Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích cơ bản của luận án này là Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm nhỏ kích thước cho anten đơn, anten MIMO, giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ và cải thiện đồng thời các tham số cơ bản trong anten 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: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

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 Ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội - 2018
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Vũ Văn Yêm Phản biện 1: GS. TS. Bạch Gia Dương Phản biện 2: GS. TS. Nguyễn Bình Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Quốc Định Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
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. Ngày nay, 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. Trong đó, các chuẩn công nghệ cho thiết bị đầu cuối thế hệ mới hiện nay và tương lai đều có xu hướng sử dụng kỹ thuật đa anten phát đa anten thu (MIMO) nhằm làm gia tăng dung lượng kênh. Tuy nhiên, khi thu nhỏ kích thước tổng thể của 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. Trong nhiều năm qua, có khá nhiều nghiên cứu được thực hiện để tìm ra kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten cũng như tăng độ phân cách giữa các anten MIMO. Trong đó, 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. 2. Những vấn đề còn tồn tại - Sử dụng đồng thời hai giải pháp: một cho giảm kích thước, một cho nâng cao độ cách ly trong anten MIMO. - Kích thước cell EBG còn lớn và phần lớn cho anten đơn băng. - Việc thiết kề anten MIMO kích thước nhỏ, băng tần rộng, tương hỗ thấp cho truyền thông 5G băng tần thấp là một thách thức. 3. Mục tiêu, đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm nhỏ kích thước cho anten đơn, anten MIMO, giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ và cải thiện đồng thời các tham số cơ bản trong anten như nâng cao hệ số tăng ích, mở rộng băng thông, ... sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt. Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu có cấu trúc đặc biệt: DGS, EBG, CRLH cho thiết kế anten đơn, anten MIMO kích thước nhỏ, ứng dụng trong thiết bị đầu cuối di động. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu anten đơn, anten MIMO sử dụng công nghệ planar, có cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo, hoạt động ở băng tần chủ đạo cho truyền thông 4G/5G. Phương pháp nghiên cứu 1
Phương pháp nghiên cứu trong luận án đi từ lý thuyết đến thực nghiệm. Đầu tiên luận án nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình, sau đó tính toán mô phỏng, chế tạo mẫu và đo lường, đánh giá. 3. Ý nghĩa khoa học của đề tài Về lý luận: Góp phần phát triển kiến trúc anten mới, cấu trúc giảm tương hỗ mới; Đi sâu vào một hướng nghiên cứu cụ thể, đó là anten sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt, với mục đích chủ yếu nhằm tạo ra anten có kích thước nhỏ, độ cách li cao, băng thông rộng, ứng dụng trong thiết bị đầu cuối di động; Đưa ra những công bố có giá trị khoa học. Về mặt thực tiễn: Ứng dụng các cấu trúc anten, cấu trúc giảm tương hỗ đề xuất cho thiết bị đầu cuối di động trong hệ thống thông tin vô tuyến 4G/ 5G. 4. Những đóng góp chính của luận án Những đóng góp khoa học của luận án gồm: 1. Đề xuất cấu trúc DGS kép không những làm giảm nhỏ kích thước anten mà còn nâng cao độ cách ly trong anten MIMO đơn băng, đa băng đồng thời tạo đa băng cho anten đa băng, ứng dụng trong truyền thông di động 4G cũng như truyền thông 5G băng tần milimet. 2. Đề xuất cấu trúc EBG hai mặt, khi kết hợp với cấu trúc DGS kép có thể giảm sâu ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO đa băng, đáp ứng yêu cầu khắt khe về độ cách ly của các hệ thống MIMO chất lượng cao trong truyền thông 4G/5G, bên cạnh đó còn làm tăng hệ số khuếch đại của anten mà không làm suy giảm hiệu suất bức xạ. 3. Đề xuất anten đa băng CRLH kết hợp với phương pháp tiếp điện đồng phẳng CPW, đạt kích thước nhỏ gọn, băng thông rộng, ứng dụng cho truyền thông băng rộng 5G băng tần dưới 6GHz. Đồng thời, đề xuất cấu trúc đường biến đổi đều, giảm sâu tương hỗ cho anten MIMO băng rộng 5G. 5. Cấu trúc nội dung của luận án Luận án này gồm có 4 chương. Nội dung chương 1 giới thiệu tổng quan về anten cho thiết bị đầu cuối di động cũng như nghiên cứu, phân tích các đặc tính của cấu trúc DGS, EBG, CRLH làm tiền đề cho các đề xuất ở chương sau.Trong chương 2, cấu trúc DGS kép hình chữ nhật và hình phức hợp U kết hợp sao kép được đề xuất để đồng thời giảm nhỏ kích thước và nâng cao độ cách ly trong anten MIMO 4G/ 5G. Tiếp theo, chương 3 đề xuất cấu trúc DS-EBG có kích thước nhỏ gọn, đơn giản trong chế tạo đồng thời giảm sâu tương hỗ và cải thiện hệ số tăng ích cho anten MIMO đề xuất trong chương 2. Một thiết kế anten MIMO CRLH-CPW kết hợp với cấu trúc đường biến đổi đều ứng dụng cho truyền thông 5G băng tần dưới 6GHz được trình bày ở trong chương 4. Phần cuối cùng của luận án là kết luận và hướng phát triển của đề tài. 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN CHO THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung Anten là một trong những thành phần không thể thiếu trong các hệ thống truyền thông vô tuyến. Trong thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới, anten MIMO phải có tính năng, chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp như hiệu suất bức xạ cao, kích thước nhỏ gọn, độ cách ly cao, băng thông rộng, đồ thị bức xạ không bị méo, dễ chế tạo, giá thành thấp. Vì vậy, các vật liệu có cẩu trúc đặc biệt như EBG, DGS, CRLH thu hút được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu nhằm cải thiện các tham số cho anten MIMO trong thiết bị đầu cuối di động. 1.2 Anten trong thiết bị đầu cuối di động 1.2.1 Tiến trình phát triển Các loại hình anten được dùng cho hệ thống truyền thông di động được phát triển theo các giai đoạn phát triển chính của truyền thông di động. Khi dung lượng của hệ thống đạt tới giới hạn do sự gia tăng nhanh chóng của người sử dụng thì tần số hoạt động cho các hệ thống di động dần dần được tăng lên. Bắt đầu từ 30MHz lên đến 50, 150, 450, 800, 1500, 2000, 2100MHz. Hiện nay, tần số cao hơn như 2.4GHz và 5.8GHz được dùng cho hệ thống truy nhập nội hạt Wifi, 1.8GHz, 2.6GHz, 3.5GHz dùng cho truyền thông 4GLTE, 28GHz, 38GHz và 60GHz dành cho truyền thông 5G. Tương ứng với đó là các loại hình anten mới được phát triển và đưa vào sử dụng trong các thiết bị đầu cuối di động, từ cấu trúc biến đổi như anten cấu trúc hình chữ F ngược, anten sử dụng công nghệ planar đến biến đổi đặc tính như anten thông minh, anten tái cấu hình, từ sử dụng anten đơn đến phát triển anten mảng thích ứng, anten MIMO và đặc biệt anten sử dụng các cấu trúc đặc biệt hay anten siêu vật liệu cho giảm nhỏ kích thước và cải thiện đồng thời nhiều đặc tính cơ bản của anten. 1.2.2 Những kỹ thuật tiên tiến cho anten trong thiết bị đầu cuối di động  Kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten: kỹ thuật tạo đường gấp, kỹ thuật khắc trên bề mặt, tạo chân (pin) hay bề mặt ngắn mạch, kỹ thuật sử dụng chất nền có điện môi cao và kỹ thuật sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt: DGS, CRLH.  Kỹ thuật đa băng: tạo các khe chẻ có hình dạng khác nhau trên bề mặt bức xạ của anten, sử dụng cấu trúc DGS, CRLH.  Kỹ thuật đa anten: nhằm gia tăng dung lượng truyền dẫn nhưng gặp phải thách thức về độ cách ly cho thiết kế anten kích thước nhỏ trong thiết bị đầu cuối. 1.3 Vật liệu có cấu trúc đặc biệt trong thiết kế anten kích thƣớc nhỏ 1.3.1 Cấu trúc dải chắn điện từ EBG Cấu trúc EBG là một loại hình siêu vật liệu hay vật liệu có cấu trúc đặc biệt. thường được tạo thành bởi sự sắp xếp tuần hoàn các vật liệu điện môi và vật dẫn kim loại, có hai đặc tính quan trọng là đặc tính chắn sóng và pha phản xạ 3
bằng không. Đặc tính này có thể phân tích qua pha phản xạ, đồ thị tán sắc hay tham số tán xạ bởi phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FDTD hay phân tích hệ số đường truyền trực tiếp. (a) Đặc tính dải chắn (b) Đặc tính pha phản xạ Hình 1.1. Đặc tính của cấu trúc EBG Khi áp dụng cấu trúc EBG cho thiết kế anten MIMO, cấu trúc EBG với hai đặc tính lý thú trên có thể đồng thời cải thiện hệ số tăng ích của anten và giảm ảnh hưởng tương hỗ. Tuy nhiên, anten gặp phải nhược điểm lớn về sự suy giảm hiệu suất bức xạ. Ngoài ra kích thước cell EBG tỷ lệ với tần số hoạt động của cấu trúc. Vì vậy, tại băng tần GHz, kích thước cell thường khá lớn, làm tăng kích thước tổng thể của anten. Do đó, giảm nhỏ kích thước cell EBG mà vẫn đảm bảo được các đặc tính của cấu trúc cho cải thiện các tham số của anten trong thiết bị đầu cuối di động là một thách thức lớn. 1.3.2 Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS Cấu trúc DGS là một loại hình cấu trúc đặc biệt được phát triển gần đây từ các nghiên cứu về cấu trúc, được xây dựng bằng cách khắc một hoặc nhiều ô đơn vị (unit cell) trên mặt phẳng đất của chất nền. Tùy thuộc vào hình dáng và kích thước của hình khắc mà phân bố mật độ dòng trên mặt phẳng đất bị biến đổi, dẫn đến thay đổi đặc tính truyền dẫn của sóng điện từ trường trong chất nền. Được phát triển từ cấu trúc EBG nên cấu trúc DGS cũng kế thừa đặc tính chắn sóng (stop band) của EBG. Bên cạnh đó, cấu trúc này còn có thêm đặc tính quan trọng khác là đường truyền sóng chậm (slow wave). (a) Đặc tính dải chắn (b) Đặc tính sóng chậm Hình 1.2. Đặc tính của cấu trúc DGS 4
Tùy thuộc vào vị trí, hình dáng và kích thước của cấu trúc DGS trên anten mà cấu trúc này có thể giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trên anten MIMO, mở rộng băng thông hay tạo tạo anten đa băng hoặc giảm nhỏ kích thước anten. Với đặc tính giảm nhỏ kích thước anten bằng hiệu ứng sóng chậm của cấu trúc DGS, tỷ lệ giảm nhỏ kích thước của anten càng lớn thì hệ số tăng ích của anten càng nhỏ. Vì vậy, khi thiết kế anten sử dụng cấu trúc DGS cần phải cân đối giữa độ gọn nhỏ của anten với hệ số tăng ích. 1.3.3 Cấu trúc CRLH-TL Đường truyền dẫn siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH-TL không tồn tại trong tự nhiên mà được hình thành từ việc lặp lại định kỳ một cấu trúc cell đơn vị LC với mô hình mạch LC của một cấu trúc CRLH được thể hiện trong hình 1.3.Giống với cấu trúc tuần hoàn trong EBG hay DGS, cấu trúc siêu vật liệu CRLH-TL cũng có đặc tính mạch lọc hay mạch chắn làm cải thiện một số Hình 1.3. Mô hình mạch của một cấu tham số cơ bản của anten. trúc CRLH Bên cạnh đó, cấu trúc này còn tồn tại chế độ cộng hưởng bậc không, là đặc tính duy nhất và vô cùng thú vị mà chỉ cấu trúc CRLH mới có, là nguyên lý để thiết kế anten cấu trúc nhỏ không phụ thuộc vào kích thước của phần tử bức xạ. Việc thiết lập L và C của cấu trúc CRLH-TL có thể được xây dựng trên cấu trúc cell EBG hình nấm hoặc cấu trúc đường mạch uốn khúc hoặc kết hợp cả hai. Các cấu trúc anten CRLH thông thường sừ dụng đường kết nối via trong cấu trúc EBG hình nấm để tạo phần tử LL làm tăng độ phức tạp trong chế tạo. Để khắc phục điều này, một số kiến trúc anten CRLH gần đây sử dụng cấu trúc không có đường kết nối (vialess) và thay vào đó là các giải pháp tạo LL trên cấu trúc DGS. Tuy có tỷ lệ giảm nhỏ kích thước ưu việt hơn hẳn các giải pháp giảm nhỏ kích thước anten trước đó nhưng anten ZOR CRLH gặp phải nhược điểm lớn về băng thông. Phần lớn các anten ZOR CRLH đều có băng thông không vượt quá 5%. Để mở rộng băng thông cho anten CRLH, một số kỹ thuật được đưa ra nhưng kỹ thuật sử dụng ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW – Coplanar WaveGuide) hiện đang thu hút nhiều sự quan tâm bởi tỷ lệ mở rộng băng thông khá cao so với các phương pháp khác. 1.4 Kết luận chƣơng 1 Nội dung chương 1 đã giới thiệu tổng quan về anten cho thiết bị đầu cuối di động trong hệ thống truyền thông không dây, xu hướng phát triển, những kỹ thuật tiên tiến được sử dụngvà vật liệu có cấu trúc đặc biệt nhằm làm cải thiện các đặc tính cơ bản của anten với ba đại diện tiêu biểu là cấu trúc EBG, cấu trúc DGS, cấu trúc CRLH. Việc nghiên cứu ba loại hình cấu trúc này không chỉ thuận lợi do kế thừa các đặc tính cơ bản của nhau mà còn có ý nghĩa rất quan 5
trọng, là cơ sở lý thuyết cho các nghiên cứu được đề xuất trong các chương sau của luận án. CHƢƠNG 2. ANTEN SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS KÉP 2.1 Giới thiệu chƣơng Nội dung chương 2 đề xuất chỉ một cấu trúc DGS kép, khi kết hợp trên kiến trúc anten phẳng, đặt theo phương vuông góc với phương tiếp điện, sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải, vừa tạo ra hiệu ứng sóng chậm làm giảm nhỏ 50% kích thước anten vừa biến đổi đặc tính trường gần, có thể nâng cao độ cách ly giữa các phần tử bức xạ đặt cạnh nhau trong anten MIMO với khoảng cách nhỏ hơn 0.50. Kết quả đề xuất này có thể áp dụng cho mọi hình dáng DGS cũng trên các dải tần hoạt động khác nhau. 2.2. Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật cho anten băng tần 4G 2.2.1 Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật và mô hình mạch tương đương được thể hiện như trên hình 2.1. (a) Cấu trúc DGS trên anten (b) Mô hình mạch LC Hình 2.1. Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật Tần số hoạt động của cấu trúc DGS và anten lần lượt là 𝑓𝐷𝐺𝑆 = 1/2𝜋 𝐿𝑙 𝐶𝑙 , 𝑓𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛 = 1/2𝜋 𝐿𝐶. Như vậy, khi LlCl LC thì cấu trúc DGS đề xuất sẽ có vai trò mở rộng băng thông hoạt động của anten theo đặc tính tần số hoạt động liên tiếp. Trong trường hợp LlCl  LC thì cấu trúc DGS sẽ có vai trò tạo anten đa băng. Bên cạnh đó, cấu trúc DGS kép đề xuất còn mang hiệu ứng sóng chậm làm giảm nhỏ kích thước anten như đã chứng minh trong chương trước. Đồng thời cấu trúc này còn có thêm hiệu ứng biến đổi trường gần của anten khi tiếp điện bằng phương pháp đường truyền vi dải. Điều này sẽ được chứng minh cho hai trường hợp anten đơn băng hoạt động ở tần số 3.5GHz và anten đa băng hoạt động ở tần số 2.6GHz và 5.7GHz. 2.2.2 Cấu trúc DGS kép ứng dụng cho thiết kế anten LTE-A 3.5GHz Đầu tiên, dựa trên phần mềm mô phỏng CST, cấu trúc DGS kép được tối ưu cho anten đơn 3.5GHz sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục, đạt hiệu quả giảm nhỏ 50% kích thước so với anten không sử dụng DGS kép. Do vị trí DGS kép khá gần điểm tiếp điện nên có thể ảnh hưởng đến kết quả đo kiểm 6
khi gắn SMA nên cấu trúc DGS kép được phát triển tiếp cho anten đơn 3.5GHz sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải, cho hiệu quả giảm nhỏ kích thước bức xạ tương tự. Tiếp đó, anten MIMO được xây dựng bằng việc đặt hai anten MIMO cạnh nhau với khoảng cách 0.5 như trên hình 2.2. (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 2.2. Anten MIMO sử dụng tiếp điện đường truyền vi dải Quan sát phân bố mật độ dòng trên anten trong hình 2.3 cho thấy cấu trúc DGS kép tạo ra một hiệu ứng đặc biệt, giống như một lá chắn, chuyển chiều dòng điện đi vòng qua khe, làm tăng chiều dài điện hay nói cách khác kích thước của anten giảm xuống khi tham chiếu cùng một tần số hoạt động. (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 2.3. Phân bố mật độ dòng trên anten 3.5GHz Kết quả mô phỏng S11 trên hình 2.4 cho thấy anten hoạt động ở tần số 3.5GHz với băng thông rộng trên 200MHz. Bên cạnh đó, kết quả này cũng thể hiện đặc tính mở rộng băng thông của cấu trúc DGS kép như đã phân tích định tính trên mô hình mạch LC ở phần 2.2.1. Hình 2.4. Đồ thị tham số S11 trên anten đơn 3.5GHz 7
Phân tích phân bố trường gần trên anten MIMO nhận thấy, cấu trúc DGS kép còn biến đổi phân bố trường gần trên mặt phẳng E cùng kiểu phân bố trên mặt phẳng H (hình 2.5), giảm hẳn ảnh hưởng tương hỗ của anten MIMO. (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 2.5. Đồ thị tham số S11 trên anten đơn 3.5GHz Hình 2.6. Tham số S của anten MIMO sử dụng phương pháp đường truyền vi dải với khoảng cách giữa hai điểm tiếp điện thay đổi (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất (c) So sánh kết quả đo và mô phỏng Hình 2.7. Chế tạo anten MIMO 3.5GHz 8
Điều này được thể hiện rõ hơn thông qua đồ thị tham số S của anten MIMO với khoảng cách giữa hai phần từ bức xạ thay đổi từ 0.5 (42.83mm) xuống 0.4 (34.26mm) tính từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện như mô tả trong hình 2.6. Kết quả đề xuất cũng được chế tạo cho kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng nhau (hình 2.7). 2.2.3 Cấu trúc DGS kép trên anten MIMO 2.6GHz và 5.7GHz Nội dung phần này tiếp tục sử dụng cấu trúc DGS kép hình chữ nhật như phần trên để giảm nhỏ hơn 50% kích thước anten và nâng cao độ cách ly của anten MIMO tuy nhiên cấu trúc DGS được tối ưu trên CST với tỷ lệ khác biệt giữa kích thước DGS và anten nhằm tạo ra fDGS fanten, tạo đa băng, hoạt động tại hai băng tần 2.6GHz cho ứng dụng LTE-A và 5.7GHz cho ứng dụng WLAN trong thiết bị đầu cuối di động như được chỉ ra trong hình 2.8. (a) Tại tần số 2.6GHz (b) Tại tần số 5.7GHz Hình 2.8. Phân bố mật độ dòng trên anten MIMO 2.6GHz và 5.7GHz Có thể nhận thấy rõ trên hình 2.8 (a), tại tần số hoạt động 2.6GHz, cấu trúc DGS nối tiếp đã chuyển hướng dòng điện trên anten. Thay vì đi thẳng từ đường tiếp điện vi dải đến bức xạ trên cạnh W của anten, mật độ dòng điện tập trung thành đường vòng quanh kiến trúc DGS và bức xạ trên các cạnh của kiến trúc này. Trong khi đó, tại tần số hoạt động 5.7GHz, như được minh họa trong hình 2.8(b), phân bố mật độ dòng thay vì đi từ đường tiếp điện vi dải đi đến bức xạ trên cạnh W của anten thành hướng vuông góc với cạnh W và bức xạ trên cạnh L. Tạo ra tần số hoạt động thứ 2. (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 2.9. Chế tạo anten MIMO 2.6GHz và 5.7GHz 9
Mẫu anten được chế tạo trên FR4, chiều cao h=1.6mm cho kết quả đo khá tương đồng với kết quả mô phỏng như được chỉ ra trong hình 2.9 và 2.10. Hình 2.10. So sánh kết quả đo và mô phỏng trên anten MIMO 2.6GHz/ 5.7GHz 2.3. Cấu trúc DGS kép phức hợp cho anten băng tần milimet Nội dung phần này đề xuất cấu trúc DGS kép giống như phần trên nhưng có hình dáng phức hợp hình chữ U kết hợp hình sao kép áp dụng cho anten 5G băng tần milimet hoạt động ở tần số 28GHz và 38GHz. Tuy có hình dáng phức tạp hơn rất nhiều cấu trúc hình chữ nhật đơn giản ở phần trên nhưng vẫn với cấu trúc DGS kép, phương đặt vuông góc với đường tiếp điện và vị trí đối xứng nhau qua điểm tiếp điện, anten MIMO sử dụng cấu trúc DGS mới này vẫn thu được các đặc tính giảm nhỏ kích thước và nâng cao độ tương hỗ và tạo đa băng như cấu trúc đơn giản hình chữ nhật trước đó. 2.3.1. Anten đa băng 28GHz và 38GHz sử dụng cấu trúc DGS kép (a) DGS phức hợp (b) Mặt bức xạ (c) Mặt phẳng đất Hình 2.11. Anten MIMO DGS kép phức hợp Đầu tiên, anten 5G băng tần 38GHz được thiết kế với cấu trúc anten vi dải hình chữ nhật, tiếp điện bằng đường vi dải, sử dụng vật liệu RT5880,  = 2.2, h=0.79mm, nhằm đơn giản và thuận tiện cho thiết kế, chế tạo, khắc phục thách thức lớn về kích thước nhỏ trong anten băng tần milimet. Sau đó, cấu trúc DGS hình chữ U với hai đầu tiết diện tròn được thiết kế nhằm tạo tần số hoạt động thứ hai cho anten.Tiếp đến, cấu trúc DGS hình sao kép được bổ sung để mở rộng băng thông và cải thiện đặc tính cho băng tần 38GHz của anten. Cuối cùng, cấu trúc DGS kép phức hợp hình chữ U và sao kép được xây dựng như cấu trúc DGS kép hình như nhật trong phần 2.2.1 nhằm làm nâng cao độ cách ly giữa các 10
phần tử bức xạ trong anten MIMO. Cấu trúc DGS kép phức hợp và anten băng tần milimet sử dụng cấu trúc DGS kép này được thể hiện tương ứng trong hình 2.11. 2.3.2. Kết quả Giống như trường hợp DGS hình chữ nhật đơn giản. Cấu trúc DGS kép hình phức hợp cũng tạo ra hiệu ứng đa băng và giảm nhỏ kích thước khi phân tích phân bố mật dòng như chỉ ra trong hình 2.12 và biến đổi trường gần để nâng cao độ cách ly như chỉ ra trong hình 2.13. (a) Tại tần số 28GHz (b) Tại tần số 38GHz Hình 2.12. Phân bố mật độ dòng trên anten 5G sử dụng cấu trúc DGS kép (a) Phân bố trường gần (b) Đồ thị tham số S với khoảng cách anten thay đổi Hình 2.13. Đặc tính tương hỗ trên anten MIMO 5G sử dụng cấu trúc DGS kép 2.4 Kết luận chƣơng 2 Nội dung chương 2 đã đề xuất cấu trúc DGS kép cho anten vi dải sử dụng phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải. Khi đặt theo phương vuông góc với đường tiếp điện và đối xứng nhau qua điểm tiếp điện, cấu trúc này không những thu nhỏ kích thước anten bằng hiệu ứng sóng chậm mà còn nâng cao độ cách ly trong anten MIMO bằng sự biến đổi trường gần, đạt độ tương hỗ S12 nhỏ hơn -20dB với khoảng cách nhỏ hơn 0.5 mà không cần thêm bất kỳ cấu trúc giảm tương hỗ nào ở giữa hai phần tử bức xạ trong hệ anten MIMO. Cấu trúc này có thể áp dụng cho các loại hình dáng DGS khác nhau từ cấu trúc hình chữ nhật đơn giản đến cấu trúc hình phức kết chữ U sao sao kép. Cấu trúc này cũng có thể áp dụng cho các băng tần khác nhau. Từ băng tần 2.6GHz, 3.5GHz cho truyền thông 4G đến băng tần milimet 28GHz/ 38GHz cho truyền thông 5G. 11
CHƢƠNG 3. ANTEN MIMO SỬ DỤNG CẤU TRÚC DS-EBG 3.1 Giới thiệu chƣơng Nội dung chương 3 của luận án đề xuất cấu trúc DS-EBG, có hiệu quả giảm nhỏ kích thước như cấu trúc EBG đa lớp nhưng vẫn đơn giản trong thiết kế, chế tạo. Khi kết hợp với anten MIMO sử dụng cấu trúc DGS kép đề xuất trong chương 2, cho hiệu quả giảm sâu tương hỗ đáng kể, không những vậy còn có thể cải thiện hệ số tăng ích và đặc biệt, cấu trúc này không làm suy giảm hiệu suất bức xạ của anten. Kết quả đề xuất được chứng minh bằng mô hình mạch tương đương, mô phỏng và thực nghiệm với cấu trúc DS_EBG hình chữ H trên anten đa băng, băng tần 2.6 GHz/ 5.7GHz cho truyền thông 4G và hình tròn trên anten băng tần milimet. 3.2 Cấu trúc DS-EBG hình chữ H cho anten MIMO trong truyền thông 4G 3.2.1 Cấu trúc DS-EBG hình chữ H Tiến trình thiết kế cấu trúc DS-EBG đề xuất bắt đầu từ cấu trúc EBG hình nấm truyền thống, phát triển lên cấu trúc EBG hai mặt (DS-EBG) với một mặt hình nấm và mặt kia sử dụng cấu trúc uni phẳng và cuối cùng là kiến trúc DS- EBG hai mặt chẻ khe hình chữ H như được thể hiện trong hình 3.1. Tại cùng tần số hoạt động 2.6GHz, cấu trúc DS-EBG hình chữ H đạt kích thước nhỏ gọn bằng 11.83% kích thước EBG hình nấm truyền thống. Hình 3.1. Tiến trình thiết kế cấu trúc DS-EBG Mô hình mạch tương đương của cấu trúc được thể hiện trong hình 3.2, bao gồm hai cấu trúc mạch chắn, với tần số hoạt động được xác định theo công thức: 𝑓1 = 1/2𝜋 𝐶𝑔 𝐿𝑣𝑖𝑎 (3.1) (3.2) Hình 3.2 Mô hình mạch tương đương 𝑓2 = 1/2𝜋 𝐿𝑏 + 𝐿𝑐−𝑔 𝐶𝑔 của cấu trúc DS-EBG chữ H 12
3.2.2 Cấu trúc DS-EBG hình chữ H cho thiết kế anten MIMO đa băng Cấu trúc 1x7 cell DS-EBG hình chữ H được đưa vào không gian giữa hai phần tử bức xạ trong anten MIMO đa băng sử dụng cấu trúc DGS kép đã đề xuất trong chương 2 như thể hiện trong hình 3.3. (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 3.3. Anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG hình chữ H Có thể nhận thấy cấu trúc EBG hai mặt trông giống như cấu trúc lai ghép giữa EBG và DGS. Vì vậy, cấu trúc này không chỉ mang lại hiệu quả giảm tương hỗ giữa các phần tử bức xạ đặt cạnh nhau trong anten MIMO như chỉ ra trong hình 3.4 mà còn cải thiện hệ số tăng ích cũng như hiệu suất bức xạ như chỉ ra trong bức xạ 3D của anten có và không có cấu trúc DS-EBG Hình 3.4. Đồ thị tham số S của anten trong hình 3.5 và 3.6. MIMO DS-EBG Tại tần số 2.6GHz, anten MIMO DS-DGS được cải thiện một cách đáng kể về cả hiệu suất bức xạ cũng như hệ số tăng ích. Có thể thấy hệ số tăng ích của anten tăng lên 160%, từ 2.63dB lên 4.25dB. Không những thế, hiệu suất bức xạ của anten tăng từ 59% lên 68.7%. Đây là một sự cải thiện vô cùng ý nghĩa, khắc phục được nhược điểm lớn về sự suy giảm hiệu suất bức xạ của cấu trúc EBG. Để đánh giá tham số hiệu năng của mẫu anten sử dụng DS-EBG hình chữ H, anten cũng như cấu trúc DS-EBG được chế tạo trên một tấm điện môi FR4 với hằng số điện môi =4.4, chiều dày 1.6mm với giá trị S11, S12 thực nghiệm của anten được so sánh với giá trị mô phỏng được chỉ ra trên hình 3.7. 13
(a) Sử dụng cấu trúc DS-EBG (b) Không sử dụng cấu trúc DS-EBG Hình 3.5. Đồ thị bức xạ 3D của anten MIMO tại tần số 2.6GHz (a) Sử dụng cấu trúc DS-EBG (b) Không sử dụng cấu trúc DS-EBG Hình 3.6. Đồ thị bức xạ 3D của anten MIMO tại tần số 2.6GHz Có thể thấy anten cộng hưởng tại hai tần số 2.6GHz và 5.7GHz với độ rộng băng thông tương ứng 150MHz và 250MHz. Tại tần số hoạt động 2.6GHz, giá trị S11 đạt -15dB và S12 đạt -30dB. Tại tần số hoạt động 5.7GHz, giá trị S11 đạt -38dB và S12 đạt -37dB. Cũng có thể thấy, trên cả hai băng tần, giá trị S11 và S12 cùng giảm sâu tại cả hai tần số hoạt động của anten. Đây là điều mà mọi thiết kế anten MIMO đều mong Hình 3.7. So sánh kết quả đo và mô muốn. phỏng của anten MIMO DS-EBG 14
3.3 Cấu trúc DS-EBG tròn cho anten MIMO băng tần milimet 3.3.1 Cấu trúc DS-EBG tròn Nội dung phần này phát triển tiếp cấu trúc DS-EBG cho ứng dụng trên băng tần milimet của truyền thông 5G. Do kích thước cell EBG phụ thuộc vào tần số hoạt động của cấu trúc nên sẽ có kích thước rất nhỏ khi ứng dụng trên băng tần milimet. Hơn nữa, truyền thông 5G lại yêu cầu đặc tính băng thông rộng cỡ GHz nên cấu trúc DS-EBG hình tròn được đề xuất với cấu tạo của một cell và mô hình mạch tương đương được thể hiện như trong hình 3.8. (a) Cấu trúc cell (b) Mô hình mạch tương đương Hình 3.8. Cấu trúc DS-EBG tròn đề xuất Tần số hoạt động của cấu trúc DS-EBG tròn đề xuất được xác định theo công thức: 1 𝑓1 = (3.3) 2𝜋 𝐿𝐶 1 𝑓2 = (3.4) 2𝜋 𝐿 𝐶 + 𝐶1 Hình 3.9 Dải chắn của cấu trúc DS- EBG tròn Dải chắn của cấu trúc 1xn DS-EBG hình tròn với số lượng cell (n) thay đổi từ 7 đến 10 được thể hiện trong hình 3.9. Có thể nhận thấy rõ tồn tại hai dải chắn với sự suy giảm hệ số truyền dẫn lớn hơn 20dB. Cùng với đó, số lượng cell càng tăng thì hiệu quả suy giảm càng lớn. Với cấu trúc DS-EBG 1x7 cell, tồn tại hai dải chắn từ 24.58GHz đến 30.76 GHz và từ 35.59GHz đến 40.53 GHz. 3.3.2. Cấu trúc EBG tròn cho thiết kế anten đa băng 28GHz/ 38GHz Cấu trúc DS-EBG tròn được áp dụng lên thiết kế anten MIMO băng tần milimet trong chương 2 như thể hiện trong hình 3.10. Thiết kế này có chút khác biệt nhỏ so với cấu anten DGS kép băng tần milimet đã được trình bày trong chương 2 với phần lược bỏ bớt cấu trúc hình sao kép nhằm giảm bớt độ phức tạp trong chế tạo và cân bằng giữa sự gọn nhỏ của anten so với sự suy giảm hệ số tăng ích. Tuy nhiên, kích thước tổng thể của anten MIMO DS-EBG tròn không thay đổi, đạt 15.3x8.5x 0.79 (mm3) với khoảng cách giữa các phần tử bức xạ là 0.448 từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện. 15
(a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 3.10. Cấu trúc annten MIMO DS-EBG tròn đề xuất Các tham số tán xạ và truyền dẫn của anten sử dụng và không sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn được thể hiện trong hình 3.11 và 3.12. Có thể nhận thấy rõ, anten MIMO khi sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn cải thiện băng thông lên đáng kể. Tại băng tần 28GHz, băng thông tăng 663MHz, đạt độ rộng băng Hình 3.11. S11 của anten MIMO 5G thông là 2GHz (7.14%). Tại băng tần 38GHz, băng thông tăng 2.2GHz, đạt độ rộng băng thông là 5GHz (13.16%). Tuy nhiên, cải thiện đáng chú ý nhất của anten MIMO khi áp dụng cấu trúc DS-EBG là sự suy giảm đáng kể ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ. Hình 3.12. S12 của annten MIMO 5G Điều này có thể nhận thấy rõ trong đường cong hệ số truyền dẫn S12 như thể hiện trong hình 3.12. Tại tần số 28GHz, anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn có tham số S12 đạt -55dB, giảm 30dB so với anten MIMO khi không sử dụng cấu trúc này. Tác động này cũng xảy ra tại tần số 38GHz với độ suy giảm đạt 5dB. (a) Tại tần số 28GHz (b) Tại tần số 38GHz Hình 3.13. Bức xạ 3D của anten MIMO 5G không sử dụng DS-EBG tròn 16
(a) Tại tần số 28GHz (b) Tại tần số 38GHz Hình 3.14. Bức xạ 3D của anten MIMO 5G sử dụng DS-EBG tròn Bên cạnh đó, anten MIMO 28/38GHz khi sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn cũng cải thiện hệ số tăng ích và đặc biệt là không làm suy giảm hiệu suất bức xạ, điều mà phần lớn các anten sử dụng cấu trúc EBG trước đây gặp phải. Điều này được thể qua đồ thị bức xạ 3D của anten không sử dụng và sử dụng cấu trúc DS-EBG trong hình 3.13 và 3.14. Tại tần số hoạt động 28GHz, hệ số tăng ích của anten MIMO DS-EBG đạt 6.19dB, tăng 2.22dB. Hệ số bức xạ tăng từ 83.2% lên 87.6%. Tại tần số hoạt động 38GHz, hệ số tăng ích của anten đạt 7.16dB, tăng 0.01dB. Hệ số bức xạ tăng từ 82.8% lên 91%. (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 3.15. Mẫu chế tạo anten MIMO DS-EBG tròn Để đánh giá tham số hiệu năng của mẫu anten MIMO băng tần milimet sử dụng DS-EBG tròn, anten cũng như cấu trúc DS-EBG cùng được chế tạo trên một tấm điện môi RT5880 với hằng số điện môi =2.2, chiều dày 0.79 mm với kích thước tổng thể là 15.8x8.5 mm2 như trong hình 3.15. Kết quả đo của anten được thực hiện trên máy đo VNA và được so sánh với kết quả mô phỏng như chỉ ra trong hình 3.16 và 3.17. Hình 3.16. So sánh S11 17
Hình 3.17. So sánh S21 mô phỏng và đo kiểm của anten MIMO DS-EBG tròn Có thể thấy anten đều hoạt động ở hai băng tần 28GHz và 38GHz. Ảnh hưởng tương hỗ trong anten đạt -60dB tại tần số 28GHz và -35dB cho tần số 38GHz. Có sự sai khác giữa kết quả đo và kết quả mô phỏng về độ rộng băng thông cũng như hình dáng của đồ thị, đặc biệt là đồ thị các tham số S21 của anten MIMO do nhiều nguyên nhân như sai số chế tạo, ảnh hưởng của S-SMA, … 3.3 Kết luận chƣơng 3 Nội dung chương 3 đề xuất cấu trúc DS-EBG: Hình chữ H cho anten MIMO đa băng 2.6GHz và 5.7GHz, ứng dụng trong thiết bị đầu cuối di động 4G; Hình tròn cho cấu trúc anten đơn và MIMO băng tần 28GH/ 38GHz, ứng dụng cho truyền thông di động 5G băng tần milimet. Cả hai đề xuất DS-EBG đều cho cấu trúc nhỏ gọn, phù hợp với ứng dụng trong thiết bị đầu cuối di động. Đặc biệt, cấu trúc DS-EBG hình chữ H có kích thước giảm nhỏ gần 90% so với cấu trúc cell EBG hình nấm truyền thống trong khi vẫn đơn giản trong chế tạo. Bên cạnh đó, cả hai cấu trúc DS-EBG đều đồng thời cải thiện hai đặc tính cơ bản của cấu trúc EBG khi áp dụng trên anten vi dải: nâng cao hệ số tăng ích, giảm sâu ảnh hưởng tương hỗ tại băng tần thấp và đặc biệt cải thiện đáng kể hiệu suất bức xạ trên băng tần milimet. CHƢƠNG 4. ANTEN ĐA BĂNG KÍCH THƢỚC NHỎ SỬ DỤNG CẤU TRÚC CRLH-CPW 4.1 Giới thiệu chƣơng Nội dung chương 4 bao gồm hai phần chính: đề xuất anten sử dụng cấu trúc CHLH-CPW nhằm tạo anten đa băng cộng hưởng ở tần số 3.5GHz với băng thông rộng cho truyền thông di động 5G băng tần thấp và 5GHz cho ứng dụng WLAN; đề xuất cấu trúc giảm tương hỗ sử dụng đường biến đổi đều cho việc giảm sâu tương hỗ cho anten MIMO CRLH-CPW băng rộng được đề xuất. Các 18