Luận án 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

băng thông 8,9%. Đến năm 2015, Pei-Ling Chi [104] với hai loại cấu trúc đường mạch uốn khúc, kết hợp CPW đạt băng thông lên đến 15,1%, đáp ứng yêu cầu băng thông rộng cho các ứng dụng băng rộng của truyền thông không dây. 35 1.4. Kết luận chƣơng 1 Nội dung chương 1 đã giới thiệu tổng quan về anten cho thiết bị đầu cuối di động trong hệ thống truyền thông không dây, xu hướng phát triển cũng như những kỹ thuật tiên tiến được sử dụng. Bên cạnh đó, nội dung của chương đi sâu vào tìm hiểu vật liệu có cấu trúc đặc biệt nhằm làm cải thiện các đặc tính cơ bản của anten với ba đại diện tiêu biểu là cấu trúc dải chắn băng tần EBG, cấu trúc mặt phằng đất khuyết DGS và cấu trúc siêu vật liệu điện từ phức hợp CRLH. Cấu trúc EBG với đặc tính dải chắn băng tần được coi là ứng cử viên sáng giá nhất cho giảm nhỏ ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO. Đặc tính phản xạ đồng pha cũng là một ưu điểm lớn của cấu trúc này cho ứng dụng nâng cao hệ số tăng ích. Tuy nhiên, cấu trúc EBG gặp phải thách thức lớn về việc giảm nhỏ kích thước để có thể ứng dụng cho thiết bị đầu cuối di động. Ra đời sau cấu trúc EBG, cấu trúc DGS có kích thước nhỏ gọn hơn, mang đặc tính sóng chậm cho việc giảm nhỏ kích thước anten đồng thời vẫn duy trì được đặc tính chắn sóng như cấu trúc EBG để giảm nhỏ ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO. Tuy nhiên vẫn chưa có đề xuất nào có thể cải thiện được cả hai tham số này trong cùng một thiết kế. Bên cạnh đó, việc phân tích toàn sóng cấu trúc DGS trên thiết kế anten còn gặp rất nhiều khó khăn và thách thức. Cấu trúc CRLH cho ứng dụng thiết kế anten có thể được xây dựng trên cấu trúc cell EBG hình nấm hoặc cấu trúc đường mạch uốn khúc hoặc kết hợp cả hai. Cấu trúc này là cấu trúc siêu vật liệu duy nhất cho đến nay tồn tại chế độ cộng hưởng không (ZOR) mà tần số hoạt động độc lập với kích thước bức xạ, tạo tiền đề cho thiết kế anten kích thước nhỏ, không phụ thuộc vào diện tích bức xạ. Việc nghiên cứu ba loại hình cấu trúc EBG, DGS, CRLH không chỉ thuận lợi do kế thừa các đặc tính cơ bản của nhau mà còn có ý nghĩa rất quan trọng, là cơ sở lý thuyết cho các nghiên cứu được đề xuất trong các chương sau của luận án: Nghiên cứu, phát triển các cấu trúc EBG, DGS, CRLH mới, nhằm cải thiện đồng thời các đặc tính cơ bản của anten kích thước nhỏ, ứng dụng trong các thiết bị đầu cuối di động tiên tiến. 36 CHƢƠNG 2: ANTEN SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS KÉP 2.1. Giới thiệu chƣơng Nội dung chương 2 đề xuất chỉ một cấu trúc DGS kép, khi kết hợp trên kiến trúc anten phẳng, đặt theo phương vuông góc với phương tiếp điện, sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải, vừa tạo ra hiệu ứng sóng chậm làm giảm nhỏ 50% kích thước anten vừa biến đổi đặc tính trường gần, có thể nâng cao độ cách ly giữa các phần tử bức xạ đặt cạnh nhau trong anten MIMO với khoảng cách nhỏ hơn 0,50. Kết quả đề xuất này có thể áp dụng cho mọi hình dáng DGS cũng trên các dải tần hoạt động khác nhau. Để khẳng định điều này, đầu tiên cấu trúc DGS kép hình chữ nhật đơn giản được đưa ra, các đặc tính của cấu trúc trên anten được chứng minh dựa trên mô hình mạch tương đương, mô phỏng và thực nghiệm trên anten đơn băng, hoạt động ở băng tần 3,5GHz, ứng dụng cho công nghệ LTE-A máy tính bảng. Phát triển tiếp cấu trúc này trên anten đa băng hoạt động ở băng tần 2,6GHz và 5,7GHz, ứng dụng cho công nghệ LTE-A và WLAN, đặc tính đồng thời giảm nhỏ kích thước và đạt độ cách ly cao của anten MIMO vẫn được giữ nguyên. Cuối cùng, với một cấu trúc hình dạng phức hợp: hình chữ U kết hợp  kép, hoạt động tại băng tần milimet, ứng dụng trên anten cho truyền thông 5G, các đặc tính trên anten vi dải đạt được vẫn không thay đổi, khẳng định khả năng ứng dụng trên thực tế của đề xuất. 2.2. Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật cho anten băng tần 4G Nội dung phần này đầu tiên sẽ đề xuất cấu trúc DGS kép hình chữ nhật nhằm cải thiện đồng thời các đặc tính của anten vi dải. Sau đó, chứng minh đề xuất này bằng mô phỏng và thực nghiệm trên hai loại hình anten vi dải: đơn băng và đa băng. Mẫu anten vi dải đơn băng cộng hưởng ở tần số 3,5GHz, ứng dụng cho công nghệ LTE-A cho thiết bị máy tính bảng với hiệu quả giảm nhỏ kích thước anten và nâng cao độ cách ly ở khoảng cách 0,440 từ tâm đến tâm hay từ đường tiếp điện đến đường tiếp điện. Mẫu anten vi dải hai băng cộng hưởng ở tần số 2,6GHz và 5,7GHz, ứng dụng cho công nghệ LTE-A và WLAN, hai công nghệ chủ đạo cho các thiết bị đầu cuối di động hiện nay. Trong trường hợp này, cấu trúc DGS kép hình chữ nhật với phương, chiều và điểm đặt thích hợp như trên không những làm giảm nhỏ kích thước anten bằng hiệu ứng sóng chậm mà còn tạo anten đa băng, nâng cao độ cách ly với khoảng cách 0,10 từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện hay 0,290 từ tâm đến tâm. Cấu trúc DGS kép cũng như các kiến trúc anten được nghiên cứu thiết kế và mô phỏng, tối ưu dựa trên phần mềm mô phỏng CST. 2.2.1. Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật Như đã giới thiệu ở phần trên, cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS bao gồm một hoặc nhiều ô đơn vị được khắc trên mặt phẳng đất của anten với nhiều loại hình dạng khác nhau như hình vuông, hình xoắn, hình mũi tên, hình tròn, hình chữ H, hình đường uốn khúc, hình 37 chữ C, hình chữ U Với các cấu trúc DGS hình chữ nhật truyền thống theo cấu trúc đơn hay tuần hoàn trước đây, nếu để giảm nhỏ kích thước anten hay tạo đa băng, cấu trúc DGS được đặt trên phần đế, dưới phần tử bức xạ của anten [90], [95] còn nếu để giảm tương hỗ, cấu trúc DGS sẽ phải đặt vào giữa hai phần tử bức xạ [85], [109], [110]. Vì vậy, nếu muốn đồng thời giảm nhỏ kích thước và tương hỗ sẽ cần sử dụng ít nhất hai cấu trúc DGS đặt tại hai vị trí khác nhau trên anten MIMO. Trong phần này của luận án, đề xuất chỉ một cấu trúc DGS kép hình chữ nhật được đặt dưới phần tử bức xạ, có thể đồng thời cải thiện cả hai tham số trên nếu sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải. Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật gồm hai cell hình chữ được đặt nối tiếp với nhau trên mặt phẳng đất và đối xứng với nhau qua điểm tiếp điện như trên hình 2.1(a), các tham số kích thước của cấu trúc được chỉ ra trong hình 2.1(b) bao gồm chiều dài (l) và chiều rộng (s) của khe, khoảng cách (d) giữa hai khe. Mô hình mạch tương đương của cấu trúc cell DGS cũng như mô hình anten vi dải trong trường hợp tiếp điện bằng cáp đồng trục và đường vi dải được chỉ ra trong hình 2.2. (a) Hình 3D của cấu trúc DGS kép (a) Hình 2D của cấu trúc DGS kép Hình 2.1. Cấu trúc DGS hình chữ nhật kép (a) Cấu trúc DGS kép (b) Anten tiếp điện cáp đồng trục (c) Anten tiếp điện bằng đường truyền vi dải Hình2.2. Mô hình mạch tương đương của cấu trúc DGS kép hình chữ nhật và anten vi dải Từ mô hình mạch tương đương, có thể xác định được lần lượt tần số hoạt động của cấu trúc DGS (fDGS), anten tiếp điện bằng cáp đồng trục (fanten1) và anten tiếp điện bằng đường vi dải (fanten2) lần lượt là: 𝑓𝐷𝐺𝑆 = 1/2𝜋 𝐿𝑙𝐶𝑙 (2.1) 38 𝑓𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛 1 = 1/2𝜋 𝐿𝐶 (2.2) 𝑓𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛 2 = 𝐿𝑓 + 𝐿 2𝜋 𝐿𝑓𝐿𝐶 (2.3) Có thể thấy nếu tần số hoạt động của cấu trúc DGS kép hình chữ nhật gần bằng tần số hoạt động của anten hay nói cách khác LlCl LC thì cấu trúc DGS đề xuất sẽ có vai trò mở rộng băng thông hoạt động của anten theo đặc tính tần số hoạt động liên tiếp. Trong trường hợp LlCl  LC thì cấu trúc DGS sẽ có vai trò tạo anten đa băng [16]. Bên cạnh đó, cấu trúc DGS kép đề xuất còn mang hiệu ứng sóng chậm làm giảm nhỏ kích thước anten như đã chứng minh trong chương trước. Đồng thời cấu trúc này còn có thêm hiệu ứng biến đổi trường gần của anten khi tiếp điện bằng phương pháp đường truyền vi dải. Đặc tính này sẽ được chứng minh bằng mô phỏng trong phần ứng dụng cấu trúc DGS kép đề xuất trong các loại hình anten vi dải khác nhau ở phần sau. 2.2.2. Cấu trúc DGS kép ứng dụng cho thiết kế anten LTE-A 3,5GHz 2.2.2.1. Anten đơn 3,5GHz Hình 2.3 (a) thể hiện cấu trúc anten đơn cộng hưởng tại tần số 3,5GHz bao gồm một phần tử bức xạ hình chữ nhật và mặt phẳng đất, sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục với phối hợp trở kháng 50. Kích thước và hiệu suất của mỗi anten vi dải phụ thuộc vào tần số hoạt động hay bước sóng làm việc của anten. Vì vậy, với tần số hoạt động 3,5 GHz, thiết kế trên vật liệu FR4 với chiều dày 1,6mm, hằng số điện môi 4,4, hệ số tổn hao 0,02, anten 3,5GHz có kích thước miếng bức xạ 24,8x19 (mm2). Bảng 2.1. Các thông số kích thước của anten DGS tiếp điện bằng cáp đồng trục Thông số l s lg Wg d ds Kích thước (mm) 12,97 2,2 26,7 38 1,2 13,35 (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 2.3. Cấu trúc anten đơn DGS sử dụng tiếp điện cáp đồng trục Để giảm nhỏ kích thước anten, cấu trúc DGS hình chữ nhật kép đặt nối tiếp được thêm vào trên mặt phẳng đất theo phương nằm ngang, đối xứng nhau qua điểm tiếp điện, với kích 39 thước chiều dài (l) và chiều rộng (s) được tối ưu là 12,97x 2,2 (mm2) như chỉ ra trong hình 2.3 (b). Sử dụng phần mềm mô phỏng CST cho việc tối ưu kích thước anten DGS theo tần số hoạt động tại tần số 3,5GHz, anten đạt được kích thước bức xạ 13,35x17,3 (mm2), giảm nhỏ 50% so với anten ban đầu. Các kích thước còn lại của anten được chỉ ra trong bảng 2.1. Áp dụng cấu trúc này cho anten tiếp điện bằng đường truyền vi dải được thể hiện trên hình 2.4 với các tham số kích thước được chỉ ra trong bảng 2.2. Trong trường hợp này, mẫu anten tiếp điện bằng phương pháp đường truyền vi dải sẽ có kích thước miếng bức xạ tương đồng với anten tiếp điện cáp đồng trục. Tuy nhiên, để đảm bảo phối hợp trở kháng 50, kích thước tổng thể của anten tiếp điện bằng đường truyền vi dải sẽ lớn hơn một chút. (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 2.4. Anten đơn DGS với tiếp điện bằng đường truyền vi dải Bảng 2.2. Các thông số kích thước của anten DGS tiếp điện bằng đường truyền vi dải Thông số g Xf lf Wf lg Wg Kích thước (mm) 1 5,4 15,7 3,1 29 34,6 Sử dụng phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải trong trường hợp này sẽ giảm thiểu sai số đo kiểm. Nguyên nhân là do vị trí của DGS khá gần điểm tiếp điện cáp đồng trục nên trong quá trình chế tạo và đo kiểm, anten DGS sử dụng tiếp điện cáp đồng trục sẽ gặp phải sai số khá lớn do mật độ dòng điện bị biến đổi bởi tác động của SMA. 2.2.2.2. Anten MIMO 3,5GHz Thông thường, các phần tử bức xạ của anten MIMO thường đặt cách nhau một khoảng cách lớn hơn 0,5 để tránh ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ đặt cạnh nhau. Tuy nhiên trong thiết bị đầu cuối di dộng, để đảm bảo giới hạn của thiết bị, khoảng cách này càng nhỏ càng tốt và thường các phần tử được thiết kế đặt cạnh nhau với khoảng cách tối đa 0,5 từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện. Để đảm bảo độ cách ly giữa các phần tử, các giải pháp hay cấu trúc giảm tương hỗ được đề xuất. Những cấu trúc này đều được đặt ở khoảng không gian giữa các phần tử bức xạ trong hệ anten MIMO [20]. Trong nghiên cứu này, do tác động của cấu trúc DGS đề xuất, tương hỗ giữa hai phần tử bức xạ trong anten MIMO sử dụng phương pháp tiếp điện khác nhau sẽ khác nhau. Dẫn đến, khoảng cách giữa các phần tử bức 40 xạ trong anten MIMO khác nhau. Phần dưới đây mô tả kiến trúc cũng như các thông số kích thước anten MIMO trong hai trường hợp tiếp điện: sử dụng cáp đồng trục và đường truyền vi dải.  Tiếp điện bằng phương pháp cáp đồng trục: Mẫu anten MIMO 1x2 sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục được thể hiện trên hình 2.5. Trong đó khoảng cách giữa hai anten là 0,5 (43,82mm) tính từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện. Kích thước tổng thể của anten đạt 80,83x 26,7x1,6 (mm3). (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình2.5. Anten MIMO DGS sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 2.6. Anten MIMO DGS sử dụng tiếp điện đường truyền vi dải  Tiếp điện bằng phương pháp đường truyền vi dải: Mẫu anten MIMO 1x2 sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải được thể hiện trên hình 2.6. Trong đó khoảng cách giữa hai anten là 0,4 (43,26mm) tính từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện. Kích thước tổng thể của anten đạt 68,86 x 29 x1,6 (mm3). 2.2.2.3. Kết quả mô phỏng  Anten đơn: Phân bố mật độ dòng của anten đơn 3,5GHz được thể hiện trên hình 2.7. Từ đây có thể nhận thấy rõ cấu trúc DGS hình chữ nhật kép, ghép nối tiếp nhau trên phương nằm ngang, khi được đặt đối xứng nhau qua điểm tiếp điện của anten đã tạo ra một hiệu ứng đặc biệt, giống như một lá chắn, chuyển chiều dòng điện đi vòng qua khe. Điều này có nghĩa, chiều dài điện của anten tăng lên hay nói cách khác kích thước của anten giảm xuống khi tham chiếu cùng một tần số hoạt động. 41 (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 2.7. Phân bố mật độ dòng trên anten 3,5GHz Hình 2.8. Tham số S11 trên anten đơn 3,5GHz Không những thế, một vài tham số khác của anten cũng được cải thiện. Đầu tiên là băng thông. Như được chỉ ra trong đồ thị tham số S (hình 2.8), băng thông của anten có sử dụng DGS được mở rộng hơn so với anten lý thuyết từ 144,1MHz (4,1%) lên 217,7MHz (6,1%). Giá trị phản xạ của anten cũng được cải thiện, tham số S11 tại tần số hoạt động giảm từ - 30,19dB xuống -56,35dB. Tham số tiếp theo được cải thiện là hiệu suất bức xạ. Như chỉ ra trong hình 2.9 và 2.10, anten DGS có hiệu suất bức xạ tăng lên rõ rệt, từ -2.665dB (54,14%) lên -1.329dB (73,64%). Tuy nhiên, hệ số tăng ích của anten bị suy giảm từ 4,19dBi xuống 3,44dBi, anten có bức xạ từ đơn hướng chuyển sang song hướng. Như vậy, với việc sử dụng cấu trúc DGS đặt nối tiếp nhau theo phương nằm ngang gần điểm tiếp điện cáp đồng trục, anten thu được không những đạt kích thước nhỏ gọn hơn mà còn cải thiện một vài tham số khác như băng thông, hiệu suất bức xạ. Kết quả này còn được cải thiện thêm một chút khi anten sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải như chỉ ra trong hình 2.12. Có thể nhận thấy rõ, anten sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải có băng thông rộng hơn, tăng từ 217,7 lên 233,5MHz, hơn nữa tần số hoạt động của anten dịch về phía băng tần thấp một chút. Tuy nhiên, anten tiếp điện bằng đường truyền vi dải lại gặp suy giảm một chút về hiệu suất bức xạ và hệ số tăng ích so với anten sử dụng tiếp điện bằng cáp đồng trục như chỉ ra trong hình 2.11. 42 (a) Anten không có DGS (b) Anten có DGS Hình 2.9. Bức xạ 3D của anten 3,5 sử dụng phương pháp tiếp điện cáp đồng trục. (a) Anten không sử dụng DGS (b) Anten sử dụng DGS Hình 2.10. Bức xạ 2D của anten 3,5 GHz trên mặt phẳng yz (a) 3D (b) 2D trên mặt phẳng yz Hình 2.11. Anten 3,5 GHz sử dụng phương pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải 43 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  Anten MIMO: Ảnh hưởng tương hỗ trong anten vi dải được xác định bởi hướng của sóng bề mặt cũng như kích thước miếng bức xạ của anten [49]. Do đặc tính bức xạ của anten vi dải, sóng bề mặt trong anten sẽ có tác động mạnh trên mặt phẳng E gây ảnh hưởng tương hỗ lớn khi hai phần tử bức xạ của anten đặt gần nhau. Anten đặt càng xa, ảnh hưởng tương hỗ càng giảm. Tuy nhiên, để đảm bảo giới hạn kích thước trong thiết bị đầu cuối di động, khoảng cách giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO thường  0,5. (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 2.13 . Phân bố trường gần trên mặt phẳng E của anten MIMO sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải Với việc sử dụng cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS hình chữ nhật kép trên anten tiếp điện bằng đường truyền vi dải, anten đề xuất không những thay đổi được chiều của mật độ dòng điện mà còn thay đổi sự phân bố trường gần trên mặt phẳng E, giúp cho phân bố trường gần trên mặt phẳng E cùng kiểu phân bố trên mặt phẳng H (hình 2.13) làm giảm hẳn ảnh hưởng tương hỗ của anten MIMO. Điều này được thể hiện rõ nét hơn thông qua đồ thị tham số S của anten MIMO với khoảng cách giữa hai phần từ bức xạ thay đổi từ 0,5 (42,83mm) xuống 0,4 (34,26mm) tính từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện như mô tả trong hình 2.14, anten MIMO với phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải sử dụng cấu trúc DGS kép đạt độ cách li cao với S12 <-20dB. Không những thế, như chỉ ra trong hình 2.15, anten sử dụng 44 đường truyền vi dải có các giá trị tham số S vượt trội hơn hẳn anten tiếp điện bằng cáp đồng trục, đạt băng thông 200MHz (5,7%) với ảnh hưởng tương hỗ thấp (S12<-20dB). 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 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 Bên cạnh đó, như chỉ ra trong hình 2.16, anten MIMO DGS kép đề xuất có đồ thị bức xạ 2D tương tự như cấu trúc anten đơn, có phân bố lưõng cực, độ rộng góc (3dB) là 86,2 độ. Hiệu suất bức xạ đạt 66,95%. 45 (a) 3D (b) 2D trên mặt phẳng yz Hình 2.16. Bức xạ 3D, 2D của anten MIMO sử dụng cấu trúc DGS 2.2.2.4. Kết quả thực nghiệm Để đánh giá tham số hiệu năng của mẫu anten sử dụng DGS, anten được chế tạo trên vật liệu FR4 với hằng số điện môi =4,4, chiều dày 1,6mm cho mẫu anten 3,5GHz đơn và MIMO. Hình 2.17 chỉ ra hình ảnh của 3 mẫu anten đơn 3,5GHz được chế tạo. Hình 2.17. Chế tạo anten đơn sử dụng và không sử dụng cấu trúc DGS (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 2.18. Chế tạo anten MIMO DGS kép 46 Có thể nhận thấy rõ anten DGS có kích thước nhỏ hơn khoảng 50% so với anten không sử dụng DGS cho cả hai trường hợp tiếp điện bằng phương pháp cáp đồng trục và đường truyền vi dải. Tổng kích thước của anten sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải là 29x34,6mm 2 . Anten MIMO DGS 3,5GHz được chế tạo trên vật liệu FR4 được chỉ ra trong hình 2.18 với kích thước tổng thể 69x29x1,6 (mm3). Các giá trị S11, S12 thực nghiệm của anten đơn và anten MIMO được so sánh với giá trị mô phỏng được chỉ ra trên hình 2.19. Cũng có thể nhận thấy rõ, anten cộng hưởng tại tần số 3,5GHz với độ rộng băng thông 200MHz. Tại tần số hoạt động, giá trị S11 đạt -30dB và S12 đạt -24dB. Kết quả thực nghiệm khá tương đồng với kết quả mô phỏng. (a) Anten đơn (b) Anten MIMO Hình 2.19. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng của anten DGS 3,5GHz. 47 2.2.3. Cấu trúc DGS kép trên anten MIMO 2,6GHz và 5,7GHz Nội dung phần này của luận án vẫn sử dụng cấu trúc DGS kép hình chữ nhật như phần trên để giảm nhỏ gần 50% kích thước anten bằng hiệu ứng sóng chậm và nâng cao độ cách ly của anten MIMO (S12 đạt dưới -20dB) với khoảng cách 0,30 tại tần số hoạt động thấp. Bên cạnh đó, với tỷ lệ khác biệt giữa kích thước DGS và anten nhằm tạo ra fDGS fanten, cấu trúc DGS trong ứng dụng này đã phát huy thêm đặc tính tạo đa băng, hoạt động tại hai băng tần 2,6GHz cho ứng dụng LTE-A và 5,7GHz cho ứng dụng WLAN trong thiết bị đầu cuối di động. 2.2.3.1. Anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz Hình 2.20 thể hiện cấu trúc anten đa băng cộng hưởng tại tần số 2,6 và 5,7GHz, các kích thước anten cũng như DGS được tối ưu theo tần số hoạt động 2,6GHz sử dụng phần mềm mô phỏng CST, đạt 4x18,45 (mm2) , khoảng cách giữa hai đơn vị cơ bản DGS là 5mm. Khoảng cách từ điểm tiếp điện đến điểm tiếp điện là 13,2mm tương đương với 0,11 tại tần số hoạt động 2,6GHz và 0,25 tại tần số hoạt động 5,7GHz. Khoảng cách từ tâm anten đến tâm anten là 38,3mm tương ứng với 0,3 tại tần số 2,6GHz, tần số được sử dụng để tính toán, tối ưu các kích thước của anten. Các tham số kích thước của anten đa băng được chỉ ra trong bảng 2.3. (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 2.20. Anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz sử dụng cấu trúc DGS. Bảng 2.3. Các thông số kích thước của anten DGS đa băng 2,6GHz và 5,7GHz Thông số Wp Lp Wg Lg d dp Ls Lf gsf s ws gs ds Kích thước (mm) 23,5 17,1 110 80 13,2 27,4 7,1 3,1 1 4 18,45 5,1 40,5 2.2.3.2. Kết quả mô phỏng Anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz dược thiết kế trên vật liệu FR4 có bề dày 1,6mm, hằng số điện môi  = 4,4, hệ số tổn hao tan = 0,02. 48 Hình 2.21 minh họa sự phân bố mật độ dòng điện trên anten tại tần số hoạt động 2,6GHz và 5,7GHz. Có thể nhận thấy rõ trên hình 2.21 (a), tại tần số hoạt động 2,6GHz, cấu trúc DGS nối tiếp đã chuyển hướng dòng điện trên anten. Thay vì đi thẳng từ đường tiếp điện vi dải đến bức xạ trên cạnh W của anten, mật độ dòng điện tập trung thành đường vòng quanh kiến trúc DGS và bức xạ trên các cạnh của kiến trúc này. Vì thế, chiều dài điện của anten tăng lên hay nói cách khác, kích thước của anten giảm xuống. Trong trường hợp này, kích thước bức xạ của anten đạt 23,5x17,1 (mm2), bằng 42,5% kích thước của anten theo lý thuyết, khi cộng hưởng tại tần số 2,6GHz với kích thước theo lý thuyết là 27x35 (mm2). Tại tần số hoạt động 5,7GHz, như được minh họa trong hình 2.21(b), phân bố mật độ dòng biến đổi khác biệt so với tần số hoạt động 2,6GHz. Cấu trúc DGS, tại tần số này đã chuyển hướng chiều dòng điện, thay vì đi từ đường tiếp điện vi dải đi đến bức xạ trên cạnh W của anten thành hướng vuông góc với cạnh W và bức xạ trên cạnh L. Tạo ra tần số hoạt động thứ 2 của anten (5,7GHz). Như vậy, từ phân bố mật độ dòng điện, có thể nhận thấy rõ, sử dụng cấu trúc DGS không những giảm nhỏ được kích thước anten mà còn có thể tạo ra anten đa băng. (a) Tại tần số 2,6GHz (b) Tại tần số 5,7GHz Hình 2.21. Phân bố mật độ dòng trên anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz Hình 2.22. Đồ thị tham số S của anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz Để rõ ràng hơn, hình 2.22 mô tả đồ thị các tham số S của anten với đầy đủ dạng sóng trên phần mềm mô phỏng CST. Có thể nhận thấy, anten đề xuất cộng hưởng tại hai tần số 49 2,6GHz cho cộng nghệ LTE-A và 5,7GHz cho ứng dụng WLAN. Tại tần số 2,6GHz, anten đạt giá trị phản xạ ngược S11 = -40,13dB với băng thông 150MHz, hoàn toàn đáp ứng được tiêu chuẩn cho băng thông hiện nay của LTE. Tại tần số 5,7GHz, giá trị S11 xấp xỉ -30dB với băng thông 250MHz, đáp ứng đầy đủ yêu cầu băng thông của truy nhập băng rộng. Hơn thế nữa, với cấu trúc DGS hình chữ nhật kép sử dụng phương pháp tiếp điện đường truyền vi dải, anten MIMO đề xuất đạt giá trị tương hỗ thấp và ổn định trên một khoảng băng tần rộng. Đồ thị bức xạ 3D và 2D của anten MIMO đa băng với tần số hoạt động 2,6GHz và 5,7GHz được chỉ ra trong hình 3.23 và 3.24. tại tần số hoạt động 2,6GHz, anten đạt độ lợi 2,63 dB và hiệu suất bức xạ 59%. Bức xạ anten có góc mở (3dB) 81,80. Tại tần số hoạt động 5,7GHz, anten đạt độ lợi 1,6 dBi và hiệu suất bức xạ 40%. Bức xạ anten có góc mở (3) 63,50. (a) Bức xạ 3D (b) Bức xạ 2D trên mặt phẳng yz Hình 2.23. Đồ thị bức xạ 3D và 2D của anten MIMO đa băng tại tần số hoạt động 2,6GHz (a) Bức xạ 3D (b) Bức xạ 2D trên mặt phẳng yz Hình 2.24. Đồ thị bức xạ 3D và 2D của anten MIMO đa băng tại tần số hoạt động 5,7GHz Cũng giống như anten đơn băng cộng hưởng ở tần số 3,5GHz, việc sử dụng cấu trúc DGS kép hình chữ nhật mang lại hiệu quả cải thiện đồng thời nhiều đặc tính của anten đơn 50 cũng như anten MIMO nhưng gặp phải nhược điểm lớn về sự suy giảm hệ số tăng ích. Đây cũng là nhược điểm chung của cấu trúc DGS khi sử dụng để giảm nhỏ kích thước anten như đã phân tích trong chương 1. 2.2.3.3. Kết quả thực nghiệm Để đánh giá tham số hiệu năng của mẫu anten MIMO đa băng 2,6GHz và 5,7GHz sử dụng DGS, anten được chế tạo trên vật liệu FR4 với hằng số điện môi =4,4, chiều dày 1,6mm như chỉ ra trong hình 2.25 với kết quả thực nghiệm so sánh với kết quả mô phỏng được thể hiện trong hình 2.26. Có thể nhận thấy rõ anten cộng hưởng tại hai tần số 2,6GHz và 5,7GHz với tham số S12 dưới -20dB cho cả hai băng tần hoạt động. Kết quả thực nghiệm phù hợp với kết quả mô phỏng. (a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 2-25. Chế tạo anten MIMO DGS kép băng tàn 2,6GHz và 5,7GHz Hình 2.26. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng của anten MIMO hai băng 51 2.2.4. Đánh giá Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật được so sánh với một số đề xuất DGS trước đó như chỉ ra trong bảng 2.4. Có thể thấy cấu trúc DGS kép đề xuất, với vị trí đặt đối xứng nhau qua đường tiếp điện vi dải, theo phương nằm ngang, có thể đồng thời giảm nhỏ kích thước anten, nâng cao độ cách ly trong anten MIMO và tạo hiệu ứng anten đa băng. Không những vậy, cấu trúc này còn có thể áp dụng cho các loại hình dáng khác nhau, không nhất thiết là cấu trúc hình chữ nhật đơn giản. Điều này sẽ được chứng minh tiếp trong nội dung phần 2.3 của luận án khi sử dụng cấu trúc DGS phức hợp hình chữ U kết hợp sao kép. Bảng 2.4. So sánh cấu trúc DGS kép hình chữ nhật đề xuất với các đề xuất DGS trước đó TK Cấu trúc Vị trí Ứng dụng [85] Khe DGS tuần hoàn với 7 hình chữ nhật Đặt giữa phần tử bức xạ Mạch chắn (giảm tương hỗ cho anten MIMO) [90] Đa hình chữ nhật sắp xếp theo đường uốn khúc Đặt dưới phần tử bức xạ Giảm 30% kích thước anten [91] Hình chữ T đơn với các kích thước khác nhau Đặt dưới phần tử bức xạ Giảm từ 20% đến 80% k