Ứng dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất nền SIW trong truyền thông di động 6G

“

Tóm tắt:
- Công nghệ truyền thông di động 6G với những cải tiến lớn
trong lĩnh vực anten và kiến trúc bộ thu phát tại băng tần Theta hert (THz) là chủ đề hiện đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu.

- Các tính năng chính của truyền thông di động 6G: Sẵn sàng
ở khắp mọi nơi; Khả năng kết nối; Tính di động; Bảo mật; Tốc độ dữ liệu siêu cao; Dịch vụ quảng bá.

- Ống dẫn sóng tích hợp chất nền SIW là một công nghệ đường
truyền tiên tiến, được phát triển trong thế kỷ 21 và thu hút rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây, đặc biệt cho phát triển các thiết bị, linh kiện, mạch điện tử trong truyền thông di động 6G.

- Ứng dụng SIW trong truyền thông di động 6G: Chuyển đổi ống
dẫn sóng SIW băng tần D; Mảng anten SIW hoạt động ở băng tần 140 GHz.

Để đáp ứng nhu cầu này, nhiều công nghệ, kỹ thuật mới được đưa ra trong truyền thông di động thế hệ thứ 5 (5G) và tiếp theo đó là thế hệ thứ 6 (6G).  Trong đó, công nghệ truyền thông di động 6G với những cải tiến lớn trong lĩnh vực anten và kiến trúc bộ thu phát tại băng tần Theta hert (THz) là chủ đề hiện đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Trong đó, công nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất nền (SIW – Substrate Intergrated Waveguide) được đưa vào sử dụng khá nhiều cho cải thiện hiệu năng của các mạch điện tử cũng như phát triển các thiết kế anten.

Tổng quan về truyền thông di động 6G

Tuy chưa có các tiêu chuẩn chính thức cho truyền thông di động thế hệ thứ 6 (6G) nhưng các đặc tính và công nghệ cơ bản của công nghệ này đã được phát triển và định hình khá rõ ràng. Công nghệ 6G phát triển tiếp các đặc tính của 5G với việc tiếp tục tập trung vào giảm độ trễ, tăng dung lượng, tăng độ bảo mật và tăng phạm vi phủ sóng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng gia tăng về số lượng người truy cập, lưu lượng và các dịch vụ truyền hình có độ phân giải cao và siêu cao cũng như các ứng dụng thực tế ảo.

Hệ thống liên lạc của 6G dự kiến bao gồm mạng liên lạc không dây trên mặt đất, vệ tinh GEO/LEO, giao thông thông minh và mạng IoT/IIoT khổng lồ. Như chỉ ra trong Hình 1, phạm vi phủ sóng 6G bao gồm các khu vực địa lý rộng lớn, từ thành thị đến nông thôn đến các vùng sâu vùng xa, đại dương và cả hàng không.

Bên cạnh đó, theo các nghiên cứu và đề xuất hiện nay, truyền thông di động 6G sẽ sử dụng đồng thời dải tần dưới 6GHz, sóng milimet và băng tần mới: băng tần dưới Terahertz (THz) có tần số từ 100 GHz đến 300 GHz và băng tần THz có tần số từ 300 GHz đến 3 THz nhằm cung cấp tốc độ cực cao. Tốc độ của 6G có thể lên tới 1 Tegabit/s (Tbps), tức là cao hơn khoảng 100 lần tốc độ mạng 5G hiện tại.

Các tính năng chính của truyền thông di động 6G

Các tính năng chính của truyền thông di động 6G cùng các ứng dụng của chúng được liệt kê trong Hình 2.

1 - Sẵn sàng ở khắp mọi nơi: Đây là đặc tính mà chỉ đến thế hệ 6G mới có thể mang lại. Với việc tích hợp hệ thống truyền thông không gian, hàng hải cùng các trạm gốc trên mặt đất hay kết hợp thông tin vệ tính GEO/LEO với mạng mặt đất, hệ thống thông tin di động 6G có thể mở rộng vùng phủ sóng rộng khắp trên thế giới với tốc độ dữ liệu cao. Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với thông tin liên lạc trên máy bay, tầu thủy cũng như cư dân sinh sống và làm việc tại các vùng sâu, vùng xa.

2 - Khả năng kết nối: Đây được coi là một trong những đặc điểm mấu chốt của 6G đáp ứng nhu cầu gia tăng chóng mặt của các ứng dụng thông minh trong kỷ nguyên IoT như tòa nhà thông minh, thành phố thông minh, nông nghiệp thông minh,…

Trong tương lai, một số lượng khổng lồ các thiết bị IoT sẽ được kết nối với nhau không chỉ theo tầm nhìn thẳng mà cả tầm nhìn không thẳng (có chướng ngại vật). Để đảm bảo các kết nối này không bị gián đoạn, truyền thông di động 6G sẽ sử dụng các bề mặt phản xạ thông minh với việc kết hợp cấu trúc siêu vật liệu cùng đặc tính tái cấu hình sử dụng trí tuệ nhân tạo. Đồng thời truyền thông vệ tinh cũng được tích hợp với các trạm thu phát 5G/6G mặt đất nhằm khắc phục các tình huống có vật cản lớn.

3 - Tính đi động: Đặc tính di động của 6G kỳ vọng vươn tới một tầm cao mới, đáp ứng được tốc độ di chuyển rất cao với độ trễ cực thấp trong hệ thống giao thông thông minh. Tốc độ di động cực đại của 6G dự kiến có thể đạt đến 1000km/s, đáp ứng được cả nhu cầu di động của các thiết bị bay cũng như hàng không dân dụng hiện nay.

4 - Bảo mật: Quyền riêng tư và bảo mật dữ liệu là các khía cạnh thiết yếu của mọi hệ thống truyền thông, đặc biệt trong lĩnh vực an ninh quốc phòng và tài chính ngân hàng. Bằng cách áp dụng kỹ thuật học sâu và trí tuệ nhân tạo tại hai lớp: lớp mạng và lớp vật lý, độ an toàn của các thiết bị, hạ tầng cơ sở cũng như hệ thống mạng 6G sẽ được cải thiện đáng kể.

5 - Tốc độ dữ liệu siêu cao: Có thể nói, truyền thông di động 6G có thể cung cấp tốc độ dữ liệu gần như không hạn chế cho người dùng trong mọi lĩnh vực, bao gồm cả truyền phát video có độ phân giải cực cao hay truyền tải các luồng dữ liệu lớn. Điều này đạt được nhờ công nghệ đa anten và sự mở rộng băng thông. Với hệ thống massive MIMO và dải tần hoạt động milimet hay THz, truyền thông 6G kỳ vọng mang đến tốc độ tầm Tbps, cao hơn rất nhiều lần 5G cho cả đường lên và đường xuống.

6 - Dịch vụ quảng bá: Đây là loại hình dịch vụ mới được phát triển trên truyền thông di động băng rộng nhờ sự ra đời của các ứng dụng trên nền Internet và hạ tầng đa phương tiện. Với 6G, các ứng dụng đa phương tiện mới như video streaming chất lượng siêu cao, các chương trình thể thao, giải trí,... phát sóng trực tiếp có độ phân giải cao và siêu cao sẽ đạt được nhờ sự kết hợp của truyền thông vệ tinh, cáp quang và công nghệ di động.

Ống dẫn sóng tích hợp chất nền SIW

Ống dẫn sóng tích hợp chất nền SIW là một công nghệ đường truyền tiên tiến, được phát triển trong thế kỷ 21 và thu hút rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây, đặc biệt cho phát triển các thiết bị, linh kiện, mạch điện tử trong truyền thông di động 6G. SIW có thể triển khai tại các băng tần RF cũng như siêu cao tần trên các ứng dụng như bộ lọc, bộ ghép kênh, bộ chia/kết hợp công suất, thiết bị cảm biến và đặc biệt là cho thiết kế anten trong các thiết bị đầu cuối di động trong các hệ thống thông tin liên lạc hiện đại.

Cấu trúc của đường truyền ống dẫn sóng tích hợp chất nền SIW được trình bày trong Hình 3. Có thể thấy, SIW được hình thành bởi các via kim loại trong chất nền điện môi. Các via được thiết kế thành hai hàng song song dọc theo chiều dài của chất nền. Hai bề mặt của chất nền cũng được phủ kim loại, tương đương với các thành bên kim loại của ống dẫn sóng truyền thống.

Ống dẫn sóng tích hợp chất nền mang đặc tính của các thiết kế trên chất nền: nhỏ gọn, dễ tích hợp lại đảm bảo được thuộc tính của ống dẫn sóng như tổn thất bức xạ tối thiểu, hệ số phẩm chất Q cao, chịu được công suất lớn. Bên cạnh đó, công nghệ đường truyền SIW còn có ưu điểm nổi trội cho việc kết hợp nhiều thiết bị khác nhau (cả chủ động và thụ động) trên một mặt phẳng đế duy nhất.

Bởi những lợi thế như vậy, SIW thu hút được nhiều sự quan tâm, nghiên cứu cho các ứng dụng khác nhau, từ dải siêu cao tần đến dải quang. Công nghệ này không chỉ được sử dụng để thiết kế anten mà nó còn có thể chế tạo bộ lọc, bộ ghép kênh, bộ chia/kết hợp công suất hoặc các thiết bị cảm biến không dây ứng dụng trong các lĩnh vực y tế, chăm sóc sức khỏe hay dịch vụ an ninh.

Bộ lọc SIW

SIW được ứng dụng trong các thiết kế bộ lọc nhằm giảm kích thước, nâng cao độ chọn lọc, khả năng xử lý năng lượng, hệ số chất lượng, giảm chi phí,… Một số đề xuất SIW trong thiết kế bộ lọc gần đây bao gồm bộ lọc SIW chế độ kép, bộ lọc SIW băng rộng, bộ lọc SIW đa băng tần và bộ lọc SIW có thể cấu hình lại.

Bộ tách/ghép kênh SIW

Bộ tách/ghép kênh có vai trò chia phổ tần số thành hai hoặc nhiều phổ con hoặc để hợp nhất hai hoặc nhiều phổ con thành một phổ rộng. Bộ ghép kênh thường được sử dụng trong các ứng dụng liên lạc vệ tinh để hợp nhất anten phát và thu trên các phương tiện vũ trụ.

Các bộ ghép kênh SIW bao gồm một số khoang/bộ cộng hưởng SIW chế độ đơn được ghép nối với các đường dẫn riêng biệt và một mạng phối hợp trở kháng. Một số bộ tách/ghép kênh SIW đa chế độ (2 hoặc 3) có thể thu nhỏ đáng kể thiết bị đầu cuối và giảm mức độ tổn thất được ghi lại trên đường truyền/nhận.

Bộ chia/kết hợp công suất SIW

Bộ chia công suất thường là các phần tử thụ động nhận tín hiệu đầu vào và cung cấp một số tín hiệu đầu ra với các đặc tính pha và biên độ. Các thành phần này có thể được vận hành như các bộ kết hợp nguồn bằng cách cung cấp tín hiệu đơn giản vào các cổng đầu ra của bộ chia.

Các loại khác nhau của bộ chia/bộ kết hợp công suất dựa trên SIW bao gồm: bộ chia SIW hình cây, bộ chia SIW theo dạng chuỗi, bộ chia SIW đa chế độ, bộ chia công suất SIW Wilkinson và Gysel,… Với sự phát triển của công nghệ, bộ chia/kết hợp công suất SIW cũng có thể phát triển thêm đặc tính tái cấu hình.

Anten SIW

Anten là thành phần chính trong hệ thống thông tin liên lạc không dây. Chức năng chính của chúng là truyền và nhận tín hiệu. Ngoài xu hướng ngày càng tăng liên quan đến sự đơn giản hóa và thu nhỏ của các hệ thống thông tin liên lạc, cần phải hợp nhất các anten và bộ lọc thành một thiết bị đơn lẻ đồng thời đạt được cả chức năng bức xạ và lọc. Thiết bị tích hợp này được gọi là anten lọc (hoặc fitenna). Các loại filtenna này có thêm ưu điểm là cải thiện khả năng triệt tiêu tần số ngoài dải và tăng khả năng bức xạ. Các filter SIW cũng đã được đề xuất và thiết kế cho các ứng dụng sóng milimet hay THz của truyền thông di động 5G/6G.

Cảm biến SIW

Cảm biến và nhận dạng không dây là công nghệ hiện đại với nhiều ứng dụng như theo dõi trong nhà và ngoài trời, phát hiện hoạt động của các đối tượng được gắn thẻ, cơ thể con người, v.v.. Điều này đã dẫn đến những đột phá khoa học trong các lĩnh vực khác nhau của loài người như chăm sóc sức khỏe, giám sát thảm họa, gia tăng môi trường thông minh, tăng cường dịch vụ an ninh, v.v.. Các ống dẫn sóng tích hợp chất nền SIW đã được sử dụng để cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong các thiết bị cảm biến như cảm biến độ ẩm, cảm biến xoay,…

Ứng dụng SIW trong truyền thông di động 6G

Thế hệ thứ 6 của truyền thông không dây nhằm đạt được tốc độ dữ liệu cực cao, độ trễ cực thấp, hiệu quả năng lượng cao, vùng phủ sóng toàn cầu và kết nối thông minh trên toàn thế giới. Nội dung tiếp theo giới thiệu một số thiết kế SIW trong một số phần tử, thiết bị điện tử 6G tại băng tần sub THz và Thz của truyền thông di động 6G.

Chuyển đổi ống dẫn sóng SIW băng tần D

Một thiết kế chuyển đổi từ ống dẫn sóng băng tần D tiêu chuẩn sang ống dẫn sóng tích hợp chất nền (SIW) cho các ứng dụng 6G được chỉ ra trong Hình 4. Cấu trúc SIW được xây dựng trên chất nền RT5880 với chiều dầy 0,254mm, hằng số điện môi εr = 2,2. Cấu trúc này gồm các via được sắp xếp liền kề nhau với kích thước chiều dài là l, chiều rộng là w. Chính giữa cấu trúc là khe hình chữ nhật có kích thước a*b và miếng bức xạ kích thước lp*wp để cải thiện khả năng phối hợp trở kháng. Đường SIW với chiều rộng c được sử dụng để ghép nối năng lượng tại đầu ra của cấu trúc SIW. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đều cho thấy băng thông hoạt động của cấu trúc đạt 26,5 GHz (135–161,5 GHz) có thể được tích hợp với anten băng tần D cho các ứng dụng 6G.

Mảng anten SIW hoạt động ở băng tần 140GHz

Mảng anten đề xuất có thể hoạt động tại băng tần 140GHz của truyền thông di động 6G. Anten có cấu trúc mảng 8x8 phần tử, được chỉ ra như trong Hình 5. Trong đó, mỗi phần tử bao gồm 4 lớp kim loại, được ngăn cách với nhau bởi chất nền LTCC có hằng số điện môi εr=5,9 và độ tổn hao là 0,002.

Cấu trúc của mỗi lớp được thể hiện trong Hình 6 với cấu trúc SIW được thiết kế khác nhau trên mỗi lớp nhằm đảm nhiệm vai trò phối hợp trở kháng và truyền dẫn năng lượng từ nguồn đến các phần tử bức xạ.

Có thể thấy, anten mảng 8x8 cho kích thước nhỏ, cấu trúc không quá phức tạp nhưng đạt được băng thông rộng từ 130 đến 145 GHz, với hệ số khuếch đại 20,5 dBi, hiệu suất khoảng 60%.

Anten sử dụng công nghệ SIW kết hợp cấu trúc siêu vật liệu cho hoạt động tại băng tần THz của truyền thông di động 6G

Thiết kế này triển khai trên vật liệu GaAs có hằng số điện môi khá cao, εr=12,88 và độ tổn hao cực thấp, đạt 0,0004. Chi tiết của thiết kế được thể hiện trên hình Hình 7 (a), (b) với kết quả mô phỏng và thực nghiệm được thể hiện trên Hình 7(c).

Có thể thấy, cấu trúc của anten bao gồm năm lớp trong đó có 2 lớp GaAs và 3 kim loại được đặt xen kẽ nhau. Anten có bề mặt bức xạ hình cờ lê kết hợp với cấu trúc SIW hình chữ nhật bao quanh nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ gây ra bởi sóng bề mặt. Để cải thiện hệ số khuếch đại và hiệu suất bức xạ, đặc tính siêu vật liệu với cấu trúc tuần hoàn hình tròn được khắc trên bề mặt bức xạ hình cờ lê của anten. Với kiến trúc kết hợp siêu vật liệu và SIW này, anten đề xuất có thể hoạt động trên dải tần số rộng từ 445 đến 470 GHz phù hợp với băng tần THz của truyền thông di động 6G.

Kết luận

Mạng di động thế hệ 6G đang được nhiều nhà mạng trên thế giới nghiên cứu và phát triển với nhiều hứa hẹn về khả năng kết nối, tốc độ, đặc tính an toàn,... và đặc biệt là đặc tính vùng phủ mạng trên toàn thế giới.

Trong những năm gần đây, công nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất nền SIW ngày càng đạt được nhiều sự chú ý trong cộng đồng siêu cao tần vì tính linh hoạt của cấu trúc khi áp dụng trên các mạch điện tử. Các thành phần SIW có cấu trúc nhỏ gọn, dễ dàng được đóng gói để kết hợp với nhau trên công nghệ mạch in, cung cấp một giải pháp rộng rãi cho ứng dụng thương mại sóng mm hay THz trong các mạng không dây, cảm biến hình ảnh, radar, ô tô, các thiết bị y sinh và đặc biệt trong truyền thông di động 6G./.

“

Tài liệu tham khảo:

1. Mohammad Alibakhshikenari, Bal S.Virdee, Renu Karthick
Rajaguru, Amjad Iqbal, Muath Al-Hasan, Chan H. See & Francisco Falcone ‘’High performance antenna-on-chip inspired by SIW and metasurface technologies for THz band operation,’’ Nature, Scientific Reports, volume 13, Article number: 56, 2023.

2. Amir Altaf, Syed Muzahir Abbas, Manzoor Elahi, Jawad
Yousaf, Eqab Almajali, ‘’ A D-band Waveguide-SIW Transition for 6G Applications, ‘’ Article in Journal of Electromagnetic Engineering and Science, July 2022.

3. Muhammad Ikram, Kamel Sultan, Muhammad Faisal Lateef,
Abdulrahman S. M. Alqadami ‘’A Road towards 6G Communication—A Review of 5G Antennas, Arrays, and Wearable Devices,’’ Electronics, 11(1), 169, 2022.

4. Augustine O. Nwajana and Emenike Raymond Obi., “A Review
on SIWand Its Applications toMicrowave Components”, Electronics, 11, 1160, 2022

5. “140GHz Antenna Array for 6G Wireless Communication”, REMCOM Electromagnetic Simulation Software, 2021.

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 5 tháng 5/2023)