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. 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 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,. Anten trong thiết bị đầu cuối di động 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. 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.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.