Luận án tiến sĩ Kỹ thuật Viễn thông: Anten kích thước nhỏ sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt dgs kép, ds ebg và crlh cpw ứng dụng trong các thiết bị đầu cuối di động

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:127

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm nhỏ kích thước anten và cải thiện đồng thời các tham số anten đơn như nâng cao hệ số tăng ích, mở rộng băng thông, sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt. Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ và cải thiện đồng thời các tham số cơ bản trong anten MIMO như nâng cao hệ số tăng ích, mở rộng băng thông, sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật Viễn thông: Anten kích thước nhỏ sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt dgs kép, ds ebg và crlh cpw ứng dụng trong các thiết bị đầu cuối di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƯƠNG THỊ THANH TÚ ANTEN KÍCH THƯỚC NHỎ SỬ DỤNG VẬT LIỆU CẤU TRÚC ĐẶC BIỆT DGS KÉP, DS-EBG VÀ CRLH-CPW ỨNG DỤNG TRONG CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƯƠNG THỊ THANH TÚ ANTEN KÍCH THƯỚC NHỎ SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC ĐẶC BIỆT DGS KÉP, DS-EBG VÀ CRLH-CPW ỨNG DỤNG TRONG CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG Ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. VŨ VĂN YÊM Hà Nội - 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong bản luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Hà nội, ngày 28 tháng 10 năm 2018 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS. TS. Vũ Văn Yêm Dƣơng Thị Thanh Tú ii
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS. TS. Vũ Văn Yêm, người đã định hướng nghiên cứu, hướng dẫn khoa học cũng như tận tình hỗ trợ, chỉ bảo tôi về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này. Qua đây, tôi cũng xin chân thành cảm ơn Bộ môn Hệ thống viễn thông, Viện Điện tử Viễn thông, Phòng Đào tạo, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Khoa Viễn thông 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông cùng các đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm cũng như tạo điều kiện để tôi có thể tập trung nghiên cứu. Bên cạnh đó, tôi xin dành lời yêu thương và cảm ơn chân thành đến các thành viên “antenna team”, Khoa Viễn thông 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông; nhóm Nghiên cứu sinh – RF Lab, Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Phòng đo Bộ môn Thông tin Vô tuyến, Khoa Điện tử Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội cùng những người bạn thân thiết K39, KTTT, Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã động viên và nhiệt tình trợ giúp tôi trong suốt thời gian tôi làm luận án. Cuối cùng, tôi xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến mọi thành viên trong gia đình, đã luôn hỗ trợ và hi sinh rất nhiều cho tôi trong thời gian vừa qua. Đây chính là nguồn động lực vô cùng lớn lao, giúp tôi vượt qua các khó khăn, thách thức để có thể hoàn thành bản luận án này. Tác giả luận án Dƣơng Thị Thanh Tú iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ ii LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... iii MỤC LỤC ........................................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... vii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU .............................................................................................. x DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................... xi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... xv MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1 1. Anten kích thƣớc nhỏ và vật liệu có cấu trúc đặc biệt ............................................ 1 2. Những vấn đề còn tồn tại ........................................................................................... 3 3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu............................................................. 4 4. Ý nghĩa khoa học của đề tài ....................................................................................... 5 5. Những đóng góp chính của luận án .......................................................................... 5 6. Cấu trúc nội dung của luận án .................................................................................. 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN CHO THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG ..... 7 1.1. Giới thiệu chƣơng ......................................................................................................... 7 1.2. Anten trong thiết bị đầu cuối di động ......................................................................... 8 1.2.1. Tiến trình phát triển.............................................................................................. 8 1.2.2. Những kỹ thuật tiên tiến cho anten trong thiết bị đầu cuối di động ..................... 9 1.2.2.1. Kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten ......................................................... 10 1.2.2.2. Kỹ thuật đa băng ....................................................................................... 11 1.2.2.3. Kỹ thuật đa anten ...................................................................................... 12 1.3. Vật liệu có cấu trúc đặc biệt trong thiết kế anten kích thƣớc nhỏ ......................... 14 1.3.1. Cấu trúc dải chắn điện từ EBG .......................................................................... 15 1.3.1.1. Khái niệm và đặc điểm.............................................................................. 15 1.3.1.2. Phân tích cấu trúc EBG ............................................................................. 16 1.3.1.3. Xu hướng phát triển cấu trúc EBG ........................................................... 20 1.3.2. Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS ................................................................. 21 1.3.2.1. Khái niệm và đặc điểm.............................................................................. 21 1.3.2.2. Phương pháp phân tích cấu trúc DGS ....................................................... 24 1.3.2.3. Xu hướng phát triển cấu trúc DGS trong thiết kế anten vi dải ................. 29 1.3.3. Cấu trúc CRLH TL ............................................................................................ 30 1.3.3.1. Khái niệm và đặc điểm.............................................................................. 30 1.3.3.2. Anten CRLH-TL ....................................................................................... 32 1.4. Kết luận chƣơng 1....................................................................................................... 35 CHƢƠNG 2: ANTEN SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS KÉP ............................................ 36 2.1. Giới thiệu chƣơng ....................................................................................................... 36 iv
2.2. Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật cho anten băng tần 4G ...................................... 36 2.2.1. Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật ....................................................................... 36 2.2.2. Cấu trúc DGS kép ứng dụng cho thiết kế anten LTE-A 3.5GHz....................... 38 2.2.2.1. Anten đơn 3.5GHz .................................................................................... 38 2.2.2.2. Anten MIMO 3.5GHz ............................................................................... 39 2.2.2.3. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 40 2.2.2.4. Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 45 2.2.3. Cấu trúc DGS kép trên anten MIMO 2.6GHz và 5.7GHz ................................. 47 2.2.3.1. Anten MIMO đa băng 2.6GHz và 5.7GHz ............................................... 47 2.2.3.2. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 47 2.2.3.3. Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 50 2.2.4. Đánh giá ............................................................................................................. 51 2.3. Cấu trúc DGS kép hình phức hợp cho anten băng tần milimet ............................. 52 2.3.1. Anten đa băng 28GHz và 38GHz sử dụng cấu trúc DGS kép ........................... 52 2.3.2. Kết quả ............................................................................................................... 54 2.4. Kết luận chƣơng 2....................................................................................................... 56 CHƢƠNG 3: ANTEN MIMO SỬ DỤNG CẤU TRÚC DS-EBG ................................. 58 3.1. Giới thiệu chƣơng ....................................................................................................... 58 3.2. Cấu trúc DS-EBG hình chữ H cho anten MIMO trong truyền thông 4G ............ 59 3.2.1. Cấu trúc DS-EBG hình chữ H............................................................................ 59 3.2.2. Cấu trúc DS-EBG hình chữ H ứng dụng trong thiết kế anten MIMO đa băng.. 64 3.2.2.1. Anten MIMO 2.6GHz và 5.7GHz ............................................................. 64 3.2.2.2. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 64 3.2.2.3. Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 67 3.2.3. Đánh giá ............................................................................................................. 68 3.3. Cấu trúc DS-EBG tròn cho anten MIMO băng tần milimet cho truyền thông 5G ............................................................................................................................................. 70 3.3.1. Cấu trúc DS-EBG tròn ....................................................................................... 70 3.3.2. Cấu trúc EBG tròn ứng dụng cho thiết kế anten đa băng 28GHz và 38GHz ..... 73 3.3.2.1. Anten đơn .................................................................................................. 73 3.3.2.2. Anten MIMO............................................................................................. 73 3.3.2.3. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 74 3.3.2.4. Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 78 3.3.3. Đánh giá ............................................................................................................. 80 3.4. Kết luận chƣơng 3....................................................................................................... 81 CHƢƠNG 4: ANTEN ĐA BĂNG KÍCH THƢỚC NHỎ SỬ DỤNG CẤU TRÚC CRLH-CPW ....................................................................................................................... 83 4.1. Giới thiệu chƣơng ....................................................................................................... 83 4.2. Anten CRLH-CPW cho truyền thông 5G băng tần dƣới 6GHz ............................ 83 v
4.2.1. Nguyên lý hoạt động .......................................................................................... 84 4.2.2. Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 85 4.2.3. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 88 4.2.4. Đánh giá ............................................................................................................. 89 4.3. Cấu trúc đƣờng biến đổi đều cho anten MIMO CRLH-CPW ............................... 89 4.3.1. Cấu trúc đường biến đổi đều .............................................................................. 90 4.3.2. Anten MIMO CRLH sử dụng cấu trúc đường biến đổi đều .............................. 91 4.3.2.1. Cấu trúc anten MIMO CRLH ................................................................... 91 4.3.2.2. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 92 4.3.2.3. Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 94 4.3.3. Đánh giá ............................................................................................................. 95 4.4. Kết luận chƣơng 4....................................................................................................... 96 KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 98 DANH MỤC CẤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 102 vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Mô tả tiếng Anh Mô tả tiếng Việt 5G 5rd Generation Thế hệ thứ 5 ACM Artifical Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo Advanced Mobile Phone AMPS Hệ thống điện thoại di động tiên tiến System BWA Broadband Wireless Access Truy nhập không dây băng rộng CPW CoPlanar Waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng Composite Right/ Left Handed Đường truyền dẫn siêu vật liệu điện CRLH -TL Transmissiom Line từ phức hợp Computer Simulation CST Phần mềm mô phỏng anten Technology DGS Defected Ground Structure Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết Vật liệu mà cả hai thông số hằng số DNG Double Negative material điện môi và độ từ thẩm đều âm DS-EBG Double Side EBG Cấu trúc EBG hai mặt Enveloped Correlation ECC Hệ số tương quan Coefficient Electromagnetic Band Gap EBG Cấu trúc dải chắn điện từ Structure Phương pháp sai phân miền thời FDTD Finite Difference Time Domain gian GND Ground Plane Mặt phẳng đất GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu HAC Hearing Aid Compability Tương thích thiết bị trợ thính IFA Inverted-F Antenna Anten hình chữ F ngược vii
IoT Internet of Things Internet vạn vật IP Internet Protocol Giao thức liên mạng Intelligent Transportation ITS Hệ thống giao thông thông minh System LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ LH Left Handed material Một loại siêu vật liệu Sự phát triển dài hạn (Một chuẩn LTE Long-term Evolution công nghệ thông tin di động tiền 4G) Sự phát triển dài hạn - Nâng cao Long Term Evolution - LTE-A (Một chuẩn công nghệ thông tin di Advanced động 4G) MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra NFC Near Field Communicatons Truyền thông tầm ngắn NL Neutralization Line Đường trung tính Negative Refractive Index NRI Vật liệu có chỉ số khúc xạ âm material NWA New Wireless Access Truy nhập vô tuyến thế hệ mới PBG Photonic Band-Gap structure Cấu trúc dải chắn photon PEC Perfect Electric Conductor Vật dẫn điện hoàn hảo Anten hình chữ F ngược trên mặt PIFA Planar Inverted-F antenna phẳng PMC Perfect Magnetic Conductor Vật dẫn từ hoàn hảo RFID Radio Frequency Identify Nhận dạng qua tần số vô tuyến RL Return Loss Tổn hao ngược SAR Specific Absorption Rate Mức độ hấp thụ đặc biệt SRR Split Ring Resonator Cộng hưởng vòng trên khe chẻ TE Transverse Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang UE User Equipment Thiết bị đầu cuối người dùng viii
UWB Ultra Wideband Băng siêu rộng VNA Vecto Network Analyzer Máy phân tích mạng véc-tơ VSWR Voltage Standing Wave Radio Hệ số sóng đứng điện áp Worldwide Interoperability for Một công nghệ truy nhập băng rộng WiMAX Microwave Access không dây diện rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng LAN không dây WMS Wireless Mobile Systems Các hệ thống di động không dây WWAN Wireless Wide Area Network Mạng diện rộng không dây ZOR Zeroth Oder Resonator Cộng hưởng bậc không ix
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU TT Kí hiệu Đơn vị Mô tả 1 C (F) Điện dung 2 E (V/m) Điện trường 3 H (H/m) Từ trường 4 h (mm) Chiều cao chất điện môi 5 k (l/m) Hệ số sống trong không gian tự do (k=2/) 6 L (mm) Chiều dài 7 L (H) Điện dung 8 R () Trở kháng 9 W (mm) Chiều rộng 10 Z () Trở kháng 11  - Hằng số điện môi 12  (m) Bước sóng 13  (l/m) Hằng số truyền sóng 14  - 3..141592653589793285 x
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1.Tiến trình phát triển hệ thống truyền thông không dây [3],[19] ............................. 8 Hình 1.2. M519 – mẫu thiết kế mới năm 2017 cho dòng điện thoại dùng anten lắp ngoài. 10 Hình 1.3. Mẫu anten hai băng được đề xuất lần đầu tiên năm 1996 [56]............................ 11 Hình 1.4. Các dáng chẻ cơ bản trên mặt patch của anten PIFA [57]................................... 11 Hình 1.5. Phân loại vật liệu trong hệ tọa độ (,) [64] ........................................................ 14 Hình 1.6. Các loại hình cấu trúc EBG [17] ......................................................................... 15 Hình 1.7. Đặc tính dải chắn băng tần và pha phản xạ của cấu trúc EBG [17], [49] ............ 17 Hình 1.8. Mô hình hóa cấu trúc EBG hình nấm [35] .......................................................... 18 Hình 1.9. Mô hình hóa cấu trúc EBG uni phẳng [71] ......................................................... 19 Hình 1.10. Phân loại DGS [83]............................................................................................ 22 Hình 1.11. DGS hình quả tạ [84] ......................................................................................... 22 Hình 1.12.Đặc tính đường truyền vi dải DGS [84] ............................................................. 23 Hình 1.13. Đồ thị tham số S mô phỏng của một cấu trúc đơn vị DGS hình quả tạ [16] ..... 23 Hình 1.14. Sơ đồ thiết kế và phân tích cấu trúc DGS [16] .................................................. 24 Hình 1.15. Mô hình đường truyền cho mô hình hóa cấu trúc DGS [85] ............................. 25 Hình 1.16. Mạch RLC tương đương cho một đơn vị DGS truyền thống [86] .................... 27 Hình 1.17. Mạch chữ π cho một đơn vị DGS hình quả tạ truyền thống [87] ...................... 27 Hình 1.18. Phương pháp phân tích Quasi static cho đơn vị DGS truyền thống [88] .......... 28 Hình 1.19. Cấu trúc cell CRLH-TL [96] ............................................................................. 31 Hình 1.20. Phổ tán sắc của một cấu trúc cộng hưởng CRLH gồm N cell đơn vị [96] ........ 33 Hình 1.21. Anten CRLH hai băng sử dụng chế độ cộng hưởng m=1 [97] ....................... 34 Hình 2.1. Cấu trúc DGS hình chữ nhật kép ......................................................................... 37 Hình2.2. Mô hình mạch tương đương của cấu trúc DGS kép hình chữ nhật và anten vi dải ............................................................................................................................................. 37 Hình 2.3. Cấu trúc anten đơn DGS sử dụng tiếp điện cáp đồng trục .................................. 38 Hình 2.4. Anten đơn DGS với tiếp điện bằng đường truyền vi dải ..................................... 39 Hình 2.5. Anten MIMO DGS sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục..................... 40 Hình 2.6. Anten MIMO DGS sử dụng tiếp điện đường truyền vi dải ................................. 40 Hình 2.7. Phân bố mật độ dòng trên anten 3,5GHz ............................................................. 41 Hình 2.8. Tham số S11 trên anten đơn 3,5GHz .................................................................. 41 Hình 2.9. Bức xạ 3D của anten 3,5 sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục. ........... 42 Hình 2.10. Bức xạ 2D của anten 3,5 GHz trên mặt phẳng yz ............................................. 42 Hình 2.11. Anten 3,5 GHz sử dụng phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải ....... 42 Hình 2.12. Đồ thị S11 của anten đơn 3,5 sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục và dường truyền vi dải .............................................................................................................. 43 xi
Hình 2.13. Phân bố trường gần trên mặt phẳng E của anten MIMO sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải ............................................................................................... 43 Hình 2.14. Tham số S của anten MIMO sử dụng phương pháp đường truyền vi dải với khoảng cách giữa hai điểm tiếp điện thay đổi ..................................................................... 44 Hình 2.15. Các tham số S của anten MIMO đơn băng 3,5GHz khi sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục và đường truyền vi dải ................................................................... 44 Hình 2.16. Bức xạ 3D, 2D của anten MIMO sử dụng cấu trúc DGS .................................. 45 Hình 2.17. Chế tạo anten đơn sử dụng và không sử dụng cấu trúc DGS ............................ 45 Hình 2.18. Chế tạo anten MIMO DGS kép ......................................................................... 45 Hình 2.19. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng của anten DGS 3,5GHz. ............... 46 Hình 2.20. Anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz sử dụng cấu trúc DGS. .................. 47 Hình 2.21. Phân bố mật độ dòng trên anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz............... 48 Hình 2.22. Đồ thị tham số S của anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz ...................... 48 Hình 2.23. Đồ thị bức xạ 3D và 2D của anten MIMO đa băng tại tần số hoạt động 2,6GHz ............................................................................................................................................. 49 Hình 2.24. Đồ thị bức xạ 3D và 2D của anten MIMO đa băng tại tần số hoạt động 5,7GHz ............................................................................................................................................. 49 Hình 2.25. Chế tạo anten MIMO DGS kép băng tàn 2,6GHz và 5,7GHz........................... 50 Hình 2.26. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng của anten MIMO hai băng ............ 50 Hình 2.27. Cấu trúc DGS phức hợp .................................................................................... 53 Hình 2.28. Anten đơn 5G sử dụng cấu trúc DGS kép ......................................................... 53 Hình 2.29. Anten MIMO 5G sử dụng cấu trúc DGS kép .................................................... 54 Hình 2.30. Phân bố mật độ dòng trên anten 5G sử dụng cấu trúc DGS kép ....................... 54 Hình 2.31. Đặc tính tương hỗ trên anten 5G sử dụng cấu trúc DGS kép ............................ 55 Hình 2.32. Đồ thị bức xạ 2D của anten MIMO 5G sử dụng DGS kép trên mặt phẳng yz .. 55 Hình 2.33. Đồ thị bức xạ 3D của anten MIMO 5G sử dụng cấu trúc DGS kép .................. 56 Hình 3.1. Tiến trình thiết kế cấu trúc DS-EBG hình chữ H đề xuất.................................... 59 Hình 3.2. Cấu trúc một cel DS-EBG hình chữ H đề xuất.................................................... 59 Hình 3.3. Mô hình mạch tương đương của cấu trúc DS-EBG hình chữ H đề xuất ............. 60 Hình 3.4 . Tần số làm việc của cell DS-EBG hình chữ H theo các tham số kích thước ..... 63 Hình 3.5. Cấu trúc DS-EBG hình chữ H 2x7 cell ............................................................... 63 Hình 3.6. Đồ thị tham số S của cấu trúc 2x7 cell DS-EBG hình chữ H .............................. 63 Hình 3.7. Anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz sử dụng cấu trúc DS-EBG ............... 64 Hình 3.8. Đồ thị tham số S của anten MIMO có và có cấu trúc DS-EBG hình chữ H ....... 65 Hình 3.9. Phân bố dòng điện bề mặt trên anten MIMO 2,6GHz và 5,7GHz ...................... 65 Hình 3.10. Đường cong tương hỗ ECC của anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG........ 66 xii
Hình 3.11. Đồ thị bức xạ 2D và 3D của anten MIMO DS-EBG hình chữ H tại 2,6GHz ... 67 Hình 3.12. Đồ thị bức xạ 2D và 3D của anten MIMO DS-EBG hình chữ H tại 5,7GHz ... 67 Hình 3.13. Chế tạo anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG hình chữ H ........................... 68 Hình 3.14. So sánh kết quả đo và mô phỏng của anten MIMO DS-EBG hình chữ H ........ 68 Hình 3.15. Cấu trúc DS-EBG hình tròn .............................................................................. 70 Hình 3.16. S12 của cấu trúc DS-EBG tròn với số lượng cell thay đổi ................................ 72 Hình 3.17. Pha phản xạ của cấu trúc DS-EBG tròn đề xuất ................................................ 72 Hình 3.18. Anten đơn băng tần mimlimet sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn ......................... 73 Hình 3.19. Anten MIMO băng tần mimlimet sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn ................... 74 Hình 3.20. So sánh tham số S11 của anten đơn 28/38GHz sử dụng/ không sử dụng cấu trúc DS-EBG ............................................................................................................................... 74 Hình 3.21. Đồ thị bức xạ 2D của anten đơn băng tần milimet ............................................ 75 Hình 3.22. Đồ thị 3D của anten đơn không sử dụng cấu trúc DS-EBG .............................. 75 Hình 3.23. Đồ thị 3D của anten đơn sử dụng cấu trúc DS-EBG ......................................... 75 Hình 3.24. S11 của anten MIMO băng tần milimet ............................................................ 76 Hình 3.25. S12 của anten MIMO băng tần milimet ............................................................ 76 Hình 3.26. ECC của anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG ............................................ 77 Hình 3.27. Đồ thị bức xạ 2D của anten MIMO băng tần milimet trên mặt phẳng yz ......... 77 Hình 3.28. Đồ thị bức xạ 3D của anten MIMO không sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn ..... 78 Hình 3.29. Đồ thị bức xạ 3D của anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn ................ 78 Hình 3.30. Mẫu chế tạo anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn ............................... 79 Hình 3.31. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm S11 của anten DS-EBG tròn ......... 79 Hình 3.32. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm S12 của anten DS-EBG tròn ......... 79 Hình 4.1 Anten đơn CRLH đề xuất ..................................................................................... 84 Hình 4.2. Phân bố mật độ dòng trên anten đơn CRLH ....................................................... 86 Hình 4.3. Đồ thị tham số S11 thay đổi theo các tham số kích thước .................................. 86 Hình 4.4. Đồ thị tham số S11 của anten đơn CRLH ........................................................... 87 Hình 4.5. Bức xạ 2D trên mặt phẳng yz và bức xạ 3D của anten đơn CRLH ..................... 87 Hình 4.6. Chế tạo anten CRLH ........................................................................................... 88 Hình 4.7. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng tham số S11 của anten CRLH ........ 88 Hình 4.8. Cấu trúc đường biến đổi đều đề xuất ................................................................... 90 Hình 4.9. Hàm truyền đạt của một đơn vị trong cấu trúc đường biến đổi đều .................... 91 Hình 4.10. Anten MIMO CRLH với cấu trúc đường biến đổi đều ..................................... 91 Hình 4.11. Đồ thị tham số S của anten có và không có cấu trúc đường biến đổi đều ......... 92 Hình 4.12. Phân bố mật độ dòng trên anten MIMO CRLH ................................................ 92 Hình 4.13. Bức xạ 2D trên mặt phẳng yz và bứcxạ 3D của anten MIMO CRLH............... 93 xiii
Hình 4.14. Chế tạo anten MIMO CRLH ............................................................................. 94 Hình 4.15. So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng trên anten MIMO CRLH . 94 xiv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các thông số kích thước của anten DGS tiếp điện bằng cáp đồng trục .............. 38 Bảng 2.2. Các thông số kích thước của anten DGS tiếp điện bằng đường truyền vi dải .... 39 Bảng 2.3. Các thông số kích thước của anten DGS đa băng 2.6GHz và 5.7GHz ............... 47 Bảng 2.4. So sánh cấu trúc DGS kép hình chữ nhật đề xuất với các đề xuất DGS trước đó ............................................................................................................................................. 51 Bảng 2.5. Các thông số kích thước của anten 5G sử dụng cấu trúc DGS kép .................... 54 Bảng 3.1. Thông số chi tiết của cấu trúc cel DS-EBG hình chữ H đề xuất ......................... 59 Bảng 3.2. So sánh thiết kế hiện tại với các thiết kế anten sử dụng cấu trúc EBG trước đó 69 Bảng 3.3. So sánh thiết kế hiện tại với các thiết kế anten MIMO hai băng có sử dụng cấu trúc giảm tương hỗ............................................................................................................... 69 Bảng 3.4. Thông số kích thước của cấu trúc DG-EBG tròn ................................................ 71 Bảng 3.5. Các thông số kích thước của anten 5G sử dụng cấu trúc DS-EBG ..................... 73 Bảng 3.6 So sánh thiết kế anten DS-EBG đề xuất với các đề xuất cho anten băng tần 28GHz trước đó ................................................................................................................... 80 Bảng 4.1. Thông số kích thước của anten CRLH ................................................................ 85 Bảng 4.2. So sánh anten đơn CRLH đề xuất với một số anten CRLH trước đó ................. 89 Bảng 4.3. Các thông số của cấu trúc đường biến đổi đều ................................................... 90 Bảng 4.4. So sánh anten MIMO sử dụng cấu trúc đường biến đổi đều với các đề xuất anten MIMO kích thước nhỏ trước đó .......................................................................................... 95 xv
MỞ ĐẦU 1. Anten kích thƣớc nhỏ và vật liệu có cấu trúc đặc biệt Khái niệm anten nhỏ hay anten kích thước nhỏ đã được sử dụng trong một thời gian dài, từ những hệ thống truyền thông không dây đời đầu cho đến các ứng dụng hiện tại. Điển hình nhất là trong các thiết bị đầu cuối di động của các mạng điện thoại di động, mạng không dây nội hạt WLAN, mạng không dây diện rộng Wimax, ... Công nghệ anten nhỏ đã có những bước phát triển mạnh mẽ cùng với sự phát triển của các công nghệ truyền thông không dây [1]. Ngày càng nhiều các dịch vụ không dây như: Bluetooth, Wifi, GPS, GSM, … được tích hợp trong giới hạn kích thước nhỏ gọn của thiết bị đầu cuối di động. Hơn thế nữa, các chuẩn công nghệ cho thiết bị đầu cuối thế hệ mới hiện nay và tương lai (802.11n, ac, ad; 802.16m; LTE và LTE advanced; 5G, IoT) đều có xu hướng sử dụng kỹ thuật đa anten phát đa anten thu (MIMO) nhằm làm gia tăng dung lượng kênh [2]-[5]. Điều này làm cho nhu cầu thu nhỏ các phần tử trong thiết bị đầu cuối di động nói chung và phần tử anten MIMO nói riêng ngày càng trở nên quan trọng. Chính vì thế, việc thu nhỏ kích thước anten MIMO của các phần tử thu phát trong thiết bị đầu cuối di động luôn là đề tài nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới. Có khá nhiều giải pháp để thực hiện kỹ thuật thu nhỏ anten như: đưa vào các phần tử ngắn mạch, sử dụng các tải thụ động, thay đổi hình dáng anten, …. Tuy nhiên, phần lớn các kỹ thuật thu nhỏ kích thước anten này đều nhằm mục đích làm dài thêm một cách nhân tạo chiều dài điện của cấu trúc anten [1].  “Đưa vào các phần tử ngắn mạch” là một trong các phương pháp phổ biến nhất được sử dụng trong anten vi dải. Phương pháp này đưa vào trong thiết kế anten một hoặc nhiều phần tử ngắn mạch giữa cấu trúc bức xạ và mặt phẳng đất, nhằm tạo ra một cấu trúc anten cộng hưởng với chiều dài tương ứng /4 hay còn gọi là anten một phần tư bước sóng. Đây cũng chính là nguyên lý của anten PIFA (Planar Inverted F-antenna) [6]-[8]. Phương pháp này có tỷ lệ thu nhỏ rất lớn (có thể đạt đến 50%) tuy nhiên thiết kế anten gặp nhiều thách thức về hệ số tính hướng và phân cực.  “Sử dụng các tải thụ động” là phương pháp đưa các phần tử tải thụ động như điện trở, tụ điện hay cuộn cảm dưới dạng các linh kiện, đặt ở cạnh của tấm patch bức xạ để làm nhiệm vụ ngắn mạch trong thiết kế anten PIFA [9] hay vào đầu của cấu trúc bức xạ [10]-[11]. Phương pháp này có nhược điểm lớn là hiệu suất của anten suy giảm khá mạnh do tổn hao gây ra bởi các linh kiện.  Kỹ thuật “thay đổi hình dạng anten” là kỹ thuật sử dụng các khe hay đoạn gấp khúc hoặc cấu trúc phân dạng (fractal). Việc đưa vào các khe rãnh trong cấu trúc bức xạ làm dòng điện mặt phải đi vòng qua các khe, từ đó làm cho chiều dài điện bị dài ra hay kích thước anten nhỏ lại. Tuy nhiên, phương pháp này cũng làm cho hiệu suất bức xạ của anten suy giảm. Hơn thế nữa, việc gấp khúc còn tạo ra các hiệu ứng điện dung và điện cảm không mong muốn. [12-14].  Trong một vài năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm đến việc sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt trong thiết kế anten. Các cấu trúc đặc biệt điển hình 1
như: cấu trúc dải chắn điện từ EBG, cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS, cấu trúc đường truyền dẫn siêu vật liệu phức hợp CRLH-TL, có thể mang tính chất điện môi hay từ tính, với hằng số điện môi hay độ từ thẩm cao hoặc âm. Khi đặt tại các vị trí đặc biệt trong cấu trúc anten, sẽ xảy ra hiệu ứng đặc biệt tại một tần số đặc biệt nào đó. Nói cách khác sử dụng những cấu trúc này trong thiết kế anten có thể thu nhỏ kích thước hình học của anten hay cải thiện một hoặc một số đặc tính của anten mà không làm suy giảm nhiều các thông số quan trọng khác [15-17]. Tuy nhiên, khi thu nhỏ kích thước anten MIMO trong các thiết bị đầu cuối di động, anten gặp một thách thức rất lớn về việc đảm bảo độ cách ly giữa các phần tử bức xạ đặt gần nhau. Đối với một thiết kế anten MIMO tốt, độ cách ly hay ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO phải nhỏ hơn -20dB [18]. Thông thường để đạt được yêu cầu này, các anten phải được đặt cách nhau ít nhất một nửa bước sóng của tần số hoạt động hay tần số hoạt động thấp nhất (trong thiết kế anten đa băng). Điều này khiến cho tổng kích thước của anten MIMO tăng lên đáng kể làm ảnh hưởng đến kích thước của thiết bị đầu cuối. Trong nhiều năm qua, có khá nhiều nghiên cứu được thực hiện để tìm ra kỹ thuật giảm thiểu tương hỗ hay tăng độ phân cách giữa các anten MIMO. Các nghiên cứu này đều dựa trên ý tưởng chính là tạo ra sự ngăn cách trường bức xạ giữa hai anten để giảm được tham số tán xạ S12, S21. Một vài kỹ thuật đã được đưa ra như tối thiểu hóa kích thước anten, chẻ khe trên vật liệu điện môi, phủ lên trên miếng patch những lớp điện môi, tạo ra các anten có phân bố đường dòng điện trực giao nhau, tạo dáng chữ T và dáng chữ L ngược song song trên mặt phẳng đất, ... [19], [20]. Trong đó, các nghiên cứu về anten MIMO vi dải, sử dụng công nghệ mạch in đang rất phát triển nhờ các ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, dễ dàng tích hợp trên thiết kế mạch, ... được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin di động, đạo hàng, vệ tinh. Không những thế, hiệu năng của anten vi dải suy giảm rất lớn khi chịu ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử trong anten. Vì vậy, đề xuất giải pháp nâng cao độ cách ly trong anten vi dải trong khi vẫn đảm bảo được các tham số hiệu năng cũng có thể áp dụng sang các loại hình anten sử dụng công nghệ mạch in khác trong thiết bị đầu cuối di động. Vật liệu có cấu trúc đặc biệt như cấu trúc dải chắn điện từ EBG, cấu trúc mặt đất khuyết DGS, cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH-TL là những cấu trúc tuần hoàn hay không tuần hoàn trên bề mặt vật liệu. Ngoài việc tạo ra hiệu ứng sóng chậm (cấu trúc DGS) hay tạo ra mode cộng hưởng bậc không (CRLH-TL) hoặc bề mặt trở kháng cao (EBG) là những kỹ thuật quan trọng làm giảm kích thước anten, những cấu trúc này còn có thể ngăn cản sóng bề mặt trong một dải tần số xác định nào đó. Nhờ vậy, nâng cao độ cách ly giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO [16, 17]. Chính vì thế, nghiên cứu vật liệu có cấu trúc đặc biệt như EBG, DGS, CRLH-TL và ứng dụng cho thiết kế anten đơn, anten MIMO kích thước nhỏ, độ cách ly cao, đơn băng hoặc đa băng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến đang thu hút sự quan tâm lớn của nhiều nhà khoa học trên thế giới [18 – 27]. 2
2. Những vấn đề còn tồn tại Trên thế giới, các nghiên cứu về thu nhỏ kích thước anten với các giải pháp kỹ thuật khác nhau đã được công bố trên rất nhiều công trình khoa học, được đăng tải trên các tạp chí khoa học chuyên ngành nổi tiếng như: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Transactions on Microwave Theory and Techniques, Transactions on Wireless Communications. Nhìn chung, các kỹ thuật sử dụng đều nhằm mục đích cuối cùng là làm tăng bước sóng cộng hưởng của mạch anten mà không làm tăng kích thước thực. Từ các nghiên cứu điển hình của Rowell [10] hay Scardelletti [11], sử dụng dạng tải tụ điện trên anten PIFA hay anten vi dải đến các nghiên cứu gần đây của Gupta, Sharma [28-30], sử dụng các vật liệu có cấu trúc đặc biệt, đều nhằm mục đích thu nhỏ kích thước phần tử bức xạ cũng như đế anten trong khi vẫn giữ hiệu năng ở mức chấp nhận được, ứng dụng cho các thiết bị đầu cuối di động. Tuy số lượng các công trình nghiên cứu khoa học về giảm nhỏ kích thước anten cho các đầu cuối di động ngày càng nhiều và đạt được rất nhiều thành tựu đáng kể nhưng thiết kế các cấu trúc anten nhỏ gọn này thành cấu trúc anten MIMO với độ cách ly cao giữa các phần tử bức xạ vẫn còn là một miền nghiên cứu rộng lớn, đặc biệt trong xu thế phát triển công nghệ cho thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới, các thiết bị yêu cầu ngày càng nhỏ gọn, ngày càng tích hợp nhiều kỹ thuật, điển hình là kỹ thuật đa anten thu đa anten phát [31]-[33]. Hiện nay trong nước, Viện Điện tử Viễn thông của Trường Đại học Bách khoa Hà nội cũng có một số nghiên cứu về vật liệu có cấu trúc đặc biệt như: cấu trúc dải chắn EBG làm mặt đế phản xạ với cấu trúc EBG một mặt truyền thống, áp dụng cho anten trong truyền thông băng siêu rộng UWB [34]; cấu trúc EBG cho thiết kế mạch lọc, dải chắn băng tần, áp dụng cho anten đơn băng với khoảng cách 0.6 [35]; cấu trúc mặt đất khuyết DGS cho cải thiện độ cách ly trong anten MIMO [36], [37] với việc thiết kế những cấu trúc DGS này dưới dạng cấu trúc giảm tương hỗ, đặt giữa hai phần tử bức xạ trong anten MIMO băng tần hẹp; cấu trúc siêu vật liệu cho giảm nhỏ kích thước cho anten đơn băng [37]; cấu trúc siêu vật liệu cho thiết kế anten đơn cho ứng dụng WLAN, bộ lọc thông dải, bộ chia công suất [38]. Bên cạnh Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà nội, theo hiểu biết của NCS, còn có một số cơ sở, nhóm nghiên cứu khác, liên quan gần đến chủ đề nghiên cứu như: nhóm nghiên cứu về anten vi dải Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội [39], [40]; nhóm nghiên cứu về anten của Viện nghiên cứu quốc tế MICA, Viện Điện, ĐHBK Hà Nội [41]-[42]; nhóm nghiên cứu về anten của Khoa Vô tuyến Điện tử Học viện Kỹ thuật Quân sự [43]-[46], ... Tuy nhiên, nghiên cứu của các nhóm này hoặc tập trung vào giảm nhỏ kích thước anten theo phương pháp làm dài thêm một cách nhân tạo chiều dài điện (chiều dài bước sóng cộng hưởng) của cấu trúc anten sử dụng cấu trúc fractal [39], cấu trúc gấp khúc [42], cấu trúc xoắn ốc [43], [44] hay công nghệ tụ điện màng mỏng [47] hoặc tập trung nghiên cứu phát triển cấu trúc vật liệu đặc biệt cho các ứng dụng khác hay cải thiện một số thông số khác của anten [40], [41]. Bên cạnh đó, cũng giống như trên thế giới, các nghiên cứu về cấu trúc DGS cho thiết kế anten trước đó hoặc sử dụng hiệu ứng sóng chậm cho việc giảm nhỏ kích thước anten [40], 3
[48] hoặc sử dụng đặc tính dải chắn cho giảm thiểu tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO [16], [37]. Điều này cũng tương tự với các thiết kế anten MIMO trong thiết bị đầu cuối di động. Phần lớn các đề xuất này đều phải sử dụng một giải pháp cho giảm nhỏ cấu trúc anten và một giải pháp khác cho giảm tương hỗ [1], [2]. Chính vì thế, các đề xuất anten MIMO cho ứng dụng đầu cuối di động phần lớn chỉ phù hợp cho các thiết kế với điều kiện cụ thể với các cấu trúc anten cụ thể. Hơn thế nữa, điều này còn làm cho thiết kế anten phức tạp và tác động giữa hai giải pháp có thể làm hạn chế tính năng của từng giải pháp. Mặt khác, cấu trúc EBG được đánh giá là một trong những cấu trúc mang lại hiệu quả cách ly cao cho các thiết kế anten MIMO sử dụng công nghệ planar do đặc tính chắn băng mà các cấu trúc vật liệu tự nhiên không có [49]. Tuy nhiên cấu trúc EBG đơn lớp lại có cấu trúc cell lớn khiến cho khoảng cách giữa hai phần tử bức xạ cũng lớn theo, làm gia tăng kích thước tổng thể của thiết kế MIMO [50], [51]. Sử dụng các kỹ thuật chẻ khe hay biến đổi cấu trúc bề mặt cell EBG để giảm nhỏ kích thước lại làm gia tăng độ phức tạp trong thiết kế, chỉ phù hợp với những điều kiện cụ thể, khó tối ưu tần số hoạt động theo ứng dụng mong muốn [17]. Cấu trúc EBG đa lớp cho kích thước cell nhỏ hơn nhưng lại phức tạp trong thiết kế và rất khó chế tạo tại Việt nam [21], [52]. Một số đề xuất EBG đa lớp mới dừng lại ở mô phỏng [35]. Hơn thế nữa, các đề xuất EBG trước đó có thể cho các cấu trúc mạch chắn hai đến ba băng nhưng việc ứng dụng được cho thiết kế anten MIMO mới dừng lại ở đơn băng [35]. Điều này cũng tương tự cho các đề xuất anten đơn, anten MIMO hoạt động ở băng tần milimet, ứng dụng cho truyền thông 5G trong tương lai [22], [53], [54]. Cấu trúc đường truyền dẫn siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH với rất nhiều đặc tính ưu việt như bề mặt trở kháng cao cho cải thiện các thông số cơ bản của anten, đa chế độ cộng hưởng cho thiết kế anten đa băng còn tồn tại một chế độ cộng hưởng không (ZOR) mà không có loại hình siêu vật liệu nào có được. Đặc tính này dùng để thiết kế anten có tỷ lệ thu nhỏ kích thước rất cao với tần số hoạt động của anten không phụ thuộc vào diện tích bức xạ. Tuy nhiên, anten CRLH gặp phải nhược điểm lớn về độ rộng băng thông, thường không vượt quá 5% [15], [18]. Để khắc phục điều này, cấu trúc anten CRLH được kết hợp với các phương pháp, kỹ thuật khác như phương pháp tiếp điện đồng phẳng (CPW) [30] nhưng cho đến nay, theo như tìm hiểu của NCS, vẫn chưa có đề xuất anten CRLH đáp ứng được yêu cầu băng rộng cho truyền thông 5G băng tần dưới 6 GHz. Do đó vẫn cần phải có những nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten kích thước nhỏ mới cũng như các cấu trúc vật liệu đặc biệt mới, có thể giảm độ phức tạp trong thiết kế, chế tạo nhưng vẫn mang lại hiệu quả cao trong cải thiện đồng thời một vài thông số cơ bản của anten. Bên cạnh đó, các đề xuất này có thể áp dụng chung cho nhiều cấu trúc cũng như băng tần anten khác nhau, đặc biệt là đáp ứng được cho anten MIMO, một trong những xu thế của anten trong các thiết bị đầu cuối di động trong các hệ thống truyền thông vô tuyến tiên tiến. 3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu  Mục tiêu nghiên cứu 4