Phát triển ăng-ten băng rộng nhiều búp sóng cho trạm gốc di động 5G
Trong thời gian từ năm 2018 đến năm 2020, PGS.TS. Nguyễn Quốc Định đã phối hợp với các nhà khoa học tại Học viện Kỹ thuật Quân sự thực hiện đề tài: “Phát triển ăng-ten băng rộng nhiều búp sóng cho trạm gốc di động 5G”.
Đề tài hướng đến thực hiện các mục tiêu sau: (1) Nghiên cứu đặc tính nhiều búp sóng của ăng-ten mảng (đạt được phương trình thiết kế lý thuyết cho mảng ăng-ten có mật độ phân bố dạng chóp; ước lượng các đặc tính của các búp sóng trong dải tần số rộng; và điều chỉnh cấu trúc của mảng để đạt được đặc tính bức xạ tốt nhất). (2) Nghiên cứu đặc tính nhiều búp sóng của ăng-ten mặt phản xạ (tìm cấu trúc của mặt phản xạ phù hợp; tính toán đặc tính nhiều búp sóng của các cấu hình mặt phản xạ; thiết kết, đo kiểm ăng-ten mặt phản xạ nhằm kiểm chứng đặc tính nhiều búp sóng của cấu trúc đề xuất). (3) Nghiên cứu đặc tính nhiều búp sóng của ăng-ten thấu kính (đạt được phương trình thiết kế lý thuyết của thấu kính; tìm các tham số tốt nhất để ăng-ten thấu kính có thể sử dụng tại các trạm gốc di động; và tính toán các đặc tính nhiều búp sóng của ăng-ten thấu kính).
Dưới đây là những kết quả mà đề tài đã thu được sau bốn năm nghiên cứu:
- Đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết về ăng-ten mảng, nghiên cứu giải pháp thiết kế ăng-ten mảng sử dụng hệ số kích thích (pha và biên độ) cấp cho tất cả các phần tử trong mảng là đồng đều bằng cách sử dụng cấu trúc ăng-ten với phân bố khoảng cách trong mảng dạng chóp, từ đó khảo sát, đánh giá chất lượng của ăng-ten mảng hoạt động tốt trong một dải tần rộng, hệ số tăng ích lớn, mức cánh sóng bên giảm. Kết quả là, tính toán với một mảng gồm 30 phần tử phân bố vị trí dạng chóp với pha và biên độ kích thích tới các phần tử là như nhau, ăng-ten hoạt động trong dải tần rộng với tỉ lệ tần số là 2.5:1, grating lobe được giảm nhỏ dưới -7,8dB. Đây là tiền đề cho việc phát triển ăng-ten mảng sử dụng cho trạm gốc với hệ số tăng ích lớn, mức cánh sóng bên nhỏ.
- Đã sử dụng cấu trúc ăng-ten Loga-Chu kỳ làm phần tử ăng-ten cho mảng ăng-ten, do vậy, mảng ăng-ten đề xuất có thể hoạt động trong dải tần rộng với mức cánh sóng bên thấp. Bên cạnh đó, đề xuất giải pháp tính toán hệ số tương hỗ giữa các phần tử trong mảng nhằm phân tính các hiện tượng vật lý, các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng hướng của ăng-ten mảng thiết kế. Cùng với việc lựa chọn cấu trúc ăng-ten hoạt động trong dải tần rộng, có tiềm năng sử dụng cho trạm gốc trong thông tin di động, tác giả đã phát triển ăng-ten thấu kính có hệ số khúc xạ dương và âm để đánh giá, so sánh ưu và nhược điểm của 2 loại ăng-ten này. Kết quả cho thấy, trong dải tần số dùng cho 5G băng tần 28GHz, với đường kính thấu thấu kính D =100mm và tỉ lệ F/D =1, với F là tiêu cự của thấu kính, ăng-ten thấu kính sử dụng vật liệu có hệ số khúc xạ âm sẽ cho độ dày là 6.1mm và có hệ số tăng ích lớn nhất bằng 27.34 dBi trong khi thấu kính sử dụng vật liệu có hệ số khúc xạ dương cho độ dày là 24.5mm và hệ số tăng ích cực đại chỉ đạt 27.20dBi. Điều này cho thấy ưu điểm của ăng-ten thấu kính có hệ số khúc xạ âm trong việc cải thiện hệ số tăng ích cực đại và thu nhỏ được kích thước của ăng-ten. Thực hiện mô phỏng các cấu trúc ăng-ten thấu kính sử dụng phần mềm tính toán trường điện từ hiện đại, kết quả đã chứng minh được sự đồng nhất về phân bố cường độ trường giữa việc tính toán lý thuyết và kết quả mô phỏng, khẳng định phương pháp và quy trình tính toán chính xác.
- Đã phát triển ăng-ten thấu kính với cấu trúc thấu kính dạng hyperbol, điều kiện Sine Abbe, điều kiện bảo toàn năng lượng và điều kiện đường thẳng có hệ số khúc xạ âm, hoạt động trong dải tần rộng. Đồng thời sử dụng phương pháp ray tracing để xác định các điểm hội tụ và quỹ đạo của các điểm hội tụ của thấu kính. Bằng việc bố trí đặt nhiều bộ chiếu xạ tại các vị trí khác nhau theo một quỹ đạo đã được khảo sát, đánh giá sẽ tạo ra được ăng-ten thấu kính hoạt động với nhiều búp sóng trong dải tần số hoạt động cho 5G băng tần 28 GHz. Kết quả cho thấy, khi thiết lập bộ chiếu xạ của ăng-ten thấu kính trên một quỹ đạo xác định trước bằng phương pháp ray tracing, ăng-ten thấu kính cho phép tạo ra góc quét trên 90 độ mà vẫn duy trì được hệ số tăng ích cao trên 22.4 dBi, mức cánh sóng bên thấp dưới -14.7 dBi trong cả vùng quét từ -45 độ đến +45 độ. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn đề xuất cấu trúc ăng-ten có hệ số khúc xạ âm với cấu trúc thỏa mãn điều kiện quỹ đạo các điểm giao nhau giữa tia tới và tia khúc xạ ra khỏi thấu kính là đường thẳng thì ăng-ten đã được cải thiện về hệ số tăng ích và biên độ cánh sóng bên. Đối với cấu trúc ăng-ten mảng phản xạ, cũng bằng việc thay đổi vị trí đặt bộ chiếu xạ lệch so với đường trung tâm của mảng phản xạ một góc 25 độ giúp cho ăng-ten mảng phản xạ giảm được mức cánh sóng bên xuống còn -21.7 dB so với ăng-ten có bộ chiếu xạ đặt tại trung tâm của mảng, ở tần số 28GHz. Với phương pháp thiết lập này giúp tạo ra ăng-ten có khả năng tạo ra đa búp sóng khi thay đổi vị trí của bộ chiếu xạ theo các góc bức xạ mong muốn
Bằng việc đánh giá tính hiệu quả về khả năng hoạt động trong dải tần số rộng, nhiều búp sóng với các ứng viên là ăng-ten mảng, ăng-ten mảng phản xạ và ăng-ten thấu kính có thể thấy rằng với mỗi loại ăng-ten có ưu và nhược điểm riêng cho từng ứng dụng cho trạm gốc trong thông tin di động. Trong đó, ăng-ten mảng pha với phân bố vị trí dạng hình chóp cho ưu điểm hoạt động trong dải tần rộng nhưng kích thước cồng kềnh, ăng-ten mảng phản xạ thì cấu trúc chắc chắn, tuy nhiên, bộ chiếu xạ sẽ che chắn phần năng lượng bức xạ nên hiệu suất bức xạ của ăng-ten thấp hơn so với ăng-ten thấu kính, việc phân bố nhiều phần tử bộ chiếu xạ cho ăng-ten cũng sẽ tạo ra mô hình ăng-ten với nhiều búp sóng nhưng khả năng quét hạn chế so với ăng-ten thấu kính. Với ăng-ten thấu kính, bộ chiếu xạ không gây cản trở khả năng phát xạ của ăng-ten nên hiệu suất bức xạ cao, khi sử dụng thấu kính có vật liệu có hệ số khúc xạ âm sẽ tạo ra ăng-ten có kích thước mỏng, nhỏ gọn và ăng-ten có thể đạt được đa búp sóng hoạt động trong dải tần rộng với hệ số tăng ích lớn, mức cánh sóng bên nhỏ. Tuy nhiên, ăng-ten thấu kính sẽ có giá thành cao khi chế tạo và đưa vào ứng dụng. Do vậy, với 03 mẫu ăng-ten mà nhóm thực hiện đề tài nghiên cứu, phát triển đều có những ưu và nhược điểm riêng, tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cho thấy, tùy theo điều kiện chi phí và kích thước cho phép có thể lựa chọn mẫu ăng-ten phù hợp.
Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 18812/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
https://vista.gov.vn/
