3.3.1. Mô hình anten I O đầu
Anten MIMO đề xuất g m 2 phần tử anten đơn đã đƣợc tối ƣu ở phần 3.2.3. Hai anten đƣợc đặt song song tr n c ng đế điện môi FR4_epoxy, đƣợc tiếp điện ở 2 cổng độc lập. Mô phỏng tham số tán xạ khi khoảng cách giữa hai phần tử anten đƣợc cố định một khoảng cách D cố định, bao g m hệ số phản xạ tại cổng 1 và 2 là S11 và S22 và hệ số truyền đạt giữa 2 cổng là S12 và S21 sẽ đƣợc thực hiện để khảo sát đặc tính bức xạ của anten MIMO. Cụ thể, từ hệ số truyền đạt có thể đánh giá ảnh hƣởng tƣơng hỗ ghép nối hoặc độ cách ly cổng bức xạ. Để đảm bảo tƣơng hỗ ghép nối, theo lý thuyết hệ số truyền đạt phải -15 dB.
Trƣớc tiên, hai phần tử anten đƣợc đặt gần nhau với khoảng cách D = 5 mm. Do hai anten có c ng chung đế điện môi, hai tấm bức xạ đặt gần nhau nên bức xạ dòng bề mặt từ anten thứ nhất ảnh hƣởng trục tiếp đến bức xạ của anten thứ hai đặt kề b n. Khi đó, ảnh hƣởng tƣơng hỗ do ghép nối giữa hai phần tử anten này là -12,56 dB, và lớn hơn -15 dB so với mức cho phép. Bên cạnh đó, ảnh hƣởng của bức xạ dòng mặt cũng làm thay đổi tần số cộng hƣởng của anten MIMO so với anten đơn ban đầu.
Hình 3.7: Mô hình anten MIMO 2x2
Hình 3 8: Mô phỏng tham số tán xạ của anten MIMO 2x2
3.3.2. Cấu trúc ký sinh
Để đảm bảo tính cấu hình thấp (kích thƣớc nhỏ gọn) của anten MIMO, các phần tử anten đơn trong hệ MIMO cần đƣợc đặt gần nhau nhằm giảm kích thƣớc chung của anten MIMO. Tuy nhiên, khoảng cách giữa hai phần tử anten đơn trong hệ MIMO ít nhất bằng λ/4 tại tần số cộng hƣởng trung tâm để đảm bảo ảnh hƣởng tƣơng hỗ ghép nối ở mức cho phép ( ). Vì vậy, để giảm kích thƣớc anten MIMO đ ng thời đạt độ cách ly cổng cao, luận văn đề xuất sử dụng cấu trúc ký sinh vi dải hình chữ C chèn giữa hai tấm bức xạ của 2 anten đơn. Về nguyên lý, cấu trúc ký sinh chữ C sẽ hoạt động nhƣ một
bộ lọc chắn dải, cộng hƣởng ở cùng tần số hoạt động của anten đơn. Khi đó, d ng điện mặt tƣơng hỗ từ phần tử anten này sang phần tử kia sẽ bị giữ lại phần lớn tại cấu trúc ký sinh. Từ đó, ảnh hƣởng dòng mặt từ phần tử anten này sang phần tử anten kia sẽ giảm đáng kể.
Để khảo sát đặc tính chắn dải ở cấu trúc ký sinh chữ C. Mô phỏng dạng bộ lọc với hai cổng 1 và 2. Các hệ số phản xạ tại cổng và hệ số truyền đạt từ cổng 1 sang cổng 2 sẽ đƣợc khảo sát để xác định tần số mà cấu trúc này sẽ giữ lại. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của cấu trúc ký sinh chữ C ở hình 3.8 cho thấy, cấu trúc chữ C hoạt động nhƣ một bộ lọc chắn dải với hệ số truyền đạt S21 đạt cộng hƣởng tại tần số 3.6 GHz.
Hình 3 9: Mô phỏng tham số tán xạ của cấu trúc ký sinh chữ C
3.3.3. Mô hình anten MIMO 2x2 v i cấu trúc ký sinh chữ C
Mô hình anten MIMO 2x2 sử dụng cấu trúc ký sinh chữ C đƣợc trình bày ở hình 3.9. Cấu trúc ký sinh là đƣờng vi dải hình chữ C đƣợc đặt đ ng phẳng và chèn giữa hai tấm bức xạ của anten MIMO. Vị trí đặt của cấu trúc chữ C sẽ đƣợc tối ƣu bằng mô phỏng. Kích thƣớc cấu trúc chữ C đƣợc biểu diễn chi tiết trên hình 3.9.
Hình 3 10:Mô hình anten MIMO 2x2 với cấu trúc ký sinh chữ C ch thƣớc ở đơn vị: mm)
Hình 3.10 biểu diễn kết quả mô phỏng các tham số tán xạ của anten MIMO 2x2 sử dụng cấu trúc ký sinh chữ C. Quan sát từ kết quả trên ta thấy, anten MIMO đề xuất đạt cộng hƣởng ở tần số trung tâm là 3,6 GHz với hệ số cách ly cổng S21 thấp hơn nhiều so với anten MIMO khi chƣa sử dụng cấu trúc ký sinh chữ C. Điều này chứng tỏ cấu trúc ký sinh chữ C đã thực hiện lọc và giam giữ thành phần bức xạ dòng mặt gây tƣơng hỗ ghép nối giữa hai phần tử anten đơn đặt kề nhau trong hệ MIMO.
Hình 3 11: Mô phỏng tham số tán xạ của anten MIMO 2x2 sử dụng cấu trúc ký sinh chữ C
Hình 3 12: Mô phỏng hệ số truyền đạt S21 của anten MIMO 2x2 khi không có và có cấu trúc ký sinh chữ C
So sánh kết quả mô phỏng hệ số truyền đạt S21 của anten MIMO khi không có và có cấu trúc ký sinh chữ C đƣợc trình bày ở hình 3.12. Quan sát kết quả trên ta thấy, anten MIMO khi có cấu trúc ký sinh chữ C giảm đƣợc ảnh hƣởng tƣơng hỗ ghép nối xấp xỉ 14 dB so với anten MIMO khi không có cấu trúc này.
Hình 3.13 biểu diễn mô phỏng phân bố d ng điện trên anten MIMO không có và có cấu trúc ký sinh. Đối với phần diện tích có mật độ d ng điện phân bố lớn thì sẽ có màu đỏ, cam, còn phần diện tích gần nhƣ không có phân bố d ng điện là màu xanh đậm.
(a) (b)
Hình 3 13: Phân bố d ng điện trên anten MIMO: (a) Không có cấu trúc ký sinh, (b) Có cấu trúc ký sinh
Quan sát hình 3.13 ta thấy, ở trƣờng hợp anten MIMO khi không sử dụng cấu trúc ký sinh (hình 3.13 a), khi anten thứ nhất bức xạ (anten bên trái) thì dòng bức xạ bề mặt ảnh hƣởng lớn đến anten thứ 2, biểu hiện mật độ dòng điện tƣơng hỗ tập trung lớn (phần diện tích màu đỏ, cam). Tuy nhiên, ở trƣờng hợp anten MIMO sử dụng cấu trúc chữ C, ta thấy rằng phần lớn dòng bức xạ mặt từ phần tử thứ nhất sang phần tử thứ hai đã đƣợc chặn và lƣu giữ lại cấu trúc chữ C. Khi đó, mật độ dòng diện tập trung lớn ở phần cấu trúc chữ C và phần lớn diện tích chữ C chuyển màu đỏ nhƣ mô tả ở hình 3.13b. Vì vậy, phần tử anten thứ hai gần nhƣ không bị ảnh hƣởng, biểu hiện là phần diện tích màu xanh đậm ở hình 3.13b. Kết quả mô phỏng phân bố mật độ d ng điện tại tần số 3,6 GHz làm rõ đƣợc hiệu quả của cấu trúc chữ C trong giảm ảnh hƣởng bức xạ dòng mặt lan truyền giữa các phần tử anten đơn.
3.4. Tổng ết chƣơng
Qua chƣơng nay, luận văn cơ bản đã xây dựng đƣợc mô hình anten MIMO 2x2, có hệ số cách ly ( hệ số truyền đạt) cao. Với cấu trúc ký sinh chữ C cơ bản đã cải thiện hệ số truyền đạt trong hệ anten. Phần m m mô phỏng cũng đã đƣa ra đƣợc các tham số tối ƣu ph hợp với các chỉ ti u thiết kế ban đầu.
K T LUẬN
Lý thuyết tổng quan về anten vi dải và anten MIMO đƣợc trình bày ở chƣơng 1 và chƣơng 2 của luận văn. Trong đó, các tham số cơ bản của anten, các phƣơng pháp tiếp điện cho anten vi dải đƣợc tập trung giới thiệu ở chƣơng 1, trong khi đó các nghi n cứu về phƣơng pháp cải thiện độ cách ly cổng giữa các phần tử bức xạ trong hệ MIMO đã đƣợc trình bày chi tiết trong chƣơng 2.
Nội dung thiết kế của luận văn đƣợc trình bày ở chƣơng 3. Cụ thể, một anten vi dải tiếp điện bằng đƣờng truyền vi dải đã đƣợc thiết kế thành công với kích thƣớc nhỏ gọn, hoạt động ở tần số 3,6 GHz. Đây là tần số cho hệ thống thông tin 5G ở dải tần số dƣới 6 GHz. Mô hình anten MIMO 2x2 với hệ số cách ly cổng cao đƣợc thiết kế sử dụng cấu trúc ký sinh vi dải hình chữ C đã cho thấy khả năng cải thiện đáng kể hệ số cách ly so với anten MIMO không có cấu trúc chữ C có c ng kích thƣớc.
HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN:
Mặc d đã thiết kế thành công anten MIMO 2x2 có kích thƣớc nhỏ gọn, hệ số cách ly công cao ở tần số 3,6 GHz, tuy nhiên, một số nội dung cần thực hiện trong thời gian tới để hoàn thiện kết quả nghiên cứu của luận văn:
-Tối ƣu cấu trúc ký sinh để tiếp tục cải thiện độ cách ly cổng khi khoảng cách đặt giữa các phần tử anten đơn giảm nhỏ hơn.
-Chế tạo và đo thực nghiệm các tham số S11 và S21, hệ số tăng ích của anten MIMO 2x2 khi có và không có cấu trúc ký sinh chữ C.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] W. Roh, J. Y. Seol, J. Park et al., Millimeter-wave beamform- ing as an enabling technology for 5G cellular communications: theoretical feasibility and prototype results,” IEEE Communi- cations Magazine, vol. 52, no. 2, pp. 106–113, 2014.
[2] J. G. Andrews, S. Buzzi, W. Choi et al., What will 5G be?,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 32, no. 6, pp. 1065–1082, 2014.
[3] P. Wang, Y. Li, L. Song, and B. Vucetic, Multi-gigabit millimeter wave wireless communications for 5G: from fixed access to cellular networks,” IEEE Communications Magazine, vol. 53, no. 1, pp. 168–178, 2015.
[4] T. S. Rappaport, Y. Xing, G. R. MacCartney, A. F. Molisch, E. Mellios, and J. Zhang, Overview of Millimeter Wave Com- munications for Fifth-Generation (5G) Wireless Networks- with a focus on Propagation Models,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, no. No. 12, pp. 6213– 6230, 2017.
[5] J. R. Costa, E. B. Lima, C. R. Medeiros, and C. A. Fernandes, Evaluation of a new wideband slot array for MIMO perfor- mance enhancement in indoor WLANs,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 59, no. 4, pp. 1200–1206, 2011. [6] A. Mchbal, N. Amar Touhami, H. Elftouh, and A. Dkiouak, Mutual
coupling reduction using a protruded ground branch structure in a compact UWB owl-shaped MIMO antenna,” International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2018, Article ID 4598527, 10 pages, 2018.
[7] C. A. Balanis, Antenna theory: analysis and design, John Wiley & Sons, 2016.
[8] Molisch (2011), Wireless Communications: John Wiley& Sons Ltd. [9] M.1457-8 (May 2009), "Detailed specifications of the radio interfaces
of international mobile telecommunications-2000 (IMT-2000)." [10] Biglieri, Calderbank, Constantinides, Goldsmith, Paulraj, and Poor (2007),
MIMO wireless communications: Cambridge University Press. [11] Balanis (1997), Antenna Theory analysis and design. Wiley. [12] Jakes (1974), Microwave Mobile Communications: Wiley.
[13] Chen, Xiaoming & Zhang, Shuai & Li, Qinlong. (2018), A Review of Mutual Coupling in MIMO Systems,” IEEE Access. PP. 1-1. 10.1109/ACCESS.2018.2830653.
[14] Sharawi, Printed mimo antenna engineering: Artech House, 2014. [15] Pelosi, Knudsen, and Pedersen (2012), "Multiple antenna systems with
inherently decoupled radiators," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, pp. 503-515.
[16] Chen, Wang, and Chung (2008), "A decoupling technique for increasing the port isolation between two strongly coupled antennas," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 56, pp. 3650-3658.
[17] Mak, Rowell, and Murch (2008), "Isolation Enhancement Between Two Closely Packed Antennas," IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. 56, pp. 3411-3419.
[18] Zhengyi, Zhengwei, Takahashi, Saito, and Ito (2012), "Reducing Mutual Coupling of MIMO Antennas With Parasitic Elements for Mobile Terminals," IEEE Transactions on Antennas and Propagation vol. 60, pp. 473-481.
[19] Alsath, Kanagasabai, and Balasubramanian (2013), "Implementation of slotted meander-line resonators for isolation enhancement in microstrip patch antenna arrays," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 12, pp. 15-18.
[20] Li, Xiong, and He (2009), "A compact planar MIMO antenna system of four elements with similar radiation characteristics and isolation structure," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 8, pp. 1107-1110.
[21] Su, Lee, and Chang (2012), "Printed MIMO-antenna system using neutralization- line technique for wireless USB-dongle applications," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, pp. 456-463.
[22] Yang, H. H. and Y. Q. S. Quel, Massive MIMO meet small cell,” SpringerBriefs in Electrical and Computer Engineering, 2017, DOI 10.1007/978-3-319-43715-6 2.
[23] Parchin, N. O., et al., Microwave/RF components for 5G front-end systems,” Avid Science, 1–200, 2019.
[24] Balanis, C. A., Antenna Theory, 3rd Edition, Chapters 2, 4, 6, and 7, John Wiley, 2005.
[25] Ojaroudi, N. and N. Ghadimi, Dual-band CPW-fed slot antenna for LTE and WiBro applications,” Microw. Opt. Technol. Lett., Vol. 56, 1013–1015, 2014.
[26] Hussain, R., A. T. Alreshaid, S. K. Podilchak, and M. S. Sharawi, Compact 4G MIMO antenna integrated with a 5G array for current and future mobile handsets,” IET Microw. Antennas Propag., Vol. 11, 271–279, 2017.
[27] Ojaroudi, Y., et al., Circularly polarized microstrip slot antenna with a pair of spur-shaped slits for WLAN applications,” Microw. Opt. Technol. Lett., Vol. 57, 756–759, 2015.
[28] Abdulkhaleq, A. M., et al., Mutual coupling effect on three-way doherty amplifier for green compact mobile communications,” EuCAP 2020, Copenhagen, Denmark, 2020.
[29] Ojaroudi, N. and N. Ghadimi, Design of CPW-fed slot antenna for MIMO system applications,” Microw. Opt. Technol. Lett., Vol. 56, 1278–1281, 2014.
[29] Ojaroudiparchin, N., et al., Multi-layer 5G mobile phone antenna for multi-user MIMO communications,” Proc. 23rd Telecommun. Forum Telfor (TELFOR), 559–562, Nov. 2015.
[30] Kim, S. and S. Nam, A compact and wideband linear array antenna with low mutual coupling,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 67, 5695–5699, 2019.
[31] Parchin, N. O., et al., Eight-element dual-polarized MIMO slot antenna system for 5G smartphone applications,” IEEE Access, Vol. 9, 15612–15622, 2019.
[32] Rajo-Iglesias, E., O. Quevedo-Teruel, and L. Incla n-Sa nchez, Mutual coupling reduction in patch antenna arrays by using a planar EBG structure and a multilayer dielectric substrate,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 56, 1648–1655, 2008.
[33] Malmstrom, J., H. Holter, and B. L. G. Jonsson, On mutual coupling and coupling paths between antennas using the reaction theorem,” IEEE Trans. Electromagn. Compat., Vol. 60, 2037–2040, 2018.
[34] Alzahed, A. M., S. M. Mikki, and Y. M. M. Antar, Nonlinear mutual coupling compensation operator design using a novel electromagnetic machine learning paradigm,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., Vol. 18, 861–865, 2019.
[35] Nurhayati, G. Hendrantoro, F. Takeshi, and E. Setijadi, Mutual coupling reduction for a UWB coplanar vivaldi array by a truncated and corrugated slot,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letter, Vol. 17, 2018.
[36] Iqbal, A., O. A. Saraereh, A. W. Ahmad, and S. Bashir, Mutual coupling reduction using F-shaped stubs in UWB-MIMO antenna,” IEEE Access, Vol. 6, 2755–2799, 2018.
[37] Hameed, K. W. H., et al., The performance of SLNR beamformers in multi-user MIMO systems,” Broad Nets’ 2018, Faro, Portugal, 2018.
[38] Kiani-Kharaji, M., H. R. Hassani, and S. Mohammad-Ali-Nezhad, Wide scan phased array patch antenna with mutual coupling reduction,” IET Microw., Antennas Propag., Vol. 12, 1932–1938, 2018.
[39] Mazloum, J., etal., Compact triple-band S-shaped monopole diversity antenna for MIMO applications” Applied Computational Electromagnetics Society (ACES) Journal, Vol. 28, 975–980, 2015.
PH C
GIỚI THIỆU V PH N NSYS
Giới thiệu: Một bộ giải điện từ trƣờng 3D để thiết kế các linh kiện điện tử tần số cao và tốc độ cao. Các bộ giải FEM, IE, tiệm cận và kết hợp của nó giải quyết các vấn đề RF, vi sóng, IC, PCB và EMI.
Giải quyết các gói đa lớp
Quy trình giao diện 3D cho PCB và các gói
Bộ giải điện từ tần số cao
Bảo vệ IP ( Ingress protection ) thông qua các thành phần 3D
Trong luận văn này, tôi may mắn đã đƣợc sử dụng phần mềm này tại ph ng thí nghiệm của khoa Kỹ thuật công nghệ.
Mô tả nhanh một số đặc điểm chính
Khả năng vô song của ANSYS HFSS, cùng với độ chính xác không thể chối cãi, cho phép các kỹ sƣ giải quyết các vấn đề về RF, vi sóng, IC, PCB và EMI cho các hệ thống phức tạp nhất, trong nội dung luận văn : bộ công cụ thiết kế Ăng-ten.
Các t nh năng ch nh
HFSS là công cụ EM hàng đầu cho R&D và tạo nguyên mẫu thiết kế ảo. Nó làm giảm thời gian chu kỳ thiết kế và tăng độ tin cậy và hiệu năng cho sản phẩm của bạn.
Phân tích EMI/EMC
Nhiễu tần số RF trong môi trƣờng phức tạp
Phân tích cosite RF và ăng-ten đƣợc lắp đặt
Phân tích mạch và hệ thống RF