Tổng quan luận án
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) được thiết kế nhằm đáp ứng sự gia tăng lưu lượng dữ liệu và số lượng thiết bị kết nối vô tuyến. Theo các dự báo kỹ thuật, khoảng 70% đến 80% kết nối dữ liệu người dùng diễn ra trong môi trường trong nhà (indoor), nơi tín hiệu chịu suy hao lớn do vật cản kiến trúc và hiện tượng tán xạ đa đường. Để nâng cao dung lượng mạng và vùng phủ sóng, hệ thống 5G triển khai kiến trúc mạng không đồng nhất (HetNets) kết hợp các trạm thu phát cỡ nhỏ (small cells) và điểm truy cập (access points) trong nhà. Việc mở rộng băng thông hoạt động lên dải sóng milimét (mm-wave, FR2) và khai thác dải tần dưới 6 GHz (FR1, điển hình là băng 3,5 GHz) đặt ra các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống anten trạm gốc: kích thước nhỏ gọn, cấu hình phẳng, dễ chế tạo bằng công nghệ mạch in (PCB), hệ số tăng ích cao, băng thông rộng, độ cách ly giữa các cổng cao và búp sóng rộng.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra bao gồm:
- Ở dải sóng milimét (28 GHz): Tổn hao truyền dẫn trong không gian tự do rất lớn. Anten vi dải truyền thống có hệ số tăng ích thấp và băng thông hẹp; các giải pháp tăng độ dày chất nền điện môi thường làm tăng sóng bề mặt, trong khi các công nghệ như ống dẫn sóng tích hợp chất nền (SIW) hoặc gốm nung ở nhiệt độ thấp (LTCC) làm tăng độ phức tạp chế tạo và giá thành.
- Ở dải tần dưới 6 GHz (3,5 GHz): Các anten phân cực kép cho trạm gốc trong nhà cần độ cách ly cao giữa các cổng (> 30 dB) và búp sóng nửa công suất (HPBW) rộng để tăng độ bao phủ. Các cấu trúc cấp nguồn vi sai kép truyền thống đòi hỏi mạng cấp nguồn phức tạp; anten lưỡng cực điện từ thông thường có chiều cao lớn (khoảng $\lambda/4$) và cấu trúc cấp nguồn dạng chữ $\Gamma$ khó gia công chính xác.
Luận án tiến sĩ kỹ thuật viễn thông với đề tài "Nghiên cứu phát triển anten trạm gốc trong nhà cho hệ thống thông tin vô tuyến 5G" của nghiên cứu sinh Lê Thị Cẩm Hà, thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Xuân Quyền và TS. Tạ Sơn Xuất, tập trung giải quyết các bài toán thiết kế và cải thiện tham số anten nêu trên.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 2 nội dung:
- Nghiên cứu, đề xuất một số cấu trúc anten cho hệ thống thông tin di động 5G, có cấu trúc phẳng, dễ chế tạo bằng công nghệ mạch in, giá thành rẻ.
- Nghiên cứu, đề xuất kỹ thuật, giải pháp cải thiện các tham số, đặc tính anten sử dụng cho hệ thống trạm gốc 5G.
Đối tượng nghiên cứu:
- Các mẫu phần tử anten đơn và mảng anten ứng dụng cho hệ thống thông tin di động 5G.
- Các kỹ thuật cải thiện tham số anten: mở rộng băng thông, tăng hệ số tăng ích, nâng cao hệ số cách ly, mở rộng độ rộng búp sóng.
- Các cấu trúc anten phân cực đơn và phân cực kép có cấu hình phẳng, tương thích công nghệ mạch in PCB.
Phạm vi nghiên cứu:
- Không gian ứng dụng: Trạm gốc cỡ nhỏ và điểm truy cập không dây trong nhà.
- Tần số hoạt động: Dải sóng milimét 28 GHz (băng FR2) và dải tần dưới 6 GHz tại 3,5 GHz (băng n78: 3,3 – 3,8 GHz thuộc FR1).
- Giới hạn cấu trúc: Tập trung vào thiết kế phần tử anten đơn, khảo sát mảng tuyến tính 1×4 kết hợp mạng tạo búp sóng tương tự (ma trận Butler), gia công thực nghiệm trên vật liệu điện môi thương mại Rogers RO4003.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu về anten cho thông tin di động 5G trên thế giới và tại Việt Nam:
Về phát triển anten dải sóng milimét và giải pháp siêu vật liệu:
- Nhóm giải pháp mở rộng băng thông và tăng hệ số tăng ích vi dải truyền thống sử dụng cấu trúc xếp chồng (stacked patch) của Jung (2018) [10], khắc khe chữ U của Nanae Yoon và Chulhun Seo (2017) [11], chất nền ferit kẽm mangan của Rahman và cộng sự (2016) [12], anten thấu kính của Ghasemifard [13], hoặc anten cộng hưởng điện môi (DRA) của Selvaraju [14], Caratelli (2016) [77], Baldazzi (2020) [78].
- Ứng dụng cấu trúc siêu vật liệu hình nấm (mushroom-like structure) dựa trên công trình nền tảng của Sievenpiper (1999) [16] và Itoh (2012) [15]. Các nghiên cứu của Qing (2014) [17], Park (2016) [18], Cao và cộng sự (2019) [19] sử dụng tế bào hình nấm để ức chế sóng bề mặt và mở rộng dải tần.
- Kỹ thuật ống dẫn sóng tích hợp đế điện môi (SIW) do Deslandes và Wu (2001, 2005) [22], [74], [75] khởi xướng, tiếp tục được phát triển bởi Zhu (2018) [21], Xue (2017) [23], Hong (2013) [24].
Về anten phân cực kép cho trạm gốc dải tần dưới 6 GHz:
- Tổng quan về cơ chế ghép chéo và anten phân cực kép của Doviak (2019) [26]. Các cấu trúc anten vi dải phân cực kép cấp nguồn một đầu (single-ended) của Liu (2020) [27], Liu (2019) [28], Zeng (2020) [29], Kishk (2019) [32].
- Cấu trúc anten lưỡng cực điện từ (ME dipole) phân cực kép của Luk (2009) [97], Wu (2012) [70], Wen (2019) [33], Zhang (2020) [34], Sim (2021) [35], Zhang (2019) [36], Yan (2017) [37].
- Kỹ thuật nâng cao hệ số cách ly giữa các cổng phân cực bằng cấu trúc dải chắn EBG của Gardner (2016) [40], cấu trúc chêm lọc chữ C của Gong (2017) [43], phần tử anten bộ lọc của Pan (2016) [42], và cơ chế cấp nguồn vi sai kép (dual-differential feed) của Zhang (2017) [44], Doviak (2017) [45].
- Một số nghiên cứu kết hợp nguồn cấp đơn và vi sai trên cấu trúc siêu bề mặt hoặc vi dải của [131], [134], [135].
Các nghiên cứu liên quan tại Việt Nam:
- Các hướng nghiên cứu về cấu trúc EBG của Huỳnh Nguyễn Bảo Phương (2014) [46], anten MIMO cho thiết bị đầu cuối của Nguyễn Khắc Kiểm (2016) [47], anten tái cấu hình của Hoàng Thị Phương Thảo (2018) [48], anten mảng tăng ích cao của Nguyễn Ngọc Lan (2018) [49] và Tăng Thế Toan (2018) [50], thuật toán điều khiển búp sóng của Tống Văn Luyên (2018) [51], anten định vị trong nhà của Bùi Thị Duyên (2019) [52], và anten kích thước nhỏ dùng DGS/EBG của Dương Thị Thanh Tú (2018) [53].
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết:
- Thiết kế phần tử anten vi dải ghép khe ở 28 GHz kết hợp cấu trúc hình nấm để tăng băng thông và tăng ích mà không làm tăng số lớp mạch hay dùng quy trình LTCC đắt tiền, kết hợp mảng 1×4 với ma trận Butler phẳng 4×4.
- Thiết kế anten lưỡng cực điện từ phân cực kép có cấu hình thấp hơn chiều cao chuẩn $\lambda/4$, sử dụng cơ chế cấp nguồn ghép khe kết hợp bề mặt trở kháng cao (HIS) để giảm bức xạ ngược và tăng hệ số cách ly tại 3,5 GHz.
- Đề xuất cơ chế cấp nguồn hỗn hợp (một cổng cấp nguồn đơn, một cổng cấp nguồn vi sai) kết hợp phần tử ký sinh cho anten lưỡng cực mạch in phân cực kép tại 3,5 GHz, nhằm đạt hệ số cách ly cao (> 40 dB) và búp sóng rộng ($> 150^\circ$) với mạng cấp nguồn đơn giản.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án xây dựng trên các cơ sở lý thuyết truyền sóng và vi ba:
-
Dung lượng kênh truyền và suy hao truyền dẫn:
- Dung lượng kênh Shannon biểu diễn qua công thức:
$$C_s = B \log_2 \left(1 + \frac{P_t G_t G_r}{N_0} \left(\frac{\lambda_0}{4\pi d}\right)^2\right)$$
trong đó $B$ là băng thông, $P_t$ là công suất phát, $G_t, G_r$ là hệ số tăng ích anten phát/thu, $\lambda_0$ là bước sóng không gian tự do, $d$ là khoảng cách truyền dẫn, $N_0$ là mật độ phổ công suất nhiễu.
- Suy hao truyền sóng không gian tự do:
$$L_{fs} = \left(\frac{4\pi d}{\lambda}\right)^2 = \left(\frac{4\pi df}{c}\right)^2$$
chỉ ra mức suy hao tăng tỉ lệ với bình phương tần số $f$, đòi hỏi các cấu trúc anten ở dải sóng milimét phải có hệ số tăng ích cao hoặc ghép mảng điều khiển búp sóng.
-
Lý thuyết siêu vật liệu và bề mặt trở kháng cao (HIS/AMC):
- Mô hình mạch tương đương $LC$ song song cho cấu trúc nấm/HIS có trở kháng bề mặt:
$$Z_s = \frac{j\omega L}{1 - \omega^2 LC}$$
- Cấu trúc tạo ra dải chắn sóng bề mặt (EBG) và pha phản xạ $0^\circ$ tại tần số cộng hưởng $\omega_0 = 1/\sqrt{LC}$, đóng vai trò như bề mặt dẫn từ nhân tạo (AMC) cho phép đặt phần tử bức xạ nằm sát bề mặt mà không bị triệt tiêu dòng điện.
-
Lý thuyết anten lưỡng cực điện từ và cơ chế cấp nguồn vi sai:
- Sự kết hợp đồng thời giữa lưỡng cực điện (electric dipole - dòng điện ngang) và lưỡng cực từ (magnetic dipole - tạo bởi dòng điện đứng qua các cọc ngắn mạch $\lambda/4$) tạo ra đồ thị bức xạ hướng đơn đối xứng, tỷ số trước sau (FBR) cao và phân cực chéo thấp.
- Cơ chế cấp nguồn vi sai tạo ra hai tín hiệu biên độ bằng nhau, lệch pha $180^\circ$. Trong cấu trúc đối xứng hình học, tín hiệu kích thích vi sai không cảm ứng dòng điện thuần lên cổng trực giao, cho phép triệt tiêu ghép nối tương hỗ giữa hai cổng phân cực.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và kỹ thuật phân tích:
- Mô phỏng số: Phân tích cấu trúc hình học 3D, tối ưu hóa kích thước và tính toán tham số tán xạ ($S$-parameters), phân bố dòng điện mặt, đồ thị bức xạ không gian bằng phần mềm mô phỏng trường điện từ.
- Thiết kế mạch vi dải: Thiết kế bộ chia công suất Wilkinson kết hợp bộ dịch pha $180^\circ$ băng rộng và ma trận Butler 4×4.
- Chế tạo: Sử dụng công nghệ mạch in PCB tiêu chuẩn trên chất nền điện môi Rogers RO4003 ($\varepsilon_r = 3,38$; $\tan\delta = 0,02$; độ dày $h = 0,508\text{ mm}$).
- Đo đạc kiểm chứng: Sử dụng máy phân tích mạng vectơ (VNA) để đo tham số tán xạ ($S_{11}, S_{22}, S_{21}$), tỉ số sóng đứng điện áp (VSWR); sử dụng buồng đo câm sóng vô tuyến (anechoic chamber) để đo hệ số tăng ích, đồ thị bức xạ mặt phẳng E/H, tỷ số trước sau và mức phân cực chéo.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về anten ứng dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến 5G
Chương 1 tổng thuật các tiêu chuẩn kỹ thuật, phân loại băng tần và yêu cầu phần cứng anten cho hệ thống mạng 5G theo khuyến nghị của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-R M.2083) và 3GPP Release 16:
- Ba nhóm dịch vụ chính: Băng thông rộng di động nâng cao (eMBB), Truyền thông siêu tin cậy và độ trễ thấp (uRLLC), Truyền thông máy khối lượng lớn (mMTC).
- Chỉ tiêu kỹ thuật hướng tới: Thông lượng đỉnh 20 Gbps, độ trễ giao diện không khí 1 ms, mật độ kết nối $10^6$ thiết bị/$\text{km}^2$, tốc độ di chuyển hỗ trợ đến 500 km/h.
- Quy hoạch phổ tần số 5G bao gồm 2 dải tần chính: FR1 (dưới 6 GHz) và FR2 (dải sóng milimét).
| Nhóm dải tần |
Băng tần tiêu biểu |
Dải tần số (MHz / GHz) |
Chế độ truyền dẫn |
| FR1 (Dưới 6 GHz) |
n1, n2, n3, n7, n8, n28 |
703 – 2690 MHz |
FDD |
|
n38, n41, n50, n51 |
1427 – 2690 MHz |
TDD |
|
n77 |
3300 – 4200 MHz |
TDD |
|
n78 |
3300 – 3800 MHz |
TDD |
|
n79 |
4400 – 5000 MHz |
TDD |
| FR2 (Sóng milimét) |
n257 (26 GHz) |
25,50 – 29,50 GHz |
TDD (Kênh 50, 100, 200, 400 MHz) |
|
n258 (24 GHz) |
24,25 – 27,50 GHz |
TDD (Băng Ka) |
|
n260 (39 GHz) |
37,00 – 40,00 GHz |
TDD (Băng Ka) |
|
n261 (28 GHz) |
27,50 – 28,35 GHz |
TDD (Băng Ka) |
Chương 1 phân tích các dạng anten ứng dụng trong 5G: anten vi dải, anten đơn cực, anten lưỡng cực (mạch in và lưỡng cực điện từ), anten ống dẫn sóng tích hợp đế điện môi (SIW) và anten cộng hưởng điện môi (DRA). Các kỹ thuật nâng cao hiệu năng được khảo sát gồm: ghép mảng, cấp nguồn vi sai, nạp tải siêu vật liệu (HIS, EBG, RIS), tích hợp cấu trúc DGS và định dạng búp sóng bằng ma trận Butler.
Chương 2: Cải thiện đặc tính của anten vi dải ghép khe với cấu trúc hình nấm cho các ứng dụng ở dải sóng mm
Chương 2 trình bày giải pháp nâng cao hiệu suất bức xạ của anten vi dải ghép khe (aperture-coupled patch antenna) hoạt động tại tần số trung tâm 28 GHz bằng cách nạp cấu trúc siêu vật liệu hình nấm (mushroom-like structure).
Nội dung và kết quả chính:
- Cấu trúc phần tử đơn: Gồm một miếng bức xạ vi dải được tiếp điện gián tiếp qua khe hẹp từ đường truyền vi dải ở mặt dưới nhằm giảm bức xạ giả từ đường cấp nguồn. Các tế bào hình nấm (gồm miếng kim loại vuông nối đất bằng cọc xuyên lỗ qua lớp điện môi) được bố trí xung quanh phần tử bức xạ vi dải.
- Cơ chế hoạt động: Cấu trúc hình nấm đóng vai trò như một cấu trúc dải chắn điện từ (EBG), ngăn chặn sự lan truyền của sóng bề mặt dọc theo chất nền điện môi, chuyển đổi năng lượng sóng bề mặt thành bức xạ hữu ích trong không gian.
- Hiệu năng cải thiện: So với anten vi dải ghép khe thông thường không có nấm, cấu trúc đề xuất đạt được sự gia tăng đồng thời về băng thông trở kháng và hệ số tăng ích đỉnh tại 28 GHz, cải thiện rõ rệt tỉ số trước sau (FBR).
- Mảng anten 1×4 điều khiển búp sóng: Luận án mở rộng thiết kế thành mảng tuyến tính 1×4 phần tử. Mảng được kết nối với mạng cấp nguồn ma trận Butler 4×4 (gồm 4 bộ ghép lai 90°, các bộ dịch pha và bộ giao chéo đường truyền vi dải). Kết quả mô phỏng cho thấy mảng có khả năng chuyển đổi 4 búp sóng hướng tới các góc không gian khác nhau tại tần số 28 GHz với mức suy hao thấp và độ thích ứng cao cho trạm gốc 5G dải sóng mm.
Chương 3: Anten phân cực kép băng thông rộng kích thước nhỏ gọn cho các ứng dụng 5G
Chương 3 đề xuất cấu trúc anten lưỡng cực điện từ (ME dipole) phân cực kép có cấu hình thấp hoạt động tại dải tần 3,5 GHz cho trạm gốc 5G.
Nội dung và kết quả chính:
- Thiết kế cấu trúc ME dipole: Thay thế đường cấp nguồn dạng chữ $\Gamma$ truyền thống bằng cơ chế cấp nguồn đường vi dải ghép khe hai cổng trực giao. Chiều cao của anten được tối ưu hóa xuống mức thấp hơn đáng kể so với mức chuẩn $\lambda/4$ của anten lưỡng cực điện từ thông thường.
- Kết hợp bề mặt trở kháng cao (HIS): Do anten cấu hình thấp đặt gần mặt phẳng đất kim loại sẽ bị suy giảm hiệu suất và tăng bức xạ ngược, tác giả đề xuất đặt một bề mặt trở kháng cao HIS phía dưới cấu trúc anten đóng vai trò mặt phẳng phản xạ dẫn từ (AMC).
- Kết quả mô phỏng và thực nghiệm: Cấu trúc HIS cung cấp pha phản xạ đồng pha tại 3,5 GHz, triệt tiêu bức xạ ngược, nâng cao hệ số tăng ích và cải thiện tỉ số trước sau (FBR). Anten duy trì được đặc tính phân cực kép, băng thông rộng, độ cách ly giữa hai cổng được nâng cao và kích thước tổng thể nhỏ gọn.
Chương 4: Anten phân cực kép búp sóng rộng hệ số cách ly cao cho các điểm truy cập 5G trong nhà
Chương 4 nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và đo đạc mẫu anten lưỡng cực mạch in phân cực kép kết hợp cơ chế cấp nguồn hỗn hợp cho điểm truy cập 5G băng tần n78 (3,3 – 3,8 GHz).
Nội dung và kết quả chính:
- Cơ chế cấp nguồn hỗn hợp (Hybrid Feeding): Cấu trúc gồm hai lưỡng cực mạch in đặt trực giao. Lưỡng cực 1 được cấp nguồn dạng một đầu (single-ended) qua đường vi dải; Lưỡng cực 2 được cấp nguồn dạng vi sai (differential feed) sử dụng mạng chia công suất Wilkinson kết hợp mạch dịch pha 180°.
- Mạng cấp nguồn vi sai: Được chế tạo trên đế Rogers RO4003 ($h = 0,508\text{ mm}$), đạt thông số mô phỏng trong dải 3,0 – 4,0 GHz: hệ số phản xạ $|S_{22}| < -23\text{ dB}$, biên độ hai nhánh ra $|S_{22+}| = |S_{22-}| = 3,5 \pm 0,1\text{ dB}$, sai lệch pha $180^\circ \pm 1^\circ$.
- Mở rộng búp sóng bằng phần tử ký sinh: Tác giả tích hợp thêm các phần tử đơn cực ký sinh đặt đối xứng cạnh các nhánh lưỡng cực, giúp phân bố lại dòng điện mặt, mở rộng độ rộng nửa búp sóng (HPBW) trên cả hai mặt phẳng E và H mà không phá vỡ tính đối xứng hình học của cấu trúc.
- Kết quả đo đạc thực nghiệm: Mẫu chế tạo hoạt động trong dải tần 3,0 – 4,0 GHz, đạt băng thông trở kháng 28,6% (với tiêu chuẩn $|S_{11}| < -10\text{ dB}$). Hệ số cách ly đo đạc giữa hai cổng đạt $> 40\text{ dB}$ (mô phỏng đạt $> 42,5\text{ dB}$). Độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW) đạt giá trị đỉnh tại 3,95 GHz là $150^\circ$ (mặt phẳng E) và $168^\circ$ (mặt phẳng H). Mức phân cực chéo đo đạc $< -30\text{ dB}$ tại hướng bức xạ cực đại $\theta = 0^\circ$. Kích thước tổng thể là $0,50\lambda_{\min} \times 0,50\lambda_{\min} \times 0,22\lambda_{\min}$.
Dưới đây là bảng so sánh đặc tính kỹ thuật giữa mẫu anten đề xuất tại Chương 4 và các công trình nghiên cứu đã công bố được trích xuất từ Bảng 4.3 của luận án:
| Công trình |
Kích thước tổng thể ($\lambda_{\min}$) |
Cơ chế cấp nguồn |
Băng thông (%) |
HPBW đỉnh mp E/H (°) |
Hệ số cách ly (dB) |
| [27] Liu (2020) |
$0,79 \times 0,79 \times 0,062$ |
Một đầu |
5,7 |
74 / 74 |
25 |
| [29] Zeng (2020) |
$0,47 \times 0,64 \times 0,122$ |
Một đầu |
25,0 |
Không đề cập |
15 |
| [32] Kishk (2019) |
$0,44 \times 0,44 \times 0,15$ |
Một đầu |
19,7 |
85 / 85 |
40 |
| [34] Zhang (2020) |
$0,74 \times 0,74 \times 0,19$ |
Một đầu |
13,3 |
90 / 85 |
20 |
| [36] Zhang (2019) |
$0,66 \times 0,66 \times 0,104$ |
Một đầu |
27,6 |
Không đề cập |
28 |
| [82] |
$0,7 \times 0,7 \times 0,37$ |
Một đầu |
22,6 |
83 / 90 |
31 |
| [83] Li (2020) |
$1,4 \times 1,4 \times 0,125$ |
Một đầu |
33,0 |
107 / 105 |
32 |
| [122] Ta (2021) |
$0,50 \times 0,50 \times 0,125$ |
Một đầu |
33,0 |
75 / 75 |
25 |
| [123] Zhang (2018) |
$0,54 \times 0,54 \times 0,15$ |
Một đầu |
25,0 |
92 / 110 |
28 |
| [124] Nguyen (2019) |
$0,53 \times 0,53 \times 0,24$ |
Một đầu |
60,0 |
76 / 80 |
25 |
| [33] Wen (2019) |
$1,05 \times 1,05 \times 0,115$ |
Vi sai kép |
47,3 |
74 / 50 |
40 |
| [44] Zhang (2017) |
$0,66 \times 0,66 \times 0,123$ |
Vi sai kép |
37,5 |
60 / 70 |
40 |
| [45] Doviak (2017) |
$2,6 \times 2,6 \times 0,624$ |
Vi sai kép |
17,5 |
100 / 100 |
50 |
| [131] |
$0,97 \times 0,97 \times 0,08$ |
Một đầu & Vi sai |
28,4 |
70 / 56 |
43 |
| [134] |
$0,77 \times 0,88 \times 0,013$ |
Một đầu & Vi sai |
2,1 |
Không đề cập |
62 |
| [135] |
$1,23 \times 1,38 \times 0,01$ |
Một đầu & Vi sai |
103 |
Không đề cập |
30 |
| Anten đề xuất |
$0,50 \times 0,50 \times 0,22$ |
Một đầu & Vi sai |
28,6 |
150 / 168 |
40 |
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án đã đạt được các đóng góp khoa học và kỹ thuật thực tiễn sau:
-
Đóng góp về mặt lý luận và cấu trúc anten dải sóng milimét:
- Đề xuất giải pháp tích hợp cấu trúc siêu vật liệu hình nấm vào anten vi dải tiếp điện ghép khe hoạt động tại tần số 28 GHz, chứng minh khả năng triệt tiêu sóng bề mặt để đồng thời mở rộng băng thông và nâng cao hệ số tăng ích.
- Hiện thực hóa và đánh giá khả năng điều khiển búp sóng của mảng tuyến tính 1×4 kết hợp mạng ma trận Butler 4×4 phẳng ở dải sóng milimét.
-
Đóng góp về anten lưỡng cực điện từ cấu hình thấp:
- Đề xuất cấu trúc anten lưỡng cực điện từ phân cực kép tiếp điện ghép khe vi dải có chiều cao giảm đáng kể so với mức chuẩn $\lambda/4$ tại tần số 3,5 GHz.
- Ứng dụng bề mặt trở kháng cao (HIS) đặt phía dưới phần tử bức xạ làm mặt phẳng phản xạ, cải thiện tỉ số trước sau (FBR), hệ số tăng ích và hệ số cách ly mà vẫn duy trì băng thông rộng.
-
Đóng góp về kỹ thuật cấp nguồn hỗn hợp và mở rộng búp sóng:
- Đề xuất cấu trúc anten lưỡng cực phân cực kép sử dụng cơ chế cấp nguồn hỗn hợp kết hợp giữa một cổng cấp nguồn đơn và một cổng cấp nguồn vi sai cho băng tần 5G n78 (3,3 – 3,8 GHz). Giải pháp này giải quyết được vấn đề độ phức tạp của mạng tiếp điện vi sai kép mà vẫn đạt độ cách ly giữa hai cổng $> 40\text{ dB}$.
- Tích hợp các phần tử đơn cực ký sinh để mở rộng độ rộng nửa búp sóng cực đại lên $150^\circ$ (mặt E) và $168^\circ$ (mặt H) tại 3,95 GHz trong khi vẫn duy trì tính đối xứng của anten.
-
Kiến nghị và khả năng ứng dụng thực tiễn:
- Các mẫu thiết kế sử dụng công nghệ mạch in PCB một hoặc hai lớp, dùng chất nền thương mại thông dụng, quy trình gia công đơn giản, phù hợp với năng lực chế tạo thiết bị vô tuyến trong nước.
- Các mẫu anten đáp ứng trực tiếp yêu cầu kỹ thuật của trạm phát sóng cỡ nhỏ và điểm truy cập 5G trong nhà tại Việt Nam cho các khu vực có mật độ người dùng cao như trung tâm thương mại, sân bay, nhà ga và tòa nhà văn phòng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án:
- Do dung sai trong quá trình gia công cơ khí mạch in và suy hao điện từ trên mạng chia công suất thực tế, hệ số cách ly đo đạc thực nghiệm đạt $> 40\text{ dB}$, có sự suy giảm nhẹ so với giá trị mô phỏng lý thuyết ($> 42,5\text{ dB}$).
- Mức phân cực chéo đo đạc trong buồng câm cao hơn so với mô phỏng do ảnh hưởng của đồ gá và thiết lập phòng đo, dù vẫn đảm bảo nhỏ hơn $-30\text{ dB}$ tại hướng bức xạ chính $\theta = 0^\circ$.
- Để đạt được độ rộng búp sóng nửa công suất lớn ($150^\circ/168^\circ$), cấu trúc anten ở Chương 4 phải đánh đổi chiều cao tổng thể ($0,22\lambda_{\min}$) lớn hơn so với một số thiết kế anten vi dải phẳng truyền thống.
- Nghiên cứu thực nghiệm mới dừng lại ở việc đánh giá phần tử anten đơn và mảng tuyến tính 1×4 kích thước nhỏ.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Nghiên cứu phát triển các cấu trúc mảng anten quy mô lớn, mảng anten MIMO đa phần tử cho hệ thống 5G dựa trên các cấu trúc phần tử anten đơn đã đề xuất trong luận án.
- Tiếp tục nghiên cứu cải thiện các tham số bức xạ và mở rộng dải tần cho các mẫu anten phục vụ các chuẩn thông tin vô tuyến tương lai (hướng tới 6G).
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo trong lĩnh vực Kỹ thuật viễn thông và Kỹ thuật siêu cao tần:
- Đối tượng tham khảo: Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông; giảng viên, cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học khối kỹ thuật; kỹ sư thiết kế phần cứng vô tuyến (RF Engineer) tại các viện nghiên cứu và doanh nghiệp viễn thông.
- Nội dung có giá trị ứng dụng cao:
- Quy trình thiết kế và phân tích tham số cho anten vi dải ghép khe kết hợp cấu trúc siêu vật liệu hình nấm và mạng Butler tại dải sóng milimét 28 GHz (Chương 2).
- Phương pháp phân tích và thiết kế bề mặt trở kháng cao (HIS/AMC) dùng làm mặt phẳng phản xạ cải thiện tỉ số trước sau và hệ số tăng ích cho anten cấu hình thấp (Chương 3).
- Kỹ thuật cấp nguồn hỗn hợp (một đầu kết hợp vi sai) và phương pháp nạp tải phần tử ký sinh mở rộng búp sóng cho anten trạm gốc phân cực kép tại 3,5 GHz (Chương 4).
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao hệ thống 5G triển khai trong nhà lại ưu tiên sử dụng anten phân cực kép thay vì phân cực đơn?
Trong môi trường trong nhà (indoor), sóng vô tuyến trải qua nhiều lần phản xạ, khúc xạ và tán xạ qua tường, sàn và các vật cản kiến trúc, gây ra hiện tượng fading đa đường nghiêm trọng và làm thay đổi mặt phẳng phân cực của sóng. Anten phân cực kép cho phép thu phát đồng thời hai phân cực trực giao, tạo ra phân tập phân cực (polarization diversity) giúp chống fading, tăng độ tin cậy của liên lạc và tăng gấp đôi dung lượng kênh truyền dữ liệu trong cùng một dải tần số mà không cần tăng gấp đôi số lượng vị trí lắp đặt anten vật lý.
2. Kỹ thuật cấp nguồn hỗn hợp (hybrid feeding) ở Chương 4 giải quyết vấn đề gì so với cấp nguồn vi sai kép?
Cơ chế cấp nguồn vi sai kép (dual-differential feed) có thể tạo ra hệ số cách ly rất cao nhưng đòi hỏi hai mạng cấp nguồn vi sai riêng biệt (gồm các bộ chia công suất và bộ lệch pha $180^\circ$), làm tăng gấp đôi số lượng đầu nối, làm phức tạp mạch in và tăng suy hao tiếp điện. Kỹ thuật cấp nguồn hỗn hợp chỉ sử dụng một mạng cấp vi sai cho một lưỡng cực và sử dụng cấp nguồn đơn (single-ended) cho lưỡng cực trực giao còn lại. Nhờ tận dụng tính đối xứng hình học, thiết kế vẫn triệt tiêu được ghép nối giữa hai cổng để đạt hệ số cách ly $> 40\text{ dB}$ trong khi giảm bớt một nửa số lượng cổng vi sai, giúp mạch cấp nguồn gọn hơn và giảm chi phí chế tạo.
3. Cấu trúc siêu vật liệu hình nấm đóng vai trò gì trong việc nâng cao hiệu suất anten ở 28 GHz?
Ở dải tần số milimét (28 GHz), sóng bề mặt lan truyền trong chất nền điện môi làm tiêu hao năng lượng bức xạ hữu ích và gây méo đồ thị bức xạ. Cấu trúc hình nấm nạp xung quanh miếng bức xạ hoạt động như một cấu trúc dải chắn điện từ (EBG). Cấu trúc này ngăn chặn sự lan truyền của sóng bề mặt, hướng năng lượng bức xạ vào không gian tự do, từ đó mở rộng băng thông trở kháng và tăng hệ số tăng ích của anten.
4. Mẫu anten chế tạo tại Chương 4 đạt được các thông số kỹ thuật thực nghiệm nào?
Nguyên mẫu anten được chế tạo trên chất nền Rogers RO4003 và đo đạc thực nghiệm đạt: băng thông trở kháng 28,6% (dải tần 3,0 – 4,0 GHz với tiêu chuẩn $|S_{11}| < -10\text{ dB}$); hệ số cách ly giữa hai cổng $> 40\text{ dB}$; độ rộng búp sóng nửa công suất cực đại (HPBW) đạt $150^\circ$ trên mặt phẳng E và $168^\circ$ trên mặt phẳng H tại tần số 3,95 GHz; mức phân cực chéo nhỏ hơn $-30\text{ dB}$ tại hướng $\theta = 0^\circ$; kích thước vật lý tổng thể $0,50\lambda_{\min} \times 0,50\lambda_{\min} \times 0,22\lambda_{\min}$.
5. Bề mặt trở kháng cao (HIS) ở Chương 3 hỗ trợ đặc tính bức xạ của anten như thế nào?
Bề mặt trở kháng cao (HIS) đóng vai trò như một bề mặt dẫn từ nhân tạo (AMC) có hệ số phản xạ sóng phẳng với pha phản xạ bằng $0^\circ$ tại tần số cộng hưởng. Khi đặt HIS phía dưới anten lưỡng cực điện từ cấu hình thấp, sóng phản xạ từ bề mặt HIS sẽ cùng pha với sóng bức xạ trực tiếp từ anten, giúp triệt tiêu bức xạ ngược về phía sau, nâng cao tỉ số trước sau (FBR), tăng hệ số tăng ích và cải thiện hệ số cách ly mà không làm suy giảm phối hợp trở kháng của anten.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Thị Cẩm Hà đã nghiên cứu và phát triển các cấu trúc anten phẳng cho trạm gốc và điểm truy cập thông tin di động 5G trong nhà tại dải sóng milimét (28 GHz) và dải tần dưới 6 GHz (3,5 GHz). Bằng việc kết hợp cơ sở lý thuyết vi ba với mô phỏng số và đo đạc thực nghiệm, tác giả đã đề xuất thành công các giải pháp kỹ thuật: ứng dụng cấu trúc siêu vật liệu hình nấm kết hợp ma trận Butler 4×4 ở 28 GHz, tích hợp bề mặt trở kháng cao HIS cho anten lưỡng cực điện từ cấu hình thấp tại 3,5 GHz, và áp dụng cơ chế cấp nguồn hỗn hợp kèm phần tử ký sinh đạt hệ số cách ly $> 40\text{ dB}$ cùng búp sóng rộng $150^\circ/168^\circ$. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí và kỷ yếu hội nghị chuyên ngành quốc tế, cung cấp cơ sở kỹ thuật cho việc chế tạo và triển khai thiết bị anten 5G trong nước.
