Giảm nhỏ kích thước cell EBG bằng cấu trúc phức hợp EBG-DGS đa băng, ứng dụng cho truyền thông di động 5G

Trong bài báo này, một cấu trúc dải chắn điện từ phức hợp mới được đề xuất. Kết hợp giữa cấu trúc dải chắn điện từ EBG (Electromagnetic Band Gap) hình răng lược và cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS (Defected Ground Structure) hình phức hợp, cấu trúc đề xuất đã giảm được 52% kích thước so với EBG hình nấm truyền thống. Phân tích trên đồ thị tán sắc, cấu trúc này cho hai dải chắn tại hai băng tần 2.75 GHz-3.84 GHz và 4.3 GHz7.3 GHz, có thể ứng dụng cho việc cải thiện các đặc tính của anten trên băng tần 3.5 GHz và 5 GHz của truyền thông vô tuyến thế hệ thứ 5 (5G) băng tần dưới 6GHz. Mời các bạn cùng tham khảo!

Giảm nhỏ kích thước cell EBG cấu trúc phức hợp EBG-DGS đa băng, ứng dụng cho truyền thông di động 5G Nguyễn Văn Tân, 1Dương Thị Thanh Tú Hồng Thị Phương Thảo Khoa Viễn Thơng I, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Điện lực Email: nguyennhattanbl@gmail.com, tudtt@ptit.edu.vn, thaohp@epu.edu.vn có đặc tính phản xạ sóng phẳng thơng thường với hệ số phản xạ г = + dải tần số định Trong trường hợp bề mặt hoạt động tường đối xứng từ tính thường gọi dây dẫn mag-netic nhân tạo (AMC) [1], [2] Có nhiều ứng dụng sử dụng cấu trúc tuần hoàn lĩnh vực thiết kế anten [3] - [9] Việc sử dụng cụ thể cho cấu trúc bao gồm mặt phẳng đất cải tiến cho anten riêng lẻ [10], cho giảm ảnh hưởng tương hỗ anten MIMO patch mảng [7], [11] - [14] Ngoài ra, cấu trúc EBG áp dụng cho ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW) để giảm sóng rị rỉ [15], [16] hay anten trạm gốc [17] Các ứng dụng khác bao gồm giảm thiểu tiếng ồn mạch tốc độ cao [18] - [20] cải thiện lập tín hiệu hệ thống tín hiệu hỗn hợp RF [20] Các thuộc tính EBG thường tồn băng tần cụ thể Tuy nhiên, gần xu hướng thiết kế anten phát triển thiết bị anten có khả hoạt động nhiều băng tần kích thước anten phải giảm nhỏ để tích hợp với thiết bị nhỏ gọn thực tế Do vậy, để kết hợp với anten cách hiệu quả, đặc biệt cho ứng dụng anten MIMO thiết bị đầu cuối di động 5G, kích thước cấu trúc EBG cần phải giảm nhỏ đảm bảo chức ban đầu Do tần số cộng hưởng cấu trúc EBG phụ thuộc vào hai tham số giá trị điện cảm L giá trị điện dung C nên bản, để giảm nhỏ kích thước cấu trúc EBG ta cần giảm tần số cộng hưởng fc, có hai xu hướng tăng giá trị điện cảm L, tăng giá trị điện dung C Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu giải pháp giảm nhỏ kích thước cấu trúc EBG dựa vào nguyên lý trên, việc tăng L C phạm vi bề mặt kim loại phía cấu trúc EBG Cụ thể, cấu trúc EBG dạng xoắn ốc tạo [21] giảm 20% kích thước, cấu trúc EBG khe cắm hình vịng hoa [22] giảm 22.54% kích thước, cấu trúc EBG hình vành khăn [23] giảm 15% kích thước, cấu trúc UCEBG [24] giảm 26% kích thước, cấu trúc EBG Fractal [25] giảm 13% kích thước, cấu trúc EBG nấm chứa khe [26] giảm 10% kich thước Cũng có đề xuất tăng L C phạm vi mặt phẳng đế kim loại cấu trúc EBG cấu trúc EBG có mặt đế xoắn ốc đề xuất [27] giảm 41% kích thước Nội dung báo đề xuất cấu trúc EBG tăng L C hai phạm vi kim loại phía Tóm tắt — Trong báo này, cấu trúc dải chắn điện từ phức hợp đề xuất Kết hợp cấu trúc dải chắn điện từ EBG (Electromagnetic Band Gap) hình lược cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS (Defected Ground Structure) hình phức hợp, cấu trúc đề xuất giảm 52% kích thước so với EBG hình nấm truyền thống Phân tích đồ thị tán sắc, cấu trúc cho hai dải chắn hai băng tần 2.75 GHz-3.84 GHz 4.3 GHz7.3 GHz, ứng dụng cho việc cải thiện đặc tính anten băng tần 3.5 GHz GHz truyền thông vô tuyến hệ thứ (5G) băng tần 6GHz Kết đề xuất chứng minh đồng thời thông qua hai phương pháp: sử dụng đồ thị tán sắc pha phản xạ cấu trúc EBG phần mềm mơ siêu cao tần CST Từ khóa: EBG, DGS, 5G I GIỚI THIỆU Công nghệ truyền thông không dây hệ thứ (5G) gần thu hút nhiều quan tâm, nghiên cứu nhà khoa học nước Băng tần cho truyền thông 5G bao gồm hai loại: băng tần cho 10GHz băng tần milimet Theo WRC-15, số băng tần cho truyền thông 5G tiêu biểu cho dải tần 10GHz bao gồm: 2700-3100KHz, 3300-3400KHz, 3400-3800KHz, 4400-5000KHz, 51005925KHz, 5850-6425KHz Công nghệ 5G hứa hẹn công nghệ mang tới tốc độ truyền tải vượt trội so với cơng nghệ 4G trước Để làm điều này, nhiều đặc tính cơng nghệ, kỹ thuật đề xuất 5G Trong đó, khơng thể khơng kể đến kỹ thuật đa anten thu đa anten phát MIMO trạm gốc lẫn thiết bị đầu cuối Cấu trúc dải chắn băng tần điện từ EBG (Electromagnetic Band Gap) cấu trúc nhân tạo tuần hoàn (hoặc đơi khơng tuần hồn) cản trở hỗ trợ lan truyền sóng điện từ dải tần số xác định góc tới trạng thái phân cực sóng Các cấu trúc EBG thường thực cách xếp tuần hồn vật liệu điện mơi dây dẫn kim loại theo cấu hình học khác Kế thừa bước cấu trúc EBG cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS (Defected Ground Structure) mặt phẳng đế kim loại vật liệu Đặc điểm bề mặt EBG tồn nhiều dải chắn, nhờ việc truyền sóng bề mặt bị triệt tiêu cách hiệu Ngoài ra, nhiều cấu trúc số 239 mặt phẳng đế kim loại, cho hiệu giảm nhỏ kích thước lên đến 52% Kết đề xuất chứng minh thông qua việc so sánh tần số cộng hưởng cấu trúc đề xuất với cấu trúc EBG nấm thơng thường có kích thước phương pháp sử dụng đồ thị tán xạ pha phản xạ cấu trúc EBG Bố cục báo bao gồm bốn phần: giới thiệu tổng quan cấu trúc EBG phương pháp giảm nhỏ cấu trúc EBG nhược điểm mẫu trước đó; phần hai đề xuất mẫu EBG lược EBG lược kết hợp sử dụng phức hợp DGS mặt phẳng đế kim loại; phần ba kết mô phần mền siêu cao tần CST cuối kết luận đưa phần bốn 2.2 Cấu trúc EBG đề xuất a) Tiến trình thiết kế Cấu trúc EBG đề xuất thiết kế gồm: hai phiến kim loại, lớp điện môi bán kính cột nối kim loại Lớp điện mơi chọn FR4 có chiều dày 1.6 mm, hệ số điện môi 4.4 hệ số suy hao 0.02 Cấu trúc EBG đề xuất thiết kế qua hai bước hình Đầu tiên, cấu trúc EBG hình nấm truyền thống có kích thước 8mm x 8mm cho băng tần hoạt động số 3.5 GHz khắc thành cấu trúc EBG hình lược Tiếp sau đó, cấu trúc EBG hình lược phát triển tiếp thành cấu trúc kết hợp EBG hình lược với cấu trúc DGS phức hợp II KIẾN TRÚC PHỨC HỢP EBG-DGS 2.1 Nguyên lý Thiết kế anten trải qua tiến to lớn vài thập kỷ qua chúng trải qua phát triển vĩ đại Nhiều công nghệ lên lĩnh vực thiết kế anten đại bước đột phá thú vị khám phá phát triển cấu trúc EBG Các ứng dụng cấu trúc EBG thiết kế anten trở thành chủ đề hấp dẫn cho nhà khoa học anten kỹ sư vô tuyến Những tiến điện từ tính tốn, động lực quan trọng, góp phần đáng kể cho phát triển nhanh chóng thiết kế ăng-ten Nó giúp mở rộng nhiều khả nhà nghiên cứu anten việc cải thiện tối ưu hóa thiết kế họ cho hiệu Các kỹ thuật số khác nhau, chẳng hạn phương pháp mô-men MoM (the method of moment), phương pháp phần tử hữu hạn FEM (finite element method) hay phân tích miền thời gian phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian- FDTD (the finite difference time domain) phát triển tốt qua nhiều năm Bài báo sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian- FDTD (the finite difference time domain) để tìm đồ thị tán xạ cấu trúc EBG Đối với cấu trúc định, tần số trung tâm cho công thức (1) [28]: 𝑓𝑐 = 1/2𝜋√𝐿𝐶 (1) L C điện cảm điện dung tương ứng Băng thông cấu trúc tham số quan trọng xác định (2) [28]: BW = L √  C (2) Hình 1: Tiến trình thiết kết cấu trúc EBG đề xuất b) Cấu trúc EBG hình lược đề xuất Cấu trúc EBG lược thể hình Các thành phần điện dung điện cảm bổ sung tao từ việc biến đổi mặt kim loại ban đầu Những hình chữ nhật chẻ kim loại tạo giá trị điện dung C bổ sung, phần kim loại lại tạo giá trị điện cảm L bổ sung thể hình (a) Trong trở kháng khơng gian trống, L C điện cảm điện dung tương ứng Từ phân tích ta thấy cấu trúc EBG đề xuất trước sử dụng phương pháp tăng L C phạm vi bề mặt kim loại phía phạm vi mặt phẳng đế kim loại Vì vậy, ta kết hợp đồng thời việc tăng giá trị tổng cộng điện dung C điện cảm L hai phạm kim loại phía mặt phẳng đế tần số cộng hưởng dải chắn giảm nhỏ Điều đồng nghĩa với kích thước cấu trúc EBG nhỏ gọn so với cấu trúc EBG khác có tần số cộng hưởng 240 Cấu trúc EBG Hình nấm EBG hình lược (a) (b) Hình 2: (a) mặt EBG lược đề xuất, (b) mặt đế EBG lược đề xuất EBG hình lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp (c) Cấu trúc EBG hình lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp Trong cấu trúc này, thành phần điện dung bổ sung điện cảm bổ sung tạo từ việc biến đổi mặt kim loại mặt đế kim loại ban đầu Ngoài việc tạo C L bổ sung mặt kim loại giống EBG hình lược Cấu trúc tạo giá trị C L bổ sung mặt phắng đế kim loại cấu trúc EBG thể hình (a) Tham số thiết kế (mm) L W r 8.5 0.4 L W r 8.5 0.4 a b c 0.75 0.75 d e g 0.5 0.5 0.5 L W r 8.5 0.4 a b c 0.75 0.75 d e g 0.5 0.5 0.5 i k n 0.75 0.25 m t x 1.5 1.25 0.5 pháp mơ xác định dải chắn tần số phần tử EBG đơn Điều kiện biên cấu trúc đặt chế độ tuần hồn Hai mode sóng riêng biệt TM TE khảo sát Kết mô đồ thị tán xạ cấu trúc EBG trình bày hình Quan sát hình 4, dải chắn tần số xuất mode sóng TM mode TE kết mô đồ thị tán xạ ba cấu trúc EBG Đối với cấu trúc EBG hình nấm hình 4a, dải chắn bắt đầu tần số 3.93 GHz kết thúc tần số 8.01 GHz Trong đó, cấu trúc EBG hình lược hình 4b có dải chắn tần số thấp từ 3.25 GHz đến 3.83 GHz Cấu trúc EBG hình lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp hình 4c cho ta thấy cấu trúc tạo EBG hai băng nên có hai dải chắn :dải chắn thứ bắt đầu tần số 2.78 GHz kết thúc tần số 3.84 GHz Dải chắn thứ hai bắt đầu tần số 4.3 GHz kết thúc tần số 7.3 GHz (b) Hình 3: a) mặt EBG lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp đề xuất, b) mặt đế EBG lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp đề xuất Từ kết từ đồ thị tán xạ thể hình pha phản xạ thể hình cấu trúc EBG thấy tần số cộng hưởng cấu trúc EBG hình lược giảm so với cấu trúc EBG hình nấm truyền thống từ 5.83 GHz xuống cịn 3.39 GHz có kích thước, điều tương đương giảm 41.85% kích thước cấu trúc EBG Cấu Trúc EBG hình lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp cải tiến cấu trúc EBG hình lược, ta đồng thời tăng L C hai phạm vi mặt kim loại mặt phẳng đế kim loại cấu trúc EBG Từ đồ thị tán xạ pha phản xạ ta thấy cấu trúc EBG hình lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp tạo hai băng có tần số cộng hưởng 2.81 GHz 6.38 GHz Nếu xét dải chắn thứ cấu trúc EBG hình lược kế hợp với cấu trúc DGS phức hợp có tần số cộng hưởng giàm từ 5.83 GHz xuống cịn 2.8 GHz so với EBG nấm thơng thường, tương đương giảm 52% kích thước cấu trúc EBG Chi tiết tham số kích thước hai cấu trúc EBG trình bày bảng III KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Trong phần này, EBG hình lược, EBG hình lược kết hợp cấu trúc DGS phức hợp với khảo sát phần mềm mô CST Cấu trúc EBG đề xuất EBG nấm truyền thống khảo sát tham số kích thước phần tử đơn vị, phiến kim loại, lớp điện mơi bán kính cột nối kim loại Đặc tính dải chắn xác định dựa vào đồ thị tán xạ cấu trúc EBG Phương Bảng Tham số kích thước cấu trúc EBG 241 (a) (a) (b) (b) (c) Hình Pha phản xạ xạ a) EBG nấm, b) EBG lược, c) EBG lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp Chi tiết kết mô dải chắn pha phản xạ cấu trúc tổng hợp bảng (c) Hình Đồ thị tán xạ a) EBG nấm, b)EBG lược, c) EBG lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp 242 [9] R F J Broas, D F Sievenpiper, and E Yablonovitch, “A highimpedance ground plane applied to a cellphone handset ge-ometry,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol 49, pp 1262–1265, 2001 [10] J R Sohn, H Tae, J Lee, and J Lee, “Comparative analysis of four Types of high-impedance surfaces for low profile antenna applications,” in AP-S IEEE Int Symp (Digest) Antennas Propag Society, 2005, vol 1A,pp.758–761 [11] W Zhang, J Mao, and X Sun, “Patch antenna array embedded on a highimpedance ground plane,” J Electromagn Waves Applicat., vol.19,pp.2007– 2014,2005 [12] F Yang and Y Rahmat-Samii, “Microstrip antennas integrated with electromagnetic band-gap (EBG) structures: A low mutual coupling design for array applications,” IEEE Trans Antennas Propag., vol 51, pp 2936–2946, 2003 [13] R Gonzalo, P De Maagt, and M Sorolla, “Enhanced patch-antenna performance by suppressing surface waves using photonic-bandgap substrates, ”IEEE Trans Microw TheoryTech., vol.47, pp.2131–2138, 1999 [14] F Yang and Y Rahmat-Samii, “Microstrip antennas integrated with electromagnetic band-gap (EBG) structures: A low mutual coupling design for array applications,” IEEE Trans Antennas Propag., vol 51, pp 2936–2946, 2003 [15] F Yang, K Ma, Y Qian, and T Itoh, “A novel TEM waveguide using uniplanar compact photonic-bandgap (UC-PBG) structure,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol 47, pp 2092–2098, 1999 [16] F Yang, K Ma, Y Qian, and T Itoh, “A uniplanar compact pho- tonicbandgap (UC-PBG) structure and its applications for microwave circuit,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol 47, pp 1509–1514, 1999 [17] G K Palikaras, A P Feresidis, and J C Vardaxoglou, “Cylindrical electromagnetic bandgap structures for directive base station an- tennas,” IEEE Antennas Wireless Propag Lett., vol 3, pp 87–89,2004 [18] T Kamgaing and O M Ramahi, “Design and modeling of highimpedance electromagnetic surfaces for switching noise suppres-sion in power planes,” IEEE Trans Electromagn Compat., vol 47,pp.479–489,2005 [19] T Kamgaing and O M Ramahi, “A novel power plane with inte-grated simultaneous switching noise mitigation capability using high impedance surface,” IEEE Microw Wireless Compon Lett., vol 13, pp 21–23, 2003 [20] R AbhariandG V Eleftheriades, “Metallo-dielectric electromagnetic bandgap structures for suppression and isolation of the parallel-plate noise in high-speed circuits,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol.51, pp 1629– 1639, 2003 [21] Q.-R Zheng, Y.-Q Fu, and N.-C Yuan, "A Novel Compact Spiral Electromagnetic Band-Gap (EBG) Structure," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.56, pp 1656-1660, 2008 [22] Xiaoyan Zhang, Zhaopeng Teng, Zhiqing Liu, and Bincheng Li, “A Dual Band Patch Antenna with a Pinwheel-Shaped Slots EBG Substrate”, International Journal of Antennas and Propagation Research Article (8 pages), Article ID 815751, Volume 2015 [23] Ibraeem S Mohamed and Mahmoud A Abdalla, “B8 Reduced size mushroom like EBG for antennas mutual coupling reduction”, 2015 32nd National Radio Science Conference (NRSC), pp 57-64, 2015 [24] Tanvi Dabas, Deepak Gangwar, Binod Kumar Kanaujia, A K Gautam, “Mutual Coupling Reduction between Elements of UWB MIMO Antenna Using Small Size Uniplanar EBG exhibiting Multiple Stop Bands”, AEU International Journal of Electronics and Communications, Volume 93, September 2018, Pages 32-38 [25] Mohammad Naderi, Ferdows B Zarrabi, Fereshteh Sadat Jafari, Speideh Ebrahimi, “Fractal EBG Structure for shielding and reducing the mutual coupling in microstrip patch antenna array “, AEU - International Journal of Electronics and Communications, Volume 93, September 2018, Pages 261-267 [26] D Helena Margaret, B Manimegalai, “Modeling and optimization of EBG structure using response surface methodology for antenna applications”, AEU - International Journal of Electronics and Communications, Volume 89, May 2018, Pages 34-41 [27] H.-H Xie, Y.-C Jiao, K Song, and B Yang, "Miniature electromagnetic bandgap structure using spiral ground plane," Progress in Electromagnetics Research Letters, vol 17, pp 163-170, 2010 [28] D Sievenpiper, “Review of theory, fabrication, and application of highimpedance ground planes,” in Metamaterials, Physics and Engineering Explorations, N Engheta and R.W Ziolkowski, Kds IEEE Press, 2006,pp 295-297 Bảng Kết mô dải chắn pha phản xạ Dải chắn (GHz) Cấu trúc EBG Dải tần số Tần số cộng hưởng Độ giảm kích thước (%) Hình nấm 3.93 – 8.01 5.83 - 3.25 – 3.83 3.39 41.85% EBG lược EBG lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp Dải thứ nhất: 2.78 – 3.84 Dải thứ hai: 4.3 – 7.3 2.81 6.38 52% - IV KẾT LUẬN Trong báo này, giải pháp giảm kích thước cấu trúc EBG hình nấm thơng thường đề xuất thực Giải pháp thực việc giảm kích thước thơng qua việc xác định pha phản xạ cấu trúc EBG Lần lượt thực qua hai bước, phần tử điện dung điện cảm tạo hai phạm vi mặt kim loại mặt phẳng đế kim loại nhằm mục đích tăng tổng giá trị tổng điện dung tổng điện cảm cấu trúc EBG Kết quả, cấu trúc EBG hình lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp giảm 52% kích thước so với cấu trúc EBG hình nấm thơng thường, cho hai dải băng tần đáp ứng băng thông truyền thông thông di động 5G băng tần 10GHz TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D.F.Sievenpiper,“High-ImpedanceElectromagneticSurfaces,”Ph.D dissertation, Univ California, Los Angeles, 1999 [2] J McVay, N Engheta, and A Hoorfar, “High impedance metamate- rial surfaces using Hilbert-curve inclusions,” IEEE Microw Wireless Compon Lett., vol 14, pp 130–132, 2004 [3] D Sievenpiper, L Zhang, R F J Broas, N G Alexopolous, and E Yablonovitch, “High-impedance electromagnetic surfaces with a for- bidden frequency band,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol 47, pp 2059–2074, 1999 [4] S Wang, A P Feresidis, J C Vardaxoglou, and G Goussetis, “Artificial magnetic conductors for low-profile resonant cavity antennas,” in AP-S Int Symp (Digest) IEEE Antennas Propag Society, 2004, vol 2, pp 1423–1426 [5] F Yang and Y Rahmat-Samii, “Reflection phase characterization of an electromagnetic band-gap (EBG) surface,” in Proc IEEE Int Symp.Antennas Propag., 2002, pp 744–747 [6] L Yang, M Fan, F Chen, J She, and Z Feng, “A novel compact electromagnetic-bandgap (EBG) structure and its applications for microwave circuits,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol 53, pp 183–190, 2005 [7] Y Yao, X Wang, and Z Feng, “A novel dual-band compact electromagnetic bandgap (EBG) structure and its application in multi-antennas,” in Proc IEEE Int Symp Antennas and Propag Society, 2006,pp 1943–1946 [8] L Inclan-Sanchez, E Rajo-Iglesias, J L Vazquez-Roy, and V Gonzalez-Posadas, “Design of periodic metallo-dielectric structure for broadband multilayer patch antenna,” Microw Opt Technol Lett., vol.44,pp.418– 421,2005 243 ... cảm cấu trúc EBG Kết quả, cấu trúc EBG hình lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp giảm 52% kích thước so với cấu trúc EBG hình nấm thơng thường, cho hai dải băng tần đáp ứng băng thông truyền thông. .. cộng hưởng cấu trúc EBG hình lược giảm so với cấu trúc EBG hình nấm truyền thống từ 5.83 GHz xuống 3.39 GHz có kích thước, điều tương đương giảm 41.85% kích thước cấu trúc EBG Cấu Trúc EBG hình... EBG lược đề xuất, (b) mặt đế EBG lược đề xuất EBG hình lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp (c) Cấu trúc EBG hình lược kết hợp với cấu trúc DGS phức hợp Trong cấu trúc này, thành phần điện dung