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

1. Anten kích thước nhỏ và vật liệu có cấu trúc đặc biệt 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 nội hạt WLAN, mạng không dây diện rộng Wimax, ... Công nghệ anten nhỏ đã có những 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 tích hợp trong giới hạn kích thước nhỏ gọn của thiết bị đầu cuối di động. Hơn thế nữa, các chuẩn công nghệ cho thiết bị đầu cuối thế hệ mới hiện nay và tương lai (802.11n, ac, ad; 802.16m; LTE và LTE advanced; 5G, IoT) đều có xu hướng sử dụng kỹ thuật đa anten phát đa anten thu (MIMO) nhằm làm gia tăng dung lượng kênh [2]-[5]. Điều này làm cho nhu cầu thu nhỏ các phần tử trong thiết bị đầu cuối di động nói chung và phần tử anten MIMO nói riêng ngày càng trở nên quan trọng. Chính vì thế, việc thu nhỏ kích thước anten MIMO của các phần tử thu phát trong thiết bị đầu cuối di động luôn là đề tài nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới. Có khá nhiều giải pháp để thực hiện kỹ thuật thu nhỏ anten như: đưa vào các phần tử ngắn mạch, sử dụng các tải thụ động, thay đổi hình dáng anten, …. Tuy nhiên, phần lớn các kỹ thuật thu nhỏ kích thước anten này đều nhằm mục đích làm dài thêm một cách nhân tạo chiều dài điện của cấu trúc anten [1]. • “Đưa vào các phần tử ngắn mạch” là một trong các phương pháp phổ biến nhất được sử dụng trong anten vi dải. Phương pháp này đưa vào trong thiết kế anten một hoặc nhiều phần tử ngắn mạch giữa cấu trúc bức xạ và mặt phẳng đất, nhằm tạo ra một cấu trúc anten cộng hưởng với chiều dài tương ứng /4 hay còn gọi là anten một phần tư bước sóng. 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 anten gặp nhiều thách thức về hệ số tính hướng và phân cực. • “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 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 đáng kể làm ảnh hưởng đến kích thước của thiết bị đầu cuối. Trong nhiều năm qua, có khá nhiều nghiên cứu được thực hiện để tìm ra kỹ thuật giảm thiểu tương hỗ hay tăng độ phân cách giữa các anten MIMO. Các nghiên cứu này đều dựa trên ý tưởng chính là tạo ra sự ngăn cách trường bức xạ giữa hai anten để giảm được tham số tán xạ S 12 , S 21 . Một vài kỹ thuật đã được đưa ra như tối thiểu hóa kích thước anten, chẻ khe trên vật liệu điện môi, phủ lên trên miếng 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 các ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, dễ dàng tích hợp trên thiết kế mạch, ... được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin di động, đạo hàng, vệ tinh. Không những thế, hiệu năng của anten vi dải suy giảm rất lớn khi chịu ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử trong anten. Vì vậy, đề xuất giải pháp nâng cao độ cách ly trong anten vi dải trong khi vẫn đảm bảo được các tham số hiệu năng cũng có thể áp dụng sang các loại hình anten sử dụng công nghệ mạch in khác trong thiết bị đầu cuối di động. Vật liệu có cấu trúc đặc biệt như cấu trúc dải chắn điện từ EBG, cấu trúc mặt đất khuyết DGS, cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH-TL là những cấu trúc tuần hoàn hay không tuần hoàn trên bề mặt vật liệu. Ngoài việc tạo ra hiệu ứng sóng chậm (cấu trúc DGS) hay tạo ra mode cộng hưởng bậc không (CRLH-TL) hoặc bề mặt trở kháng cao (EBG) là những kỹ thuật quan trọng làm giảm kích thước anten, những cấu trúc này còn có thể ngăn cản sóng bề mặt trong một dải tần số xác định nào đó. Nhờ vậy, nâng cao độ cách ly giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO [16, 17]. Chính vì thế, nghiên cứu vật liệu có cấu trúc đặc biệt như EBG, DGS, CRLH-TL và ứng dụng cho thiết kế anten đơn, anten MIMO kích thước nhỏ, độ cách ly cao, đơn băng hoặc đa băng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến đang thu hút sự quan tâm lớn của nhiều nhà khoa học trên thế giới [18 – 27].

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 Anten kích thước nhỏ và vật liệu có cấu trúc đặc biệt 1

2 Những vấn đề còn tồn tại 3

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài 5

5 Những đóng góp chính của luận án 5

6 Cấu trúc nội dung của luận án 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN CHO THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG 7

1.1 Giới thiệu chương 7

1.2 Anten trong thiết bị đầu cuối di động 8

1.2.1 Tiến trình phát triển 8

1.2.2 Những kỹ thuật tiên tiến cho anten trong thiết bị đầu cuối di động 9

1.2.2.1 Kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten 10

1.2.2.2 Kỹ thuật đa băng 11

1.2.2.3 Kỹ thuật đa anten 12

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

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

2.2.4 Đánh giá 51

2.3 Cấu trúc DGS kép hình phức hợp cho anten băng tần milimet 52

2.3.1 Anten đa băng 28GHz và 38GHz sử dụng cấu trúc DGS kép 52

2.3.2 Kết quả 54

2.4 Kết luận chương 2 56

CHƯƠNG 3: ANTEN MIMO SỬ DỤNG CẤU TRÚC DS-EBG 58

3.1 Giới thiệu chương 58

3.2 Cấu trúc DS-EBG hình chữ H cho anten MIMO trong truyền thông 4G 59

3.2.1 Cấu trúc DS-EBG hình chữ H 59

3.2.2 Cấu trúc DS-EBG hình chữ H ứng dụng trong thiết kế anten MIMO đa băng 64

3.2.2.1 Anten MIMO 2.6GHz và 5.7GHz 64

3.2.2.2 Kết quả mô phỏng 64

3.2.2.3 Kết quả thực nghiệm 67

3.2.3 Đánh giá 68

3.3 Cấu trúc DS-EBG tròn cho anten MIMO băng tần milimet cho truyền thông 5G 70

3.3.1 Cấu trúc DS-EBG tròn 70

3.3.2 Cấu trúc EBG tròn ứng dụng cho thiết kế anten đa băng 28GHz và 38GHz 73

3.3.2.1 Anten đơn 73

3.3.2.2 Anten MIMO 73

3.3.2.3 Kết quả mô phỏng 74

3.3.2.4 Kết quả thực nghiệm 78

3.3.3 Đánh giá 80

3.4 Kết luận chương 3 81

CHƯƠNG 4: ANTEN ĐA BĂNG KÍCH THƯỚC NHỎ SỬ DỤNG CẤU TRÚC CRLH-CPW 83

4.1 Giới thiệu chương 83

4.2 Anten CRLH-CPW cho truyền thông 5G băng tần dưới 6GHz 83

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

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACM Artifical Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo

AMPS Advanced Mobile Phone

System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến BWA Broadband Wireless Access Truy nhập không dây băng rộng

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 Double Side EBG Cấu trúc EBG hai mặt

ECC Enveloped Correlation

EBG Electromagnetic Band Gap

FDTD Finite Difference Time Domain Phương pháp sai phân miền thời

gian

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

IoT Internet of Things Internet vạn vật

ITS Intelligent Transportation

LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ

LH Left Handed material Một loại siêu vật liệu

LTE 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

NRI Negative Refractive Index

material Vật liệu có chỉ số khúc xạ âm NWA New Wireless Access Truy nhập vô tuyến thế hệ mới

PBG Photonic Band-Gap structure Cấu trúc dải chắn photon

PEC Perfect Electric Conductor Vật dẫn điện hoàn hảo

PIFA Planar Inverted-F antenna 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

SAR Specific Absorption Rate Mức độ hấp thụ đặc biệt

SRR Split Ring Resonator Cộng hưởng vòng trên khe chẻ

TE Transverse Electric Điện trường ngang

UWB Ultra Wideband Băng siêu rộng

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 Các hệ thống di động không dây

WWAN Wireless Wide Area Network Mạng diện rộng không dây

ZOR Zeroth Oder Resonator Cộng hưởng bậc không

5 k (l/m) Hệ số sống trong không gian tự do (k=2/)

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.Tiến trình phát triển hệ thống truyền thông không dây [3],[19] 8

Hình 1.2 M519 – mẫu thiết kế mới năm 2017 cho dòng điện thoại dùng anten lắp ngoài 10 Hình 1.3 Mẫu anten hai băng được đề xuất lần đầu tiên năm 1996 [56] 11

Hình 1.4 Các dáng chẻ cơ bản trên mặt patch của anten PIFA [57] 11

Hình 1.5 Phân loại vật liệu trong hệ tọa độ (,) [64] 14

Hình 1.6 Các loại hình cấu trúc EBG [17] 15

Hình 1.7 Đặc tính dải chắn băng tần và pha phản xạ của cấu trúc EBG [17], [49] 17

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

Hình 2.13 Phân bố trường gần trên mặt phẳng E của anten MIMO sử dụng phương pháp

tiếp điện đường truyền vi dải 43

Hình 2.14 Tham số S của anten MIMO sử dụng phương pháp đường truyền vi dải với khoảng cách giữa hai điểm tiếp điện thay đổi 44

Hình 2.15 Các tham số S của anten MIMO đơn băng 3,5GHz khi sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục và đường truyền vi dải 44

Hình 2.16 Bức xạ 3D, 2D của anten MIMO sử dụng cấu trúc DGS 45

Hình 2.17 Chế tạo anten đơn sử dụng và không sử dụng cấu trúc DGS 45

Hình 2.18 Chế tạo anten MIMO DGS kép 45

Hình 2.19 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng của anten DGS 3,5GHz 46

Hình 2.20 Anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz sử dụng cấu trúc DGS 47

Hình 2.21 Phân bố mật độ dòng trên anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz 48

Hình 2.22 Đồ thị tham số S của anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz 48

Hình 2.23 Đồ thị bức xạ 3D và 2D của anten MIMO đa băng tại tần số hoạt động 2,6GHz 49

Hình 2.24 Đồ thị bức xạ 3D và 2D của anten MIMO đa băng tại tần số hoạt động 5,7GHz 49

Hình 2.25 Chế tạo anten MIMO DGS kép băng tàn 2,6GHz và 5,7GHz 50

Hình 2.26 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng của anten MIMO hai băng 50

Hình 2.27 Cấu trúc DGS phức hợp 53

Hình 2.28 Anten đơn 5G sử dụng cấu trúc DGS kép 53

Hình 2.29 Anten MIMO 5G sử dụng cấu trúc DGS kép 54

Hình 2.30 Phân bố mật độ dòng trên anten 5G sử dụng cấu trúc DGS kép 54

Hình 2.31 Đặc tính tương hỗ trên anten 5G sử dụng cấu trúc DGS kép 55

Hình 2.32 Đồ thị bức xạ 2D của anten MIMO 5G sử dụng DGS kép trên mặt phẳng yz 55

Hình 2.33 Đồ thị bức xạ 3D của anten MIMO 5G sử dụng cấu trúc DGS kép 56

Hình 3.1 Tiến trình thiết kế cấu trúc DS-EBG hình chữ H đề xuất 59

Hình 3.2 Cấu trúc một cel DS-EBG hình chữ H đề xuất 59

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

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

Hình 3.28 Đồ thị bức xạ 3D của anten MIMO không sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn 78

Hình 3.29 Đồ thị bức xạ 3D của anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn 78

Hình 3.30 Mẫu chế tạo anten MIMO sử dụng cấu trúc DS-EBG tròn 79

Hình 3.31 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm S11 của anten DS-EBG tròn 79

Hình 3.32 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm S12 của anten DS-EBG tròn 79

Hình 4.1 Anten đơn CRLH đề xuất 84

Hình 4.2 Phân bố mật độ dòng trên anten đơn CRLH 86

Hình 4.3 Đồ thị tham số S11 thay đổi theo các tham số kích thước 86

Hình 4.4 Đồ thị tham số S11 của anten đơn CRLH 87

Hình 4.5 Bức xạ 2D trên mặt phẳng yz và bức xạ 3D của anten đơn CRLH 87

Hình 4.6 Chế tạo anten CRLH 88

Hình 4.7 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng tham số S11 của anten CRLH 88

Hình 4.8 Cấu trúc đường biến đổi đều đề xuất 90

Hình 4.9 Hàm truyền đạt của một đơn vị trong cấu trúc đường biến đổi đều 91

Hình 4.10 Anten MIMO CRLH với cấu trúc đường biến đổi đều 91

Hình 4.11 Đồ thị tham số S của anten có và không có cấu trúc đường biến đổi đều 92

Hình 4.12 Phân bố mật độ dòng trên anten MIMO CRLH 92

Hình 4.13 Bức xạ 2D trên mặt phẳng yz và bứcxạ 3D của anten MIMO CRLH 93

Hình 4.14 Chế tạo anten MIMO CRLH 94Hình 4.15 So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng trên anten MIMO CRLH 94

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thông số kích thước của anten DGS tiếp điện bằng cáp đồng trục 38

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

MỞ ĐẦU

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

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 nội hạt WLAN, mạng không dây diện rộng Wimax, Công nghệ anten nhỏ đã có những 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 tích

hợp trong giới hạn kích thước nhỏ gọn của thiết bị đầu cuối di động Hơn thế nữa, các chuẩn công nghệ cho thiết bị đầu cuối thế hệ mới hiện nay và tương lai (802.11n, ac, ad; 802.16m; LTE và LTE advanced; 5G, IoT) đều có xu hướng sử dụng kỹ thuật đa anten phát đa anten

thu (MIMO) nhằm làm gia tăng dung lượng kênh [2]-[5] Điều này làm cho nhu cầu thu nhỏ

các phần tử trong thiết bị đầu cuối di động nói chung và phần tử anten MIMO nói riêng ngày càng trở nên quan trọng Chính vì thế, việc thu nhỏ kích thước anten MIMO của các phần tử thu phát trong thiết bị đầu cuối di động luôn là đề tài nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới

Có khá nhiều giải pháp để thực hiện kỹ thuật thu nhỏ anten như: đưa vào các phần tử ngắn mạch, sử dụng các tải thụ động, thay đổi hình dáng anten, … Tuy nhiên, phần lớn các

kỹ thuật thu nhỏ kích thước anten này đều nhằm mục đích làm dài thêm một cách nhân tạo

chiều dài điện của cấu trúc anten [1]

• “Đưa vào các phần tử ngắn mạch” là một trong các phương pháp phổ biến nhất được sử dụng trong anten vi dải Phương pháp này đưa vào trong thiết kế anten một hoặc nhiều phần tử ngắn mạch giữa cấu trúc bức xạ và mặt phẳng đất, nhằm tạo ra một cấu trúc anten cộng hưởng với chiều dài tương ứng /4 hay còn gọi là anten một phần tư bước

sóng 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 anten gặp nhiều thách thức về hệ số tính hướng và phân cực

• “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

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 đáng kể làm ảnh hưởng đến kích thước của thiết bị đầu cuối Trong nhiều năm qua, có khá nhiều nghiên cứu được thực hiện để tìm ra kỹ thuật giảm thiểu tương hỗ hay tăng độ phân cách giữa các anten MIMO Các nghiên cứu này đều dựa trên ý tưởng chính là tạo ra sự ngăn cách trường bức xạ giữa hai anten để giảm được tham số tán xạ S12, S21 Một vài kỹ thuật đã được đưa ra như tối thiểu hóa kích thước anten, chẻ khe trên vật liệu điện môi, phủ lên trên miếng 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 các

ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, dễ dàng tích hợp trên thiết kế mạch, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin di động, đạo hàng, vệ tinh Không những thế, hiệu năng của anten vi dải suy giảm rất lớn khi chịu ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử trong anten Vì vậy, đề xuất giải pháp nâng cao độ cách ly trong anten vi dải trong khi vẫn đảm bảo được các tham số hiệu năng cũng có thể áp dụng sang các loại hình anten sử dụng công nghệ mạch in khác trong thiết bị đầu cuối di động

Vật liệu có cấu trúc đặc biệt như cấu trúc dải chắn điện từ EBG, cấu trúc mặt đất khuyết DGS, cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH-TL là những cấu trúc tuần hoàn hay không tuần hoàn trên bề mặt vật liệu Ngoài việc tạo ra hiệu ứng sóng chậm (cấu trúc DGS) hay tạo ra mode cộng hưởng bậc không (CRLH-TL) hoặc bề mặt trở kháng cao (EBG) là những kỹ thuật quan trọng làm giảm kích thước anten, những cấu trúc này còn có thể ngăn cản sóng bề mặt trong một dải tần số xác định nào đó Nhờ vậy, nâng cao độ cách ly

giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO [16, 17]

Chính vì thế, nghiên cứu vật liệu có cấu trúc đặc biệt như EBG, DGS, CRLH-TL và ứng dụng cho thiết kế anten đơn, anten MIMO kích thước nhỏ, độ cách ly cao, đơn băng hoặc

đa băng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến đang thu hút sự quan tâm lớn của nhiều nhà

khoa học trên thế giới [18 – 27]

2 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

số cơ sở, nhóm nghiên cứu khác, liên quan gần đến chủ đề nghiên cứu như: nhóm nghiên cứu

về anten vi dải Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội [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 Kỹ thuật Quân sự [43]-[46], Tuy nhiên, nghiên cứu của các nhóm này hoặc tập trung vào giảm nhỏ kích thước anten theo phương pháp làm dài thêm một cách nhân tạo chiều dài điện (chiều

dài bước sóng cộng hưởng) của cấu trúc anten sử dụng cấu trúc fractal [39], cấu trúc gấp khúc [42], cấu trúc xoắn ốc [43], [44] hay công nghệ tụ điện màng mỏng [47] hoặc tập trung

nghiên cứu phát triển cấu trúc vật liệu đặc biệt cho các ứng dụng khác hay cải thiện một số

thông số khác của anten [40], [41]

Bên cạnh đó, cũng giống như trên thế giới, các nghiên cứu về cấu trúc DGS cho thiết kế

anten trước đó hoặc sử dụng hiệu ứng sóng chậm cho việc giảm nhỏ kích thước anten [40],

[48] hoặc sử dụng đặc tính dải chắn cho giảm thiểu tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO [16], [37] Điều này cũng tương tự với các thiết kế anten MIMO trong thiết bị

đầu cuối di động Phần lớn các đề xuất này đều phải sử dụng một giải pháp cho giảm nhỏ cấu

trúc anten và một giải pháp khác cho giảm tương hỗ [1], [2] Chính vì thế, các đề xuất anten

MIMO cho ứng dụng đầu cuối di động phần lớn chỉ phù hợp cho các thiết kế với điều kiện cụ thể với các cấu trúc anten cụ thể Hơn thế nữa, điều này còn làm cho thiết kế anten phức tạp

và tác động giữa hai giải pháp có thể làm hạn chế tính năng của từng giải pháp

Mặt khác, cấu trúc EBG được đánh giá là một trong những cấu trúc mang lại hiệu quả cách ly cao cho các thiết kế anten MIMO sử dụng công nghệ planar do đặc tính chắn băng mà

các cấu trúc vật liệu tự nhiên không có [49] Tuy nhiên cấu trúc EBG đơn lớp lại có cấu trúc

cell lớn khiến cho khoảng cách giữa hai phần tử bức xạ cũng lớn theo, làm gia tăng kích

thước tổng thể của thiết kế MIMO [50], [51] Sử dụng các kỹ thuật chẻ khe hay biến đổi cấu

trúc bề mặt cell EBG để giảm nhỏ kích thước lại làm gia tăng độ phức tạp trong thiết kế, chỉ phù hợp với những điều kiện cụ thể, khó tối ưu tần số hoạt động theo ứng dụng mong muốn [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

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Mục tiêu nghiên cứu

− Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm nhỏ kích thước anten và cải thiện đồng thời các tham số anten đơn như nâng cao hệ số tăng ích, mở rộng băng thông, sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt

− Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ và cải thiện đồng thời các tham số cơ bản trong anten MIMO như nâng cao hệ số tăng ích, mở rộng băng thông, sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt

• Đối tượng nghiên cứu:

− Anten vi dải cho các thiết bị đầu cuối di động

− Anten MIMO kích thước nhỏ

− Vật liệu có cấu trúc đặc biệt: DGS, EBG, CRLH-TL

• Phạm vi nghiên cứu:

− Anten đơn, anten MIMO sử dụng công nghệ planar, có cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo

− Băng tần chủ đạo cho cho truyền thông 4G/5G Cụ thể:

+ Truyền thông 4G: băng 2.6GHz, 3.5GHz

+ Truyền thông 5G: Băng 28GHz và 38GHz (băng tần milimet), Băng 3.5GHz

và 5GHz (băng tần 5G dưới 6GHz)

• Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu trong luận án đi từ lý thuyết đến thực nghiệm Đầu tiên luận

án nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình, sau đó tính toán mô phỏng, chế tạo mẫu và đo lường, đánh giá

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài

• 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

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

− Đề xuất cấu trúc dải chắn băng tần DS-EBG, có thể giảm đáng kể kích thước của EBG nhờ hiệu ứng bức xạ hai mặt mà vẫn đơn giản trong thiết kế, chế tạo, ứng dụng làm giảm sâu ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO Bên cạnh đó, cấu trúc này có thể cải thiện hệ số tăng ích, mở rộng băng thông cho thiết kế anten Đặc biệt, cấu trúc DS-EBG không làm suy giảm hiệu suất bức xạ của anten

− Đề xuất anten đa băng CRLH kết hợp với phương pháp tiếp điện đồng phẳng CPW, đạt kích thước nhỏ gọn, băng thông rộng, ứng dụng cho truyền thông băng rộng 5G băng tần dưới 6GHz Đồng thời, đề xuất cấu trúc đường biến đổi đều, giảm sâu tương hỗ cho anten MIMO băng rộng 5G

6 Cấu trúc nội dung của luận án

Nội dung chính của luận án bao gồm bốn chương:

Chương 1 trình bày sự phát triển của hệ thống truyền thông vô tuyến cũng như các yêu cầu, đặc tính về anten cho thiết bị đầu cuối trên các hệ thống này Trên cơ sở đó, nội dung chương một giới thiệu một số kỹ thuật quan trọng trong thiết kế anten trên các hệ thống truyền thông tiên tiến hiện nay bao gồm kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten, kỹ thuật tạo anten đa băng và kỹ thuật đa anten thu đa anten phát (MIMO) Đồng thời nội dung của chương đi sâu vào nghiên cứu, phân tích ba loại hình cấu trúc đặc biệt: EBG, DGS và CRLH, làm tiền đề cho việc đề xuất các cấu trúc mới trong các chương sau, nhằm thiết kế anten kích thước nhỏ và cải thiện các tham số hiệu năng của anten đơn, anten MIMO trong thiết bị đầu cuối di động hiện nay

Chương 2 đề xuất chỉ một cấu trúc DGS kép, khi kết hợp trên kiến trúc anten với vị trí

và phương chiều hợp lý, phương pháp tiếp điện phù hợp, vừa giảm nhỏ kích thước anten vừa nâng cao được độ cách ly giữa các phần tử cạnh nhau trong anten MIMO Đề xuất này đã giải quyết được thách thức về độ phức tạp cũng như sự suy giảm thông số hiệu năng của anten MIMO khi phải sử dụng đồng thời hai giải pháp kết hợp: một giải pháp cho giảm kích thước anten và giải pháp khác cho giảm tương hỗ giữa hai phần tử anten trong hệ anten MIMO

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

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 cuối…

Bên cạnh đó, trong những năm gần đây, các yêu cầu về ứng dụng mới, các dịch vụ mới cho thiết bị di động ngày càng gia tăng không ngừng, đặc biệt là các yêu cầu về tốc độ dữ liệu Do đó, công nghệ MIMO (đa anten phát đa anten thu) luôn thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học nhằm gia tăng tốc độ chuyển giao dữ liệu lên nhiều lần Vấn

đề chính của hệ thống MIMO, đặc biệt cho thiết bị cầm tay di động là khi các anten đặt cách nhau một khoảng ngắn, để đảm bảo yêu cầu về kích thước nhỏ gọn sẽ gặp phải hiện tượng tương hỗ giữa các anten, gây suy giảm chất lượng tín hiệu Vì vậy, nghiên cứu các đặc tính trong anten và anten MIMO cũng như vật liệu có cẩu trúc đặc biệt để cải thiện các tham số cho anten trong thiết bị đầu cuối di động là mục đích chính của chương Trên cơ sở đó, nội dung của chương chia làm ba phần

Đầu tiên, nội dung của chương tập trung vào nghiên cứu, tìm hiểu các đặc tính về anten cho thiết bị đầu cuối di động và các kỹ thuật quan trọng như kỹ thuật giảm nhỏ kích thước, kỹ thuật tạo đa băng và kỹ thuật đa anten MIMO Tiếp đó, nội dung chương đi sâu vào tìm hiểu vật liệu có cấu trúc đặc biệt với đại diện tiêu biểu là cấu trúc dải chắn điện từ EBG, cấu trúc mặt 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 đặc tính 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 thước phần tử bức xạ cũng như kích thước tổng thể của anten, mở rộng băng thông, tăng hệ số tăng ích, giảm tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO,

1.2 Anten trong thiết bị đầu cuối di động

1.2.1 Tiến trình phát triển

Trong hai thập kỷ gần đây, truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển lớn Ngày càng nhiều các thiết bị truyền thông không dây ra đời với cấu trúc nhỏ gọn nhưng đầy đủ năng lực tính toán cũng như khả năng cung cấp các ứng dụng Máy điện thoại di động giờ đây 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

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

− Phát triển các dịch vụ đa phương tiện

− Phát triển mạng đa chiều

− Phát triển hệ thống di động dựa trên xử lý phần mềm

Các loại hình anten được dùng cho hệ thống truyền thông di động cũng được phát triển theo các giai đoạn phát triển chính của truyền thông di động Khi dung lượng của hệ thống đạt tới giới hạn do sự gia tăng nhanh chóng của người sử dụng thì tần số hoạt động cho các hệ thống 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 thống truy 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 mới được phát triển và đưa vào sử dụng trong các thiết bị đầu cuối di động, từ cấu trúc biến đổi như anten cấu trúc hình chữ F ngược, anten sử dụng công nghệ planar đến biến đổi đặc tính như anten thông minh, anten tái cấu hình, từ sử dụng anten đơn đến phát triển anten mảng thích ứng, anten MIMO và đặc biệt anten sử dụng các cấu trúc đặc biệt hay anten siêu vật liệu cho giảm nhỏ kích thước và cải thiện đồng thời nhiều đặc tính cơ bản của anten

Để có được sự phát triển nhanh chóng của các loại hình anten trong hệ thống truyền thông di động không thể không kể đến vai trò to lớn của các công nghệ mô phỏng trường điện

từ Đặc biệt các phần mềm mô phỏng gần đây vô cùng hữu ích cho việc thiết kế hệ thống anten ngay cả khi anten có cấu trúc vô cùng phức tạp Ví dụ như cấu trúc anten tích hợp với các phần tử siêu vật liệu hay các cấu trúc anten in trên da người Bằng việc tính toán phân bố mật độ dòng điện các thiết kế anten, hiệu năng cũng như các tham số cơ bản của anten đều có thể được xác định chính xác Thông thường các kết quả mô phỏng đều được so sánh với các kết quả thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác của thiết kế Tuy nhiên, với những thiết kế anten siêu nhỏ hoặc siêu phức tạp, gần như rất khó để thực hiện chế tạo thì công cụ mô phỏng

là giải pháp duy nhất cho việc phân tích và đánh giá các kết quả nghiên cứu

1.2.2 Những kỹ thuật tiên tiến cho anten trong thiết bị đầu cuối di động

Các loại hình anten được sử dụng trong các thiết bị đầu cuối di động ngày nay không chỉ đơn thuần dựa trên cấu trúc PIFA cải tiến mà được phát triển vô cùng phong phú và đa dạng với cấu trúc fratal, cấu trúc đường uốn khúc trên bề mặt phẳng, cấu trúc vòng lặp, cấu trúc 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

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 Anten khe và anten IFA cũng là các trường hợp đặc biệt của anten chẻ khe trong khi anten PIFA được coi là cấu trúc kết hợp giữa anten lưỡng cực và anten chẻ khe Anten này có kích thước khá nhỏ gọn và được dùng làm anten lắp trong trong phần lớn các thiết bị điện thoại di động ngày nay Ngoài ra anten nhỏ còn có anten hốc cộng hưởng (cavity antenna) với đại diện điển hình và đơn giản nhất là anten patch (anten bức xạ mặt) hay anten vi dải, anten DRA [1]

Hình 1.2 M519 – mẫu thiết kế mới năm 2017 cho dòng điện thoại dùng anten lắp ngoài

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, tạo chân (pin) hay bề mặt ngắn mạch hoặc sử dụng chất nền có điện môi cao Tuy nhiên những giải pháp này luôn làm suy giảm hiệu năng của anten khi thu nhỏ kích thước [55]

Đối với anten dây, anten stubby, lựa chọn vật liệu có chất nền điện môi cao là cách điển hình để giảm kích thước anten Tuy nhiên, đối với anten vi dải, một vài biện pháp có thể sử dụng như:

− Cấu trúc đa lớp để thu được đa lớp cộng hưởng

− Chẻ khe để tăng chiều dài điện trong khi vẫn giữ nguyên kích thước anten

− Sử dụng phần tử ngắn mạch để tạo ra yếu tố giảm nửa kích thước

− Sử dụng vật liệu có chất nền điện môi cao

− Sử dụng cấu trúc siêu vật liệu

1.2.2.2 Kỹ thuật đa băng

Thiết kế anten đa băng cho đa công nghệ trên thiết bị đầu cuối di động là một chủ đề nghiên cứu thu hút được nhiều sự quan tâm, được ứng dụng rộng rãi cho truyền thông không dây đa băng Từ giữa những năm 90 của thế kỷ trước, do nhu cầu gia tăng ứng dụng và sự giới hạn ngày càng nhỏ gọn của thiết bị đầu cuối di động đã thúc đẩy việc hình thành anten đa băng và giờ đây nó trở thành một công nghệ mấu chốt trong anten cho thiết bị cầm tay di 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]

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

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 802.11n, HSPA, LTE và bây giờ MIMO tiếp tục được sử dụng trong LTE-Advanced cũng như các công nghệ truyền thông không dây thế hệ tiếp theo

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

Theo truyền thống, đa anten được sử dụng để nâng cao sự phân tập do đó khắc phục được hiện tượng pha đinh Mỗi một cặp anten thu phát sẽ cung cấp một đường tín hiệu từ máy phát đến máy thu Bởi việc gửi tín hiệu với cùng tần số, cùng thông tin thông qua các đường khác nhau, đa bản sao độc lập của dữ liệu có thể thu nhận tại máy thu do đó tín hiệu thu được

sẽ có độ tin cậy cao hơn [58] Đây chính là hiệu năng của hệ thống MIMO Hệ thống MIMO dựa trên dung lượng và hiệu suất phổ bất thường của nó trong các môi trường nơi mà các đường tín hiệu không liên quan tới nhau và điều này đặc biệt thông dụng trong các môi trường phân tán

Yêu cầu chính trong hệ thống MIMO là các anten phải thu được các tín hiệu khác nhau ngay cả khi các anten có khoảng cách rất gần nhau Các đường tín hiệu khác nhau nên không tương quan với nhau để đảm bảo hệ số tăng ích đa dạng cũng như ảnh hưởng tương hỗ là nhỏ nhất (có thể để tránh sự truyền tải năng lượng giữa các anten và do đó làm tăng độ tương hỗ) Khi hai anten đặt gần nhau, một hoặc cả hai anten cùng thu phát tín hiệu, một phần năng lượng của anten này sẽ ảnh hưởng tới anten còn lại Sự ảnh hưởng này phụ thuộc vào:

− Đặc tính bức xạ của mỗi anten

− Khoảng cách giữa hai anten

− Tính hướng của mỗi anten

Có nhiều cơ chế khác nhau để gây ra ảnh hưởng năng lượng Trường hợp đặc biệt, khi hai anten cùng phát tín hiệu, do đặc tính định hướng không lý tưởng của anten trong thực tế, năng lượng bức xạ từ mỗi anten được nhận bởi anten còn lại Phần năng lượng không mong muốn trên một hoặc cả hai anten này có thể được phản xạ lại theo một hướng khác khiến chúng trở thành nguồn phát thứ hai Sự trao đổi năng lượng này được gọi là “mutual 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

xem xét trong các thiết kế anten MIMO Tuy nhiên, trong thực tế, phần lớn các anten thực nghiệm đều không thể tiên đoán bằng các phương pháp logic mà phải sử dụng phương pháp thống kê bởi vì đặc tính tương hỗ của mỗi cấu hình anten không thể tổng quát hóa

Theo Fan Yang [49], với hệ anten MIMO vi dải 1x2, trên mặt phẳng E, các anten trên

bề mặt chất nền điện môi có độ dày mỏng và hằng số thấp thì có mức tương hỗ là thấp nhất trong khi các anten trên bề mặt chất nền điện môi dày và có hằng số điện môi cao có độ tương

hỗ cao Tương hỗ lớn khi hằng số điện môi tăng và độ dày tăng lên Lý do là các anten vi dải trên bề mặt chất nền điện môi cao và dày có sóng bề mặt hoạt động mạnh Bên cạnh đó, khoảng cách anten càng tăng thì ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ đặt cạnh nhau trên anten MIMO càng giảm Với khoảng cách 0,5 thì anten trên cả hai loại vật liệu RT5880 (=2,2) và RT6100 (=10,2) với các chiều dày 1mm và 2mm phần lớn đều có mức tương hỗ lớn hơn cho phép (-20dB) Trên mặt phẳng H, ngược lại với mặt phẳng E, tương hỗ tác động mạnh nhất khi các anten được gắn trên chất nền hằng số điện môi thấp và dày và tương hỗ tác động yếu nhất trong trường hợp chất nền có hằng số điện môi cao và mỏng Thật thú vị khi tăng độ dày chất nền thì tác động tương hỗ tăng nhưng tăng hằng số điện môi tác động tương

hỗ lại giảm Đồng thời tương hỗ của anten vi dải được xác định bởi các sóng bề mặt định hướng và kích thước anten Đặc biệt các sóng bề mặt có tác động mạnh trong tương hỗ mặt phẳng E của hệ anten vi dải Chính vì thế, khi xét ảnh hưởng tương hỗ trong anten vi dải, chỉ cần xác định trên mặt phẳng E, bỏ qua tác động này trên mặt phẳng H [17], [49]

• Hệ số tương quan

Bên cạnh việc xác định tương hỗ thông qua ảnh hưởng của trường điện từ trên mặt phẳng

E, một cách khác dùng để xác định ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO là thông qua hệ

số tương quan ECC (Enveloped correlation coefficient) Hệ số tương quan ECC giữa anten i

và anten j trong hệ anten MIMO NxN có thể được xác định dựa trên tham số tán xạ và truyền dẫn thông qua công thức sau [60]

|𝜌𝑒(𝑖, 𝑗, 𝑁)| = |∑ 𝑆𝑖,𝑁

∗ 𝑁 𝑛=1 SN,j|

1.3 Vật liệu có cấu trúc đặc biệt trong thiết kế anten kích thước nhỏ

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

Hình 1.5 Phân loại vật liệu trong hệ tọa độ (,) [64]

Bên cạnh đó, dựa vào thuộc tính trường điện từ, lại có thể phân chia tiếp thành các dạng khác nhau như sau [49]:

− Vật liệu DNG (Double Negative material): Là vật liệu mà cả hai thông số hằng số điện môi và độ từ thẩm đều âm

− Vật liệu LH (Left Handed material): Là vật liệu mà chiều của điện trường, từ trường

và phương truyền sóng thỏa mãn cấu trúc LH

− Vật liệu NRI (Negative Refractive Index material): Là vật liệu có chỉ số khúc xạ âm

− Vật liệu Magneto: Là vật liệu có khả năng điều khiển hệ số từ thẩm

− Bề mặt mềm và cứng: Là những bề mặt có khả năng cho phép hay ngăn cản sự lan truyền của sóng điện từ

− Bề mặt trở kháng cao: Là bề mặt có trở kháng lớn với cả mode TE (điện trường ngang) và mode TM (từ trường ngang)

− Dây dẫn từ nhân tạo AMC (Artifical Magnetic Conductor): Là vật dẫn từ nhân tạo có tính chất tương tự như vật dẫn từ hoàn hảo

1.3.1 Cấu trúc dải chắn điện từ EBG

1.3.1.1 Khái niệm và đặc điểm

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 trở hoặc hỗ trợ sự lan truyền sóng điện từ trường trong một dải tần xác định đối với mọi góc tới

và mọi trạng thái phân cực của sóng” Cấu trúc EBG thường được tạo thành bởi sự sắp xếp

tuần hoàn các vật liệu điện môi và vật dẫn kim loại Cấu trúc EBG là một loại hình siêu vật liệu hay vật liệu có cấu trúc đặc biệt Dựa vào cấu trúc hình học, có thể phân cấu trúc EBG ra làm ba loại: cấu trúc khối ba chiều, cấu trúc phẳng hai chiều và cấu trúc đường truyền một chiều như chỉ ra trong hình 1.6 Trong đó cấu trúc phẳng hai chiều được quan tâm, nghiên cứu nhiều nhất vì ưu điểm nhỏ gọn, chi phí sản xuất thấp và ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật anten, đặc biệt là anten vi dải

(a) Cấu trúc đường truyền một chiều

(b) Cấu trúc phẳng hai chiều (c) Cấu trúc hình khối ba chiều

Hình 1.6 Các loại hình cấu trúc EBG [17]

Khi tương tác với sóng điện từ, cấu trúc EBG phẳng hai chiều có hai tính chất:

− Có một dải tần số mà các sóng bề mặt không thể lan truyền (hình 1.7a), ứng dụng để giảm thiểu tương hỗ giữa các phần tử đặt gần nhau trong anten mảng, anten MIMO

sử dụng công nghệ planar

− Khi sóng tới là sóng phẳng, tại một tần số nào đó, cấu trúc EBG sẽ phản xạ sóng với

hệ số phản xạ +1 (tính chất của vật dẫn từ hoàn hảo PMC) Cấu trúc EBG khi đó được gọi là vật dẫn từ nhân tạo AMC (hình 1.7b), ứng dụng làm bề mặt phản xạ, nâng cao hệ số tăng ích cho các loại hình anten sử dụng công nghệ planar

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]

và bề mặt EBG uni phẳng [71]-[73]

1.3.1.2 Phân tích cấu trúc EBG

Đặc tính của một cấu trúc EBG có thể được xác định thông qua pha phản xạ, đồ thị tán sắc hay tham số tán xạ bởi phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FDTD hay phân tích

hệ số đường truyền trực tiếp

Tính chất điện từ của một bề mặt có thể dự đoán được từ đặc tính của pha phản xạ Nếu pha phản xạ là 1800, đây được coi là vật dẫn điện hoàn hảo (PEC) Nếu một sóng phẳng tác động đến PEC, hệ số phản xạ là -1 Tương tự như vậy đối với vật dẫn từ hoàn bảo (PMC), pha phản xạ là 00 và hệ số phản xạ là +1 [49] Tuy nhiên, không tồn tại bề mặt PMC trong tự nhiên Pha phản xạ của một bề mặt EBG sẽ thay đổi từ -1800 đến +1800 theo tần số và miền tần số trong khoảng từ -900 đến +900 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 thị tán sắc hay tham số tán xạ

• Đồ thị tán sắc được xây dựng dựa trên lý thuyết Bloch, phân tích một cấu trúc đơn

vị (cell) và áp dùng các điều kiện bờ tuần hoàn để mô phỏng đặc tính tuần hoàn của cấu trúc Biến số pha sẽ thể hiện véc-tơ sóng k được thay đổi trên các đường biên

của tam giác Brillouin [49] Phân tích các mode sẽ rút ra được mode tần số khả hữu

ứng với véc-tơ sóng k, như biểu diễn trong hình 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 việc xác định đặc tính dải chắn của một cấu trúc giảm tương hỗ hay mạch lọc Đơn giản

và tiết kiệm thời gian hơn nhiều phương pháp sử dụng đồ thị tán sắc mà cho ra kết quả dải chắn băng tần EBG tương đối như nhau Độ rộng băng tần chắn có thể xác định bởi khoảng suy giảm tham số truyền dẫn -15dB như trên hình 1.7 (a) [17] Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả ngăn chặn sóng bề mặt cao, giá trị này càng thấp càng

tốt và thường xác định ở giá trị suy giảm dưới -20dB [75]

Đối với các cấu trúc EBG dùng để ứng dụng trên các thiết kế anten, việc xác định đồ thị tham số tán xạ hay hàm truyền đạt là đủ để đánh giá các đặc tính của cấu trúc EBG, xác định được chính xác dải chắn băng tần của cấu trúc Sử dụng thêm đồ thị tán sắc sẽ cho thông tin

có độ chính xác cao hơn về dải chắn băng tần tuy nhiên điều này đòi hỏi phải thêm rất nhiều thời gian cũng như yêu cầu về năng lực và bộ nhớ của máy tính Yêu cầu này càng tăng khi

cấu trúc cell EBG càng phức tạp [17]

(a) Dải chắn băng tần dựa trên đồ thị tham số tán xạ (b) Đặc tính pha phản xạ

(c) Đồ thị tán sắc Hình 1.7 Đặc tính dải chắn băng tần và pha phản xạ của cấu trúc EBG [17], [49]

Một cách khác để phân tích và giải thích nguyên lý hoạt động cũng như các thuộc tính dải chắn của một cấu trúc EBG là mô hình hóa cấu trúc dưới dạng mạch cộng hưởng LC [49]

Từ các giá trị L và C được xác định bởi kích thước hình học của cấu trúc, tần số hoạt động của cấu trúc cũng như băng tần của dải chắn được xác định Tuy nhiên kết quả thường có độ chính xác không cao do sự xấp xỉ các giá trị L và C và phương pháp này không dễ thực hiện đối với các cấu trúc EBG phức tạp

− Cấu trúc EBG hình nấm

Nguyên lý hoạt động của cấu trúc EBG hình nấm có thể giải thích bằng mô hình mạch

LC được biểu diễn như trong hình 1.8 [35] Mỗi một cell đơn vị bao gồm một mạch LC nối

tiếp kết hợp với một mạch LC song song Cấu trúc này cũng chính là cấu trúc siêu vật liệu với

mô hình đường truyền tổng hợp thành phần LH kết hợp với RH (CRLH-TL) sẽ đề cập tiếp tục

ở phần 1.3.3 của chương này

Hình 1.8 Mô hình hóa cấu trúc EBG hình nấm [35]

Dải chắn của cấu trúc EBG hình nấm được xác định trong khoảng từ f1 đến f2 với f1 và

f2 lần lượt được xác định bởi công thức [76]:

Trong đó, LR là điện cảm tương đương được tạo nên từ biến đổi dòng điện chạy từ phiến kim loại phía trên xuống mặt phẳng đế còn CL là điện dung tương đương được tạo nên bởi khoảng cách giữa các cell EBG LL là điện cảm tương đương sinh ra từ dòng điện chạy trên cột nối hình trụ có bán kính r (via) CR là điện dung tương đương được tạo nên từ điện thế giữa các phiến kim loại với mặt phẳng đế

Tần số hoạt động của cấu trúc EBG hình nấm được xác định bởi công thức [49]:

− Cấu trúc EBG uni phẳng

Nguyên lý hoạt động của cấu trúc EBG uni phẳng được giải thích bằng mô hình tương

đương được thể hiện trong hình 1.9 [71]

Đơn giản hơn trong chế tạo và phù hợp cho các vật liệu có bề dầy mỏng nhưng cấu trúc EBG uni phẳng lại khá phức tạp trong việc phân tích và mô hình hóa Dải chắn của cấu trúc EBG uni phẳng được xác định trong khoảng từ f1-uni đến f2-uni với f1-uni và f2-uni lần lượt được xác định bởi công thức [71]:

𝑓1−𝑢𝑛𝑖= 1

π√Cp(Lp+ Lbridge) (1.6)

(a) Cấu trúc cell EBG phẳng

(b) Mô hình mạch tương đương Hình 1.9 Mô hình hóa cấu trúc EBG uni phẳng [71]

1.3.1.3 Xu hướng phát triển cấu trúc EBG

Với các đặc tính kể trên, cấu trúc EBG đã, đang và sẽ thu hút sự quan tâm, nghiên cứu của các nhà khoa học trong thiết kế mạch siêu cao tần nói chung và anten kích thước nhỏ nói riêng, đặc biệt là trong các thiết kế anten vi dải Đặc tính chắn băng trong cấu trúc EBG phẳng hai chiều rất hữu ích cho việc triệt sóng bề mặt trên các thiết kế anten vi dải cũng như anten sử dụng công nghệ planar Đặc tính này tùy thuộc vào cấu trúc và vị trí tương quan với anten mà có thể cải thiện một hoặc một vài các thông số cơ bản của anten vi dải như mở rộng băng tần hoạt động, nâng cao hệ số tăng ích, thiết kế anten cấu trúc nhỏ gọn, giảm hài, điều khiển 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 các phần tử bức xạ đặt gần nhau Trong thời gian vừa qua, có nhiều hướng phát triển cấu trúc EBG tuy nhiên sự phát triển các cấu trúc EBG trong lĩnh vực anten kích thước nhỏ đi theo ba hướng chính: Giảm nhỏ kích thước cell EBG; tạo cấu trúc EBG với đa dải chắn (EBG đa băng) [17]; ứng dụng EBG cho thiết kế anten băng tần milimet

− Giảm nhỏ kích thước cell EBG

Một trong những xu hướng phát triển của thiết bị đầu cuối di động trong các hệ thống truyền thông tiên tiến ngày nay là kích thước nhỏ gọn, phù hợp với sở thích của người sử dụng Điều này dẫn đến việc kích thước anten trong thiết bị cũng phải nhỏ gọn theo Cấu trúc EBG với các đặc tính lý thú nhằm cải thiện các đặc tính của anten cũng buộc phải giảm nhỏ kích thước cell để phù hợp với anten cũng như xu hướng giảm nhỏ của thiết bị đầu cuối Giải pháp chính để các nhà nghiên cứu giảm nhỏ kích thước cell EBG trong khi vẫn giữ nguyên tần số trung tâm của dải chắn là tạo các khe hẹp trên bề mặt kiến trúc EBG [21], [54] hay thiết

kế cấu trúc EBG đa lớp [20] hoặc kết hợp cả hai [55] nhằm làm tăng thêm giá trị điện cảm và điện dung, giảm tần số chặn dưới của cấu trúc cũng như tần số hoạt động trung tâm

Kiến trúc chẻ khe trên mặt bức xạ của cấu trúc EBG dạng nấm hay EBG uni phẳng có thể được biến thể thành nhiều dạng khác nhau với tiêu chí tạo thêm nhiều L và C nhằm giảm thiểu kích thước cell EBG như cấu trúc fractal [35], cấu trúc đường vi dải uốn khúc [35], [77], cấu trúc đường xoắn ốc [34] hay cấu trúc kết hợp đường uốn khúc và xoắn ốc [78] Kiến trúc càng nhiều khe, nhiều đường thì càng tạo nhiều L và C, do đó kích thước cell EBG càng được giảm nhỏ Ghosh và cộng sự [21] đã giảm được 78% kích thước cell EBG với cấu trúc đường

vi dải hẹp xếp liên tiếp nhau trên cell EBG Tuy nhiên, điều này làm tăng độ phức tạp trong thiết kế, tăng thời gian chạy mô phỏng để xác định và phân tích các đặc tính của cấu trúc EBG đồng thời rất khó tối ưu các tham số kích thước trong thiết kế cell EBG để thu được tần

số hoạt động hay dải hoạt động như mong muốn

Kiến trúc EBG đa lớp [20], [35] cho hiệu quả giảm nhỏ kích thước khá cao, lên đến 61% [20] Tuy nhiên, cấu trúc này gặp trở ngại lớn về khả năng chế tạo, đặc biệt là những cấu trúc đa lớp kết hợp với chẻ khe [55] Bên cạnh đó, việc sử dụng đa lớp EBG cũng làm tăng chiều dày của cấu trúc EBG dẫn đến làm tăng chiều dày tổng thể của kiến trúc anten Điều này làm cho thiết kế anten sử dụng cấu trúc EBG đa lớp khó phù hợp với xu thế ngày càng mỏng của các thiết bị đầu cuối hiện đại

− Tạo cấu trúc EBG đa băng

Cùng với xu hướng anten đa băng cho đa ứng dụng trong thiết bị đầu cuối di động nhằm làm giảm số lượng anten chiếm dụng trong giới hạn vỏ máy, kiến trúc cell EBG cũng được phát triển từ đơn băng sang đa băng Năm 2012, lần đầu tiên Alarm và các cộng sự [79] đã tạo

ra cấu trúc EBG hai băng sử dụng chẻ khe hình vòng SRS (split ring slot) với hai dải chắn tại băng 7GHz và 13GHz Tuy là cấu trúc EBG hai băng nhưng khi áp dụng trên anten vi dải, cấu trúc này mới chứng minh hiệu quả trên đơn băng: cải thiện băng thông và phản xạ ngược trên anten vi dải đơn băng cộng hưởng tại tần số 6,79GHz và giảm tương hỗ cho anten vi dải đơn băng tại tần số hoạt động 13GHz Hơn nữa khoảng cách giữa hai phần tử bức xạ khá lớn, 0,90 với 0 là tần số hoạt động 13GHz Sau đó, H N B Phương và các tác giả đã phát triển cấu trúc EBG ba băng [35] sử dụng cấu trúc đường mạch uốn khúc kết hợp với vòng cộng hưởng SSRR (Square split ring resonant) Cấu trúc EBG này cho ba dải chắn tại tần số hoạt động 3,5GHz, 5,7GHz và 7GHz với cấu trúc một cell đơn vị 12x12mm2 Tuy nhiên, cấu trúc này chưa chứng minh được khả năng áp dụng trên anten đa băng Đặc tính giảm tương hỗ của cấu trúc EBG trên anten của nhóm tác giả này cũng mới dừng lại kiểm nghiệm trên anten vi dải đơn băng với khoảng cách giữa hai phần tử bức xạ là 0,60 [35]

− EBG cho truyền thông 5G băng tần milimet

Gần đây, cấu trúc EBG cũng thu hút khá nhiều sự quan tâm, nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới cho ứng dụng anten băng tần militmet, ứng dụng cho truyền thông 5G [21], [53], [54], [80], [81] Xu hướng này có được là do kích thước cell EBG phụ thuộc vào tần số hoạt động nên sẽ rất nhỏ tại băng tần milimet [49] Vì vậy, các thiết kế EBG có thể cải thiện hệ số tăng ích và giảm thiểu tương hỗ giữa các phần tử bức xạ đặt gần nhau mà không cần quan tâm quá nhiều đến yếu tố kích thước Tuy nhiên, thách thức đặt ra cho các thiết kế EBG băng tần milimet là băng thông rộng, đáp ứng yêu cầu truyền thông 5G cũng như thiết

kế phải đảm bảo sự cân bằng giữa khả năng chế tạo và hiệu quả cải thiện các thông số của anten do kích thước của cell EBG cũng như anten đều ở mức milimet [3], [82] Cũng giống như anten băng tần thấp, anten cho thiết bị đầu cuối di động băng tần milimet cũng hoạt động

đa băng đòi hỏi cấu trúc EBG cũng phải đa băng Tuy nhiên các đề xuất EBG băng tần milimet gần đây mới chỉ đưa ra các cấu trúc đơn băng [21], [53], [81], một số cấu trúc EBG băng tần này có thể cải thiện đặc tính cho anten 5G đa băng nhưng chỉ dừng lại ở mở rộng băng thông [54] hay nâng cao hệ số tăng ích [80] cho anten vi dải và chưa chứng minh được đặc tính này trên cell hay cấu trúc EBG cũng như chứng minh được cấu trúc EBG là đa băng

1.3.2 Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS

1.3.2.1 Khái niệm và đặc điểm

Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (Defected Ground Structure – DGS) là một loại hình cấu trúc đặc biệt được phát triển gần đây từ các nghiên cứu về cấu trúc dải chắn điện từ (EBG) Cấu trúc DGS được xây dựng bằng cách khắc một hoặc nhiều ô đơn vị (unit cell) trên mặt phẳng đất của chất nền Tùy thuộc vào hình dáng và kích thước của hình khắc mà phân bố mật độ dòng trên mặt phẳng đất bị biến đổi, dẫn đến thay đổi đặc tính truyền dẫn của sóng

điện từ trường trong chất nền Hình dáng của DGS có thể thay đổi từ đơn giản đến phức tạp,

từ cấu trúc đơn (một phần tử) đến cấu trúc tuần hoàn, sao cho có thể cải thiện tốt nhất các tham số hiệu năng của thiết kế siêu cao tần Chính vì thế, cấu trúc DGS rất phong phú về loại hình cũng như cấu trúc Ví dụ như DGS hình quả tạ và các biến thể, hình xoắn ốc, hình đường mạch uốn khúc, cấu trúc fractal, cấu trúc CSRR hay hình chữ nhật, hình chữ H, U, V, được chỉ ra trong hình 1.10

Hình 1.10 Phân loại DGS [83]

Được phát triển từ cấu trúc EBG nên cấu trúc DGS cũng kế thừa đặc tính chắn sóng (stop band) của EBG Bên cạnh đó, cấu trúc này còn có thêm đặc tính quan trọng khác là đường truyền sóng chậm (slow wave)

− Đường truyền sóng chậm

Cũng giống như cấu trúc EBG, cấu trúc DGS cũng có thể được mô hình hóa dưới dạng mạch cộng hưởng LC bao gồm các thành phần điện cảm L và điện dung C như chỉ ra trong hình 1.10 cho một cấu trúc DGS điển hình hình quả tạ (dumbell)

Hình 1.11 DGS hình quả tạ [84]

Nhờ có cấu trúc DGS, thành phần điện cảm và điện dung tương tương trong mạch cao tần sẽ tăng thêm tương đương với việc đường truyền sóng qua mạch cao tần khi có cấu trúc DGS sẽ dài hơn đường truyền vi dải tiêu chuẩn khi cùng một chiều dài vật lý Hay nói một cách khác, nếu cùng một tần số hoạt động, kích thước của mạch cao tần sẽ giảm xuống Đây chính là đặc tính đường truyền sóng chậm, giúp giảm kích thước cho anten kích thước nhỏ Bằng việc thay đổi các kích thước khác nhau của cấu trúc DGS, có thể thu được tần số hoạt động mong muốn

Hình 1.12.Đặc tính đường truyền vi dải DGS [84]

Đặc tính sóng chậm cũng được thể hiện rõ nét thông qua đặc tính biến đổi pha và hệ số sóng chậm của đường truyền vi dải có và không có cấu trúc DGS như trên hình 1.11 Có thể thấy một sự nhẩy pha tại tần số hoạt động do tác động của thành phần điện cảm và điện dung trong cấu trúc DGS gây ra Sự biến đổi pha diễn ra nhanh hơn và do đó sóng chậm hơn tại tần

số f<f0 và sự biến đổi pha chậm hơn và do đó sóng nhanh hơn tại tần số f>f0

− Đặc tính chắn sóng

Hình 1.13 Đồ thị tham số S mô phỏng của một cấu trúc đơn vị DGS hình quả tạ [16]

Tương tự như cấu trúc EBG, đặc tính chắn sóng của cấu trúc DGS cũng có thể được xác định theo đồ thị tham số tán xạ như chỉ ra trong hình 1.12 Cấu trúc DGS cũng cho một dải chắn tần số (S12 dưới -20dB) tuy nhiên hiệu quả chặn sóng của một đơn vị DGS cơ bản hình quả tạ không được tốt như một đơn vị cấu trúc EBG hình nấm Để nâng cao đặc tính chắn sóng, cũng như cấu trúc EBG, cấu trúc DGS sử dụng cấu trúc tuần hoàn với số phần tử càng tăng thì hiệu quả chắn sóng càng tốt

1.3.2.2 Phương pháp phân tích cấu trúc DGS

Mỗi một phần kim loại trong kiến trúc anten vi dải đều là sự kết hợp của các phần tử điện trở, điện cảm và điện dung phân tán Vì thế mỗi một cấu trúc anten đều có thể biểu diễn bằng một mô hình mạch tương đương Theo nguyên tắc Babinate, mỗi một khe cũng sẽ tương ứng với một cấu trúc kim loại và có thể được đại diện bởi một mô hình điện trở, điện cảm và điện dung tương đương Phân tích toàn sóng thường được sử dụng để phân tích đáp ứng của DGS và tìm ra mô hình mạch tương đương Tuy nhiên, phân tích toàn sóng không có khả năng mô tả về kích thước vật lý và vị trí của cấu trúc DGS Vì vậy, phương pháp truyền thống thường được dùng để phân tích cấu trúc DGS là phương pháp thử nghiệm và lặp lại khi có lỗi như chỉ ra trong hình 1.14 Nhược điểm của phương pháp này là mất nhiều thời gian và có khả năng không tìm ra được các kết quả tối ưu [16]

Hình 1.14 Sơ đồ thiết kế và phân tích cấu trúc DGS [16]

Như đã đề cập, mô hình hóa cấu trúc DGS bởi các mạch tương đương tuy phức tạp và không thể xác định được chính xác vị trí của cấu trúc DGS nhưng đây cũng là một phương pháp hữu ích để đánh giá hoạt động của cấu trúc DGS, đặc biệt là xác định được gần chính xác đặc tính dải tần hoạt động cho các ứng dụng mạch lọc hay mạch chắn Mô hình hóa mạch tương đương của cấu trúc DGS có thể phân làm bốn loại cơ bản sau [83]:

− Mô hình đường truyền dẫn

− Mô hình mạch LC và RLC

− Mô hình mạch hình 

− Mô hình mạch Quassi static

• Mô hình đường truyền dẫn:

Mô hình đường truyền dẫn của một khe DGS hình chữ nhật đơn giản được đề xuất trong [85] với cấu trúc hình học được thể hiện trong hình 1.15 (a) Các khe cộng hưởng ở tần

số được xác định bởi công thức:

(a) Cấu trúc hình học khe DGS tuần hoàn với 7 phần tử hình chữ nhật đơn giản

(b) Mạch tương đương của khe DGS Hình 1.15 Mô hình đường truyền cho mô hình hóa cấu trúc DGS [85]

Ghép nối giữa khe và đường vi dải được biểu diễn bằng một biến thế lý tưởng với hệ số chuyển đổi được xác định theo công thức [85]:

• Mô hình mạch tương đương LC và RLC:

Mô hình này có thể sử dụng để phân tích các cấu trúc DGS phức tạp hơn như cấu trúc hình quả tạ hay các cấu trúc có dạng và đặc tính giống như cấu trúc hình quả tạ (cấu trúc hình chữ nhật có đầu hình tròn, hình chữ nhật, hình mũi tên, …) [83],[84]

Mô hình mạch tương đương của một cấu trúc hình quả tạ điển hình được thể hiện trong hình 1.11 Thiếu khuyết hình chữ nhật lớn hơn ở hai bên đường truyền dẫn tạo nên điện cảm nối tiếp L và khe hẹp bên dưới đường truyền dẫn tạo ra điện dung C song song với L Khi các giá trị L và C có thể được xác định, việc phân tích đặc điểm của cấu trúc DGS sẽ trở nên đơn giản Để xác định các giá trị L, C, Dal Ahn và các cộng sự [86] đã dựa trên cấu trúc mạch lọc thông thấp một cực Butterworth Để mạch cộng hưởng DGS và mạch lọc thông thấp một cửa

có tần số cắt (cutoff) như nhau thì L-C phải thỏa mãn công thức:

Một đơn vị DGS hình quả tạ hoặc có dạng hình quả tạ cũng có thể được thể hiện qua sơ

đồ mạch RLC song song như trong hình 1.16 Từ kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên các kích thước DGS truyền thống khác nhau, giá trị tương ứng của R, L, C được xác định gần đúng bởi biểu thức sau:

độ và tần số, pha và đặc tính tần số Sử dụng mạch hình , tham số S và sự biến đổi đường cong của tần số dễ dàng phân tích hơn mạch LC, RLC, nhưng mạch π lại có nhiều tham số phức tạp khi triển khai hơn

Hình 1.17 Mạch chữ π cho một đơn vị DGS hình quả tạ truyền thống [87]

Các tham số A, B, C, D của hàm 4 cực cho mô hình mạch hình  của một đơn vị DGS được xác định bởi công thức:

[𝐴 𝐵

𝐶 𝐷] = [

1 + 𝑌𝑏⁄𝑌𝑎 1 𝑌⁄ 𝑎2𝑌𝑏+ 𝑌𝑏2⁄𝑌𝑎 1 + 𝑌𝑏⁄𝑌𝑎] (1.20)