I. Tổng quan thiết kế anten 5G phân cực tròn độ lợi lớn
Trong bối cảnh công nghệ 5G phát triển mạnh mẽ, nhu cầu về các thiết bị anten hiệu suất cao ngày càng trở nên cấp thiết. Một thiết kế anten 5G phân cực tròn, độ lợi lớn không chỉ giải quyết các vấn đề về suy hao tín hiệu do phân tập phân cực mà còn đảm bảo kết nối ổn định cho các dịch vụ đòi hỏi băng thông rộng và độ trễ thấp. Phân cực tròn (Circular Polarization - CP) đặc biệt hữu ích trong môi trường đô thị dày đặc, nơi tín hiệu đa đường (multipath) gây ra hiện tượng fading. Sóng CP có khả năng duy trì chất lượng liên kết tốt hơn bất kể hướng của thiết bị đầu cuối, một yếu tố quan trọng đối với anten cho thiết bị IoT 5G và các thiết bị di động. Các anten vi dải 5G truyền thống thường gặp khó khăn trong việc đạt được đồng thời nhiều chỉ tiêu khắt khe như băng thông rộng, độ lợi cao và phân cực tròn tinh khiết trên toàn dải tần hoạt động. Nghiên cứu của Đặng Văn Trung (2024) nhấn mạnh, "các kỹ thuật trên thường chỉ cải thiện hoặc đạt được một chỉ tiêu thiết kế riêng lẻ mà không đồng thời giúp cải thiện nhiều chỉ tiêu của anten". Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp thiết kế mới, đặc biệt là ứng dụng các cấu trúc tiên tiến như siêu bề mặt (metasurface), đã mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn để chế tạo các anten đáp ứng yêu cầu của mạng 5G và xa hơn, từ dải tần sub-6GHz đến anten sóng milimet (mmWave).
1.1. Tầm quan trọng của phân cực tròn trong mạng 5G
Phân cực tròn (CP) mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với phân cực tuyến tính (LP) trong các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại. Ưu điểm chính của CP là khả năng giảm thiểu suy hao do lệch phân cực (polarization mismatch loss) giữa anten phát và anten thu. Trong môi trường truyền sóng phức tạp với nhiều vật cản, sóng điện từ bị phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ nhiều lần, làm thay đổi phương phân cực ban đầu. Với sóng CP, bao gồm phân cực tròn RHCP (Right-Hand Circular Polarization) và phân cực tròn LHCP (Left-Hand Circular Polarization), hướng quay của vector điện trường được duy trì tốt hơn, giúp thiết bị đầu cuối nhận tín hiệu ổn định dù ở bất kỳ hướng nào. Điều này đặc biệt quan trọng cho các ứng dụng di động, nơi hướng của thiết bị thay đổi liên tục. Hơn nữa, sóng CP có khả năng chống lại hiệu ứng fading đa đường tốt hơn, một thách thức lớn đối với anten cho trạm gốc 5G hoạt động trong môi trường đô thị.
1.2. Các yêu cầu kỹ thuật đối với anten 5G hiện đại
Một anten 5G hiệu suất cao phải đáp ứng đồng thời nhiều thông số kỹ thuật nghiêm ngặt. Thứ nhất là độ lợi (gain) lớn để tăng cự ly phủ sóng và chất lượng tín hiệu. Thứ hai là băng thông hoạt động rộng để hỗ trợ các kênh truyền dữ liệu tốc độ cao. Đối với anten CP, băng thông tỉ số trục (axial ratio bandwidth) phải đủ rộng, đảm bảo tỉ số trục (AR) dưới 3 dB trên toàn dải tần mong muốn. Các thông số khác bao gồm hiệu suất bức xạ cao, suy hao phản xạ thấp (thể hiện qua chỉ số VSWR (S11) < 2), và phối hợp trở kháng đầu vào (input impedance) tốt (thường là 50 Ohm). Ngoài ra, kích thước nhỏ gọn, cấu hình phẳng và chi phí sản xuất thấp cũng là những yếu tố quan trọng, đặc biệt khi tích hợp vào các anten mảng (antenna array) phức tạp cho các công nghệ tiên tiến như anten MIMO và kỹ thuật beamforming.
II. Thách thức khi tối ưu hóa độ lợi và băng thông anten 5G
Việc thiết kế một anten vi dải đáp ứng đồng thời các tiêu chí về độ lợi cao, băng thông rộng và phân cực tròn tinh khiết là một thách thức kỹ thuật lớn. Các phương pháp truyền thống thường mang tính đánh đổi. Ví dụ, việc tăng độ dày của lớp điện môi để mở rộng băng thông có thể kích thích sóng bề mặt, làm giảm hiệu suất bức xạ và gây ra các búp sóng phụ không mong muốn. Để tăng độ lợi, giải pháp phổ biến là sử dụng anten mảng (antenna array), nhưng điều này làm tăng kích thước, độ phức tạp của cấu trúc cấp nguồn cho anten và có thể gây ra suy hao trong mạng phân phối tín hiệu. Việc tạo ra phân cực tròn với băng thông tỉ số trục rộng cũng không đơn giản; các kỹ thuật như cắt vát góc (corner-truncation) hay cấp nguồn kép đòi hỏi sự chính xác cao trong chế tạo và thường chỉ hiệu quả trong một dải tần hẹp. Tài liệu nghiên cứu [25, 26] chỉ ra rằng việc sử dụng các cấu trúc siêu vật liệu để tăng độ lợi đôi khi không mang lại hiệu quả đáng kể hoặc gây khó khăn trong chế tạo do các cấu trúc phức tạp như cột nối kim loại. Những hạn chế này thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm đến những giải pháp đột phá hơn, như cấu trúc siêu bề mặt, để giải quyết bài toán tối ưu hóa độ lợi anten một cách toàn diện.
2.1. Hạn chế của phương pháp tăng băng thông truyền thống
Các kỹ thuật mở rộng băng thông cho anten vi dải như tăng độ dày lớp nền, sử dụng ghép nối ký sinh (parasitic coupling) hay kỹ thuật cấp nguồn qua khe (aperture-coupled feed) đều có những giới hạn. Tăng độ dày chất nền tuy mở rộng băng thông trở kháng nhưng lại làm tăng sóng bề mặt, ảnh hưởng xấu đến giản đồ bức xạ và hiệu suất. Theo nghiên cứu [27], việc tăng độ dày lớp nền chỉ có thể mở rộng băng thông không quá 10%. Các phương pháp ghép nối, mặc dù hiệu quả, lại làm tăng kích thước vật lý của anten và độ phức tạp trong thiết kế, đặc biệt là các cấu trúc đa lớp. Việc duy trì chất lượng phân cực tròn trên một băng thông rộng bằng các phương pháp này càng trở nên khó khăn hơn, vì sự thay đổi pha giữa hai thành phần trường trực giao rất nhạy cảm với tần số.
2.2. Khó khăn trong việc chế tạo anten độ lợi lớn
Để đạt được độ lợi lớn, phương pháp chính là xây dựng các anten mảng, trong đó nhiều phần tử anten đơn được kết hợp. Tuy nhiên, việc thiết kế mạng cấp nguồn cho mảng anten này rất phức tạp, đặc biệt ở tần số cao như anten sóng milimet (mmWave). Mạng cấp nguồn có thể gây ra suy hao đáng kể, làm giảm độ lợi tổng thể của mảng. Một giải pháp khác là sử dụng các cấu trúc phản xạ hoặc thấu kính đặt phía trên anten đơn, chẳng hạn như cấu trúc siêu vật liệu điện từ (Metamaterial). Tuy nhiên, nhiều thiết kế metamaterial antenna đòi hỏi cấu trúc 3D phức tạp hoặc các thành phần như chốt kim loại nối đất, gây khó khăn và tốn kém trong quá trình chế tạo thực nghiệm, như được đề cập trong nghiên cứu [26].
III. Giải pháp đột phá Thiết kế anten 5G dùng siêu bề mặt
Để vượt qua những thách thức của thiết kế anten truyền thống, việc ứng dụng cấu trúc siêu bề mặt (metasurface - MS) nổi lên như một giải pháp đột phá. Siêu bề mặt là một dạng siêu vật liệu mỏng hai chiều (2D), bao gồm một mảng các phần tử tán xạ cận bước sóng được thiết kế đặc biệt để điều khiển sóng điện từ một cách linh hoạt. Trong đề án của Đặng Văn Trung (2024), một anten lưỡng cực phân cực tuyến tính được kết hợp với một siêu bề mặt chuyển đổi phân cực và tăng cường độ lợi. Cấu trúc siêu bề mặt này không chỉ hoạt động như một mặt phẳng phản xạ hiệu quả mà còn có khả năng biến đổi sóng phân cực tuyến tính tới thành sóng phân cực tròn RHCP hoặc LHCP phản xạ. So với metamaterial antenna 3D, siêu bề mặt có ưu điểm là cấu hình phẳng, tổn hao thấp và dễ chế tạo bằng công nghệ mạch in tiêu chuẩn trên các loại vật liệu nền phổ biến như vật liệu nền FR-4 hay chất nền Rogers. Bằng cách điều khiển pha phản xạ của từng phần tử trong mảng siêu bề mặt, có thể định hình chùm tia bức xạ, giúp tối ưu hóa độ lợi anten và đạt được hiệu suất bức xạ cao. Đây là một phương pháp hiệu quả để tạo ra một anten 5G nhỏ gọn, hiệu suất cao mà không cần đến các anten mảng phức tạp.
3.1. Nguyên lý chuyển đổi phân cực của siêu bề mặt
Cơ chế chính của siêu bề mặt trong việc tạo ra phân cực tròn từ phân cực tuyến tính là tạo ra sự chênh lệch pha 90° giữa hai thành phần trực giao của sóng điện từ phản xạ. Một sóng phân cực tuyến tính có thể được phân tích thành hai thành phần trực giao có cùng pha. Khi sóng này đập vào siêu bề mặt, các phần tử cấu trúc của MS (ví dụ: các tấm patch vát góc) sẽ phản ứng khác nhau với mỗi thành phần. Bằng cách thiết kế hình dạng của các phần tử này một cách cẩn thận, một thành phần sẽ bị trễ pha so với thành phần còn lại. Khi độ lệch pha này đạt đúng 90°, sóng phản xạ tổng hợp sẽ trở thành sóng phân cực tròn. Thiết kế trong tài liệu gốc sử dụng các tấm patch vuông được cắt vát góc để tạo ra sự bất đối xứng cần thiết, từ đó tạo ra chênh lệch pha mong muốn và chuyển đổi thành công sóng LP thành sóng CP.
3.2. Vai trò của siêu bề mặt trong việc tăng độ lợi anten
Ngoài khả năng chuyển đổi phân cực, siêu bề mặt còn đóng vai trò như một mặt phản xạ dẫn từ nhân tạo (Artificial Magnetic Conductor - AMC), giúp tăng cường độ lợi của anten. Khi được đặt ở một khoảng cách thích hợp (thường là λ/4) so với phần tử bức xạ, siêu bề mặt sẽ phản xạ sóng điện từ cùng pha với sóng tới (hệ số phản xạ pha bằng 0). Điều này tạo ra một sự cộng hưởng xây dựng trong hướng bức xạ chính, giúp hội tụ năng lượng và làm tăng đáng kể độ lợi. Anten lưỡng cực trong thiết kế được đặt phía trên tấm siêu bề mặt, hoạt động như một bộ cộng hưởng Fabry-Pérot. Cấu trúc này giúp cải thiện đáng kể đặc tính bức xạ hướng của anten, mang lại độ lợi cao hơn nhiều so với anten lưỡng cực hoạt động độc lập trong không gian tự do.
IV. Hướng dẫn quy trình thiết kế và mô phỏng anten 5G tối ưu
Quy trình thiết kế một anten 5G phân cực tròn, độ lợi lớn sử dụng siêu bề mặt bao gồm nhiều bước được thực hiện một cách có hệ thống và kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng chuyên dụng. Đầu tiên là thiết kế phần tử bức xạ cơ bản, trong trường hợp này là một anten lưỡng cực vi dải hoạt động ở dải tần 5G sub-6GHz. Tiếp theo là thiết kế phần tử đơn vị (unit cell) của siêu bề mặt, tối ưu hóa hình dạng (ví dụ: tấm patch vuông vát góc) để đạt được pha phản xạ mong muốn. Sau đó, các phần tử đơn vị này được sắp xếp thành một anten mảng siêu bề mặt (ví dụ: mảng 5x5). Cuối cùng, anten lưỡng cực được tích hợp với mảng siêu bề mặt ở một khoảng cách tối ưu. Toàn bộ cấu trúc được mô phỏng bằng các công cụ như mô phỏng anten CST (Computer Simulation Technology) hoặc mô phỏng HFSS (High-Frequency Structure Simulator) để phân tích các thông số quan trọng như suy hao phản xạ (VSWR (S11)), trở kháng đầu vào, độ lợi, tỉ số trục (AR), và đồ thị bức xạ 3D. Quá trình này đòi hỏi việc tinh chỉnh lặp đi lặp lại các tham số hình học để đạt được hiệu suất tối ưu theo các chỉ tiêu thiết kế đã đề ra, như trong Bảng 3.1 của tài liệu gốc.
4.1. Lựa chọn vật liệu nền và thiết kế anten lưỡng cực
Việc lựa chọn vật liệu nền là rất quan trọng. Đối với các ứng dụng tần số cao như 5G, chất nền Rogers RO4003 thường được ưu tiên hơn so với vật liệu nền FR-4 vì có tổn hao điện môi thấp hơn và hằng số điện môi ổn định hơn theo tần số. Anten nguồn được chọn là một anten lưỡng cực đơn giản, dễ chế tạo và có giản đồ bức xạ hai hướng đối xứng. Kích thước của anten lưỡng cực, đặc biệt là chiều dài, được tối ưu hóa để cộng hưởng tại tần số trung tâm của dải tần mong muốn (ví dụ: 3.7 GHz). Quá trình mô phỏng ban đầu tập trung vào việc đạt được phối hợp trở kháng tốt cho anten lưỡng cực khi hoạt động độc lập.
4.2. Thiết kế mảng siêu bề mặt và tối ưu hóa tham số
Thiết kế siêu bề mặt bắt đầu với phần tử đơn vị. Trong nghiên cứu của Đặng Văn Trung, phần tử này là một tấm patch vuông vát góc trên nền Rogers RO4003. Việc cắt vát góc tạo ra sự bất đối xứng cần thiết để tạo chênh lệch pha 90° giữa hai thành phần sóng phản xạ. Kích thước của patch và độ sâu của vết cắt được quét tham số (parameter sweep) trong phần mềm mô phỏng để tìm ra cấu hình tối ưu. Sau khi có phần tử đơn vị, một mảng siêu bề mặt 5x5 được xây dựng. Anten lưỡng cực sau đó được đặt phía trên mảng này. Các tham số quan trọng như khoảng cách giữa anten và siêu bề mặt (Hgnd), kích thước mặt phẳng đất (Wgnd) được tối ưu hóa để đạt được độ lợi và băng thông tỉ số trục lớn nhất. Phân tích phân bố dòng điện trên bề mặt anten và MS giúp hiểu rõ cơ chế bức xạ và tạo phân cực tròn.
V. Phân tích kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tiễn anten
Kết quả mô phỏng từ phần mềm CST Microwave Studio hoặc Ansys HFSS cung cấp cái nhìn chi tiết về hiệu năng của thiết kế anten 5G phân cực tròn. Dựa trên đề án của Đặng Văn Trung (2024), anten đề xuất đạt được những kết quả ấn tượng. Về phối hợp trở kháng, giá trị S11 duy trì dưới -10 dB trên một băng thông rộng, cho thấy trở kháng đầu vào được phối hợp tốt. Về phân cực tròn, băng thông tỉ số trục (AR < 3 dB) cũng rất rộng, xác nhận khả năng tạo sóng CP chất lượng cao. Thông số quan trọng nhất là độ lợi, với giá trị đỉnh đạt được vượt trội so với các thiết kế anten vi dải thông thường, chứng tỏ hiệu quả của cấu trúc siêu bề mặt trong việc hội tụ năng lượng. Đồ thị bức xạ 3D cho thấy một búp sóng chính hẹp, định hướng cao, với mức búp sóng phụ thấp, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu liên lạc điểm-điểm hoặc phủ sóng trong một khu vực xác định. Các kết quả này khi so sánh với các công trình đã công bố (Bảng 4.3 trong tài liệu gốc) cho thấy sự vượt trội của mô hình đề xuất cả về độ lợi và băng thông. Những đặc tính này làm cho anten trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho anten cho trạm gốc 5G và các hệ thống anten MIMO tiên tiến.
5.1. Đánh giá hiệu năng qua các thông số S11 và tỉ số trục
Tham số S11 (suy hao phản xạ) là chỉ số đo mức độ phối hợp trở kháng. Kết quả mô phỏng cho thấy anten đạt S11 < -10 dB trên dải tần rộng từ 3 GHz đến hơn 4 GHz, tương đương với VSWR < 2. Điều này đảm bảo rằng hầu hết công suất từ nguồn phát được truyền đến anten để bức xạ ra không gian, giảm thiểu tổn hao do phản xạ. Tỉ số trục (AR) là thước đo độ tinh khiết của phân cực tròn. Anten đạt được AR < 3 dB trên một băng thông rộng, chứng tỏ khả năng tạo sóng CP ổn định. Phân tích tại tần số trung tâm 3.7 GHz cho thấy giá trị AR rất thấp, gần với giá trị lý tưởng của phân cực tròn hoàn hảo (0 dB).
5.2. Phân tích độ lợi và giản đồ bức xạ của anten đề xuất
Độ lợi là một trong những thành công lớn nhất của thiết kế này. Nhờ cấu trúc cộng hưởng tạo bởi anten lưỡng cực và siêu bề mặt, độ lợi đỉnh của anten đạt giá trị cao, ví dụ trên 10 dBi tại tần số trung tâm. Đây là mức tăng đáng kể so với một anten lưỡng cực đơn lẻ (thường chỉ khoảng 2.15 dBi). Giản đồ bức xạ cho thấy năng lượng được tập trung chủ yếu vào hướng phía trước (broadside), với độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW) hẹp. Mức bức xạ ngược (back-lobe) rất thấp do siêu bề mặt hoạt động hiệu quả như một tấm phản xạ, ngăn năng lượng bức xạ về phía sau. Những đặc tính này rất lý tưởng cho các anten cho trạm gốc 5G, nơi cần phủ sóng tập trung vào người dùng và giảm thiểu nhiễu.
