Ăng-ten mảng khe phân cực tròn sử dụng cấu trúc tiếp điện bằng hốc cộng hưởng SIW hoạt động ở băng tần 28 GHz cho các ứng dụng 5G

Ăng-ten mảng khe phân cực tròn sử dụng cấu trúc<br /> tiếp điện bằng hốc cộng hưởng SIW hoạt động ở<br /> băng tần 28 GHz cho các ứng dụng 5G<br /> <br /> Son Ho-Quang1*, Son Xuat Ta1, Kiem Nguyen-Khac1, Chien Dao-Ngoc1,2<br /> 1<br /> Viện Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam<br /> 2<br /> Trung tâm nghiên cứu và phát triển quốc gia về công nghệ mở, Bộ Khoa học và Công nghệ, Hà Nội, Việt Nam<br /> sonhq@rfd.gov.vn, chiendn-fet@mail.hut.edu.vn<br /> <br /> Tóm tắt— Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một ăng-ten thấp và có giá thành rẻ để dễ dàng tích hợp với các mạch thu<br /> mảng nhỏ gọn, phân cực tròn, tiếp điện bằng cáp đồng trục ứng phát sóng điện từ hoạt động ở dải tần sóng mi-li-mét [4].<br /> dụng cấu trúc ống dẫn sóng tích hợp trong đế điện môi (SIW) hoạt<br /> động ở dải tần 28 GHz cho các ứng dụng 5G. Ăng-ten bao gồm 1 Các hệ thống phân cực tròn (CP) cho phép việc định hướng<br /> tấm phát xạ được cấu tạo từ mảng 4 x 4 phần tử bức xạ nhỏ có cấu giữa ăng-ten thu và phát linh hoạt hơn, bên cạnh đó hiệu ứng lan<br /> trúc hình chữ nhật vát cạnh đặt trên tấm đế điện môi tích hợp truyền của sóng phân cực tròn CP ít bị ảnh hưởng hơn so với<br /> SIW. Để tiếp điện cho mảng các phần tử phát xạ, chúng tôi đã tạo sóng phân cực tuyến tính (LP). Trong thời gian gần đây, nhiều<br /> ra các lỗ khoét dạng thanh chữ nhật trên mặt kim loại của tấm ăng-ten phân cực tròn hoạt động ở dải tần sóng mi-li-mét đã<br /> điện môi SIW. Phân cực tròn được tạo ra nhờ sự lệch pha 90° của được đề xuất, ví dụ như ăng-ten dạng patch, ăng-ten xoắn ốc,<br /> các dòng điện mặt chảy trên bề mặt phần tử phát xạ có cấu trúc ăng-ten dạng lưới, ăng-ten khe, ăng-ten aperture [5-10]. Tuy<br /> vát cạnh đối xứng. Ăng-ten mảng SIW đề xuất có cấu trúc nhỏ, nhiên, nhiều thiết kế hiện tại có cấu trúc ăng-ten hoặc cấu trúc<br /> gọn, hỗ trợ cả phân cực tròn trái và phân cực tròn phải, thuận lợi tiếp điện phức tạp (ví dụ: sử dụng cấu trúc đa lớp hoặc cấu trúc<br /> cho việc thu phát sóng trong mạng di động 5G hoạt động ở dải tần tiếp điện sử dụng ống dẫn sóng dạng khe phức tạp) hoặc có hiệu<br /> số sóng mi-li-mét. Ăng-ten đề xuất có kích thước tổng thể là 23.8 suất thấp (ví dụ: băng thông phân cực tròn thấp hoặc tăng ích<br /> mm  23.8 mm  2.016 mm (2.22 λo  2.22 λo  0.19 λo tại tần số 28 thấp).<br /> GHz); băng thông hoạt động tương ứng với |S11| < –10 dB là 1.920<br /> GHz (26.58–28.50 GHz); băng thông phân cực tròn tương ứng với Cấu trúc tiếp điện sử dụng ống dẫn sóng tích hợp trong đế<br /> AR < 3-dB là 3.600 GHz (26.250–29.850 GHz). Tại tần số 28 GHz, điện môi (SIW) là giải pháp có độ tổn hao thấp, không có bức<br /> ăng-ten đề xuất có tăng ích 14.83 dBic. xạ ngược, giá thành rẻ, có cấu trúc phẳng và dễ tích hợp để tiếp<br /> điện cho các ăng-ten vi dải, ăng-ten mảng khe hoạt động ở dải<br /> Từ khóa— ăng-ten vi dải, SIW, phân cực tròn, ứng dụng 5G, tần sóng mi-li-mét [5], [11]. Bên cạnh đó, SIW cũng được đánh<br /> sóng mi-li-mét, ăng-ten khe, ăng-ten mảng. giá cao vì các đặc tính rất có lợi bao gồm: tăng ích cao, hiệu suất<br /> bức xạ cao và độ định hướng rất tốt [12], [13]. Nó cũng có thể<br /> I. GIỚI THIỆU<br /> làm giảm sóng bề mặt và cải thiện khả năng cách ly của mảng<br /> Trong thời đại ngày nay, nhu cầu sử dụng và truyền dữ liệu ăng-ten khi hoạt động ở dải tần sóng mi-li-mét [14].<br /> của con người ngày càng lớn, đặc biệt là trong bối cảnh các công<br /> nghệ dữ liệu lớn (big-data), trí tuệ nhân tạo (AI), vạn vật kết nối Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một ăng-ten nhỏ gọn sử<br /> (IoT) đang liên tục ra đời và ngày càng phát triển bùng nổ. Lưu dụng cấu trúc tiếp điện bằng SIW hoạt động ở dải tần 28 GHz<br /> lượng dữ liệu không dây được dự đoán sẽ tăng gấp 1000 lần từ cho các ứng dụng 5G. Ăng-ten đề xuất bao gồm 1 tấm phát xạ<br /> năm 2010 đến 2020 [1] đặt ra yêu cầu rất cao cho các hệ thống được cấu tạo từ mảng 4 x 4 phần tử bức xạ nhỏ có cấu trúc hình<br /> thông tin thế hệ mới, đặc biệt là công nghệ thông tin di động thế chữ nhật vát cạnh đặt trên tấm đế điện môi tích hợp SIW. Để tiếp<br /> hệ thứ 5 (5G). Trên thế giới, một số dải tần đã được nghiên cứu điện cho các phần tử phát xạ, chúng tôi đã tạo ra các lỗ khoét<br /> để phân bổ cho 5G được chia làm 2 loại: các dải tần số dưới dạng thanh chữ nhật trên mặt kim loại của tấm điện môi SIW.<br /> 6GHz và các dải tần số sóng mi-li-mét. So với các dải tần dưới Phân cực tròn được tạo ra nhờ sự lệch pha 90° của các dòng điện<br /> 6 GHz, các dải tần sóng mi-li-mét như dải tần 24 GHz, 28 GHz, mặt chảy trên bề mặt phần tử phát xạ có cấu trúc vát cạnh đối<br /> 60 GHz có thể phân bổ được phổ tần rộng hơn gấp nhiều lần, do xứng. Ăng-ten đề xuất được nghiên cứu, tối ưu, mô phỏng thông<br /> đó có thể đáp ứng khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cực cao qua phần mềm ANSYS HFSS (ANSYS High-Frequency<br /> (hàng Gbps) [2]. Chính lợi thế này đã mở ra cơ hội phát triển Structure Simulator).<br /> nhiều ứng dụng trên dải tần sóng mi-li-mét này, bao gồm: điện II. THIẾT KẾ ĂNG-TEN ĐƠN<br /> toán phân tán di động; kết nối internet không dây với tốc độ cực<br /> cao; trạm kết nối không dây; và các ứng dụng truyền video độ A. Cấu trúc ăng-ten<br /> phân giải cao không nén, chủ yếu trong các mạng WPAN cá Cấu trúc của ăng-ten đơn được thể hiện tại Hình 1. Ăng-ten<br /> nhân tầm ngắn [3]. Yêu cầu đặt ra đối với các ăng-ten cho các bao gồm một tấm bức xạ, một cấu trúc tiếp điện bằng SIW, một<br /> thiết bị này là kích thước nhỏ gọn, độ định hướng tốt, độ suy hao mặt là tấm kim loại có khoét khe, SMA 50-Ω và 2 tấm đế điện<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 100<br /> môi Rogers RT5880 (εr = 2.2 và tanδ = 0.0009). Trong tấm đế lưỡng cực phát xạ. Để tạo ra phân cực tròn, phần tử bức xạ đặt<br /> điện môi phía dưới, một khoang vuông được tạo ra bằng 4 hàng ở mặt trên tấm điện môi có hình dạng chữ nhật có kích thước<br /> lỗ kim loại (vias). Mỗi lỗ kim loại có đường kính D và khoảng (DL  DW) được vát đối xứng hai đầu với kích thước vát là w.<br /> cách giữa 2 lỗ via liên tiếp là P, tổng chiều dài của hàng lỗ kim Phần tử bức xạ được quay đi một góc α so với trục x để tận dụng<br /> loại là Lc xuyên qua đế điện môi có độ dày h = 0.508 mm. Mặt được năng lượng bức xạ lớn nhất hất lên từ khe bức xạ. Cấu trúc<br /> trên của tấm đế điện môi phía dưới là một tấm kim loại có khoét mặt bức xạ được thể hiện tại Hình 2.<br /> khe với kích thước là Ls  Ws để bức xạ sóng điện từ từ cấu trúc<br /> DL<br /> tiếp điện bằng SIW phía dưới lên phần tử bức xạ đặt ở tấm đế<br /> điện môi phía trên. Đầu SMA tiếp điện được đặt ở điểm có tọa<br /> độ (feed_x = -1.2 mm; feed_y= -1.3 mm).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> DW<br /> Lc<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> w<br /> Wc<br /> <br /> y<br /> <br /> Ws x<br /> Wsiw Ls<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a)<br /> <br /> Hình.2. Cấu trúc ăng-ten sử dụng phần tử bức xạ là hình chữ nhật vát đối<br /> xứng<br /> P D<br /> B. Thiết kế ăng-ten<br /> Như chúng ta đã biết, băng thông hoạt động của ăng-ten phụ<br /> y thuộc rất lớn vào độ dày cũng như đặc tính của tấm đế điện môi.<br /> x<br /> Sau khi lựa chọn tấm đế điện môi là Rogers RT5880 để thiết kế,<br /> feed_y d1 các kích thước của ăng-ten (kích thước khe bức xạ, kích thước<br /> và khoảng cách lỗ kim loại) được xác định dựa theo tần số hoạt<br /> d2 động như sau.<br /> feed_x Giả sử ăng-ten của chúng ta có tần số hoạt động là f, kích<br /> thước khe bức xạ và kích thước bức xạ SIW cũng phải phù hợp<br /> để bức xạ gần với tần số này. Giả sử ,