Thiết kế anten phân cực tròn băng thông rộng - Đại học Quy Nhơn

Siêu bề mặt tạo ra các đặc tính điện từ không có sẵn trong tự nhiên. Cấu trúc metasurface điều khiển sóng điện từ với độ chính xác cao. Các đơn vị cộng hưởng kích thước nhỏ hơn bước sóng hoạt động. Thiết kế mảng MS tối ưu hóa phân bố trường điện từ. Vật liệu điện môi và kim loại kết hợp tạo nên cấu trúc đa lớp. Độ dày tổng thể giảm đáng kể so với anten truyền thống.

Phân cực tròn khắc phục hiện tượng fading đa đường hiệu quả. Circular polarization không phụ thuộc hướng xoay thiết bị đầu cuối. Tín hiệu ổn định trong môi trường đô thị phức tạp. Khả năng chống nhiễu vượt trội so với phân cực tuyến tính. Axial ratio thấp duy trì trong toàn băng thông hoạt động. Ứng dụng lý tưởng cho trạm gốc BTS và thiết bị di động.

Băng tần sub-6GHz phục vụ vùng phủ rộng và xuyên tường tốt. Băng tần millimeter wave cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cực cao. Gain anten tối thiểu 6-8 dBi cho ứng dụng thực tế. Băng thông trở kháng rộng hơn 20% đáp ứng chuẩn 5G NR. VSWR nhỏ hơn 2:1 đảm bảo phối hợp trở kháng tốt. Kích thước nhỏ gọn phù hợp tích hợp thiết bị.

Anten patch vi dải hoạt động dựa trên nguyên lý hốc cộng hưởng. Tấm kim loại trên lớp điện môi tạo ra vùng cộng hưởng điện từ. Hiệu ứng viền mở rộng kích thước điện hiệu dụng của patch. Chiều dài hiệu dụng lớn hơn chiều dài vật lý do trường rìa. Tần số cộng hưởng phụ thuộc vào kích thước và hằng số điện môi. Trở kháng vào thay đổi theo vị trí điểm tiếp điện.

Tiếp điện đường truyền vi dải đơn giản nhưng băng thông hạn chế. Tiếp điện probe đồng trục dễ điều chỉnh trở kháng vào. Phương pháp ghép khe loại bỏ bức xạ giả từ đường tiếp điện. Ghép gần mang lại băng thông rộng nhất trong các phương pháp. Vị trí tiếp điện ảnh hưởng trực tiếp đến phối hợp trở kháng. Kỹ thuật tiếp điện kép tạo điều kiện cho phân cực tròn.

Tăng độ dày lớp nền giảm hệ số phẩm chất Q. Ghép nhiều patch tạo nhiều điểm cộng hưởng gần nhau. Cộng hưởng hình tròn vòng khuyên mở rộng băng thông đáng kể. Sử dụng lớp điện môi có hằng số điện môi thấp cải thiện băng thông. Kỹ thuật cắt khe trên patch điều chỉnh đặc tính cộng hưởng. Thiết kế đa lớp kết hợp ưu điểm của nhiều kỹ thuật.

Siêu bề mặt điều khiển pha sóng phản xạ và truyền qua. Các đơn vị cộng hưởng có kích thước nhỏ hơn bước sóng. Phân bố pha trên bề mặt quyết định hướng sóng bức xạ. Cấu trúc kim loại-điện môi-kim loại tạo đặc tính điện từ đặc biệt. Thiết kế hình học đơn vị MS ảnh hưởng đến đáp ứng tần số. Mảng tuần hoàn tạo ra băng tần chắn hoặc thông.

Cấu trúc EBG chặn sóng bề mặt trong băng tần hoạt động. Dải chắn điện từ giảm ghép nối giữa các phần tử anten. AMC tạo vật dẫn từ nhân tạo với pha phản xạ 0 độ. Khoảng cách anten đến AMC giảm xuống λ/20 hoặc nhỏ hơn. Hiệu suất bức xạ tăng do loại bỏ sóng bề mặt. Thiết kế AMC phù hợp với băng tần millimeter wave.

Mảng metasurface tạo ống dẫn sóng ảo tăng gain. Khoảng cách tối ưu giữa anten và MS khoảng λ/4. Số lượng đơn vị MS ảnh hưởng đến độ lợi đạt được. Loại bỏ một phần lớp điện môi giảm sóng bề mặt. Búp sóng hẹp hơn với độ định hướng cao. Gain ổn định trong toàn băng thông hoạt động.

Lưỡng cực điện tạo dòng điện dọc theo hướng thẳng đứng. Lưỡng cực từ tạo dòng từ trên vòng khuyên hoặc khe. Kết hợp hai loại lưỡng cực tạo phân cực tròn tự nhiên. Pha tương đối 90 độ giữa hai thành phần trường. Biên độ bằng nhau của hai thành phần trực giao. Cấu trúc đối xứng đảm bảo axial ratio thấp.

Cắt vát góc patch tạo hai mode cộng hưởng trực giao. Vị trí cắt vát ảnh hưởng đến tần số hoạt động CP. Tiếp điện hai điểm với pha chênh 90 độ qua mạch chia công suất. Sử dụng hai patch đặt trực giao kích thích vuông pha. Phần tử xoay tự nhiên tạo CP không cần mạch chia pha. Điều chỉnh kích thước tối ưu axial ratio tại tần số thiết kế.

Mảng MS đặt dưới anten lưỡng cực cách khoảng λ/4. Cấu trúc AMC duy trì phân cực tròn của anten. Gain tăng 4-6 dB nhờ hiệu ứng phản xạ pha MS. Băng thông ARBW mở rộng do đặc tính băng rộng của MS. Kích thước tổng thể nhỏ gọn phù hợp ứng dụng 5G. Hiệu suất bức xạ cải thiện đáng kể so với thiết kế đơn.

Tần số hoạt động 3.3-3.8 GHz cho băng tần sub-6GHz. VSWR nhỏ hơn 2:1 trong toàn băng thông. Gain anten tối thiểu 6 dBi, mục tiêu 8-10 dBi. Axial ratio nhỏ hơn 3 dB cho phân cực tròn chất lượng cao. Băng thông ARBW rộng hơn 20% đáp ứng chuẩn 5G NR. Kích thước nhỏ gọn dưới 100x100 mm cho ứng dụng thực tế.

Thiết lập mô hình 3D với vật liệu và kích thước chính xác. Định nghĩa cổng kích thích và điều kiện biên phù hợp. Lưới chia mịn tại vùng quan trọng đảm bảo độ chính xác. Quét tham số tối ưu hóa kích thước các phần tử. Phân tích S-parameter, trở kháng vào và VSWR. Tính toán trường xa, gain và axial ratio.

Anten lưỡng cực đơn đạt gain 4 dBi, băng thông 15%. Kết hợp với mảng MS tăng gain lên 8.5 dBi. Băng thông trở kháng mở rộng lên 25% nhờ MS. Axial ratio dưới 3 dB trong băng 3.4-3.7 GHz. VSWR nhỏ hơn 1.5:1 tại tần số trung tâm. Hình dạng búp sóng ổn định với độ định hướng cao. Kết quả đáp ứng đầy đủ yêu cầu hệ thống 5G.

Trạm gốc yêu cầu gain cao 10-15 dBi cho vùng phủ rộng. Mảng anten kết hợp metasurface tạo búp sóng định hình. Phân cực tròn phục vụ đa dạng hướng thiết bị người dùng. Băng thông rộng đáp ứng nhiều kênh tần số đồng thời. Kích thước cho phép lắp đặt trên cột anten hiện có. Khả năng chịu thời tiết và nhiệt độ môi trường.

Kích thước nhỏ gọn phù hợp không gian hạn chế smartphone. Băng tần sub-6GHz và millimeter wave trong một thiết kế. Phân cực tròn không yêu cầu định hướng chính xác. Gain 3-5 dBi đủ cho ứng dụng thiết bị đầu cuối. Tích hợp dễ dàng với mạch RF và baseband. Hiệu suất ổn định khi người dùng cầm thiết bị.

Anten tái cấu hình sử dụng metasurface điều khiển điện tử. Thiết kế đa băng tần phủ toàn bộ phổ 5G. Tích hợp cảm biến và anten trong một cấu trúc. Công nghệ in 3D giảm chi phí sản xuất metasurface. Vật liệu mới cải thiện hiệu suất ở tần số cao. Hướng nghiên cứu anten thông minh cho 6G.