Anten tái cấu hình cho hệ thống truyền thông di động 5G
Diễn đàn - Ngày đăng : 10:04, 17/08/2020
Anten tái cấu hình có nhiều lợi thế như khả năng chuyển đổi trạng thái, cấu hình linh hoạt, khối lượng nhỏ, giảm tương hỗ tốt... Vì vậy, anten tái cấu hình phù hợp với hệ thống truyền thông tiên tiến hiện tại và tương lai như thông tin di động 5G, 6G, hệ thống vô tuyến khả tri,… Trong bài báo này, bên cạnh việc giới thiệu các kỹ thuật tái cấu hình chủ đạo cho anten trong hệ thống truyền thông tiên tiến, nhóm tác giả cũng giới thiệu thêm hai mẫu anten tái cấu hình tiêu biểu cho hai băng tần hoạt động chủ đạo của truyền thông di động 5G: Băng tần milimet và băng tần dưới 6 GHz.
Anten trong truyền thông 5G
Hiện nay. Chìa khóa để công nghệ 5G phát triển bao gồm kỹ thuật đa truy cập, MIMO, công nghệ định hướng chùm tia (beamforming), mạng mật độ siêu cao,… Việc thực hiện các kỹ thuật cao này sẽ mang đến những thách thức mới cho việc thiết kế cấu trúc vật lý, đặc biệt trong việc thiết kế anten, hệ thống siêu cao tần và các đặc tính lan truyền bức xạ trong môi trường. Mặc dù hiện nay có nhiều nghiên cứu 5G trên hệ thống anten nhưng vẫn còn có rất nhiều vấn đề cần được tối ưu và giải quyết, đặc biệt việc phát triển và ứng dụng anten tái cấu hình cho các thiết bị đầu cuối di động 5G nhằm nâng cao độ linh hoạt về định hướng búp sóng cũng như băng tần hoạt động [1].
Anten 5G phải có băng thông rộng để tăng tốc độ và lượng dữ liệu sử dụng cho truyền thông băng rộng, từ đó tạo điều kiện cho triển khai IoT (Internet of Things). Trong tương lai, 5G sẽ là nền tảng cho công nghệ truyền thông, từ thực tế ảo, xe tự động đến các thành phố thông minh. Vì vậy, không chỉ dừng lại ở các băng tần truyền thống dưới 6 GHz, anten 5G cũng được thiết kế ở băng tần cao với bước sóng trong khoảng milimet nhằm dễ dàng thu được băng thông rộng và tốc độ truyền cao. Với tần số cao, băng thông rộng và yêu cầu búp sóng có định hướng, điều chỉnh được búp sóng và đa búp sóng như ví dụ chỉ ra trong Hình 1 thì đây là một thách thức vô cùng lớn cho các nhà thiết kế anten.
Anten tái cấu hình
Hình 1. Anten 5G có định hướng, điều chỉnh được búp sóng và đa búp sóng
Do những lợi ích như đặc tính đa băng, có thể điều chỉnh đồ thị bức xạ, phân cực đa dạng cùng kích thước nhỏ,... anten tái cấu hình đã được nghiên cứu mạnh mẽ trong những năm gần đây, là ứng cử viên sáng giá cho anten trong các thế hệ truyền thông không dây hiện tại và trong tương lai. Việc sử dụng các phần tử tích cực như hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), varactor hoặc PIN diode, các đặc tính của anten tái cấu hình có thể thay đổi thông qua việc thay đổi dòng bề mặt theo cấu trúc anten cho phép anten thay đổi tần số hoạt động, đồ thị bức xạ hoặc phân cực bằng các kỹ thuật khác nhau. Anten tái cấu hình có thể thu được đơn hoặc đa loại hình tái cấu hình. Tuy nhiên số lượng đặc tính cấu hình lại phụ thuộc nhiều vào số lượng của thành phần tích cực, càng nhiều phần tử tích cực thì càng có nhiều đặc tính được cấu hình. Bên cạnh đó, khi tăng số lượng thành phần tích cực thì giá thành của anten cũng tăng và cấu trúc anten cũng trở nên phức tạp khó chế tạo [2].
Anten tái cấu hình theo tần số
Anten tái cấu hình theo tần số là anten có thể chuyển đổi tần số hoạt động của mình từ dải tần này theo dải tần khác. Do giới hạn về kích thước trong các thiết bị truyền thông không dây như điện thoại thông minh, máy tính bảng, việc thiết kế anten tái cấu hình tần số yêu cầu nhiều điều kiện. Anten không chỉ tự động chuyển từ một băng tần này thành một băng tần khác mà có thể thành đa băng tần. Kỹ thuật phổ biến thường được dùng trong trường hợp này là kỹ thuật điều chỉnh chiều dài điện của bức xạ anten bằng PIN diode. Ngoài ra cũng có thể sử dụng varactor diode (diode biến dung) để tăng băng tần hoạt động của băng tần rộng hoặc siêu rộng và thu một băng tần hẹp mong muốn.
Hình 2. Anten tái cấu hình theo tần số với các băng tần được thay đổi theo các giá trị khác nhau của điện áp
Hình 2 là đồ thị tham số tán xạ S11 của một cấu trúc anten tái cấu hình theo tần số với tần số được biến thiên trong dải từ 4,13 – 4,5 GHz theo mức điện áp biến thiên từ 0 – 36V. Đặc tính biến thiên theo tần số này của anten khá phù hợp cho cácứng dụng anten mảng pha trong các trạm gốc của truyền thông di động 5G.
Anten tái cấu hình băng thông
Anten tái cấu hình băng thông là anten có thể chuyển đổi độ rộng băng tần hoạt động, thường chuyển đổi từ băng rộng sang băng hẹp hoặc ngược lại. Để tái cấu hình theo băng thông các nhà nghiên cứu có thể sử dụng mạng phối hợp trở kháng hay kỹ thuật mặt phẳng đất khuyết DGS. Tuy nhiên các thiết kế này thường gặp thách thức lớn về hiệu suất do anten cần phải có hiệu suất cao trên toàn bộ dải tần để có thể hỗ trợ được hoạt động trên cả băng hẹp và băng rộng (Hình 3).
Hình 3. Anten tái cấu hình băng thông với độ rộng băng tần được thay đổi theo các giá trị khác nhau của PIN diode
Hình 3 biểu diễn tham số tán xạ S11 của một cấu trúc anten tái cấu hình băng thông với băng tần hoạt động của anten được thay đổi từ băng rộng 500 MHz tại trạng thái chuyển mạch 1 sang băng rộng 1 GHz tại trạng thái chuyển mạch 2 và sang băng siêu rộng 3 GHz tại trạng thái chuyển mạch 3. Đặc tính này giúp anten có thể đáp ứng linh hoạt cho các ứng dụng băng rộng khác nhau mà không lo ảnh hưởng xuyên nhiễu.
Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ
Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ là anten có thể chuyển đổi hướng bức xạ của anten theo các trạng thái khác nhau của chuyển mạch. Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ được ứng dụng nhiều trong các thiết kế anten trong các hệ thống radar cho đặc tính giám sát và theo dõi do chúng có thể thay đổi đồ thị bức xạ với các hướng khác nhau mà vẫn giữ nguyên tần số hoạt động. Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ cũng được áp dụng vào anten mảng để tăng độ định hướng và sử dụng công nghệ MIMO để giảm nhiễu cũng như cải thiện hiệu suất hệ thống.
Hình 4. Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ với hướng bức xạ được thay đổi theo các giá trị khác nhau của PIN diode
Hình 4 là giản đồ bức xạ 2D của một cấu trúc anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ với hướng bức xạ của anten được thay đổi từ 00 đến 900, 1800 và 2700 theo các trạng thái của phần tử bức xạ trên anten được điều khiển bởi các chuyển mạch của diode.
Anten tái cấu hình phân cực
Anten tái cấu hình phân cực là anten có thể thay đổi phân cực của anten theo các trạng thái khác nhau của chuyển mạch. Anten với phân cực được tái cấu hình có thể giảm fading đa đường, nâng cao chất lượng tín hiệu. Hầu hết các nghiên cứu về anten tái cấu hình phân cực đều là chuyển đổi giữa phân cực tròn bên phải (RHCP) và phân cực tròn bên trái (LHCP) tại tần số mong muốn. Ngoài ra cũng có các nghiên cứu về phân cực tuyến tính (theo phương thẳng đứng hoặc phương nằm ngang). Anten tái cấu hình phân cực thường sử dụng đa dạng cấu trúc để tạo phân cực như cấu trúc khe, cấu trúc ký sinh hay góc cắt...
Anten tái cấu hình cho hệ thống truyền thông 5G
Như đã giới thiệu ở phần trên, anten 5G hoạt động ở hai dải tần chính: dải tần truyền thống dưới 6 GHz và dải tần milimet nhằm dễ dàng trong việc mở rộng băng thông và gia tăng tốc độ. Bên cạnh đó, anten 5G cũng có xu hướng sử dụng kỹ thuật tái cấu hình nhằm gia tăng độ linh hoạt trong việc sử dụng băng tần cũng như giảm nhỏ kích thước anten trong trường hợp anten đa băng cho đa dải tần hoạt động.
Nội dung tiếp theo của bài báo sẽ giới thiệu hai mẫu anten tái cấu hình tương ứng với hai dải tần hoạt động của truyền thông di động 5G.
Anten tái cấu hình cho hệ thống 5G băng tần milimet
Một anten tái cấu hình theo giản đồ bức xạ hoạt động tại băng tần 27 – 30 GHz cho truyền thông di động 5G băng tần milimet được giới thiệu trong Hình 5 [3]. Anten có cấu trúc mảng tuyến tính 1x4 phần tử. Trong đó, hệ thống dịch pha có vai trò quét chùm tia (beam scanning) còn đặc tính tái cấu hình có vai trò chuyển mạch hướng của chùm tia.
Hình 5. (a) Anten mảng 1x4 phần tử (b) Tái cấu hình chùm tia quét của anten trong thiết bị đầu cuối di động 5G.
Dựa vào các trạng thái của PIN diode, anten có thể tái cấu hình theo 3 hướng quét khác nhau trên mặt phẳng θ bao gồm hướng 00 , 900 và 1800 và quét chùm tia với góc quét 1200 trên mặt phẳng ϕ. Như vậy, hệ thống anten này có thể cung cấp một vùng quét lớn mà không cần gia tăng số lượng anten trên thiết bị. Bên cạnh đó, anten hoạt động băng rộng, bao phủ toàn băng 28 GHz của băng tần milimet trong truyền thông di động 5G như chỉ ra trong đồ thị tham số S11 trên Hình 6.
Hình 6. Anten tái cấu hình 5G băng tần milimet với băng tần hoạt động trong các chế độ chuyển mạch khác nhau vẫn đảm bảo được băng tần 28 GHz
Anten tái cấu hình cho hệ thống 5G băng tần dưới 6 GHz
Một anten tái cấu hình theo tần số hoạt động tại băng tần dưới 6 GHz cho truyền thông di động 5G được giới thiệu trong nội dung này [4]. Như chỉ ra trong Hình 7, anten sử dụng bốn pin diode trong đó hai pin diode được đặt trên mặt phẳng bức xạ để điều khiển diện tích bức xạ nhằm thay đổi tần số hoạt động của anten và hai pin diode được đặt tại đường tiếp điện nhằm phối hợp trở kháng cho anten khi chiều dài điện của anten bị thay đổi bởi sự bật-tắt của hai diode trên mặt phẳng bức xạ.
Hình 7. Anten tái cấu hình 5G với (a): Hai pin diode trên mặt bức xạ (b): Hai pin diode trên đường tiếp điện
Anten 5G băng tần 6 GHz có hai trạng thái chuyển mạch. Ở trạng thái 1, hai diode trên mặt phẳng bức xạ cùng tắt, hai diode trên đường tiếp điện cùng bật. Trong trạng thái này, diện tích bức xạ của anten chỉ bao gồm 4 góc của hình chữ U trong thiết kế anten, tạo ra băng tần thấp 2,4 GHz cho truyền thông WLAN 802.11 như chỉ ra trong Hình 8(a). Ở trạng thái 2, hai diode trên mặt patch cùng bật, hai diode trên đường tiếp điện cùng tắt. Trong trạng thái này, diện tích bức xạ của anten bao gồm toàn bộ miền khe chẻ trên mặt phẳng bức xạ, tạo ra băng tần cao 3,5 GHz cho truyền thông di động 5G băng tần thấp.
Hình 8. Anten tái cấu hình 5G với 2 trạng thái chuyển mạch (a): Trạng thái 1 (b): trạng Thái 2
Kết luận
Công nghệ truyền thông không dây trong thời gian gần đây có sự phát triển vô cùng mạnh mẽ, từ 2G, đến 3G, 4G và hiện nay là truyền thông 5G. Như một phần quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống truyền thông không dây nào, anten cũng phải có sự biến chuyển và phát triển theo không ngừng. Trong đó, anten tái cấu hình như là một sự phát triển tất yếu của công nghệ anten. Với khả năng tái cấu hình của anten theo tần số, băng thông, hướng bức xạ,... anten tái cấu hình tăng cao độ linh hoạt. giảm kích thước, giảm xuyên nhiễu so với các hệ thống sử dụng đa anten hay anten đa băng trong truyền thông di động 5G.
Tài liệu tham khảo
1. Khalil H. Sayidmarie, Neil J. McEwan, Peter S. Excell, Raed A. Abd-Alhameed and Chan H. See, "Antennas for Emerging 5G Systems", International Journal of Antennas and Propagation, 2019.
2. Naser Ojaroudi Parchin, Haleh Jahanbakhsh Basherlou, Yasir I. A. Al-Yasir, Raed A. Abd-Alhameed, Ahmed M. Abdulkhaleq and James M. Noras, "Recent Developments of Reconfigurable Antennas for Current and Future Wireless Communication Systems", Electronics, vol.8, no. 128, 2019.
3. Jin Zhang, Shuai Zhang, Zhinong Ying, Arthur S. Morris, and Gert Frølund Pedersen, "Radiation-Pattern Reconfigurable Phased Array With p-i-n Diodes Controlled for 5G Mobile Terminals", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2019.
4. Gui Ping Jin, Chu Hong Deng, Ju Yang, Ye Chun Xu and Shao Wei Liao, "A New Diffirentially-Fed Frequency Reconfigurable Antenna for WLAN and Sub-6GHz 5G Applications", IEEE Access, 2019.
(Bài đăng tạp chí TT&TT Số 7+8 Tháng 8/2020)