Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển anten trạm gốc trong nhà cho hệ thống thông tin vô tuyến 5G

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:127

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu phát triển anten trạm gốc trong nhà cho hệ thống thông tin vô tuyến 5G" nghiên cứu, đề xuất một số cấu trúc anten cho hệ thống thông tin di động 5G, có cấu trúc phẳng, dễ chế tạo bằng công nghệ mạch in, giá thành rẻ; Nghiên cứu, đề xuất kỹ thuật, giải pháp cải thiện các tham số, đặc tính anten sử dụng cho hệ thống trạm gốc 5G.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển anten trạm gốc trong nhà cho hệ thống thông tin vô tuyến 5G

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THỊ CẨM HÀ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN TRẠM GỐC TRONG NHÀ CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 5G LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THỊ CẨM HÀ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN TRẠM GỐC TRONG NHÀ CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 5G Ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. NGUYỄN XUÂN QUYỀN 2. TS. TẠ SƠN XUẤT Hà Nội - 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Các thông tin trích dẫn trong luận án là trung thực, được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày … tháng…. năm 2022 TM. Tập thể hướng dẫn khoa học Tác giả luận án i
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và hỗ trợ quý báu. Đầu tiên, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn là PGS.TS. Nguyễn Xuân Quyền và TS. Tạ Sơn Xuất đã dành nhiều thời gian, tâm huyết để trực tiếp hướng dẫn khoa học, định hướng, tạo động lực cho nghiên cứu sinh trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Bên cạnh đó, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo và các thầy cô Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình học tập, nghiên cứu; xin trân trọng cảm ơn Khoa Kỹ thuật truyền thông, Trường Điện – Điện tử, Bộ phận Đào tạo Sau đại học thuộc Phòng Đào tạo, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã luôn giúp đỡ về mặt chuyên môn, đo đạc thực nghiệm và hỗ trợ các thủ tục trong quá trình học tập, hoàn thành luận án. Qua đây, nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên nhóm nghiên cứu thuộc CRD - Lab, nhóm nghiên cứu sinh, các bạn bè và đồng nghiệp đã quan tâm giúp đỡ, động viên trong thời gian vừa qua. Cuối cùng, xin được dành những tình cảm yêu quý nhất đến các thành viên trong gia đình, chồng và hai con trai đã luôn là động lực, luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên, hỗ trợ nghiên cứu sinh về mọi mặt trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày … tháng…. năm 2022 Tác giả luận án ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................... xiii MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 1 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................... 7 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................... 8 4. Những đóng góp chính của luận án ................................................................. 9 5. Cấu trúc nội dung của luận án ......................................................................... 9 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 5G ............................................................................... 11 1.1 Giới thiệu chung .......................................................................................... 11 1.2 Hệ thống thông tin di động 5G .................................................................... 12 1.3 Băng tần sử dụng trong hệ thống thông tin di động 5G .............................. 14 1.3.1 Dải tần thứ nhất RF1 (dưới 6 GHz) .................................................. 16 1.3.2 Dải tần thứ hai RF2 (dải sóng mm) .................................................. 17 1.4 Anten trong hệ thống thông tin di động thế hệ mới 5G .............................. 18 1.4.1 Yêu cầu đối với anten 5G ................................................................. 18 1.4.2 Các loại anten dùng trong hệ thống thông tin di động 5G ............... 20 1.4.3 Một số tham số của anten và phương pháp cải thiện tham số anten 22 1.5 Một số phương pháp kỹ thuật dùng trong anten 5G.................................... 29 1.5.1 Kỹ thuật ghép mảng anten ................................................................ 29 1.5.2 Kỹ thuật điều khiển búp sóng ........................................................... 30 1.5.3 Đa phân cực ...................................................................................... 31 iii
1.5.4 Siêu vật liệu điện từ .......................................................................... 33 1.6 Kết luận chương 1 ....................................................................................... 35 CHƯƠNG 2. CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN VI DẢI GHÉP KHE VỚI CẤU TRÚC HÌNH NẤM CHO CÁC ỨNG DỤNG Ở DẢI SÓNG MM ........... 36 2.1 Giới thiệu chương ........................................................................................ 36 2.2 Anten vi dải ghép khe .................................................................................. 37 2.2.1 Phương pháp thiết kế một phần tử anten ghép khe ......................... 38 2.2.2 Tính toán các thông số cho anten ..................................................... 38 2.3 Anten vi dải với cấu trúc hình nấm ............................................................. 41 2.3.1 Cấu trúc anten đề xuất ...................................................................... 41 2.3.2 Các bước thiết kế anten vi dải ghép khe thêm cấu trúc hình nấm .... 42 2.3.3 Sự cải thiện hiệu năng anten ............................................................. 43 2.4 Mảng anten điều khiển búp sóng ................................................................. 47 2.4.1 Mảng tuyến tính 1×4 của anten đề xuất ........................................... 47 2.4.2 Đặc tính điều khiển búp sóng ........................................................... 48 2.4.3 Mảng được cấp nguồn bằng Ma trận Butler ..................................... 49 2.5 So sánh anten đề xuất với các công bố khác ............................................... 53 2.6 Kết luận chương 2 ....................................................................................... 55 CHƯƠNG 3. ANTEN PHÂN CỰC KÉP BĂNG THÔNG RỘNG KÍCH THƯỚC NHỎ GỌN CHO CÁC ỨNG DỤNG 5G .............................................. 56 3.1 Giới thiệu chương ........................................................................................ 56 3.2 Bề mặt trở kháng cao ................................................................................... 58 3.3 Anten lưỡng cực điện từ với kiểu cấp nguồn đường vi dải ghép khe ......... 61 3.3.1 Cấu trúc anten ................................................................................... 61 3.3.2 Cơ chế hoạt động của anten lưỡng cực điện từ ................................ 63 3.3.3 Kết quả mô phỏng ............................................................................ 64 3.4 Anten kết hợp với bề mặt trở kháng cao HIS .............................................. 66 3.4.1 Thiết kế anten ................................................................................... 66 iv
3.4.2 Thiết kế cấu trúc mặt phẳng trở kháng cao HIS ............................... 68 3.4.3 Sự cải thiện đồ thị bức xạ ................................................................. 69 3.4.4 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa anten và HIS .............................. 71 3.5 Chế tạo và đo đạc ........................................................................................ 72 3.6 Kết luận chương 3 ....................................................................................... 77 CHƯƠNG 4. ANTEN PHÂN CỰC KÉP BÚP SÓNG RỘNG HỆ SỐ CÁCH LY CAO CHO CÁC ĐIỂM TRUY CẬP 5G TRONG NHÀ .................................... 79 4.1 Giới thiệu chương ........................................................................................ 79 4.2 Anten lưỡng cực mạch in ............................................................................ 80 4.3 Các bước thiết kế và đặc điểm của anten đề xuất........................................ 83 4.3.1 Ý tưởng thiết kế ................................................................................ 83 4.3.2 Cấu trúc anten ................................................................................... 85 4.3.3 Quá trình thiết kế ............................................................................ 877 4.3.4 Mở rộng búp sóng............................................................................. 88 4.4 Thực hiện chế tạo và đo đạc ........................................................................ 90 4.5 Kết luận chương 4 ....................................................................................... 96 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................ 98 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ............................................. 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 103 v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 3rd Generation Partnership 3GPP Dự án đối tác thế hệ thứ 3 Project 4G 4th Generation Thế hệ thứ 4 5G 5th Generation Thế hệ thứ 5 AMC Artificial Magnetic Conductor Bề mặt dẫn từ nhân tạo Complementary Split-Ring Cộng hưởng sử dụng cấu trúc CSRR Resonator vòng bổ sung Cấu trúc đế điện môi không DGS Defected Ground Structure hoàn hảo Vật liệu có hệ số điện môi và từ DNG Double Negative material thẩm âm DRA Dielectric Resonator Antenna Anten cộng hưởng điện môi Electromagnetic Band Gap EBG Cấu trúc dải chắn điện từ Structure eMBB Enhanced Mobile Broadband Băng rộng di động nâng cao FBR Front to Back Ratio Tỉ số trước sau FR1 1st Frequency Range Dải tần số thứ 1 FR2 2nd Frequency Range Dải tần số thứ 2 HetNets Heterogeneous networks Các mạng không đồng nhất HIS High Impedance Surface Bề mặt trở kháng cao HPBW Half Power Beamwidth Độ rộng nửa búp sóng International Telecommunication ITU Liên minh viễn thông quốc tế Union Low-Temperature Cofired Công nghệ gốm nung ở nhiệt độ LTCC Ceramics thấp vi
LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn ME Magneto-Electric Điện từ MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra Massive Machine Type mMTC Truyền thông máy số lượng lớn Communications PCB Printed Circuit Board Công nghệ mạch in PMC Perfect Magnetic Conductor Dẫn từ hoàn hảo RIS Reactive Impedance Surface Bề mặt trở kháng phản ứng RL Return Loss Hệ số phản xạ SubMiniature Version A SMA Đầu nối cáp đồng trục Connector SIW Substrate-Integrated Waveguide Dẫn sóng tích hợp chất nền Uniplanar Compact Photonic- UC-PBC Khoảng trống quang tử phẳng Bandgap Universal Mobile Hệ thống viễn thông di dộng UMTS Telecommunications System toàn cầu Ultra Reliable and Low-Latency Truyền thông thời gian trễ thấp uRLLC Communications độ tin cậy cao VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng điện áp WRC World Radio Conference Hội nghị vô tuyến toàn cầu vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC B Băng thông kênh truyền c Vận tốc ánh sáng trong chân không C Điện dung Cs Dung lượng hệ thống d Khoảng cách truyền dẫn D Khoảng cách giữa hai phần tử liên tiếp của mảng E Điện trường f Tần số Gt Hệ số tăng ích của anten phát Gr Hệ số tăng ích của anten thu h Độ dày của đế điện môi H Từ trường k Hệ số sóng trong không gian tự do (k=2π/λ0) L Điện cảm L Độ dài Lfs Suy hao truyền dẫn trong không gian tự do Pt Công suất phát Pt/N0 Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu Pr Công suất thu W Độ rộng Z0 Trở kháng đặc trưng của đường truyền β Hệ số truyền sóng trong môi trường (β=2π/λg) δ Hệ số tổn hao ɛr Hằng số điện môi của vật liệu ɛreff Hằng số điện môi hiệu dụng 𝜃 Góc ngẩng ϕ Góc phương vị λ0 Bước sóng trong không gian tự do λg Bước sóng trong môi trường điện môi ω Tần số góc viii
∆φ Góc lệch pha π 3,14159 26535 8979….. ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Những yêu cầu chính đối với 5G theo định nghĩa của ITU-R [54]. .................... 13 Hình 1.2. Phổ băng tần của 5G, gồm FR1 và FR2 (nguồn Qualcomm). ............................. 15 Hình 1.3. Cấu trúc anten lưỡng cực góc nghiêng tiếp điện bằng balun tích hợp [81]. ........ 24 Hình 1.4. Cấu hình anten và sự thay đổi HPBW phụ thuộc vào góc nghiêng của mặt phẳng đất tứ diện [82]. ................................................................................................................... 25 Hình 1.5. Cấu trúc của anten [83]........................................................................................ 25 Hình 1.6. Nguyên lí mở rộng băng thông ở [34]. ................................................................ 26 Hình 1.7. Cấu trúc anten MIMO 4×4. ................................................................................. 26 Hình 1.8. Sử dụng cấu trúc DGS [84] (a) và cấu trúc cấp nguồn không đối xứng [33] (b), dùng cấu trúc SIW bao quanh đường cấp nguồn [85] (c) nhằm tăng hệ số cách li. ............ 27 Hình 1.9. Cấu trúc cấp nguồn vòng lai và anten [44]. ......................................................... 28 Hình 1.10. Cấu trúc anten [45]. ........................................................................................... 28 Hình 1.11. Phân loại các kỹ thuật định dạng và điều khiển búp sóng [89]. ........................ 30 Hình 1.12. Anten vi dải phân cực kép điển hình: a) cấp nguồn cạnh [92], b) cấp nguồn góc [93] và c) cấp nguồn dạng vi sai [94]. ................................................................................. 32 Hình 1.13. Anten phân cực chéo: a) anten lưỡng cực điện từ [95]...................................... 32 Hình 1.14. Các cấu trúc khác nhau của siêu vật liệu: a) bề mặt trở kháng cao (HIS) hoặc bề mặt khoảng trống điện từ (EBG) [16], b) khoảng trống quang tử phẳng (UC-PBC) [99], c) bề mặt trở kháng phản ứng (RIS) [100]............................................................................... 34 Hình 2.1. Cấu tạo anten vi dải ghép khe và sơ đồ mạch tương đương [87]. ....................... 37 Hình 2.2. Mô hình đường truyền vi dải. .............................................................................. 39 Hình 2.3. Cấu trúc anten vi dải ghép khe thêm cấu trúc hình nấm...................................... 42 Hình 2.4. Quy trình thiết kế anten vi dải ghép khe thêm cấu trúc hình nấm. ...................... 43 Hình 2.5. Ảnh hưởng của tham số kích thước cấu trúc hình nấm (a). Ml, (b). Mw đến |S11|. ............................................................................................................................................. 44 Hình 2.6. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa cấu trúc hình nấm và phần tử bức xạ đến |S11|. ............................................................................................................................................. 45 Hình 2.7. Đặc tính của anten vi dải ghép khe khi có và không có thêm cấu trúc hình nấm: (a) x
giá trị |S11|, (b) hệ số tăng ích, (c) đồ thị bức xạ tại 28 GHz. .............................................. 46 Hình 2.8. Phân bố dòng điện của anten đề xuất tại các tần số khác nhau. .......................... 47 Hình 2.9. Mảng tuyến tính 1×4 phần tử anten vi dải ghép khe thêm cấu trúc hình nấm: (a) cấu trúc, (b) tham số tán xạ.................................................................................................. 48 Hình 2.10. Đồ thị bức xạ biểu diễn khả năng điều khiển búp sóng của mảng anten đề xuất. ............................................................................................................................................. 48 Hình 2.11. Cấu trúc của một mạng Butler 4×4 và búp sóng đầu ra tương ứng. .................. 49 Hình 2.12. Cấu trúc chiều dài và trở kháng của bộ ghép lai 90° . ....................................... 51 Hình 2.13. Mảng anten điều khiển búp sóng được cấp nguồn bằng ma trận Butler 4×4:(a) cấu hình, (b) hệ số phản xạ, (c) đồ thị bức xạ ở 28 GHz thu được khi cấp nguồn các cổng khác nhau. ............................................................................................................................ 52 Hình 3.1. Anten đặt song song, cách bề mặt phản xạ λ/4. ................................................... 58 Hình 3.2. Cấu trúc HIS (a) và sơ đồ mạch tương đương LC (b). ........................................ 59 Hình 3.3. Mô hình tính toán pha phản xạ (a); Pha phản xạ của cấu trúc HIS (b)................ 60 Hình 3.4. Anten nằm trên mặt phẳng HIS. .......................................................................... 61 Hình 3.5. Cấu trúc hình học của anten lưỡng cực điện từ phân cực kép được cấp nguồn bằng đường vi dải ghép khe: (a) hình chiếu 3D, (b) hình chếu cạnh, (c) hình chiếu bằng của tấm đế điện môi 1, và (d) hình chiếu bằng của tấm đế điện môi 2. ............................................ 62 Hình 3.6. Phân bố dòng trên anten tại tần số 3,5 GHz với pha 0º và 90º khi cấp nguồn ở (a) cổng 1, (b) cổng 2. ............................................................................................................... 64 Hình 3.7. Kết quả mô phỏng của anten lưỡng cực điện từ, phân cực kép: (a) tỉ số sóng đứng điện áp (VSWR) và hệ số cách ly, (b) đồ thị bức xạ dạng 3D. ........................................... 65 Hình 3.8. VSWR tại cổng 1 và hệ số cách li của anten với các giá trị ha khác nhau. ......... 66 Hình 3.9. Cấu trúc của anten lưỡng cực điện từ phân cực kép kết hợp với HIS: (a) hình chiếu cạnh của anten đề xuất, (b) hình chiếu bằng của cấu trúc HIS ............................................ 67 Hình 3.10. Một mẫu mô phỏng (a) và pha phản xạ (b) của ô đơn vị cấu trúc HIS. ............ 69 Hình 3.11. Đặc tính anten trong trường hợp có và không có HIS: (a) hệ số tăng ích, (b) tỉ số trước sau. ............................................................................................................................. 70 Hình 3.12. Phân bố trường điện từ trong mặt phẳng x-z của anten cho trường hợp có và không có HIS. ...................................................................................................................... 71 xi
Hình 3.13. Tỉ số sóng đứng điện áp VSWR với các giá trị he khác nhau. .......................... 71 Hình 3.14. Hệ số tăng ích với các giá trị he khác nhau. ...................................................... 72 Hình 3.15. Mẫu anten chế tạo. ............................................................................................. 73 Hình 3.16. Kết quả mô phỏng và đo đạc tỉ số sóng đứng điện áp và hệ số cách ly của anten đề xuất. ................................................................................................................................ 74 Hình 3.17. Mẫu đồ thị bức xạ của anten đề xuất khi cấp nguồn cổng 1 và cổng 2. ............ 75 Hình 3.18. Kết quả mô phỏng và đo đạc hệ số tăng ích của anten đề xuất. ........................ 76 Hình 4.1. Mô hình anten lưỡng cực mạch in điển hình. ...................................................... 80 Hình 4.2. Anten lưỡng cực mạch in cấp nguồn bằng balun tích hợp [128]. ....................... 81 Hình 4.3. Sơ đồ mạch tương đương của anten lưỡng cực mạch in cấp nguồn bằng balun tích hợp. ...................................................................................................................................... 82 Hình 4.4. Anten lưỡng cực cấp nguồn một đầu (a); cấp nguồn vi sai (b); anten đề xuất. ... 84 Hình 4.5. Mô hình mạng cấp nguồn cho anten lưỡng cực phân cực kép đề xuất................ 85 Hình 4.6. Cấu trúc của anten đề xuất: (a) hình chiếu 3D, (b) hình chiếu cạnh của hai lưỡng cực, (c) cấu trúc cấp nguồn. ................................................................................................. 86 Hình 4.7. Quá trình thiết kế anten đề xuất ........................................................................... 87 Hình 4.8. Hệ số phản xạ của các cấu trúc anten khác nhau. ................................................ 87 Hình 4.9. Hệ số cách ly của anten đề xuất và anten lưỡng cực truyền thống. ..................... 88 Hình 4.10. Nguyên lý bức xạ búp rộng (a) và Phân bố dòng mặt trên Ant.2 và Ant.3 tại tần số 3,5 GHz (b). .................................................................................................................... 89 Hình 4.11. Đồ thị bức xạ tại tần số 3,5 GHz của Ant.1, Ant.2 và Ant.3. ............................ 89 Hình 4.12. Cấu trúc mạng cấp nguồn vi sai. ....................................................................... 90 Hình 4.13. Tham số tán xạ và sai pha tại đầu ra của mạng cấp nguồn ................................ 91 Hình 4.14. Mẫu chế tạo của anten đề xuất .......................................................................... 91 Hình 4.15. Hệ số phản xạ (a) và hệ số cách ly (b) của anten đề xuất. ................................. 92 Hình 4.16. Đồ thị bức xạ của anten đề xuất khi cấp nguồn cổng 2 ..................................... 93 Hình 4.17. Hệ số tăng ích và độ rộng búp sóng nữa công suất của anten đề xuất. ............. 94 xii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Băng tần của 5G dưới 6 GHz (FR1) ........................................................ 16 Bảng 1.2. Băng tần thứ 2 (FR2) của hệ thống thông tin di động 5G........................ 17 Bảng 2.1. Bảng giá trị tham số anten tối ưu (đơn vị: mm) ....................................... 42 Bảng 2.2. So sánh anten sử dụng cấu trúc hình nấm đề xuất với các công bố liên quan .................................................................................................................................. 54 Bảng 3.1. Bảng giá trị tham số anten lưỡng cực điện từ (đơn vị: mm). ................... 63 Bảng 3.2. Giá trị các tham số của anten lưỡng cực điện từ phân cực kép kết hợp với HIS đề xuất (đơn vị: mm). ........................................................................................ 67 Bảng 3.3. So sánh đặc tính giữa anten đề xuất và một số anten phân cực kép cho 5G dưới 6 GHz gần đây. ................................................................................................. 76 Bảng 4.1. Kích thước của anten đề xuất (đơn vị: mm) ............................................ 86 Bảng 4.2. Bảng giá trị tham số của mạng cấp nguồn vi sai (đơn vị: mm). .............. 90 Bảng 4.3. So sánh đặc tính giữa anten đề xuất và những anten trong công bố gần đây. .................................................................................................................................. 95 xiii
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.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.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. Hơn nữa, cấu trúc cấp nguồn dạng SIW tỏ ra phù hợp với các ứng dụng tần số cao trên 60 GHz và nhiều lớp phức tạp [23], [24]. Một vấn đề nữa liên quan đến 5G hoạt động ở dải sóng mm đó là kỹ thuật định 4
dạng và điều khiển búp sóng. Có hai công nghệ tạo búp sóng chính là tương tự và kỹ thuật số. Mặc dù kỹ thuật định dạng và điều khiển búp sóng tương tự chưa thực sự quét liên tục nhưng nó vẫn được sử dụng trong một số anten của trạm gốc 5G để tạo nhiều chùm. Kỹ thuật phổ biến được sử dụng để tạo chùm tia tương tự dựa trên mạch ma trận Butler hoặc thấu kính. So với thấu kính, mạch ma trận Butler triển khai nhỏ gọn, chi phí thấp và phẳng. Kiến trúc kỹ thuật số cung cấp khả năng định dạng và quét búp sóng liên tục nhưng cũng tồn tại các thách thức nhất định đó là sự phức tạp trong thiết kế, nhiều bộ vi xử lí kỹ thuật số dẫn đến điện năng tiêu thụ, giá thành cao v.v. Mặt khác, mặc dù cả dải tần dưới 6 GHz và mm được khuyến nghị sử dụng cho 5G [25], đa số quốc gia ở giai đoạn ban đầu đều chọn băng dưới 6 GHz vì có thể tận dụng được hạ tầng sẵn có. Ví dụ, dải tần được chọn ở Hàn Quốc 3,42-3,7 GHz, Ấn Độ 3,3-3,6 GHz, Úc 3,4-3,7 GHz, Châu Âu 3,3-3,8 GHz, Trung Quốc 3,3-3,6 GHz, Mỹ 3,1-3,55 GHz và 3,7-4,5 GHz v.v. Bên cạnh đó, do tính chất chống được fading đa đường, khả năng tăng dung lượng kênh, giảm số lượng và kích thước anten mà anten phân cực kép [26] được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hệ thống 5G. Gần đây có nhiều loại cấu hình anten phân cực kép khác nhau sử dụng cho các ứng dụng 5G dưới 6 GHz đã được công bố [27]–[36] ví dụ như anten vi dải, anten nơ lưỡng cực chéo, anten khe chéo, anten lưỡng cực điện từ. Những anten vi dải [23]– [27] được tham khảo do những ưu điểm: mỏng nhẹ, giá thành thấp, dễ chế tạo và tích hợp. Đối với anten vi dải truyền thống thông thường sẽ bị hạn chế về băng thông [27], có một vài kỹ thuật được dùng để mở rộng băng thông như thêm phần tử kí sinh [28], [29] dùng cấu trúc chất nền không khí [30], [31]. Trong tài liệu tham khảo [32] một anten lưỡng cực phân cực kép với cấu trúc hốc cộng hưởng nhằm đạt được cấu trúc nhỏ gọn tại tần số 3,7 GHz. Tuy nhiên, hốc cộng hưởng làm tăng đáng kể trọng lượng kích cỡ anten cũng như chi phí chế tạo. Trong tài liệu tham khảo [33], một anten khe chéo phân cực kép được kết hợp với bề mặt dẫn từ nhân tạo cho cấu hình thấp và băng thông hoạt động rộng. Để đạt được hệ số cách ly cao, anten kết hợp với bề mặt dẫn từ nhân tạo và sau đó mảng anten được tiếp điện kiểu vi sai bao gồm bộ chia công suất và bộ trễ pha, điều này cũng làm tăng sự phức tạp của thiết kế. Anten lưỡng cực điện từ ví dụ [34], [35] là một sự lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng trạm gốc do có 5