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

Antenkíchthướcnhỏvàvậtliệucócấutrúcđặcbiệt

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 hìnhnhất là trong các thiết bị đầu cuối di động của các mạng điện thoại di động, mạng không dâynộih ạ t W L A N , m ạ n g k h ô n g d â y d iệ n r ộ n g W i m a x , C ô n g n g h ệ a n t e n n h ỏ đ ã c ó n h ữ n g 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 tíchhợp trong giới hạn kích thước nhỏ gọn của thiết bị đầu cuối di động Hơn thế nữa, các chuẩncông nghệ cho thiết bị đầu cuối thế hệ mới hiện nay và tương lai (802.11n, ac, ad; 802.16m;LTEvàLTEadvanced;5G,IoT)đềucóxuhướngsửdụngkỹthuậtđaantenphátđ aantenthu (MIMO) nhằm làm gia tăng dung lượng kênh[2]-[5] Điều này làm cho nhu cầu thu nhỏcác phần tử trong thiết bị đầu cuối di động nói chung và phần tử anten MIMO nói riêng ngàycàng trở nên quan trọng Chính vì thế, việc thu nhỏ kích thước anten MIMO của các phần tửthu phát trong thiết bị đầu cuối di động luôn là đề tài nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa họctrênthếgiới.

Có khá nhiều giải pháp để thực hiện kỹ thuật thu nhỏ anten như: đưa vào các phần tửngắnmạch,sửdụngcáctảithụđộng,thayđổihìnhdánganten,….Tuynhiên,phầnlớncáckỹ thuật thu nhỏ kích thước anten này đều nhằm mục đích làm dài thêm một cách nhân tạochiềudài điện củacấu trúcanten[1].

 “Đưa vào các phần tử ngắn mạch” là một trong các phương pháp phổ biến nhất được sửdụng trong anten vi dải Phương pháp này đưa vào trong thiết kế anten một hoặc nhiềuphần tử ngắn mạch giữa cấu trúc bức xạ và mặt phẳng đất, nhằm tạo ra một cấu trúcanten cộng hưởng với chiều dài tương ứng/4 hay còn gọi là anten một phần tư bướcsóng 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 antengặpnhiều thách thứcvềhệsố tính hướngvàphâncực.

 “Sử dụng các tải thụ động” là phương pháp đưa các phần tử tải thụ động như điện trở, tụđiện hay cuộn cảm dưới dạng các linh kiện, đặt ở cạnh của tấm patch bức xạ để làmnhiệm 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 khámạnh do tổn hao gâyrabởi cáclinh kiện.

 Kỹ thuật “thay đổi hình dạng anten” là kỹ thuậts ử d ụ n g c á c k h e h a y đ o ạ n g ấ p k h ú c hoặc cấu trúc phân dạng (fractal) Việc đưa vào các khe rãnh trong cấu trúc bức xạ làmdòng điện mặt phải đi vòng qua các khe, từ đó làm cho chiều dài điện bị dài ra hay kíchthước anten nhỏ lại Tuy nhiên, phương pháp này cũng làm cho hiệu suất bức xạ củaanten suy giảm Hơn thế nữa, việc gấp khúc còn tạo ra các hiệu ứng điện dung và điệncảmkhôngmongmuốn.[12-14].

 Trongmộtvàinămgầnđây,cácnhàkhoahọctrênthếgiớiđặcbiệtquantâmđếnviệcsử dụng vậtliệucócấutrúcđặcbiệttrongthiếtkếanten.Cáccấutrúcđặcbiệtđiểnhình như: cấu trúc dải chắnđ i ệ n t ừ E B G , c ấ u t r ú c m ặ t p h ẳ n g đ ấ t k h u y ế t D G S , c ấ u t r ú c đường truyền dẫn siêu vật liệu phức hợp CRLH-TL, có thể mang tính chất điện môi haytừ tính, với hằng số điện môi hay độ từ thẩm cao hoặc âm Khi đặt tại các vị trí đặc biệttrong cấu trúc anten, sẽ xảy ra hiệu ứng đặc biệt tại một tần số đặc biệt nào đó Nói cáchkhác sử dụng những cấu trúc này trong thiết kế anten có thể thu nhỏ kích thước hình họccủa anten hay cải thiện một hoặc một số đặc tính của anten mà không làm suy giảmnhiềucácthôngsố quan trọngkhác[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 gầnnhau Đối với một thiết kế anten MIMO tốt, độ cách ly hay ảnh hưởng tương hỗ trong antenMIMO phải nhỏ hơn -20dB[18] Thông thường để đạt được yêu cầu này, các anten phải đượcđặt 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 lênđáng kể làm ảnh hưởng đến kích thước của thiết bị đầu cuối Trong nhiều năm qua, có khánhiềunghiêncứuđượcthựchiệnđểtìmrakỹthuậtgiảmthiểu tương hỗhaytăngđộph âncách giữa các anten MIMO Các nghiên cứu này đều dựa trên ý tưởng chính là tạo ra sự ngăncách trường bức xạ giữa hai anten để giảm được tham số tán xạ S12, S21 Một vài kỹ thuật đãđược đưa ra như tối thiểu hóa kích thước anten, chẻ khe trên vật liệu điện môi, phủ lên trênmiếng 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 cácưu điểm như kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, dễ dàng tích hợp trên thiết kế mạch, được ứngdụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin di động, đạo hàng, vệ tinh Không những thế, hiệunăng của anten vi dải suy giảm rất lớn khi chịu ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử tronganten Vì vậy, đề xuất giải pháp nâng cao độ cách ly trong anten vi dải trong khi vẫn đảm bảođược các tham số hiệu năng cũng có thể áp dụng sang các loại hình anten sử dụng công nghệmạchin kháctrongthiếtbị đầu cuối di động.

Vật liệu có cấu trúc đặc biệt như cấu trúc dải chắn điện từ EBG, cấu trúc mặt đất khuyếtDGS, cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH-TL là những cấu trúc tuầnhoànhaykhôngtuầnhoàntrênbềmặtvậtliệu.Ngoàiviệctạorahiệuứngsóngchậm(cấ utrúc DGS) hay tạo ra mode cộng hưởng bậc không (CRLH-TL) hoặc bề mặt trở kháng cao(EBG) lànhững kỹ thuật quan trọng làmgiảm kích thướca n t e n , n h ữ n g c ấ u t r ú c n à y c ò n c ó thể ngăn cản sóng bề mặt trong một dải tần số xác định nào đó Nhờ vậy, nâng cao độ cách lygiữa các phần tử bứcxạtronganten MIMO[16, 17].

D G S , C R L H - T L v à ứng dụng cho thiết kế anten đơn, anten MIMO kích thước nhỏ, độ cách ly cao, đơn băng hoặcđa băng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến đang thu hút sự quan tâm lớn của nhiều nhàkhoahọctrên thếgiới[18 – 27].

Nhữngvấnđềcòntồntại

Trên thế giới, các nghiên cứu về thu nhỏ kích thước anten với các giải pháp kỹ thuậtkhác nhau đã được công bố trên rất nhiều công trình khoa học, được đăng tải trên các tạp chíkhoa học chuyên ngành nổi tiếng như: IEEE Transactions on Antennas and Propagation,TransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,TransactionsonWirelessComm unications.Nhìn chung,các kỹ thuậtsửdụng đều nhằmm ụ c đ í c h c u ố i c ù n g l à l à m tăng bước sóng cộng hưởng của mạch anten mà không làm tăng kích thước thực Từ cácnghiênc ứ u đ i ể n h ì n h c ủ a R o w e l l[ 1 0 ] h a yS c a r d e l l e t t i[ 1 1 ],s ử d ụ n g d ạ n g t ả i t ụ đ i ệ n t r ê n anten PIFA hay anten vi dải đến các nghiên cứu gần đây củaGupta,Sharma[28-30], sử dụngcác vật liệu có cấu trúc đặc biệt, đều nhằm mục đích thu nhỏ kích thước phần tử bức xạ cũngnhư đế anten trong khi vẫn giữ hiệu năng ở mức chấp nhận được, ứng dụng cho các thiết bịđầu cuối di động.

Tuy số lượng các công trình nghiên cứu khoa học về giảm nhỏ kích thước anten cho cácđầu cuối di động ngày càng nhiều và đạt được rất nhiều thành tựu đáng kể nhưng thiết kế cáccấu trúc anten nhỏ gọn này thành cấu trúc anten MIMO với độ cách ly cao giữa các phần tửbức xạ vẫn còn là một miền nghiên cứu rộng lớn, đặc biệt trong xu thế phát triển công nghệcho thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới, các thiết bị yêu cầu ngày càng nhỏ gọn, ngày càngtíchhợp nhiều kỹthuật,điển hình làkỹthuật đaanten thuđaanten phát[31]-[33].

Hiện nay trong nước, Viện Điện tử Viễn thông của Trường Đại học Bách khoa Hà nộicũng có một số nghiên cứu về vật liệu có cấu trúc đặc biệt như: cấu trúc dải chắn EBG làmmặt đế phản xạ với cấu trúc EBG một mặt truyền thống, áp dụng cho anten trong truyền thôngbăng siêu rộng UWB[34]; cấu trúc EBG cho thiết kế mạch lọc, dải chắn băng tần, áp dụngcho anten đơn băng với khoảng cách 0.6[35]; cấu trúc mặt đất khuyết DGS cho cải thiện độcách ly trong anten MIMO[36], [37]với việc thiết kế những cấu trúc DGS này dưới dạng cấutrúcgiảmtươnghỗ,đặtgiữahaiphầntửbứcxạtrongantenMIMObăngtầnhẹp;cấutrú csiêu vật liệu cho giảm nhỏ kích thước cho anten đơn băng[37]; cấu trúc siêu vật liệu cho thiếtkế anten đơn cho ứng dụng WLAN, bộ lọc thông dải, bộ chia công suất[38] Bên cạnh ViệnĐiệntửViễnthông,trườngĐạihọcBáchKhoaHànội,theohiểubiếtcủaNCS,còncómột số cơ sở, nhóm nghiên cứu khác, liên quan gần đến chủ đề nghiên cứu như: nhóm nghiên cứuvề anten vi dải Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia HàNội [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 Kỹthuật Quân sự [43]-[46], Tuy nhiên, nghiên cứu của các nhóm này hoặc tập trung vào giảmnhỏ kích thước anten theo phương pháp làm dài thêm một cách nhân tạo chiều dài điện (chiềudài bước sóng cộng hưởng) của cấu trúc anten sử dụng cấu trúc fractal[39], cấu trúc gấp khúc[42],c ấ ut r ú c x o ắ n ố c[ 4 3 ] ,

[ 4 4 ] h a yc ô n g n g h ệ t ụ đ i ệ n m à n g m ỏ n g[ 4 7 ] h o ặ ct ậ p t r u n g nghiên cứu phát triển cấu trúc vật liệu đặc biệt cho các ứng dụng khác hay cải thiện một sốthôngsố kháccủaanten[40], [41].

Bên cạnh đó, cũng giống như trên thế giới, các nghiên cứu về cấu trúc DGS cho thiết kếantentrướcđóhoặcsửdụnghiệuứngsóngchậmchoviệcgiảmnhỏkíchthướcanten[40],

[48]hoặc sử dụng đặc tính dải chắn cho giảm thiểu tương hỗ giữa các phần tử bức xạ tronganten MIMO[16], [37] Điều này cũng tương tự với các thiết kế anten MIMO trong thiết bịđầu cuối di động Phần lớn các đề xuất này đều phải sử dụng một giải pháp cho giảm nhỏ cấutrúc anten và một giải pháp khác cho giảm tương hỗ[1], [2] Chính vì thế, các đề xuất antenMIMO cho ứng dụng đầu cuối di động phần lớn chỉ phù hợp cho các thiết kế với điều kiện cụthểvớicáccấutrúcantencụthể.Hơnthếnữa,điềunàycònlàmchothiếtkếantenphứctạpvàtác độnggiữahaigiảiphápcó thểlàm hạnchếtính năngcủatừnggiải pháp.

Mặt khác, cấu trúc EBG được đánh giá là một trong những cấu trúc mang lại hiệu quảcách ly cao cho các thiết kế anten MIMO sử dụng công nghệ planar do đặc tính chắn băng màcác cấu trúc vật liệu tự nhiên không có[49] Tuy nhiên cấu trúc EBG đơn lớp lại có cấu trúccelll ớ n k h i ế n c h o k h o ả n g c á c h g i ữ a h a i p h ầ n t ử b ứ c x ạ c ũ n g l ớ n t h e o , l à m g i a t ă n g k í c h thước tổng thể của thiết kế MIMO[50], [51] Sử dụng các kỹ thuật chẻ khe hay biến đổi cấutrúc bề mặt cell EBG để giảm nhỏ kích thước lại làm gia tăng độ phức tạp trong thiết kế, chỉphù hợp với những điều kiện cụ thể, khó tối ưu tần số hoạt động theo ứng dụng mong muốn[17].CấutrúcEBGđalớpchokíchthướccellnhỏhơnnhưnglạiphứctạptrongthiếtkếv àrất 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 babăng nhưng việc ứng dụng được cho thiết kế anten MIMO mới dừng lạiở đ ơ n b ă n g[35].Điều này cũng tương tự cho các đề xuất anten đơn, anten MIMO hoạt động ở băng tầnmilimet,ứngdụng cho truyền thông5G trongtươnglai[22], [53],[54].

Cấu trúc đường truyền dẫn siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH với rất nhiều đặc tínhưu việt như bề mặt trở kháng cao cho cải thiện các thông số cơ bản của anten, đa chế độ cộnghưởng cho thiết kế anten đa băng còn tồn tại một chế độ cộng hưởng không (ZOR) mà khôngcó loại hình siêu vật liệu nào có được Đặc tính này dùng để thiết kế anten có tỷ lệ thu nhỏkích thước rất cao với tần số hoạt động của anten không phụ thuộc vào diện tích bức xạ. Tuynhiên, anten CRLH gặp phải nhược điểm lớn về độ rộng băng thông, thường không vượt quá5% [15], [18] Để khắc phục điều này, cấu trúc anten CRLH được kết hợp với các phươngpháp, 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 băngrộngcho truyền thông5Gbăngtần dưới 6 GHz.

Do đó vẫn cần phải có những nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten kích thước nhỏ mớicũng như các cấu trúc vật liệu đặc biệt mới, có thể giảm độ phức tạp trong thiết kế, chế tạonhưng 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 tầnanten khác nhau, đặc biệt là đáp ứng được cho anten MIMO, một trong những xu thế củaantentrongcácthiết bị đầucuối di độngtrong cáchệthốngtruyền thôngvô tuyến tiêntiến.

Mụctiêu,đốitƣợngvàphạmvinghiêncứu

 Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm nhỏ kích thước anten và cải thiện đồngthời các tham số anten đơn như nâng cao hệ số tăng ích, mở rộng băng thông, sửdụngvật liệucó cấu trúcđặcbiệt.

 Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ và cải thiệnđồng thời các tham số cơ bản trong anten MIMO như nâng cao hệ số tăng ích, mởrộngbăngthông, sửdụngvật liệucó cấu trúcđặcbiệt.

 Vậtliệucócấutrúcđặcbiệt:DGS, EBG,CRLH-TL.

 Băngtầnchủđạo chochotruyền thông4G/5G.Cụ thể:

+Truyền thông 5G:Băng2 8 G H z v à 3 8 G H z ( b ă n g t ầ n m i l i m e t ) , B ă n g 3 5 G H z và5GHz(băngtần 5G dưới 6GHz).

Phương pháp nghiên cứu trong luận án đi từ lý thuyết đến thực nghiệm Đầu tiên luậnán nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình, sau đó tính toán mô phỏng, chế tạo mẫu và đolường,đánhgiá.

Ýnghĩa khoahọccủađềtài

 Đi sâu vào một hướng nghiên cứu cụ thể, đó là anten sử dụng vật liệu có cấu trúcđặcbiệt,vớimụcđíchchủyếunhằmtạoraanten cókíchthước nhỏ,độcác hlicao,băngthôngrộng,ứngdụngtrongthiết bị đầucuối di động.

 Đưa ra những công bố có giá trị khoa học, là nền tảng cho sự ra đời các sản phẩmthươngmại.

 Vềthựctiễn: Ứngdụngcáccấutrúcanten,cấutrúcgiảmtươnghỗđềxuấtchothiếtbịđầucuốidi độngtronghệthốngthôngtin vô tuyến 4G/ 5G.

Nhữngđónggóp chínhcủa luậnán

 ĐềxuấtcấutrúcDGSképkhôngnhữnglàmgiảmnhỏkíchthướcantenmàcòn nângcaođộcáchlytrongantenMIMOđơnbăng,đabăngđồngthờitạođabăng cho anten đa băng,ứng dụng trong truyền thông di động 4G cũng nhưt r u y ề n thông5G băngtần milimet.

 Đề xuất cấu trúc dải chắn băng tần DS-EBG, có thể giảm đáng kể kích thước củaEBG nhờ hiệu ứng bức xạ hai mặt mà vẫn đơn giản trong thiết kế, chế tạo, ứngdụng làm giảm sâu ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong antenMIMO Bên cạnh đó, cấu trúc này có thể cải thiện hệ số tăng ích, mở rộng băngthông chothiếtkếanten Đặc biệt,cấutrúc DS-EBG không làms u y g i ả m h i ệ u suất bứcxạcủaanten.

 Đềx u ấ t a n t e n đ a b ă n g C R L H k ế t h ợ p v ớ i p h ư ơ n g p h á p t i ế p đ i ệ n đ ồ n g p h ẳ n g CPW, đạt kích thước nhỏ gọn, băng thông rộng, ứng dụng cho truyền thông băngrộng 5G băng tần dưới6GHz Đồng thời, đề xuất cấu trúc đường biến đổi đều,giảmsâutươnghỗcho antenMIMO băngrộng5G.

Cấutrúcnộidung của luậnán

Giớithiệuchương

Ngày nay, hệ thống thông tin ngày càng phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong công nghệtruyền thông không dây với khả năng cung cấp kết nối linh hoạt, rộng khắp, đang dần trởthành hình thức truyền thông chủ đạo trong hầu khắp các lĩnh vực của đời sống hiện đại. Rấtnhiềucôngnghệcũngnhưkỹthuậtmớirađời:từphạmviứngdụngcánhân(WPAN)vớ icác công nghệ tiêu biểu như UWB, Bluetooth đến các công nghệ diện rộng (WAN) với hệthống thông tin di động 4G (Wimax, LTE) Trong đó, anten là một trong những thành phầnkhông thể thiếu với hai nhiệm vụ chính là bức xạ và thu sóng điện từ từ không gian Hơn thếnữa, anten còn có nhiệm vụ bức xạ sóng điện từ theo những hướng nhất định, phù hợp nhữngyêu cầu cụ thể Đặc biệt trong thiết bị đầu cuối di động của các hệ thống thông tin vô tuyếntiên tiến, anten phải có tính năng, chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp như hiệu suất bức xạ cao, kíchthước nhỏ gọn, băng thông rộng, đồ thị bức xạ không bị méo, dễ chế tạo, giá thành thấp … Chínhvìthế,cácantensửdụngcôngnghệplanarnhưantenvidảingàycàngđượclựachọnđể sử dụng vì những ưu điểm như nhỏ gọn, mỏng, nhẹ, dễ chế tạo, dễ gắn lên các thiết bị đầucuối…

Bên cạnh đó, trong những năm gần đây, các yêu cầu về ứng dụng mới, các dịch vụ mớichothiếtbịdiđộngngàycànggiatăngkhôngngừng,đặcbiệtlàcácyêucầuvềtốcđộd ữliệu Do đó, công nghệ MIMO (đa anten phát đa anten thu) luôn thu hút được sự quan tâmnghiên cứu của các nhà khoa học nhằm gia tăng tốc độ chuyển giao dữ liệu lên nhiều lần Vấnđề chính của hệ thống MIMO, đặc biệt cho thiết bị cầm tay di động là khi các anten đặt cáchnhau một khoảng ngắn, để đảm bảo yêu cầu về kích thước nhỏ gọn sẽ gặp phải hiện tượngtương hỗ giữa các anten, gây suy giảm chất lượng tín hiệu Vì vậy, nghiên cứu các đặc tínhtrong anten và anten MIMO cũng như vậtliệu có cẩu trúc đặc biệtđể cảithiện các thams ố cho anten trong thiết bị đầu cuối di động là mục đích chính của chương. Trên cơ sở đó, nộidungcủachươngchia làm ba phần. Đầu tiên, nội dung của chương tập trung vào nghiên cứu, tìm hiểu các đặc tính về antencho thiết bị đầu cuối di động và các kỹ thuật quan trọng như kỹ thuật giảm nhỏ kích thước, kỹthuật tạo đa băng và kỹ thuật đa anten MIMO Tiếp đó, nội dung chương đi sâu vào tìm hiểuvật liệu có cấu trúc đặc biệt với đại diện tiêu biểu là cấu trúc dải chắn điện từ EBG, cấu trúcmặt phẳng đất khuyết DGS và cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH-TL Tất cả các cấu trúc đặc biệt này đều được nghiên cứu dựa trên việc phân tích chi tiết đặctính cơ bản của cấu trúc truyền thống, đánh giá các đặc điểm và xu hướng phát triển hiện tại.Mục đích để tạo tiền đề cho các nghiên cứu, đề xuất cấu trúc mới trong các chương tiếp theo,nhằm cải thiện đồng thời hai hay nhiều đặc tính quan trọng của anten như giảm kích thướcphần tử bức xạ cũng như kích thước tổng thể của anten, mở rộng băng thông, tăng hệ số tăngích,giảm tươnghỗgiữacácphần tửbứcxạtronganten MIMO,

Antentrongthiếtbịđầu cuốidiđộng

Trong hai thập kỷ gần đây, truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển lớn. Ngàycàng nhiều các thiết bị truyền thông không dây ra đời với cấu trúc nhỏg ọ n n h ư n g đ ầ y đ ủ năng lực tính toán cũng như khả năng cung cấp các ứng dụng Máy điện thoại di động giờ đâykhông chỉ đáp ứng cho các cuộc thoại mà còn có thể truy cập internet, xem phim hay nghenhạc trong khi người dùng di chuyển trên đường Máy tính xách tay có thể truy nhập internetmọi lúc mọi nơi với tốc độ cao ngay cả khi người dùng di chuyển tốc độ cao trên ô tô hay tầucao tốc Điều này có được là nhờ sự ra đời của một loạt các công nghệ cũng như tiêu chuẩnmới, làm tăng hiệu năng cho các thiết bị trong hệ thống nói chung cũng như trong thiết bị đầucuối di động nói riêng Tiến trình phát triển của các thế hệ truyền thông vô tuyến cũng nhưdung lượng, tốc độ dữ liệu và ứng dụng được thể hiện trong hình 1.1 Trục hoành của đồ thịchỉsựpháttriểncôngnghệcũngnhưtiếntrìnhchuẩnhóatheothờigiantrongkhitrụctung lại thể hiện tốc độ và sự phát triển của dịch vụ Có thể thấy rõ, cứ khoảng một thập niên sẽ rađời một thếhệtruyền thôngkhôngdâymới.

Hiện nay, các hệ thống truyền thông không dây đang tiến tới thế hệ thứ 5 (5G- the fifthgeneration) hoạt động ở băng tần milimet Hiện chưa có chuẩn chính thức cho 5G nhưng mộtsố quốc gia đang xem xét và thử nghiệm 5G tại hai loại băng tần: băng tần thấp dưới 6GHz vàbăngtầnmilimetvớicáctầnsố28GHz,38GHzvà60GHz.Tuymỗihệthốngtruyềnthôn g đềuc ó c á c c ấ u t r ú c v à đ ặ c đ i ể m k h á c n h a u n h ư n g đ ề u p h á t t r i ể n d ự a t r ê n n ă m x u h ư ớ n g chính:

 Pháttriển cácdịch vụ đa phươngtiện.

 Phát triển hệthốngdiđộngdựatrên xử lýphần mềm.

Các loại hình anten được dùng cho hệ thống truyền thông di động cũng được phát triểntheo các giai đoạn phát triển chính của truyền thông di động Khi dung lượng của hệ thống đạttới giới hạn do sự gia tăng nhanh chóng của người sử dụng thì tần số hoạt động cho các hệthống 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 thốngtruy 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 mớiđược phát triển và đưa vào sử dụng trong các thiết bị đầu cuối di động, từ cấu trúc biến đổinhư anten cấu trúc hình chữ F ngược, anten sử dụng công nghệ planar đến biến đổi đặc tínhnhư anten thông minh, anten tái cấu hình, từ sử dụng anten đơn đến phát triển anten mảngthích ứng, anten MIMO và đặc biệt anten sử dụng các cấu trúc đặc biệt hay anten siêu vật liệuchogiảm nhỏ kích thướcvàcải thiện đồngthời nhiều đặctính cơ bảncủaanten. Để có được sự phát triển nhanh chóng của các loại hình anten trong hệ thống truyềnthông di động không thể không kể đến vai trò to lớn của các công nghệ mô phỏng trường điệntừ Đặc biệt các phần mềm mô phỏng gần đây vô cùng hữu ích cho việc thiết kế hệ thốnganten ngay cả khi anten có cấu trúc vô cùng phức tạp Ví dụ như cấu trúc anten tích hợp vớicác phần tử siêu vật liệu hay các cấu trúc anten in trên da người Bằng việc tính toán phân bốmật độ dòng điện các thiết kế anten, hiệu năng cũng như các tham số cơ bản của anten đều cóthể được xác định chính xác. Thông thường các kết quả mô phỏng đều được so sánh với cáckết quả thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác của thiết kế Tuy nhiên, với những thiết kếanten siêu nhỏ hoặc siêu phức tạp, gần như rất khó để thực hiện chế tạo thì công cụ mô phỏnglà giải pháp duynhất choviệcphân tích vàđánhgiá cáckết quảnghiên cứu.

1.2.2 Nhữngkỹthuật tiêntiến choanten trongthiếtbị đầucuối diđộng

Các loại hình anten được sử dụng trong các thiết bị đầu cuối di động ngày nay không chỉđơn thuần dựa trên cấu trúc PIFA cải tiến mà được phát triển vô cùng phong phú và đa dạngvới cấu trúc fratal, cấu trúc đường uốn khúc trên bề mặt phẳng, cấu trúc vòng lặp, cấu trúclưỡng cực cải tiến Những thiết kế anten tiên tiến này dựa chủ yếu trên công nghệ anten nhỏtrong đó kích thước nhỏ được đặt lên hàng đầu Tuy nhiên, chúng vẫn phải đảm bảo tiêu chíđộ khuếch đại cao và băng thông rộng đáp ứng được các yêu cầu truyền thông băng rộng hiệnnay.

Nguyên lý cơ bản để tạo ra anten có kích thước nhỏ là thiết kế anten sử dụng cấu trúcsóng chậm Những ví dụ điển hình cho cấu trúc sóng chậm là cấu trúc vòng xoắn, cẫu trúcđườnguốnkhúc,cấutrúcfractalhaycấutrúcđườngzigzag, Nhữngcấutrúcnàylàmch o chiều dài điện trên anten được kéo dài ra khiến tần số hoạt động của anten dịch xuống tần sốthấp hơn trong khi kích thước anten vẫn không đổi Một cách khác nữađ ể t ạ o r a h i ệ u ứ n g sóng chậm là thêm cácphần tử hoặc mạch điệnvào cấu trúc anten nhằm thay đổi phac ủ a dòngđiện trên thiết kếanten khiến chiều dài điệncủaanten cũngtănglên.

Bên cạnh yêu cầu về kích thước nhỏ, các hệ thống anten trong truyền thông di động cũngyêu cầu anten đa băng nhằm làm giảm số lượng anten trong giới hạn vỏ máy và anten MIMOvới nhiều phần tử anten được sử dụng nhằm làm gia tăng dung lượng kênh truyền Tuy nhiên,do giới hạn của thiết bị đầu cuối di động, các phần tử bức xạ của anten MIMO phải đặt gầnnhau, gây ra ảnh hưởng tương hỗ, làm suy giảm hiệu năng của anten Vì vậy, một số kỹ thuậttiên tiến được áp dụng thêm trên anten MIMO như kỹ thuật sử dụng vật dẫn điện không hoảnhảo trên mặt phẳng đất hay còn gọi là kỹ thuật mặt đất khuyết DGS (Defected GroundStructure),cấu trúcdải chắnbăngtầnđiện từEBG(ElectromagneticBanGap).

Anten được dùng cho các thiết bị đầu cuối di động thường được gọi là anten cỡ nhỏ hayanten kích thước nhỏ Anten kích thước nhỏ thường được phân loại theo cấu trúc hình học củachúngnhưantenkhe,antenPIFA, Từnhữngcấutrúccơbản,cáchìnhdángphứctạphơncó thể được phát triển Đơn giản nhất là cấu trúc anten đơn cực hay anten lưỡng cực, thườnglàm anten lắp ngoài cho thiết bị đầu cuối di động (hình 1.2) Sau đó là anten chẻ khe (slot) vớiđường chẻ dài và hẹp trên bề mặt kim loại, anten này còn được gọi là anten lưỡng cực từ.Anten khe và anten IFA cũng là các trường hợp đặc biệt của anten chẻ khe trong khi antenPIFA được coi là cấu trúc kết hợp giữa anten lưỡng cực và anten chẻ khe Anten này có kíchthước khá nhỏ gọn và được dùng làm anten lắp trong trong phần lớn các thiết bị điện thoại diđộng ngày nay Ngoài ra anten nhỏc ò n c ó a n t e n h ố c c ộ n g h ư ở n g ( c a v i t y a n t e n n a ) v ớ i đ ạ i diệnđiển hìnhvà đơn giản nhấtlà anten patch (anten bức xạ mặt) hay anten vidải,a n t e n DRA[1].

Hình1.2.M519 –mẫu thiếtkếmớinăm 2017chodòng điệnthoại dùnganten lắpngoài

Có khá nhiều kỹ thuật giảm nhỏ kích thước được đề xuất cho anten kích thước nhỏ [1].Các kỹ thuật dùng phổ biến hiện nay là kỹ thuật tạo đường gấp, kỹ thuật khắc trên bề mặt, tạochân (pin) hay bề mặt ngắn mạch hoặc sử dụng chất nền có điện môi cao Tuy nhiên nhữnggiải pháp nàyluôn làm suygiảm hiệu năngcủaanten khi thu nhỏ kích thước[55]. Đối với anten dây, anten stubby, lựa chọn vật liệu có chất nền điện môi cao là cách điểnhình để giảm kích thước anten Tuy nhiên, đối với anten vi dải, một vài biện pháp có thể sửdụngnhư:

 Cấu trúcđalớp đểthu đượcđalớp cộnghưởng.

 Chẻkheđểtăngchiều dàiđiện trongkhi vẫngiữnguyên kích thướcanten.

Thiết kế anten đa băng cho đa công nghệ trên thiết bị đầu cuối di động là một chủ đềnghiên cứu thu hút được nhiều sự quan tâm, được ứng dụng rộng rãi cho truyền thông khôngdâyđabăng.Từgiữanhữngnăm90củathếkỷtrước,donhucầugiatăngứngdụngvà sựgiới hạn ngày càng nhỏ gọn của thiết bị đầu cuối di động đã thúc đẩy việc hình thành anten đabăng và giờ đây nó trở thành một công nghệ mấu chốt trong anten cho thiết bị cầm tay diđộng.

Có khá nhiều kỹ thuật tạo đa băng khác nhau cho anten Năm 1996, lần đầu tiên Z. Yingphát minh ra anten hai băng xoắn ốc không dây [56] và nhanh chóng trở nên thông dụng choanten hai băng lắp ngoài trên toàn thế giới với hơn một tỷ thiết bị đầu cuối di động Nguyênmẫu của anten nàyđượcchỉ ratronghình 1.3.

Hình1.3.Mẫu antenhai băngđượcđềxuấtlần đầutiênnăm 1996[56]

Hình1.4.Cácdángchẻcơbảntrênmặtpatchcủa antenPIFA[57] Đối với anten lắp trong, cách thức phổ biến nhất và hiệu quả nhất để tạo đa băng là tạocác khe chẻ có hình dạng khác nhau trên bề mặt bức xạ của anten Một vài mẫu chẻ cơ bảnđược đề xuất trong thời gian gần đây chỉ ra trong hình 1.4 [57] Mỗi hình dáng có những ưunhượcđiểm riêng, lựachọn hình dángnào phụ thuộcvào tần số hoạt độngcủaanten cũngnhư thamsốđặctínhcủaantentheoyêucầuthiếtkế.Ngoàira,cũngthểsửdụngvậtliệucócấutrúcđặ cbiệt nhưDGS hayCRLH.Nội dungnàysẽđượctìm hiểu sâuhơnở trongphần 1.3.

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) là kỹ thuật sử dụng nhiều anten để thu phát tínhiệu vô tuyến Việc sử dụng MIMO chính là chìa khóa dẫn đến sự thành công của IEEE802.11n,HSPA, LT Ev àb ây giờ MI M O tiếp tụ c đượcsửdụ ng trong LTE-

Advanced c ũn g như cáccôngnghệtruyền thôngkhôngdâythếhệtiếp theo.

MIMO có nghĩa là không phải một mà một vài hệ thống thu phát có thể được đặt tạiđiểm cuối của đường truyền vô tuyến nhằm gia tăng dung lượng truyền dẫn Nói một cáchkhác, một thiết bị thu phát với hai (đa) anten có thể gửi dữ liệu đồng thời bởi hai (đa) đườngnhằm gia tăng dung lượng lên gấp hai (nhiều) lần Ví dụ, 802.11n với sử dụng hệ thốngMIMO, tốc độ lý thuyết đạt tới trên 600 MB/s, lớn hơn rất nhiều so với tốc độ của 802.11a và802.11g.

Theo truyền thống, đa anten được sử dụng để nâng cao sự phân tập do đó khắc phụcđược hiện tượng pha đinh Mỗi một cặp anten thu phát sẽ cung cấp một đường tín hiệu từ máyphát đến máy thu Bởi việc gửi tín hiệu với cùng tần số, cùng thông tin thông qua các đườngkhác nhau, đa bản sao độc lập của dữ liệu có thể thu nhận tại máy thu do đó tín hiệu thu đượcsẽ có độ tin cậy cao hơn [58]. Đây chính là hiệu năng của hệ thống MIMO Hệ thống MIMOdựa trên dung lượng và hiệu suất phổ bất thường của nó trong các môi trường nơi mà cácđường tínhiệukhông liênquantớinhauvàđiềunày đặcbiệtt h ô n g d ụ n g t r o n g c á c m ô i trườngphân tán.

Yêu cầu chính trong hệ thống MIMO là các anten phải thu được các tín hiệu khác nhaungay cả khi các anten có khoảng cách rất gần nhau Các đường tín hiệu khác nhau nên khôngtương quan với nhau để đảm bảo hệ số tăng ích đa dạng cũng như ảnh hưởng tương hỗ là nhỏnhất(có thểđểtránh sựtruyền tải nănglượnggiữacácanten vàdo đó làmtăngđộ tươnghỗ).

Khi hai anten đặt gần nhau, một hoặc cả hai anten cùng thu phát tín hiệu, một phần nănglượngcủaanten nàysẽảnh hưởngtớiantencòn lại Sự ảnh hưởngnàyphụthuộcvào:

Vậtliệucócấutrúcđặcbiệttrongthiếtkếantenkíchthướcnhỏ

Vật liệu có cấu trúc đặc biệt hay còn được gọi là siêu vật liệu, thường là các vật liệunhân tạo, nhờ cấu trúc đặc biệt của vật liệu mà tạo ra các đặc tính khác biệt so với vật liệuthông thường, không có trong tự nhiên Các vật liệu có cấu trúc đặc biệt ngày nay, dựa theogiá trị của hằng số điệnmôivà độ từ thẩmcó thể phân thành bốn loại chính như tronghình 1.5[64].

Bêncạnhđó,dựavàothuộctínhtrườngđiệntừ,lạicóthểphânchiatiếpthànhcácdạngkhácnhau như sau [49]:

 Vật liệu DNG (Double Negative material): Là vật liệu mà cả hai thông số hằng số điệnmôi vàđộ từthẩm đều âm.

 VậtliệuLH(LeftHandedmaterial):Làvậtliệumàchiềucủađiệntrường,từtrườngv àphương truyền sóngthỏamãn cấu trúcLH.

 VậtliệuNRI(Negative RefractiveIndex material): Làvậtliệucóchỉsốkhúcxạâm.

 Bềm ặ t t r ở k h á n g c a o : L à b ề m ặ t c ó t r ở k h á n g l ớ n v ớ i c ả m o d e T E ( đ i ệ n t r ư ờ n g ngang)vàmode TM(từtrườngngang).

 DâydẫntừnhântạoAMC(ArtificalMagneticConductor):Làvậtdẫntừnhântạocótínhch ất tươngtựnhư vật dẫn từhoàn hảo.

Cấu trúc dải chắn điện từ EBG (Electromagnetic Band Gap) được định nghĩa như sau[49]: “EBG là những cấu trúc nhân tạo tuần hoàn (hoặc đôi khi không tuần hoàn) cản trởhoặc hỗ trợ sự lan truyền sóng điện từ trường trong một dải tần xác định đối với mọi góc tớivà mọi trạng thái phân cực của sóng” Cấu trúc EBG thường được tạo thành bởi sự sắp xếptuần hoàn các vật liệu điện môi và vật dẫn kim loại Cấu trúc EBG là một loại hình siêu vậtliệu hay vật liệu có cấu trúc đặc biệt Dựa vào cấu trúc hình học, có thể phân cấu trúc EBG ralàm ba loại: cấu trúc khối ba chiều, cấu trúc phẳng hai chiều và cấu trúc đường truyền mộtchiều như chỉ ra trong hình 1.6 Trong đó cấu trúc phẳng hai chiều được quan tâm, nghiên cứunhiều nhất vì ưu điểm nhỏ gọn, chi phí sản xuất thấp và ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuậtanten,đặcbiệt làanten vidải.

(b) Cấu trúc phẳng hai chiều (c) Cấu trúc hình khối ba chiềuHình1.6 Cácloại hình cấutrúc EBG[17]

Khitươngtácvới sóngđiệntừ, cấu trúc EBGphẳnghaichiều có haitính chất:

 Có một dải tần số mà các sóng bề mặt không thể lan truyền (hình 1.7a), ứng dụng đểgiảm thiểu tương hỗg i ữ a c á c p h ầ n t ử đ ặ t g ầ n n h a u t r o n g a n t e n m ả n g , a n t e n M I M O sửdụngcôngnghệplanar.

 Khi sóng tới là sóng phẳng, tại một tần số nào đó, cấu trúc EBG sẽ phản xạ sóng vớihệsốp h ả n x ạ +1( t í n h c h ấ t c ủ a vậtd ẫ n t ừ ho àn h ả o P M C ) Cấ ut rú cE BG k h i đ ó được gọi là vật dẫn từn h â n t ạ o A M C ( h ì n h 1 7 b ) , ứ n g d ụ n g l à m b ề m ặ t p h ả n x ạ , nângcao hệsố tăngíchcho cácloại hình anten sửdụngcôngnghệplanar.

Cấu trúc EBG phẳng hai chiều có thể có rất nhiều các biến thể như: bỏ đường kết nối(via), đặt via lệch ra khỏi tâm phiến kim loại, thay đổi hình dáng miếng kim loại, Tuy nhiên,có thể phân cấu trúc EBG phẳng về hai loại hình chính: bề mặt EBG dạng hình nấm [65]–[70]vàbềmặt EBG uni phẳng[71]-[73].

1.3.1.2 Phântích cấutrúcEBG Đặc tính của một cấu trúc EBG có thể được xác định thông qua pha phản xạ, đồ thị tánsắc hay tham số tán xạ bởi phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FDTD hay phân tíchhệsốđườngtruyền trựctiếp.

Tính chất điện từ của một bề mặt có thể dự đoán được từ đặc tính của pha phản xạ. Nếupha phản xạ là 180 0 , đây được coi là vật dẫn điện hoàn hảo (PEC) Nếu một sóng phẳng tácđộng đến PEC, hệ số phản xạ là -1 Tương tự như vậy đối với vật dẫn từ hoàn bảo (PMC), phaphản xạ là 0 0 và hệ số phản xạ là +1 [49] Tuy nhiên, không tồn tại bề mặt PMC trong tựnhiên. Pha phản xạ của một bề mặt EBG sẽ thay đổi từ -180 0 đến +180 0 theo tần số và miềntần số trong khoảng từ -90 0 đến +90 0 thường trùng với dải chắn băng từ của cấu trúc EBG[74].

Dải chắn của một cấu trúc tuần hoàn có thể được xác định theo hai cách: dựa vào đồ thịtán sắchaytham số tán xạ.

 ĐồthịtánsắcđượcxâydựngdựatrênlýthuyếtBloch,phântíchmộtcấutrúcđơnvị (cell) và áp dùng các điều kiện bờ tuần hoàn để mô phỏng đặc tính tuần hoàn củacấu trúc Biến số pha sẽ thể hiện véc- tơ sóng k được thay đổi trên các đường biêncủa tam giác Brillouin[49] Phân tích các mode sẽ rút ra được mode tần số khả hữuứngvới véc-tơ sóngk, như biểu diễn tronghình 1.7 (c).

 Đồ thị tham số tán xạ được xác định dựa trên cơ sở tham số hàm truyền đạt S12(w)của một cấu trúc EBG kích thước hữu hạn [49] Phương pháp này tương tự như việcxác định đặc tính dải chắn của một cấu trúc giảm tương hỗ hay mạch lọc Đơn giảnvà tiết kiệm thời gian hơn nhiều phương pháp sử dụng đồ thị tán sắc mà cho ra kếtquả dải chắn băng tần EBG tương đối như nhau Độ rộng băng tần chắn có thể xácđịnh bởi khoảng suy giảm tham số truyền dẫn -15dB như trên hình 1.7 (a) [17]. Tuynhiên,đểđảmbảohiệuquảngănchặnsóngbềmặtcao,giátrịnàycàngthấpcàngt ốt và thườngxácđịnh ở giá trị suygiảm dưới -20dB[75]. Đối với các cấu trúc EBG dùng để ứng dụng trên các thiết kế anten, việc xác định đồ thịtham số tán xạ hay hàm truyền đạt là đủ để đánh giá các đặc tính của cấu trúc EBG, xác địnhđượcchínhxácdảichắnbăngtầncủacấutrúc.Sửdụngthêmđồthịtánsắcsẽchothôngtincó độ chính xác cao hơn về dải chắn băng tần tuy nhiên điều này đòi hỏi phải thêm rất nhiềuthời gian cũng như yêu cầu về năng lực và bộ nhớ của máy tính Yêu cầu này càng tăng khicấu trúccell EBG càngphứctạp [17].

(a) Dảichắn băngtần dựa trênđồ thịtham số tánxạ (b)Đặctínhpha phảnxạ

(c)Đồ thị tán sắc Hình1.7 Đặctính dảichắn băngtần và phaphản xạcủa cấutrúc EBG[17],[49]

Một cách khác để phân tích và giải thích nguyên lý hoạt động cũng như các thuộc tínhdải chắn của một cấu trúc EBG là mô hình hóa cấu trúc dưới dạng mạch cộng hưởng LC [49].Từ cácgiá trịL và C được xác định bởi kích thước hình họccủac ấ u t r ú c , t ầ n s ố h o ạ t đ ộ n g của cấu trúc cũng như băng tần của dải chắn được xác định Tuy nhiên kết quả thường có độchính xác không cao do sự xấp xỉ các giá trị L và C và phương pháp này không dễ thực hiệnđốivới cáccấu trúcEBGphứctạp.

Nguyên lý hoạt động của cấu trúc EBG hình nấm có thể giải thích bằng mô hình mạchLCđượcbiểudiễnnhưtronghình1.8[35].MỗimộtcellđơnvịbaogồmmộtmạchLCnối tiếp kết hợp với một mạch LC song song Cấu trúc này cũng chính là cấu trúc siêu vật liệu vớimô hình đường truyền tổng hợp thành phần LH kết hợp với RH (CRLH-TL) sẽ đề cập tiếp tụcởphần 1.3.3 củachươngnày.

(a) Cell EBGhình nấm (b)Môhìnhmạchtươngđương Hình1.8.Môhìnhhóa cấutrúcEBGhìnhnấm[35]

DảichắncủacấutrúcEBGhìnhnấmđượcxácđịnhtrongkhoảngtừf1đếnf2vớif1vàf2lần lượt đượcxácđịnh bởi côngthức[76]:

Trong đó,LRlà điện cảm tương đương được tạo nên từ biếnđ ổ i d ò n g đ i ệ n c h ạ y t ừ phiến kim loại phía trên xuống mặt phẳng đế còn CLlà điện dung tương đương được tạo nênbởi khoảng cách giữa các cell EBG LLlà điện cảm tương đương sinh ra từ dòng điện chạytrên cột nối hình trụcób á n k í n h r ( v i a ) CRlà điện dung tương đương được tạo nên từ điệnthếgiữacácphiến kim loại với mặt phẳngđế.

Tầnsố hoạt độngcủacấutrúcEBG hình nấm đượcxácđịnh bởi côngthức[49]:

Nguyên lý hoạt động của cấu trúc EBG uni phẳng được giải thích bằng mô hình tươngđươngđượcthểhiện tronghình 1.9 [71]. Đơn giản hơn trong chế tạo và phù hợp cho các vật liệu có bề dầy mỏng nhưng cấu trúcEBG uni phẳng lại khá phức tạp trong việc phân tích và mô hình hóa Dải chắn của cấu trúcEBG uni phẳng được xác định trong khoảng từ f1-uniđến f2-univới f1-univà f2-unilần lượt đượcxácđịnh bởi côngthức[71]:

(b) Môhìnhmạchtươngđương Hình1.9.Môhìnhhóa cấutrúcEBGuni phẳng [71] π

Với các đặc tính kể trên, cấu trúc EBG đã, đang và sẽ thu hút sự quan tâm, nghiên cứucủa các nhà khoa học trong thiết kế mạch siêu cao tần nói chung và anten kích thước nhỏ nóiriêng, đặc biệtlà trong các thiếtkế antenvid ả i Đ ặ c t í n h c h ắ n b ă n g t r o n g c ấ u t r ú c E B G phẳng hai chiều rất hữu ích cho việc triệt sóng bề mặt trên các thiết kế anten vi dải cũng nhưanten sử dụng công nghệ planar Đặc tính này tùy thuộc vào cấu trúc và vị trí tương quan vớianten mà có thể cải thiện một hoặc một vài các thông số cơ bản của anten vi dải như mở rộngbăng tần hoạt động, nâng cao hệ số tăng ích, thiết kế anten cấu trúc nhỏ gọn, giảm hài, điềukhiển giản đồ bức xạ hay giảm thiểu tổn hao công suất Đối với anten MIMO hay anten mảng,cấu trúc EBG được đánh giá là giải pháp có hiệu quả nhất trong việc giảm tương hỗ giữa cácphần tử bứcxạ đặtgầnnhau Trong thờigian vừa qua,có nhiều hướngp h á t t r i ể n c ấ u t r ú c EBG tuy nhiên sự phát triển các cấu trúc EBG trong lĩnh vực anten kích thước nhỏ đi theo bahướng chính: Giảm nhỏ kích thước cell EBG; tạo cấu trúc EBG với đa dải chắn (EBG đabăng)[17]; ứngdụngEBGcho thiết kếanten băngtần milimet.

Một trong những xu hướng phát triển của thiết bị đầu cuối di động trong các hệ thốngtruyền thông tiên tiến ngày nay là kích thước nhỏ gọn, phù hợp với sở thích của người sửdụng Điều này dẫn đến việc kích thước anten trong thiết bị cũng phải nhỏ gọn theo Cấu trúcEBG với các đặc tính lý thú nhằm cải thiện các đặc tính của anten cũng buộc phải giảm nhỏkích thước cell để phù hợp với anten cũng như xu hướng giảm nhỏ của thiết bị đầu cuối. Giảipháp chínhđể các nhà nghiên cứu giảmnhỏkích thước cellEBG trong khiv ẫ n g i ữ n g u y ê n tần số trung tâm của dải chắn là tạo các khe hẹp trên bề mặt kiến trúc EBG [21], [54] hay thiếtkế cấu trúc EBG đa lớp [20] hoặc kết hợp cả hai [55] nhằm làm tăng thêm giá trị điện cảm vàđiệndung,giảm tần sốchặn dưới củacấu trúc cũngnhư tần số hoạtđộngtrungtâm.

Kiến trúc chẻ khe trên mặt bức xạ của cấu trúc EBG dạng nấm hay EBG uni phẳng cóthể được biến thể thành nhiều dạng khác nhau với tiêu chí tạo thêm nhiều L và C nhằm giảmthiểu kích thước cell EBG như cấu trúc fractal [35], cấu trúc đường vi dải uốn khúc

Kếtluậnchương1

Nộidungchương1đãgiớithiệutổngquanvềantenchothiếtbịđầucuốidiđộngtronghệ thống truyền thông không dây, xu hướng phát triển cũng như những kỹ thuật tiên tiến đượcsử dụng Bên cạnh đó, nội dung của chương đi sâu vào tìm hiểu vật liệu có cấu trúc đặc biệtnhằm làm cải thiện các đặc tính cơ bản của anten với ba đại diện tiêu biểu là cấu trúc dải chắnbăng tần EBG, cấu trúc mặt phằng đất khuyết DGS và cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợpCRLH Cấu trúc EBG với đặc tính dải chắn băng tần được coi là ứng cử viên sáng giá nhấtchogiảmnhỏảnhhưởngtươnghỗtrongantenMIMO.Đặctínhphảnxạđồngphacũ nglàmột ưu điểm lớn của cấu trúc này cho ứng dụng nâng cao hệ số tăng ích Tuy nhiên, cấu trúcEBG gặp phải thách thức lớn về việc giảm nhỏ kích thước để có thể ứng dụng cho thiết bị đầucuối di động Ra đời sau cấu trúc EBG, cấu trúc DGS có kích thước nhỏ gọn hơn, mang đặctính sóng chậm cho việc giảm nhỏ kích thước anten đồng thời vẫn duy trì được đặc tính chắnsóng như cấu trúc EBG để giảm nhỏ ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO Tuy nhiên vẫnchưa có đề xuất nào có thể cải thiện được cả hai tham số này trong cùng một thiết kế Bêncạnh đó, việc phân tích toàn sóng cấu trúc DGS trên thiết kế anten còn gặp rất nhiều khó khănvàtháchthức.Cấutrúc CRLH choứng dụngthiếtkếanten cóthểđượcxâydựngtrên cấutrúccellEBGhìnhnấmhoặccấutrúcđường mạchuốnkhúchoặckếthợp cảhai.Cấutrú cnày là cấu trúc siêu vật liệu duy nhất cho đến nay tồn tại chế độ cộng hưởng không (ZOR) màtần số hoạt động độc lập với kích thước bức xạ, tạo tiền đề cho thiết kế anten kích thước nhỏ,không phụ thuộc vào diện tích bức xạ Việc nghiên cứu ba loại hình cấu trúc EBG, DGS,CRLH không chỉthuận lợido kế thừa các đặc tính cơbản của nhau mà còncóý n g h ĩ a r ấ t quan trọng, là cơ sở lý thuyết cho các nghiên cứu được đề xuất trong các chương sau của luậnán: Nghiên cứu, phát triển các cấu trúc EBG, DGS, CRLH mới, nhằm cải thiện đồng thời cácđặc tính cơ bản của anten kích thước nhỏ, ứng dụng trong các thiết bị đầu cuối di động tiêntiến.

Giớithiệuchương

Nội dung chương 2 đề xuất chỉ một cấu trúc DGS kép, khi kết hợp trên kiến trúc antenphẳng, đặt theo phương vuông góc với phương tiếp điện, sử dụng phương pháp tiếp điệnđường truyền vi dải, vừa tạo ra hiệu ứng sóng chậm làm giảm nhỏ 50% kích thước anten vừabiếnđổiđặctínhtrườnggần,cóthểnângcaođộcách lygiữacácphần tửbứcxạđặtcạn hnhau trong anten MIMO với khoảng cách nhỏ hơn 0,50 Kết quả đề xuất này có thể áp dụngchomọi hình dángDGScũngtrên cácdải tần hoạt độngkhácnhau. Để khẳng định điều này, đầu tiên cấu trúc DGSkép hìnhc h ữ n h ậ t đ ơ n g i ả n đ ư ợ c đ ư a ra,c á c đ ặ c t í n h c ủ a c ấ u t r ú c t r ê n a n t e n đ ư ợ c c h ứ n g m i n h d ự a t r ê n m ô h ì n h m ạ c h t ư ơ n g đương, mô phỏng và thực nghiệm trên anten đơn băng, hoạt động ở băng tần 3,5GHz, ứngdụngchocông nghệLTE-

Amáytínhbảng.Pháttriểntiếpcấu trúcnàytrênanten đabănghoạt động ở băng tần 2,6GHz và 5,7GHz, ứng dụng cho công nghệ LTE-A và WLAN, đặctính đồng thời giảm nhỏ kích thước và đạt độ cách ly cao của anten MIMO vẫn được giữnguyên Cuối cùng, với một cấu trúc hình dạng phức hợp: hình chữ U kết hợpkép, hoạtđộngtạibăngtầnmilimet,ứngdụngtrênantenchotruyềnthông5G,cácđặctínhtrênante nvi dải đạtđượcvẫnkhôngthayđổi, khẳngđịnh khả năngứngdụngtrên thực tếcủa đềxuất.

CấutrúcDGSkép hìnhchữnhậtcho antenbăng tần 4G

Nội dung phần này đầu tiên sẽ đề xuất cấu trúc DGS kép hình chữ nhật nhằm cải thiệnđồng thời các đặc tính của anten vi dải Sau đó, chứng minh đề xuất này bằng mô phỏng vàthực nghiệm trên hai loại hình anten vi dải: đơn băng và đa băng Mẫu anten vi dải đơn băngcộng hưởng ở tần số 3,5GHz, ứng dụng cho công nghệ LTE-A cho thiết bị máy tính bảng vớihiệu quả giảm nhỏ kích thước anten và nâng cao độ cách ly ở khoảng cách 0,440từ tâm đếntâm hay từ đường tiếp điện đến đường tiếp điện Mẫu anten vi dải hai băng cộng hưởng ở tầnsố 2,6GHz và 5,7GHz, ứng dụng chocông nghệLTE-A và WLAN, haic ô n g n g h ệ c h ủ đ ạ o cho các thiết bị đầu cuối di động hiện nay Trong trường hợp này, cấu trúc DGS kép hình chữnhật với phương, chiều và điểm đặt thích hợp như trên không những làm giảm nhỏ kích thướcanten bằng hiệu ứng sóng chậm mà còn tạo anten đa băng, nâng cao độ cách ly với khoảngcách0,10từđiểm tiếp điện đếnđiểm tiếp điện hay0,290từtâm đến tâm.

Cấu trúc DGS kép cũng như các kiến trúc anten được nghiên cứu thiết kế và mô phỏng,tốiưu dựatrên phần mềm mô phỏngCST.

Như đã giới thiệu ở phần trên, cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS bao gồm một hoặcnhiều ô đơn vị được khắc trên mặt phẳng đất của anten với nhiều loại hình dạng khác nhaunhưhìnhvuông,hìnhxoắn,hìnhmũitên,hìnhtròn,hìnhchữH,hìnhđườnguốnkhúc,hìn h chữ C, hình chữ U … Với các cấu trúc DGS hình chữ nhật truyền thống theo cấu trúc đơn haytuần hoàn trước đây, nếu để giảm nhỏ kích thước anten hay tạo đa băng, cấu trúc DGS đượcđặt trên phần đế, dưới phần tử bức xạ của anten [90], [95] còn nếu để giảm tương hỗ, cấu trúcDGS sẽ phải đặt vào giữa hai phần tử bức xạ [85], [109], [110] Vì vậy, nếu muốn đồng thờigiảmnhỏkíchthướcvàtương hỗsẽcầnsửdụngítnhấthaicấutrúcDGSđặttạihaivịtr íkhác nhau trên anten MIMO Trong phần này của luận án, đề xuất chỉ một cấu trúc DGS képhình chữ nhật được đặt dưới phần tử bức xạ, có thể đồng thời cải thiện cả hai tham số trên nếusửdụngphươngpháp tiếp điện đườngtruyền vi dải.

Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật gồm hai cell hình chữ được đặt nối tiếp với nhau trênmặt phẳng đất và đối xứng với nhau qua điểm tiếp điện như trên hình 2.1(a), các tham số kíchthước của cấu trúc được chỉ ra trong hình 2.1(b) bao gồm chiều dài (l) và chiều rộng (s) củakhe, khoảng cách (d) giữa hai khe Mô hình mạch tương đương của cấu trúc cell DGS cũngnhư mô hình anten vi dải trong trường hợp tiếp điện bằng cáp đồng trục và đường vi dải đượcchỉ ratronghình 2.2.

(a) Hình3Dcủacấutrúc DGSkép (a) Hình 2D của cấu trúc DGS képHình2.1 Cấu trúc DGShìnhchữnhật kép

(a)Cấutrúc DGSkép (b)Antentiếpđiệncápđồng trục (c) Anten tiếp điện bằng đườngtruyềnvi dải Hình2.2.Môhình mạchtương đươngcủacấu trúc DGS képhìnhchữnhậtvà antenvidải

Từ mô hình mạch tương đương, có thể xác định được lần lượt tần số hoạt động của cấutrúc DGS (fDGS), anten tiếp điện bằng cáp đồng trục (fanten1) và anten tiếp điện bằng đường vidải(fanten2) lần lượtlà:

Có thể thấy nếu tần số hoạt động của cấu trúc DGS kép hình chữ nhật gần bằng tần sốhoạt động của anten hay nói cách khác LlClLC thì cấu trúc DGS đề xuất sẽ có vai trò mởrộng băng thông hoạt động của anten theo đặc tính tần số hoạt động liên tiếp Trong trườnghợp LlClLC thì cấu trúc DGS sẽ có vai trò tạo anten đa băng[16].Bên cạnh đó, cấu trúcDGS kép đề xuất còn mang hiệuứ n g s ó n g c h ậ m l à m g i ả m n h ỏ k í c h t h ư ớ c a n t e n n h ư đ ã chứng minh trong chương trước Đồng thời cấu trúc này còn có thêmh i ệ u ứ n g b i ế n đ ổ i trường gần của anten khi tiếp điện bằng phương pháp đường truyền vi dải Đặc tính này sẽđược chứng minh bằng mô phỏng trong phần ứng dụng cấu trúc DGS kép đề xuất trong cácloạihình anten vi dải khácnhau ở phần sau.

Hình 2.3 (a) thể hiện cấu trúc anten đơn cộng hưởng tại tần số 3,5GHz bao gồm mộtphần tử bức xạ hình chữ nhật và mặt phẳng đất, sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trụcvới phối hợp trở kháng 50 Kích thước và hiệu suất của mỗi anten vi dải phụ thuộc vào tầnsốhoạtđộnghaybướcsónglàmviệccủaanten.Vìvậy,vớitầnsốhoạtđộng3,5GHz,thiếtkế trên vật liệu FR4 với chiều dày 1,6mm, hằng số điện môi 4,4, hệ số tổn hao 0,02, anten3,5GHzcó kích thướcmiếngbứcxạ24,8x19 (mm 2 ).

Bảng2.1 Cácthông số kíchthướccủa antenDGStiếpđiện bằng cápđồngtrục

(a) Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình2.3.Cấu trúcanten đơnDGSsửdụngtiếp điệncápđồng trục Đểgiảmnhỏkíchthướcanten,cấutrúcDGShìnhchữnhậtképđặtnốitiếpđượcthêm vàotrênmặtphẳngđấttheophươngnằmngang,đốixứngnhauquađiểmtiếpđiện,vớikích thước chiều dài (l) và chiều rộng (s) được tối ưu là 12,97x 2,2 (mm 2 ) như chỉ ra trong hình 2.3(b) Sử dụng phần mềmm ô p h ỏ n g C S T c h o v i ệ c t ố i ư u k í c h t h ư ớ c a n t e n

D G S t h e o t ầ n s ố hoạt động tại tần số 3,5GHz, anten đạt được kích thước bức xạ 13,35x17,3 (mm 2 ), giảm nhỏ50%sovới anten ban đầu Cáckích thướccòn lại củaanten đượcchỉratrongbảng2.1. Áp dụng cấu trúc này cho anten tiếp điện bằng đường truyền vi dải được thể hiện trênhình 2.4 với các tham số kích thước được chỉ ra trong bảng 2.2 Trong trường hợp này, mẫuanten tiếp điện bằng phương pháp đường truyền vi dải sẽ có kích thước miếng bức xạ tươngđồng với anten tiếp điện cáp đồng trục Tuy nhiên, để đảm bảo phối hợp trở kháng 50, kíchthướctổngthểcủaantentiếp điện bằngđườngtruyền vi dải sẽlớn hơn một chút.

(a)Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình2.4.Antenđơn DGSvớitiếpđiện bằngđườngtruyềnvi dải Bảng2.2.Các thôngsố kíchthướccủaanten DGS tiếp điệnbằng đườngtruyền vidải

Thôngsố g Xf lf Wf lg Wg

Sử dụng phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải trong trường hợp này sẽ giảmthiểu sai số đo kiểm Nguyên nhân là do vị trí của DGS khá gần điểm tiếp điện cáp đồng trụcnên trong quá trình chếtạo và đo kiểm,anten DGS sử dụng tiếp điệncáp đồng trục sẽg ặ p phảisaisố khálớn do mật độ dòngđiện bị biến đổi bởi tácđộngcủaSMA.

Thông thường, các phần tử bức xạ của anten MIMO thường đặt cách nhau một khoảngcách lớn hơn 0,5để tránh ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ đặt cạnh nhau.Tuynhiên trong thiết bị đầu cuối di dộng, để đảm bảo giới hạn của thiết bị, khoảng cách này càngnhỏcàngtốtvàthườngcácphầntửđượcthiếtkếđặtcạnhnhauvớikhoảngcáchtốiđa0,5từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện Để đảm bảo độ cách ly giữa các phần tử, các giải pháphay cấu trúc giảm tương hỗ được đề xuất Những cấu trúc này đều được đặt ở khoảng khônggian giữa các phần tử bức xạ trong hệ anten MIMO [20] Trong nghiên cứu này, do tác độngcủa cấu trúc DGS đề xuất, tương hỗ giữa hai phần tử bức xạ trong anten MIMO sử dụngphươngpháptiếpđiệnkhácnhausẽkhácnhau.Dẫnđến,khoảngcáchgiữacácphầntửbứ c xạ trong anten MIMO khác nhau Phần dưới đây mô tả kiến trúc cũng như các thông số kíchthước anten MIMO trong hai trường hợp tiếp điện: sử dụng cáp đồng trục và đường truyền vidải.

 Tiếp điện bằng phương pháp cáp đồng trục: Mẫu anten MIMO 1x2 sử dụngphương pháp tiếp điện cáp đồng trục được thể hiện trên hình 2.5 Trong đó khoảngcách giữa hai anten là 0,5(43,82mm) tính từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện.Kíchthướctổngthểcủaanten đạt 80,83x26,7x1,6 (mm 3 ).

(a) Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình2.5.AntenMIMO DGSsử dụng phươngpháptiếpđiệncáp đồngtrục

(a)Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình2.6.AntenMIMO DGSsử dụngtiếpđiệnđườngtruyềnvidải

 Tiếpđiệnbằngphươngphápđườngtruyềnvidải :MẫuantenMIMO1x2sửdụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải được thể hiện trên hình 2.6 Trong đókhoảng cách giữa hai anten là 0,4(43,26mm) tính từ điểm tiếp điện đến điểm tiếpđiện.Kích thướctổngthểcủaanten đạt 68,86 x29 x1,6(mm 3 ).

Phân bố mật độ dòng của anten đơn 3,5GHz được thể hiện trên hình 2.7 Từ đây có thểnhận thấy rõ cấu trúc DGS hình chữ nhật kép, ghép nối tiếp nhau trên phương nằm ngang,khiđược đặt đối xứng nhau qua điểm tiếp điện của anten đã tạo ra một hiệu ứng đặc biệt, giốngnhư một lá chắn, chuyển chiều dòng điện đi vòng qua khe Điều này có nghĩa, chiều dài điệncủa anten tăng lên hay nói cách khác kích thước của anten giảm xuống khi tham chiếu cùngmộttần số hoạt động.

(a) Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình2.7 Phân bố mậtđộ dòng trên anten3,5GHz

Không những thế, một vài tham số khác của anten cũng được cải thiện Đầu tiên là băngthông Như được chỉ ra trong đồ thị tham số S (hình 2.8), băng thông của anten có sử dụngDGS được mở rộng hơn so với anten lý thuyết từ 144,1MHz (4,1%) lên 217,7MHz (6,1%).Giá trị phản xạ của anten cũng được cải thiện, tham số S11 tại tần số hoạt động giảm từ -30,19dB xuống -56,35dB Tham số tiếp theo được cải thiện là hiệu suất bức xạ Như chỉ ratrong hình 2.9 và 2.10, anten DGS có hiệu suất bức xạ tăng lên rõ rệt, từ -2.665dB (54,14%)lên -1.329dB (73,64%) Tuy nhiên, hệ số tăng ích của anten bị suy giảm từ 4,19dBi xuống3,44dBi,anten có bứcxạtừđơn hướngchuyển sangsonghướng.

Như vậy, với việc sử dụng cấu trúc DGS đặt nối tiếp nhau theo phương nằm ngang gầnđiểm tiếp điện cáp đồng trục, anten thu được không những đạt kíchthước nhỏg ọ n h ơ n m à còn cải thiện một vài tham số khác như băng thông, hiệu suất bức xạ Kết quả này còn đượccải thiện thêm một chút khi anten sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải như chỉra trong hình 2.12 Có thể nhận thấy rõ, anten sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vidải có băng thông rộng hơn, tăng từ 217,7 lên 233,5MHz, hơn nữa tần số hoạt động của antendịch về phía băng tần thấp một chút Tuy nhiên, anten tiếp điện bằng đường truyền vi dải lạigặp suy giảm một chút về hiệu suất bức xạ và hệ số tăng ích so với anten sử dụng tiếp điệnbằngcáp đồngtrụcnhư chỉ ratronghình 2.11.

(a)AntenkhôngcóDGS (b)AntencóDGS Hình2.9 Bứcxạ 3D củaanten 3,5sửdụngphương pháp tiếpđiện cápđồng trục.

DGSHình2.10 Bứcxạ 2Dcủa anten 3,5GHz trênmặtphẳng yz

Hình2.11 Anten3,5 GHzsửdụngphương pháptiếp điệnbằng đườngtruyền vidải

Hình2.12.Đồ thịS11 củaanten đơn3,5 sử dụng phươngpháp tiếpđiện cápđồng trụcvà dườngtruyềnvidải

CấutrúcDGSképhìnhphứchợpchoantenbăngtầnmilimet

Gần đây, hệ thống truyền thông di động thế hệ thứ năm (5G) đã và đang thu hút sự quantâm, chú ý của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới Công nghệ 5G được dự tính hoạt động ởbước sóng milimet với dải tần hoạt động 28GHz, 38GHz, 60GHz và 73GHz đang được xemxét.Đặcbiệt,haidảitần 28GHzvà38GHzđang đượcthửnghiệm ởrấtnhiều nơitrê nthếgiới Dải băng tần milimét này mang lại nhiều ưu việt cũng như thách thức mới trong lĩnh vựcthiếtkế, chếtạo anten đơn cũngnhư anten MIMOcho cácthiết bị cầm taydi động.

Nội dung phần này đề xuất cấu trúc DGS kép giống như phần trên nhưng có hình dángphức hợp hình chữ U kết hợp hình sao kép áp dụng cho anten 5G băng tần milimet hoạt độngở tần số 28GHz và 38GHz Tuy có hình dáng phức tạp hơn rất nhiều cấu trúc hình chữ nhậtđơn giản ở phần trên nhưng vẫn với cấu trúc DGS kép, phương đặt vuông góc với đường tiếpđiện và vị trí đối xứng nhau qua điểm tiếp điện, anten MIMO sử dụng cấu trúc DGS mới nàyvẫn thu được các đặc tính giảm nhỏ kích thước và nâng cao độ tương hỗ và tạo đa băng nhưcấutrúcđơngiản hìnhchữnhật trướcđó.

2.3.1 Antenđabăng28GHzvà38GHz sửdụngcấutrúcDGSkép Đầut iê n, an t en 5G bă ng t ầ n 3 8GH z đ ư ợ c thiếtk ế với c ấ u t rú ca nt en v i dảih ì n h c h ữ nhật, tiếp điện bằng đường vi dải, sử dụng vật liệu RT5880,= 2,2, h=0,79mm Mục đích lựachọn này là nhằm đơn giản và thuận tiện cho thiết kế, chế tạo, khắc phục thách thức lớn vềkích thướcnhỏ tronganten băngtần milimet.

Quá trình tính toán lý thuyết cho xác định gần đúng các thông số kích thước của antenđượcthựchiện như sau:

Vớifrlàtầnsốhoạtđộngcủaanten,0,0làhằngsốđiệnmôivàđộtừthẩmtrongkhônggiant ựdo,rlà hằngsốđiện môi củavật liệu chếtạoanten.

 Xácđịnh hằngsố điện môihiệu dụng:

 Xácđịnh chiều dài mở rộngcủaphần tửbứcxạ:

Sauđó,cấutrúcDGShìnhchữUvớihaiđầutiếtdiệntrònđượcthiếtkếnhằmtạotầnsố hoạt động thứ hai cho anten Kích thước của cấu trúc hình chữ U này đầu tiên cũng đượctính toán lý thuyết gần đúng theo công thức từ (2.4) đến (2.7) sau đó được tối ưu tiếp sao choanten cộng hưởng ở tần số 28GHz với băng thông rộng, đáp ứng tiêu chuẩn truyền thông 5G.Tiếp đến, cấu trúc DGS hình sao kép được bổ sung để mở rộng băng thông và cải thiện đặctínhchobăngtần38GHzcủaanten.Cuốicùng,cấutrúcDGSképphứchợphìnhchữUv àsao kép được xây dựng như cấu trúc DGS kép hình như nhật trong phần 2.2.1 nhằm làm nângcao độ cách ly giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO Cấu trúc DGS kép phức hợp vàantenbăngtầnmilimet sửdụngcấutrúcDGSképnàyđượcthểhiệntươngứngtronghìn h

2.27 và2.28với cácthôngsố củacấu trúcvàanten đượcthểhiện trongbảng2.4.

(a)Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình2.28 Antenđơn 5G sửdụng cấutrúc DGSkép

CấutrúcantenMIMOđượcthiếtkếbởiviệcđặthaimẫuantenđơn5Gcạnhnhauvới khoảng cách từ tâm đến tâm hay từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện là 4,8mm, tương đươngvới 0,4480tại tần số hoạt động 28GHz như được thể hiện trong hình 2.29 Kích thước tổngcộng của anten đạt 12,3x8x0,79mm 3 , kích thước phần tử bức xạ đạt 3,12x2,1mm 2 ,tươngđươngvới 49,5% sovớianten vi dải truyền thống.

Hình2.29.AntenMIMO 5Gsử dụngcấutrúc DGSkép Bảng2.5 Cácthông sốkích thướccủaanten 5Gsửdụngcấu trúc DGSkép

Thôngsố Wg Lg Wp Lp Du Wf1 Wf2 Lf1 Lf2 Lu1 Lu2 Wu

Phân bố mật độ dòng của antenđơn 5G được thể hiện trên hình 2.30.T ừ đ â y c ó t h ể nhận thấy rõ cấu trúc DGShìnhphức hợp kép, ghép nốitiếp nhau trênphương nằmn g a n g , khi được đặt đối xứng nhau qua điểm tiếp điện của anten vẫn tạo ra hiệu ứng đặc biệt, giốngnhư cấu trúc DGS kép hình chữ nhật Tại tần số 28GHz, mật độ dòng điện đi từ đường tiếpđiệnvidải, phân bốtập trungtrênhai khehình chữ Utrong khitạitầnsố 38GHz,mật độdòngđiệntậptrungtrênmiếngbứcxạhìnhchữnhậtvàcặpDGShìnhsaokép.Đâylàlýdovìsaoa nten có thểhoạtđộngđượchai băngtầncũngnhưgiảm nhỏ kíchthước.

(a) Tại tần số 28GHz (b) Tại tần số

38GHzHình2.30.Phânbốmật độdòngtrênanten5Gsử dụngcấutrúc DGSkép

Phân bố trường gần trên anten MIMO sử dụng cấu trúc DGS kép phức hợp cũng có sựbiến đổi giống như trường hợp anten sử dụng cấu trúc DGS hình chữ nhật như được chỉ ratrong hình 2.31(a) Đó là lý do vì sao độ cách ly giữa các phần tử bức xạ trên antenMIMOđượcđảmbảomàkhôngcầnthêmbấtkỳcấutrúcgiảmtươnghỗnàoởgiữanhưcácđềxuất trướcđó.Đ i ề u nàyđượcthểhiệnrõ r à n g hơntr on g đồth ịt ha m s ố Sc ủ a anten M I MO đ ề xuất Như thể hiện trong hình 2.31(b), có thể thấy rõ anten hoạt động tại hai tần số 28GHz và38GHz với độ rộng băng thông tương ứng 1,437GHz và 2,806GHz Khi khoảng cách giữa haiphầntừbứcxạđượcthayđổitừ0,5xuốngdần0,448,ảnhtươnghỗgiữacácphầntửbứcxạ tăng dần lên Tuy nhiên, tại khoảng cách 0,448, tham số S12 đạt dưới -20dB cho cả haibăng tần, đáp ứng yêu cầu của anten cho thiết bị đầu cuối di động Bên cạnh đó, anten có đồthị bứcxạ2D mịn với hệsố tăngíchchấp nhận đượcnhư chỉ ratronghình2.32.

(b) Đồthị thamsố S Hình2.31.Đặctínhtương hỗtrênanten5Gsửdụngcấutrúc DGSkép

(a)Tại tần số28GHz (b)Tại tầnsố38GHz

Hình2.32.Đồ thịbứcxạ2D củaantenMIMO 5G sửdụngDGS képtrênmặt phẳngyz

Anten cũng đạt hiệu suất bức xạ khá tốt trên cả hai băng với giá trị 79,34% cho băng tầnthấp và 83,3% cho băng tần cao Tuy nhiên, cũng giống như các anten sử dụng cấu trúc DGScho giảm nhỏ kích thước, anten MIMO sử dụng cấu trúc DGS kép phức hợp cũng gặp nhượcđiểm lớn về hệ số tăng ích Như được chỉ ra trong hình 3.33, anten đạt hệ số tăng ích 3,16dBivà7,05 dBi tươngứngvới hai tần số hoạt động28GHzvà38GHz.

(a)Tại tần số28GHz (b) Tại tần số

38GHzHình2.33.Đồthị bứcxạ3Dcủa antenMIMO5G sửdụngcấutrúcDGSkép

Kếtluậnchương2

Nội dung chương 2 đã đề xuất cấu trúc DGS kép cho anten vi dải sử dụng phương pháptiếp điện bằng đường truyền vi dải Khi đặt theop h ư ơ n g v u ô n g g ó c v ớ i đ ư ờ n g t i ế p đ i ệ n v à đối xứng nhau qua điểm tiếp điện, cấu trúc này không những thu nhỏ kích thước anten bằnghiệu ứng sóng chậm mà còn nâng cao độ cách ly trong anten MIMO bằng sự biến đổi trườnggần, đạt độ tương hỗ S12 nhỏ hơn -20dB với khoảng cách nhỏ hơn 0,5mà không cần thêmbất kỳ cấu trúc giảm tương hỗ nào ở giữa hai phần tử bức xạ trong hệ anten MIMO Bên cạnhđó,khitỷlệkíchthướccủacấutrúcDGSképsovớikíchthước phầntửbứcxạcủaant enkhác nhau cũng sẽ tạo thêm đặc tính khác nhau: hoặc là mở rộng băng thông hoặc là tạo antenđa băng Kết quả đề xuất có thể áp dụng cho các loại hình dáng DGS khác nhau từ đơn giảnđến phức tạp, cho các băng tần khác nhau từ băng tần GHz của truyền thông 4G đến băng tầnmilimet cho truyền thông 5G, cho các loại vật liệu khác nhau: FR4 cũng như RT5880 Tuynhiên, cấu trúc DGS kép đề xuất cũng vẫn chưa giải quyết được nhược điểm về sự suy giảmhệ số tăng ích của các anten khi sử dụng cấu trúc DGS trước đó. Khi cấu trúc DGS càng phứctạp hay tỷ lệ kích thước của phần khắc trên mặt phẳng đất do cấu trúc DGS tao ra so với kíchthước phần tử bức xạ càng lớn thì hệ số tăng ích của anten suy giảm càng nhiều Bên cạnh đó,tác động giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ trên anten bằng hiệu ứng biếnđ ổ i t r ư ờ n g g ầ n c ủ a cấu trúc DGS kép đề xuất có độ giảm tương hỗ chưa sâu bằng một vài cấu trúc DGS khác khisửdụngđặctính dải chắnbăngtần.

Vìvậy,đểcóthểtậndụngđượchếtưuđiểmvàkhắcphụcđượcphầnnàosựsuygiảmhệ số tăng ích của anten khi sử dụng cấu trúc DGS kép đề xuất, các thiết kế anten nên sử dụngcấu trúc DGS có cấu trúc đơn giản, cân bằng giữa hiệu quả giảm nhỏ kích thước và sự suygiảm hệ số tăng ích Bên cạnh đó, thiết kế anten có thể sử dụng thêm cấu trúc dải chắn băngtầnEBGđểcóthểđồngthờinângcaohệsốtăngíchvàgiảmsâuảnhhưởngtươnghỗtronghệ anten MIMO.Đâycũngchínhlànội dungnghiên cứutrongchươngtiếp theo củaluậnán.

Giớithiệuchương

Cấu trúc dải chắn điện từ EBG là cấutrúc tuầnhoàn nhân tạo với đặc tính ngănc ả n hoặcchophépsựlantruyềncủasóngđiệntừtrongmộtdảibăngtầnxácđịnhứngv ớimọigóc tới và mọi trạng thái phân cực của sóng Chính vì những đặc tính điện từ lý thú này màtrong thời gian gần đây, EBG đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhàkhoahọctrongvàngoàinướcnhằmlàmtănghệsốtăngíchchoantenkíchthướcnhỏ.Hơn thế nữa, người ta cũng nhận thấy rằng, cấu trúc EBG có khả năng ngăn chặn sóng bề mặt, cóthể sử dụng để làm giảm ảnh hưởng tương hỗ do sóng bề mặt gây ra cho các phần tử bức xạđặt gần nhau trong anten MIMO, đặc biệt với những thiết kế có chất nền dày và hằng số điệnmôicao.

Có khá nhiều cấu trúc EBG đã được đề xuất trước đó cho cả hai loại băng tần GHz [17],

[24], [47], [52], [65], [67], [69] và băng tần milimet [22],[54], [80], [81] Các cấu trúc EBGtruyền thống với các hình dáng khe chẻ khác nhau đã được đề xuất cho hiệu quả giảm tươnghỗ mạnh mẽ trên anten đơn băng tuy nhiên kích thước khá lớn, làm ảnh hưởng đến kích thướctổng thểcủaanten MIMO [51], [52].

[112] Các cấuEBG đa lớp [21], [47]c h o k í c h t h ư ớ c nhỏ hơn nhưng lại thiết kế phức tạp và gặp nhiều khó khăn trong chế tạo Tất cả các cấu trúcEBG đề xuất đều là cấu trúc EBG một mặt, gặp phải thách thức lớn về vấn đề suy giảm hiệusuấtbứcxạcủaanten khithiết kếcấu trúcgiảm tươnghỗ trongantenMIMO.

Nội dung chương 3 của luận án đề xuất cấu trúc DS-EBG, có hiệu quả giảm nhỏ kíchthước như cấu trúc EBG đa lớp nhưng vẫn đơn giản trong thiết kế, chế tạo Khi kết hợp vớianten MIMO sử dụng cấu trúc DGS kép đề xuất trong chương 2, cho hiệu quả giảm sâu tươnghỗ đáng kể, không những vậy còn có thể cải thiện hệ số tăng ích và đặc biệt, cấu trúc nàykhông làm suy giảm hiệu suất bức xạ của anten Kết quả đề xuất được chứng minh bằng môhình mạch tương đương, mô phỏng và thực nghiệm với tiến trình thiết kế bắt đầu từ cấu trúcEBG hình nấm truyền thống, phát triển lên cấu trúc EBG hai mặt (DS-EBG) với một mặt hìnhnấmvàmặtkiasửdụngcấutrúcuniphẳngvàcuốicùnglàkiếntrúcDS-

EBGhaimặtchẻkhe hình chữ H Ngoài việc xác định tần số hoạt động của cấu trúc DS-EBG qua mô hìnhmạch tương đương của cấu trúc mạch chắn và tham số tán xạ, nội dung phần này còn sử dụngthêm điều kiện cộng hưởng của mạch với biên độ trở kháng của mạch là nhỏ nhất và góc phabằng không, đẻ từ đó xây dựng chương trình Matlab xác định được gần đúng tần số hoạt độngcủacấu trúcDS- EBGhình chữHđềxuất.

Cấu trúc này được áp dụng trên anten đa băng, băng tần 2,6 GHz/ 5,7GHz cho truyềnthông 4G phát huy được hết các tính năng ưu việt của EBG Khi chuyển sang cấu trúc đơngiảnhìnhtròn,nhằmdễdàngchếtạochoantenbăngtầnmilimet,cấutrúcDS-

EBGkhông nhữngcảithiệnhệsốkhuếchđ ại, g i ả m sâ utương hỗm à cònmởrộng t h ê m đáng kểbăng thôn g, một thôngsố quantrọngtrongtruyền thông 5G.

CấutrúcDS-EBG hìnhchữH choantenMIMOtrongtruyền thông4G

Như đã giới thiệu trong chương 1, cấu trúc EBG sẽ có khả năng ngăn chặn sóng bề mặttrong một khoảng tần số nào đó phụ thuộc vào các tham số kích thước và do đó sẽ làm giảmtương hỗ giữa các phần tử bức xạ đặt cạnh nhau trong anten MIMO hay anten mảng. Tần sốtrung tâm của dải chắn EBG có thể xác định theo công thức 1.14 với LLvà CLchỉ ra tronghình 1.8 Lựa chọn tần số hoạt động 2,6 GHz cho ứng dụng LTE-A, kích thước của một cấutrúc EBG hình nấm truyền thống, sử dụng chất nền FR4, chiều cao h=1,6mm là 25x25mm 2 [49] Kích thước cell này khá lớn, vìvậy khiđưa vàothiết kếantenMIMOđểl à m g i ả m tương hỗ, sẽ làm tăng kích thước tổng thể của anten lên đáng kể Đây chính là một trongnhữngnhượcđiểm lớn củacấu trúcEBG.

Hình3.1 Tiếntrình thiếtkếcấutrúc DS-EBGhình chữ Hđềxuất

(a)Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình3.2 Cấutrúc mộtcel DS-EBGhình chữ Hđềxuất Bảng3.1.Thôngsố chitiếtcủacấu trúccelDS-EBGhình chữ Hđềxuất

Kíchthước(mm) 1 0,5 2,5 2,3 1 2 Để giảm đáng kể kích thước cell EBG, nội dung phần này của luận ánđ ầ u t i ê n p h á t triển cấu trúc EBG hai mặt (DS-EBG) bao gồm cấu trúc EBG hình nấm ở trên mặt phẳng bứcxạ và cấu trúc uni phẳng trên mặt phẳng đất Sau đó, cấu trúc DS-EBG này lại tiếp tục đượcphát triển tiếp với hình dáng chữ H trên cả hai mặt phẳng thành kiến trúc hình chữ H trên mặtphẳng bức xạ và chữ H có cầu nối trên mặt phẳng đất Tiến trình thiết kế cấu trúc cell DS-EBG được thể hiện như trong hình 3.1 Có thể thấy rằng, khi sử dụng kiến trúc hai mặt, kíchthước cell DS-EBG một mặt nấm, một mặt uni-phẳng đạt 12x12mm 2 , giảm hơn 75% so vớicấu trúc EBG hình nấm truyền thống khi cùng hoạt động tại tần số 2.6GHz Sử dụng thêm cấutrúc hình H trên cả hai mặt phẳng, kích thước cell DS-EBG đề xuất tiếp tục giảm, đạt8,6x8,6mm 2 , tương đương với 11,83% kích thước EBG hình nấm truyền thống Chi tiết kíchthước của cấu trúc DS-EBG được chỉ ra trong hình 3.2 và bảng 3.1 với0;là hằng số điệnmôitrongkhônggian tựdo vàtrongchất nền.

Môhì nh m ạ c h t ư ơ n g đương củac ấ u t r ú c cell D S -

E B G đ ềx uấ t đ ư ợ c bi ểu di ễn t r o n g hình 3.3.

Hình3.3.Môhình mạchtươngđươngcủa cấutrúcDS-EBGhìnhchữ Hđề xuất

Trong đó, Lc-pvà Lc-glà các điện cảm tương đương được tạo nên từ bề mặt bức xạ vàmặt phẳng đất hình chữ H Các giá trị này có thể được xác định gần đúng dựa trên phươngtrìnhquasi-static[71]như sau:

2 (3.1) vớiolà độ từthẩm trongkhônggian tựdo, h làchiều caocủachất nền vậtliệu.

CglàđiệndungtươngđươngcủakhoảngcáchgiữacácmiếngkimloạitrongcấutrúcD S-EBGtuần hoàn, đượctính gần đúngtheo côngthức(3.2) nhưsau:

Cplàđiệndungtươngđươngcủakhoảngcáchgiữacácmiếngkimloạitrênbềmặtbứcxạvàmặt phẳngđất, đượctính gần đúngtheo côngthứcsau:

Lvialàđiệncảmtươngđươngđượctạorabởiđườngviakếtnốitừmặtbứcxạxuốngmặt phẳngđất, đượctínhgần đúngtheo côngthứcsau[71]:

Trongđó,r làbán kínhcủađườngvia đượctính theođơn vịmilimets, k1=0,2nH/mm.

Lblàđiệncảmtươngđươngđượctạorabởiđườngvidảikếtnỗicáccellkimloạitrênmặtphẳng đất, đượctínhgần đúngtheo côngthứccầu nối vật lýnhư sau:

Từ hình 3.3 có thể nhận thấy rằng, cấu trúc DS-EBG đề xuất bao gồm hai cấu trúc mạchchắn [113] Một là cấu trúc mạch chắn được tạo ra bởi cấu trúc mạch giống như EBG hìnhnấm,với tần số hoạt độngđượcxácđịnh theocôngthức:

Mạch chắn thứ hai được hình thành từ mạch Lc-gnối tiếp với cấu trúc LbCgsong songvới tần số hoạt độngđượcxácđịnh theo côngthức:

Nhìn vào mô hình mạch tương đương cũng có thể nhận thấy một cách định tính: kíchthước cell EBG đề xuất sẽ giảm nhỏ hơn hẳn so với cấu trúc EBG truyền thống do số lượngđiệncảm và điện dunggiatăngtrên mạch.

Bên cạnh đó, cũng có một cách xác định khác để tìm ra tần số hoạt động của mô hìnhmạch tương đương EBG đề xuất bằng cách sử dụng điều kiện cộng hưởng với biên độ trởkháng của mạch là nhỏ nhất và góc pha bằng không [113] từ hàm truyền đạt của cấu trúcDS-EBG đề xuất được xác định bởi công thức𝐻 (𝑗𝑤)= 𝑈𝑜𝑢𝑡/𝑈𝑖𝑛 Xây dựng chương trìnhMatlab biểu diễn sự biến thiên của tần số fcho việc tối ưu các tham số trong kiến trúcDS-EBG đề xuất, các kết quả thu được được thể hiện trong hình 3.4 Có thể nhận thấy rõ, với cácthông số kích thước như chỉ ra trong bảng 3.1, tần số hoạt động của mạch xấp xỉ 2,5GHz vàphụ thuộc chính vào hai tham số kích thước r và b Kết quả này cũng phù hợp với việc tối ưutầnsố hoạt độngcủacell DS-EBGđềxuất dựatrên côngcụ mô phỏngCST.

(a) Xâydựng chương trình Matlab xácđịnh tần số hoạt độngtheotham số kích thước

(d) Thayđổitham sốkích thướca Hình3.4 Tần sốlàm việccủa cellDS-EBGhìnhchữHtheo cácthamsố kíchthước

 Cấutrúcdải chắnbăngtần: Để đánh giá rõ hơn đặc tính chắn băng của cell DS-EBG hình chữ H đề xuất theophương pháp sử dụng đồ thị tán xạ như giới thiệu trong phần 1.3.2.2, cấu trúc DS-EBG 2x7cell đượcxâydựngnhưtronghình 3.5 với kếtquảmô phỏngđượcthể hiệntronghình 3.6.

(a)Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình3.5 Cấutrúc DS-EBGhình chữH2x7 cell

Hình3.6.Đồthị thamsốS củacấutrúc 2x7cellDS-EBGhìnhchữ H

Nhìn vào đồ thị tham số S của cấu trúc có thể thấy rõ, cấu trúc DS-EBG hình chữ H chohai dải chắn băng tần từ 2,4GHz đến 2,95GHz và từ 4,3GHz đến 5,6GHz Trong các dải tầnnày, các sóng bề mặt khó có thể vượt qua Vì thế, cấu trúc này có thể sử dụng để làm giảmtươnghỗ choanten MIMOcộnghưởngtronghaidải băngtần này.

3.2.2 CấutrúcDS-EBGhìnhchữH ứngdụngtrong thiếtkếanten MIMOđabăng

3.2.2.1 AntenMIMO2,6GHzvà5,7GHz Để đánh giá hiệu quả của kiến trúc DS-EBG đề xuất, cấu trúc 1x7 cell DS-EBG hìnhchữ H được đưa vào không gian giữa hai phần tử bức xạ trong anten MIMO đa băng sử dụngcấu trúc DGS kép đã đề xuất trong chương 2 Toàn bộ thiết kế của anten sử dụng cấu trúc DS-EBG được thể hiện trong hình 3.7 Các tham số kích thước của anten cũng như của cấu trúcDS-EBGlần lượt đượcthểhiện trongcácbảng2.3 và3.1 trướcđó.

(b)MặtphẳngđấtHình3.7.AntenMIMOđabăng2,6GHzvà5,7GHzsửdụngcấutrú c DS-EBG

DGS Vì vậy, cấu trúc này không chỉ mang lại hiệu quả giảm tương hỗ giữa các phần tử bứcxạđặtcạnhnhautrongantenMIMOmàcòncảithiệnhệsốtăngíchcũngnhưhiệusuấtbứcxạ trong anten MIMO Điều này sẽ được chứng minh thông qua các kết quả mô phỏng trongnộidungphần tiếp theo 3.2.2.2 củaluận án.

Anten MIMO hai băng 2,6GHz và 5,7GHz được thiết kế trên vật liệu FR4 có bề dày1,6mm, hằng số điện môi= 4,4, hệ số tổn hao tan= 0,02 Đồ thị tham số S của antenMIMO có và không có cấu trúc DS-EBG đề xuất được thể hiện trên hình 3.8 Từ đồ thịS11,có thể nhận thấy rõ, giống như anten MIMO sử dụng cấu trúc DGS kép trong chương 2,antenMIMO DGSkép sử dụng thêm cấu trúc DS-EBG vẫn hoạtđộng tạihaitần số2,6GHzc h o ứng dụng LTE-A và 5,7GHz cho ứng dụng LAN không dây Tại băng tần thấp, hệ số phản xạcủaantenđạt-40,13dBvớibăngthông150MHz.Tạibăngtầncao,hệsốphảnxạcủaanten đạt -30dB với băng thông 250MHz Tất cả đều phù hợp với ứng dụng LTE và WLAN trongthiết bị đầu cuối di động Tuy nhiên, khi so sánh với các giá trị S12 của anten MIMO sử dụngcấu trúc DS-EBG, có thể thấy rõ, ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong antenMIMO giảm mạnh hơn 20dB tại tần số hoạt động thứ nhất, từ -20dB xuống -40dB và giảmnhẹkhoảng5dBtại tần số hoạt độngthứhai.

Hình3.8.Đồ thịtham sốS củaantenMIMOcóvàcócấu trúcDS-EBGhình chữ H

(a) KhôngcócấutrúcDS-EBG (b) Có cấu trúc DS-

MIMO có và không có cấu trúc DS-EBG trong hình 3.9 Xét hình 3.9(a) có thể thấy phần tửbức xạ thứ nhất trong anten MIMO được kích thích nguồn từ cổng 1, bức xạ ra xung quanh vàtác động lên phần tử bức xạ thứ 2, gây ra ảnh hưởng tương hỗ có thể nhận thấy khá rõ nét chodù hiệu ứng của cấu trúc DGS làm giá trị tương hỗ này đạt -20dB Trên hình 3.9(b), cấu trúcDS-EBGđềxuấtgiống nhưmộtbứctườngchắn,tậptrungphầnlớnmậtđộ dòngtácđộng sangphầntửbứcxạhailênnó.Đóchínhlàlýdomàtácđộngtươnghỗlênantenởcổng2gầnnhư khôngcòn.

(b) Tạibăng tần 5,7GHz Hình3.10.Đườngcongtương hỗECC củaantenMIMOsử dụngcấutrúcDS-EBG

Việc giảm thiểu đáng kể ảnh hưởng tương hỗ của cấu trúc DS-EBG cũng được thể hiệnrõ nét hơn thông qua hệ số tương quan của anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG như tronghình 3.10 Có thể nhận thấy rõ giá trị tương hỗ này nhỏ hơn 0,15 ở băng tần thấp và 0,07 ởbăng cao, hoàn toàn đáp ứng được bất kỳ yêu cầu khắt khe nào về độ cách ly cao cho thiết bịdầu cuối di độngtronghệthốngtruyền thôngkhôngdâythếhệmới. Đồ thị bức xạ 2D và 3D của anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG hình chữ H đề xuấtđược thể hiện trong hình 3.11 và 3.12 tại hai tần số hoạt động 2,6GHz và 5,7GHz Tại tần số2,6GHz, anten MIMO DS-DGS được cải thiện một cách đáng kể về cả hiệu suất bức xạ cũngnhư hệ số tăng ích Có thể thấy hệ số tăng ích của anten tăng lên 145%, từ 2,63dBi lên4,25dBi Không những thế, hiệu suất bức xạ của anten tăng từ -2.293dB (59%) như chỉ ratrongh ì n h 2 2 3 ( a ) l ê n -

1 6 3 0 d B ( 6 8 , 7 % ) n h ư c h ỉ r a t r o n g h ì n h 3 1 1 ( a ) Đ â y l à m ộ t s ự c ả i thiện vô cùng ý nghĩa, khắc phục được nhược điểm lớn về sự suy giảm hiệu suất bức xạ củacấutrúcEBG.Bêncạnhđó,mẫubứcxạ2DcủaantenMIMOcóDS-EBGvẫnđảmbảođược hìnhdángvàđộmịnnhưcấutrúcMIMOkhôngcóDS-EBGnhưtronghình2.23và2.24vớigócmở 3dBlà 83 0

(a)Bứcxạ 3D (b) Bức xạ 2D trên mặt phẳng yzHình3.11.Đồthị bứcxạ2D và3DcủaantenMIMODS-EBGhìnhchữ Htại 2,6GHz

(a)Bứcxạ 3D (b) Bức xạ 2D trên mặt phẳng yzHình3.12.Đồthị bứcxạ2D và3DcủaantenMIMODS-EBGhìnhchữ Htại 5,7GHz

3.2.2.3 Kếtquảthựcnghiệm Để đánh giá tham số hiệu năng của mẫu anten sử dụng DS-EBG hình chữ H, anten cũngnhư cấu trúc DS-EBG được chế tạo trên một tấm điện môi FR4 với hằng số điện môi=4,4,chiều dày 1,6mm như trong hình 3.13 Các giá trị S11, S12 thực nghiệm của anten được sosánh với giá trị mô phỏng được chỉ ra trên hình 3.14 Có thể nhận thấy rõ từ kết quả đo, antencộng hưởng tại hai tần số 2,6GHz và 5,7GHz với độ rộng băng thông tương ứng 150MHz và250MHz Tại tần số hoạt động 2,6GHz, giá trị S11 đạt -15dB và S12 đạt -30dB Tại tần sốhoạt động 5,7GHz, kết quả đo thu được tốt hơn so với kết quả mô phỏng Giá trị S11 đạt -38dB và S12 đạt -37dB Cũng có thể thấy, trên cả hai băng tần hoạt động, giá trị S11 và S12cùng giảmsâutạicả haitầnsố hoạtđộngcủa anten Đâylà điềumà mọi thiếtkế anten MIMO đều mong muốn Tuy nhiên, cũng vẫn còn có một vài sai khác nhỏ nữa giữa kết quả đo và kếtquả thực nghiệm trên đồ thị tham số S12 Nguyên nhân là do sai số chế tạo trên những chi tiếtnhỏ của cấu trúc DS-EBG Hơn nữa, sai khác này không ảnh hưởng gì đến bất kỳ tham sốquan trọng nào trên phần băng tần hoạt động của anten như độ rộng băng thông hay tần sốhoạtđộng Vìvậy, vẫncó thểcoi kếtquảđo là kháphù hợp với kếtquảmô phỏng.

(a) Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình3.13.ChếtạoantenMIMOsửdụngcấutrúcDS-EBGhìnhchữH

Hình3.14.Sosánhkếtquảđo vàmôphỏng củaantenMIMODS-EBGhìnhchữ H

Hiệu suất bức xạ thấp là một trong những nhược điểm của anten vi dải, đặc biệt là antenvi dải sử dụng cấu trúc EBG Đó cũng có thể là lý do vì sao một số nghiên cứu EBG trước đókhông đề cập đến thông số này.Khi sử dụng cấu trúc EBG truyền thống, độ định hướng củaanten đượccải thiệnvà do đóhệsố tăngíchcủaantensẽ tăng lên.Tuynhiên, dotổnhao năng lượngtrênc ấ u tr úc EB Gn ày khiếnch o h i ệ u su ất c ủ a anten t h ư ờ n g bịg i ả m C ấ u tr úc D S- EBG đề xuất giống như một kiến trúc lai ghép giữa EBG và DGS Vì vậy, nó tận dụng đượccả hai ưu điểm của hai loại hình cấu trúc này, bên cạnh việc cải thiện hệ số tăng ích, cấu trúcnàykhôngnhữngkhônglàm suygiảm mà còn nângcao hiệusuất bứcxạcủaanten.

Bảng3.2.So sánhthiết kếhiệntại vớicácthiếtkế anten sử dụng cấutrúcEBGtrướcđó

59%đến 68,7% (1): Tần số hoạt động(GHz).

(3): Khoảng cách từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện (0).

(4): Tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten (dB).(5):Hệsố tăngích(dBi).

(6):Thayđổi hiệu suấtbứcxạkhi sửdụngcấu trúcEBG(%).

Bảng 3.3 So sánh thiết kế hiện tại với các thiết kế anten MIMO hai băng có sử dụng cấu trúcgiảmtương hỗ

(1): Tần số hoạt động (GHz).

(3):Khoảngcách từđiểm tiếpđiện đến điểmtiếp điện (0).

(4): Tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten

(dB).(5):Hệsố tăngích lớn nhấtđạt được(dBi).

(6):Thayđổi hiệu suất bứcxạkhi sửdụngcấu trúcgiảm tươnghỗ(%).

CấutrúcDS-EBGtrònchoantenMIMObăngtầnmilimetchotruyềnthông5G .7 0 1 CấutrúcDS-EBG tròn

Như đã giới thiệu trong phần 3.2.1, cấu trúc EBG hai mặt cho hiệu quả giảm nhỏ kíchthước lên đến 75% Bên cạnh đó, cấu trúc này lại không làm suy giảm hiệu suất bức xạ củaantennhưphầnlớnđềxuấtEBGmộtmặttrướcđó.Vìvậy,nộidungtiếptheocủaluậná nphát triển tiếp cấu trúc DS-EBG này choứ n g d ụ n g t r ê n b ă n g t ầ n m i l i m e t c ủ a t r u y ề n t h ô n g 5G Do kích thước cell EBG phụ thuộc vào tần số hoạt động của cấu trúc nên sẽ có kích thướcrất nhỏ khi ứng dụng trên băng tần milimet Hơn nữa, truyền thông 5G lại yêu cầu đặc tínhbăng thông rộng cỡ GHz nên cấu trúc DS-EBG hình tròn được đề xuất với cấu tạo của mộtcellđượcthểhiện như tronghình 3.15(a).

Cấu trúc này bao gồm mặt kim loại đồng trên cả hai phía: mặt phẳng bức xạ và mặtphẳngđất.Mộthìnhtrụkimloạirỗngđượcdùnglàmviađểkếtnốihaimặtđồngkimloại.

ThiếtkếcellDS-EBGtrònsửdụngvậtliệuRT5880cóchiềucao0,79mm,hằngsốđiệnmôi

2.2.Chi tiết cácthôngsốkích thướccủa cấu trúcđượcthểhiệntrongbảng3.4.

Bảng3.4 Thông sốkích thướccủa cấutrúc DG-EBG tròn

Mô hình mạch tương đương của cấu trúc được thể hiện trong hình 3.15(b) Mô hình nàybao gồm ba phần tử L, C và C1 Trong đó, L là điện cảm tương đương được tạo ra bởi đườngvia kết nỗi từ mặt bức xạ xuống mặt phẳng đất C là điện dung tương đương của khoảng cáchgiữa các miếng kim loại trên bề mặt bức xạ và mặt phẳng đất C1là điện dung tương đươngcủa khoảng cách giữa các miếng kim loại trong cấu trúc DS-EBG tròn tuần hoàn Giá trị Cđượctính xấpxỉtheo côngthứcsau:

Trongđó0,rlầnlượt là hằngsốđiệnmôitrong khônggiantựdovàtrongvậtliệu điệ n môi GiátrịLtrongmô hình mạch tươngđươngđượcxácđịnh theocôngthứcsau:

Trongđók=0,2nH/mm [71].Giátrịđiện dungC1được xácđịnhgần đúngtheocông thức:

TầnsốhoạtđộngcủacấutrúcDS-EBGtrònđềxuấtđượcxácđịnhtheocôngthức3.11và3.12 như sau:

Hình 3.16 biểu diễn kết quả mô phỏng các tham số S12 của cấu trúc 1xn DS-EBG hìnhtròn với số lượng cell (n) thay đổi từ 7 đến 10 Kết quả mô phỏng được thực hiện trên phầnmềm mô phỏng CST Từ đồ thị, có thể nhận thấy rõ tồn tại hai dải chắn với sự suy giảm hệ sốtruyền dẫn lớn hơn 20dB Cùng với đó, số lượng cell càng tăng thì hiệu quả suy giảm cànglớn.VớicấutrúcDS-EBG1x7cell,tồntạihaidảichắntừ24,58GHzđến30,76GHzvàtừ

35,59GHz đến 40,53 GHz mà các sóng bề mặt khi hoạt động trong hai dải băng tần này sẽ bịchặnlạ i V ì th ế, c ấ u t r ú c DS -

EB G đ ề xuấtc ó th ể g i ả m t ư ơ n g hỗg i ữ a c á c p h ầ n t ử b ứ c x ạ trong anten vi dải đa băng hoạt động ở tần số 28GHz và 38GHz, ứng dụng cho truyền thông5G băngtần milimet.

Hình3.16.S12của cấutrúcDS-EBGtrònvớisố lượngcellthayđổi

Một đặc tính thú vị khác của cấu trúc EBG như đã trình bày trong chương 1 là đặc tínhđồng pha hay pha phản xạ bằng 0 tại một tần số nào đó Đặc tính này khiến cấu trúc EBG cóthể làm bề mặt phảnxạ, cải thiện hệ số tăng íchc ủ a a n t e n m à k h ô n g l à m g i a t ă n g c ấ u t r ú c tổng thể của anten Bên cạnh đó, Y.Q.Fu [74] đã chứng minh rằng phản xạ đồng pha nàythường nằm ở tần số hoạt động chính của cấu trúc EBG Điều này cũng được thể hiện rõ trongđồ thị biểu diễn pha phản xạ của cấu trúc cell DS-EBG tròn như chỉ ra trong hình 3.17 Có thểthấy rõ, cấu trúc DS-EBG tròn có tần số phản xạ đồng pha là 28GHz và 37GHz Vì vậy, cấutrúc này có thể cải thiện hệ số tăng ích cho anten băng tần milimet tại tần số 28GHz và37GHz.

Hình3.17.Pha phảnxạcủacấu trúcDS-EBGtròn đềxuất

Cấu trúc DS-EBG tròn 1x10 và 1x11 được đặt trên và dưới patch bức xạ của anten đơnnhưtronghình3.18.CácthamsốcủacấutrúcDS-

3.4 Cóthểthấy,cấutrúcantenđơnsửdụngDGSképtrongphầnnàycóchútkhácbiệtnhỏso với cấu anten DGS kép băng tần milimet đã được trình bày trong chương 2 với phần lượcbỏbớtcấu trúc hình saokép nhằmgiảmbớtđ ộ p h ứ c t ạ p t r o n g c h ế t ạ o v à c â n b ằ n g g i ữ a s ự gọn nhỏcủa anten sovớisự suy giảmhệ sốtăng ích.T u y n h i ê n , k í c h t h ư ớ c t ổ n g t h ể c ủ a anten đơn không thay đổi so với cấu trúc anten đơn DGS kép được trình bày trong chương 2,đạt 10x8,5x0,79 (mm 3 ) Các thông số kích thước khác biệt của anten đơn sử dụng cấu trúcDS-EBGtròn dượcthểhiện trên bảng3.5.

(a) Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình3.18.Antenđơnbăngtầnmimlimetsử dụngcấutrúcDS-EBGtròn

Bảng3.5.Các thôngsố kíchthướccủaanten 5Gsửdụngcấu trúcDS-EBG

Kiến trúc anten MIMO được thiết lập bởi việc đặt hai anten đơn cạnh nhau, cách nhaukhoảng cách 0,448từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện Khoảng cách này đạt dưới 0 nếutính từ rìa anten đơn đến rìa anten đơn Để đảm bảo phù hợp với diện tích mặt phẳng đất trênanten MIMO, cấu trúcD S - E B G t r ò n t r ê n a n t e n M I M O c ó m ộ t c h ú t k h á c b i ệ t v ề s ố l ư ợ n g cũng như khoảng cách Cấu trúc này được thể hiện trong hình 3.19 với các tham số của antenvà cấu trúc DS-EBG được tối ưu dựa trên phần mềm mô phỏng CST Kích thước tổng thể củaanten MIMO DS-EBG tròn không thay đổi so với cấu trúc anten DGS kép được trình bàytrong chương 2, đạt 15,3x8,5x 0,79 (mm 3 ), hoàn toàn phù hợp với ứng dụng cho thiết bị đầucuối trongtruyền thông5G.

(a) Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình3.19.AntenMIMO băngtầnmimlimetsửdụngcấutrúcDS-EBGtròn

Các tham số tán xạ của cấu trúc anten có và không có cấu trúc DS-EBG tròn được thểhiện trên hình 3.20 Có thể thấy, anten cộng hưởng tại hai tần số 28Ghz và 38GHz Với việcsử dụng cấu trúc DS-EBG tròn, băng thông của anten đơn được cải thiện đáng kể Tại tần số28GHz, băng thông tăng 790MHz, từ 1,5002GHz (5,3%) lên 2,2863GHz (8,2%) Tại tần sô38GHz, băngthôngtăng760MHz, từ2,43GHz(6,4%)lên 3,19GHz(8,4%).

Hình 3.20 So sánh tham số S11 của anten đơn 28/38GHz sử dụng/ không sử dụng cấu trúcDS-EBG

Hệ số tăng ích của anten cũng được cải thiện mà không cần phải tăng kích thước tổngthể của anten Như được thể hiện trong hình 3.21 - 3.23, tại tần số hoạt động 28GHz, đồ thịbức xạ 2D của anten vẫn giữ nguyên dáng lưỡng cực trong khi hệ số tăng ích được cải thiện1,73dBi Tại tần số hoạt động 38GHz, đồ thị bức xạ của anten chuyển từ có định hướng sanglưỡng cực trong khi vẫn giữ nguyên hệ số tăng ích Điều này có nghĩa, hệ số tăng ích củaantenđượccảithiện vàanten cóbứcxạphùhợphơnvớiứngdụngđầucuốidiđộng.B êncạnh đó, hệ số bức xạ của anten cũng được cải thiện Như chỉ ra trong hình 3.22 và 3.23, tạitần số hoạt động 28GHz, hiệu suất bức xạ của anten tăng từ -0.5527dB ( 88%) lên -0.3131dB(93%)vàtăng từ -0.68dB(85,5%)lên-0.369dB(91,8%)tại tần số 38GHz.

(a) Tại tần số 28GHz (b) Tại tần số 38GHzHình3.21.Đồ thịbứcxạ2Dcủa antenđơn băngtần milimet

(a)Tại tần số28GHz (b) Tại tần số

(a)Tại tần số28GHz (b) Tại tần số

38GHzHình3.23.Đồthị3Dcủaanten đơnsử dụngcấutrúcDS-EBG

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 3.24 và 3.25 Có thể nhận thấy rõ, tương tự như cho ứngdụng anten đơn, anten MIMO khi sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn cũng cải thiện băng thônglên đáng kể Tại băng tần 28GHz, băng thông tăng 663MHz, đạt độ rộng băng 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 làsự suy giảm đáng kể ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ Điều này có thể nhận thấyrõ trong đường cong hệ số truyền dẫn S12 như thể hiện trong hình 3.25 Tại tần số 28GHz,anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn có tham số S12 đạt -55dB, giảm 30dB so vớianten MIMO khi không sử dụng cấu trúc này Tác động này cũng xảy ra tại tần số 38GHz vớiđộsuygiảm đạt 5dB.

SựsuygiảmnàycũngđượcminhchứngtrongđồthịECCcủa antenMIMOsửdụng cấu trúc DS-EBG tròn được thể hiện trong hình 3.26 Tại hai băng tần cộng hưởng, giá trịECCđềuđạtdưới0,01,phùhợpchomọiyêucầukhắtkhenhấtvềđộcáchlygiữacácphầntửbứcx ạđặt cạnh nhau tronghệanten MIMO.

Bên cạnh đó, giống như trường hợp DS-EBG hình chữ H, anten MIMO 28/38GHz khisử dụng cấu trúc DS-EBG tròn cũng cải thiện hệs ố t ă n g í c h v à đ ặ c b i ệ t l à k h ô n g l à m s u y giảm hiệu suất bức xạ, điều mà phần lớn các anten sử dụng cấu trúc EBG trước đây gặp phải.Như chỉ ra trong hình 3.27, anten MIMO có và không có cấu trúc DS-EBG tròn có hình dángbức xạ 2D tương tự nhau tuy nhiên hệ số tăng ích gia tăng Điều này được thể hiện rõ nét hơntrong hình 3.28 và 3.29 thông qua đồ thị bức xạ 3D của anten không sử dụng và sử dụng cấutrúc DS-EBG Tại tần số hoạt động 28GHz, hệ số tăng ích của anten MIMO DS-EBG đạt6,19dBi, tăng 2,22dBi Hệ số bức xạ tăng từ -0.7988dB (83,2%) lên -0.5756dB (87,6%) Tạitần số hoạt động 38GHz, hệ số tăng ích của anten đạt 7,16dBi, tăng 0,01dBi Hệ số bức xạtăngtừ-0.822dB (82,8%)lên-0.4103dB(91%).

(a)Tại tần số28GHz (b) Tạitần số38GHz

Hình3.27.Đồthịbứcxạ2Dcủa antenMIMObăngtầnmilimettrênmặt phẳngyz

(a)Tại tầnsố 28GHz (b)Tạitần số38GHz

Hình3.28 Đồthị bứcxạ 3Dcủa antenMIMO khôngsửdụng cấutrúc DS-EBGtròn

(a)Tại tần số28GHz (b) Tại tần số

38GHzHình3.29.Đồ thịbứcxạ 3Dcủaanten MIMOsử dụng cấutrúcDS-

3.3.2.4 Kếtquảthựcnghiệm 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 môiRT5880 với hằng số điện môi=2,2, chiều dày 0,79 mm Hình 3.30 là ảnh chụp mẫu antenMIMO chếtạo với kích thướctổngthểlà15,8x8,5mm 2

Kết quả đo của anten được thực hiện trên máy đo VNA và được so sánh với kết quả môphỏng như chỉ ra trong hình 3.31 và 3.32 Có thể thấy anten đều hoạt động ở hai băng tần28GHzvà38GHz.Ảnhhưởng tương hỗtrongantenđạt-60dB tạitần số28GHzvà-35dB cho tần số 38GHz Có sự sai khác giữa kết quả đo và kết quả mô phỏng về độr ộ n g b ă n g thôngcũngnhư hình dángcủađồthị, đặcbiệt làđồ thị cáctham số S12 củaanten MIMO.

(a) Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình3.30 Mẫuchếtạoanten MIMOsửdụngcấu trúcDS-EBGtròn

Hình3.31.So sánhkết quảmôphỏngvà thựcnghiệmS11của antenDS-EBGtròn

Hình3.32.So sánhkết quảmôphỏngvà thựcnghiệmS12của antenDS-EBGtròn

Có khá nhiều nguyên nhân có thể gây ra sự sai khác này Nguyên nhân thứ nhất là dokích thước anten quá nhỏ (cỡ mm), các khe chẻ hay các kích thước trong cell EBG cỡ phầnmườimilimetnêntỷ lệsaisốsẽkhácaokhichếtạoantenbằngkỹthuậtchếtạomạchindựa trên công nghệ ăn mòn điện môi Nguyên nhân thứ hai là do connector Tuy tác giả đã lựachọndòngSMAsiêunhỏ(S-SMA)nhưngdoantenrấtnhỏvớikíchthướccủapatchbứcxạlà 3,16x2,2 (mm 2 ) nên tỷ lệ giữa kích thước của S-SMA so với kích thước của patch bức xạtrong anten khá lớn, có thể ảnh hưởng phần nào đến đặc tính của anten Nguyên nhân thứ ba,cólẽlànguyên nhânquantrọng nhất,làdokếtquả đotạitầnsốcaotừ10GHztrở lênrấ tnhạy cảm với sự sai số trong thiết kế Do vậy, với việc kết quả đo vẫn chỉ ra được chính xáctần số hoạt động của anten tại 28GHz và 38GHz cùng với sự suy giảm S12 tại tần số hoạtđộng và dưới -20dB trên toàn bộ băng tần, kết quả đo này có thể coi là tạm chấp nhận trongđiềukiện chếtạo vàđo kiểm tại Việt nam.

Bảng3.6So sánhthiết kế anten DS-EBGđềxuấtvới cácđềxuấtcho antenbăng tần28GHz trướcđó

28 EBG trênmặt bứcxạ và mặtphẳngđ ất

Khôngcảit hiện Tăng1,0 Không đưara

28 Khôngcảit hiện Tăng2,3 Không đưara

38 Khôngcảit hiện Tăng5,5 Không đưara

Giảm5(1): Tần số hoạt động(GHz).

(5): Cải thiện độ khuếch đại khi sử dụng cấu trúc EBG (dBi).

(6):Thayđổi hiệu suấtbứcxạkhi sửdụngcấu trúcEBG(%).

(7): Cải thiện ảnh hưởngtươnghỗ khi sửdụngcấutrúcEBG (dB).

(8): Khoảng cách giữa hai phần tử bức xạ tính từ rìa đến anten đơn đến rìa anten đơn (). (9):Loại hình anten. Đánh giá kết quả của mẫu anten DS-EBG tròn cho ứng dụng anten 5G băng tần milimetđược đưa ra dựa trên sự so sánh dựa trên kết quả mô phỏng với các cấu trúc EBG đề xuất choanten 5G băng tần milimet tại tần số hoạt động 28GHz trước đó Như được chỉ ra trong bảng3.6, tất cả thiết kế anten và cấu trúc EBG đều sử dụng vật liệu RT5880 với hằng số điện môi2,2 Có thể nhận thấy, thiết kế anten sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn đề xuất phát huy được tấtcả các ưu việt của cấu trúc EBG trước đó, bao gồm: mở rộng băng thông, nâng cao hệ số tăngíchvà giảm sâutươnghỗ. Đề xuất EBG với cấu trúc đa lớp [81] cải thiện đáng kể hệ số tăng ích tuy nhiên sự cảithiện này không chỉ đơn thuần nhờ vào cấu trúc EBG mà do sự gia tăng đáng kể chiều dàytổng thể của toàn bộ cấu trúc theo nghiên cứu của Chu [116] Điều này cũng tương tự với cấutrúc EBG kết hợp anten mảng [117] Bên cạnh đó, cả hai cấu trúc này đều không cải thiện độrộng băng thông Các đề xuất còn lại, có thể cải thiện đồng thời băng thông, hệ số tăng ích, độcách ly nhưng giống như các cấu trúc EBG đơn lớp và đa lớp cho băng tần milimet trước đó,đềul à m s u y g i ả m h i ệ u s u ấ t b ứ c x ạ [ 2 2 ] , [ 5 4 ] , [ 8 1 ] , [ 1 1 7 ] -

[ 1 1 9 ] , m ộ t n h ư ợ c đ i ể m l ớ n c ủ a anten sử dụng cấu trúc EBG Đó cũng có thể là lý do mà một số thiết kế EBG đã không côngbố tham số nàytrongnghiên cứu củahọ [54],[117], [119].

Kếtluậnchương3

Nội dung chương 3 đề xuất cấu trúc DS-EBG: Hình chữ H cho anten MIMO đa băng2,6GHzv à 5 , 7 G H z , ứ n g d ụ n g t r o n g t h i ế t b ị đ ầ u c u ố i d i đ ộ n g 4 G ; H ì n h t r ò n c h o c ấ u t r ú c anten đơn và MIMO băng tần28GH/ 38GHz, ứng dụng chotruyềnt h ô n g d i đ ộ n g

5 G b ă n g tần milimet Cả hai đề xuất DS-EBG đều cho cấu trúc nhỏ gọn, phù hợp với ứng dụng trongthiết bị đầu cuối di động Đặc biệt, cấu trúc DS-EBG hình chữ H có kích thước giảm nhỏ gần90% 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 trúcEBG khi áp dụng trên anten vi dải Đó là nâng cao đáng kể hệ số tăng ích và giảm sâu ảnhhưởng tương hỗ tại băng tần thấp Hơn thế nữa, cấu trúc DS-EBG khi áp dụng vào thiết kếanten,khôngnhữngkhônglàmsuygiảmhiệusuấtbứcxạ,nhượcđiểmlớncủacấutrúcEBG mà còn cải thiện đáng kể, đặc biệt trên thiết kế anten băng tần milimet Tại băng tần 38GHztrênanten MIMO,hiệu suất bứcxạtăng7%, đạt hiệu suất bứcxạlên đến 91%.

Tuy nhiên, do giới hạn của điều kiện chế tạo tại Việt nam, việc chế tạo anten vi dải hiệnnay chỉ có thể dựa trên công nghệ mạch in, sử dụng kỹ thuật ăn mòn điện môi, gây sai số khálớn với những chi tiết phức tạp, kích thước nhỏ cỡ milimet Sai số này đặc biệt lớn với nhữngkíchthướccỡphầnmườimilimet.Vìvậy,còntồntạisaikhácgiữakếtquảthựcnghiệ mvàmô phỏng cho thiết kế anten băng tần milimet Đây là nhược điểm mà chưa thể giải quyếttrong điều kiện hiện tại Bên cạnh đó, khi tỷ lệ giảm nhỏ kích thước cell EBG càng lớn thì độrộng băng tần chắn của cấu trúc càng giảm Đây cũng chính là một trong những nhược điểmmà các nghiên cứu giảm nhỏ kích thước EBG gặp phải Chính vì thế, hướng phát triển trongchương tiếp theo của luận án sẽ sử dụng cấu trúc vật liệu đặc biệt CRLH cho thiết kế antenkích thước nhỏ ứng dụng cho truyền thông 5G nhưng tại băng tần dưới 6GHz và đề xuất mộtcấutrúcmới chogiảm ảnh hưởngtươnghỗ trên băngtần rộngnày.

Giớithiệuchương

Truyền thông di động 5G được dự tính hoạt động ở hai dải băng tần cơ bản Băng tầndưới 6GHz và băng tần milimet [120] Đối với anten 5G băng tần dưới 6GHz cho ứng dụngđầu cuối di động, thách thức lớn nhất là kích thước nhỏ trong khi vẫn phải đảm bảo băngthông rộng Yêu cầu độ rộng băng thông chot r u y ề n t h ô n g 5 G b ă n g t ầ n d ư ớ i 6 G H z l à 400MHz (11%) tại băng tần 3400-3800MHz và thậm chí có thể lên tới 800MHz (22%) tạibăng3400-4200MHz.

Không chỉ có vậy, như đã trình bày trong chương 1, kỹ thuật MIMO là một trong cácyêu cầu tất yếu cho thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới Việc tạo ra cấu trúc dải chắn có thểgiảm sâu ảnh hưởng tương hỗ trong một băng tần rộng của truyền thông 5G băng tần thấpcũnglàmột thách thứcmới đặt racho cácnhànghiên cứu tronglĩnh vực5G.

Chính vì thế, nội dung chương 4 bao gồm hai phần chính Phần đầu đề xuất anten sửdụng cấu trúc CHLH kết hợp với phương phương tiếp điện đồng phẳng CPW nhằm tạo antenđa băng cộng hưởng ở tần số 3,5GHz với băng thông rộng cho truyền thông di động 5G băngtần thấp và 5GHz cho ứng dụng WLAN Anten đề xuất có cấu trúc nhỏ gọn, điện tích bức xạgiảm gần 90% so với anten vi dải thông thường Phần sau đề xuất cấu trúc giảm tương hỗ sửdụng đường biến đổi đều cho việc giảm sâu tương hỗ cho anten MIMO CRLH-CPW băngrộng được đề xuất Các đề xuất anten cũng như cấu trúc giảm tương hỗ đều được chứng minhdựa trên mô hình mạch tương đương, mô phỏng và thực nghiệm, đảm bảo tính khả thi của cấutrúcantenđềxuất.

AntenCRLH-CPWchotruyềnthông5Gbăngtầndưới6GHz

Như đã giới thiệu trong chương 1, có khá nhiều phương pháp hay kỹ thuật khác nhau đểgiảm nhỏ kích thước anten Một trong những cách hiệu quả để giảm nhỏ kích thước anten màvẫn giữ nguyên được tần số hoạt động là sử dụng nguyên lý sóng chậmv ớ i v ậ t l i ệ u c ó c ấ u trúc đặc biệt như DGS hay CRLH [1], [15], [121] Tuy nhiên, kích thước anten có tỷ lệ thunhỏ càng cao thì một hay một vài các thông sốcơ bản khác của antenn h ư đ ộ r ộ n g b ă n g thông, hệ số tăng ích hay hiệu suất bức xạ sẽ suy giảm càng mạnh Khác với các phương phápsử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt khác, thiết kế anten sử dụng cấu trúc CRLH ngoài khảnănggiảm nhỏ kích thước anten theo nguyên lý sóng chậm còntồn tạim ộ t c h ế đ ộ c ộ n g hưởng đặc biệt, chế độ cộng hưởng không (ZOR) Trong chế độ cộng hưởng này, tần số hoạtđộng của anten không phụ thuộc vào kích thước phần tử bức xạ Điều này giúp cho anten cóthể thu nhỏ đáng kể kích thước phần tử bức xạ mà vẫn đảm bảo các thông số quan trọng kháccủa anten như hệ số tăng ích hay hiệu suất bức xạ không bị suy giảm quá nhiều [64],

[122].Tuynhiêna n t e n g ặ p p h ả i n h ư ợ c đ iể m l ớ n v ề đ ộr ộn g băngthôngvà đ iề u n à y cót h ể k hắ c phụcđượcbởiviệckếthợpthêmvớiphươngpháptiếpđiệnđồngphẳngCPW.Vìvậy,tron g

𝑤 � 𝑤 phầnn à y đ ề x u ấ t t h i ế t k ế a n t e n đ a b ă n g C R L H k ế t h ợ p v ớ i p h ư ơ n g p h á p t i ế p đ i ệ n đ ồ n g phẳng, giảm nhỏ kích kích thước anten, tạo anten băng rộng, ứng dụng cho truyền thông diđộng5G băngtần dưới 6GHz.

Việc thiết lập L và C của cấu trúc CRLH-TL thường được xây dựng trên cấu trúc cellEBG hình nấm kết hợp với cấu trúc đường mạch uốn khúc Việc tạo ra phần tử LLtrong môhình mạch CRLH-TL (hình 1.19) thường do đường kết nối via trong cấu trúc EBG hình nấmtạo ra [96],[99]-[101] Tuy nhiên, điều này làm tăng độ phức tạp trong thiết kế và chế tạo Đểkhắc phục nhược điểm này, một số kiến trúc anten CRLH gần đây sử dụng cấu trúc không cóđường kết nối (vialess) và thay vào đó là các giải pháp tạo LLtrên cấu trúc DGS

[102], [103].Đối với các anten CRLH sử dụng tiếp điện đồng phẳng, anten là một cấu trúc uni phẳng nênkhông thể sử dụng cấu trúc EBG hình nấm hay giải pháp DGS Để tạo ra mô hình mạchCRLH, các anten CRLH CPW thường sử dụng cấu trúc đường mạch uốn khúc kết hợp vớichính cấu trúctiếp điện đồngphẳng[30], [101]-[104].

Khác với các cấu trúc trước đó, cấu trúc anten CRLH CPW đề xuất trong hình 4.1(a) sửdụng cấu trúc đường mạch uốn khúc tạo ra điện cảm tương đương LLvà điện dung tươngđương CRkết hợp với miếng bức xạ EBG không via tạo nên điện cảm LRvà khe hở giữamiếng bức xạ và đường tiếp điện hình thành nên điện cảm tương đương CL Phần tiếp điệnđồng phẳng tạo ra mạch cộng hưởng L1C1nối tiếp với mạch CRLH làm mở rộng băng thôngvà tạo đa băng Mô hình mạch tương đương của cấu trúc anten được thể hiện trong hình4.1(b).

(a) Cấu trúc anten CRLH (b)Môhìnhmạchtươngđương

Hình4.1AntenđơnCRLHđềxuất Ápdụngđiều kiệnbờ chu kỳvàđịnh lýBlock-Floquetsẽcó:

TrongđólàhằngsốlantruyềncủasóngBlock,plàchiềudàivậtlýcủacấutrúccellCRLH(p=), wlà vận tốcgóc.

Trong đó, n, N và l lần lượt là mode cộng hưởng, số đơn vị cell và chiều dài tổng củacấu trúc CRLH-TL Trong trường hợp n = 0 (mode cộng hưởng 0 hay còn gọi là ZOR – zeromode) thì bước sóng vô hạn được xác định và điều kiện cộng hưởng không phụ thuộc vàochiềudài củacấu trúcCRLHTL.

Thiết kế anten sử dụng vật liệu RO4350B, chiều cao h=1,52, hằng số điện môi=3,48,tổn hao điện môi tan= 0,0031 Để cộng hưởng tại tần số 3,5GHz cho băng tần 3,4-4,2GHzcủa truyền thông 5G băng tần dưới 6 GHz và tại tần số 5GHz cho ứng dụng 802.11, các thôngsố kích thước của anten được tính toán và tối ưu sử dụng phần mềm mô phỏng CST và đượcthể hiện trong bảng 4.1 Anten có kích thước bức xạ rất nhỏ, đạt 5,5x12,5mm 2 tương đươngvới0,064x0,146tạitầnsố3,5GHz,trênnềnđiệnmôicókíchthướctổng cộng25x25mm 2 , hoàn toàn phù hợp với ứng dụng LTE/ Wimax, 5G băng tần dưới 6 GHz vàWLANtrongthiết bị đầucuối di động.

Thôngsố L W lp wp wm lf lm s1 s2 s3

Phân bố mật độ dòng trên anten CRLH tại tần số hoạt động 3,5GHz và 5GHz được thểhiện trong hình 4.2 Có thể nhận thấy, tại cả hai băng tần, phân bố mật độ dòng không tậptrung trên patch bức xạ mà tập trung phần lớn trên cấu trúc đường mạch gấp khúc Chính vìvậy, tần số hoạt động của anten không phụ thuộc nhiều vào kích thước của patch bức xạ màphụ thuộc vào các thông số của cấu trúc đường mạch uốn khúc như s3và wm Hình 4.3 biểudiễn đường cong S11 của anten CRLH với các giá trị s3và wmkhác nhau Để đạt được tần sốhoạt động 3,5GHz và 5GHz, các thông số của anten được tối ưu bằng phần mềm mô phỏngCST.Vớis3=0,5mm,wm=6mm,cóthểnhậnthấyantencộnghưởngởhaitầnsố3,5GHz và

5GHz như thể hiện trong hình 4.4 Tại băng tần 3,5GHz, băng thông của anten đạt 782MHz(22,29%)đápứngyêucầuvềbăngthôngchotruyềnthông5Gbăngtầndưới6GHz.T ạitầnsố 5GHz, băng thông đạt 165MHz, tương ứng 3,3%, đáp ứng yêu cầu băng thông cho truyềnthông 802.11n, ac Độ sâu S11 đạt -37dB và -18dB tương ứng với hai tần số hoạt động3,5GHzvà5GHz.

(a) Tại tần số 3,5GHz (b) Tại tần số

5GHzHình4.2 Phân bốmật độ dòngtrên anten đơnCRLH

Hình4.3.Đồ thịtham sốS11 thayđổi theocácthamsố kíchthước

Hình4.4.Đồ thịthamsố S11của antenđơnCRLH

(a) Tạitần số hoạt động 3,5GHz

(b) Tạitần số hoạt động 5GHzHình4.5.Bứcxạ2D trênmặtphẳng yzvà bứcxạ3Dcủaanten đơnCRLH Đồ thị 2D trên mặt phẳng yz và bức xạ 3D của anten được thể hiện trong hình 4.5. Cóthể nhận thấy, anten có đồ thị bức xạ mịn, bức xạ lưỡng cực, phù hợp cho thiết bị đầu cuối diđộng, Bên cạnh đó, anten đạt hiệu suất bức xạ trên 70% cho cả hai băng tần Hệ số tăng ích là2dBivà2,53dBilần lượt tại hai tần số hoạt động3,5GHz và5GHz.

Anten CRLH được chế tạo trên vật liệu RO4350B, chiều cao h=1,52mm, hằng số điệnmôi=3,48 với tổng kích thước 25x25x1,52mm 3 như thể hiện trên hình 4.6 Kết quả thựcnghiệm so sánh với kết quả mô phỏng được chỉ ra trong hình 4.7 Có thể nói, kết quả môphỏng và thực nghiệm là khá tương đồng Tại tần số 3,5GHz, băng thông hoạt động của antenđạt gần 22,2%, đáp ứng đủ yêu cầu băng rộng của truyền thông 5G cũng như 4G LTE vàWimax Tại tần số 5GHz, băng thông hoạt động của anten đạt 4 %, tương ứng 200MHz, đápứngkhôngchỉ cho băngtần 5GHzcủa802.11n mà cảchuẩn 5G WiFi 802.11ac.

(a) Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình4.6 Chếtạo anten CRLH

Hình4.7 Sosánhkết quảthựcnghiệmvàmôphỏng thamsố S11 củaanten CRLH

Bảng 4.2làkếtquả so sánhantenCRLHtrìnhbày trong luậnánvới mộtsốa n t e n CRLH đề xuất trước đó Có thể nhận thấy rõ, anten CRLH trong luận án đề xuất đạt kích bứcxạ nhỏ, tần số hoạt động của anten không phụ thuộc vào kích thước bức xạ của anten giốngnhư các anten CRLH đề xuất trước đó Bên cạnh đó, các thông số cơ bản còn lại đều đạt khátốt trong khi độ sâu S11 và băng thông tốt hơn rất nhiều, đáp ứng được đúng yêu cầu độ rộngbăngthôngcho truyền thôngdi động5G băngtầndưới 6GHz.

Bảng4.2 So sánhanten đơn CRLHđềxuất vớimột số anten CRLHtrướcđó

(1): Tần số hoạt động (GHz).

(4): S11 tại tần số hoạt động

(6): Kích thước phần tử bức xạ ( 2 ).

CấutrúcđườngbiếnđổiđềuchoantenMIMOCRLH-CPW

Băng thông rộng là điều kiện tiên quyết của truyền thông di động 5G băng tần dưới6GHzcũng nhưmilimet.Tạibăng tần3400-3800MHzcủatruyềnt h ô n g b ă n g t ầ n d ư ớ i 6GHz, băng thông của anten yêu cầu là 400 MHz tương ứng với 11% Băng tần này cũngđược khuyến nghị có thể phát triển tới 3400-4200 MHz, yêu cầu băng thông của anten là800MHz, tương ứng với 22% [120] Điều này cũng đòi hỏi phải có cấu trúc giảm tương hỗđápứngyêucầunângcaođộcáchlychoantenMIMObăngtầnrộngtrongthiếtbịđầucuốidi động theo chuẩn truyền thông 5G sắp tới Có khá nhiều giải pháp cho hiệu quả giảm nhỏtương hỗ của anten MIMO kích thước nhỏ trước đây như sử dụng đường trung tính

[126] nhưng đều chỉ áp dụng cho băng thông hẹp với mức suy giảm S12 dưới -20dB Chung-YiHsu[127]chođộcáchlycaovớibăngthôngrộng14%nhưngđộcáchlykhôngquácao cũng như hệ số tăng ích và hiệu suất bức xạ không tốt Chính vì vậy, nội dung phần này củaluận án đề xuất cấu trúc đường biến đổi đều với mô hình mạch tương đương, cho hiệu quảgiảm sâu tương hỗ cho anten băng rộng, đáp ứng yêu cầu độ cách ly cao cho anten kích thướcnhỏtrongtruyền thôngdiđộng5G băngtần thấp.

Cấu trúc đường biến đổi đều với mô hình mạch tương đương của một đơn vị cấu trúcđường biến đổi đều được thể hiện trong hình 4.8 Các thông số kích thước được tối ưu bằngphần mềm mô phỏngCSTcho băngtần 3,5GHzđượcđưaratrongbảng4.3.

Hình 4.8 Cấu trúc đường biến đổi đều đề xuấtBảng4.3.Cácthôngsốcủacấutrúcđườngbiếnđổiđều

Nhìn vào cấu trúc của đường biến đổi đều có thể thấy mỗi một đơn vị trong cấu trúc nàykiến tạo nên một đơn vị mạch chắn với các thông số C, C1và L1 Trong đó, điện dung tươngđươngCđượchìnhthànhnênbởihaiđườngđồngsongsongcủahaiđơnvịcạnhnhau củacấu trúc đường biến đổi đều với khoảng cách d1trong khi điện cảm tương đương C1lại đượchình thành từ khoảng cách giữa đường biến đổi đều bán kính r1với đường cong bán kính r2.Điện cảm tươngđườngL1đượchình thành bởi đườngdẫn kim loại với chiều dàyd2.

Hàm truyền đạtcủa môh ì n h m ạ c h t ư ơ n g đ ư ơ n g c h o m ộ t đ ơ n v ị c ấ u t r ú c c ủ a đ ư ờ n g biến đổi đều được tính toán trong công thức 4.7 với đồ thị được biểu diễn trong hình 4.9 Cóthể thấy đây là một cấu trúc mạch chắn với tần số trung tâm được xác định trong công thức4.8.

Hình4.9.Hàmtruyềnđạtcủa mộtđơn vịtrongcấu trúcđường biếnđổiđều

Từ đồ thị hàm truyền đạt của một đơn vị trong cấu trúc đường biến đổi đều, dễ dàngnhận thấy tần số trung tâm của mạch tỷ lệ với giá trị L1của mạch Với cấu trúc chuỗi liên tiếpcác đường biến đổi đều đặt cạnh nhau, giá trị L1được thay đổi dần dần khiến băng thông củadải chắn dần dần được mở rộng ra Đó chính là lý do vì sao cấu trúc này có thể giảm đáng kểtương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO mà các cấu trúc giảm tương hỗ trước đóchưalàm được.

Anten MIMO CRLH được thiết kế bằng cách đặt hai anten đơn CRLH cạnh nhau vớikhoảngcáchgiữahaianten từtâm đến tâm đạt0,44, tươngđươngvới 38mm.

Hình4.10.AntenMIMO CRLHvới cấutrúcđườngbiếnđổi đều

Nếu tính từ rìa anten đơn đến rìa anten đơn, khoảng cách này là 0,175tại tần số3,5GHz Để tăng độ cách ly giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO, cấu trúc đường biếnđổiđềuđượcđặtvàophầnkhônggiangiữahaiantenMIMOnhưchỉratronghình4.10.Các đặctínhcủaantenMIMOCRLHsửdụngcấutrúcđườngbiếnđổiđềuđềxuấtsẽđượcthảoluận tiếp tụctrongcácphần tiếp theo.

Kết quả mô phỏng tham số tán xạ và truyền đạt của anten MIMO có và không có cấutrúc đường biến đổi đều được thể hiện trong hình 4.11 Từ hình vẽ có thể thấy tham số truyềnđạt S12 của anten MIMO không sử dụng cấu trúc đường biến đổi đều lớn hơn -20dB trongtoàn dải băng tần 3,5GHz của anten, không đáp ứng được yêu cầu về độ cách ly cho antentrongthiết bị đầu cuốicủacáchệthốngtruyền thôngtiên tiến.

Hình4.11.Đồ thịtham sốS củaantencó vàkhông cócấu trúcđườngbiếnđổiđều

(a) Khôngcó cấu trúc biến đổi đều

(b) Cócấu trúcbiến đổiđềuHình4.12.Phânbốmậtđộ dòngtrên antenMIMOCRLH Điều này được thể hiện rõ nét hơn trong hình 4.12, biểu diễn phân bố mật độ dòng trênanten MIMO có và không có cầu trúc đường biến đổi đều Có thể nhận thấy rằng, khi khôngsử dụng cấu trúc đường biến đổi đều trong hình 4.12(a), bức xạ từ cổng 1 của anten thứ nhấtảnh hưởng mạnh lên phần tử bức xạ của anten thứ 2 ở cổng 2, chính là các đường mạch uốnkhúc Trong khi đó, với anten MIMO sử dụng cấu trúc đường biến đổiđ ề u , c á c b ứ c x ạ t ừ cổng 1c ủ a p h ầ n t ử b ứ c x ạ t h ứ n h ấ t k h i t á c đ ộ n g s a n g p h ầ n t ử t h ứ 2 ở c ổ n g 2 , b ị t ậ p t r u n g phần lớn lên cấu trúc đường biến đổi đều như thể hiện trong hình 4.12(b) Do đó, như nhìntrên đồ thị S12 trong hình 4.11, giá trị S12 tại tần số hoạt động 3.5GHz của anten MIMO sửdụng cấu trúc đường biến đổi đều giảm sâu hơn 30dB so với anten MIMO không sử dụng cấutrúc này Bên cạnh đó, tại tần số 5GHz, giá trị tương hỗ cũng giảm nhẹ 2dBi Như vậy, antenMIMO sử dụng cấu trúc đường biến đổi đều đạt độ cách ly cao trong một khoảng băng tầnrộngtrongkhi vẫn đảm bảo hiệu năngcủahệsố tánxạS11.

(a) Tạitần số 3,5GHz (b) Tạitần số 5GHz

Hình4.13 Bứcxạ 2Dtrên mặtphẳng yzvà bứcxạ3D củaanten MIMOCRLH

Bức xạ 2D trên mặt phẳng yz và bức xạ 3D của anten MIMO CRLH được thểhiện trên hình 4.13 Có thể nhận thấy, cấu trúc giảm tương hỗ sử dụng đường biến đổiđều gần như không làm thay đổi dáng bức xạ 2D của anten MIMO so với anten đơnnhưng hệ số tăng ích lại được cải thiện đáng kể Anten MIMO sử dụng cấu trúc đườngbiến đổi đều có hệ số tăng ích đạt 2,3dBi và 3,69dBi tương ứng với tần số hoạt động3,5và5GHz.

AntenMIMOCRLH vớicấutrúc đường biếnđổiđềuđược chế tạo trênvậtliệuRO4350B, chiều cao h=1,52, hằng số điện môi=3,48 được thể hiện trên hình 4.14 với kếtquảthựcnghiệm so sánhvới kết quảmôphỏngđượcthểhiện trên hình 4.15.

(a) Mặtbứcxạ (b) Mặt phẳng đấtHình4.14 Chếtạo antenMIMOCRLH

Hình4.15.So sánhkết quảthựcnghiệmvàkết quảmôphỏngtrênanten MIMOCRLH

Kích thước tổng thể của anten chế tạo đạt 25x63x1,52mm 3 Kích thước bức xạ đạt5,5x12,5mm 2 , tương đương với 10,69% kích thước bức xạ của anten vi dải truyền thống. Kếtquả thực nghiệm và kếtquả mô phỏng là khá tương đồng nhau Có thể thấy,a n t e n c ộ n g hưởng tạihaitầnsố3,5GHzvà 5GHz,ứngdụngchocôngnghệ truyềnt h ô n g

4 G L T E , Wimax, 5G băng tần dưới 6GHz và 802.11n Tại tần số 3,5GHz, băng thông hoạt động củaanten đạt gần 22,2%, đáp ứng đủy ê u c ầ u b ă n g r ộ n g c ủ a t r u y ề n t h ô n g 5 G c ũ n g n h ư 4 G L T E và Wimax Tại tần số 5GHz, băng thông hoạt động của anten đạt 3,3 %, tương ứng

165MHz,cũngđápứngđủyêucầuchobăngtần5GHzcủa802.11nvà5GWiFi802.11ac.B êncạnhđó, tham số S12 giảm sâu tại tần số hoạt động 3,5GHz, cũng hình dáng với S11, với độ sâu -43dB Hơn thế nữa, anten MIMO có độ cách ly cao cho toàn bộ băng tần hoạt động 3,5GHzcủatruyền thôngbăngrộng5G.

Bảng4.4.SosánhantenMIMOsử dụng cấutrúcđường biếnđổiđềuvới cácđềxuấtanten

(1): Tần số hoạt động (GHz).

(3): Kích thước patch bức xạ ( 2 ).

(5): Băng thông hoạt động của anten với S12 dưới -20dB (dB).

(6):Ảnh hưởngtại hỗ tạitần số hoạtđộng củaanten(dB).

(8): Hệ số tăng ích của anten

Bảng4.4chỉ rasựsosánhantenMIMOCRLH sửdụngcấutrúc đườngbiếnđổi với một số anten MIMO kích thước nhỏ, độ tương hỗ thấp đã đề xuất trước đó Có thể nhận thấycó một vài cách khác nhau để giảm tương hỗ cho anten kích thước nhỏ như sử dụng đườngtrung tính (NL), sử dụng phàn tử ký sinh hay sử dụng cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (DGS).Những cấu trúc này có thể giảm nhỏ tương hỗ khi các phần tử bức xạ được dặt cạnh nhau vớikhoảng cách gần nhưng băng thông với giá trị S12 nhỏ hơn -20dB lại rất hẹp, dưới 3% [18],[123],[124],[126],khôngđápứngđượccho cácứngdụngbăngrộngtrêncácthiếtbịđầu cuối của truyền thông vô tuyến thế hệ mới Khi áp dụng đồng một số kỹ thuật khác nhau baogồm cả kỹ thuật đường trung tính, các tác giả trong [127] đã thu được tương hỗ trên khoảngbăng rộng 14% nhưng giá trị tương hỗ S12 tại tần số hoạt động không thực sự ấn tượng, đạt -25dB Thiết kế anten MIMO CRLH với cấu trúc đường biến đổi đều cho độ giảm tương hỗ tạitần số hoạt động đạt -50dB, độ rộng băng thông S12 dưới -20dB lên tới22%, đáp ứng chotruyền thôngbăngrộng5Gtrongkhi vẫnđảm bảocácthôngsố quan trongkhác củaanten.

Kếtluận chương4

Trong chương này, cấu trúc siêu vật liệu CRLH được sử dụng để thiết kế anten đơn vàanten MIMO đa băng, kích thước nhỏ, với tần số hoạt động của anten không phụ thuộc vàodiện tích patch bức xạ mà phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc đường mạch uốn khúc Kích thướcpatch bức xạ của anten có tỷ lệ thu nhỏ rất cao, đạt 10,69% kích thước patch bức xạ của antenvi dải truyền thống Bên cạnh đó, anten CRLH sử dụng phương pháp tiếp điện đồng phẳng,giúp mở rộng băng thông tại băng tần thấp lên đến 22,29%, đáp ứng cho truyền thông di động5G băng tần dưới 6GHz Tại băng tần cao 5GHz cho ứng dụng WLAN, băng thông của antenđạt 3,3%, tương ứng với 165MHz, đáp ứng đủ băng tần cho truyền thông Wifi 802.11n và ac.Antencóbức xạlưỡng cực,đồthịbức xạ2Dmềm,mịn, phù hợpchothiết bịđầu cuốid iđộngvới hệsố tăngích vàhiệu suất bứcxạtốt. Để nâng cao độ cách ly cho anten MIMO CRLH băng rộng đề xuất, một cấu trúc giảmtương hỗ cho băng rộng mới được đưa ra, cấu trúc đường biến đổi đều Cấu trúc này mở rộngbăng tầncủa dảichắndựa trênviệc thay đổidần dần thamsốđ i ệ n c ả m t ư ơ n g đ ư ơ n g c ủ a mạch chắn.Khi áp dụng trên kiến trúcantenM I M O C R L H , t h a m s ố t r u y ề n d ẫ n S 1 2 c ủ a antengiảmhơn30dBsovớiantenMIMOkhikhôngsửdụngcấutrúcnày,đạtgiátrị-55dBtại tần số hoạt động 3,5GHz và đạt độ cách ly cao trên cả hai băng tần hoạt động mà khônglàm thayđổi tham số tánxạS11 cũngnhưđồthị bứcxạ2D hayhiệu suất bứcxạcủa anten.

Cả hai đề xuất anten CRLH và cấu trúc giảm tương hỗ sử dụng đường biến đổi đều đềuđược chứng minh dựa trên mô hình mạch tương đương, mô phỏng và thực nghiệm Kết quảmô phỏngvà thựcnghiệm là khátươngđồngnhau, đảm bảotính khảthicủamô hìnhđềxuất.

Nội dung của luận án đã tìm hiểu về anten trong thiết bị đầu cuối di động với các thôngsố cơ bản, đặc trưng để đánh giá độ khả thi của thiết kế anten; các công nghệ và kỹ thuật tiêntiến đã, đang và sẽ tiếp tục sử dụng trong hệ thống truyền thông tiên tiến hiện nay và tương lainhư kỹ thuật giảm nhỏ kích thước, kỹ thuật anten đa băng và kỹ thuật đa anten thu phát Bêncạnh đó, nội dung luậnán cũng nghiên cứu vềc á c c ấ u t r ú c đ ặ c b i ệ t n h ư c ấ u t r ú c d ả i c h ắ n băng tần EBG, cấu trúc mặt đất khuyết DGS, cấu trúc siêu vật liệu CRLH, gần đây thu hút rấtnhiều sự quan tâm, nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước, nhằm giảm nhỏkích thước của anten, nâng cao độ tương hỗ trong anten MIMO mà không làm suy giảm nhiềucácthôngsố kháccủaanten.

Trên cơsởđó, luận án tập trung vào nghiên cứuvà đề xuấtcác cấu trúc mớid ự a t r ê n đặc tính và cấu trúc cơ bản của các vật liệu có cấu trúc đặc biệt EBG, DGS và CRLH nhằmmục đích giảm nhỏ kích thước anten đơn, nâng cao độ cách ly trong anten MIMO đồng thờicải thiện thêm một hoặc một vài thông số khác của anten như nâng cao độ khuếch đại, mởrộng băng thông, nâng cao hiệu suất bức xạ Các đề xuất được áp dụng cho anten vi dải, đơngiản cho chế tạo, chi phí thấp, có thể áp dụng cho điều kiện chế tạo tại Việt nam Các kết quảphần lớn được chứng minh trên mô hình mạch tương đương, mô phỏng và thực nghiệm nhằmđảm bảo khảnăng ứngdụngtrongthựctếcủađềxuất. Đónggópkhoahọccủa luận án

1 Đềx u ấ t c ấ u t r ú c D G S k é p k h ô n g n h ữ n g l à m g i ả m n h ỏ k í c h t h ư ớ c a n t e n m à c ò n nâng cao độc á c h l y t r o n g a n t e n M I M O đ ơ n b ă n g , đ a b ă n g đ ồ n g t h ờ i t ạ o đ a b ă n g cho anten đa băng Đề xuất này có thể áp dụng cho các hình dáng DGS khác nhaucũng như cho các anten hoạt động ở băng tần khác nhau, ứng dụng trong truyềnthông di động 4G cũng như truyền thông 5G băng tần milimet Kết quả đề xuất đượccôngbố trongcáccôngtrình số [1]và[3].

2 Đề xuất cấu trúc dải chắn băng tần DS-EBG, có thể giảm đáng kể kích thước củaEBG nhờ hiệu ứng bức xạ hai mặt mà vẫn đơn giản trong thiết kế, chế tạo, ứng dụnglàm giảm sâu ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO. Bêncạnhđó,cấutrúcnàycóthểcảithiệnhệsốtăngích,mởrộngbăngthôngchothiếtkế anten Đặc biệt, cấut r ú c D S - E B G k h ô n g l à m s u y g i ả m h i ệ u s u ấ t b ứ c x ạ c ủ a anten Kết quả đề xuất được chứng minh dựa trên mô hình mạch tương đương, môphỏng và thực nghiệm để đảm bảo tính khả thi của cấu trúc và được công bố trongcáccôngtrình số [2]và[5].

3 Đề xuất cấu trúc anten CRLH sử dụng phương pháp tiếp điện đồng phẳng Anten đềxuất có cấu trúc nhỏgọn gần 90% so vớicấu trúc antenvi dảit h ô n g t h ư ờ n g v ớ i băng thông rộng, đáp ứng được cho truyền thông di động 5G băng tần thấp và5GWifi 802.11ac Bên cạnh đó, để giảm sâu tương hỗ cho anten MIMO với khoảngcách nhỏ hơn 0,5trên băng tần rộng của anten CRLH, cấu trúc giảm tương hỗ sửdụngc á c đ ư ờ n g b i ế n đ ổ i đ ề u đ ư ợ c đ ề x u ấ t C ả cấ u t r ú c a n t e n c ũ n g n h ư c ấ u t r ú c giảm tương hỗ đều được chứng minh trên mô hình mạch tương đương, mô phỏng vàthực nghiệm để đảm bảo tính khả thi của đề xuất Kết quả của đề xuất được công bốtrongcông trình số [4].

 Phát triển kỹ thuật DS-EBG cho cấu trúc đa băng với số lượng băng tần lớn hơnhai và có thể điều chỉnh được băng tần cũng như tần số hoạt động mong muốn ởcác tần số còn lại nhằm nâng cao hơn nữa đặc tính cải thiện độ cách ly và hệ sốtăngíchcho cácbăngtầncao hơn này.

 Phát triển kiến trúc anten mảng, anten MIMO, massive MIMO băng tần milimetsử dụng cấu trúc DGS kép, DS-EBG nhằm cải thiện hơn nữa các tham số choantencũngnhư giảm saisố giữakếtquảthựcnghiệm và kếtquảmôphỏng.

1 Duong Thi Thanh Tu, Nguyen Van Hoc, Hoang Quan and Vu Van Yem

ICCE 2016), pp.242-247, 27-29 July 2016, Ha Long, Vietnam.(Hộinghị quốctếcó Kỷyếu hộinghị trongdanhmụcscopus)

2 DuongThiThanh Tu, NguyenVanHoc,PhamDinhSon andVuVanY e m ,

BandMIMOAntennawithL o w MutualCouplingusingElectromagneticBandGapStru cturesforPortableEquipments”,InternationalJournalofEngineeringandTechnologyInnov ation,1.2017,vol.7, no.1, pp.48-60, (Tạp chíQ3).

3 Duong Thi Thanh Tu, Pham Dinh Son, Vu Van Yem (2018), “28/38 GHz Dual- band MIMO Antenna with Low Mutual Coupling Using A Couple of DGS”, Journalof Heat and Mass Transfer, Special Volumn,Issue 1, Advances in MechanicalSystemandICT-convergence, 6.2018,pp.47-53, (Tạp chíQ4).

4 Duong Thi Thanh Tu, Nguyen Tuan Ngoc, Vu Van Yem (2018)High

IsolationDual- bandMIMOAntennaBasedonaNovelStructureofGradientLines,International Journal of Microwave and Optical Technology, 7.2018, vol 13, no 4,(TạpchíISI, Q3).

5 Duong ThiT h a n h T u, Nguyen Thi Bich Phuong, PhamD i n h S o n a n d

V a n Yem(2018)ImprovingCharacteristicsof28/38GHzMIMOAntennafor5GApplic ations by Using Double-Side EBG Structure, Journal of Communications,accepted,

6 Duong Thi Thanh Tu, Nguyen Ngoc Tu and Vu Van Yem (2017)Design of aCompactTriple-

Military Science and Technology, Rapid Communication inAdvancedScience andTechnology,(5.2017),SpecialIssue,no.48A,pp.40-47.

7 Duong Thi Thanh Tu, Nguyen Tuan Ngoc, Vu Van Yem, Forest Zhu, Diep

N.Nguyen, Eryk Dutkiewicz (2017)Quad-Band Antenna for

GSM/WSN/WLAN/LTE-AApplication in IoT Devices, 17th International Symposium on

Communications andInformationTechnologies(ISCIT2017),pp.353-357,25- 27September,2 0 1 7 , Cairns,Australia.

8 Duong Thi Thanh Tu, Nguyen Gia Thang, Nguyen Thi Bich Phuong and Vu

VanYem (2017)Compact Triple-Band MIMO Antenna Design with High Isolation forHandheldApplication,VNUJournalofScience:ComputerScienceandCommunicati onEngineering, (10.2017), vol.33, no.1, pp.45-54.

9 Duong Thi Thanh Tu, Nguyen Gia Thang, Nguyen Tuan Ngoc, Nguyen Thi

BichPhuong and Vu Van Yem (2017)28/38 GHz Dual-Band MIMO Antenna with

LowMutualCouplingusingNovelRoundPatchEBGCellfor5GApplications,Internation alConferenceonAdvancedTechnologiesforCommunications(ATC2017),pp.64-69, 18-20 October2017,QuyNhon,Vietnam.

10.Duong Thi Thanh Tu, Nguyen Tuan Ngoc and Vu Van Yem

(2018)Compact,Wide-Band and Low Mutual Coupling MIMO Metamaterial

CPWFeedingforLTE/WimaxApplications,JournalonInformationCommunicationsTec hnology:ResearchandDevelopmentonInformation&CommunicationsTechnology",a ccepted.

[2].Chi-Yuk Chiu, Murch; R.D (2011), “Overview of multiple antenna designs forhandhelddevicesandbasestations”,AntennaTechnology(iWAT),2011Internationa lWorkshopon, HongKong, China,pp.74-77.

[3].Gupta,A.andJha,R.K( 2 0 1 5 ) ,“ A S u r v e y o f 5 G N e t w o r k : A r c h i t e c t u r e a n d EmergingTechnologies”,Access,IEEE(Volume:3),7.2015,pp.1206 -1232.

H u Y o u ( 2 0 1 4 ) ,“ C e l l u l a r architecture and key technologies for 5G wireless communication networks”, IEEECommunicationsMagazine, 2.2014, vol.

[5].Al-Fuqaha, A Guizani, M Mohammadi, M Aledhari (2015),“Internet of Things:

ASurveyonEnablingTechnologies,Protocols,andApplications”,IEEECommunicationS urveysandTutorials, 6.2015,vol 17, issue.4, pp.2347 -2376.

[6].R.B.Waterhouse,S.D.TargonskiandD.M.Kokotoff(1998),“ D e s i g n a n d performance of small print antenna”, IEEE Trans Antennas Propag., 11.1998, vol.46,no 11, pp.

[7].M.C Huynh and W.Stutzman (2003),“Ground plane effects on planar inverted-Fantenna

(PIFA) performance”, Microw Antennas Propag 8.2003, vol 4, no.11,pp.209-213.

( 2 0 1 4 ) ,“Analysis and Design of aNovelCoupledShortingStripforCompactPatchAntennaWithBandwidthEnhancemen t”,AntennasandWirelessPropagationLetters,IEEEJournals&Magazines,vol 13, pp.

[9].D.Schaubẻt, F Farar, A Sindoris and S Hayes (1981),“Microstrip antennas withfrequencyagilityandpolarizationdiversity”,IEEETrans.AntennasP r o p a g , 1.

[10].C.R Rowell and R.D Murch (1997),“A capacitively loaded PIFA for compactmobile telephone handsets”, IEEE Trans Antennas Propag., 5.1997, vol.45, no.5,pp.837-

[11].M.C.Scardelletti,G.E.Ponchak,S.Merritt,J.S.Minor,andC.A.Zorman(2008),“Electrically small folded slot antenna utilizing capacitive loaded slot lines”, 2008IEEERadio and WirelessSymposium, pp.

[12].C P Baliarda, J Romeu and A Cardama (2000),“The Koch monopole: a smallfractalantena”,IEEETrans.AntennaPropag.,11.2000,vol.48,no.11,pp 1773-

[13] R Azadegan and K Sarabandi (2003),“A novel approach for miniaturization of slotantennas”,AntennaPropag.IEEETrans.On,3.2003,vol.51,no.3,pp.421 –429.

F.Merli,L.Bolomey,J.Zurcher,G.Corradini,E.MeurvilleandA.K.Skriverv ik(2011),“ D e s i g n , r e a l i z a t i o n a n d m e a s u r e m e n t s o f a m i n i a t u r e a n t e n n a f o r implantable wireless communiaction system”, Antenna Propag.IEEET r a n s

Using Metamaterials”, International Journal of Engineering Research inComputerScienceandEngineering, vol.5, issue.3, pp.191-197.

[16].Makesh Kumar Khandelwal, Binod Kumar Kanaujia and Shachin Kumar

DefectedGroundStructure:Fundamentals,Analysis,andApplications in Modern Wireless Trends”, International Journal of Antenna andPropagation,Volumn2017, 9 pages.

[17].Md Shahidul Alam, Norbahiah Misran, Baharudin Yatim, and

DevelopmentofElectromagneticBandGapStructures in the Perspective of Microstrip Antenna Design”,I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l ofAntennaand Propagation,

[18].Istvan Szini, Alexandru Tatomirescu, and Gert Frứlund Pedersen (2015),“On

SmallTerminal MIMO Antennas, Harmonizing Characteristic Modes with Ground PlaneGeometry”,IEEEAntennaPropag Trans On,vol 63,no 4,pp.1487-1497.

[19].Mohammad S Sharawi (2014),“Printed MIMO Antenna Engineer”, Artech House. [20].Leeladharm a l v i y a , R a j i b k u m a r p a n i g r a h i a n d M V K a r t i k e y a n ( 2 0 1 7 ) ,“ M

I M O antennaswithdiversityandmutualcouplingreductiontechniques:areview”,Internation al Journal of Microwave and Wireless Technologies, Tutorial and reviewpaper,10.2017, vol 9, issue.8, pp.1763-1780.

[21].Ghosh,S., Thanh-NgonTran, ThoLe-Ngoc(2014),“Dual-Layer EBG-

BasedMiniaturizedMulti-Element Antenna forMIMOSystems”,Antennas andPropagation,I E E E T r a n s a c t i o n s on, I E E E J o u r n a l s & M a g a z i n e s , vo l 6

[22].Mu’ath J Al-Hasan, Tayeb A Denidni and Abdel-Razik Sebak (2015),“Millimeter-wave compact EBG structure for Mutual- Coupling Reduction Applications”, IEEETransactionson AntennasandPropagation, 2.2015,vol 63, no.2, pp 823– 828.

[23].Nguyen Khac Kiem, Huynh Nguyen Bao Phuong, Quang Ngoc Hieu, and Dao

Applications”, International Journal of Antenna and Propagation, vol.2015,Article

[24].Niraj Kumar and Usha K Kommuri (2018),“MIMO Antenna Mutual

ShapedResonators”,InternationalJournalofAntennasandPropagation,Volume2018,A rticle ID4814176, 13 pages.

[26].L.Matekovitsetal(2017),“MutualCouplingR e d u c t i o n B e t w e e n I m p l a n t e d M icrostrip Antennas on a Cylindrical Bio-Metallic Ground Plane”, IEEE

Access,Special section on bodyareanetworks, vol.5, pp.8804-8811.

R e z a C h a h a r m i r , A b d e l R Sebak(2014),“Meta- surfacesandantennas'r a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s enhancement: planar microstrip and microstrip-based quasi-aperture antennas”,IETMicrowaves,Antennas&Propagation,9.2014,vol.8, issue:12,pp.901-

[28].Sameer Kumar Sharma, Ashish Gupta and Raghvendra Kumar Chaudhary

[29].SharmaS.K.,GuptaA.,C h a u d h a r y R K ( 2 0 1 4 ) ,“ C o m p a c t C P W - f e d C H S S R antennaforWLAN”,MicrowaveandRFConference(IMaRC),2014IEE

( 2 0 1 5 ) ,“ A c o m p a c t C P W - f e d metamaterialantennaforhighefficiencyandwidebandapplicationsCommunicatio ns”, 2015 Twenty First National Conference on, IEEE ConferencePublications,pp.1-

L i (2016),“A5GMIMOAntennaManufacturedby3DPrintingMethod”,IEEEAntenna sandWireless PropagationLetters, 6.2016, vol.16,pp 657-660.

[32].Ming-Yang Li, Zi-Qiang Xu, Yong-Ling Ban, Qing-Ling Yang, and Qiang-

Qiangzhou(2016),“Eight-portdual- polarizedMIMOantennafor5Gsmartphoneapplications”, Antennas and Propagation

(APCAP), 2016 IEEE 5th Asia-PacificConferenceon, 7.2016, pp.195-196.

[33].Qian Wang, Ning Mu, LingLi Wang, Safieddin Safavi-Naeini, and JingPing

Liu(2017),“5GMIMOConformalMicrostripAntennaDesign”,WirelessCommunicati onsandMobileComputing,vol.2017,ArticleID7616825,11pages.

[34] Vũ Văn Yêm (2010), “Phân tích, thiết kế và chế tạo anten kích thước nhỏ sử dụngvật liệu có cấu trúc đặc biệt cho hệ thống vô tuyến băng thông rộng”, Đề tài nghịđịnhthư với nướcngoài,11/355/2008/HĐ-NĐT.

[35].H u ỳ n h N g u y ễ n B ả o P h ư ơ n g ( 2 0 1 4 ) ,“Nghiên cứu phát triển cấu trúc

EBG ứng dụngcho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới”, Luận án tiến sĩ, chuyên ngành

[36].Pham Trung Minh, Nguyen Trong Duc, Phan Xuan Vu, Nguyen Thanh Chuyen, andVu

Van Yem (2017),“Low Profile Frequency Reconfigurable PIFA Antenna usingDefected Ground Structure”, REV Journal on Electronics and

[37].NguyễnKhácKiểm(2016),“NghiêncứuvàpháttriểnantenMIMOchocácthiếtbi đầucuối diđôn gthếhệmới”,Luậnántiếnsĩ,chuyênngànhKỹthuậtviễnthông, Đạihọc BáchKhoaHànội.

[38]. ĐặngNhưĐịnh(2017),“Nghiêncứu,pháttriểnbộlọcthôngdải,bộchiacôngsuất,antensửdụn gđườngtruyềnphứchợp,vòngcộnghưởngvàhiệuứngviềncủasiêu vật liệu”, Luận án tiến sĩ, chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông, Đại học Bách Khoa

[39].Luong Xuan Truong, Nguyen Cong Tien, Tran Minh Tuan, and Truong Vu BangGiang

(2015),“Design a log periodic fractal Koch microstrip antenna for S bandand C band applications”, Advanced Technologies for Communications

[40].Luong Xuan Truong, Vu Quang Tao, Tran Minh Tuan, and Truong Vu Bang

Giang(2015),“Design a microstrip antenna with defected ground structure”, AdvancedTechnologiesforCommunications(ATC),2015InternationalConferenceon, 10.2015, pp.160-163.

D u c P h a m , T h a n h T u n g Nguyen, Quoc Cuong Nguyen, and Minh Thuy

Le (2018),“A Novel WidebandCircularly Polarized Antenna for RF Energy

Harvesting in Wireless Sensor Nodes”,International Journal of Antenna and Propagation, vol.2018, Article ID

P h u V u o n g , Q u o c - C u o n g Nguyen,Minh-ThuyLe(2016),“Dual- bandrectennaforambientRFenergyharvesting at GSM 900 MHz and 1800 MHz”,

2016 IEEE International ConferenceonSustainable EnergyTechnologies (ICSET), 11.2016,pp.306-310.

[43].Dang Tien Dung, Quoc Dinh Nguyen, Do Quoc Trinh, and Yoshihide

M o d e Helical Antenna in Free Space”, Wireless Communications and Mobile

[44].Rasyidah Hanan Binti Mohd Baharin, Yoshihide Yamada, Kamilia Binti

Kamardin,NguyenQuocDinh,NaobumiMichishita(2017),“Inputresistancesofsmalln ormal-mode helical antennas in dielectric materials”, 2017 IEEE Asia

[45].Nguyen Quoc Dinh, Le Trong Trung, Xuan Nam Tran, Naobumi Michishita (2016),“A

Compact MIMO UWB Antenna Using Different Types of Dipoles with LowMutual Coupling”,IEICE Transactions on Communications, 11.2016, vol.E99-B,no.11, pp.2381-2389.

[46].Nguyen Quoc Dinh, Le Trong Trung, Xuan Nam Tran, Naobumi Michishita (2016),“A compact MIMO ultra-wide band antenna with low mutual coupling”,AppliedComputationalElectromagneticsSocietyJournal, 3.2016,vol.31, no.3, pp.252-260.

[47].Nguyen Viet Hung, Sharajha Ala (2017),“Miniaturied Antenna by Using dielectricthin film based capacitor”, Journal of Science and Technology on Information andCommunications, vol 1,no 3-4, pp 42-47.

[48].V H Nguyen and T P Vuong (2014),“Miniaturization of a folded dipole byapplyingslow- waveeffect”,2014InternationalConferenceonAdvancedTechnologiesforCommunicati ons (ATC 2014),10.2014, pp 94-98.

[49].FanYangandYahyaRahmat-Samii(2008),“ElectromagneticBandGapStructures inAntennaEngineering”,TheCambbridgeRFandMicrowaveEngineeringSeries.

[50] Kuttathati Srinivasan Vishvaksenan, Kaliyappa Mithra, Ramalingam

Kalaiarasan,and Kaliyappa Santhosh Raj (2017),“Mutual Coupling Reduction in

MicrostripPatch Antenna Arrays Using Parallel Coupled-Line Resonators”, IEEE

[51].Shruti Dhamanka, Snahal Lopes (2016),“Mutual Coupling Reduction Techniques inMicrostrip Patch Antennas: Survey”, International Research Journal of

Moghadasi,RaheleAhmadian,ZahraMansouri,F e r d o w s B Zarrabi, and Maryam Rahimi (2014),“Compact EBG Structures for Reduction ofMutual Coupling in

Patch Antenna MIMO Arrays”, Progress In ElectromagneticsResearchC, vol.53, pp.145-154.

[53].AbdolmehdiDadgarpour,MiladSharifiSorkherizi,AhmedA.Kishk(2016),“Wideband,

Low loss Magneto Electronic Dipole Antenna for 5G Wireless NetworkwithGainEnhancementUsingMetaLensandGapWaveguideTechnologyFeedi ng”, IEEE TransactionsonAntennasandPropagation,vol.64,no.12,pp.5094

[54].Almir Souza e Silva Neto (2017), “Dual Band Patch Antenna for 5G

ApplicationswithEBGStructureintheGroundPlaneandSubstrate”,frombookRecentA dvancesinInformationSystemsandTechnologies:Volume2(pp.1044-1049).

[55] Kyohei Fujimoto (2008), “Mobile Antenna Systems Handbook”, Artech House Inc.

[56] Ying Z (1996), “Multi-Band Non-Uniform Helical Antennas”, International Pattern.

MobilePhone”,Proc NordicAntennaSymposium,Kamar,Swiden.

[58].Lizhong Zheng and D.N.C Tse (2003), “Diversity and multiplexing: a fundamentaltradeoff in multiple-antenna channels”, Information Theory, IEEE

[59].A.ConstantinidesA.GoldsmithA.PaulRajH.VincentP o o r E B i g l i e r i , R Calderba nk(2007),“MIMOWirelessCommunications”,CambridgeUniversityPress.

B a n d M I M O A n t e n n a w i t h P o l a r i z a t i o n DiversityforWirelessApplic ations”,ProgressInElectromagneticsResearchC,vol.61, pp.91-103.

[61].A.Lai,K.M.K.H.Leong,andT.Itoh( 2 0 0 7 ) , “InfinitiveW a v e l e n g t h R e s o n a n t

Antennas with Monopolar Radiation Pattern Based on Periodic Structures”,

IEEETrans.AntennasPropag.,vol.55, no.3, pp.868-876.

[62].M P Karaboikis, V C Papamichael, G F Tsachtsiris, and V T Makios

(2008),“Integrating compact printed antennas onto small diversity/MIMO terminals”, IEEETransactionson AntennasandPropagation, vol.56, pp 2067-2078.

[65].F Yang and Y Rahmat-Samii (2002),“Applications of electromagnetic band- gap(EBG)structuresinmicrowaveantennadesigns”,inProceedingsofthe3rdInternatio nal Conference on Microwave and MillimeterWave Technology, pp 528–531. [66].D Sievenpiper (2006),“Review of theory, fabrication, and applications of highimpedancegroundplanes”,inMetamaterials:PhysicsandE n g i n e e r i n g Explorati ons, N Engheta and R Ziolkowski, Eds., chapter 11, JohnWiley & Sons,NewYork,NY,USA.

[67].L Liang,C.H Liang, L.Chen, andX.Chen (2008),“Anovel broadband EBG usingcascaded mushroom-like structure”, Microwave and Optical Technology

[68].X Mu, W Jiang, S X Gong, and F W Wang (2011),“Dual-band low profiledirectionalantennawithhighimpedancesurfacereflector”,ProgressinElectroma gneticsResearchLetters, vol 25, pp 67–75.

[69].NagendrakushwahaandRajKumar( 2 0 1 4 ) , "Studyo f d i f f e r e n t s h a p e Electrom agneticBandGap(EBG)structuresforsingleandd u a l b a n d applications",Journalof

Microwaves,OptoelectronicsandElectromagneticApplications,vol 13, no 1,pp.16- 31.

[70].Hossein Malekpoor and Shahrokh Jam (2018),"Design, analysis, and modeling ofminiaturized multi-band patch arrays using mushroom-type electromagnetic bandgap structures", International Journal of RF and Microwave Computer-Aided andEngineering,13 pages.

[71].KiHyukKim,JoséE.Schutt-Ainé(2008),"AnalysisandModelingofHybridPlanar-Type

Electromagnetic-Bandgap Structures and Fisibility Study on PowerDistribution Network Application", IEEE Transactions on Microwave theory andTechniques,vol.

[72].M.S.Alam,M.T.Islam,andN.Misran(2011),“Designanalysiso f a n electromagnetic bandgap microstrip antenna”, TheAmerican Journal of AppliedSciences,vol 8, no.

(2012),“Computationalinvestigation and design of planar EBGstructures for coupling reduction in antennaapplications”,IEEE Transactionson Magnetics,vol.

BGStructureswithAnisotropicPeriodicity”,JournalofElectromagneticWavesandAppli cations, vol.19, issue.14.

[75].A Aminian, F Yang, and Y Rahmat-Samii (2003), “In-phase reflection and EMwave suppression characteristics of electromagnetic band gap ground planes,” inProceedings of the IEEE International Antennas and Propagation Symposium, pp.430–433.

[76].A Sanada, C Caloz, and T Itoh (2004),"Characteristics of the composite right/left-handed transmission lines",IEEE Microwave and Wireless ComponentsL e t t e r s , vol 14, pp 68-70.

[78].B.Q.Lin,X.Y.Ye,X.Y.Cao,andF.Li(2008),“ U n i p l a n a r E B G s t r u c t u r e w i t h i mproved compact and wideband characteristics”,Electronics Letters, vol 44, no.23, pp 1362–1363.

[79].M S.Alam, M T Islam, and N.Misran (2012),“Anovel compact split ring slottedelectromagneticbandgapstructureformicrostrippatchantennaperformanceenh ancement”,Progressin ElectromagneticsResearch, vol.130,pp 389–409.

[80].Sanae Dellaouia, Abdelmoumen Kaabala, Mustapha El Halaouia,

AdelAsselmana(2017),“Patch array antenna with high gain using EBG superstrate for future 5Gcellular networks”, Procedia Manufacturing Volume 22, 2018, 11th

[81].Osama Haraz, AYaman Elboushi, Saleh Alshebeili, and Abdel Razik Sebak

(2014),“Dense Dielectric Patch Array Antenna with Improved Radiation

CharacterizesUsing EBG Ground Structure and Dielectric Ground Superstrate for Future 5GCellularNetwork”, IEEEAccess,vol.2, pp.909-913.

[83].D Guha, S Biswas, and Y M M Antar (2011),"Defected Ground Structure forMicrostrip Antennas", in Microstrip and Printed Antennas: New Trends, TechniquesandApplications, JohnWiley&Sons,London,UK,pp.307-434.

[84].Ashwini K Arya, M.V Kartikeyan , A.Patnaik (2010),"Defected Ground Structurein the perspective of Microstrip Antennas": A Review, inFrequenz -Berlin- 64(5-6),pp.79-84. [85].C Caloz, H Okabe, T Iwai, andT Itoh (2004),“A simple and accurate model formicrostripstructureswithslottedgroundplane”,IEEEMicrowaveWirelessCompon ents.Lett., vol 14, no 4, pp 133–135.

[86].D Ahn, J.-S Park, C.-S Kim, J Kim, Y Qian, and T Itoh (2001),“A design of thelow- passfilterusingthenovelmicrostripdefectedgroundstructure”IEEETransactionson MicrowaveTheoryandTechniques,vol 49, no.1, pp 86–93.

(2002),“ A n o v e l e q u i v a l e n t c i r c u i t a n d modeling method for defected ground structure and its application to optimization ofa DGS lowpass filter”, in Proceedings of the IEEE MTT-S

[88].N C K a r m a k a r , S M R o y , a n d I B a l b i n ( 2 0 0 6 ) ,“Quasi- staticmodeling of defectedground structure”, IEEE Transactions on Microwave

Theory and Techniques, vol.54, no 5, pp 2160–2168.

[89].Chirg Garg, MagandeepK a u r ( 2 0 1 4 ) ,“A review ofD e f e c t e d G r o u n d

S t r u c t u r e (DGS)inMicrowaveDesign”,InternationalJournalofInovativeResearc hinElectrical,Electronic,InstrumentationandControlEngineering,Vol.2,Issue3.

[90].J.-S Kuo and K.-L.Wong (2001),“A compact microstrip antenna with meanderingslots in the ground plane”, Microwave and Optical Technology Letters, vol 29, no.2, pp.

[91].U Chakraborty, S K Chowdhury, and A K Bhattacharjee (2013),“Frequencytuning and miniaturization of square microstrip antenna embedded with „T‟-shapeddefected ground structure”, Microwave and Optical Technology Letters, vol 55, no.4, pp 69–872.

[93].M A Antoniades and G V Eleftheriades (2008),“A compact multiband monopoleantenna with a defected ground plane”, IEEE Antennas and Wireless

[94].A P S a g h a t i , M A z a r m a n e s h , a n d R Z a k e r ( 2 0 1 0 ) ,“ A n o v e l s w i t c h a b l e s i n g l e - and multifrequency triple-slot antenna for 2.4-GHz bluetooth, 3.5-GHz WiMax, and5.8-GHz WLAN”, IEEE

Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 9, pp 534–537.

[95].M K Khandelwal, B K Kanaujia, S Dwari, S Kumar, and A K Gautam

(2015),“Triple band circularly polarized compact microstrip antenna with defected groundstructureforwirelessapplications”,InternationalJournalofMicrowaveandWire lessTechnologies, vol 8, no 6, pp 943–953.

[96].ChristopheCaloz(2011),"MetamaterialAntennasandRadiativeSystems",i n MicrostripandPr intedAntennas:NewTrends,TechniquesandApplications,JohnWiley&Sons,London,

[97].S Otto, C Caloz, A Sanada, and T Itoh (2004),“A dual-frequency compositeright/left- handed half-wavelength resonator antenna”,in Proc IEEE Asia

[98].A Rennings, T Liebig, S Abielmona, C Caloz, and P Waldow (2007),“Tri-bandand dual-polarized antenna based on (unpublished) CRLH transmission line”, inProc.IEEEEuropean MicrowaveConf,Munich,pp 720–723.

[99].A Rennings, S Otto, J Mosig, C Caloz, and I Wolff (2006),“Extended compositeright/left-handed (ECRLH) metamaterial and its application as quadband quarter- wavelengthtransmissionline”,inProc.IEEEAsiaPacificMicrowaveConf.,Yokohama.

[100].Upadhyay, D K and S Pal (2013),"An improved full scanning antenna using left- handed materials",Microwave and Optical Technology Letters, Vol 55, pp.261-265. [101].Po-WeiChenandFu-

ChiarngChen(2012),“AsymmetricCoplanarWaveguide(ACPW)Zeroth-Order

Resonant (ZOR) Antenna WithHigh Efficiency and BandwidthEnhancement”,IEEE

[102] XueLi,Quan-YuanFeng,andQian-YinXiang(2013),“ANovelVialessResonant

Unit Cell with Defected Ground Structure”, Progress In Electromagnetics

[103].T Jang, J Choi, and S Lim (2011),“Compact coplanar waveguide (CPW)-fedzeroth- order resonant antennas with extended bandwidth and high efficiency onvialesssinglelayer”,IEEETrans.AntennasPropag.,vol.59,no 2,pp.363–372.

[104].Pei-Ling Chi, Member, IEEE, and Yi-Sen Shih (2015),“Compact and Bandwidth-

[105].Mohamed I Ahmed, A Sebak and Esmat A Abdallah (2012), “Mutual

CouplingReductionUsingDefectedGroundStructure(DGS)forArrayApplications”,A ntennaTechnologyandAppliedElectromagnetics(ANTEM2012).

[106] Javier Pablos Abelairas and Fabián Molina Martín (2010),“ T e c h n i q u e s t o r e d u c e the Mutual Coupling and to improve the Isolation between antennas in a DiversitySystem”,Project Period,AALBORG University.

[107].M A Khayat, J T Williams, D R Jackson, and S A Long

(2000),“Mutualcouplingb e t w e e n r e d u c e d s u r f a c e - w a v e m i c r o s t r i p a n t e n n a s ”,I E E E T r a n s a c t i o n s onAntennasandPropagatio n, vol 48, no 10, pp 1581–1593.

[108].A Diallo P Le Thuc R Staraj A Chebihi, C Luxey (2009,“A new method toincrease the portto-port isolation of a compact two-antenna umts system”, IEEEAntennasandPropagationLetters.

[109].Prabhat Sharmaa and Taimoor Khan (2013),"A Compact MIMO Antenna with

DGSStructure", International Journal of Current Engineering and Technology, Vol.3,No.3,pp.780-783.

[110].Asieh Habashi, Javad Nourinia, Changiz Ghobadi (2012),"A Rectangular

DefectedGroundStructure(DGS)forReductionofMutualCouplingBetweenClosedly- Spaced Microstrip Antennas", 20th Iranian Conference on Electrical Engineering(ICEE2012),pp.1347-1350.

[111].Satish K Jain, Ayush Shrivastava, and Gautam Shrivas (2015),“Miniaturization ofMicrostrip Patch Antenna using Metamaterial loaded with SRR”, Electromagneticsin Advanced Applications (ICEAA), 2015 International Conference on, pp.1224-1227.

[112].Z.Z.Abidin, Y Ma,R.A Abd-Alhameed, K N.Ramli,D Zhou, M.S Bin-Melha,

J M Noras, and R Halliwell (2011),“Design of 2x2 U-shape MIMO slot antennaswith EBG material for mobile handset applications”, Progress In

ElectromagneticsResearch(PIER), vol.7,no.1, pp.81-85.

[113].H o A n h T u y ( 1 9 9 6 ) ,“Giáo trình Lý thuyết mạch”, tập 2, Nhà xuất bản Khoa học vàKỹthuật.

[114].MohammadS S h a r a w i , A h m e d B N u m a n , M u h a m m a d U K h a n , a n d D a n i e l N Aloi (2012),“A Dual-Element Dual-Band MIMO Antenna System with

EnhancedIsolation for Mobile Terminals”, IEEE Antennas and Wireless

Propagation Letters(AWPL),vol 11, pp 1006-1009.

[115].Mohammad S Sharawi, Ahmed B Numan, and Daniel N Aloi

ElementMIMOAntennaSystemUsingCapacitive Loaded Loops”, Progress in Electromagnetic

[116].K Fujimoto, J L Volakis, and C C Chen (2010),“Small Antenna:

[117].Sanae Dellaoui, Abdelmoumen Kaabal, Mustapha El halaoui, and Adel

Asselman(2017),“Patch array antenna with high gain using EBG superstrate for future 5Gcellular networks”, 11th International Conference Interdisciplinary in

M.M Antar (2017),“Dielectric Resonator Based MIMO Antenna System

WaveMobileDevices”,IETMicrowaves,Antennas&Propagation,vol.11,no.2, pp 287

[119].AhsanAltaf,M.A.Alsunaidiy,andErcumentArvas( 2 0 1 7 ) ,“ A N o v e l E B G Structu re to Improve Isolation in MIMO Antenna”, USNC-URSI Radio

T(2015),“ProvisionalFinalActs:Frequencyallocation”,WorldRadioCommunication Conference(WRC-15),Geneva,Switzerland,pp.2-55.

[121].Christopher L Holloway, Edward F Kuester et al (2012),“An Overview of theTheory and Applications of Metasurfaces: TheTwo-Dimensional Equivalents ofMetamaterials”,IEEEAntennaandPropagationMagazine,vol.54,no.2,pp.10-

[122].Maryam Rahimi, Ferdows B Zarrabi et al (2014),“Miniaturization of Antenna forWirelessApplicationwithDifferenceMetamaterialStructures”,ProgressinElectromagnet icsResearch, vol 145, pp 19-29, Feb.2014.

[123].Saou-WenSu,Cheng-TseLee,andFa-ShianChang( 2 0 1 2 ) ,“ P r i n t e d M I M O -

DongleApplications”,IEEEAntennaPropag.Trans.On,vol 60,no 2,pp.456-463.

[124].Xu-bao Sun and Mao-yong Cao (2017),“Mutual coupling reduction in an antennaarray by using two parasitic microstrip”, AEU - International Journal of

[125].PrakashKumarPandaandDebalinaG h ó h ( 2 0 1 8 ) ,“ I s o l a t i o n a n d G a i n Enh ancementofPatchAntennausingEMNZ superstrate”,AEU-InternationalJournalof

[126].Mahmoud A Abdalla and Ahmed A Ibrahim (2013), “Compact and Closely

SpacedMetamaterial MIMO Antenna with High Isolation for Wireless Applications”, IEEEAntennaand wireless