lý thuyết về ống dẫn sóng 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, đảm bảo các yêu cầu thiết kế được thỏa mãn.

Sau khi chuyển đổi mô hình ống dẫn sóng sang kích thước tương đương cho cấu trúc SIW theo công thức (1.17), cần tuân thủ một số điều kiện thiết kế để đảm bảo sự tương đương Các 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 sẽ áp dụng các quy luật thiết kế để tìm ra giá trị và khoảng giá trị phù 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: suy hao do bức xạ trên khe phải đủ nhỏ với điều kiện 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 bao gồm đường dẫn sóng, mạch dịch pha, mạch lọc, mạch cộng hưởng, bộ chia và ghép công suất, bộ định hướng tín hiệu, cùng với các phần tử chuyển đổi và 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, tần số hiệu quả tối đa để sản xuất các phần tử SIW với công nghệ mạch in đại trà đạt khoảng 30 GHz Mặc dù lý thuyết cho phép áp dụng công nghệ SIW cho các thiết kế ở 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 Do đó, SIW ở dải tần cao thường yêu cầu vật liệu chế tạo đặc biệt và có chi phí cao Vì vậy, nâng cao tần số hoạt động hiệu quả của SIW trong sản xuất đại trà với PCB hay LTCC là một thách thức cho các nghiên cứu trong tương lai.

Cùng với việc nâng cao dải tần và áp dụng hiệu quả công nghệ SIW trong thiết kế và sản xuất, nhiều kỹ thuật cải tiến SIW đã được nghiên cứu để đáp ứng nhu cầu thu gọn kích thước mạch, mở rộng băng thông và giảm suy hao Các kỹ thuật tiêu biểu bao gồm Airfilled SIW nhằm giảm hao truyền dẫn, SIWF, HMSIW, FHMSIW cho việc thu gọn kích thước thiết bị, và SISW, Ridge Waveguide in SIW, Slab-AFSIW để 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 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 và phương pháp mili-mét đã cho thấy hiệu quả cao 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, đang được sản xuất mạch in đại trà ở dải tần 30GHz.

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 được mô tả trong Hình 2.1, với phần tử bức xạ 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 răng lược vi dải, nhánh không chỉ là đường truyền mà còn là phần tử bức xạ, dẫn đến sự tham gia của bức xạ từ điểm nối vào bức xạ chính Điều này làm cho mô hình mạch tương đương không còn phù hợp trong thiết kế, yêu cầu phải sử dụng mô phỏng để ước tính chính xác biên độ và pha bức xạ Sóng phản xạ từ các phần tử trong đường cấp liệu có thể làm giảm hiệu suất của ăng-ten, đặc biệt khi tất cả các phần tử bức xạ được kích thích cùng pha, dẫn đến tăng suy hao hồi lưu Hơn nữa, sóng phản xạ từ các phần tử cũng ảnh hưởng đến bức xạ của các phần tử khác, làm giảm hiệu suất bức xạ do không được tính đến trong thiết kế Để khắc phục tình trạng này, cấu trúc khe được đề xuất nhằm triệt tiêu sóng phản 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, các khe slot được sử dụng để phân cực dọc và ngang, với khoảng cách giữa các khe bức xạ khoảng một nửa bước sóng dẫn hướng nhằm 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 về phía rộng 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 áp dụng để giảm thiểu nhiễu giữa các tín hiệu Trong hệ thống radar ô tô, phân cực chéo 45 độ được sử dụng để đảm bảo ăng ten không nhận được tín hiệu từ ô tô đang di chuyển.

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 của ống dẫn sóng với hướng song song, khác với mảng ống dẫn sóng khe thông thường Sự xuất hiện của các thùy cách tử trong mẫu bức xạ dẫn đến sự suy giảm đáng kể hiệu suất của ăng-ten Để ngăn chặn các thùy không mong muốn 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 độ lợi do mất điện môi trong dải sóng milimet Các loại ăng ten bao gồm: a) ăng ten răng lược ống dẫn sóng hai chiều, b) ăng ten răng lược ống dẫn sóng hai chiều với nhiều mảng con, và c) ăng ten răng lược vi dải với nhiều mảng con.

Hình 2.1 Cấu trúc ăng-ten mảng răng lược

Nhiều loại ăng ten phẳng đã được phát triển trong dải sóng milimet, 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 Trong khi đó, ăng-ten mảng răng lược thứ hai trong Hình 2.1 b cũng là một ăng-ten ống dẫn sóng có rãnh, nhưng bao gồm nhiều mảng con, mỗi mảng có cổng cấp dữ liệu riêng Hệ thống cấp nguồn có thể là một mảng lớn chung hoặc sử dụng bộ chia công suất và bộ dịch pha Cuối cùng, 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 trong cấu trúc của hai ăng-ten khe Cấu hình của các ăng-ten này được thể hiện rõ trong hình ảnh, 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 nhiều ống dẫn sóng bức xạ, trong đó khoảng cách giữa các khe theo phương x tương đương 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 với chiều dài 2λ cung cấp các khe được bố trí với sự dịch chuyển một nửa bước sóng 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 Tuy nhiên, các thùy cách tử vẫn xuất hiện trong mặt phẳng bao gồm trục z và hướng chéo kk’, nhờ vào sự sắp xếp mạng tinh thể tam giác, nơi khoảng cách giữa các khe theo hướng kk trở thành cực đại Để ngăn chặn các thùy giữa các phần tử, một nghiên cứu đã đề xuất sử dụng khe dẫn sóng khoang kết thúc mở.

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 khoang dẫn sóng nhỏ hơn một bước sóng, cấu trúc khe cộng hưởng không thể được sử dụng Để tăng cường bức xạ, nghiên cứu [25] đã đề xuất đặt một cột ở phía đối diện của khe dưới đáy ống dẫn sóng, như mô tả trong Hình 2.3 Trong trường hợp này, 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 được sử dụng trong nhiều ứng dụng, nhưng khi tất cả các phần tử bức xạ kích thích cùng pha, phản xạ tại điểm tiếp liệu sẽ cùng pha, làm giảm đáng kể đặc tính phản xạ tổng thể của mảng Trong thiết kế thông thường với chùm tia nghiêng, phản xạ bị hủy bỏ tại điểm cấp dữ liệu do các pha phản xạ phân tán Điều này hạn chế tính linh hoạt trong thiết kế hướng chùm Nghiên cứu đề xuất cấu trúc khe triệt phản xạ, với một khe hình chữ nhật cắt trên đường tiếp liệu gần phần tử bức xạ, giúp hủy bỏ phản xạ từ mỗi phần tử bức xạ cùng với phản xạ từ khe Khi phản xạ từ cặp phần tử bức xạ và khe bị triệt tiêu, một mảng góc rộng không độ có thể được thiết kế mà không làm tăng sự mất mát do phản xạ.

Sự phân bố khẩu độ, kích thước khe và khoảng cách của khe được tối ưu hóa cho từng phần tử bức xạ là rất quan trọng.

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 là lựa chọn phân bố công suất và số lượng phần tử bức xạ, cũng như tính toán hệ số coupling cho từng phần tử Đây là bước 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 lớn đến các đặc tính của ăng-ten răng lược vi dải, đặc biệt là hệ số mức sidelobe Tác giả đã chọn phân bố Taylor với 27 phần tử để tối ưu hóa thiết kế.

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

Ăng-ten Lớpawngthieets được thiết kế trong khoang SIW với băng thông đạt 14% và độ tăng ích 9,9dBi Kích thước của ăng-ten này nhỏ gọn so với các thiết kế tương đương, với kích thước là λ λ× Cấu trúc ăng-ten này đã được tác giả [27] 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 năm 2021.

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