Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong những năm gần đây, kỹ thuật ăng-ten đã có những bước phát triển quan trọng nhằm đáp ứng các yêu cầu của công nghệ truyền thông di động thế hệ thứ 5 (5G) và các hệ thống truyền dẫn vô tuyến hoạt động ở bước sóng Milimét (mmW). Dải sóng mmW sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội về băng thông rộng, tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao và độ trễ cực thấp. Tuy nhiên, sóng điện từ truyền dẫn ở dải tần này gặp phải suy hao đường truyền rất lớn do khoảng cách truyền sóng ở tần số cao và mức độ hấp thụ của khí quyển tăng mạnh so với dải tần siêu cao tần (bước sóng cm). Để bù đắp suy hao không gian tự do, kỹ thuật tạo búp sóng (beamforming) kết hợp hệ thống ăng-ten mảng có độ lợi lớn được xác định là giải pháp công nghệ nền tảng.

Yêu cầu đặt ra đối với các phần tử ăng-ten mmW là 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 và dễ dàng chế tạo trên nền tảng mạch in phẳng. Công nghệ mạch dải in trên đế điện môi là hướng tiếp cận phổ biến để đáp ứng yêu cầu cấu hình thấp. Mặc dù vậy, ăng-ten vi dải thông thường có nhược điểm cố hữu là kích thước vật lý phải lớn hơn hoặc xấp xỉ một phần tư bước sóng ($\lambda/4$) ở tần số công tác và băng thông trở kháng tương đối hẹp.

Nhiều nghiên cứu trước đây đã đề xuất các giải pháp tăng độ lợi và mở rộng băng thông ở bước sóng mmW như sử dụng ăng-ten khe ống dẫn sóng nhiều lớp hoặc tích hợp ống dẫn sóng trong lớp điện môi (SIW). Tuy nhiên, các cấu trúc này thường phức tạp trong quy trình gia công, cồng kềnh hoặc đạt độ lợi chưa cao. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: cần phát triển các giải pháp thiết kế ăng-ten mảng phẳng có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo bằng công nghệ mạch in, ứng dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ (Metamaterials - MTM) và ăng-ten lưỡng cực điện từ (Magneto-Electric Dipole - ME dipole) để đồng thời giải quyết bài toán thu nhỏ kích thước phần tử, mở rộng băng thông làm việc và nâng cao độ lợi cho hệ thống thông tin mmW.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  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 (tại dải tần 28 GHz).
  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 (tại dải tần 38 GHz).

Câu hỏi và nội dung nghiên cứu

Để hiện thực hóa các mục tiêu trên, luận án giải quyết các vấn đề khoa học và kỹ thuật gồm:

  1. Xác định cơ chế kết hợp giữa vật liệu có hằng số điện môi dương (DPS) và vật liệu có độ điện thẩm âm (ENG) nhằm tạo ra mode cộng hưởng bậc không (ZOR) giúp thu nhỏ kích thước phần tử ăng-ten vi dải ở tần số 28 GHz.
  2. Xây dựng và tối ưu hóa mạng tiếp điện phẳng sử dụng bộ chia công suất chữ T (T-Junction) cho mảng 1 chiều 2 phần tử và 4 phần tử tại tần số 28 GHz.
  3. Thiết lập cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ dạng phẳng tiếp điện bằng khe ghép vi dải để mở rộng băng thông và duy trì độ ổn định của giản đồ bức xạ tại tần số 38 GHz.
  4. Thiết kế mạng tiếp điện bộ chia công suất chữ T băng rộng cho mảng lưỡng cực điện từ 4 phần tử và 8 phần tử nhằm đạt độ lợi cao và băng thông rộng ở bước sóng mmW.

Đối tượng nghiên cứu

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

Phạm vi nghiên cứu

  • Phạm vi đối tượng: Ăng-ten vi dải, ăng-ten lưỡng cực điện từ phẳng và ăng-ten mảng phẳng 1 chiều (1D).
  • Phạm vi tần số và không gian ứng dụng: Hệ thống thông tin vô tuyến và mạng di động 5G ở bước sóng Milimét, tập trung tại hai tần số trung tâm là 28 GHz (băng tần $26,5 - 30,9\text{ GHz}$) và 38 GHz (băng thông khảo sát xấp xỉ 10 GHz).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại trong luận án

Luận án hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến siêu vật liệu điện từ, kỹ thuật mở rộng băng thông và thiết kế ăng-ten mảng mmW:

  1. Lý thuyết và ứng dụng siêu vật liệu điện từ (MTM): Khái niệm vật liệu thuận tay trái (LHMs) có chiết suất âm ($n < 0$), hằng số điện môi và độ từ thẩm đồng thời âm ($\varepsilon < 0, \mu < 0$) được nhà vật lý Victor Veselago đưa ra năm 1967. Ba thập kỷ sau, nhóm nghiên cứu tại Đại học California, San Diego (UCSD) đã xác minh thực nghiệm đặc tính chiết suất âm thông qua cấu trúc vòng chia cộng hưởng (SRR) kết hợp dây dẫn kim loại mỏng. Landy (2008) [96] phát triển mô hình vật liệu hấp thụ ba lớp (hai lớp kim loại, một lớp điện môi) đạt mức hấp thụ 99% tại 11,48 GHz trên mô phỏng (thực tế đo được 88%). Tuy nhiên, cấu trúc SRR ban đầu gây tổn hao lớn và băng thông hẹp. Do đó, lý thuyết đường truyền siêu vật liệu phức hợp (CRLH TL) kết hợp giữa đường truyền vật liệu thông thường (PRH) và đường truyền siêu vật liệu (PLH) đã được phát triển [95] để giảm tổn thất và mở rộng dải thông.
  2. Kỹ thuật thu nhỏ kích thước và cải thiện đặc tính bức xạ ăng-ten: Các nghiên cứu ứng dụng CRLH TL [29-32] và cấu trúc cộng hưởng dạng siêu vật liệu [11, 33-36] cho phép tạo ra mode cộng hưởng mới ở tần số thấp hơn mode cơ bản của ăng-ten vi dải thông thường, hỗ trợ thu nhỏ kích thước phần tử. Bên cạnh đó, các biến thể như vòng cộng hưởng hở bổ sung (CSRR) [34, 35], cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (DGS) với các hình dạng khe chữ H, xoắn hai đầu, mũi tên, quả tạ, zíc-zắc [42, 43], cấu trúc chắn dải điện từ EBG dạng hình nấm [72-74] và cấu trúc dẫn từ nhân tạo (AMC) đóng vai trò làm đế phản xạ đồng pha [74, 75] để cải thiện độ lợi và hiệu suất bức xạ.
  3. Ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) và kỹ thuật mở rộng băng thông: Ăng-ten vi dải truyền thống có ưu điểm cấu hình thấp nhưng băng thông hẹp. Các kỹ thuật tiếp điện qua khe hở (aperture feed) [46, 47], tiếp điện bằng balun [48-51], tiếp điện bằng đầu dò chữ L hoặc chữ $\Gamma$ được áp dụng để tăng băng thông trở kháng từ 20% đến 40%. Cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) [97] kết hợp giữa một lưỡng cực điện nửa bước sóng ($1/2\lambda$) và một ăng-ten tấm ngắn mạch một phần tư bước sóng ($1/4\lambda$) được phát triển nhằm duy trì sự ổn định của giản đồ bức xạ trên dải tần rộng với phân cực chéo và mức bức xạ ngược thấp.
  4. Ăng-ten mảng độ lợi lớn ở dải sóng Milimét: Nhiều loại phần tử được ứng dụng cho mảng mmW như ăng-ten vi dải [58-61], ăng-ten ống dẫn sóng [62-66], ăng-ten ME dipole [67-69], ăng-ten mảng pha có búp sóng điều chỉnh [76-79] cho trạm thu phát gốc BTS [81-84] và thiết bị cầm tay [85-87]. Nghiên cứu [88] dùng mảng khe ống dẫn sóng nhiều lớp đạt độ lợi hơn 32 dBi, hiệu suất gần 80% ở $60 - 64\text{ GHz}$ nhưng kết cấu cơ khí phức tạp. Mảng vi dải 1x8 ở [91] sử dụng hai lớp điện môi xếp chồng đạt độ lợi gần 17 dBi (tăng 9 dBi) nhưng cồng kềnh. Nghiên cứu [92] sử dụng ống dẫn sóng tích hợp trong lớp điện môi (SIW) có băng thông rộng nhưng độ lợi mảng 8 phần tử chỉ đạt 8 dBi.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Từ việc phân tích các công trình đã công bố, luận án nhận diện hạn chế chính của các thiết kế mmW hiện tại là sự đánh đổi giữa kích thước, băng thông, độ lợi và độ phức tạp chế tạo. Luận án tập trung giải quyết:

  • Thiết kế phần tử vi dải kích thước nhỏ gọn dựa trên cấu trúc siêu vật liệu DPS-ENG hoạt động ở tần số 28 GHz, tích hợp mạng tiếp điện T-Junction phẳng đơn giản, dễ gia công bằng mạch in chuẩn thay vì sử dụng cấu trúc nhiều lớp phức tạp.
  • Phát triển ăng-ten ME dipole dạng phẳng tiếp điện bằng khe ghép vi dải tại tần số 38 GHz, loại bỏ các đầu dò kim loại 3D phức tạp, kết hợp bộ chia công suất chữ T băng rộng để đạt băng thông xấp xỉ 10 GHz và độ lợi cao ($12,5\text{ dBi}$ cho mảng 4 phần tử và $15,6\text{ dBi}$ cho mảng 8 phần tử).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

Luận án xây dựng trên các nền tảng lý thuyết trường điện từ và mạch cao tần:

  1. Lý thuyết mạch tương đương Thevenin và tham số ăng-ten: Hệ thống ăng-ten được mô hình hóa bằng mạch tương đương gồm nguồn phát, đường truyền có trở kháng đặc tính $Z_c$ 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. Hệ số phản xạ tại đầu vào ăng-ten: $$\Gamma = \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0}$$ Hệ số suy hao phản xạ ngược được tính theo công thức: $$RL = -20\log_{10}|S_{11}|$$ Hệ số định hướng cực đại $D_0$ và độ lợi cực đại $G_0$ liên hệ qua hiệu suất bức xạ $e_{cd}$: $$G_0 = e_{cd} D_0, \quad G_0(\text{dB}) = 10\log_{10}(e_{cd} D_0)$$

  2. Lý thuyết đường truyền siêu vật liệu kết hợp (CRLH TL): Đường truyền CRLH không suy hao được mô hình hóa bởi mạch LC tương đương gồm các thành phần nối tiếp $L'_R, C'_L$ và song song $C'_R, L'_L$ trên một đơn vị chiều dài. Hằng số truyền sóng $\gamma = \alpha + j\beta = \sqrt{Z'Y'}$. Quan hệ tán sắc của CRLH TL đồng nhất: $$\beta(\omega) = s(\omega)\sqrt{\omega^2 L'_R C'_R + \frac{1}{\omega^2 L'_L C'_L} - \left(\frac{L'_R}{L'_L} + \frac{C'_R}{C'_L}\right)}$$ Khi cấu trúc đạt điều kiện cân bằng ($L'_R C'_L = L'_L C'_R$), đường cong tán sắc chuyển tiếp liên tục giữa LH và RH không có dải dừng. Tại tần số chuyển đổi $\omega_0 = \frac{1}{\sqrt[4]{L'_R C'_R L'_L C'_L}}$, hằng số pha $\beta = 0$, tương ứng với bước sóng dẫn sóng dài vô hạn ($\lambda_g = \frac{2\pi}{|\beta|} \to \infty$). Đây là cơ sở hình thành mode cộng hưởng bậc không (Zero Order Resonant - ZOR), cho phép thiết bị bức xạ độc lập với kích thước hình học truyền thống.

  3. Lý thuyết vật liệu điện môi âm (ENG): Độ điện thẩm của vật liệu plasma phụ thuộc tần số theo mô hình: $$\varepsilon(\omega) = 1 - \frac{\omega_p^2}{\omega(\omega + i\gamma)}$$ với tần số plasma $\omega_p^2 = \frac{ne^2}{\varepsilon_0 m_{ef}}$. Trong dải vi ba và mmW, môi trường ENG nhân tạo được hiện thực hóa bằng cách bố trí định kỳ các cột kim loại mỏng (via/shorting pin) nối tắt xuống mặt phẳng đất.

  4. Lý thuyết ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole): Cấu trúc kết hợp một lưỡng cực điện $1/2\lambda$ và một lưỡng cực từ (ăng-ten tấm ngắn mạch $1/4\lambda$). Sự kích thích đồng thời hai nguồn bức xạ bổ sung giúp giản đồ bức xạ đối xứng trên cả hai mặt phẳng E và H, triệt tiêu bức xạ ngược và mở rộng băng thông trở kháng.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp ba phương pháp nghiên cứu chính:

  • Phương pháp tính toán giải tích: Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán các kích thước hình học ban đầu của phần tử vi dải, đường truyền vi dải và bộ chia công suất chữ T dựa trên các phương trình giải tích lý thuyết.
  • Phương pháp mô phỏng số 3D: Sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) được tích hợp trong phần mềm chuyên dụng Ansoft HFSS (High Frequency Structure Simulator). Không gian tính toán được chia nhỏ thành các phần tử tứ diện (tetrahedral mesh) để giải hệ phương trình Maxwell, tối ưu hóa kích thước hình học, phân tích phân bố dòng điện bề mặt và giản đồ bức xạ trường xa.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mẫu thử nghiệm trên bảng mạch in (PCB) cho các cấu trúc ăng-ten mảng đề xuất và sử dụng máy phân tích mạng vector (VNA) để đo đạc hệ số phản xạ $S_{11}$, đối sánh trực tiếp với kết quả mô phỏng.

Nguồn tư liệu và vật liệu

  • Dữ liệu mô phỏng: Trích xuất từ phần mềm Ansoft HFSS và tính toán từ Matlab.
  • Dữ liệu đo kiểm: Dữ liệu thực nghiệm đo đạc từ mẫu chế tạo mạch in.
  • Lựa chọn vật liệu điện môi mmW: Đánh giá hệ số tổn hao điện môi ($\tan\delta$), luận án chỉ ra vật liệu thông dụng FR-4 ($\varepsilon_r = 4,4; \tan\delta = 0,02$) gây tổn hao cao và làm lệch tần số cộng hưởng ở dải mmW. Do đó, các vật liệu điện môi chuyên dụng ít tổn hao ở tần số cao như Rogers, Duroid, Teflon được ưu tiên sử dụng.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 thiết lập hệ thống cơ sở lý thuyết về truyền sóng, các tham số cơ bản của ăng-ten, cấu trúc siêu vật liệu điện từ và ăng-ten lưỡng cực điện từ.

  • Lý thuyết chung về ăng-ten: Phân tích cơ chế bức xạ điện từ, trường cảm ứng khu gần và trường bức xạ khu xa. Mô tả hệ tọa độ cầu phân tích ăng-ten, cấu trúc giản đồ bức xạ gồm búp sóng chính (main lobe), búp sóng bên (side lobe), búp sóng ngược (back lobe), độ rộng nửa công suất (HPBW) và độ rộng không đầu tiên (FNBW). Định nghĩa toán học về hệ số định hướng cực đại $D_0$, độ lợi $G$, trở kháng vào $Z_A$ và hệ số phản xạ $S_{11}$.
  • Siêu vật liệu điện từ: Trình bày lý thuyết LHMs của Veselago và mô hình thực nghiệm SRR của UCSD. Phân tích chi tiết mô hình mạch tương đương LC của đường truyền CRLH đồng nhất và cân bằng, quan hệ tán sắc $\beta(\omega)$, tần số chuyển đổi $\omega_0$ và hiện tượng bước sóng dài vô hạn khi $\beta = 0$.
  • Vật liệu có hằng số điện môi âm (ENG): Khảo sát mô hình điện thẩm plasma và phương pháp tạo cấu trúc ENG bằng các trụ kim loại mỏng sắp xếp tuần hoàn. Điểm lại ứng dụng siêu vật liệu trong chế tạo vật liệu hấp thụ của Landy (2008).
  • Ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole): Giới thiệu cấu trúc cơ bản kết hợp giữa lưỡng cực điện phẳng $1/2\lambda$ và ăng-ten tấm ngắn mạch $1/4\lambda$. Phân tích cơ chế tiếp điện bằng đầu dò hình chữ $\Gamma$, ảnh hưởng của kích thước chiều dài lưỡng cực $L$, chiều dài đoạn $a, b$ của đầu dò tiếp điện và kích thước mặt phẳng đất $G$ đến tần số cộng hưởng, băng thông và bức xạ ngược.

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

Chương 2 trình bày quy trình kỹ thuật tổng quát cùng các phương pháp tính toán, lựa chọn vật liệu và công cụ mô phỏng ăng-ten mảng mmW.

  • Quy trình phân tích và thiết kế 4 bước:
    1. Xác định chỉ tiêu thiết kế kỹ thuật (tần số trung tâm, băng thông, độ lợi, kích thước).
    2. Tính toán kích thước hình học ban đầu và phối hợp trở kháng lý thuyết bằng Matlab.
    3. Xây dựng mô hình 3D và mô phỏng số kiểm chứng trên Ansoft HFSS.
    4. Tối ưu hóa kích thước phần tử và mạng tiếp điện dựa trên kết quả khảo sát tham số để đạt chỉ tiêu $S_{11} < -10\text{ dB}$.
  • Xây dựng phần tử cộng hưởng mạch dải: Khảo sát các dạng cuộn cảm vi dải dạng gấp khúc để tiết kiệm diện tích, tụ điện vi dải và cấu trúc nấm siêu vật liệu (mushroom structure) nối đất qua trụ kim loại tạo mạch cộng hưởng LC song song.
  • Lựa chọn phương pháp tiếp điện và vật liệu: So sánh các phương pháp tiếp điện (cáp đồng trục, đường vi dải, ống dẫn sóng đồng phẳng CPW, tiếp điện khe mở). Đánh giá vật liệu điện môi mmW, loại bỏ FR-4 do tổn hao lớn và chọn vật liệu cao tần ít tổn hao (Rogers, Duroid, Teflon). Phân tích cấu trúc chắn dải điện từ EBG dạng nấm và các dạng mặt phẳng đất khuyết DGS (khe chữ H, xoắn hai đầu, mũi tên, quả tạ, zíc-zắc).
  • Bộ chia công suất chữ T và phương pháp FEM: Trình bày nguyên lý thiết kế bộ chia công suất chữ T (T-Junction) không tổn hao và cơ sở toán học của phương pháp Phần tử hữu hạn (FEM) chia lưới tam giác bề mặt và tứ diện không gian 3D trong HFSS.

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 hóa, mô phỏng và đo đạc thực nghiệm mảng ăng-ten vi dải siêu vật liệu hoạt động tại tần số 28 GHz.

  • Thiết kế phần tử ăng-ten đơn DPS-ENG: Đề xuất mô hình phần tử vi dải kết hợp giữa vật liệu chiết suất dương (DPS) và vật liệu độ điện thẩm âm (ENG) tạo bởi tấm bức xạ có cột kim loại nối đất (shorting pin). Khảo sát tối ưu hóa các tham số: chiều dài đoạn DPS ($a$), chiều rộng ($w_p$), bán kính cột kim loại ($r$) và khe hở ($g$). Phân tích phân bố dòng điện bề mặt tại 28 GHz chứng minh sự hình thành mode cộng hưởng bậc không ZOR, giúp thu nhỏ kích thước phần tử so với ăng-ten vi dải $\lambda/2$ truyền thống.
  • Thiết kế mạng tiếp điện và mảng ăng-ten: Tính toán kích thước mạng tiếp điện phẳng dạng bộ chia công suất chữ T tỷ lệ 1:2 và 1:4 tại 28 GHz. Xây dựng mô hình mảng 1 chiều 2 phần tử và 4 phần tử.
  • Kết quả mô phỏng và so sánh: Ăng-ten mảng 4 phần tử đạt băng thông làm việc rộng từ 26,5 GHz đến 30,9 GHz ($BW = 4,4\text{ GHz}$) với $S_{11} < -10\text{ dB}$, độ lợi đỉnh đạt $12,7 - 12,9\text{ dBi}$ tại tần số trung tâm 28 GHz. Giản đồ bức xạ có tính định hướng đơn búp sóng rõ rệt.
  • Kiểm chứng thực nghiệm: Chế tạo mẫu vật lý mảng 2 phần tử và mảng 4 phần tử trên bo mạch in. Kết quả đo đạc thực nghiệm hệ số phản xạ $S_{11}$ trên máy phân tích mạng cho thấy sự trùng khớp tốt với kết quả mô phỏng lý thuyết.

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 thiết kế ăng-ten mảng ME dipole phẳng tiếp điện bằng khe ghép hoạt động tại tần số 38 GHz.

  • Thiết kế phần tử ME dipole đơn 38 GHz: Đề xuất cấu trúc ME dipole dạng vi dải phẳng sử dụng kỹ thuật tiếp điện qua khe mở (aperture feed) từ đường vi dải lớp dưới. Phân tích phân bố dòng điện ở các góc pha khác nhau tại 38 GHz để xác nhận hoạt động đồng thời của lưỡng cực điện và lưỡng cực từ. Tối ưu hóa kích thước hình học gồm chiều dài lưỡng cực ($L_d$) và chiều dài khe mở ($L_a$).
  • Thiết kế mạng tiếp điện phẳng băng rộng: Thiết kế bộ chia công suất chữ T băng rộng với tỷ lệ phân chia 1:4 và 1:8. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ $S$ xác nhận tính chia đều công suất và tổn hao phản xạ thấp trên dải tần rộng.
  • Thiết kế và mô phỏng ăng-ten mảng ME dipole: Xây dựng mảng 1 chiều 4 phần tử và 8 phần tử. Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai cấu trúc mảng đều đạt băng thông trở kháng ($S_{11} < -10\text{ dB}$) rất rộng, xấp xỉ 10 GHz quanh 38 GHz. Độ lợi thực đạt được của mảng 4 phần tử là $12,5\text{ dBi}$ và mảng 8 phần tử là $15,6\text{ dBi}$. Đồ thị bức xạ duy trì tính định hướng cao, phân cực chéo và mức bức xạ ngược thấp.
  • So sánh công trình đã công bố: Đối sánh đặc tính bức xạ của ăng-ten ME dipole đề xuất với các nghiên cứu ME dipole trong tài liệu tham khảo để làm rõ hiệu quả về băng thông và độ lợi.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Phát triển và thiết kế thành công ăng-ten mảng dạng siêu vật liệu điện từ kích thước nhỏ dựa trên sự kết hợp giữa vật liệu thông thường (DPS) và vật liệu có độ điện thẩm âm (ENG). Phần tử ăng-ten tạo ra mode cộng hưởng bậc không ZOR giúp giảm nhỏ kích thước. Mảng 1 chiều 4 phần tử hoạt động tại tần số trung tâm 28 GHz đạt băng thông rộng từ 26,5 GHz đến 30,9 GHz và độ lợi đỉnh đạt $12,7\text{ dBi}$ (kết quả mô phỏng tối ưu đạt $12,9\text{ dBi}$).
  2. Phát triển và thiết kế thành công ăng-ten mảng lưỡng cực điện từ (ME dipole) dạng vi dải phẳng tiếp điện bằng khe ghép qua đường vi dải ở tần số 38 GHz, loại bỏ kết cấu đầu dò 3D phức tạp. Thiết kế bộ chia công suất chữ T băng rộng và áp dụng thành công vào mảng 4 phần tử và 8 phần tử, đạt băng thông trở kháng xấp xỉ 10 GHz với độ lợi thực lần lượt là $12,5\text{ dBi}$ và $15,6\text{ dBi}$.

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật của các cấu trúc ăng-ten đề xuất trong luận án

Tham số kỹ thuật Ăng-ten mảng vi dải MTM (Chương 3) Ăng-ten mảng ME dipole 4 phần tử (Chương 4) Ăng-ten mảng ME dipole 8 phần tử (Chương 4)
Cấu trúc phần tử Vi dải siêu vật liệu DPS + ENG (cột nối đất $r$) Lưỡng cực điện từ (ME dipole) phẳng Lưỡng cực điện từ (ME dipole) phẳng
Phương pháp tiếp điện Đường vi dải (Bộ chia T-Junction 1:4) Tiếp điện khe ghép (Bộ chia chữ T 1:4) Tiếp điện khe ghép (Bộ chia chữ T 1:8)
Tần số trung tâm 28 GHz 38 GHz 38 GHz
Băng thông ($S_{11} < -10\text{ dB}$) $26,5 - 30,9\text{ GHz}$ ($BW = 4,4\text{ GHz}$) Xấp xỉ 10 GHz Xấp xỉ 10 GHz
Độ lợi đỉnh / Độ lợi thực $12,7 - 12,9\text{ dBi}$ $12,5\text{ dBi}$ $15,6\text{ dBi}$
Kiểm chứng thực nghiệm Chế tạo PCB và đo đạc tham số $S_{11}$ Mô phỏng số 3D (HFSS) Mô phỏng số 3D (HFSS)

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Các giải pháp thiết kế thu nhỏ kích thước bằng cấu trúc siêu vật liệu DPS-ENG và mở rộng băng thông bằng cấu trúc ME dipole tiếp điện khe phẳng có thể được ứng dụng làm cấu hình tham chiếu cho các khối vô tuyến (Radio Unit) trong hệ thống mạng di động 5G/mmW.
  • Khuyến nghị áp dụng công nghệ mạch in chuẩn kết hợp các vật liệu điện môi có tổn hao thấp (như Rogers, Duroid) để chế tạo hàng loạt với chi phí hợp lý.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Về phạm vi kiểm chứng thực nghiệm: Luận án đã thực hiện chế tạo mẫu và đo đạc kiểm chứng hệ số phản xạ $S_{11}$ đối với mảng ăng-ten vi dải 28 GHz (mảng 2 phần tử và 4 phần tử). Tuy nhiên, các đặc tính bức xạ trường khu xa (như đồ thị bức xạ thực nghiệm, độ lợi thực nghiệm) và mô hình ăng-ten mảng ME dipole tại tần số 38 GHz chủ yếu được đánh giá qua mô phỏng phần mềm Ansoft HFSS.
  • Về cấu hình mảng: Luận án tập trung khảo sát mảng phẳng một chiều (1D array) với sơ đồ phân bố công suất đều; chưa mở rộng sang mảng phẳng hai chiều (2D array) hoặc tích hợp linh kiện điều khiển pha điện tử để quét búp sóng chủ động.
  • Về dải tần: Các thiết kế được tối ưu hóa tập trung tại hai mốc tần số cố định là 28 GHz và 38 GHz của hệ thống thông tin mmW.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Thực hiện chế tạo mẫu và đo kiểm toàn diện các tham số bức xạ trường xa (giản đồ bức xạ 2D/3D, độ lợi thực tế, mức phân cực chéo) trong buồng đo anechoic chamber cho mảng ME dipole ở tần số 38 GHz.
  • Mở rộng cấu trúc mảng từ 1 chiều (1D) sang mảng 2 chiều ($M \times N$ phần tử) để nâng cao hơn nữa độ lợi bức xạ và định hình búp sóng theo cả hai mặt phẳng E và H.
  • Nghiên cứu tích hợp mạch dịch pha vi dải hoặc cấu trúc siêu bề mặt có thể tái cấu hình (reconfigurable metasurface) nhằm phát triển hệ thống ăng-ten mảng pha có khả năng quét chùm tia linh hoạt phục vụ truyền thông 5G/6G.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Vô tuyến: Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa lý thuyết mạch tương đương CRLH, mô hình cộng hưởng ZOR, ăng-ten bổ sung ME dipole và phương pháp mô phỏng số FEM 3D.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên khảo trong giảng dạy và nghiên cứu các học phần Ăng-ten và Truyền sóng, Kỹ thuật Vi ba và Siêu cao tần, Ứng dụng Siêu vật liệu điện từ trong thiết bị không dây.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng RF/Microwave: Ứng dụng các kích thước hình học, mô hình bộ chia công suất chữ T vi dải băng rộng và kỹ thuật tiếp điện khe ghép phẳng vào thiết kế mô-đun ăng-ten cho trạm thu phát gốc BTS 5G và thiết bị đầu cuối dải sóng Milimét.

Nội dung đáng tham khảo

  • Mô hình mạch tương đương và phương trình tán sắc của đường truyền siêu vật liệu CRLH, điều kiện cân bằng để đạt cộng hưởng bậc không ZOR (Chương 1 và Chương 3).
  • Lưu đồ quy trình 4 bước thiết kế và tối ưu hóa ăng-ten kết hợp giữa tính toán giải tích trên Matlab và mô phỏng 3D trên Ansoft HFSS (Chương 2).
  • Thiết kế mạng tiếp điện phẳng sử dụng bộ chia công suất chữ T băng rộng 1:2, 1:4 và 1:8 cho dải sóng mmW (Chương 3 và Chương 4).
  • Kỹ thuật phối hợp trở kháng và tiếp điện khe vi dải cho ăng-ten lưỡng cực điện từ hoạt động ở tần số 38 GHz (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế nào giúp phần tử ăng-ten vi dải ở Chương 3 thu nhỏ kích thước so với ăng-ten vi dải thông thường?

Phần tử ăng-ten vi dải ở Chương 3 kết hợp một cặp vật liệu gồm vật liệu chiết suất dương (DPS) và vật liệu có độ điện thẩm âm (ENG) tạo bởi tấm bức xạ có cột kim loại nối đất. Cấu trúc này hình thành đường truyền siêu vật liệu CRLH có khả năng tạo ra mode cộng hưởng bậc không (ZOR) tại tần số 28 GHz khi hằng số pha $\beta = 0$, giúp ăng-ten cộng hưởng ở dải tần mong muốn mà kích thước hình học không bị ràng buộc bởi giới hạn $\lambda/4$ hay $\lambda/2$ như ăng-ten truyền thống.

2. Mạng tiếp điện của mảng ăng-ten vi dải 4 phần tử tại 28 GHz được thiết kế như thế nào và đạt hiệu năng ra sao?

Mạng tiếp điện được thiết kế dạng phẳng sử dụng các bộ chia công suất chữ T (T-Junction 1:4) vi dải không tổn hao để phân chia công suất đều đến 4 phần tử bức xạ. Kết quả cho thấy mảng 4 phần tử hoạt động với băng thông rộng từ 26,5 GHz đến 30,9 GHz ($BW = 4,4\text{ GHz}$ với $S_{11} < -10\text{ dB}$) và đạt độ lợi đỉnh $12,7 - 12,9\text{ dBi}$ tại tần số trung tâm 28 GHz.

3. Cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) ở Chương 4 có điểm gì khác biệt so với các thiết kế ME dipole truyền thống?

Các thiết kế ME dipole truyền thống thường sử dụng đầu dò tiếp điện 3D hình chữ $\Gamma$ hoặc đầu dò chữ L đòi hỏi cấu trúc cơ khí thẳng đứng phức tạp. Luận án đề xuất mô hình ME dipole dạng phẳng sử dụng phương pháp tiếp điện bằng khe ghép (aperture-coupled feed) thông qua đường vi dải lớp dưới, giúp cấu trúc hoàn toàn phẳng, dễ chế tạo bằng công nghệ mạch in tiêu chuẩn mà vẫn duy trì băng thông rộng và giản đồ bức xạ ổn định.

4. Băng thông và độ lợi của mảng ăng-ten ME dipole 4 phần tử và 8 phần tử ở tần số 38 GHz đạt được là bao nhiêu?

Cả hai mô hình mảng 4 phần tử và 8 phần tử sử dụng mạng tiếp điện bộ chia công suất chữ T băng rộng đều đạt băng thông trở kháng ($S_{11} < -10\text{ dB}$) xấp xỉ 10 GHz quanh tần số trung tâm 38 GHz. Độ lợi thực đạt được của mảng 4 phần tử là $12,5\text{ dBi}$ và mảng 8 phần tử đạt $15,6\text{ dBi}$.

5. Tại sao vật liệu FR-4 không được lựa chọn để thiết kế ăng-ten ở dải sóng Milimét trong luận án?

Vật liệu FR-4 có hệ số tổn hao điện môi tương đối cao ($\tan\delta = 0,02$) ở tần số cao. Khi hoạt động ở dải sóng Milimét (28 GHz và 38 GHz), tổn hao điện môi lớn làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất bức xạ và gây sai lệch tần số cộng hưởng khi chế tạo thực nghiệm. Do đó, luận án lựa chọn các dòng vật liệu điện môi chuyên dụng cao tần có hệ số tổn hao thấp như Rogers, Duroid hoặc Teflon.

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán thiết kế ăng-ten mảng phẳng có kích thước nhỏ gọn, băng thông rộng và độ lợi lớn cho hệ thống truyền thông dải sóng Milimét (mmW) và mạng di động 5G. Bằng việc kết hợp lý thuyết siêu vật liệu CRLH (DPS-ENG) và cấu trúc ăng-ten lưỡng cực điện từ (ME dipole) tiếp điện khe phẳng, công trình đã phát triển thành công mảng 4 phần tử tại tần số 28 GHz (đạt độ lợi $12,7\text{ dBi}$, băng thông $4,4\text{ GHz}$) cùng các mảng ME dipole 4 phần tử và 8 phần tử tại tần số 38 GHz (đạt độ lợi lần lượt $12,5\text{ dBi}$ và $15,6\text{ dBi}$, băng thông xấp xỉ 10 GHz). Các kết quả tính toán giải tích, mô phỏng số 3D bằng phương pháp phần tử hữu hạn và đo kiểm thực nghiệm hệ số phản xạ $S_{11}$ đã khẳng định tính khả thi của các mô hình đề xuất trong ứng dụng thực tế.