Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu thuộc luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Đặng Thị Từ Mỹ, được thực hiện tại Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng và Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn, hoàn thành vào năm 2022. Tập thể cán bộ hướng dẫn khoa học gồm TS. Trần Thị Hương, GS. Hirokawa và PGS. Bùi Thị Minh Tú. Chuyên ngành đào tạo thuộc lĩnh vực Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, tập trung chuyên sâu vào kỹ thuật ăng-ten và truyền sóng ở dải sóng cực ngắn (Milimét).

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ sự phát triển của công nghệ truyền thông di động thế hệ thứ 5 (5G) và các hệ thống vô tuyến hoạt động ở bước sóng Milimét (mmW). Băng tần mmW mang lại tiềm năng băng thông rộng, tốc độ truyền dữ liệu cao và độ trễ thấp; tuy nhiên, sóng điện từ ở dải tần này phải chịu sự suy hao đường truyền rất lớn do tần số cao và hiện tượng hấp thụ khí quyển gia tăng so với dải sóng centimet (cm). Kỹ thuật tạo búp sóng (beamforming) được xác định là giải pháp công nghệ nền tảng để bù đắp tổn hao truyền dẫn, đòi hỏi các phần tử bức xạ phải có kích thước nhỏ gọn, tổn hao thấp, băng thông rộng, mức độ ghép nối tương hỗ thấp trong mảng và dễ dàng chế tạo trên công nghệ mạch dải in.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là mâu thuẫn giữa yêu cầu thu nhỏ kích thước và hiệu năng bức xạ của ăng-ten vi dải truyền thống. Thông thường, ăng-ten vi dải yêu cầu kích thước hình học tối thiểu xấp xỉ một phần tư bước sóng ($\lambda/4$) tại tần số cộng hưởng, đồng thời có băng thông hẹp. Các giải pháp mở rộng băng thông hoặc tăng độ lợi trước đây thường làm tăng độ phức tạp cơ khí (như sử dụng cấu trúc nhiều lớp, hộp cộng hưởng kim loại) hoặc gặp khó khăn khi tích hợp (như cấu trúc ống dẫn sóng tích hợp trong lớp điện môi SIW có băng thông rộng nhưng độ lợi đạt được thấp). Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách khai thác cấu trúc siêu vật liệu điện từ (MTM) và cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) trên nền công nghệ mạch dải phẳng đơn giản.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 2 nội dung:

  1. Phân tích, thiết kế ăng-ten mảng vi dải phẳng sử dụng siêu vật liệu điện từ để thu nhỏ kích thước và nâng cao đặc tính bức xạ cho hệ thống thông tin mmW.
  2. Phân tích, thiết kế ăng-ten mảng lưỡng cực điện từ sử dụng công nghệ mạch dải có băng thông rộng, độ lợi lớn cho hệ thống thông tin mmW.

Đối tượng nghiên cứu của luận án gồm:

  • Cấu trúc mạch dải dễ chế tạo, có khả năng ứng dụng trong hệ thống ăng-ten cấu hình đơn giản, nhỏ gọn.
  • Ăng-ten mảng phẳng sử dụng công nghệ mạch dải có băng thông rộng, độ lợi lớn.
  • Mạng tiếp điện phẳng sử dụng công nghệ mạch dải dựa trên bộ chia công suất đều.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian và công nghệ: Tập trung vào ăng-ten vi dải phẳng, ăng-ten lưỡng cực điện từ phẳng và hệ thống ăng-ten mảng phẳng 1 chiều trên công nghệ mạch in vi dải.
  • Dải tần và ứng dụng: Dải sóng Milimét (mmW), cụ thể tại tần số trung tâm 28 GHz cho hệ thống mạng thông tin di động 5G và tần số trung tâm 38 GHz cho các hệ thống thông tin milimét. Thời gian hoàn thành nghiên cứu được ghi nhận vào năm 2022.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án điểm lại các mốc phát triển lý thuyết và thực nghiệm về siêu vật liệu điện từ, kỹ thuật mở rộng băng thông và các mô hình ăng-ten mảng mmW:

  • Về siêu vật liệu điện từ (MTM): Khái niệm vật liệu có độ điện thẩm và độ từ thẩm đồng thời âm (vật liệu thuận tay trái - LHMs) được nhà vật lý học Veselago dự đoán lý thuyết vào năm 1967 với các tính chất sóng ngược, đảo chiều định luật Snell và hiệu ứng Doppler ngược. Ba thập kỷ sau, nhóm nghiên cứu tại Đại học California, San Diego (UCSD) đã xác minh thực nghiệm chiết suất âm bằng mô hình vòng chia cộng hưởng (SRR) kết hợp các dây dẫn kim loại mỏng. Do cấu trúc SRR gây tổn hao lớn và băng hẹp, lý thuyết đường truyền siêu vật liệu phức hợp (CRLH TL) được đề xuất [95] để tạo ra mô hình tổn hao thấp, băng thông rộng hơn thông qua việc kết hợp giữa đường truyền vật liệu thông thường (PRH) và đường truyền siêu vật liệu (PLH) [29-32]. Ngoài ra, các cấu trúc cộng hưởng dạng vòng hở bổ sung CSRR [34, 35], cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS [42, 43], cấu trúc chắn dải điện từ EBG [72-74] và cấu trúc dẫn từ nhân tạo AMC [74, 75] cũng được phát triển để tăng độ lợi hoặc tạo nền phản xạ đồng pha. Landy (2008) [96] đã công bố vật liệu hấp thụ sóng điện từ 3 lớp đạt 99% theo mô phỏng (88% thực nghiệm) tại tần số 11,48 GHz.

  • Về kỹ thuật mở rộng băng thông và ăng-ten lưỡng cực điện từ: Để khắc phục băng thông hẹp của ăng-ten vi dải, các kỹ thuật tiếp điện qua khe hở (aperture feed) [46, 47], tiếp điện bằng balun [48-51] hoặc đầu dò chữ L (L-probe) đã được phát triển, đạt băng thông trở kháng 20% đến 40%. Tuy nhiên, đồ thị bức xạ không duy trì được sự ổn định trên toàn dải tần. Cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) do nhóm tác giả [97] đề xuất đã kết hợp một lưỡng cực điện nửa bước sóng ($\lambda/2$) với một ăng-ten tấm ngắn mạch một phần tư bước sóng ($\lambda/4$) được kích thích bởi đầu dò hình chữ Gamma ($\Gamma$), đem lại băng thông trở kháng rộng cùng đồ thị bức xạ ổn định, phân cực chéo thấp và mức bức xạ ngược thấp.

  • Về ăng-ten mảng dải sóng milimét: Tác giả điểm lại nghiên cứu [88] với mảng khe ống dẫn sóng tiếp điện nhiều lớp đạt độ lợi trên 32 dBi và hiệu suất gần 80% ở dải 60 - 64 GHz, nhưng cấu trúc nhiều lớp phức tạp, gia công khó khăn. Nghiên cứu [91] phát triển mảng vi dải 1x8 sử dụng 2 lớp điện môi đặt phía trên phần tử bức xạ đạt độ lợi gần 17 dBi (tăng 9 dBi), tuy nhiên cấu trúc xếp chồng làm tăng thể tích. Trong khi đó, nghiên cứu [92] sử dụng ống dẫn sóng tích hợp trong lớp điện môi (SIW) đạt băng thông rộng nhưng độ lợi cho mảng 8 phần tử chỉ dừng lại ở mức 8 dBi.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Thiết kế các cấu trúc mảng ăng-ten phẳng công nghệ mạch dải đơn giản, dễ gia công bằng công nghệ mạch in PCB thông thường, giải quyết đồng thời bài toán thu nhỏ kích thước phần tử bằng cặp siêu vật liệu DPS-ENG tại tần số 28 GHz và mở rộng băng thông kèm độ lợi lớn bằng cấu trúc ME dipole tiếp điện khe ghép kết hợp bộ chia công suất chữ T băng rộng tại tần số 38 GHz.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên các khung lý thuyết, mô hình giải tích và phương pháp mô phỏng số sau:

  • Lý thuyết tham số ăng-ten và trường khu xa:

    • Hệ số định hướng cực đại: $D_0 = \frac{4\pi U_{max}}{P_{rad}}$
    • Độ lợi cực đại: $G_0 = e_{cd} D_0$ (với $e_{cd}$ là hiệu suất bức xạ của ăng-ten)
    • Trở kháng vào: $Z_A = R_A + jX_A = (R_r + R_L) + jX_A$ (trong đó $R_r$ là điện trở bức xạ, $R_L$ là điện trở suy hao)
    • Hệ số phản xạ và tổn hao ngược: $\Gamma = \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0}$; $RL = -20\log_{10}|S_{11}|$

  • Lý thuyết đường truyền siêu vật liệu CRLH: Mô hình mạch tương đương LC bao gồm độ tự cảm nối tiếp $L'_R$, điện dung nối tiếp $C'_L$, điện dung song song $C'_R$ và độ tự cảm song song $L'_L$ trên một đơn vị chiều dài. Hằng số truyền sóng $\gamma = \alpha + j\beta = \sqrt{Z'Y'}$. Khi điều kiện cân bằng $L'_R C'_L = L'_L C'_R$ được thỏa mãn, dải dừng bị triệt tiêu và tại tần số chuyển đổi $\omega_0 = 1/\sqrt[4]{L'_R C'_R L'_L C'_L}$, hằng số pha $\beta = 0$, tương ứng với bước sóng dẫn dài vô hạn ($\lambda_g \to \infty$) và độ lệch pha $\phi = -\beta d = 0$. Đây là cơ sở của chế độ cộng hưởng bậc không (ZOR), cho phép thu nhỏ kích thước phần tử bức xạ độc lập với bước sóng hoạt động.

  • Mô hình vật liệu có độ điện thẩm âm (ENG): Dựa trên mô hình plasma với hàm điện môi $\varepsilon(\omega) = 1 - \frac{\omega_p^2}{\omega(\omega + i\gamma)}$, trong đó tần số plasma $\omega_p = \sqrt{\frac{n e^2}{\varepsilon_0 m_{ef}}}$. Để hiện thực hóa giá trị $\varepsilon$ âm ở dải tần số cao GHz, tác giả sử dụng cấu trúc các trụ kim loại mỏng xếp tuần hoàn với chu kỳ $a$ và bán kính $r$, tần số cộng hưởng plasma được tính theo công thức: $$\omega_p^2 = \frac{2\pi c_0^2}{a^2 \ln(a/r)}$$ Cấu trúc này được kết hợp với vật liệu chiết suất dương (DPS) để tạo ra cộng hưởng bậc 0.

  • Lý thuyết ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole): Cấu trúc hình học tích hợp lưỡng cực điện phẳng dài $\lambda/2$ đặt cách mặt đất $\lambda/4$ và kết nối xuống đất bằng 2 tường kim loại thẳng đứng để hình thành ăng-ten tấm ngắn mạch $\lambda/4$ (lưỡng cực từ). Nguồn kích thích là đầu dò hình $\Gamma$ gồm 3 đoạn: đoạn 1 hoạt động như đường vi dải $50,\Omega$, đoạn 2 ghép năng lượng điện từ với ăng-ten, đoạn 3 là dây chêm hở mạch bù độ tự cảm của đoạn 2.

  • Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật:

    • Phương pháp giải tích và tính toán thông số ban đầu: Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán các kích thước hình học sơ bộ từ tần số làm việc $f$, hằng số điện môi $\varepsilon_r$ và độ dày đế điện môi $h$.
    • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method): Được tích hợp trong phần mềm Ansoft HFSS để giải hệ phương trình vi phân Maxwell trong miền tần số. Kỹ thuật chia lưới thích nghi tự động rời rạc hóa mô hình thành các tam giác trên bề mặt dẫn và các phần tử tứ diện (tetrahedral) trong không gian 3D.
    • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mẫu mạch in PCB thực tế và sử dụng thiết bị phân tích mạng để đo kiểm tham số tán xạ $S_{11}$, đối chứng với kết quả mô phỏng.

  • Lựa chọn vật liệu điện môi: Luận án phân tích sự phụ thuộc của hiệu năng ăng-ten mmW vào hệ số tổn hao điện môi ($\tan\delta$). Vật liệu thông thường như FR4-epoxy ($\varepsilon_r = 4,4$; $\tan\delta = 0,02$) không phù hợp ở bước sóng milimét do tổn hao quá lớn và làm lệch tần số cộng hưởng khi chế tạo. Do đó, luận án định hướng sử dụng các vật liệu chuyên dụng cho dải sóng Milimét có tổn hao thấp như Rogers, Duroid, Teflon.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN MẢNG VÀ SIÊU VẬT LIỆU ĐIỆN TỪ

Chương 1 thiết lập nền tảng lý thuyết truyền sóng và các thông số kỹ thuật của ăng-ten bức xạ hướng tính: giản đồ bức xạ 2D/3D trong hệ tọa độ cầu; các khái niệm mặt phẳng E, mặt phẳng H; búp sóng chính, búp sóng phụ, búp sóng bên và búp sóng sau; độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW) và độ rộng bức xạ không đầu tiên (FNBW). Tiếp đó, chương tập trung phân tích bản chất vật lý của siêu vật liệu điện từ:

  • Phân tích chi tiết đường truyền CRLH đồng nhất: Đồ thị tán sắc phân chia thành vùng sóng ngược LH ($v_p \cdot v_g < 0$) ở dải tần số thấp và vùng sóng thuận RH ($v_p \cdot v_g > 0$) ở dải tần số cao. Trình bày điều kiện cân bằng giữa hai nhánh cộng hưởng để loại bỏ dải dừng tại tần số chuyển tiếp $\omega_0$.
  • Phân tích cơ chế của vật liệu có hằng số điện môi âm ENG dựa trên cấu trúc các cột kim loại mỏng tuần hoàn và vật liệu hấp thụ 3 lớp của Landy (2008) hoạt động tại 11,48 GHz.
  • Khảo sát các đặc tính cơ bản của ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) [97]: Tác giả phân tích ảnh hưởng của chiều dài lưỡng cực điện phẳng $L$ (khi $L$ tăng thì tần số cộng hưởng thứ nhất dịch về tần số thấp hơn, trong khi cộng hưởng thứ hai giữ nguyên tại 2,7 GHz trong mô hình tham chiếu); ảnh hưởng của kích thước các đoạn $a, b$ trong đầu dò tiếp điện hình $\Gamma$; và ảnh hưởng của kích thước mặt phẳng đất $G$ (giảm $G$ làm tăng búp sóng ngược lên xấp xỉ -7 dB và giảm độ lợi, nhưng không ảnh hưởng đến phối hợp trở kháng).

CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĂNG-TEN

Chương 2 trình bày phương pháp luận và lưu đồ thiết kế tổng quát gồm 4 bước:

  1. Xác định chỉ tiêu thiết kế (tần số cộng hưởng, băng thông, độ lợi).
  2. Tính toán kích thước ban đầu và phối hợp trở kháng ban đầu bằng công thức giải tích trên Matlab.
  3. Mô phỏng kiểm chứng mô hình trên phần mềm Ansoft HFSS.
  4. Tối ưu hóa kích thước ăng-ten và mạng tiếp điện thông qua mô phỏng tham số để đạt phối hợp trở kháng tối ưu ($S_{11} < -10$ dB).

Chương phân tích việc thiết kế các phần tử cộng hưởng thụ động từ mạch dải:

  • Điện cảm $L$: Tạo từ dải kim loại dài mỏng dạng gấp khúc để tiết kiệm diện tích.
  • Điện dung $C$: Tạo từ hai tấm kim loại đặt song song sát nhau.
  • Cấu trúc siêu vật liệu hình nấm EBG: Tạo mạch cộng hưởng LC song song gồm hai tấm kim loại nối với nhau qua trụ kim loại xuyên lớp điện môi.
  • Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS: Giới thiệu các biến thể hình học gồm xoắn hai đầu, mũi tên, khe chữ H, vòng hở hình vuông có khe nối ở giữa, quả tạ vòng hở và zíc-zắc.
  • Phân loại 4 phương pháp tiếp điện cho ăng-ten vi dải: cáp đồng trục, đường truyền vi dải, ống dẫn sóng đồng phẳng và khe ghép.
  • Bộ chia công suất chữ T (T-junction): Trình bày các cấu hình ống dẫn sóng theo mặt phẳng E, mặt phẳng H và bộ chia chữ T vi dải không tổn hao dùng cho mạng tiếp điện ăng-ten mảng.
  • Cơ sở phương pháp FEM trong Ansoft HFSS: Phân chia miền giải thành các tam giác bề mặt và tứ diện không gian 3D để giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng của trường điện từ.

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĂNG-TEN MẢNG PHẲNG ĐỘ LỢI LỚN CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G

Chương 3 đề xuất thiết kế ăng-ten mảng vi dải phẳng hoạt động ở tần số trung tâm 28 GHz ứng dụng cho 5G:

  • Thiết kế phần tử đơn: Sử dụng cấu trúc siêu vật liệu kết hợp giữa đoạn vật liệu thông thường (DPS) và đoạn vật liệu có độ điện thẩm âm (ENG) tạo chế độ cộng hưởng bậc không ZOR, giúp giảm nhỏ kích thước so với ăng-ten vi dải thông thường.
  • Mô phỏng tối ưu hóa tham số phần tử đơn: Khảo sát ảnh hưởng của các kích thước hình học đến hệ số phản xạ $S_{11}$:
    • Chiều dài $a$ và chiều rộng $w_p$ của đoạn DPS.
    • Bán kính cột kim loại nối đất $r$.
    • Khe hở $g$ giữa các đoạn dẫn của cấu trúc DPS.
    • Phân tích phân bố dòng điện bề mặt trên phần tử đơn tại tần số 28 GHz.
  • Thiết kế mạng tiếp điện phẳng: Tính toán lý thuyết và tối ưu kích thước bộ chia công suất chữ T tỷ lệ 1:2 và 1:4 tại tần số 28 GHz.
  • Thiết kế và phân tích mảng ăng-ten:
    • Ăng-ten mảng 1 chiều 2 phần tử tích hợp bộ chia công suất chữ T 1:2.
    • Ăng-ten mảng 1 chiều 4 phần tử tích hợp bộ chia công suất chữ T 1:4.
    • Kết quả mô phỏng: Mảng 4 phần tử đạt băng thông trở kháng ($S_{11} < -10$ dB) trong khoảng từ 26,5 GHz đến 30,9 GHz (độ rộng băng thông 4,4 GHz); độ lợi bức xạ mô phỏng đạt 12,9 dBi (độ lợi đỉnh đo đạc đạt 12,7 dBi) tại tần số 28 GHz.
  • Kiểm chứng thực nghiệm: Chế tạo mẫu mạch in thực tế cho cả mảng 2 phần tử và mảng 4 phần tử; tiến hành đo đạc hệ số phản xạ $S_{11}$ thực nghiệm, kết quả đo kiểm phù hợp với kết quả tính toán mô phỏng. So sánh hiệu năng mảng đề xuất với các công trình đã công bố trong nước và quốc tế.

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĂNG-TEN MẢNG LƯỠNG CỰC ĐIỆN TỪ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN MILIMÉT

Chương 4 tập trung thiết kế mảng ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) dạng phẳng hoạt động ở tần số trung tâm 38 GHz:

  • Thiết kế phần tử đơn ME dipole phẳng: Thay vì dùng đầu dò dạng khối cồng kềnh, thiết kế sử dụng phương pháp tiếp điện bằng khe ghép (aperture feed) qua đường vi dải. Phân tích phân bố dòng điện trên phần tử tại các góc pha khác nhau ở 38 GHz.
  • Khảo sát tham số hình học phần tử đơn: Đánh giá sự biến thiên của $S_{11}$ theo chiều dài lưỡng cực $L_d$ và chiều dài khe mở $L_a$ để xác định bộ thông số kích thước tối ưu. Kết quả cho thấy phần tử đơn đạt độ lợi thực ổn định trên dải tần làm việc.
  • Thiết kế mạng tiếp điện phẳng băng rộng: Phát triển bộ chia công suất chữ T băng thông rộng cấu hình 1:4 và cấu hình 1:8, đánh giá qua các tham số tán xạ $S$ của mạng tiếp điện.
  • Thiết kế và mô phỏng ăng-ten mảng:
    • Xây dựng mảng ME dipole 1 chiều 4 phần tử kết hợp bộ chia công suất chữ T 1:4.
    • Xây dựng mảng ME dipole 1 chiều 8 phần tử kết hợp bộ chia công suất chữ T 1:8.
    • Kết quả bức xạ: Cả hai cấu hình mảng 4 phần tử và 8 phần tử đều đạt băng thông trở kháng ($S_{11} < -10$ dB) xấp xỉ 10 GHz; độ lợi thực mô phỏng tại tần số 38 GHz đạt 12,5 dBi đối với mảng 4 phần tử và 15,6 dBi đối với mảng 8 phần tử. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa duy trì tính đối xứng, phân cực ổn định.
  • So sánh đặc tính bức xạ của mảng đề xuất với các công trình ăng-ten ME dipole đã công bố trong y văn.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự đúc kết 2 đóng góp khoa học chính về mặt lý luận và thực tiễn:

  1. Thiết kế ăng-ten mảng siêu vật liệu kích thước nhỏ tại 28 GHz:

    • Phát triển thành công phần tử ăng-ten đơn kích thước nhỏ dựa trên sự kết hợp giữa vật liệu thông thường (DPS) và vật liệu có độ điện thẩm âm (ENG), tạo ra cộng hưởng bậc 0 (ZOR).
    • Thiết kế hoàn chỉnh mảng ăng-ten 1 chiều 4 phần tử có mạng tiếp điện phẳng bộ chia chữ T, đạt băng thông hoạt động từ 26,5 GHz đến 30,9 GHz và độ lợi đỉnh đạt 12,7 dBi (mô phỏng đạt 12,9 dBi) tại tần số 28 GHz.
    • Kết quả được minh chứng qua 4 công trình khoa học đã công bố: 01 bài báo trên tạp chí quốc tế Engineering, Technology & Applied Science Research (ETASR, thuộc danh mục ESCI); 01 bài trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng; 02 bài báo trong kỷ yếu hội nghị quốc tế (ATC 2017 và VJISAP 2018).

  2. Thiết kế ăng-ten mảng lưỡng cực điện từ băng rộng, độ lợi lớn tại 38 GHz:

    • Phát triển phần tử ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) dạng vi dải phẳng sử dụng phương pháp tiếp điện bằng khe ghép qua đường vi dải.
    • Thiết kế mạng tiếp điện bộ chia công suất chữ T băng thông rộng, áp dụng thành công vào hai cấu hình mảng 1 chiều 4 phần tử và 8 phần tử hoạt động tại tần số 38 GHz, đạt băng thông trở kháng xấp xỉ 10 GHz và độ lợi bức xạ lần lượt là 12,5 dBi (mảng 4 phần tử) và 15,6 dBi (mảng 8 phần tử).
    • Kết quả được minh chứng qua 2 công trình khoa học đã công bố: 01 bài báo trên tạp chí quốc tế Engineering, Technology & Applied Science Research (ETASR, thuộc danh mục ESCI) và 01 bài trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng.

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật cốt lõi của hai mô hình ăng-ten mảng đề xuất trong luận án:

Thông số đặc trưng Mảng siêu vật liệu DPS-ENG (Chương 3) Mảng lưỡng cực điện từ ME (Chương 4)
Tần số hoạt động trung tâm 28 GHz 38 GHz
Nguyên lý cấu trúc phần tử Cặp siêu vật liệu DPS và ENG (cộng hưởng ZOR) Lưỡng cực điện từ (ME dipole) tiếp điện khe
Quy mô mảng bức xạ 1 chiều: 2 phần tử và 4 phần tử 1 chiều: 4 phần tử và 8 phần tử
Mạng tiếp điện Bộ chia công suất chữ T (1:2 và 1:4) Bộ chia công suất chữ T băng rộng (1:4 và 1:8)
Băng thông trở kháng ($S_{11} < -10$ dB) 26,5 - 30,9 GHz (độ rộng 4,4 GHz) Xấp xỉ 10 GHz
Độ lợi bức xạ cực đại 12,7 dBi (thực nghiệm) / 12,9 dBi (mô phỏng) 12,5 dBi (mảng 4 phần tử); 15,6 dBi (mảng 8 phần tử)
Phương pháp kiểm chứng Mô phỏng HFSS và đo kiểm mẫu chế tạo thực tế Mô phỏng số và tối ưu hóa trên HFSS

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

  • Về mặt lý thuyết: Kết quả nghiên cứu bổ sung thêm các mô hình tính toán, phân tích ăng-ten mảng phẳng có độ lợi lớn cho hệ thống truyền thông bước sóng Milimét.
  • Về mặt thực tiễn: Các giải pháp giảm kích thước bằng siêu vật liệu và mở rộng băng thông bằng cấu trúc ME dipole tiếp điện khe có thể làm cơ sở thiết kế, định hướng ứng dụng cho các nhà sản xuất thiết bị vô tuyến mmW, trạm thu phát gốc (BTS) và các thiết bị di động cầm tay.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung được trình bày trong luận án, các hạn chế kỹ thuật và hướng mở rộng bao gồm:

Hạn chế:

  • Cấu hình mảng bức xạ trong luận án mới dừng lại ở dạng mảng thẳng một chiều (1D array), chưa mở rộng sang mảng phẳng hai chiều ($M \times N$ phần tử) để điều khiển búp sóng theo cả hai mặt phẳng phương vị và góc tà.
  • Mạng tiếp điện sử dụng các bộ chia công suất chữ T chia đều cố định, chưa tích hợp các linh kiện điều khiển pha hoặc biên độ chủ động để thực hiện quét búp sóng thích ứng (beam-steering).
  • Về kiểm chứng thực nghiệm, luận án đã chế tạo và đo đạc thực tế đối với mẫu ăng-ten mảng vi dải 2 phần tử và 4 phần tử tại tần số 28 GHz; đối với mảng ME dipole ở tần số 38 GHz, các kết quả chủ yếu được khảo sát và khẳng định thông qua mô phỏng số chi tiết trên phần mềm HFSS.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu phát triển các cấu trúc mảng phẳng 2 chiều kích thước lớn nhằm tăng độ lợi và khả năng định hướng chùm tia.
  • Tích hợp mạng dịch pha vi dải hoặc linh kiện bán dẫn vào mạng tiếp điện để thiết kế hệ thống ăng-ten mảng pha có búp sóng điều chỉnh được ứng dụng trong kỹ thuật tạo búp sóng (beamforming) động cho trạm BTS 5G.
  • Triển khai gia công chế tạo vi cơ điện tử chính xác cao và thực hiện đo kiểm thực nghiệm trong buồng đo anechoic đối với các mẫu mảng ME dipole ở dải tần 38 GHz.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông, Kỹ thuật Vi sóng và Vô tuyến: Có thể tham khảo cơ sở toán học về đường truyền CRLH, mô hình điện thẩm âm ENG, cơ chế bức xạ kết hợp của ME dipole và các bước thiết kế mạng tiếp điện vi dải dải sóng milimét.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng RF và ăng-ten tại các viện nghiên cứu, doanh nghiệp viễn thông: Tham khảo quy trình mô phỏng 4 bước, kỹ thuật chia lưới FEM trên phần mềm Ansoft HFSS, phương pháp xử lý ghép khe và bộ chia công suất chữ T băng rộng cho các dải tần 28 GHz và 38 GHz.

Các phần đáng tham khảo nhất trong văn bản:

  • Quy trình phân tích, thiết kế và tối ưu hóa ăng-ten kết hợp giữa tính toán giải tích trên Matlab và mô phỏng số trên Ansoft HFSS (Chương 2).
  • Phương pháp phối hợp cặp vật liệu DPS và ENG để tạo mode cộng hưởng ZOR nhằm thu nhỏ diện tích phần tử bức xạ tại 28 GHz (Chương 3).
  • Kỹ thuật thiết kế bộ chia công suất chữ T băng rộng và cấu trúc tiếp điện bằng khe ghép cho ăng-ten lư