Tổng quan luận án

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) được triển khai nhằm giải quyết sự gia tăng lưu lượng dữ liệu người dùng và đáp ứng các dịch vụ mới đòi hỏi tốc độ truyền dẫn cao cùng độ trễ thấp. Báo cáo dự báo của Ericsson chỉ ra rằng đến năm 2027, thuê bao 5G sẽ chiếm khoảng 49% tổng số thuê bao di động toàn cầu với 4,4 tỷ thuê bao, trong đó có từ 70% đến 80% kết nối dữ liệu được thực hiện trong môi trường trong nhà. Do sóng vô tuyến chịu suy hao truyền dẫn lớn khi truyền qua các vật cản như tường bao và bê tông, việc bố trí các trạm gốc cỡ nhỏ và điểm truy cập không dây trong nhà là một giải pháp thiết yếu của mô hình mạng không đồng nhất (HetNets).

Tuy nhiên, việc thiết kế anten trạm gốc trong nhà phải đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Ở dải tần sóng milimét (FR2), tổn hao không gian tự do rất lớn, đòi hỏi anten phải có hệ số tăng ích cao, khả năng điều khiển búp sóng linh hoạt nhưng phải khắc phục được nhược điểm băng thông hẹp và tổn hao điện môi của công nghệ vi dải thông thường. Ở dải tần dưới 6 GHz (FR1), đặc biệt là tần số trung tâm 3,5 GHz, các trạm gốc trong nhà yêu cầu anten có kích thước nhỏ gọn, cấu hình thấp, phân cực kép, băng thông rộng, búp sóng rộng để tăng vùng phủ và hệ số cách ly giữa các cổng phải đạt trên 25 dB đến 30 dB. Các thiết kế truyền thống như anten lưỡng cực điện từ sử dụng nguồn cấp chữ Gamma thường có chiều cao bằng một phần tư bước sóng và nhạy cảm với sai số gia công, trong khi các kỹ thuật cấp nguồn vi sai kép làm tăng gấp đôi số lượng đầu tiếp điện, dẫn đến mạch phân phối nguồn phức tạp và chi phí chế tạo cao. Nhằm giải quyết các vấn đề này, luận án tập trung phát triển các cấu trúc anten phẳng chế tạo bằng công nghệ mạch in (PCB) với giá thành thấp.

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

  1. 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.
  2. 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 của luận án bao gồm:

  • Các mẫu anten ứng dụng cho hệ thống thông tin di động 5G.
  • Các phương pháp cải thiện đặc tính của anten như tăng hệ số tăng ích, băng thông, hệ số cách ly.
  • Các anten phân cực đơn, phân cực kép.
  • Các anten có cấu trúc phẳng, dễ chế tạo bằng công nghệ mạch in, giá rẻ.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào việc đề xuất các mẫu anten đơn và mảng tuyến tính phẳng phù hợp cho các điểm truy cập và trạm gốc trong nhà 5G, gia công bằng công nghệ bảng mạch in thông thường. Về mặt phổ tần, nghiên cứu khảo sát trên hai dải tần số cụ thể: dải sóng milimét tại 28 GHz (băng Ka thuộc FR2) và dải dưới 6 GHz tại tần số 3,5 GHz (thuộc FR1).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng hợp các cơ sở phân loại phổ tần theo 3GPP Release 16 và Hội nghị Vô tuyến Toàn cầu WRC-19 của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU), trong đó xác định hai dải tần số chính là FR1 (dưới 6 GHz) và FR2 (sóng milimét từ 24,25 GHz đến 40 GHz). Trong dải FR1, tần số 3,5 GHz (nằm trong các băng n77, n78) được nhiều quốc gia như Hàn Quốc, Úc, Ấn Độ, Trung Quốc và các nước châu Âu lựa chọn làm băng tần triển khai ban đầu.

Đối với các giải pháp mở rộng băng thông cho anten vi dải, tác giả điểm lại các kỹ thuật xếp chồng phần tử bức xạ [80], tạo khe rãnh [11], sử dụng thấu kính [13] hoặc anten cộng hưởng điện môi (DRA) [14], [77]–[79]. Công bố của tác giả ở tài liệu [81] trình bày anten lưỡng cực mạch in có góc nghiêng cấp nguồn bằng balun tích hợp đạt băng thông 36,2% với hệ số tăng ích 4,5–5,8 dBi. Đối với công nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất nền (SIW) được giới thiệu bởi Deslandes và Wu [74], [75], dù khắc phục được bức xạ giả của đường truyền vi dải nhưng lại chịu tổn hao điện môi cao khi hoạt động ở tần số trên băng K và thường đòi hỏi công nghệ gốm nung ở nhiệt độ thấp (LTCC) đắt tiền [21]–[24]. Về kỹ thuật điều khiển búp sóng tương tự, mạng ma trận Butler được đánh giá là giải pháp phẳng, chi phí thấp và nhỏ gọn hơn so với sử dụng thấu kính [89].

Trong mảng anten phân cực kép cho dải tần dưới 6 GHz, luận án điểm lại các dòng anten vi dải cấp nguồn cạnh [92], góc [93] hoặc vi sai [94]; anten lưỡng cực chéo xuất phát từ nghiên cứu của Browns [90]; anten khe chéo [91]; và anten lưỡng cực điện từ (ME dipole) [34], [35], [95]. Thiết kế ME dipole truyền thống dùng nguồn cấp dạng chữ Gamma cho băng thông rộng nhưng rất nhạy cảm với dung sai chế tạo cơ khí. Giải pháp thay thế bằng cấp nguồn ghép khe vi dải [36], [37] lại gây ra bức xạ ngược không mong muốn ở mặt sau. Về phương diện nâng cao hệ số cách ly, tài liệu [32] dùng hốc cộng hưởng đạt cách ly 40 dB nhưng làm tăng kích thước; tài liệu [39] dùng anten vòng nối tiếp ghép trực giao; các tài liệu [40], [41], [43] sử dụng cấu trúc EBG, dải chắn hoặc dây chêm hình chữ C để đạt cách ly khoảng 25 dB đến 30 dB. Để đạt mức cách ly cao hơn, các nghiên cứu [33], [44], [45] phải sử dụng mạng cấp nguồn vi sai kép với số lượng đường dẫn và balun tăng gấp đôi. Đối với kỹ thuật mở rộng độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW), các giải pháp trước đây gồm dùng mặt đất tứ diện nghiêng [82] (tăng góc búp sóng khoảng 40° ở 3,5 GHz), hàng rào điện dung [83] (đạt HPBW 107° và 105°), hoặc hốc kim loại có khía bổ sung 4 lưỡng cực [34]. Ở trong nước, các nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội và Học viện Kỹ thuật Quân sự đã triển khai các hướng đi về siêu vật liệu [42], giảm tương hỗ MIMO [47], anten tái cấu hình [48], mảng anten [49], [50] và anten trạm đầu cuối [53].

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định và tập trung giải quyết gồm:

  1. Thiếu cấu trúc anten vi dải sóng milimét 28 GHz vừa có kích thước nhỏ gọn, vừa đạt băng thông và tăng ích cao mà không cần dùng cấu trúc hốc cộng hưởng phức tạp hay công nghệ LTCC đắt tiền.
  2. Anten lưỡng cực điện từ ở 3,5 GHz còn cồng kềnh với chiều cao $\lambda/4$, tỉ số trước sau (FBR) bị suy giảm khi dùng cấp nguồn ghép khe.
  3. Sự đánh đổi giữa độ phức tạp mạng cấp nguồn và hệ số cách ly trong anten phân cực kép; các giải pháp mở rộng búp sóng trước đây thường làm mất tính đối xứng hình học của anten.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên nền tảng lý thuyết trường điện từ và kỹ thuật siêu cao tần. Dung lượng kênh truyền hệ thống được khảo sát thông qua công thức Shannon-Hartley:

$$C_s = B \log_2 \left(1 + \left(\frac{\lambda_0}{4\pi d}\right)^2 G_t G_r \frac{P_t}{N_0}\right)$$

Trong đó $B$ là băng thông kênh truyền, $\lambda_0$ là bước sóng trong không gian tự do, $d$ là khoảng cách truyền dẫn, $P_t$ là công suất phát, $G_t$ và $G_r$ lần lượt là hệ số tăng ích của anten phát và thu, $P_t/N_0$ là tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu. Phương trình này chứng minh việc nâng cao dung lượng kênh phụ thuộc lớn vào việc mở rộng băng thông $B$ và tăng hệ số tăng ích $G$.

Suy hao truyền sóng trong không gian tự do được tính theo công thức:

$$L_{fs} = \left(\frac{4\pi d}{\lambda}\right)^2 = \left(\frac{4\pi d f}{c}\right)^2$$

với $f$ là tần số hoạt động và $c$ là vận tốc ánh sáng trong chân không. Biểu thức cho thấy ở dải sóng milimét tần số cao, suy hao lan truyền tăng theo bình phương tần số, đặt ra yêu cầu phải ghép mảng anten để tăng tính định hướng.

Khung lý thuyết của luận án còn sử dụng các khái niệm:

  • Mô hình đường truyền vi dải và mạch tương đương $LC$ cho khe ghép.
  • Lý thuyết bức xạ kết hợp giữa lưỡng cực điện và lưỡng cực từ (ME dipole) nhằm tạo giản đồ bức xạ đơn hướng đối xứng với độ tinh khiết phân cực cao.
  • Siêu vật liệu điện từ và bề mặt trở kháng cao (HIS): Cấu trúc hình nấm do Sievenpiper đề xuất [16] được mô hình hóa bằng mạch cộng hưởng song song $LC$. Tại tần số cộng hưởng, bề mặt có tổng trở vô cùng lớn, hoạt động như một vật dẫn từ hoàn hảo (PMC) tạo ra sóng phản xạ đồng pha (góc lệch pha $0^\circ$), giúp triệt tiêu sóng bề mặt và cho phép đặt phần tử bức xạ sát mặt phản xạ mà không bị triệt tiêu dòng điện.
  • Lý thuyết mạng ma trận Butler $4 \times 4$ gồm 4 bộ ghép lai $90^\circ$ (hybrid coupler) và 2 bộ dịch pha $45^\circ$ để tạo ra 4 búp sóng trực giao có góc lệch pha tuyến tính.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích, mô phỏng điện từ trường số 3D và đo đạc thực nghiệm. Quá trình thiết kế được tiến hành qua các bước: xây dựng mô hình mạch tương đương, tối ưu hóa kích thước hình học trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng, phân tích biến thiên tham số ($ha$, $he$, kích thước ô HIS), khảo sát phân bố dòng điện mặt và vector điện trường. Cuối cùng, các mẫu thiết kế tối ưu được gia công trên mạch in PCB và đo kiểm các tham số tán xạ ($S_{11}$, $S_{21}$), tỉ số sóng đứng điện áp (VSWR), hệ số tăng ích, tỉ số trước sau (FBR) và đồ thị bức xạ trong buồng đo không phản xạ.

Bảng tổng hợp phân chia các dải tần số 5G được tác giả trích dẫn làm cơ sở thiết kế:

Dải tần Tên chuẩn / Ký hiệu Khoảng tần số hoạt động Băng thông kênh / Đặc tính
FR1 n77 3300 – 4200 MHz TDD, dưới 6 GHz
FR1 n78 3300 – 3800 MHz TDD, dải tần chính cho 5G ban đầu
FR1 n79 4400 – 5000 MHz TDD, dưới 6 GHz
FR2 n257 25,50 – 29,50 GHz Kênh 50, 100, 200, 400 MHz
FR2 n258 (Băng Ka) 24,25 – 27,50 GHz Kênh 50, 100, 200, 400 MHz
FR2 n260 (Băng Ka) 37,00 – 40,00 GHz Kênh 50, 100, 200, 400 MHz
FR2 n261 (Băng Ka) 27,50 – 28,35 GHz Dải tần số khảo sát tại Chương 2

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về anten ứng dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến 5G

Chương 1 hệ thống hóa các yêu cầu kỹ thuật của mạng 5G theo khuyến nghị ITU-R M.2083, bao gồm ba nhóm dịch vụ điển hình: Băng thông rộng di động nâng cao (eMBB), Truyền thông siêu tin cậy và độ trễ thấp (uRLLC), và Truyền thông máy số lượng lớn (mMTC). Các chỉ tiêu kỹ thuật chính cần đạt tới bao gồm tốc độ dữ liệu đỉnh 20 Gbps, độ trễ giao diện vô tuyến 1 ms, mật độ kết nối $10^6$ thiết bị/km$^2$, và hỗ trợ tốc độ di chuyển lên đến 500 km/h. Chương này trình bày chi tiết danh mục 19 băng tần thuộc dải FR1 (từ n1 đến n79) và 4 băng tần dải sóng milimét FR2 (n257, n258, n260, n261).

Nội dung chương phân tích ưu, nhược điểm của các loại anten ứng dụng trong 5G: anten phẳng vi dải, anten đơn cực, anten lưỡng cực (mạch in và lưỡng cực điện từ), anten ống dẫn sóng tích hợp chất nền (SIW) và anten cộng hưởng điện môi (DRA). Đồng thời, tác giả khảo sát các kỹ thuật cải thiện tham số anten: mở rộng băng thông qua cơ chế ghép khe hoặc balun tích hợp; mở rộng độ rộng búp sóng bằng cấu trúc tiếp đất tứ diện hoặc khoang khía; nâng cao hệ số cách ly bằng cấu trúc mặt đất khuyết (DGS), vòng lai, hoặc cấp nguồn vi sai; và ứng dụng các dạng siêu vật liệu (HIS, AMC, EBG, RIS, DNG) nhằm triệt tiêu sóng bề mặt và định hình đồ thị bức xạ. Các phân tích này là cơ sở trực tiếp để đề xuất các cấu trúc anten ở các chương tiếp theo.

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 năng của phần tử anten vi dải ghép khe hoạt động tại tần số 28 GHz bằng cách tích hợp cấu trúc siêu vật liệu hình nấm (mushroom-like structure). Cấu trúc đề xuất gồm miếng bức xạ vi dải được cấp nguồn gián tiếp qua một khe hẹp ở mặt đất từ đường truyền vi dải phía dưới. Xung quanh phần tử bức xạ, các ô đơn vị hình nấm gồm các miếng kim loại vuông kết nối với mặt phẳng đất thông qua các cọc nối đất (vias) được bố trí trên cùng lớp đế điện môi.

Sự hiện diện của cấu trúc hình nấm đóng vai trò như một dải chắn điện từ (EBG), ức chế sự lan truyền của sóng bề mặt trên lớp đế điện môi. Kết quả khảo sát tham số cho thấy khi tối ưu hóa khoảng cách và kích thước tế bào nấm, hệ số phản xạ $|S_{11}|$ giảm sâu, dải tần hoạt động được mở rộng và hệ số tăng ích của anten tăng lên rõ rệt so với khi không có cấu trúc hình nấm. Đồ thị bức xạ tại 28 GHz duy trì tính đối xứng và giảm mức bức xạ búp phụ.

Trên cơ sở phần tử anten cải tiến, tác giả phát triển một mảng tuyến tính gồm $1 \times 4$ phần tử. Mảng anten này được tích hợp với mạng cấp nguồn ma trận Butler $4 \times 4$ chế tạo cùng trên công nghệ mạch in phẳng. Mạng Butler bao gồm bốn bộ ghép lai $90^\circ$, các bộ dịch pha và các đường truyền giao nhau nhằm tạo ra độ lệch pha kích thích giữa các cổng là $-135^\circ$, $-45^\circ$, $+45^\circ$, và $+135^\circ$. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ ở 28 GHz chứng minh hệ thống có khả năng định dạng và chuyển dịch bốn hướng búp sóng độc lập trong không gian tương ứng với từng cổng kích thích, đáp ứng yêu cầu bù suy hao và định hướng sóng cho các trạm thu phát 5G dải sóng milimét.

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 hoạt động tại tần số 3,5 GHz với kích thước cấu hình thấp. Thay vì sử dụng cơ cấu cấp nguồn dạng chữ Gamma vốn có độ nhạy sai số cơ khí cao, anten sử dụng cơ chế cấp nguồn bằng hai đường vi dải trực giao ghép qua khe khoét trên mặt đất kim loại. Lưỡng cực điện được hình thành bởi bốn miếng kim loại phẳng nằm ngang in trên đế điện môi, trong khi các phần tử bức xạ thẳng đứng đóng vai trò như lưỡng cực từ.

Để khắc phục hiện tượng bức xạ ngược do khe cấp nguồn gây ra và giảm chiều cao của anten, tác giả tích hợp một bề mặt trở kháng cao (HIS) đặt phía dưới anten đóng vai trò làm mặt phẳng phản xạ. Bề mặt HIS được tạo thành từ mảng tuần hoàn các ô đơn vị kim loại phẳng in trên đế có cọc nối đất, có pha phản xạ bằng $0^\circ$ tại tần số 3,5 GHz. Nhờ đặc tính phản xạ đồng pha của vật dẫn từ nhân tạo (AMC), khoảng cách giữa anten và mặt phẳng phản xạ ($h_e$) được thu hẹp đáng kể xuống mức thấp hơn nhiều so với khoảng cách $\lambda/4$ của mặt phản xạ kim loại truyền thống.

Phân tích điện từ trường trong mặt phẳng x-z cho thấy cấu trúc HIS phản xạ hiệu quả năng lượng bức xạ hướng về phía trước, giúp tăng hệ số tăng ích thêm đáng kể và cải thiện tỉ số trước sau (FBR). Kết quả đo đạc thực tế trên mẫu chế tạo cho thấy anten đạt được tỉ số sóng đứng điện áp VSWR < 2 trên toàn dải băng thông hoạt động, hệ số cách ly giữa hai cổng phân cực trực giao đạt trên 30 dB, và đồ thị bức xạ có độ ổn định cao trên cả hai cổng kích thích tại 3,5 GHz.

Chương 4: Anten phân cực kép búp sóng rộng hệ số cách ly cao cho các điểm truy cập 5G trong nhà

Chương 4 tập trung giải quyết bài toán mở rộng búp sóng và duy trì hệ số cách ly cao cho anten điểm truy cập 5G trong nhà tại tần số 3,5 GHz. Tác giả đề xuất cấu trúc anten lưỡng cực mạch in phân cực kép với kỹ thuật cấp nguồn hỗn hợp (hybrid feed mechanism). Một lưỡng cực được cấp nguồn bằng cơ chế cấp nguồn một đầu (single-ended feed), trong khi lưỡng cực vuông góc còn lại được tiếp điện bởi mạng cấp nguồn vi sai (differential feed) gồm bộ chia công suất và đoạn dịch pha $180^\circ$. Giải pháp kết hợp này triệt tiêu dòng điện mode chung, mang lại hệ số cách ly rất cao giữa hai cổng mà chỉ yêu cầu một mạng vi sai duy nhất, giảm một nửa độ phức tạp so với kỹ thuật cấp nguồn vi sai kép thông thường.

Để đáp ứng yêu cầu phủ sóng đồng đều trong không gian kín của các tòa nhà, tác giả bố trí thêm các phần tử ký sinh nằm cạnh các nhánh lưỡng cực bức xạ chính. Sự ghép nối điện từ giữa lưỡng cực chủ động và phần tử ký sinh làm biến đổi phân bố dòng mặt trên cấu trúc Ant.3 tại tần số 3,5 GHz, qua đó mở rộng độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW) trên cả hai mặt phẳng bức xạ. Thiết kế phần tử ký sinh được tính toán đối xứng hoàn toàn nhằm không làm suy giảm tính cân bằng pha của cơ chế cấp nguồn vi sai.

Mẫu anten đề xuất được gia công thực tế trên vật liệu mạch in hai mặt. Kết quả đo đạc thực nghiệm kiểm chứng rằng anten hoạt động chuẩn xác tại dải tần 3,5 GHz, hệ số cách ly giữa hai cổng vượt trội so với anten lưỡng cực truyền thống, hệ số tăng ích ổn định và độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW) được mở rộng đáng kể, khẳng định khả năng ứng dụng cho các điểm phát sóng trần nhà hoặc treo tường.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp cụ thể sau:

  1. Đề xuất thành công việc tích hợp cấu trúc hình nấm vào anten vi dải ghép khe hoạt động ở dải tần 28 GHz. Cấu trúc siêu vật liệu này làm tăng đáng kể băng thông và hệ số tăng ích của phần tử bức xạ đơn thông qua việc triệt tiêu sóng bề mặt. Đồng thời, mảng tuyến tính $1 \times 4$ phần tử kết hợp mạng ma trận Butler $4 \times 4$ phẳng được hiện thực hóa, chứng minh khả năng điều khiển búp sóng tương tự linh hoạt cho các trạm gốc 5G dải sóng milimét.
  2. Đề xuất cấu trúc anten lưỡng cực điện từ (ME dipole) phân cực kép mới cho dải tần 3,5 GHz, giải quyết nhược điểm kích thước cồng kềnh bằng cách hạ thấp chiều cao cấu trúc xuống nhỏ hơn nhiều so với $\lambda/4$. Việc ứng dụng bề mặt trở kháng cao (HIS) làm mặt phẳng phản xạ đã cải thiện rõ rệt tỉ số trước sau (FBR), tăng hệ số tăng ích và nâng cao hệ số cách ly giữa hai cổng trong khi vẫn duy trì dải thông rộng.
  3. Đề xuất giải pháp cấp nguồn hỗn hợp cho anten lưỡng cực phân cực kép tại 3,5 GHz, kết hợp cấp nguồn một đầu cho một phân cực và cấp nguồn vi sai cho phân cực còn lại. Cấu hình này tạo ra hệ số cách ly cao giữa hai cổng phân cực trực giao mà không làm gia tăng độ phức tạp mạch tiếp điện như các hệ thống vi sai kép. Bên cạnh đó, việc tích hợp phần tử ký sinh giúp mở rộng độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW) nhưng vẫn bảo toàn tính đối xứng hình học bắt buộc của hệ thống tiếp điện vi sai.
  4. Đề xuất quy trình thiết kế, mô phỏng tham số và chế tạo hoàn chỉnh các mẫu anten phẳng dựa trên công nghệ bảng mạch in PCB thông thường, tạo tiền đề kỹ thuật cho việc tự chủ chế tạo các thiết bị anten trạm gốc 5G trong nước với chi phí thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào các cấu trúc phần tử anten đơn và mảng tuyến tính quy mô nhỏ ($1 \times 4$ phần tử), chưa mở rộng khảo sát các mảng diện tích lớn hai chiều phục vụ công nghệ Massive MIMO với hàng chục hoặc hàng trăm phần tử.
  • Kỹ thuật điều khiển búp sóng ở dải sóng milimét mới dừng lại ở cấu trúc chuyển mạch búp sóng tương tự rời rạc bằng ma trận Butler, chưa áp dụng cơ chế điều khiển búp sóng kỹ thuật số hoặc kiến trúc lai ghép để quét búp sóng liên tục.
  • Phạm vi chế tạo và thử nghiệm bị giới hạn trong công nghệ mạch in PCB hai mặt hoặc đa lớp cơ bản, chưa tiếp cận các quy trình công nghệ gốm nung ở nhiệt độ thấp (LTCC) hoặc công nghệ vi mạch tích hợp cho tần số cao hơn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng cấu trúc mảng anten cho các hệ thống Massive MIMO đa phần tử hoạt động đồng thời trên cả hai dải tần FR1 và FR2.
  • Nghiên cứu tích hợp các linh kiện bán dẫn chủ động hoặc vật liệu biến tính để thực hiện anten tái cấu hình tần số và phân cực.
  • Nghiên cứu các giải pháp tối ưu hóa mạng cấp nguồn nhằm giảm suy hao chèn ở tần số trên 30 GHz và hoàn thiện quy trình đóng gói thiết bị phục vụ triển khai thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị chuyên môn cao cho các đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên các ngành Kỹ thuật Viễn thông, Điện tử – Viễn thông, Kỹ thuật Vô tuyến và Vi ba: Tài liệu cung cấp phương pháp luận chặt chẽ từ mô hình hóa mạch tương đương, kỹ thuật mô phỏng trường điện từ đến quy trình đo kiểm anten thực tế.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Cung cấp nguồn tài liệu chi tiết về ứng dụng siêu vật liệu điện từ (HIS, EBG, cấu trúc hình nấm) và kỹ thuật cấp nguồn vi sai nhằm nâng cao hiệu năng bức xạ của anten.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng RF và các nhà hoạch định mạng viễn thông: Các giải pháp thiết kế anten phẳng tại 3,5 GHz và 28 GHz trong luận án có thể trực tiếp ứng dụng để chế tạo các điểm truy cập không dây, trạm microcell và femtocell trong nhà bằng công nghệ mạch in PCB giá thành thấp.

Các nội dung đáng tham khảo nhất bao gồm: quy trình thiết kế ma trận Butler phẳng $4 \times 4$ tại 28 GHz ở Chương 2; mô hình bề mặt trở kháng cao HIS và cách tính toán pha phản xạ ở Chương 3; và kỹ thuật thiết kế mạng cấp nguồn vi sai kết hợp phần tử ký sinh mở rộng búp sóng ở Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu anten trạm gốc 5G trong luận án lại ưu tiên giải quyết các bài toán phủ sóng trong nhà?
Dự báo của Ericsson cho thấy khoảng 70% đến 80% kết nối dữ liệu 5G diễn ra trong môi trường trong nhà. Sóng vô tuyến, đặc biệt ở dải tần cao, chịu tổn hao rất lớn khi xuyên qua tường và chướng ngại vật trong tòa nhà, trung tâm thương mại hoặc nhà ga. Do đó, việc triển khai các điểm truy cập nhỏ trong nhà là bắt buộc để xóa điểm mù và giảm tải cho các trạm macrocell ngoài trời.

2. Cấu trúc hình nấm (mushroom-like structure) đóng vai trò gì trong anten vi dải ở Chương 2?
Cấu trúc hình nấm đóng vai trò như một bề mặt dải chắn điện từ (EBG). Khi được bố trí xung quanh phần tử vi dải ghép khe ở tần số 28 GHz, các tế bào hình nấm có tác dụng triệt tiêu sóng bề mặt lan truyền trong chất nền điện môi, từ đó giảm bức xạ giả, mở rộng băng thông làm việc và tăng hệ số tăng ích của anten.

3. Việc kết hợp bề mặt trở kháng cao (HIS) ở Chương 3 mang lại lợi ích cụ thể nào cho anten lưỡng cực điện từ?
Bề mặt HIS hoạt động như một vật dẫn từ hoàn hảo (PMC) với pha phản xạ bằng $0^\circ$ tại tần số 3,5 GHz. Khi dùng làm mặt phẳng phản xạ đặt dưới anten, HIS cho phép đặt anten ở khoảng cách gần hơn nhiều so với khoảng cách $\lambda/4$ của mặt phản xạ kim loại thông thường, giúp hạ thấp chiều cao anten, triệt tiêu bức xạ ngược do khe cấp nguồn gây ra và tăng tỉ số trước sau (FBR).

4. Cơ chế cấp nguồn hỗn hợp ở Chương 4 giải quyết vấn đề gì trong thiết kế anten phân cực kép?
Để đạt hệ số cách ly cao trên 30 dB, các anten phân cực kép thông thường phải dùng hai cặp cấp nguồn vi sai, khiến số lượng đầu tiếp điện tăng gấp đôi và mạch phân phối nguồn rất phức tạp. Luận án đề xuất cấp nguồn một đầu cho một lưỡng cực và cấp nguồn vi sai cho lưỡng cực còn lại. Cấu hình này triệt tiêu mode chung, duy trì hệ số cách ly rất cao nhưng giảm được một nửa độ phức tạp của mạng cấp nguồn.

5. Luận án nghiên cứu anten trên các dải tần số cụ thể nào của chuẩn 5G?
Luận án tập trung vào hai dải tần số chuẩn 5G: dải sóng milimét FR2 tại tần số 28 GHz (thuộc băng n261 dải Ka) và dải dưới 6 GHz FR1 tại tần số 3,5 GHz (nằm trong dải n77/n78), tương ứng với các phân vùng phổ tần được ITU-R và 3GPP Release 16 quy định.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Thị Cẩm Hà đã nghiên cứu và phát triển thành công các mẫu anten phẳng cho trạm gốc và điểm truy cập 5G trong nhà tại hai dải tần trọng điểm 28 GHz và 3,5 GHz. Bằng việc ứng dụng cấu trúc siêu vật liệu hình nấm, bề mặt trở kháng cao HIS và kỹ thuật cấp nguồn hỗn hợp kết hợp phần tử ký sinh, công trình đã giải quyết đồng thời các yêu cầu về mở rộng băng thông, tăng hệ số tăng ích, nâng cao độ cách ly và mở rộng búp sóng. Các cấu trúc đề xuất đều được kiểm chứng chặt chẽ qua mô phỏng và đo đạc thực nghiệm trên bảng mạch in PCB, mang lại giải pháp kỹ thuật khả thi và kinh tế cho hạ tầng thông tin di động thế hệ mới.