MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng đang tiếp tục phát triển một cách mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu đa dạng của người sử dụng. Dịch vụ di động hiện nay không chỉ đơn giản đáp ứng dịch vụ thoại hay liên lạc trao đổi thông tin thông thường mà còn phải đáp ứng cả những nhu cầu giải trí hiện đại ở mọi lúc, mọi nơi. Hệ thống thông tin di động thứ 5 (5G) hiện đã bước đầu triển khai nhiều nơi trên thế giới.
5G ra đời với kỳ vọng sẽ đáp ứng được lưu lượng dữ liệu khổng lồ do sự gia tăng không ngừng về số lượng thiết bị người dùng cũng như sự xuất hiện của nhiều loại hình dịch vụ bên cạnh dịch vụ thoại truyền thống như dịch vụ phát trực tiếp, xem phim chất lượng cao, nhà thông minh, xe tự hành, thương mại điện tử v. Theo dự báo mới nhất của Ericsson, năm 2027 sẽ là năm mà sự phát triển của 5G thực sự rõ ràng trên toàn cầu. Thuê bao 5G sẽ là “xu hướng chủ đạo ở mọi khu vực”, chiếm 49% tổng số thuê bao di động toàn cầu và đạt 4,4 tỷ thuê bao [1]. Trong đó đáng chú ý là có khoảng 70% đến 80% kết nối được thực hiện ở môi trường trong nhà.
Để đạt được những cải thiện đáng kể về dung lượng và hiệu quả phổ tần phục vụ cho số lượng lớn người dùng với nhu cầu truy cập thông tin bất cứ nơi đâu, bất cứ khi nào mạng 5G sẽ phải có những thay đổi đột phá, không những trong kiến trúc mạng mà cả các công nghệ và ứng dụng liên quan [2]–[5]. Rõ ràng, để hệ thống 5G trở thành hiện thực, các nghiên cứu toàn diện trong kiến trúc mạng phải được tiến hành đồng thời và song song. Trong đó, anten đóng vai trò là một trong những thành phần trọng yếu nhất của hệ thống vô tuyến 5G giành được sự quan tâm sâu sắc trong giới khoa học. Việc nghiên cứu, phát triển anten 5G với các giải pháp nâng cao hiệu suất, đặc tính anten được cộng đồng nghiên cứu anten trên toàn thế giới hướng đến.
Một tập hợp các kỳ vọng từ 5G được liệt kê ở [2]–[6], nêu lên mục tiêu chính của hệ thống 5G là tăng tốc độ dữ liệu lên 1000 lần so với với thế hệ trước bên cạnh việc đáp ứng tốt các cam kết về thời gian trễ, tính di động cũng như vùng phủ sóng. 1 Do đó cần có những giải pháp kỹ thuật thích hợp để hiện thực hóa các mục tiêu này. Từ khi ra đời cho đến nay, trải qua bốn thập kỉ hoạt động, hệ thống thông tin di động phụ thuộc hoàn toàn vào dải tần số dưới 3 GHz. Dải tần này có đặc tính lan truyền tốt trong hầu hết môi trường, mặt khác bước sóng của nó cũng đủ ngắn để chế tạo ra các anten thu phát có thể nằm gọn trong thiết bị di động cầm tay.
Tuy nhiên với sự tăng trưởng không ngừng của thuê bao di động hiện nay, dễ dàng thấy rằng hệ thống sẽ không thể đáp ứng được sau vài năm nữa, dù cho các nhà nghiên cứu chuyên ngành đã đưa ra rất nhiều giải pháp cải tiến hiệu năng hệ thống. Trong khi đó dải bước sóng mm lại chưa được sử dụng đúng mức và chứa đựng nhiều tiềm năng to lớn [7]. Có thể thấy, việc tăng tốc độ dữ liệu có thể thực hiện đơn giản thông qua việc tăng băng thông sử dụng khi dịch chuyển lên dải tần mm. Hạn chế lớn nhất của dải sóng mm là tổn hao truyền sóng rất lớn bên cạnh việc các thiết bị thu phát sóng hoạt động ở dải sóng này đắt đỏ.
Mặc dù vậy các kết quả nghiên cứu gần đây đang dần thuyết phục ngành thông tin di động xem xét sử dụng dải tần rộng lớn tiềm năng này. Các nghiên cứu [2]–[6] chỉ ra rằng có một số hướng công nghệ chính cần xem xét khi tiến lên 5G đó là: + Sử dụng dải sóng mm. + Nâng cao hệ số tăng ích của hệ thống như sử dụng phương pháp ghép mảng anten hoặc công nghệ MIMO/mMIMO (là công nghệ sử dụng mảng anten rất lớn với số lượng phần tử trên mảng có thể lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn phần tử anten với mục tiêu tăng dung lượng truyền dẫn và cải thiện hệ số tăng ích của anten lên rất nhiều lần). + Sử dụng kỹ thuật định dạng và điều khiển búp sóng nhằm định hướng búp sóng chính vào đối tượng xác định, tăng hệ số định hướng, giảm nhiễu, giảm năng lượng tiêu thụ.
+ Tăng cường vùng phủ sóng và tái sử dụng tần số thông qua việc tạo ra các tế bào nhỏ hơn, với phạm vi phủ sóng khoảng 10-200 m. Rõ ràng, mỗi phương pháp trên đều giúp tăng hiệu năng hệ thống không dây trong tương lai, quan trọng hơn chúng liên quan mật thiết với nhau, có yếu tố cộng 2 sinh với nhau, có thể bù đắp, hỗ trợ nhau tồn tại. Như ở dải sóng mm, kích thước anten nhỏ giúp giảm kích thước của anten và các thiết bị điện tử liên quan, từ đó có thể làm tăng số lượng anten trong mảng hoặc dễ triển khai massive MIMO, ngược lại các mảng lớn anten được sử dụng để tăng hệ số tăng ích bù lại tổn thất truyền dẫn được xem là tương đối lớn trong dải sóng mm. Mảng với búp sóng hẹp và khả năng điều khiển búp sóng cũng góp phần làm giảm tác động của nhiễu, giảm mức năng lượng tiêu thụ cần thiết của hệ thống.
Bên cạnh đó việc đa dạng hóa cấu trúc ô tế bào, chia phạm vi vùng phủ của mỗi tế bào nhỏ hơn, sử dụng các trạm thu phát sóng nhỏ, các điểm truy cập trong nhà bên cạnh những trạm thu phát sóng truyền thống giúp giải quyết được vấn đề tổn hao truyền dẫn, tăng cường phạm vi phủ sóng, xóa được các điểm đen truyền dẫn đặc biệt là trong các tòa nhà, trung tâm thương mại, sân vận động, ga tàu v. là những nơi mà lưu lượng dữ liệu người dùng càng ngày càng tăng cao và trở nên quan trọng. Tất cả những yếu tố trên kết hợp có thể giúp hệ thống 5G được triển khai vào thực tế đạt được kết quả như kì vọng. Những vấn đề còn tồn tại Hệ thống 5G hiện nay mặc dù đã được triển khai ở một số nơi trên thế giới [8] nhưng vẫn chưa thực sự phát triển hoàn thiện.
Trong quá trình phát triển hệ thống, anten là một trong những thành phần quan trọng tuy thu hút được sự quan tâm, nghiên cứu cả trong và ngoài nước nhưng vẫn còn nhiều vấn đề tồn tại cần giải quyết. Như đã đề cập ở trên, để đáp ứng được nhu cầu dữ liệu di động khổng lồ, dải sóng mm đã được đề xuất sử dụng trong các hệ thống truyền thông không dây 5G. Tuy nhiên, dải sóng mm có tổn hao đường truyền đáng kể so với các dải tần số thấp hơn. Do đó, các anten sử dụng cho 5G dải sóng mm cần định dạng búp sóng với hệ số khuếch đại cao, băng thông rộng và kích thước nhỏ gọn.
Các anten có hệ số tăng ích và hiệu suất cao là rất cần thiết để bù suy hao lan truyền rất lớn. Phần tử bức xạ riêng lẻ là yếu tố quan trọng nhất quyết định hiệu suất của mảng anten hoặc hệ thống anten MIMO. Có nhiều loại anten có thể ứng dụng trong 5G nhưng anten phẳng vi dải là một lựa chọn phổ biến trong thiết kế anten hoạt động ở dải sóng mm vì sở hữu kích thước nhỏ, phẳng nên sẽ thuận tiện hơn cho việc xây dựng cấu trúc mảng anten. Mặt khác dù băng thông và hệ số tăng ích của anten vi dải truyền thống bị hạn chế 3 nhưng cũng có nhiều giải pháp kĩ thuật giúp cải thiện tham số này như chọn lớp điện môi dày, ít tổn hao [9].
Tuy nhiên, lớp điện môi dày dẫn đến sóng bề mặt tăng, làm giảm hiệu suất bức xạ của các mảng. Các phương pháp khác nhau như cấu trúc xếp chồng [10], khắc khe trong phần tử bức xạ [11], sử dụng vật liệu tiên tiến [12], anten thấu kính [13] hoặc cộng hưởng điện môi [14] đạt được những kết quả đầy hứa hẹn, nhưng hầu hết các phương pháp này đều làm tăng độ phức tạp của chế tạo hoặc kích thước lớn hoặc có cấu hình cao hoặc có cấu trúc không phẳng. Hốc cộng hưởng phía sau cũng đã được được áp dụng để triệt tiêu sóng bề mặt nhưng không đáng kể, tăng độ phức tạp chế tạo. Gần đây, việc thiết kế anten vi dải kết hợp với siêu vật liệu [15] đã được coi là một giải pháp quan trọng để nâng cao hiệu suất, các đặc tính kĩ thuật của anten.
Cấu trúc hình nấm [16] gồm một mạng phần tử kim loại in trên đế điện môi được nối đất qua các cọc nối đất, là loại siêu vật liệu phổ biến để chế tạo anten cấu hình thấp với hiệu quả bức xạ cao. Thông thường, các anten cần một số lượng lớn các tế bào cấu trúc nấm để có đặc tính mong muốn [15]. Gần đây, một số anten [17]–[19] đã sử dụng một số đơn vị cấu trúc hình nấm để mở rộng băng thông hoạt động và cải thiện các đặc tính bức xạ. Bên cạnh đó, một vấn đề cần lưu tâm nữa là các mảng anten có hệ số khuếch đại cao luôn bao gồm số lượng lớn các phần tử bức xạ, song song với đó là yêu cầu mạng cấp nguồn cho mảng có suy hao thấp.
Mạng cấp nguồn vi dải đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tạo mảng anten vì lợi thế cấu hình thấp và dễ tích hợp. Tuy nhiên, trong các thiết kế mảng số lượng lớn, đặc biệt ở tần số cao thì việc tạo ra bức xạ giả và tổn hao của đường cấp nguồn vi dải là một vấn đề đáng quan tâm [20]. Một giải pháp thay thế là có thể sử dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất điện môi (SIW) cho cấu trúc cấp nguồn của anten ở dải sóng mm. Tuy nhiên, các thiết kế mảng anten dựa trên SIW vẫn bị suy hao cao do sự hiện diện của chất điện môi và sự che chắn không hoàn hảo do sử dụng các cọc nối đất [21], [22].
Mặt khác, rất khó để chế tạo các anten được cấp nguồn bởi SIW nhiều lớp bằng công nghệ bảng mạch in (PCB) vì có quá nhiều mạ xuyên lỗ/cọc nối đất. Do đó, hầu hết các mảng anten này được thiết kế và chế tạo bằng công nghệ chế tạo gốm nung nhiệt độ thấp (LTCC) với chi phí cao.