Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của mạng viễn thông di động thế hệ thứ 4 (4G/LTE) và thế hệ thứ 5 (5G), nhu cầu về hạ tầng mạng ngày càng tăng cao để đáp ứng lưu lượng dữ liệu và chất lượng dịch vụ. Tính đến năm 2022, 4G vẫn là công nghệ phổ biến nhất trên toàn cầu, trong khi 5G đang được triển khai rộng rãi, đặc biệt tại các thành phố lớn và khu công nghiệp. Tại Việt Nam, các nhà mạng lớn đã triển khai 4G đồng thời thử nghiệm 5G, tạo tiền đề cho sự phát triển hạ tầng mạng trong tương lai gần.

Một trong những thách thức kỹ thuật quan trọng là thiết kế các bộ ghép kênh RF (Radio Frequency) hiệu quả cho anten trạm gốc, nhằm tối ưu hóa việc kết hợp tín hiệu ở các băng tần khác nhau như LTE Band 40/NR n40 và LTE Band 43. Bộ ghép kênh RF cần có đặc tính chọn lọc băng tần tốt, giảm thiểu nhiễu và tổn hao tín hiệu, đồng thời dễ dàng chế tạo và tích hợp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và chế tạo bộ ghép kênh RF sử dụng công nghệ mạch vi dải, phù hợp cho các ứng dụng anten trạm gốc trong mạng 4G và 5G. Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế bộ lọc thông dải tại hai băng tần LTE/NR, bộ ghép nối tín hiệu hình T, mô phỏng hoạt động trên phần mềm ADS, chế tạo mẫu và đo kiểm thực nghiệm để xác thực hiệu suất. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các băng tần LTE Band 40/NR n40 (2300–2400 MHz) và LTE Band 43 (3600–3800 MHz), với thời gian thực hiện từ năm 2021 đến 2022 tại Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp bộ ghép kênh RF có hiệu suất cao, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của mạng 4G/5G, góp phần nâng cao chất lượng hạ tầng viễn thông và thúc đẩy phát triển công nghệ trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công nghệ mạch vi dải (Microstrip technology): Đây là nền tảng thiết kế bộ ghép kênh RF, sử dụng đường truyền vi dải với đặc tính trở kháng và hằng số điện môi hiệu dụng được tính toán chi tiết. Các cấu trúc vi dải như cặp đường truyền song song, đoạn đường truyền không liên tục, dây chêm hở mạch và ngắn mạch được mô hình hóa bằng các phần tử tập trung (tụ điện, cuộn cảm).

  • Lý thuyết bộ lọc RF và phương pháp suy hao chèn (Insertion loss method): Phương pháp này cho phép thiết kế bộ lọc thông thấp nguyên mẫu, sau đó chuyển đổi sang bộ lọc thông dải phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Các dạng bộ lọc phổ biến được áp dụng gồm Butterworth, Chebyshev và Elliptic, với các tham số như bậc bộ lọc, độ gợn, độ dốc sườn cắt được điều chỉnh để đạt hiệu suất tối ưu.

  • Mô hình bộ ghép nối hình T (T-junction coupler): Bộ ghép nối tín hiệu RF sử dụng cấu trúc hình T đơn giản, có ưu điểm thiết kế dễ dàng, đặc tính ghép cân bằng, phù hợp để kết hợp tín hiệu từ hai bộ lọc thông dải tại các băng tần khác nhau.

Các khái niệm chính bao gồm: trở kháng đặc trưng, hằng số điện môi hiệu dụng, mode chẵn/lẻ trong cặp đường truyền vi dải, tham số tán xạ (S-parameters), tổn hao xen giữa (insertion loss), tổn hao phản xạ (return loss), và tỷ số điện áp sóng đứng (VSWR).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật của băng tần LTE/NR, đặc tính vật liệu RO3010 làm chất nền mạch vi dải, và các tham số thiết kế bộ lọc nguyên mẫu. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Thiết kế mô hình lý thuyết: Tính toán các tham số vật lý và điện tử của đường truyền vi dải, bộ lọc thông dải và bộ ghép nối hình T dựa trên các công thức chuẩn hóa và chuyển đổi bộ lọc thông thấp sang thông dải.

  • Mô phỏng trên phần mềm ADS: Mô phỏng hoạt động của các bộ lọc và bộ ghép kênh để đánh giá các tham số tán xạ, tổn hao, độ cách ly và đáp ứng tần số.

  • Chế tạo mẫu thực tế: Sản xuất bộ ghép kênh trên nền mạch vi dải với kích thước vật lý cụ thể, sử dụng vật liệu RO3010.

  • Đo kiểm thực nghiệm: Sử dụng máy phân tích mạng E5071C để đo các tham số S, so sánh kết quả đo với mô phỏng nhằm xác thực thiết kế.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một bộ ghép kênh mẫu được chế tạo và đo kiểm tại phòng thí nghiệm Đại học Bách Khoa Hà Nội. Phương pháp chọn mẫu là thiết kế theo chuẩn kỹ thuật băng tần LTE/NR phổ biến, đảm bảo tính đại diện cho ứng dụng thực tế. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ thiết kế, mô phỏng đến chế tạo và đo kiểm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế bộ lọc thông dải tại hai băng tần LTE Band 40/NR n40 và LTE Band 43:

    • Bộ lọc A (2300–2400 MHz) và Bộ lọc B (3600–3800 MHz) được thiết kế với bậc 5, băng thông phân đoạn lần lượt là 5,4% và 5,4%.
    • Suy hao trên đường truyền trong dải đạt khoảng −3 dB, suy hao phản xạ dưới −13 dB, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.
    • Trở kháng đặc trưng của các bộ cộng hưởng được tính toán chi tiết, ví dụ trở kháng mode chẵn của bộ lọc A tại vị trí đầu vào là 71,85 Ω, mode lẻ là 38,96 Ω.

  2. Mô phỏng bộ ghép nối hình T:

    • Bộ ghép nối hình T cho thấy đặc tính ghép cân bằng, tổn hao truyền thấp, phù hợp để kết hợp tín hiệu từ hai bộ lọc thông dải.
    • Kết quả mô phỏng trên ADS cho thấy tổn hao tổng thể của bộ ghép kênh dưới 3 dB, độ cách ly giữa các đầu vào đạt trên 20 dB.

  3. Chế tạo và đo kiểm thực nghiệm:

    • Mẫu bộ ghép kênh được chế tạo với kích thước vật lý phù hợp, sử dụng vật liệu RO3010 có trở kháng đặc trưng ổn định.
    • Kết quả đo thực nghiệm cho thấy tổn hao truyền đạt trung bình khoảng 2,8 dB, suy hao phản xạ dưới −15 dB, VSWR dưới 1,5 tại hai băng tần mục tiêu.
    • So sánh kết quả mô phỏng và đo kiểm thực nghiệm cho thấy sự tương đồng cao, sai số dưới 5%, chứng minh tính chính xác của thiết kế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiệu suất cao đến từ việc áp dụng công nghệ mạch vi dải với các cấu trúc cặp đường truyền song song và bộ ghép nối hình T, giúp đạt được đặc tính chọn lọc băng tần tốt và cách ly tín hiệu hiệu quả. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng ống dẫn sóng hoặc bộ cộng hưởng hốc, thiết kế mạch vi dải có ưu điểm về kích thước nhỏ, chi phí thấp và dễ dàng điều chỉnh.

Kết quả đo kiểm thực nghiệm khẳng định tính khả thi của bộ ghép kênh trong ứng dụng thực tế, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của mạng 4G/5G. Biểu đồ so sánh tham số S21 (tổn hao truyền) và S11 (phản xạ) giữa mô phỏng và đo kiểm thể hiện sự trùng khớp cao, minh chứng cho độ tin cậy của phương pháp thiết kế.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp một giải pháp bộ ghép kênh RF hiệu quả, có thể ứng dụng rộng rãi trong các anten trạm gốc, góp phần nâng cao chất lượng mạng viễn thông di động tại Việt Nam và khu vực.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế bộ ghép kênh:

    • Áp dụng mô phỏng EM 3D để khảo sát ảnh hưởng của vỏ bọc kim loại và các yếu tố môi trường nhằm giảm thiểu tổn hao và cải thiện độ cách ly.
    • Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: nhóm nghiên cứu và kỹ sư thiết kế.

  2. Phát triển bộ ghép kênh đa băng tần:

    • Mở rộng thiết kế để hỗ trợ thêm các băng tần 5G khác, tăng tính linh hoạt và khả năng tích hợp trong hệ thống anten đa băng tần.
    • Thời gian thực hiện: 12 tháng; Chủ thể: phòng thí nghiệm viễn thông.

  3. Nâng cao công suất chịu đựng và độ bền:

    • Sử dụng vật liệu chất lượng cao và thiết kế mạch cải tiến để tăng khả năng chịu công suất và độ ổn định trong môi trường hoạt động thực tế.
    • Thời gian thực hiện: 9 tháng; Chủ thể: nhà sản xuất linh kiện và nhóm nghiên cứu.

  4. Triển khai thử nghiệm thực tế tại các trạm gốc:

    • Lắp đặt bộ ghép kênh mẫu tại một số trạm gốc để đánh giá hiệu quả trong điều kiện vận hành thực tế, thu thập dữ liệu phản hồi để hoàn thiện sản phẩm.
    • Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: nhà mạng và đơn vị nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế viễn thông:

    • Hưởng lợi từ các phương pháp thiết kế bộ lọc và bộ ghép kênh RF chi tiết, áp dụng trong phát triển anten trạm gốc.

  2. Nhà nghiên cứu công nghệ mạch vi dải:

    • Tham khảo các mô hình lý thuyết, công thức tính toán và quy trình thiết kế bộ lọc thông dải, bộ ghép nối hình T.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị viễn thông:

    • Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm bộ ghép kênh RF có hiệu suất cao, chi phí hợp lý, đáp ứng nhu cầu thị trường 4G/5G.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Viễn thông:

    • Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về thiết kế bộ ghép kênh RF, công nghệ mạch vi dải và phương pháp mô phỏng, chế tạo thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ ghép kênh RF là gì và vai trò của nó trong mạng viễn thông?
    Bộ ghép kênh RF là thiết bị kết hợp nhiều tín hiệu tần số radio từ các băng tần khác nhau thành một tín hiệu duy nhất để truyền qua anten. Nó giúp tối ưu hóa việc sử dụng anten trạm gốc, giảm nhiễu và tăng hiệu suất truyền dẫn.

  2. Tại sao chọn công nghệ mạch vi dải để thiết kế bộ ghép kênh?
    Công nghệ mạch vi dải có ưu điểm kích thước nhỏ, chi phí thấp, dễ chế tạo và điều chỉnh, đồng thời cho hiệu suất hoạt động tốt ở tần số cao, phù hợp với các băng tần LTE và 5G.

  3. Phương pháp suy hao chèn trong thiết kế bộ lọc có ưu điểm gì?
    Phương pháp này cho phép tùy chỉnh các tham số bộ lọc như bậc, độ gợn, độ dốc sườn cắt, giúp thiết kế bộ lọc có đặc tính đáp ứng chính xác và hiệu quả hơn so với phương pháp tham số ảnh.

  4. Bộ ghép nối hình T có nhược điểm gì và làm thế nào để khắc phục?
    Bộ ghép nối hình T không đạt được sự phối hợp trở kháng chính xác và độ cách ly giữa các đầu vào không cao. Tuy nhiên, nhược điểm này có thể được khắc phục bằng hiệu chỉnh trở kháng và thiết kế tổng thể bộ ghép kênh.

  5. Kết quả đo kiểm thực nghiệm có khác biệt nhiều so với mô phỏng không?
    Kết quả đo kiểm cho thấy sự tương đồng cao với mô phỏng, sai số dưới 5%, chứng tỏ thiết kế và mô phỏng chính xác, đảm bảo tính khả thi khi ứng dụng thực tế.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công bộ ghép kênh RF sử dụng công nghệ mạch vi dải cho các băng tần LTE Band 40/NR n40 và LTE Band 43, đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật về tổn hao và cách ly.
  • Áp dụng phương pháp suy hao chèn trong thiết kế bộ lọc thông dải, kết hợp bộ ghép nối hình T, đạt hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn.
  • Mẫu bộ ghép kênh được chế tạo và đo kiểm thực nghiệm, kết quả đo phù hợp với mô phỏng, chứng minh tính khả thi của thiết kế.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng hạ tầng viễn thông 4G/5G tại Việt Nam, mở rộng ứng dụng công nghệ mạch vi dải trong thiết kế anten trạm gốc.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thiết kế, mở rộng đa băng tần, nâng cao công suất và thử nghiệm thực tế tại trạm gốc.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng kết quả này vào thực tiễn, đồng thời mở rộng nghiên cứu sang các băng tần và công nghệ mới nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của mạng viễn thông hiện đại.