Thiết kế anten MIMO kích thước nhỏ sử dụng vật liệu cấu trúc đặc biệt cho thiết bị đầu cuối di động

Nhữngvấnđềcòntồntại

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].

Mụctiêu,đốitƣợngvàphạmvinghiêncứu

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]. 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.

Ýnghĩakhoa họccủa đềtài

 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,.  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,.

Nhữngđónggópchínhcủaluậnán

Đầu tiên luậnán nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình, sau đó tính toán mô phỏng, chế tạo mẫu và đolường,đánhgiá.  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.

Cấutrúcnội dungcủa luậnán

• Antentrongthiếtbịđầucuốidi động

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,. Năm 2005, S.Otto [97] giới thiệu cấu trỳcanten CRLH hai băng sử dụng kết cuối hở mạch, cú chiều dài ẵ bước súng (m=1) tạo ra cặpcộnghưởngtạimiềnLHvàRH(mâmvàdương).Theolýthuyết,tấtcảcáccộnghưởng2N-1 đều có thể được kích thích ngoại trừ wsedo thiếu dòng điện nối tiếp tại kết cuối hở mạch vàsựphốihợptrởkhángcủanguồnđốivớiđúngtầnsốkíchthích.Cácchếđộcộnghưởng1có cùng bước sóng được dẫn và phân bố trường như chỉ ra trong trường hợp m=1 ở hình1.21(a) nên chúng có trở kháng đầu vào tương tự nhau.

CấutrúcDGS képhìnhchữnhậtchoanten băng tần4G

• CấutrúcDGSképhìnhchữnhật
• CấutrúcDGSképtrên antenMIMO2,6GHzvà5,7GHz

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. 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 (mm2). Với việc sử dụng cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS hình chữ nhật kép trên anten tiếpđiện bằng đường truyền vi dải, anten đề xuất không những thay đổi được chiều của mật độdòng điện mà còn thay đổi sự phân bố trường gần trên mặt phẳng E, giúp cho phân bố trườnggần trên mặt phẳng E cùng kiểu phân bố trên mặt phẳng H (hình 2.13) làm giảm hẳn ảnhhưởngtươnghỗcủaantenMIMO.Điềunàyđượcthểhiệnrừnộthơnthụngquađồthịthamsố S của anten MIMO với khoảng cách giữa hai phần từ bức xạ thay đổi từ 0,5(42,83mm)xuống 0,4(34,26mm) tính từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện như mô tả trong hình 2.14,anten MIMO với phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải sử dụng cấu trúc DGS kép đạt độcáchl i c a o v ớ i S 1 2 < - 2 0 d B.

Bêncạnh đó, với tỷ lệ khác biệt giữa kích thước DGS và anten nhằm tạo ra fDGSfanten, cấu trúcDGS trong ứng dụng này đã phát huy thêm đặc tính tạo đa băng, hoạt động tại hai băng tần2,6GHz cho ứng dụng LTE-A và 5,7GHz cho ứng dụng WLAN trong thiết bị đầu cuối diđộng. 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. 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.

Kếtluậnchương2

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. 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.

Cáccôngtrìnhcôngbố làkết quảtrựctiếpcủa luậnán

Duong Thi Thanh Tu, Nguyen Van Hoc, Hoang Quan and Vu Van Yem (2016),“CompactMIMOAntennawithLowMutualCouplingUsingDefectedGroundStr ucture”,2016IEEESixthInternationalConferenceonCommunicationsandElectronics (IEEE ICCE 2016), pp.242-247, 27-29 July 2016, Ha Long, Vietnam.(Hộinghị quốctếcó Kỷyếu hộinghị trongdanhmụcscopus). 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). V a n Yem(2018)ImprovingCharacteristicsof28/38GHzMIMOAntennafor5GApplic ations by Using Double-Side EBG Structure, Journal of Communications,accepted, (Tạp chí Q4).

Cáccôngtrìnhcôngbố cóliênquanđếnluận án

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.