I. Tổng Quan Về Thiết Kế Ăng Ten Băng Tần Milimet Độ Lợi Cao
Nhu cầu sử dụng mạng tốc độ cao và dung lượng lớn ngày càng tăng, đòi hỏi các trạm thu phát sóng phải có công nghệ tiên tiến để tăng hiệu suất truyền nhận. Công nghệ 5G NR (New Radio) ra đời để đáp ứng nhu cầu này, cung cấp các dịch vụ mới như eMBB (enhanced Mobile Broadband), URLLC (Ultra-reliable low-latency communication) và mMTC (massive Machine Type Communications). Trong đó, eMBB hứa hẹn tốc độ dữ liệu cực nhanh, tạo điều kiện cho các ứng dụng đòi hỏi băng thông lớn như truyền video độ nét cao, thực tế ảo và thực tế tăng cường. Mục tiêu không chỉ là tốc độ nhanh hơn mà còn là trải nghiệm tuyệt vời cho người dùng ở những khu vực đông đúc. Công nghệ định dạng búp sóng (beamforming) sử dụng mảng ăng-ten lớn để định dạng chùm tia bằng cách điều chỉnh pha và biên độ của các phần tử ăng-ten. Điều này giúp tập trung năng lượng và tăng cường tín hiệu đến người dùng, đồng thời giảm nhiễu và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.
1.1. Lịch Sử Phát Triển Ăng Ten Cho Trạm Thu Phát Sóng
Lịch sử phát triển ăng-ten cho trạm thu phát sóng trải qua 5 giai đoạn chính. Thế hệ đầu tiên sử dụng mảng ăng-ten tuyến tính với đồ thị bức xạ cố định. Thế hệ thứ hai phát triển thêm công nghệ phân cực kép và điều chỉnh búp sóng. Thế hệ thứ ba sử dụng số lượng lớn phần tử ăng-ten để tăng độ lợi. Thế hệ thứ tư cho phép kích thích độc lập từng phần tử để định dạng chùm tia. Thế hệ thứ năm (5G) khai thác tần số cao hơn (sub-6G và milimeterwave) và duy trì các công nghệ như phân cực kép và cách ly cổng cao. Theo tài liệu gốc, 'Đối với cấu hình ăng-ten cho trạm thu phát sóng di động, có thể tóm tắt giai đoạn phát triển thành 5 giai đoạn chính'.
1.2. Xu Hướng Phát Triển Của Trạm Thu Phát Gốc 5G
Các quy hoạch về chỉ tiêu kỹ thuật cho 5G của tổ chức viễn thông quốc tế (ITU-R IMT-2020) đặt ra mục tiêu tốc độ kết nối cao (20Gb/s), độ trễ thấp (1ms) và mật độ kết nối lớn (hàng nghìn thiết bị/km2). Để đáp ứng yêu cầu này, công nghệ mili-mét được sử dụng để khai thác các băng tần tiềm năng ở dải cận 300GHz. Việc triển khai hệ thống mạng 5G với công nghệ mili-mét cùng các vấn đề về độ trễ, lượng truy nhập lớn yêu cầu các nhà nghiên cứu phải kết hợp áp dụng thêm nhiêu công nghệ khác nhau và nổi bật nhất là small cell, massive MIMO, full duplex và định dạng búp sóng.
II. Thách Thức và Giải Pháp Thiết Kế Ăng Ten Băng Tần Milimet
Việc triển khai ăng-ten băng tần milimet gặp nhiều thách thức do đặc tính lan truyền của sóng milimet. Sóng milimet dễ bị hấp thụ bởi vật cản và môi trường, dẫn đến suy hao tín hiệu lớn. Để khắc phục, cần sử dụng các kỹ thuật như small cell và beamforming. Small cell là các trạm thu phát gốc cỡ nhỏ, được triển khai dày đặc để giảm khoảng cách truyền dẫn. Beamforming tập trung năng lượng vào một hướng cụ thể, tăng cường tín hiệu và giảm nhiễu. Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu và cấu trúc ăng-ten phù hợp cũng rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao. Các phương pháp tối ưu hóa ăng-ten và mô phỏng ăng-ten bằng phần mềm chuyên dụng như HFSS và CST Microwave Studio giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của ăng-ten.
2.1. Vấn Đề Suy Hao Tín Hiệu Trong Băng Tần Milimet
Một trong những nhược điểm lớn của mili-mét đó chính là chúng khó có thể truyền qua các vật cản như các tòa nhà, cây cối hay bị hấp thụ nhiều bởi sương mù và mưa – những điều kiện vốn rất phổ biến trong môi trường thành thị. Đó chính là lý do tại sao công nghệ small cell ra đời. Small cell là các là các trạm thu phát gốc (BTS) cỡ nhỏ, hoạt động với công suất thấp. Chúng được đặt cách nhau 250 mét hoặc xa hơn.
2.2. Giải Pháp Sử Dụng Công Nghệ Small Cell và Beamforming
Công nghệ định dạng búp sóng sẽ giải quyết được vấn đề đó. Bằng khả năng điều hướng búp sóng, tập trung công suất thu-phát tín hiệu vào một vùng không gian hẹp hướng tới thiết bị của người dùng, công nghệ này sẽ tận dụng hiệu quả công suất của trạm phát tín hiệu và thiết lập kết nối không dây một cách chủ động. Đồng thời định dạng búp sóng cũng triệt tiêu bức xạ tín hiệu ở các hướng không cần thiết giúp giảm nhiễu và hiện tượng chồng lấn tín hiệu từ các trạm BTS gần nhau.
III. Phương Pháp Thiết Kế Ăng Ten Mảng Răng Lược Độ Lợi Cao
Luận văn tập trung nghiên cứu ăng-ten băng tần milimet có độ lợi cao sử dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền cho trạm thu phát gốc. Đề xuất thiết kế ăng-ten combine vi dải dựa theo phân bố Taylor cho hiệu suất và độ lợi cao cho các ứng dụng milimet và trạm thu phát gốc. Ăng-ten mảng răng lược theo phân bố Taylor là một giải pháp hiệu quả để đạt được độ lợi cao trong băng tần milimet. Cấu trúc này bao gồm nhiều phần tử răng lược được sắp xếp theo một mảng, với khoảng cách và kích thước được tối ưu hóa để tạo ra một chùm tia hẹp và mạnh. Phân bố Taylor được sử dụng để điều chỉnh biên độ của các phần tử, giảm mức sidelobe và cải thiện hiệu suất tổng thể. Việc sử dụng ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền (SIW) giúp giảm tổn hao và tăng cường tính ổn định của ăng-ten.
3.1. Cấu Hình Ăng Ten Mảng Răng Lược và Ống Dẫn Sóng
Cấu trúc ăng-ten mảng răng lược ống dẫn sóng gồm nhiều và 2 ống dẫn sóng. Cấu hình của một khe dẫn sóng với khoang kết thúc mở. Cấu trúc ăng-ten răng lược vi dải với cấu trúc khe khủ phản xạ. Mối quan hệ giữa công suất bức xạ, công suất truyền dẫn và công suất đầu vào. Bộ số khẩu độ và hệ số coupling của từng phần tử bức xạ theo vị trí cho mức sidelobe SLL=-20db.
3.2. Tính Toán và Mô Phỏng Ăng Ten Răng Lược Vi Dải
Hệ số phản xạ S11 của ăng-ten răng lược vi dải đề xuất. Đồ thị bức xạ 3D. Đồ thị bức xạ của ăng-ten răng lược vi dải đề xuất được cắt theo 2 mặt phẳng. Mảng ăng-ten 2 phần tử răng lược vi dải đều xuất. Hệ số S11 của mảng ăng-ten 2 phần tử răng lược vi dải đều xuất. Đồ thị bức xạ mảng ăng-ten răng lược vi dải đề xuất được cắt theo 2 mặt phẳng.
IV. Thiết Kế Ăng Ten Dipole Sử Dụng Công Nghệ Ống Dẫn Sóng SIW
Một phương pháp khác để thiết kế ăng-ten băng tần milimet độ lợi cao là sử dụng ăng-ten dipole kết hợp với công nghệ ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền (SIW). Ăng-ten dipole là một cấu trúc đơn giản nhưng hiệu quả, có thể được tối ưu hóa để hoạt động ở tần số cao. Việc tích hợp ăng-ten dipole vào ống dẫn sóng SIW giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ ổn định của ăng-ten. SIW cung cấp một môi trường truyền dẫn được bảo vệ, giảm thiểu tổn hao và nhiễu. Cấu trúc này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng trạm thu phát gốc, nơi yêu cầu độ tin cậy và hiệu suất cao.
4.1. Cấu Trúc Ăng Ten Dipole và Ống Dẫn Sóng SIW
Cấu trúc ăng-ten dipole sử dụng công nghệ ống dẫn sóng trong chất nền. Hệ số phản xạ S11 của ăng-ten dipole sử dụng công nghệ SIW. Bảng 2. 2 Một số nghiên cứu ăng-ten SIW dải tần 28GHz . 36
V. Phát Triển Ăng Ten Mảng Cho Ứng Dụng Định Dạng Búp Sóng
Để tăng cường khả năng định hướng và hiệu suất của ăng-ten băng tần milimet, có thể phát triển ăng-ten mảng cho ứng dụng định dạng búp sóng. Mảng ăng-ten bao gồm nhiều phần tử ăng-ten được sắp xếp theo một cấu trúc nhất định, với khả năng điều chỉnh pha và biên độ của từng phần tử. Điều này cho phép tạo ra các chùm tia có hình dạng và hướng mong muốn, tăng cường tín hiệu và giảm nhiễu. Mạch dịch pha ma trận Butler 4x4 AFSIW có thể được sử dụng để điều khiển pha của các phần tử ăng-ten, tạo ra các chùm tia khác nhau và mở rộng phạm vi phủ sóng.
5.1. Thiết Kế Mảng Ăng Ten Răng Lược Vi Dải Điều Hướng Búp Sóng
Mô hình mảng ăng-ten có điều hướng búp sóng bằng ma trận butler. Ma trận Butler 4x4 AFSIW- kết quả đồ án của cựu sinh viên Vũ Hồng Tiến lab RF3I – viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội. Hệ thống mảng bốn ăng-ten răng lược phần tử vi dải dịch pha.
5.2. Mạch Dịch Pha và Kết Quả Mô Phỏng
Bộ chuyển đổi từ AFSIW sang SIW. Bộ chuyển đổi SIW sang đường vi dải. Cấu trúc hoàn chỉnh bộ chuyển đổi AFSIW sang đường vi dải. Hệ số S của bộ chuyển đổi AFSIW sang đường vi dải. Cấu trúc ăng-ten có kết hợp mạch dịch pha cho ứng dụng định dạng búp sóng. Hệ số phản xạ của mảng 4 phần tử ăng-ten răng lược vi dải có định dạng búp sóng. Hệ số cách ly giữa các cổng đầu vào. Đồ thị bức xạ của mảng 4 ăng-ten phần tử ăng-ten răng lược vi dải. Đồ thị bức xạ của mảng ăng-ten răng lược có điều chỉnh búp sóng hoàn chỉnh.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Cho Ăng Ten Băng Tần Milimet
Luận văn đã trình bày các phương pháp thiết kế ăng-ten băng tần milimet độ lợi cao cho trạm thu phát gốc, bao gồm ăng-ten mảng răng lược và ăng-ten dipole sử dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền (SIW). Các kết quả mô phỏng cho thấy các cấu trúc này có tiềm năng đáp ứng yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy cho các ứng dụng 5G. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc ăng-ten, sử dụng vật liệu mới và phát triển các kỹ thuật định dạng búp sóng tiên tiến hơn. Ngoài ra, việc nghiên cứu các ứng dụng thực tế của ăng-ten băng tần milimet trong các hệ thống thông tin di động, radar và vệ tinh cũng là một hướng đi đầy tiềm năng.
6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp
Luận văn tập trung nghiên cứu ăng-ten băng tần milimet có độ lợi cao sử dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền cho trạm thu phát gốc. Đề xuất thiết kế ăng-ten combine vi dải dựa theo phân bố Taylor cho hiệu suất và độ lợi cao cho các ứng dụng milimet và trạm thu phát gốc.
6.2. Hướng Phát Triển và Ứng Dụng Tương Lai
Hướng phát triển của luân văn trong tương lai. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật tối ưu hóa ăng-ten, sử dụng vật liệu mới và phát triển các kỹ thuật định dạng búp sóng tiên tiến hơn. Ngoài ra, việc nghiên cứu các ứng dụng thực tế của ăng-ten băng tần milimet trong các hệ thống thông tin di động, radar và vệ tinh cũng là một hướng đi đầy tiềm năng.
