BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

DƯƠNG THỊ THANH TÚ

ANTEN KÍCH THƯỚC NHỎ SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÓ CẤU
TRÚC ĐẶC BIỆT DGS KÉP, DS-EBG VÀ CRLH-CPW
ỨNG DỤNG TRONG CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG

Ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 9520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. VŨ VĂN YÊM

Hà Nội - 2018


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ ii
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... iii
MỤC LỤC ........................................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... vii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU .............................................................................................. x
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................... xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... xv
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
1.


1.3. Vật liệu có cấu trúc đặc biệt trong thiết kế anten kích thước nhỏ ......................... 14
1.3.1. Cấu trúc dải chắn điện từ EBG .......................................................................... 15
1.3.1.1. Khái niệm và đặc điểm.............................................................................. 15
1.3.1.2. Phân tích cấu trúc EBG ............................................................................. 16
1.3.1.3. Xu hướng phát triển cấu trúc EBG ........................................................... 20
1.3.2. Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS ................................................................. 21
1.3.2.1. Khái niệm và đặc điểm.............................................................................. 21
1.3.2.2. Phương pháp phân tích cấu trúc DGS ....................................................... 24
1.3.2.3. Xu hướng phát triển cấu trúc DGS trong thiết kế anten vi dải ................. 29
1.3.3. Cấu trúc CRLH TL ............................................................................................ 30
1.3.3.1. Khái niệm và đặc điểm.............................................................................. 30
1.3.3.2. Anten CRLH-TL ....................................................................................... 32
1.4. Kết luận chương 1....................................................................................................... 35
CHƯƠNG 2: ANTEN SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS KÉP ............................................ 36
2.1. Giới thiệu chương ....................................................................................................... 36

iv


2.2. Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật cho anten băng tần 4G ...................................... 36
2.2.1. Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật ....................................................................... 36
2.2.2. Cấu trúc DGS kép ứng dụng cho thiết kế anten LTE-A 3.5GHz....................... 38
2.2.2.1. Anten đơn 3.5GHz .................................................................................... 38
2.2.2.2. Anten MIMO 3.5GHz ............................................................................... 39
2.2.2.3. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 40
2.2.2.4. Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 45
2.2.3. Cấu trúc DGS kép trên anten MIMO 2.6GHz và 5.7GHz ................................. 47
2.2.3.1. Anten MIMO đa băng 2.6GHz và 5.7GHz ............................................... 47
2.2.3.2. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 47
2.2.3.3. Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 50



4.2.1. Nguyên lý hoạt động .......................................................................................... 84
4.2.2. Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 85
4.2.3. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 88
4.2.4. Đánh giá ............................................................................................................. 89
4.3. Cấu trúc đường biến đổi đều cho anten MIMO CRLH-CPW ............................... 89
4.3.1. Cấu trúc đường biến đổi đều .............................................................................. 90
4.3.2. Anten MIMO CRLH sử dụng cấu trúc đường biến đổi đều .............................. 91
4.3.2.1. Cấu trúc anten MIMO CRLH ................................................................... 91
4.3.2.2. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 92
4.3.2.3. Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 94
4.3.3. Đánh giá ............................................................................................................. 95
4.4. Kết luận chương 4....................................................................................................... 96
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 98
DANH MỤC CẤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 102

vi


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Mô tả tiếng Anh

Mô tả tiếng Việt

5G

CRLH -TL

Composite Right/ Left Handed
Transmissiom Line

Đường truyền dẫn siêu vật liệu điện
từ phức hợp

CST

Computer Simulation
Technology

Phần mềm mô phỏng anten

DGS

Defected Ground Structure

Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết

DNG

Double Negative material

Vật liệu mà cả hai thông số hằng số
điện môi và độ từ thẩm đều âm

DS-EBG



GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống di động toàn cầu

HAC

Hearing Aid Compability

Tương thích thiết bị trợ thính

IFA

Inverted-F Antenna

Anten hình chữ F ngược

vii


IoT



Long-term Evolution

Sự phát triển dài hạn (Một chuẩn
công nghệ thông tin di động tiền 4G)

LTE-A

Long Term Evolution Advanced

Sự phát triển dài hạn - Nâng cao
(Một chuẩn công nghệ thông tin di
động 4G)

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

NFC

Near Field Communicatons

Truyền thông tầm ngắn

NL

Neutralization Line



Anten hình chữ F ngược trên mặt
phẳng

PMC

Perfect Magnetic Conductor

Vật dẫn từ hoàn hảo

RFID

Radio Frequency Identify

Nhận dạng qua tần số vô tuyến

RL

Return Loss

Tổn hao ngược

SAR

Specific Absorption Rate

Mức độ hấp thụ đặc biệt

SRR



VNA

Vecto Network Analyzer

Máy phân tích mạng véc-tơ

VSWR

Voltage Standing Wave Radio

Hệ số sóng đứng điện áp

WiMAX

Worldwide Interoperability for
Microwave Access

Một công nghệ truy nhập băng rộng
không dây diện rộng

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng LAN không dây

WMS

Wireless Mobile Systems

(F)

2

E

(V/m)

Điện trường

3

H

(H/m)

Từ trường

4

h

(mm)

Chiều cao chất điện môi

5

k


W

(mm)

Chiều rộng

10

Z

()

Trở kháng

11



-

12



(m)

Bước sóng

13


Hình 1.8. Mô hình hóa cấu trúc EBG hình nấm [35] .......................................................... 18
Hình 1.9. Mô hình hóa cấu trúc EBG uni phẳng [71] ......................................................... 19
Hình 1.10. Phân loại DGS [83]............................................................................................ 22
Hình 1.11. DGS hình quả tạ [84] ......................................................................................... 22
Hình 1.12.Đặc tính đường truyền vi dải DGS [84] ............................................................. 23
Hình 1.13. Đồ thị tham số S mô phỏng của một cấu trúc đơn vị DGS hình quả tạ [16] ..... 23
Hình 1.14. Sơ đồ thiết kế và phân tích cấu trúc DGS [16] .................................................. 24
Hình 1.15. Mô hình đường truyền cho mô hình hóa cấu trúc DGS [85] ............................. 25
Hình 1.16. Mạch RLC tương đương cho một đơn vị DGS truyền thống [86] .................... 27
Hình 1.17. Mạch chữ π cho một đơn vị DGS hình quả tạ truyền thống [87] ...................... 27
Hình 1.18. Phương pháp phân tích Quasi static cho đơn vị DGS truyền thống [88] .......... 28
Hình 1.19. Cấu trúc cell CRLH-TL [96] ............................................................................. 31
Hình 1.20. Phổ tán sắc của một cấu trúc cộng hưởng CRLH gồm N cell đơn vị [96] ........ 33
Hình 1.21. Anten CRLH hai băng sử dụng chế độ cộng hưởng m=1 [97] ....................... 34
Hình 2.1. Cấu trúc DGS hình chữ nhật kép ......................................................................... 37
Hình2.2. Mô hình mạch tương đương của cấu trúc DGS kép hình chữ nhật và anten vi dải
............................................................................................................................................. 37
Hình 2.3. Cấu trúc anten đơn DGS sử dụng tiếp điện cáp đồng trục .................................. 38
Hình 2.4. Anten đơn DGS với tiếp điện bằng đường truyền vi dải ..................................... 39
Hình 2.5. Anten MIMO DGS sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục..................... 40
Hình 2.6. Anten MIMO DGS sử dụng tiếp điện đường truyền vi dải ................................. 40
Hình 2.7. Phân bố mật độ dòng trên anten 3,5GHz ............................................................. 41
Hình 2.8. Tham số S11 trên anten đơn 3,5GHz .................................................................. 41
Hình 2.9. Bức xạ 3D của anten 3,5 sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục. ........... 42
Hình 2.10. Bức xạ 2D của anten 3,5 GHz trên mặt phẳng yz ............................................. 42
Hình 2.11. Anten 3,5 GHz sử dụng phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải ....... 42
Hình 2.12. Đồ thị S11 của anten đơn 3,5 sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục và
dường truyền vi dải .............................................................................................................. 43

xi

Hình 3.3. Mô hình mạch tương đương của cấu trúc DS-EBG hình chữ H đề xuất ............. 60
Hình 3.4 . Tần số làm việc của cell DS-EBG hình chữ H theo các tham số kích thước ..... 63
Hình 3.5. Cấu trúc DS-EBG hình chữ H 2x7 cell ............................................................... 63
Hình 3.6. Đồ thị tham số S của cấu trúc 2x7 cell DS-EBG hình chữ H .............................. 63
Hình 3.7. Anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz sử dụng cấu trúc DS-EBG ............... 64
Hình 3.8. Đồ thị tham số S của anten MIMO có và có cấu trúc DS-EBG hình chữ H ....... 65
Hình 3.9. Phân bố dòng điện bề mặt trên anten MIMO 2,6GHz và 5,7GHz ...................... 65
Hình 3.10. Đường cong tương hỗ ECC của anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG........ 66

xii


Hình 3.11. Đồ thị bức xạ 2D và 3D của anten MIMO DS-EBG hình chữ H tại 2,6GHz ... 67
Hình 3.12. Đồ thị bức xạ 2D và 3D của anten MIMO DS-EBG hình chữ H tại 5,7GHz ... 67
Hình 3.13. Chế tạo anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG hình chữ H ........................... 68
Hình 3.14. So sánh kết quả đo và mô phỏng của anten MIMO DS-EBG hình chữ H ........ 68
Hình 3.15. Cấu trúc DS-EBG hình tròn .............................................................................. 70
Hình 3.16. S12 của cấu trúc DS-EBG tròn với số lượng cell thay đổi ................................ 72
Hình 3.17. Pha phản xạ của cấu trúc DS-EBG tròn đề xuất ................................................ 72
Hình 3.18. Anten đơn băng tần mimlimet sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn ......................... 73
Hình 3.19. Anten MIMO băng tần mimlimet sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn ................... 74
Hình 3.20. So sánh tham số S11 của anten đơn 28/38GHz sử dụng/ không sử dụng cấu trúc
DS-EBG ............................................................................................................................... 74
Hình 3.21. Đồ thị bức xạ 2D của anten đơn băng tần milimet ............................................ 75
Hình 3.22. Đồ thị 3D của anten đơn không sử dụng cấu trúc DS-EBG .............................. 75
Hình 3.23. Đồ thị 3D của anten đơn sử dụng cấu trúc DS-EBG ......................................... 75
Hình 3.24. S11 của anten MIMO băng tần milimet ............................................................ 76
Hình 3.25. S12 của anten MIMO băng tần milimet ............................................................ 76
Hình 3.26. ECC của anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG ............................................ 77
Hình 3.27. Đồ thị bức xạ 2D của anten MIMO băng tần milimet trên mặt phẳng yz ......... 77

Bảng 2.2. Các thông số kích thước của anten DGS tiếp điện bằng đường truyền vi dải .... 39
Bảng 2.3. Các thông số kích thước của anten DGS đa băng 2.6GHz và 5.7GHz ............... 47
Bảng 2.4. So sánh cấu trúc DGS kép hình chữ nhật đề xuất với các đề xuất DGS trước đó
............................................................................................................................................. 51
Bảng 2.5. Các thông số kích thước của anten 5G sử dụng cấu trúc DGS kép .................... 54
Bảng 3.1. Thông số chi tiết của cấu trúc cel DS-EBG hình chữ H đề xuất ......................... 59
Bảng 3.2. So sánh thiết kế hiện tại với các thiết kế anten sử dụng cấu trúc EBG trước đó 69
Bảng 3.3. So sánh thiết kế hiện tại với các thiết kế anten MIMO hai băng có sử dụng cấu
trúc giảm tương hỗ............................................................................................................... 69
Bảng 3.4. Thông số kích thước của cấu trúc DG-EBG tròn ................................................ 71
Bảng 3.5. Các thông số kích thước của anten 5G sử dụng cấu trúc DS-EBG ..................... 73
Bảng 3.6 So sánh thiết kế anten DS-EBG đề xuất với các đề xuất cho anten băng tần
28GHz trước đó ................................................................................................................... 80
Bảng 4.1. Thông số kích thước của anten CRLH ................................................................ 85
Bảng 4.2. So sánh anten đơn CRLH đề xuất với một số anten CRLH trước đó ................. 89
Bảng 4.3. Các thông số của cấu trúc đường biến đổi đều ................................................... 90
Bảng 4.4. So sánh anten MIMO sử dụng cấu trúc đường biến đổi đều với các đề xuất anten
MIMO kích thước nhỏ trước đó .......................................................................................... 95

xv


MỞ ĐẦU
Anten kích thước nhỏ và vật liệu có cấu trúc đặc biệt

1.

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 hình
nhất là trong các thiết bị đầu cuối di động của các mạng điện thoại di động, mạng không dây

“Sử dụng các tải thụ động” là phương pháp đưa các phần tử tải thụ động như điện trở, tụ
điện hay cuộn cảm dưới dạng các linh kiện, đặt ở cạnh của tấm patch bức xạ để làm
nhiệm 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 khá
mạnh do tổn hao gây ra bởi các linh kiện.
Kỹ thuật “thay đổi hình dạng anten” là kỹ thuật sử dụng các khe hay đoạn gấp khúc
hoặc cấu trúc phân dạng (fractal). Việc đưa vào các khe rãnh trong cấu trúc bức xạ làm
dòng điện mặt phải đi vòng qua các khe, từ đó làm cho chiều dài điện bị dài ra hay kích
thước anten nhỏ lại. Tuy nhiên, phương pháp này cũng làm cho hiệu suất bức xạ của
anten suy giảm. Hơn thế nữa, việc gấp khúc còn tạo ra các hiệu ứng điện dung và điện
cảm không mong muốn. [12-14].
Trong một vài năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm đến việc
sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt trong thiết kế anten. Các cấu trúc đặc biệt điển hình

1


như: cấu trúc dải chắn điện từ EBG, cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS, cấu trúc
đường truyền dẫn siêu vật liệu phức hợp CRLH-TL, có thể mang tính chất điện môi hay
từ tính, với hằng số điện môi hay độ từ thẩm cao hoặc âm. Khi đặt tại các vị trí đặc biệt
trong cấu trúc anten, sẽ xảy ra hiệu ứng đặc biệt tại một tần số đặc biệt nào đó. Nói cách
khác sử dụng những cấu trúc này trong thiết kế anten có thể thu nhỏ kích thước hình học
của anten hay cải thiện một hoặc một số đặc tính của anten mà không làm suy giảm
nhiều các thông số quan trọng khác [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 gần
nhau. Đối với một thiết kế anten MIMO tốt, độ cách ly hay ảnh hưởng tương hỗ trong anten
MIMO phải nhỏ hơn -20dB [18]. Thông thường để đạt được yêu cầu này, các anten phải được
đặt 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 lên


Những vấn đề còn tồn tại

Trên thế giới, các nghiên cứu về thu nhỏ kích thước anten với các giải pháp kỹ thuật
khác nhau đã được công bố trên rất nhiều công trình khoa học, được đăng tải trên các tạp chí
khoa học chuyên ngành nổi tiếng như: IEEE Transactions on Antennas and Propagation,
Transactions on Microwave Theory and Techniques, Transactions on Wireless
Communications. Nhìn chung, các kỹ thuật sử dụng đều nhằm mục đích cuối cùng là làm
tăng bước sóng cộng hưởng của mạch anten mà không làm tăng kích thước thực. Từ các
nghiên cứu điển hình của Rowell [10] hay Scardelletti [11], sử dụng dạng tải tụ điện trên
anten PIFA hay anten vi dải đến các nghiên cứu gần đây của Gupta, Sharma [28-30], sử dụng
các vật liệu có cấu trúc đặc biệt, đều nhằm mục đích thu nhỏ kích thước phần tử bức xạ cũng
như đế anten trong khi vẫn giữ hiệu năng ở mức chấp nhận được, ứng dụng cho các thiết bị
đầu cuối di động.
Tuy số lượng các công trình nghiên cứu khoa học về giảm nhỏ kích thước anten cho các
đầu cuối di động ngày càng nhiều và đạt được rất nhiều thành tựu đáng kể nhưng thiết kế các
cấu trúc anten nhỏ gọn này thành cấu trúc anten MIMO với độ cách ly cao giữa các phần tử
bức xạ vẫn còn là một miền nghiên cứu rộng lớn, đặc biệt trong xu thế phát triển công nghệ
cho thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới, các thiết bị yêu cầu ngày càng nhỏ gọn, ngày càng
tích hợp nhiều kỹ thuật, điển hình là kỹ thuật đa anten thu đa anten phát [31]-[33].
Hiện nay trong nước, Viện Điện tử Viễn thông của Trường Đại học Bách khoa Hà nội
cũng có một số nghiên cứu về vật liệu có cấu trúc đặc biệt như: cấu trúc dải chắn EBG làm
mặt đế phản xạ với cấu trúc EBG một mặt truyền thống, áp dụng cho anten trong truyền thông
băng siêu rộng UWB [34]; cấu trúc EBG cho thiết kế mạch lọc, dải chắn băng tần, áp dụng
cho anten đơn băng với khoảng cách 0.6 [35]; cấu trúc mặt đất khuyết DGS cho cải thiện độ
cách ly trong anten MIMO [36], [37] với việc thiết kế những cấu trúc DGS này dưới dạng cấu
trúc giảm tương hỗ, đặt giữa hai phần tử bức xạ trong anten MIMO băng tần hẹp; cấu trúc
siêu vật liệu cho giảm nhỏ kích thước cho anten đơn băng [37]; cấu trúc siêu vật liệu cho thiết
kế anten đơn cho ứng dụng WLAN, bộ lọc thông dải, bộ chia công suất [38]. Bên cạnh Viện
Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà nội, theo hiểu biết của NCS, còn có một

[17]. Cấu trúc EBG đa lớp cho kích thước cell nhỏ hơn nhưng lại phức tạp trong thiết kế và
rất 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 ba
băng nhưng việc ứng dụng được cho thiết kế anten MIMO mới dừng lại ở đơn băng [35].
Điều này cũng tương tự cho các đề xuất anten đơn, anten MIMO hoạt động ở băng tần
milimet, ứng dụng cho truyền thông 5G trong tương lai [22], [53], [54].
Cấu trúc đường truyền dẫn siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH với rất nhiều đặc tính
ưu việt như bề mặt trở kháng cao cho cải thiện các thông số cơ bản của anten, đa chế độ cộng
hưởng cho thiết kế anten đa băng còn tồn tại một chế độ cộng hưởng không (ZOR) mà không
có loại hình siêu vật liệu nào có được. Đặc tính này dùng để thiết kế anten có tỷ lệ thu nhỏ
kích thước rất cao với tần số hoạt động của anten không phụ thuộc vào diện tích bức xạ. Tuy
nhiên, anten CRLH gặp phải nhược điểm lớn về độ rộng băng thông, thường không vượt quá
5% [15], [18]. Để khắc phục điều này, cấu trúc anten CRLH được kết hợp với các phương
pháp, 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 băng
rộng cho truyền thông 5G băng tần dưới 6 GHz.
Do đó vẫn cần phải có những nghiên cứu, đề xuất cấu trúc anten kích thước nhỏ mới
cũng như các cấu trúc vật liệu đặc biệt mới, có thể giảm độ phức tạp trong thiết kế, chế tạo
nhưng 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 tần
anten khác nhau, đặc biệt là đáp ứng được cho anten MIMO, một trong những xu thế của
anten trong các thiết bị đầu cuối di động trong các hệ thống truyền thông vô tuyến tiên tiến.
Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.
•

Mục tiêu nghiên cứu

4

Ý nghĩa khoa học của đề tài

4.
•

•

Về lý luận:
− Góp phần phát triển kiến trúc anten mới, cấu trúc giảm tương hỗ mới.
− Đi sâu vào một hướng nghiên cứu cụ thể, đó là anten sử dụng vật liệu có cấu trúc
đặc biệt, với mục đích chủ yếu nhằm tạo ra anten có kích thước nhỏ, độ cách li
cao, băng thông rộng, ứng dụng trong thiết bị đầu cuối di động.
− Đưa ra những công bố có giá trị khoa học, là nền tảng cho sự ra đời các sản phẩm
thương mại.
Về thực tiễn:
Ứng dụng các cấu trúc anten, cấu trúc giảm tương hỗ đề xuất cho thiết bị đầu cuối
di động trong hệ thống thông tin vô tuyến 4G/ 5G.

5.

Những đóng góp chính của luận án
Những đóng góp khoa học của luận án bao gồm:
− Đề xuất cấu trúc DGS kép không những làm giảm nhỏ kích thước anten mà còn
nâng cao độ cách ly trong anten MIMO đơn băng, đa băng đồng thời tạo đa băng

5


cho anten đa băng, ứng dụng trong truyền thông di động 4G cũng như truyền
thông 5G băng tần milimet.

Để giảm sâu hơn nữa tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO, đáp ứng
yêu cầu về độ cách ly cao của anten MIMO, đồng thời nâng cao hệ số tăng ích mà không làm
ảnh hưởng đến hiệu suất bức xạ, cấu trúc DS-EBG được đề xuất trong chương 3 cùng với
việc phân tích, tính toán theo mô hình mạch tương đương. Kết quả đề xuất này cũng được
chứng mình bằng mô phỏng và thực nghiệm trên các mẫu anten hai băng ứng dụng cho truyền
thông 4G/ 5G.
Cuối cùng, chương 4 của luận án đề xuất anten đa băng, cộng hưởng tại tần số 3.5GHz
và 5GHz, sử dụng cấu trúc CRLH kết hợp phương pháp tiếp điện đồng phẳng CPW. Cùng với
đó, một cấu trúc mới với các đường biến đổi đều được đề xuất để giảm thiểu tương hỗ cho
anten MIMO CRLH-CPW băng rộng trên.

6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN CHO THIẾT BỊ ĐẦU
CUỐI DI ĐỘNG
1.1. Giới thiệu chương
Ngày nay, hệ thống thông tin ngày càng phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong công nghệ
truyền thông không dây với khả năng cung cấp kết nối linh hoạt, rộng khắp, đang dần trở
thành hình thức truyền thông chủ đạo trong hầu khắp các lĩnh vực của đời sống hiện đại. Rất
nhiều công nghệ cũng như kỹ thuật mới ra đời: từ phạm vi ứng dụng cá nhân (WPAN) với
các công nghệ tiêu biểu như UWB, Bluetooth đến các công nghệ diện rộng (WAN) với hệ
thống thông tin di động 4G (Wimax, LTE). Trong đó, anten là một trong những thành phần
không thể thiếu với hai nhiệm vụ chính là bức xạ và thu sóng điện từ từ không gian. Hơn thế
nữa, anten còn có nhiệm vụ bức xạ sóng điện từ theo những hướng nhất định, phù hợp những
yêu cầu cụ thể. Đặc biệt trong thiết bị đầu cuối di động của các hệ thống thông tin vô tuyến
tiên tiến, anten phải có tính năng, chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp như hiệu suất bức xạ cao, kích
thước nhỏ gọn, băng thông rộng, đồ thị bức xạ không bị méo, dễ chế tạo, giá thành thấp …
Chính vì thế, các anten sử dụng công nghệ planar như anten vi dải ngày càng được lựa chọn
để sử dụng vì những ưu điểm như nhỏ gọn, mỏng, nhẹ, dễ chế tạo, dễ gắn lên các thiết bị đầu

không chỉ đáp ứng cho các cuộc thoại mà còn có thể truy cập internet, xem phim hay nghe
nhạc trong khi người dùng di chuyển trên đường. Máy tính xách tay có thể truy nhập internet
mọi lúc mọi nơi với tốc độ cao ngay cả khi người dùng di chuyển tốc độ cao trên ô tô hay tầu
cao tốc. Điều này có được là nhờ sự ra đời của một loạt các công nghệ cũng như tiêu chuẩn
mới, làm tăng hiệu năng cho các thiết bị trong hệ thống nói chung cũng như trong thiết bị đầu
cuối di động nói riêng. Tiến trình phát triển của các thế hệ truyền thông vô tuyến cũng như
dung lượng, tốc độ dữ liệu và ứng dụng được thể hiện trong hình 1.1. Trục hoành của đồ thị
chỉ sự phát triển công nghệ cũng như tiến trình chuẩn hóa theo thời gian trong khi trục tung
lại thể hiện tốc độ và sự phát triển của dịch vụ. Có thể thấy rõ, cứ khoảng một thập niên sẽ ra
đời một thế hệ truyền thông không dây mới.

Hình 1.1.Tiến trình phát triển hệ thống truyền thông không dây [3],[19]
Hiện nay, các hệ thống truyền thông không dây đang tiến tới thế hệ thứ 5 (5G- the fifth
generation) hoạt động ở băng tần milimet. Hiện chưa có chuẩn chính thức cho 5G nhưng một
số quốc gia đang xem xét và thử nghiệm 5G tại hai loại băng tần: băng tần thấp dưới 6GHz và
băng tần milimet với các tần số 28GHz, 38GHz và 60GHz. Tuy mỗi hệ thống truyền thông

8


đều có các cấu trúc và đặc điểm khác nhau nhưng đều phát triển dựa trên năm xu hướng
chính:
−
−
−
−
−

Phát triển theo hướng ngày càng cá nhân hóa.
Phát triển các đặc tính mang yếu tố toàn cầu hóa.

lưỡng cực cải tiến. Những thiết kế anten tiên tiến này dựa chủ yếu trên công nghệ anten nhỏ
trong đó kích thước nhỏ được đặt lên hàng đầu. Tuy nhiên, chúng vẫn phải đảm bảo tiêu chí
độ khuếch đại cao và băng thông rộng đáp ứng được các yêu cầu truyền thông băng rộng hiện
nay.
Nguyên lý cơ bản để tạo ra anten có kích thước nhỏ là thiết kế anten sử dụng cấu trúc
sóng chậm. Những ví dụ điển hình cho cấu trúc sóng chậm là cấu trúc vòng xoắn, cẫu trúc
đường uốn khúc, cấu trúc fractal hay cấu trúc đường zigzag, ... Những cấu trúc này làm cho

9


chiều dài điện trên anten được kéo dài ra khiến tần số hoạt động của anten dịch xuống tần số
thấp hơn trong khi kích thước anten vẫn không đổi. Một cách khác nữa để tạo ra hiệu ứng
sóng chậm là thêm các phần tử hoặc mạch điện vào cấu trúc anten nhằm thay đổi pha của
dòng điện trên thiết kế anten khiến chiều dài điện của anten cũng tăng lên.
Bên cạnh yêu cầu về kích thước nhỏ, các hệ thống anten trong truyền thông di động cũng
yêu cầu anten đa băng nhằm làm giảm số lượng anten trong giới hạn vỏ máy và anten MIMO
với 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 gần
nhau, gây ra ảnh hưởng tương hỗ, làm suy giảm hiệu năng của anten. Vì vậy, một số kỹ thuật
tiên tiến được áp dụng thêm trên anten MIMO như kỹ thuật sử dụng vật dẫn điện không hoản
hảo trên mặt phẳng đất hay còn gọi là kỹ thuật mặt đất khuyết DGS (Defected Ground
Structure), cấu trúc dải chắn băng tần điện từ EBG (Electromagnetic Ban Gap).
1.2.2.1. Kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten
Anten được dùng cho các thiết bị đầu cuối di động thường được gọi là anten cỡ nhỏ hay
anten kích thước nhỏ. Anten kích thước nhỏ thường được phân loại theo cấu trúc hình học của
chúng như anten khe, anten PIFA, ... Từ những cấu trúc cơ bản, các hình dáng phức tạp hơn
có thể được phát triển. Đơn giản nhất là cấu trúc anten đơn cực hay anten lưỡng cực, thường
làm anten lắp ngoài cho thiết bị đầu cuối di động (hình 1.2). Sau đó là anten chẻ khe (slot) với
đường chẻ dài và hẹp trên bề mặt kim loại, anten này còn được gọi là anten lưỡng cực từ.

động.
Có khá nhiều kỹ thuật tạo đa băng khác nhau cho anten. Năm 1996, lần đầu tiên Z. Ying
phát minh ra anten hai băng xoắn ốc không dây [56] và nhanh chóng trở nên thông dụng cho
anten hai băng lắp ngoài trên toàn thế giới với hơn một tỷ thiết bị đầu cuối di động. Nguyên
mẫu của anten này được chỉ ra trong hình 1.3.

Hình 1.3. Mẫu anten hai băng được đề xuất lần đầu tiên năm 1996 [56]

(a) Khe chữ L

(b) Khe hình xoắn ốc

(c) Khe chữ U

(d) Khe gấp khúc

Hình 1.4. Các dáng chẻ cơ bản trên mặt patch của anten PIFA [57]
Đối với anten lắp trong, cách thức phổ biến nhất và hiệu quả nhất để tạo đa băng là tạo
các khe chẻ có hình dạng khác nhau trên bề mặt bức xạ của anten. Một vài mẫu chẻ cơ bản
được đề xuất trong thời gian gần đây chỉ ra trong hình 1.4 [57]. Mỗi hình dáng có những ưu
nhược điểm riêng, lựa chọn hình dáng nào phụ thuộc vào tần số hoạt động của anten cũng như

11


tham số đặc tính của anten theo yêu cầu thiết kế. Ngoài ra, cũng thể sử dụng vật liệu có cấu
trúc đặc biệt như DGS hay CRLH. Nội dung này sẽ được tìm hiểu sâu hơn ở trong phần 1.3.
1.2.2.3. Kỹ thuật đa anten
MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) là kỹ thuật sử dụng nhiều anten để thu phát tín
hiệu vô tuyến. Việc sử dụng MIMO chính là chìa khóa dẫn đến sự thành công của IEEE

coupling” hay ảnh hưởng tương hỗ [59].
Ghép tương hỗ là một vấn đề lớn luôn luôn tồn tại trong hệ thống anten MIMO khi các
anten đặt ở khoảng cách khá gần nhau. Vì vậy, ảnh hưởng tương hỗ luôn được phân tích và

12