Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong những năm gần đây, kỹ thuật ăng-ten phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng yêu cầu của công nghệ truyền thông di động 5G và các hệ thống thông tin hoạt động ở dải bước sóng milimét (mmW). Dải sóng mmW mang lại lợi thế về khả năng truyền thông băng thông rộng, tốc độ truyền dữ liệu cao và độ trễ cực thấp. Tuy nhiên, sóng điện từ ở dải mmW gặp phải suy hao đường truyền rất lớn so với dải siêu cao tần (bước sóng xentimét) do tần số hoạt động cao và mức độ hấp thụ khí quyển gia tăng. Để khắc phục suy hao này, kỹ thuật tạo búp sóng (beamforming) được xác định là giải pháp nền tảng cho mạng di động 5G, đặt ra yêu cầu các phần tử ăng-ten phải có kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, tổn hao thấp, băng thông rộng, mức độ ghép nối tương hỗ thấp trong môi trường mảng bức xạ, hiệu suất bức xạ cao và quy trình chế tạo đơn giản.

Công nghệ mạch dải in trên đế điện môi là xu hướng chủ đạo để chế tạo các ăng-ten có cấu hình thấp và khả năng tích hợp cao. Tuy nhiên, các ăng-ten vi dải truyền thống đòi hỏi kích thước phần tử bức xạ phải xấp xỉ hoặc lớn hơn một phần tư bước sóng ($\lambda/4$) ở tần số hoạt động, gây khó khăn cho xu hướng thu nhỏ thiết bị. Bên cạnh đó, các nghiên cứu ăng-ten mảng mmW đạt độ lợi lớn trước đây thường sử dụng cấu trúc ống dẫn sóng nhiều lớp phức tạp, khó chế tạo, hoặc nếu sử dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp trong lớp điện môi (SIW) thì độ lợi lại bị giới hạn (chỉ đạt khoảng 8 dBi cho mảng 8 phần tử). Do đó, khoảng trống nghiên cứu mà luận án tập trung giải quyết là phát triển các cấu trúc ăng-ten mảng phẳng có kích thước nhỏ gọn, băng thông rộng, độ lợi cao và dễ chế tạo bằng cách ứng dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ (MTM) và cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole).

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

  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 và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Cấu trúc mạch dải dễ chế tạo, có khả năng ứng dụng trong các hệ thống ăng-ten cấu hình phẳng, 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 (T-Junction).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian và cấu trúc: Tập trung vào ăng-ten vi dải đơn, ăng-ten lưỡng cực điện từ phẳng, cùng các cấu hình ăng-ten mảng phẳng một chiều (1D) gồm 2 phần tử, 4 phần tử và 8 phần tử.
    • Dải tần số và ứng dụng: Nghiên cứu ứng dụng cho các hệ thống thông tin ở dải bước sóng milimét (mmW), cụ thể tại tần số trung tâm 28 GHz (phục vụ mạng 5G) và tần số 38 GHz.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại trong luận án

Tác giả đã tổng hợp các hướng nghiên cứu nền tảng và chuyên sâu liên quan đến ăng-ten mảng và siêu vật liệu điện từ:

  • Lý thuyết và thực nghiệm về siêu vật liệu (LHMs/CRLH): Khởi xướng từ nghiên cứu lý thuyết của Veselago (1967) [95] về vật liệu thuận tay trái (LHMs) có đồng thời hằng số điện môi và độ từ thẩm âm ($\epsilon < 0, \mu < 0$), dẫn đến các hiện tượng sóng ngược, chiết suất âm và đảo chiều định luật Snell. Đến ba thập kỷ sau, nhóm nghiên cứu tại Đại học California, San Diego (UCSD) [95] đã thực nghiệm thành công mô hình vòng chia cộng hưởng (SRR) kết hợp dây kim loại mỏng để tạo ra vật liệu có chiết suất âm. Landy (2008) [96] chế tạo cấu trúc vật liệu hấp thụ ba lớp (hai lớp kim loại và một lớp điện môi) đạt hiệu suất hấp thụ 99% tại 11,48 GHz trên mô phỏng và 88% trên thực nghiệm.
  • Ứng dụng siêu vật liệu trong thu nhỏ kích thước và mở rộng băng thông: Các nghiên cứu [29-32] sử dụng đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp (CRLH TL) để tạo mode cộng hưởng bậc 0 (ZOR) ở tần số thấp hơn mode cơ bản, giúp giảm kích thước hình học. Các nghiên cứu [11, 33-36, 38-43] ứng dụng cấu trúc vòng cộng hưởng hở SRR, vòng cộng hưởng hở bổ sung CSRR hoặc cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (DGS) để tạo các đặc tính cộng hưởng mới.
  • Kỹ thuật mở rộng băng thông và ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole): Các kỹ thuật tiếp điện qua khe mở (aperture feed) [46, 47], tiếp điện bằng balun [48-51], và cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ [52-57, 97] kết hợp giữa lưỡng cực điện nửa bước sóng ($\lambda/2$) và ăng-ten vi dải ngắn mạch một phần tư bước sóng ($\lambda/4$) giúp duy trì giản đồ bức xạ ổn định trên dải tần rộng với mức phân cực chéo và bức xạ ngược thấp.
  • Các nghiên cứu về ăng-ten mảng mmW: Các giải pháp tăng độ lợi sử dụng ăng-ten vi dải [58-61], ăng-ten ống dẫn sóng [62-66], cấu trúc chắn dải điện từ EBG [72-74], cấu trúc dẫn từ nhân tạo AMC [74, 75], và ghép điện dung xếp chồng [80]. Trong đó, nghiên cứu [88] đề xuất mảng khe ống dẫn sóng nhiều lớp ở dải 60–64 GHz đạt độ lợi trên 32 dBi và hiệu suất bức xạ gần 80% nhưng cấu trúc cơ khí rất phức tạp. Nghiên cứu [91] dùng mảng vi dải 1x8 với 2 lớp điện môi xếp chồng đạt độ tăng ích gần 17 dBi. Nghiên cứu [92] sử dụng mạng tiếp điện SIW cho mảng 8 phần tử có băng thông rộng nhưng độ lợi chỉ đạt 8 dBi.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Từ các hạn chế của công trình đi trước, luận án định vị giải pháp:

  • Kết hợp vật liệu thông thường (DPS) và vật liệu có độ điện thẩm âm (ENG) để thiết kế phần tử ăng-ten vi dải có kích thước nhỏ gọn hoạt động ở tần số 28 GHz, phối hợp cùng mạng tiếp điện vi dải T-Junction phẳng để xây dựng mảng 4 phần tử có độ lợi cao và băng thông rộng.
  • Thiết kế ăng-ten lưỡng cực điện từ dạng vi dải phẳng tiếp điện bằng khe ghép qua đường vi dải hoạt động tại tần số 38 GHz, kết hợp bộ chia công suất chữ T băng rộng để hình thành mảng 4 phần tử và 8 phần tử có cấu trúc đơn giản, dễ gia công mạch in PCB và đạt hiệu năng bức xạ cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khái niệm sử dụng

Luận án xây dựng trên các khung lý thuyết điện từ và truyền sóng:

  • Lý thuyết ăng-ten mạch dải: Mô hình mạch tương đương Thevenin với nguồn dao động, đường truyền có trở kháng đặc trưng $Z_c$ và tải ăng-ten $Z_A = (R_L + R_r) + jX_A$ (trong đó $R_r$ là điện trở bức xạ, $R_L$ là điện trở suy hao điện môi và vật dẫn, $X_A$ là điện kháng vô công). Các tham số đánh giá bức xạ gồm: giản đồ bức xạ 2D/3D trên mặt phẳng E và mặt phẳng H; độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW); độ rộng búp sóng không đầu tiên (FNBW); hệ số định hướng $D$; độ lợi bức xạ $G = e_{cd} D$ (với $e_{cd}$ là hiệu suất bức xạ); hệ số phản xạ tại cổng vào $S_{11}$ và tổn hao ngược $R_L = -20 \log_{10}|S_{11}|$.
  • Lý thuyết siêu vật liệu điện từ CRLH và vật liệu ENG:
    • Đường truyền CRLH đồng nhất được mô hình hóa bằng mạch tương đương gồm nhánh nối tiếp ($L'_R, C'_L$) và nhánh song song ($C'_R, L'_L$). Quan hệ tán sắc được biểu diễn qua hằng số pha $\beta(\omega)$. Tại điều kiện cân bằng $L'_R C'_L = L'_L C'_R$, tần số chuyển đổi $\omega_0 = 1/\sqrt{L'_R C'_L} = 1/\sqrt{L'_L C'_R}$, tại đó $\beta = 0$ tương ứng với bước sóng dài vô hạn ($\lambda_g \to \infty$) và độ lệch pha $\phi = -\beta d = 0$.
    • Vật liệu có độ điện thẩm âm ENG ($\epsilon < 0$) hoạt động dưới tần số plasma $\omega_p = \sqrt{n e^2 / (\epsilon_0 m_{ef})}$. Trong vùng tần số GHz, cấu trúc này được thực hiện thông qua các trụ kim loại mỏng sắp xếp tuần hoàn nối đất.
  • Lý thuyết ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole): Hoạt động dựa trên nguyên lý kết hợp đồng thời một lưỡng cực điện phẳng dài $\lambda/2$ và một ăng-ten tấm $\lambda/4$ ngắn mạch (đóng vai trò lưỡng cực từ) thông qua các vách kim loại thẳng đứng và cấu trúc tiếp điện (đầu dò chữ $\Gamma$ hoặc khe ghép vi dải), giúp tạo ra giản đồ bức xạ đối xứng và triệt tiêu bức xạ ngược.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án áp dụng kết hợp phương pháp giải tích lý thuyết, mô phỏng số 3D và đo kiểm thực nghiệm:

  1. Tính toán giải tích: Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán các kích thước hình học ban đầu của phần tử ăng-ten, thông số đường truyền vi dải và mạng phối hợp trở kháng dựa trên các công thức lý thuyết đường truyền và mô hình cộng hưởng.
  2. Mô phỏng điện từ 3D: Sử dụng phần mềm thương mại Ansoft HFSS (High Frequency Structure Simulator) ứng dụng phương pháp Phần tử hữu hạn (FEM). Miền không gian tính toán được chia lưới thành các tam giác trên bề mặt và các tứ diện (tetrahedral) trong không gian 3 chiều để giải hệ phương trình vi phân Maxwell với các điều kiện biên bức xạ (Boundary Conditions - BC) phù hợp.
  3. Chế tạo và kiểm chứng thực nghiệm: Chế tạo mẫu thử nghiệm mạch in (PCB) cho các cấu hình ăng-ten mảng 2 phần tử và 4 phần tử hoạt động tại 28 GHz; sử dụng hệ thống thiết bị đo siêu cao tần để đo hệ số phản xạ $S_{11}$ và đối sánh với kết quả mô phỏng.
Hạng mục Công cụ / Kỹ thuật Đối tượng áp dụng Mục đích
Tính toán ban đầu Phần mềm Matlab Mạch tương đương LC, mạng T-Junction Xác định kích thước khởi tạo và trở kháng
Mô phỏng điện từ Ansoft HFSS (Phương pháp FEM) Phần tử đơn và mảng 2, 4, 8 phần tử Khảo sát tham số $S_{11}$, phân bố dòng điện, độ lợi, đồ thị bức xạ
Lựa chọn vật liệu Điện môi tổn hao thấp (Rogers, Duroid, Teflon) Ăng-ten hoạt động ở dải 28 GHz và 38 GHz Giảm suy hao điện môi so với FR4_epoxy ($\tan\delta = 0,02$)
Thực nghiệm Gia công PCB, thiết bị đo tham số S Mẫu mảng 2 phần tử và 4 phần tử (28 GHz) Kiểm chứng độ chính xác của mô hình mô phỏng

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 thiết lập toàn bộ nền tảng lý thuyết và tổng quan tài liệu về kỹ thuật ăng-ten và vật liệu nhân tạo:

  • Lý thuyết truyền sóng và tham số ăng-ten: Trình bày mô hình tương đương mạch Thevenin, hiện tượng sóng đứng trên đường truyền dẫn do không phối hợp trở kháng, phân bố trường gần cảm ứng và trường xa bức xạ. Phân tích chi tiết hệ thống tọa độ cầu xác định giản đồ bức xạ 2D/3D, định nghĩa các búp sóng (chính, phụ, bên, sau), hệ số định hướng $D$, độ lợi $G$, trở kháng vào $Z_A = (R_r + R_L) + jX_A$ và hệ số phản xạ $S_{11}$.
  • Lý thuyết siêu vật liệu điện từ LHMs và CRLH TL: Khái quát lịch sử phát triển từ dự đoán của Veselago đến các cấu trúc thực nghiệm của UCSD. Phân tích toán học mạch LC tương đương của đường truyền CRLH đồng nhất gồm thành phần thuận tay phải PRH ($L'_R, C'_R$) và nghịch tay trái PLH ($C'_L, L'_L$), đồ thị quan hệ phân tán $\beta(\omega)$, điều kiện cân bằng triệt tiêu dải dừng, và hiện tượng cộng hưởng bậc 0 (ZOR) khi hằng số pha $\beta = 0$.
  • Vật liệu có hằng số điện môi âm (ENG): Phân tích mô hình toán học phụ thuộc tần số của độ điện thẩm $\epsilon(\omega)$ liên hệ với tần số plasma $\omega_p$, nguyên lý ứng dụng các trụ kim loại mỏng định kỳ nối đất để tạo $\epsilon < 0$ ở tần số GHz.
  • Ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole): Phân tích cấu trúc hình học kết hợp giữa lưỡng cực điện phẳng $\lambda/2$ và ăng-ten tấm $\lambda/4$ ngắn mạch thông qua hai vách kim loại đứng; cơ chế tiếp điện bằng đầu dò hình chữ $\Gamma$ (gồm 3 đoạn chức năng); phân tích ảnh hưởng của chiều rộng vách kim loại, chiều dài lưỡng cực $L$, kích thước đầu dò tiếp điện và kích thước mặt phẳng đất $G$ tới tần số cộng hưởng và độ tăng ích.

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

Chương 2 chuẩn hóa quy trình kỹ thuật để thiết kế, tối ưu hóa và mô phỏng ăng-ten mạch dải cho dải tần mmW:

  • Quy trình thiết kế 4 bước: Luận án xây dựng lưu đồ thiết kế tổng quát gồm: (1) Xác định chỉ tiêu kỹ thuật (tần số $f$, băng thông $BW$, độ lợi $G$); (2) Tính toán kích thước hình học và phối hợp trở kháng ban đầu bằng Matlab dựa trên thông số đế điện môi ($\epsilon_r, h$); (3) Xây dựng mô hình 3D và mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Ansoft HFSS; (4) Tối ưu hóa tham số kích thước phần tử và mạng tiếp điện nhằm đạt phối hợp trở kháng tối ưu.
  • Cấu trúc mạch cộng hưởng và tiếp điện: Phân tích việc hiện thực hóa các phần tử điện cảm $L$ bằng dải kim loại hẹp hoặc gấp khúc để giảm diện tích; phần tử điện dung $C$ bằng các phiến kim loại song song hoặc cấu trúc hình nấm nối via; các phương pháp tiếp điện vi dải, đồng trục, ống dẫn sóng đồng phẳng và tiếp điện khe mở. Phân tích nguyên lý bộ chia công suất chữ T (T-Junction) không tổn hao dùng cho mạng tiếp điện mảng.
  • Lựa chọn vật liệu điện môi ở dải sóng milimét: Phân tích ảnh hưởng của hệ số tổn hao điện môi ($\tan\delta$). Luận án chỉ ra vật liệu FR4_epoxy ($\epsilon_r = 4,4; \tan\delta = 0,02$) chỉ phù hợp dưới 6 GHz và gây suy hao lớn, làm lệch tần số ở dải mmW; do đó các vật liệu tổn hao thấp như Rogers, Duroid, Teflon được ưu tiên lựa chọn.
  • Cấu trúc tích hợp EBG và DGS: Khảo sát các cấu trúc chắn dải điện từ (EBG) và cấu trúc mặt đất khuyết (DGS) với các hình dạng hình học: xoắn hai đầu, mũi tên, khe chữ H, vòng hở hình vuông, quả tạ vòng hở, zíc-zắc nhằm cải thiện đặc tính bức xạ và giảm nhỏ kích thước.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Trình bày nguyên lý chia lưới không gian tính toán 3D trong HFSS thành các phần tử tứ diện để giải số hệ phương trình Maxwell.

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

Chương 3 tập trung vào thiết kế, tối ưu và kiểm chứng thực nghiệm mảng ăng-ten siêu vật liệu tại tần số 28 GHz:

  • Thiết kế phần tử ăng-ten đơn siêu vật liệu: Phần tử bức xạ được thiết kế dựa trên sự kết hợp giữa vật liệu thông thường (DPS) và vật liệu có độ điện thẩm âm (ENG) thông qua cột nối kim loại (via) xuyên qua đế điện môi xuống mặt đất. Luận án khảo sát biến thiên tham số hình học: chiều dài $a$, bề rộng $w_p$ của đoạn DPS, bán kính cột nối kim loại $r$, và khe hở $g$. Kết quả tối ưu cho thấy cấu trúc tạo được mode cộng hưởng bậc 0, giúp giảm kích thước ăng-ten so với ăng-ten vi dải truyền thống cùng tần số 28 GHz.
  • Thiết kế mạng tiếp điện và ăng-ten mảng 1D:
    • Thiết kế bộ chia công suất chữ T vi dải tỷ lệ 1:2 và 1:4 tại 28 GHz để cấp nguồn đồng pha cho các phần tử bức xạ.
    • Xây dựng mô hình ăng-ten mảng một chiều 2 phần tử và 4 phần tử. Mảng 4 phần tử đạt băng thông làm việc từ 26,5 GHz đến 30,9 GHz, độ lợi mô phỏng đạt 12,9 dBi (độ lợi đỉnh công bố đạt 12,7 dBi) tại tần số trung tâm 28 GHz.
  • Kiểm chứng thực nghiệm: Mẫu ăng-ten mảng 2 phần tử và 4 phần tử được chế tạo thực tế trên bo mạch in. Kết quả đo kiểm hệ số phản xạ $S_{11}$ thực nghiệm cho thấy sự tương đồng tốt với kết quả mô phỏng trong HFSS, khẳng định tính chính xác của mô hình lý thuyết và quy trình thiết kế.

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

Chương 4 nghiên cứu cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) phẳng cho dải tần 38 GHz:

  • Thiết kế phần tử ăng-ten ME dipole đơn: Phần tử được thiết kế theo cấu trúc phẳng mạch dải, sử dụng phương pháp tiếp điện bằng khe ghép (aperture coupled) qua đường vi dải nhằm mở rộng băng thông trở kháng. Luận án khảo sát ảnh hưởng của chiều dài ăng-ten $L_d$ và chiều dài khe mở $L_a$ đến hệ số phản xạ $S_{11}$, phân bố mật độ dòng điện tại các góc pha khác nhau, đồ thị bức xạ và độ lợi thực tại 38 GHz.
  • Thiết kế mạng tiếp điện phẳng băng rộng: Thiết kế mạng tiếp điện sử dụng bộ chia công suất chữ T băng rộng với các cấu hình phân chia công suất 1:4 và 1:8, khảo sát đặc tính tham số tán xạ $S$ của các bộ chia để đảm bảo phối hợp trở kháng và suy hao xen thấp.
  • Thiết kế và mô phỏng ăng-ten mảng ME 4 phần tử và 8 phần tử: Tích hợp các phần tử ME dipole với mạng tiếp điện phẳng. Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai mảng 4 phần tử và 8 phần tử đều duy trì băng thông trở kháng ($S_{11} < -10$ dB) rộng xấp xỉ 10 GHz; độ lợi thực đạt được tương ứng là 12,5 dBi đối với mảng 4 phần tử và 15,6 dBi đối với mảng 8 phần tử tại tần số 38 GHz; giản đồ bức xạ ổn định với mức phân cực chéo và bức xạ ngược thấp.
Cấu hình ăng-ten Tần số trung tâm Băng thông hoạt động Độ lợi đạt được Phương pháp tiếp điện / Cấu trúc Trạng thái kiểm chứng
Mảng siêu vật liệu 4 phần tử (Chương 3) 28 GHz 26,5 – 30,9 GHz (4,4 GHz) 12,7 dBi (Mô phỏng: 12,9 dBi) Mạng tiếp điện T-Junction 1:4 / Cặp vật liệu DPS-ENG Mô phỏng HFSS và Chế tạo đo kiểm PCB thực nghiệm
Mảng ME dipole 4 phần tử (Chương 4) 38 GHz Rộng xấp xỉ 10 GHz ($S_{11} < -10\text{ dB}$) 12,5 dBi Bộ chia công suất chữ T 1:4 / Khe ghép vi dải Mô phỏng số 3D (HFSS - FEM)
Mảng ME dipole 8 phần tử (Chương 4) 38 GHz Rộng xấp xỉ 10 GHz ($S_{11} < -10\text{ dB}$) 15,6 dBi Bộ chia công suất chữ T 1:8 / Khe ghép vi dải Mô phỏng số 3D (HFSS - FEM)

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp khoa học mới của luận án

  1. Phát triển và thiết kế mảng ăng-ten vi dải siêu vật liệu kích thước nhỏ tại 28 GHz: Đề xuất mô hình kết hợp giữa vật liệu thông thường (DPS) và vật liệu có độ điện thẩm âm (ENG) với các cột kim loại nối đất tạo mode cộng hưởng bậc 0 (ZOR), giúp thu nhỏ kích thước phần tử bức xạ so với ăng-ten vi dải thông thường. Thiết kế thành công ăng-ten mảng một chiều 4 phần tử tích hợp mạng tiếp điện T-Junction phẳng, đạt băng thông rộng từ 26,5 GHz đến 30,9 GHz và độ lợi đỉnh 12,7 dBi (kết quả mô phỏng đạt 12,9 dBi) tại tần số 28 GHz, được kiểm chứng qua mẫu chế tạo thực nghiệm.
  2. Phát triển và thiết kế mảng ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) phẳng băng rộng tại 38 GHz: Thiết kế phần tử ăng-ten ME dipole dạng vi dải sử dụng phương pháp tiếp điện bằng khe ghép qua đường vi dải. Thiết kế các bộ chia công suất chữ T băng rộng (1:4 và 1:8) và áp dụng thành công vào mảng 4 phần tử và 8 phần tử, đạt băng thông trở kháng $S_{11} < -10$ dB xấp xỉ 10 GHz, độ lợi bức xạ thực tế đạt lần lượt là 12,5 dBi (mảng 4 phần tử) và 15,6 dBi (mảng 8 phần tử) tại tần số 38 GHz.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng mô hình kết hợp DPS-ENG và kỹ thuật tiếp điện khe ghép phẳng làm giải pháp thiết kế mô-đun siêu cao tần cấu hình thấp, giảm thiểu độ phức tạp chế tạo so với các cấu trúc ống dẫn sóng kim loại nhiều lớp.
  • Đề xuất các nhà sản xuất thiết bị viễn thông áp dụng cấu trúc ăng-ten mảng phẳng đề xuất vào các trạm thu phát gốc (BTS) microcell/picocell và các thiết bị truyền thông vô tuyến thuộc hệ thống thông tin di động 5G dải mmW.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các cấu hình ăng-ten mảng trong luận án mới tập trung khảo sát ở dạng mảng phẳng một chiều (1D array) với số lượng phần tử là 2, 4 và 8 phần tử.
  • Việc chế tạo và đo đạc kiểm chứng thực nghiệm trên mạch in mới được thực hiện cho các mẫu mảng ăng-ten ở tần số 28 GHz (Chương 3); các kết quả mảng lưỡng cực điện từ ở tần số 38 GHz (Chương 4) chủ yếu dựa trên các mô hình tính toán và mô phỏng trường điện từ 3D.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Mở rộng thiết kế từ mảng một chiều (1D) sang mảng phẳng hai chiều (2D planar array) với số lượng phần tử lớn hơn để tăng cường hơn nữa độ lợi bức xạ.
  • Tích hợp các linh kiện điều khiển pha vào mạng tiếp điện nhằm phát triển hệ thống ăng-ten mảng pha có khả năng quét và điều khiển búp sóng linh hoạt (beamforming/beam-steering) phục vụ các hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Vô tuyến và Ăng-ten có thể tham khảo phương pháp luận thiết kế, tính toán giải tích kết hợp mô phỏng số.
    • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Sử dụng tài liệu làm cơ sở tham khảo về lý thuyết đường truyền siêu vật liệu CRLH, vật liệu ENG, và kỹ thuật ghép lưỡng cực điện từ (ME dipole) ở dải tần milimét.
    • Kỹ sư thiết kế RF và nhà sản xuất thiết bị: Tham khảo các kích thước hình học tối ưu, cấu trúc mạng tiếp điện T-Junction băng rộng và quy trình công nghệ mạch in PCB cho các ứng dụng mmW và 5G.
  • Nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Quy trình 4 bước tính toán thiết kế và tối ưu hóa ăng-ten bằng phần mềm Matlab kết hợp Ansoft HFSS.
    • Kỹ thuật tính toán kích thước mạng tiếp điện phân chia công suất chữ T vi dải băng rộng (1:2, 1:4, 1:8).
    • Phương pháp phân tích ảnh hưởng của các tham số cấu trúc vật liệu ENG (bán kính via $r$, khe hở $g$, kích thước dải dẫn) đến dịch chuyển tần số cộng hưởng.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế vật lý nào giúp phần tử ăng-ten sử dụng siêu vật liệu trong luận án thu nhỏ được kích thước so với ăng-ten vi dải thông thường?

Phần tử ăng-ten sử dụng sự kết hợp giữa vật liệu thông thường (DPS) và vật liệu có độ điện thẩm âm (ENG) tạo nên đường truyền siêu vật liệu CRLH. Cấu trúc này có khả năng tạo ra mode cộng hưởng bậc 0 (Zeroth-Order Resonance - ZOR) tại tần số mà hằng số pha $\beta = 0$ (ứng với bước sóng dẫn sóng vô hạn $\lambda_g \to \infty$). Khi đó, tần số cộng hưởng của ăng-ten không còn bị ràng buộc nghiêm ngặt vào kích thước vật lý $\lambda/4$ hay $\lambda/2$ như ăng-ten vi dải truyền thống, cho phép ăng-ten cộng hưởng ở dải tần số thấp hơn mà vẫn giữ nguyên kích thước nhỏ gọn.

2. Băng thông và độ lợi đạt được của mảng ăng-ten vi dải siêu vật liệu 4 phần tử tại 28 GHz là bao nhiêu?

Mảng ăng-ten vi dải siêu vật liệu 1 chiều 4 phần tử hoạt động tại tần số trung tâm 28 GHz đạt băng thông làm việc liên tục từ 26,5 GHz đến 30,9 GHz (độ rộng băng thông đạt 4,4 GHz) và độ lợi đỉnh đạt 12,7 dBi (kết quả mô phỏng trong HFSS đạt 12,9 dBi).

3. Cấu trúc cơ bản của ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) trong luận án được hình thành như thế nào?

Ăng-ten ME dipole được hình thành từ sự kết hợp bổ sung giữa:

  • Một lưỡng cực điện phẳng có chiều dài xấp xỉ nửa bước sóng ($\lambda/2$).
  • Một ăng-ten tấm vi dải ngắn mạch một phần tư bước sóng ($\lambda/4$) đóng vai trò lưỡng cực từ, được nối xuống mặt phẳng đất thông qua các vách kim loại thẳng đứng. Cấu trúc được kích thích đồng thời bởi nguồn tiếp điện (sử dụng đầu dò chữ $\Gamma$ hoặc khe ghép vi dải), giúp tạo ra giản đồ bức xạ ổn định, đối xứng và triệt tiêu búp sóng ngược.

4. Hiệu năng của mảng ăng-ten ME dipole 4 phần tử và 8 phần tử tại tần số 38 GHz đạt được những chỉ số nào?

Mạng tiếp điện phẳng sử dụng bộ chia công suất chữ T băng rộng (1:4 và 1:8) giúp mảng ăng-ten ME dipole đạt được:

  • Băng thông trở kháng ($S_{11} < -10$ dB) rất rộng, xấp xỉ 10 GHz cho cả hai cấu hình mảng.
  • Độ lợi bức xạ thực tế đạt 12,5 dBi đối với mảng 4 phần tử và đạt 15,6 dBi đối với mảng 8 phần tử tại tần số hoạt động 38 GHz.

5. Tại sao vật liệu FR4_epoxy không được sử dụng để chế tạo ăng-ten ở dải sóng milimét trong luận án?

Vật liệu FR4_epoxy có hằng số điện môi $\epsilon_r = 4,4$ và hệ số tổn hao điện môi khá cao ($\tan\delta = 0,02$). Khi hoạt động ở dải tần số cao như bước sóng milimét (28 GHz và 38 GHz), hệ số tổn hao lớn này gây suy hao công suất nghiêm trọng và làm sai lệch đáng kể tần số cộng hưởng khi chế tạo thực nghiệm. Do đó, luận án ưu tiên sử dụng các vật liệu điện môi có tổn hao rất thấp chuyên dụng cho tần số cao như Rogers, Duroid hoặc Teflon.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đặng Thị Từ Mỹ đã giải quyết thành công bài toán thiết kế ăng-ten mảng phẳng có kích thước nhỏ gọn, băng thông rộng và độ lợi cao ứng dụng cho các hệ thống thông tin ở dải bước sóng milimét (28 GHz và 38 GHz). Bằng việc ứng dụng cấu trúc siêu vật liệu kết hợp DPS-ENG và cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) tiếp điện khe ghép vi dải, công trình đã phát triển các mảng ăng-ten 4 phần tử và 8 phần tử đạt hiệu năng bức xạ cao với cấu trúc mạch in phẳng dễ chế tạo. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số trên Ansoft HFSS và đo kiểm thực nghiệm trên mẫu chế tạo đã cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy cho việc phát triển các mô-đun ăng-ten trong hệ thống truyền thông không dây 5G và mmW.