ANTEN KÍCH THƯỚC NHỎ SỬ DỤNG VẬT LIỆU CẤU TRÚC ĐẶC BIỆT DGS KÉP, DSEBG VÀ CRLHCPW ỨNG DỤNG TRONG CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG

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

DƯƠNG THỊ THANH TÚ

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2018


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

DƯƠNG THỊ THANH TÚ

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

Ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 9520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

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

Hà Nội - 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong bản luận án này là
thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa
từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và
trung thực.
Hà nội, ngày 28 tháng 10 năm 2018
Người hướng dẫn khoa học

Tác giả luận án

PGS. TS. Vũ Văn Yêm

Dƣơng Thị Thanh Tú

ii


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS. TS. Vũ Văn
Yêm, người đã định hướng nghiên cứu, hướng dẫn khoa học cũng như tận tình hỗ trợ, chỉ
bảo tôi về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này.
Qua đây, tôi cũng xin chân thành cảm ơn Bộ môn Hệ thống viễn thông, Viện Điện tử
Viễn thông, Phòng Đào tạo, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện thuận lợi
cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Tôi cũng xin gửi lời
cảm ơn chân thành đến Khoa Viễn thông 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
cùng các đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm cũng như tạo điều kiện để
tôi có thể tập trung nghiên cứu.

Bên cạnh đó, tôi xin dành lời yêu thương và cảm ơn chân thành đến các thành viên
“antenna team”, Khoa Viễn thông 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông; nhóm
Nghiên cứu sinh – RF Lab, Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội;
Phòng đo Bộ môn Thông tin Vô tuyến, Khoa Điện tử Viễn thông, trường Đại học Công
nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội cùng những người bạn thân thiết K39, KTTT, Đại học
Bách Khoa Hà Nội, đã động viên và nhiệt tình trợ giúp tôi trong suốt thời gian tôi làm luận
án.
Cuối cùng, tôi xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến mọi thành viên trong gia đình, đã
luôn hỗ trợ và hi sinh rất nhiều cho tôi trong thời gian vừa qua. Đây chính là nguồn động
lực vô cùng lớn lao, giúp tôi vượt qua các khó khăn, thách thức để có thể hoàn thành bản
luận án này.
Tác giả luận án

Dƣơng Thị Thanh Tú

iii


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 thƣớc nhỏ và vật liệu có cấu trúc đặc biệt ............................................ 1

2.

Những vấn đề còn tồn tại ........................................................................................... 3

3.

Mục tiêu, đối tƣợng 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

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN CHO THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG ..... 7
1.1. Giới thiệu chƣơng ......................................................................................................... 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 thƣớc 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 chƣơng 1....................................................................................................... 35
CHƢƠNG 2: ANTEN SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS KÉP ............................................ 36
2.1. Giới thiệu chƣơng ....................................................................................................... 36

iv


2.2. Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật cho anten băng tần 4G ...................................... 36
2.2.1. Cấu trúc DGS kép hình chữ nhật ....................................................................... 36
2.2.2. Cấu trúc DGS kép ứng dụng cho thiết kế anten LTE-A 3.5GHz....................... 38
2.2.2.1. Anten đơn 3.5GHz .................................................................................... 38
2.2.2.2. Anten MIMO 3.5GHz ............................................................................... 39
2.2.2.3. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 40
2.2.2.4. Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 45
2.2.3. Cấu trúc DGS kép trên anten MIMO 2.6GHz và 5.7GHz ................................. 47
2.2.3.1. Anten MIMO đa băng 2.6GHz và 5.7GHz ............................................... 47
2.2.3.2. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 47
2.2.3.3. Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 50
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 chƣơng 2....................................................................................................... 56
CHƢƠNG 3: ANTEN MIMO SỬ DỤNG CẤU TRÚC DS-EBG ................................. 58
3.1. Giới thiệu chƣơng ....................................................................................................... 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 chƣơng 3....................................................................................................... 81
CHƢƠNG 4: ANTEN ĐA BĂNG KÍCH THƢỚC NHỎ SỬ DỤNG CẤU TRÚC
CRLH-CPW ....................................................................................................................... 83
4.1. Giới thiệu chƣơng ....................................................................................................... 83
4.2. Anten CRLH-CPW cho truyền thông 5G băng tần dƣới 6GHz ............................ 83

v

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 đƣờng 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 chƣơng 4....................................................................................................... 96
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 98
DANH MỤC CẤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 102

vi


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Mô tả tiếng Anh

Mô tả tiếng Việt

5G

5rd Generation

Thế hệ thứ 5

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

CPW

CoPlanar Waveguide

Ống dẫn sóng đồng phẳng

CRLH -TL

Composite Right/ Left Handed
Transmissiom Line

Đường truyền dẫn siêu vật liệu điện
từ phức hợp

CST

Computer Simulation
Technology

Phần mềm mô phỏng anten

DGS

Defected Ground Structure

Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết

DNG

Double Negative material

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

DS-EBG

Double Side EBG

Cấu trúc EBG hai mặt

ECC

Enveloped Correlation
Coefficient

Hệ số tương quan

EBG

Electromagnetic Band Gap
Structure

Cấu trúc dải chắn điện từ

FDTD

Finite Difference Time Domain

Phương pháp sai phân miền thời
gian

GND

Ground Plane

Mặt phẳng đất

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống di động toàn cầu

HAC

Hearing Aid Compability

Tương thích thiết bị trợ thính

IFA

Inverted-F Antenna

Anten hình chữ F ngược

vii


IoT

Internet of Things

Internet vạn vật

IP

Internet Protocol

Giao thức liên mạng

ITS

Intelligent Transportation
System

Hệ thống giao thông thông minh

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

NL

Neutralization Line

Đường trung tính

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

RL

Return Loss

Tổn hao ngược

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

TM

Transverse Magnetic

Từ trường ngang

UE

User Equipment

Thiết bị đầu cuối người dùng

viii


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

ix


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
TT

Kí hiệu

Đơn vị

Mô tả

1

C

(F)

2

E

(V/m)

Điện trường

3

H

(H/m)

Từ trường

4

h

(mm)

Chiều cao chất điện môi

5

k

(l/m)

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

6

L

(mm)

Chiều dài

7

L

(H)

Điện dung

8

R

()

Trở kháng

9

W

(mm)

Chiều rộng

10

Z

()

Trở kháng

11



-

12



(m)

Bước sóng

13



(l/m)

Hằng số truyền sóng

14



-

Điện dung

Hằng số điện môi

3..141592653589793285

x


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

xi

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

xii


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

xiii


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

xiv


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

xv


MỞ ĐẦU
1.

Anten kích thƣớc 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

1


như: cấu trúc dải chắn điện từ EBG, cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS, cấu trúc
đường truyền dẫn siêu vật liệu phức hợp CRLH-TL, có thể mang tính chất điện môi hay
từ tính, với hằng số điện môi hay độ từ thẩm cao hoặc âm. Khi đặt tại các vị trí đặc biệt
trong cấu trúc anten, sẽ xảy ra hiệu ứng đặc biệt tại một tần số đặc biệt nào đó. Nói cách
khác sử dụng những cấu trúc này trong thiết kế anten có thể thu nhỏ kích thước hình học
của anten hay cải thiện một hoặc một số đặc tính của anten mà không làm suy giảm
nhiều các thông số quan trọng khác [15-17].
Tuy nhiên, khi thu nhỏ kích thước anten MIMO trong các thiết bị đầu cuối di động,
anten gặp một thách thức rất lớn về việc đảm bảo độ cách ly giữa các phần tử bức xạ đặt gần
nhau. Đối với một thiết kế anten MIMO tốt, độ cách ly hay ảnh hưởng tương hỗ trong anten
MIMO phải nhỏ hơn -20dB [18]. Thông thường để đạt được yêu cầu này, các anten phải được
đặt cách nhau ít nhất một nửa bước sóng của tần số hoạt động hay tần số hoạt động thấp nhất
(trong thiết kế anten đa băng). Điều này khiến cho tổng kích thước của anten MIMO tăng lên
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


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],

3


[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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu


Mục tiêu nghiên cứu

4







 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 tƣợng 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).
Phƣơng 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

5


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.

6


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN CHO THIẾT BỊ ĐẦU
CUỐI DI ĐỘNG
1.1. Giới thiệu chƣơng
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 CRLHTL. 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, ....

7


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

8


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

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

9