Luận án tiến sĩ phát triển ăng-ten mảng phẳng sử dụng siêu vật liệu và lưỡng cực điện từ ở dải sóng milimét - Đặng Thị Từ Mỹ, Đại học Đà Nẵng

Băng tần sóng milimét sở hữu bước sóng rất ngắn. Tần số hoạt động từ 30 GHz đến 300 GHz mang lại băng thông dồi dào. Đặc tính này đáp ứng hoàn hảo nhu cầu truyền tải đa phương tiện tốc độ gigabit. Dù vậy, suy hao do hấp thụ khí quyển và vật cản là rào cản lớn. Thiết kế hệ thống đòi hỏi độ hướng tính cao để bù đắp năng lượng tiêu hao. Mảng ăng-ten nhiều phần tử là lựa chọn bắt buộc để tập trung năng lượng. Kỹ thuật ghép mảng tạo búp sóng hẹp, tăng khoảng cách truyền xa. Các tham số như hệ số phản xạ, đồ thị bức xạ và hiệu suất bức xạ đóng vai trò quyết định. Quá trình phân tích cần tính toán chính xác trở kháng phối hợp ở dải tần số cực cao.

Siêu vật liệu điện từ là môi trường nhân tạo với các tính chất điện từ đặc biệt. Cấu trúc có thể đạt hằng số điện môi âm hoặc độ từ thẩm âm. Bề mặt siêu vật liệu hay Metasurface là phiên bản hai chiều mỏng nhẹ của siêu vật liệu. Khi tích hợp vào bộ bức xạ, Metasurface giúp định hình phân bố pha trường gần. Cơ chế này triệt tiêu sóng mặt không mong muốn và giảm thiểu bức xạ phụ. Bề mặt siêu vật liệu cũng cải thiện phối hợp trở kháng và tăng cường độ lợi. Sự kết hợp giữa vật liệu nhân tạo và bộ bức xạ vi dải mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Ăng-ten đạt kích thước nhỏ gọn nhưng vẫn duy trì hiệu suất bức xạ cao tại dải sóng mm.

Phần tử cơ sở Metamaterial unit cell quyết định tính chất tổng thể của siêu vật liệu. Mỗi unit cell được thiết kế dạng mạch vòng cộng hưởng hoặc đường truyền vi dải đặc biệt. Kích thước của ô cơ sở nhỏ hơn nhiều so với bước sóng công tác. Phân tích mô hình mạch tương đương LC giúp xác định chính xác tần số cộng hưởng. Các cấu trúc điện từ biên EBG và khuyết tật mặt đất DGS được ứng dụng rộng rãi. Khi sắp xếp theo chu kỳ, các unit cell tạo ra dải cấm ngăn chặn truyền lan sóng mặt. Nhờ đó, hiện tượng ghép tương hỗ giữa các phần tử ăng-ten lân cận giảm đáng kể. Đây là tiền đề để chế tạo mmWave antenna array có khoảng cách phần tử siêu hẹp.

Mạng tiếp điện đóng vai trò huyết mạch trong ăng-ten sóng milimét dạng mảng. Bộ chia công suất chữ T vi dải được thiết kế để cấp nguồn đồng pha cho các phần tử bức xạ. Cấu trúc bộ chia phải đảm bảo tổn hao chèn thấp và phối hợp trở kháng tối ưu tại cổng vào. Phân tích ma trận tán xạ S cung cấp thông tin chi tiết về độ phản xạ và phân chia công suất. Các đoạn biến đổi trở kháng phần tư bước sóng được tính toán chuẩn xác. Thiết kế mạng tiếp điện phẳng đối xứng giúp duy trì phân bố dòng điện đồng đều. Nhờ đó, búp sóng bức xạ chính đạt độ đối xứng cao và mức búp sóng phụ được kiểm soát chặt chẽ.

Phương pháp phần tử hữu hạn FEM trong công cụ HFSS cho phép giải chính xác phương trình Maxwell. Miền không gian 3D được chia nhỏ thành hàng triệu phần tử tứ diện. Quá trình chia lưới thích ứng đảm bảo hội tụ nghiệm điện từ tại các vùng tập trung trường cao. Mô phỏng trường gần và trường xa giúp đánh giá toàn diện giản đồ bức xạ 3D. Độ lợi cực đại, hiệu suất tổng và băng thông phối hợp trở kháng được trích xuất trực tiếp. Các kỹ thuật tối ưu hóa tham số tự động giúp tinh chỉnh kích thước chi tiết của bộ bức xạ. Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở dữ liệu tin cậy để chế tạo phần cứng.

Phần tử ăng-ten đơn hoạt động tại 28 GHz được chế tạo trên đế điện môi Rogers mỏng. Mặt trên chứa miếng bức xạ vi dải kết hợp mảng Metamaterial unit cell tuần hoàn. Các ô cơ sở siêu vật liệu đóng vai trò thấu kính hội tụ trường điện từ. Cấu trúc này làm chậm sóng mặt và nén năng lượng bức xạ vào hướng vuông góc với mặt phẳng. Hệ số phản xạ S11 duy trì dưới -10 dB trên toàn dải tần mong muốn. Kích thước tổng thể của phần tử vẫn rất nhỏ gọn, thuận lợi cho việc tích hợp mô-đun. Sự ghép nối điện từ giữa miếng bức xạ và ô siêu vật liệu được tối ưu hóa thông qua mô phỏng quét tham số.

Mảng ăng-ten 1 chiều gồm 4 phần tử được bố trí theo cấu hình thẳng hàng. Mạng tiếp điện chia công suất vi dải cấp nguồn song song với pha đồng nhất. Khoảng cách giữa các phần tử được chọn bằng nửa bước sóng để loại bỏ búp sóng cách tử. Mảng 4 phần tử đạt độ lợi cao vượt bậc và giản đồ bức xạ định hướng hẹp. Khả năng tạo búp sóng Beamforming giúp tập trung mật độ công suất tới thiết bị người dùng. Khi thay đổi phân bố pha cấp nguồn, hệ thống thực hiện quét chùm tia Beam steering linh hoạt trong không gian. Mức búp sóng phụ luôn được khống chế ở mức thấp, giảm thiểu can nhiễu đồng kênh.

Mẫu ăng-ten mmWave antenna array 28 GHz được chế tạo thực tế bằng công nghệ mạch in chính xác cao. Quy trình đo đạc thực nghiệm được thực hiện trong buồng đo câm không phản xạ sóng điện từ. Máy phân tích mạng vector VNA ghi nhận hệ số phản xạ S11 với độ tương đồng cao so với mô phỏng. Băng thông làm việc thực tế bao phủ trọn vẹn dải tần 28 GHz dành cho 5G. Giản đồ bức xạ trường xa 2D và 3D đo đạc khẳng định búp sóng chính chuẩn xác và độ lợi đạt yêu cầu thiết kế. Sự trùng khớp giữa mô phỏng và thực nghiệm chứng minh tính khả thi của giải pháp.

Phần tử ăng-ten ME dipole đơn được thiết kế với hai miếng kim loại phẳng đóng vai trò lưỡng cực điện. Hai bản kim loại thẳng đứng nối đất hoạt động như một lưỡng cực từ dạng vòng hở. Khe hở giữa các bản dẫn được tiếp điện thông qua đường truyền vi dải gắn tụ phối hợp. Cấu trúc tạo ra hai tần số cộng hưởng gần nhau, ghép lại thành một dải thông liên tục rất rộng. Độ lợi của phần tử đơn đạt mức cao và duy trì ổn định trong dải tần số 38 GHz. Giản đồ bức xạ đối xứng giúp giảm hiện tượng méo tín hiệu trong truyền thông băng rộng. Kích thước vật lý được tinh chỉnh tối giản để dễ ghép mảng.

Mạng tiếp điện phẳng cho mảng ăng-ten 38 GHz sử dụng cấu trúc đường vi dải vi sai tổn hao cực thấp. Mạng chia công suất nhiều tầng cung cấp biên độ đồng đều tới từng phần tử lưỡng cực điện từ. Thiết kế sử dụng các đường cong mượt mà để hạn chế bức xạ rò rỉ tại các góc uốn. Phối hợp trở kháng băng rộng được tích hợp trực tiếp trên từng nhánh tiếp điện. Bố cục mạng tiếp điện nằm gọn ở mặt dưới của tấm mạch in, cách ly hoàn toàn với vùng bức xạ chính. Giải pháp này ngăn chặn hiện tượng méo búp sóng do sóng tạp từ đường dẫn gây ra.

Mảng ăng-ten lưỡng cực điện từ thể hiện đặc tính bức xạ định hướng vượt trội. Độ lợi mảng tăng tỷ lệ thuận với số lượng phần tử bức xạ được tích hợp. Kỹ thuật quét chùm tia Beam steering cho phép dịch chuyển búp sóng chính trong góc quét rộng. Quá trình quét chùm tia không làm suy giảm đáng kể mức độ lợi cực đại. Tỷ số sóng đứng điện áp VSWR luôn nằm trong ngưỡng lý tưởng dưới 1.5 trên toàn dải quét. Khả năng phân cực chéo thấp duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu thu phát. Cấu trúc mảng ME dipole là ứng viên hoàn hảo cho các thiết bị truyền dẫn không dây công suất cao.

Ăng-ten sóng milimét độ lợi cao đóng vai trò then chốt trong việc duy trì kết nối ổn định. Việc sử dụng mảng phần tử vi dải kết hợp Metasurface giúp tăng cường mật độ công suất bức xạ hướng trục. Năng lượng tập trung giúp tín hiệu vượt qua các vật cản đô thị và suy hao tán xạ. Hiệu suất tổng của hệ thống được nâng cao nhờ giảm thiểu tổn hao nhiệt trên chất nền điện môi. Vùng phủ sóng vô tuyến được mở rộng đáng kể mà không cần tăng công suất phát của máy trạm. Giải pháp góp phần tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành cho các nhà mạng.

Nghiên cứu mở ra triển vọng ứng dụng to lớn trong mạng di động 5G, 6G và các hệ thống radar ô tô thông minh. Thiết kế ăng-ten mảng phẳng tích hợp Metamaterial unit cell cho phép chế tạo hàng loạt với chi phí hợp lý. Các mô-đun ăng-ten dễ dàng nhúng vào bề mặt điện thoại thông minh, thiết bị IoT và trạm phát sóng cỡ nhỏ. Khả năng kết hợp giữa Beamforming và Beam steering tăng cường hiệu quả tái sử dụng tần số trong không gian. Công trình đóng góp nền tảng quan trọng vào quá trình làm chủ công nghệ thiết bị viễn thông tần số siêu cao.