Ăng-ten mảng khe phân cực tròn sử dụng cấu trúc tiếp điện bằng hốc cộng hưởng SIW hoạt động ở băng tần 28 GHz cho các ứng dụng 5G

Tóm tắt— Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một ăng-ten mảng nhỏ gọn, phân cực tròn, tiếp điện bằng cáp đồng trục ứng dụng cấu trúc ống dẫn sóng tích hợp trong đế điện môi (SIW) hoạt động ở dải tần 28 GHz cho các ứng dụng 5G. Ăng-ten bao gồm 1 tấm phát xạ được cấu tạo từ mảng 4 x 4 phần tử bức xạ nhỏ có cấu trúc hình chữ nhật vát cạnh đặt trên tấm đế điện môi tích hợp SIW. Để tiếp điện cho mảng các phần tử phát xạ, chúng tôi đã tạo ra các lỗ khoét dạng thanh chữ nhật trên mặt kim loại của tấm điện môi SIW. Phân cực tròn được tạo ra nhờ sự lệch pha 90° của các dòng điện mặt chảy trên bề mặt phần tử phát xạ có cấu trúc vát cạnh đối xứng. Ăng-ten mảng SIW đề xuất có cấu trúc nhỏ, gọn, hỗ trợ cả phân cực tròn trái và phân cực tròn phải, thuận lợi cho việc thu phát sóng trong mạng di động 5G hoạt động ở dải tần số sóng mi-li-mét. Ăng-ten đề xuất có kích thước tổng thể là 23.8 mm  23.8 mm  2.016 mm (2.22 λo  2.22 λo  0.19 λo tại tần số 28 GHz); băng thông hoạt động tương ứng với |S11| < –10 dB là 1.920 GHz (26.58–28.50 GHz); băng thông phân cực tròn tương ứng với AR < 3-dB là 3.600 GHz (26.250–29.850 GHz). Tại tần số 28 GHz, ăng-ten đề xuất có tăng ích 14.83 dBic.

pdf6 trang | Chia sẻ: thanhle95 | Ngày: 12/07/2021 | Lượt xem: 102 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Ăng-ten mảng khe phân cực tròn sử dụng cấu trúc tiếp điện bằng hốc cộng hưởng SIW hoạt động ở băng tần 28 GHz cho các ứng dụng 5G, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Ăng-ten mảng khe phân cực tròn sử dụng cấu trúc tiếp điện bằng hốc cộng hưởng SIW hoạt động ở băng tần 28 GHz cho các ứng dụng 5G Son Ho-Quang1*, Son Xuat Ta1, Kiem Nguyen-Khac1, Chien Dao-Ngoc1,2 1Viện Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam 2Trung tâm nghiên cứu và phát triển quốc gia về công nghệ mở, Bộ Khoa học và Công nghệ, Hà Nội, Việt Nam sonhq@rfd.gov.vn, chiendn-fet@mail.hut.edu.vn Tóm tắt— Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một ăng-ten mảng nhỏ gọn, phân cực tròn, tiếp điện bằng cáp đồng trục ứng dụng cấu trúc ống dẫn sóng tích hợp trong đế điện môi (SIW) hoạt động ở dải tần 28 GHz cho các ứng dụng 5G. Ăng-ten bao gồm 1 tấm phát xạ được cấu tạo từ mảng 4 x 4 phần tử bức xạ nhỏ có cấu trúc hình chữ nhật vát cạnh đặt trên tấm đế điện môi tích hợp SIW. Để tiếp điện cho mảng các phần tử phát xạ, chúng tôi đã tạo ra các lỗ khoét dạng thanh chữ nhật trên mặt kim loại của tấm điện môi SIW. Phân cực tròn được tạo ra nhờ sự lệch pha 90° của các dòng điện mặt chảy trên bề mặt phần tử phát xạ có cấu trúc vát cạnh đối xứng. Ăng-ten mảng SIW đề xuất có cấu trúc nhỏ, gọn, hỗ trợ cả phân cực tròn trái và phân cực tròn phải, thuận lợi cho việc thu phát sóng trong mạng di động 5G hoạt động ở dải tần số sóng mi-li-mét. Ăng-ten đề xuất có kích thước tổng thể là 23.8 mm  23.8 mm  2.016 mm (2.22 λo  2.22 λo  0.19 λo tại tần số 28 GHz); băng thông hoạt động tương ứng với |S11| < –10 dB là 1.920 GHz (26.58–28.50 GHz); băng thông phân cực tròn tương ứng với AR < 3-dB là 3.600 GHz (26.250–29.850 GHz). Tại tần số 28 GHz, ăng-ten đề xuất có tăng ích 14.83 dBic. Từ khóa— ăng-ten vi dải, SIW, phân cực tròn, ứng dụng 5G, sóng mi-li-mét, ăng-ten khe, ăng-ten mảng. I. GIỚI THIỆU Trong thời đại ngày nay, nhu cầu sử dụng và truyền dữ liệu của con người ngày càng lớn, đặc biệt là trong bối cảnh các công nghệ dữ liệu lớn (big-data), trí tuệ nhân tạo (AI), vạn vật kết nối (IoT) đang liên tục ra đời và ngày càng phát triển bùng nổ. Lưu lượng dữ liệu không dây được dự đoán sẽ tăng gấp 1000 lần từ năm 2010 đến 2020 [1] đặt ra yêu cầu rất cao cho các hệ thống thông tin thế hệ mới, đặc biệt là công nghệ thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G). Trên thế giới, một số dải tần đã được nghiên cứu để phân bổ cho 5G được chia làm 2 loại: các dải tần số dưới 6GHz và các dải tần số sóng mi-li-mét. So với các dải tần dưới 6 GHz, các dải tần sóng mi-li-mét như dải tần 24 GHz, 28 GHz, 60 GHz có thể phân bổ được phổ tần rộng hơn gấp nhiều lần, do đó có thể đáp ứng khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cực cao (hàng Gbps) [2]. Chính lợi thế này đã mở ra cơ hội phát triển nhiều ứng dụng trên dải tần sóng mi-li-mét này, bao gồm: điện toán phân tán di động; kết nối internet không dây với tốc độ cực cao; trạm kết nối không dây; và các ứng dụng truyền video độ phân giải cao không nén, chủ yếu trong các mạng WPAN cá nhân tầm ngắn [3]. Yêu cầu đặt ra đối với các ăng-ten cho các thiết bị này là kích thước nhỏ gọn, độ định hướng tốt, độ suy hao thấp và có giá thành rẻ để dễ dàng tích hợp với các mạch thu phát sóng điện từ hoạt động ở dải tần sóng mi-li-mét [4]. Các hệ thống phân cực tròn (CP) cho phép việc định hướng giữa ăng-ten thu và phát linh hoạt hơn, bên cạnh đó hiệu ứng lan truyền của sóng phân cực tròn CP ít bị ảnh hưởng hơn so với sóng phân cực tuyến tính (LP). Trong thời gian gần đây, nhiều ăng-ten phân cực tròn hoạt động ở dải tần sóng mi-li-mét đã được đề xuất, ví dụ như ăng-ten dạng patch, ăng-ten xoắn ốc, ăng-ten dạng lưới, ăng-ten khe, ăng-ten aperture [5-10]. Tuy nhiên, nhiều thiết kế hiện tại có cấu trúc ăng-ten hoặc cấu trúc tiếp điện phức tạp (ví dụ: sử dụng cấu trúc đa lớp hoặc cấu trúc tiếp điện sử dụng ống dẫn sóng dạng khe phức tạp) hoặc có hiệu suất thấp (ví dụ: băng thông phân cực tròn thấp hoặc tăng ích thấp). Cấu trúc tiếp điện sử dụng ống dẫn sóng tích hợp trong đế điện môi (SIW) là giải pháp có độ tổn hao thấp, không có bức xạ ngược, giá thành rẻ, có cấu trúc phẳng và dễ tích hợp để tiếp điện cho các ăng-ten vi dải, ăng-ten mảng khe hoạt động ở dải tần sóng mi-li-mét [5], [11]. Bên cạnh đó, SIW cũng được đánh giá cao vì các đặc tính rất có lợi bao gồm: tăng ích cao, hiệu suất bức xạ cao và độ định hướng rất tốt [12], [13]. Nó cũng có thể làm giảm sóng bề mặt và cải thiện khả năng cách ly của mảng ăng-ten khi hoạt động ở dải tần sóng mi-li-mét [14]. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một ăng-ten nhỏ gọn sử dụng cấu trúc tiếp điện bằng SIW hoạt động ở dải tần 28 GHz cho các ứng dụng 5G. Ăng-ten đề xuất bao gồm 1 tấm phát xạ được cấu tạo từ mảng 4 x 4 phần tử bức xạ nhỏ có cấu trúc hình chữ nhật vát cạnh đặt trên tấm đế điện môi tích hợp SIW. Để tiếp điện cho các phần tử phát xạ, chúng tôi đã tạo ra các lỗ khoét dạng thanh chữ nhật trên mặt kim loại của tấm điện môi SIW. Phân cực tròn được tạo ra nhờ sự lệch pha 90° của các dòng điện mặt chảy trên bề mặt phần tử phát xạ có cấu trúc vát cạnh đối xứng. Ăng-ten đề xuất được nghiên cứu, tối ưu, mô phỏng thông qua phần mềm ANSYS HFSS (ANSYS High-Frequency Structure Simulator). II. THIẾT KẾ ĂNG-TEN ĐƠN A. Cấu trúc ăng-ten Cấu trúc của ăng-ten đơn được thể hiện tại Hình 1. Ăng-ten bao gồm một tấm bức xạ, một cấu trúc tiếp điện bằng SIW, một mặt là tấm kim loại có khoét khe, SMA 50-Ω và 2 tấm đế điện 100 môi Rogers RT5880 (εr = 2.2 và tanδ = 0.0009). Trong tấm đế điện môi phía dưới, một khoang vuông được tạo ra bằng 4 hàng lỗ kim loại (vias). Mỗi lỗ kim loại có đường kính D và khoảng cách giữa 2 lỗ via liên tiếp là P, tổng chiều dài của hàng lỗ kim loại là Lc xuyên qua đế điện môi có độ dày h = 0.508 mm. Mặt trên của tấm đế điện môi phía dưới là một tấm kim loại có khoét khe với kích thước là Ls  Ws để bức xạ sóng điện từ từ cấu trúc tiếp điện bằng SIW phía dưới lên phần tử bức xạ đặt ở tấm đế điện môi phía trên. Đầu SMA tiếp điện được đặt ở điểm có tọa độ (feed_x = -1.2 mm; feed_y= -1.3 mm). y xWs Ls Lc Wc Wsiw (a) d1 d2 y x feed_x feed_y P D (b) h εr h εr = 2.2 dg arrow shaped patch slot (c) Hình 1. Cấu trúc ăng-ten đơn đề xuất: (a) hình chiếu đứng của lớp khe bức xạ, (b) hình chiếu đứng của lớp tiếp điện, and (c) hình chiếu bằng của ăng-ten Tấm điện môi phát xạ được đặt phía trên, cách tấm điện môi SIW một khoảng không khí (dg = 1.2 mm) có tác dụng như một lưỡng cực phát xạ. Để tạo ra phân cực tròn, phần tử bức xạ đặt ở mặt trên tấm điện môi có hình dạng chữ nhật có kích thước (DL  DW) được vát đối xứng hai đầu với kích thước vát là w. Phần tử bức xạ được quay đi một góc α so với trục x để tận dụng được năng lượng bức xạ lớn nhất hất lên từ khe bức xạ. Cấu trúc mặt bức xạ được thể hiện tại Hình 2. DL D W w Hình.2. Cấu trúc ăng-ten sử dụng phần tử bức xạ là hình chữ nhật vát đối xứng B. Thiết kế ăng-ten Như chúng ta đã biết, băng thông hoạt động của ăng-ten phụ thuộc rất lớn vào độ dày cũng như đặc tính của tấm đế điện môi. Sau khi lựa chọn tấm đế điện môi là Rogers RT5880 để thiết kế, các kích thước của ăng-ten (kích thước khe bức xạ, kích thước và khoảng cách lỗ kim loại) được xác định dựa theo tần số hoạt động như sau. Giả sử ăng-ten của chúng ta có tần số hoạt động là f, kích thước khe bức xạ và kích thước bức xạ SIW cũng phải phù hợp để bức xạ gần với tần số này. Giả sử , 𝑓𝑠𝑙𝑜𝑡 ≅ 𝑓𝑆𝐼𝑊 ≅ 𝑓0, và kích thước khe bức xạ (Ls  Ws) sẽ được tính dựa theo công thức dưới đây: 𝐿𝑠 = 𝜆0 2 (1) 𝑊𝑠 = 𝜆𝑔 20 (2) Trong đó: 𝜆0 = 𝑐 𝑓0⁄ và 𝜆𝑔 = 1 √( 1 𝜆0 ) 2 −( 1 2×𝐿𝑐 ) 2 Để cấu trúc tiếp điện tích hợp trong đế điện môi SIW hoạt động, có 2 điều kiện sau phải đáp ứng: 𝐷 < 0.1𝜆0 and 𝑃 < 2𝐷. Tham số chính 𝑊𝑆𝐼𝑊 là độ rộng của cấu trúc bức xạ SIW có thể được tính theo công thức dưới đây [15]: 101 𝑓𝑆𝐼𝑊 = 0.6𝑐 𝑊𝑆𝐼𝑊√𝜀𝑒𝑓𝑓 (3) Trong đó 𝑐 vận tốc ánh sáng lan truyền trong không gian tự do; 𝜀𝑒𝑓𝑓 = 2𝜀𝑟 (1 + 𝜀𝑟)⁄ là hằng số điện môi tương đối khi tính đến sự có mặt của môi trường điện môi khác giữa khe bức xạ và mặt đất. C. Khảo sát tham số ăng-ten Ảnh hưởng của các tham số chính đến băng thông phân cực tròn AR và hệ số phản xạ S11 đã được chúng tôi nghiên cứu kỹ. Các kinh nghiệm rút ra trong quá trình mô phỏng, tối ưu rất có ý nghĩa khi thiết kế ăng-ten có cấu trúc tương đương. Theo Hình 3(a) và 3(b), có thể thấy khi chiều dài phần tử bức xạ DL tăng lên, tần số cộng hưởng của ăng-ten có xu hướng giảm xuống, trong khi đó tần số phân cực tròn lại có xu hướng chuyển dịch lên. Góc quay “alpha” cũng ảnh hưởng khá lớn đến tần số hoạt động của ăng-ten theo khảo sát tại Hình 4(a) và 4(b). Kích thước của hốc cộng hưởng SIW cũng ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phối hợp và phân cực tròn của ăng-ten. Khi khoảng cách giữa các lỗ via “P” tăng lên, tần số cộng hưởng của SIW giảm xuống, băng thông ăng-ten tăng lên nhưng tỷ số S11 và phân cực tròn của ăng-ten giảm xuống như trình bày ở Hình 5(a) và 5(b). 23 24 25 26 27 28 29 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 |S 1 1 |( d B ) Frequency [GHz] Dl=3.5mm Dl=3.54mm Dl=3.6mm Dl=3.66mm Dl=3.7mm (a) 27.0 27.5 28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 0 1 2 3 4 5 6 A x ia l R a ti o (d B ) Frequency [GHz] Dl=3.5mm Dl=3.54mm Dl=3.6mm Dl=3.66mm Dl=3.7mm (b) Hình 3. Tác động của tham số DL đến (a) |S11|, và (b) giá trị AR 24 26 28 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Frequency [GHz] alpha = 34 deg alpha = 36 deg alpha = 38 deg alpha = 40 deg alpha = 42 deg |S 1 1 |( d B ) 23 25 27 29 (a) 27.0 27.5 28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 0 1 2 3 4 5 6 7 Frequency [GHz] alpha = 34 deg alpha = 36 deg alpha = 38 deg alpha = 40 deg alpha = 42 deg A x ia l R a ti o ( d B ) (b) Hình. 4. Ảnh hưởng của góc quay alpha tới (a) |S11| và (b) giá trị AR. 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 -50 -40 -30 -20 -10 0 Frequency [GHz] P = 0.8 mm P = 0.82 mm P = 0.84 mm P = 0.86 mm P = 0.88 mm P = 0.9 mm |S 1 1 |( d B ) (a) 27.0 27.5 28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 0 1 2 3 4 5 6 7 Frequency [GHz] P = 0.8 mm P = 0.82 mm P = 0.84 mm P = 0.86 mm P = 0.88 mm P = 0.9 mm A x ia l R a ti o ( d B ) (b) Hình. 5. Ảnh hưởng của khoảng cách P giữa 2 vias tới (a) |S11|, và (b) giá trị AR 102 Sau khi xác định được các tham số ảnh hưởng đến đặc tính ăng-ten, chúng tôi điều chỉnh, tối ưu các kích thước ăng-ten bằng phần mềm mô phỏng HFSS. Ăng-ten đơn đạt được với các kích thước tối ưu như liệt kết ở Bảng I dưới đây. BẢNG I. CÁC KÍCH THƯỚC CỦA ĂNG-TEN ĐƠN TỐI ƯU P 0.86 mm DL 3.6 mm D 0.36 mm DW 1.2 mm h 0.508 mm feed_x -1.2 mm Lc 10.88 mm feed_y -1.3 mm Ls 4.3 mm alpha 38° Ws 0.97 mm dg 1.2 mm w 0.5 mm D. Kết quả mô phỏng đặc tính ăng-ten đơn Các đặc tính bức xạ của ăng-ten đơn tối ưu sử dụng cấu trúc tiếp điện SIW được mô tả như Hình 6 – 8 dưới đây. Băng thông đạt được là 5.096 GHz (23.278–28.374 GHz), bao trùm băng 28 GHz đã được phân bổ cho 5G (27.5–28.35 GHz). Có thể thấy băng thông phân cực tròn đạt được cũng rất tốt trong đoạn băng tần hoạt động như Hình 7. Băng thông phân cực tròn tương ứng với tỷ số AR < 3 dB là 27.412–29.800 GHz (2388 MHz), tần số trung tâm của băng thông phân cực tròn là 28.0 GHz (AR = 0.359 dB). Tăng ích ăng-ten đạt đến 7.04 dBic trong băng tần hoạt động. 22 23 24 25 26 27 28 29 30 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 |S 1 1 |( d B ) Frequency [GHz] Hình. 6. Kết quả mô phỏng tham số |S11| của ăng-ten đơn đề xuất. 27.0 27.5 28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 0 3 6 Frequency [GHz] A x ia l R a ti o ( d B ) 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 G a in ( d B ic ) Hình. 7. Kết quả mô phỏng tỷ số trục AR và tăng ích của ăng-ten đề xuất -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 xOz yOz (a) -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 xOz yOz (b) Hình. 8. Cấu trúc bức xạ của ăng-ten đề xuất tại tần số: (a) 27.5 GHz, và (b) 28.35 GHz III. THIẾT KẾ ĂNG-TEN MẢNG A. Cấu trúc ăng-ten Cấu trúc của ăng-ten mảng được thể hiện tại Hình 9. Ăng- ten bao gồm 2 tấm đế điện môi làm bằng vật liệu Rogers RT5880 (εr = 2.2, tanδ = 0.0009) có độ dày h = 0.508 mm (20 mils). Tấm đế điện môi phía dưới có đục các hàng lỗ vias tạo thành cấu trúc hốc cộng hưởng SIW. Mỗi lỗ kim loại có đường kính D và khoảng cách giữa 2 lỗ via liên tiếp là P, tổng chiều dài của hàng lỗ kim loại là Lc xuyên qua đế điện môi có độ dày h = 0.508 mm. Mặt dưới của tấm đế điện môi này là mặt phẳng đất (GND), phía trên là một tấm kim loại có khoét khe với kích thước là Ls  Ws để bức xạ sóng điện từ từ cấu trúc tiếp điện bằng SIW phía dưới lên phần tử bức xạ đặt ở tấm đế điện môi phía trên. Đầu SMA tiếp điện được đặt ở điểm có tọa độ (feed_x = -1.2 mm; feed_y= -1.3 mm). h εr h εr = 2.2 dg Radiation element slot (a) 103 S_l Lc y x S_w Wc patch_axis alpha (b) y x d1 d2 feed_x feed_y D P (c) Hình. 9. Cấu trúc của ăng-ten mảng đề xuất: (a) hình chiếu bằng của ăng-ten, (b) hình chiếu đứng của lớp khe bức xạ, (c) hình chiếu đứng của lớp tiếp điện. B. Cơ chế bức xạ Tiếp điện của ăng-ten được đưa vào tại đầu vào của cáp đồng trục. Sóng lan truyền trong hốc cộng hưởng SIW có phân bố điện trường tại tần số 28 GHz như Hình 10. Hình. 10. Phân bố điện trường trong hốc cộng hưởng SIW Nhìn vào phân bố điện trường này, có thể thấy có 4 x 4 đỉnh sóng đứng đã được hình thành trong hốc cộng hưởng SIW. Dựa trên các phân bố đỉnh sóng đứng này, các khe ở mặt trên của tấm điện môi được sắp xếp tại tâm của mỗi sóng đứng để năng lượng bức xạ qua là lớn nhất. Hai sóng đứng liên tiếp ở 2 hàng gần nhau được sắp xếp để cách nhau một khoảng là một nửa bước sóng để có độ lệch pha là 180°. C. Khảo sát tham số ăng-ten Tương tự như đối với ăng-ten đơn, các kích thước ảnh hưởng lớn nhất đến các tham số phát xạ của ăng-ten là chiều dài phần tử bức xạ DL, góc quay “alpha”, khoảng cách giữa các lỗ vias “P”. Sau quá trình mô phỏng, tối ưu như đã thực hiện đối với ăng-ten đơn, chúng tôi đã đạt được ăng-ten phân cực tròn đảm bảo các tiêu chí bức xạ đã đặt ra với các kích thước đã được tối ưu như bảng II dưới đây. BẢNG II. CÁC KÍCH THƯỚC CỦA ĂNG-TEN MẢNG TỐI ƯU P 1.04 mm DL 3.54 mm D 0.7 mm DW 1.2 mm h 0.508 mm feed_x -2.12 mm Lc 20.8 mm feed_y 1.9 mm Ls 4.8 mm alpha 135° Ws 0.97 mm dg 1 mm w 0.5 mm IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Các đặc tính bức xạ của ăng-ten mảng sử dụng cấu trúc tiếp điện SIW đề xuất được mô tả như Hình 11 – 13 dưới đây. Băng thông đạt được là 1.920 GHz (26.58–28.50 GHz), bao trùm băng 28 GHz đã được phân bổ cho 5G (27.5–28.35 GHz). Có thể thấy băng thông phân cực tròn đạt được cũng rất tốt trong đoạn băng tần hoạt động như Hình 12. Băng thông phân cực tròn tương ứng với tỷ số AR < 3 dB là 26.25–29.85 GHz (3600 MHz), tần số trung tâm của băng thông phân cực tròn là 28.15 GHz (AR = 1.58 dB). Tăng ích ăng-ten đạt đến 14.87 dBic trong băng tần hoạt động. Hình 13 cho thấy ăng-ten đề xuất có búp sóng khá rộng và có cấu trúc bức xạ tương đối đều trong cả mặt phẳng x-z và y-z. Ở tần số 27.5 GHz, ăng-ten đạt tăng ích 14.77 dBic và góc nửa công suất tương ứng với mặt phẳng x-z, y-z lần lượt là 27° và 34°. Ở tần số 28.35 GHz, ăng-ten đạt tăng ích 14.46 dBic và góc nửa công suất tương ứng với mặt phẳng x-z, y-z lần lượt là 25° và 39° 26.0 26.5 27.0 27.5 28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 -25 -20 -15 -10 -5 0 |S 1 1 |( d B ) Frequency [GHz] Hình. 11. Kết quả mô phỏng |S11| của ăng-ten đề xuất. 104 26.0 26.5 27.0 27.5 28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 0 3 6 Frequency[GHz] A x ia l R a ti o ( d B ) 3 6 9 12 15 G a in ( d B ic ) Hình. 12. Kết quả mô phỏng tỷ số AR và tăng ích của ăng-ten đề xuất, -20 -10 0 10 20 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 20 xOz yOz (a) -20 -10 0 10 20 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 20 xOz yOz (b) Hình. 13. Cấu trúc bức xạ của ăng-ten đề xuất: (a) 27.5 GHz, và (b) 28.35 GHz V. KẾT LUẬN Trong bài báo này, chúng tôi đã nghiên cứu, thiết kế một ăng- ten mảng, tiếp điện bằng cáp đồng trục sử dụng nguyên lý bức xạ ống dẫn sóng tích hợp trong đế điện môi SIW hoạt động ở dải tần 28 GHz cho các ứng dụng 5G. Ăng-ten sử dụng phần tử bức xạ có khoét cạnh đối xứng và quay góc phù hợp so với khe bức xạ để tạo ra phân cực tròn CP. Ăng-ten đề xuất có kích thước tổng thể là 23.8 mm  23.8 mm  2.016 mm (2.22 λo  2.22 λo  0.19 λo tại tần số 28 GHz); băng thông hoạt động tương ứng với |S11| < –10 dB là 1.920 GHz (26.58–28.50 GHz);băng thông phân cực tròn tương ứng với AR < 3-dB là 3.600 GHz (26.250– 29.850 GHz). Với thiết kế nhỏ gọn, tiếp điện đơn giản, phối hợp trở kháng tốt, băng thông phân cực tròn lớn, ăng-ten đề xuất có thể áp dụng rộng rãi cho các ứng dụng 5G hoạt động ở băng tần 28 GHz. TÀI LIỆU THAM CHIẾU [1] B. Raaf et aI., "Vision for beyond 4G broadband radio systems," Proc. IEEE 22nd Int. Symp. PIMRC, Sep. 2011, pp. 2369-2373. [2] T. S. Rappaport, J. Murdock, and F. Gutierrez, "State of the art in 60 GHz integrated circuits and systems for wireless communications," Proc. IEEE, vol. 99, no. 8, pp. 1390-1436, Aug. 2011. [3] H.K. Lau, "High-speed short-range systems for wireless personal area networks," Wireless Telecommunications Symp., Prague, Czech Republic, Apr. 2009, pp. 1-4. [4] L. Li et aI., "Design of 60GHz RF transceiver in CMOS: Challenges and recent advances," Communications, China, vol. II, no. 6, pp.32-4I, Jun. 2014. [5] A. B. Guntupalli and K. Wu, "60-GHz Circularly Polarized Antenna Array Made in Low-Cost Fabrication Process," IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 13, pp. 864-867,2014. [6] C. Liu, Y-X. Guo, X. Bao, and S.-Q. Xiao, "60-GHz LTCC integrated circularly polarized helical antenna array," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 3, pp. 1329-1335, Mar. 2012. [7] B. Zhang, Y P. Zhang, D. Titz, F. Ferrero, and C. Luxey, "A circularlypolarized array antenna using linearly-polarized sub grid arrays for highly-integrated 60-GHz radio," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 61, no. I, pp. 436-439, Jan. 2013. [8] H. Nematollahi, H. Boutayeb, and K. Wu, "Millimeter-wave circularlypolarized traveling-wave substrate integrated waveguide antennas," Proc. of the 2009 European Microwave Conference (EuMC), pp. 1555-1558,2009. [9] A. D. Nesic and D. A. Nesic, "Printed planar 8x8 array antenna with circular polarization for millimeter-wave application," IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 11, pp. 744-747, 2012. [10] Y Miura, J. Hirokawa, M. Ando, K. Igarashi, and G. Yoshida, "A high efficiency circularly-polarized aperture array antenna with a corporatefeed circuit in the 60GHz band," IEICE Trans. Electron., vol.94, no.l0, pp.1618-1625, Oct. 2011. [11] D. F. Guan, Z. P. Qian, Y. S. Zhang, and Y. Cai, “A novel SIW slot antenna array based on broadband power divider,” in Proc.International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), 2013, Nanjing, China, pp.601-604. [12] Y. Lang, S. W. Qu, and J. X. Chen, “Wideband circularly polarized substrate integrated cavity-backed antenna array,” IEEE Antennas Wirel. Propagat. Lett., vol. 13, pp. 1513-1516, Aug. 2014. [13] Y. J. Li and K. M. Luk, “Low-cost high-gain and broadband substrateintegrated-waveguide-fed patch antenna array for 60-GHz Band,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 62, pp. 5531-5538, Nov. 2014. [14] Y. Li, Z. N. Chen, X. M. Qing, et al., “Axial ratio bandwidth enhancement of 60-GHz substrate integrated wavegui
Tài liệu liên quan