Tổng quan luận án

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, việc nâng cao tốc độ truyền dữ liệu và chất lượng tín hiệu đối mặt với nhiều rào cản vật lý như sự suy hao đường truyền, hiện tượng pha đinh đa đường và tính khan hiếm của tài nguyên tần số. Công nghệ đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) sử dụng nhiều phần tử bức xạ ở cả phía phát và phía thu là giải pháp nâng cao dung lượng kênh truyền và độ tin cậy của đường truyền không dây thông qua các cơ chế phân tập không gian và ghép kênh không gian mà không đòi hỏi tăng công suất phát hay mở rộng băng thông. Tuy nhiên, việc tích hợp nhiều anten trong không gian hạn chế của các thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới (như điện thoại thông minh, thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân PDA, máy tính xách tay, USB Dongle) dẫn đến hiện tượng tương hỗ điện từ mạnh giữa các phần tử bức xạ khi khoảng cách giữa chúng nhỏ hơn nửa bước sóng ($d < 0,5\lambda$). Tương hỗ làm suy giảm phối hợp trở kháng, giảm hiệu suất bức xạ và tăng hệ số tương quan đường bao, từ đó làm giảm hiệu năng tổng thể của hệ thống MIMO.

Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra bao gồm: các thiết kế anten MIMO băng thông siêu rộng (UWB) trước đây chưa bao phủ toàn bộ dải tần được Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC) cấp phép (3,1 GHz đến 10,6 GHz), hoặc có kích thước vật lý lớn, hoặc chỉ dừng ở cấu hình 2×2; các giải pháp cải thiện cách ly bằng mạng mạch sử dụng linh kiện tập trung gặp sai số do dung sai linh kiện và điện dung ký sinh tại mối hàn; các cấu trúc cách ly bằng mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS) hoặc mạng cách ly vi dải đa phần tử còn phức tạp và khó tích hợp trên mạch in đơn lớp giá thành thấp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung:

  1. Nghiên cứu, đề xuất giải pháp sử dụng phần tử ký sinh để giảm tương hỗ trong thiết kế các anten MIMO băng thông siêu rộng.
  2. Nghiên cứu, đề xuất giải pháp sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo để giảm tương hỗ trong thiết kế các anten MIMO kích thước nhỏ gọn.
  3. Nghiên cứu, đề xuất giải pháp sử dụng mạng cách ly để tăng cường cách ly cổng trong thiết kế các anten MIMO hai băng tần.

Đối tượng nghiên cứu: Các anten MIMO kích thước nhỏ gọn dựa trên công nghệ mạch dải (microstrip), chế tạo trên vật liệu điện môi FR4 cho các thiết bị vô tuyến cầm tay thế hệ mới.

Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào thiết kế anten cho các chuẩn thông tin vô tuyến thế hệ mới (UWB 3,1–10,6 GHz, EWB, WLAN chuẩn IEEE 802.11n/a/b/g tại 2,4 GHz và 5,25 GHz, 4G-LTE tại 1,8 GHz, WiMAX tại 2,3 GHz và 3,5 GHz); khảo sát đặc tính MIMO thông qua các tham số tán xạ ($S$-parameters), hệ số tương quan đường bao (ECC), độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG), phân bố mật độ dòng điện bề mặt và đồ thị phương hướng bức xạ.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng hợp các hướng nghiên cứu về thiết kế anten MIMO mạch in và các kỹ thuật giảm ảnh hưởng tương hỗ:

  1. Nghiên cứu anten MIMO cho điện thoại di động: Giới hạn trên kích thước đế điện môi tiêu chuẩn $100 \times 50\text{ mm}^2$ (điện thoại thông thường) hoặc $120 \times 60\text{ mm}^2$ (điện thoại thông minh). Các công trình đơn băng tần tiêu biểu gồm nghiên cứu của Karaboikis và cộng sự (2004) [10], Chiu và cộng sự (2007) [15], Chebihi và cộng sự (2008) [16], Diallo và cộng sự (2006) [17], Li và cộng sự (2012) [53], Su và cộng sự (2012) [100], Zhang và cộng sự (2009) [107]. Các công trình đa băng tần hỗ trợ LTE, UMTS, WLAN, WiMAX gồm Huang và cộng sự (2010) [31], Jiang và cộng sự (2012) [33], Li và cộng sự (2011, 2012) [56, 59], Lin và cộng sự (2011) [60], Sharawi và cộng sự (2013) [83, 84], Xiong và cộng sự (2011) [103], Xu và cộng sự (2014) [104]. Các thiết kế này chủ yếu dùng anten dạng PIFA, anten đơn cực gập hoặc xoắn, và cấu trúc siêu vật liệu.
  2. Nghiên cứu anten MIMO cho thiết bị cầm tay PDA và máy tính xách tay: Các công trình của Addepalli và cộng sự (2015) [4], Hong và cộng sự (2011) [41], Ong và cộng sự (2013) [71], Park và cộng sự (2012) [72], Ran và cộng sự (2014) [75], See và cộng sự (2013) [80], Shoaib và cộng sự (2014) [85], Toktas và cộng sự (2013) [93], Valagiannopoulos và cộng sự (2014) [97], Verger và cộng sự (2012) [98] áp dụng kỹ thuật bố trí trực giao phân cực kết hợp đường trung tính hoặc phần tử ký sinh.
  3. Nghiên cứu anten MIMO cho USB Dongle: Giới hạn trong kích thước $70 \times 30\text{ mm}^2$, tiêu biểu là các nghiên cứu của Chiu và cộng sự (2007) [15], Ghafouri-Shiraz và cộng sự (2014) [30], Hua và cộng sự (2013) [43], Luo và cộng sự (2010) [64], Su và cộng sự (2011) [88], Yang và cộng sự (2010) [101].
  4. Nghiên cứu anten MIMO băng siêu rộng (UWB) và cực rộng (EWB): Các nghiên cứu của Gao và cộng sự (2014) [27], Khan và cộng sự (2014) [49], Kalteh và cộng sự (2011) [47], Li và cộng sự (2012, 2013) [52, 55, 57, 58], Najam và cộng sự (2014) [69], Nandi và cộng sự (2014) [70], Roshna và cộng sự (2014) [76], See và cộng sự (2010) [81], Tang và cộng sự (2014) [96], Zhang và cộng sự (2014) [102]. Các nghiên cứu trước đây tồn tại hạn chế: công trình [76, 81, 96, 101] không bao phủ hết dải tần FCC 3,1–10,6 GHz; công trình [55] đạt cách ly trên 20 dB nhưng chỉ hoạt động từ 2,0 GHz đến 6,0 GHz; các công trình [27, 49, 58] chỉ thiết kế cho cấu hình 2×2; trong khi các nghiên cứu EWB của Hakimi và cộng sự (2014) [37, 38] có kích thước tấm bức xạ lớn ($124 \times 120\text{ mm}^2$ và $124 \times 70\text{ mm}^2$).
  5. Kỹ thuật mạng cách ly và mặt phẳng đế không hoàn hảo: Kỹ thuật mạng cách ly dùng linh kiện tập trung [10, 15, 59] có nhược điểm về tổn hao, băng thông hẹp và sai lệch giá trị do mối hàn. Kỹ thuật cách ly mode vi dải [56] có kích thước lớn; kỹ thuật ghép bộ cộng hưởng vi dải hai băng tần [104] đòi hỏi khoảng cách đường mạch rất nhỏ, khó gia công. Về DGS, các thiết kế trong [16, 53] sử dụng cấu trúc đa lớp gây phức tạp khi chế tạo.

Luận án lựa chọn giải quyết các khoảng trống trên bằng việc đề xuất các cấu trúc phân tử ký sinh dạng bộ cộng hưởng đa mốt (MMR) và dây chêm ngắn mạch cho anten UWB/EWB, cấu trúc DGS hai khe hẹp cho anten siêu vật liệu CRLH và PIFA xoắn ốc, cùng cấu trúc mạng cách ly đường truyền vi dải (TLDN) hai băng tần dạng phẳng trên điện môi FR4.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Mô hình kênh truyền và dung lượng MIMO: Công suất thu không gian tự do theo định lý Friis: $$P_{RX} = P_{TX} G_{TX} G_{RX} \left(\frac{\lambda}{4\pi d}\right)^2$$ Dung lượng kênh truyền SISO theo định lý Shannon: $C = W\log_2(1 + \frac{P}{N_0 W})$. Đối với hệ thống MIMO $n$ anten phát và $m$ anten thu với quan hệ tín hiệu $Y = HS + v$, dung lượng kênh truyền khi công suất phát phân bố đều được xác định bởi: $$C = \log_2 \det \left(\mathbf{I}_m + \frac{P_T}{n N_0} \mathbf{H}\mathbf{H}^H\right)$$ Dung lượng tăng tuyến tính theo hàm $\min(m, n)$ trong điều kiện các kênh truyền độc lập và không tương quan.
  • Cơ chế tương hỗ giữa các phần tử bức xạ: Tương hỗ trong hệ anten mạch dải được tạo thành bởi sóng không gian (suy giảm theo $1/r$) và sóng bề mặt (suy giảm theo $1/\sqrt{r}$). Sóng bề mặt bị kích thích mạnh khi lớp điện môi dày hoặc có hằng số điện môi lớn. Điều kiện để sóng bề mặt có tác động không đáng kể là: $$\frac{h}{\lambda} \le \frac{0,3}{2\pi\sqrt{\varepsilon_r}}$$ Khi sắp xếp anten trên mặt phẳng H, điện dẫn tương hỗ $G_{12}$ suy giảm nhanh hơn theo khoảng cách so với sắp xếp trên mặt phẳng E do trường không gian giữa hai anten ở mặt phẳng H có dạng TE (không kích thích mode sóng bề mặt cơ bản $\text{TM}_0$).
  • Trở kháng tương hỗ qua phương pháp cảm ứng trường điện từ (EMF): $$Z_{21i} = -\frac{1}{I_{1i} I_{2i}} \int_{-l_2/2}^{l_2/2} E_{z21}(z') I_2(z') dz'$$
  • Các tham số đặc trưng MIMO:
    • Hệ số tương quan đường bao (ECC, $\rho_e$): Được tính toán từ tích phân đồ thị bức xạ không gian 3D ($\rho_e = |\rho_c|^2$) hoặc tính qua các tham số tán xạ $S$: $$\rho_e(i, j, N) = \frac{\left|\sum_{n=1}^N S_{i,n}^* S_{n,j}\right|^2}{\prod_{k=i,j} \left[1 - \sum_{n=1}^N S_{k,n}^* S_{n,k}\right]}$$ Đối với hệ 2 phần tử: $\rho_e = \frac{|S_{11}^* S_{12} + S_{21}^* S_{22}|^2}{(1 - |S_{11}|^2 - |S_{21}|^2)(1 - |S_{22}|^2 - |S_{12}|^2)}$. Yêu cầu tiêu chuẩn đối với hệ thống thông tin di động là $\rho_e < 0,5$.
    • Độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG): Xác định qua tỷ số công suất phân phát trung bình tới một cổng anten thu so với công suất thu của anten tham chiếu.
    • Cấu trúc siêu vật liệu Composite Right-Left Handed (CRLH): Phân tích dựa trên đồ thị tán sắc và mạch tương đương gồm điện cảm và điện dung nối tiếp/song song dạng bàn tay trái (LH) và thông thường (RH).

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

Luận án kết hợp giữa phương pháp phân tích giải tích mạch tương đương (phân tích mode chẵn - mode lẻ cho các cấu trúc cộng hưởng MMR, dây chêm ngắn mạch, DGS và đường truyền vi dải), phương pháp mô phỏng số điện từ trường 3D và phương pháp thực nghiệm chế tạo, đo đạc.

  • Công cụ mô phỏng: Mô phỏng trường điện từ 3D để khảo sát các tham số tán xạ $S_{11}, S_{21}, S_{12}, S_{22}$, mật độ phân bố dòng điện bề mặt, đồ thị bức xạ trong các mặt phẳng E và H, độ tăng ích đỉnh và trễ nhóm.
  • Nguồn dữ liệu thực nghiệm: Các mẫu anten được gia công trên đế mạch in FR4 ($\varepsilon_r = 4,4$, chiều dày $h = 0,8\text{ mm}$ hoặc $1,6\text{ mm}$, độ dày lớp đồng $0,035\text{ mm}$). Tham số tán xạ được đo đạc bằng máy phân tích mạng véc-tơ (VNA). Các đặc tính bức xạ trường xa được đo đạc trong buồng đo câm sóng vi ba tại Khoa Điện - Điện tử - Truyền thông, Đại học Chuo, Nhật Bản.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về hệ thống anten MIMO

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về kênh truyền không dây và hệ thống MIMO. Kênh truyền MIMO đem lại 4 ưu điểm chính: độ tăng ích mảng (cải thiện tỷ số SNR), độ tăng ích phân tập (giảm pha đinh với bậc phân tập $m \times n$), độ tăng ích phân kênh không gian (tăng dung lượng tuyến tính theo $\min(m, n)$) và khả năng giảm/tránh nhiễu. Hệ đa anten được phân loại thành hệ sử dụng chung phần tử bức xạ (đa cổng MPA, đa mốt MMA, đa phân cực MPOA) và hệ sử dụng các phần tử bức xạ độc lập.

Chương này phân tích chi tiết 5 kỹ thuật giảm ảnh hưởng tương hỗ kinh điển:

  1. Thay đổi hướng đặt anten: Bố trí trực giao các phần tử để tạo tính phân cực vuông góc và lệch pha dòng điện. Ví dụ anten của Park và cộng sự [72] ($60 \times 60\text{ mm}^2$, băng tần WLAN 2,4–2,5 GHz) đạt hệ số cách ly trên 25 dB.
  2. Mạng cách ly: Bổ sung các thành phần điện kháng vào mạng tiếp điện để triệt tiêu điện dẫn tương hỗ $Y_{21}^B = 0$. Thiết kế của Chiu và cộng sự [15] tại 2,45 GHz nâng cao độ cách ly từ 3 dB lên hơn 30 dB.
  3. Phần tử ký sinh: Đặt phần tử dẫn điện giữa các anten để tạo ra dòng cảm ứng $I_{coupled-cancel} = \beta^2 I_{excited}$ ngược pha $180^\circ$ triệt tiêu dòng ghép trực tiếp $I_{coupled-direct} = -\alpha I_{excited}$. Thiết kế của Zhang và cộng sự [107] cải thiện cách ly thêm 15 dB; thiết kế SMLR của Addepalli và cộng sự [4] cải thiện cách ly 16 dB với khoảng cách cạnh-cạnh $7\text{ mm}$ ($0,11\lambda_0$).
  4. Cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS): Khoét các khe trên mặt đất đóng vai trò như bộ lọc chắn dải để ngăn dòng điện bề mặt. Thiết kế của Li và cộng sự [53] gồm 4 phần tử anten khe với hai dãy khe DGS cải thiện 10 dB độ cách ly, đạt trên 25 dB giữa các cổng.
  5. Đường trung tính: Trích dòng điện từ điểm có trở kháng thấp trên anten phát, đảo pha và đưa sang anten lân cận để triệt tiêu dòng tương hỗ. Thiết kế của Su và cộng sự [88] cho 2 phần tử đơn cực đạt cách ly 19 dB (cải thiện 9 dB).
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|             CÁC KỸ THUẬT CẢI THIỆN ĐỘ CÁCH LY ANTEN MIMO (CHƯƠNG 1)               |
+---------------------+-------------------------------+-----------------------------+
| Kỹ thuật            | Cơ chế hoạt động chính        | Mức cải thiện tiêu biểu     |
+---------------------+-------------------------------+-----------------------------+
| Hướng đặt anten     | Trực giao phân cực/dòng điện  | Cách ly > 25 dB [72]        |
| Mạng cách ly (DN)   | Bổ sung điện kháng triệt tiêu | Cải thiện > 30 dB [15]      |
| Phần tử ký sinh     | Tạo dòng ngược pha triệt tiêu | Cải thiện 15 - 16 dB [4,107]|
| Mặt đế DGS          | Bộ lọc chắn dòng bề mặt đất   | Cải thiện 10 dB (>25 dB)[53]|
| Đường trung tính    | Dẫn dòng đảo pha khử tương hỗ | Cải thiện 9 dB (19 dB) [88] |
+---------------------+-------------------------------+-----------------------------+

Chương 2. Giải pháp sử dụng phần tử ký sinh trong thiết kế anten MIMO băng thông siêu rộng

Chương 2 trình bày hai thiết kế anten MIMO băng siêu rộng tích hợp khả năng loại bỏ băng tần can nhiễu:

  1. Anten MIMO-UWB 4×4 loại bỏ băng tần WLAN:
    • Cấu trúc: Gồm 4 phần tử anten UWB mạch dải in trên đế FR4. Mỗi phần tử UWB tích hợp cấu trúc dải chắn điện từ (EBG) để loại bỏ dải tần WLAN 5,15–5,85 GHz. Giữa các phần tử bức xạ, tác giả tích hợp phần tử ký sinh cấu trúc bộ cộng hưởng đa mốt (MMR - Microstrip Multimode Resonator).
    • Nguyên lý & Kết quả: MMR tạo ra dòng điện cảm ứng ngược pha triệt tiêu dòng ghép tương hỗ giữa các phần tử liền kề tại tần số trung tâm 6,7 GHz. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hệ số phản xạ $S_{11} < -10\text{ dB}$ trên toàn dải 3,1–10,6 GHz (ngoại trừ dải chắn WLAN), hệ số cách ly giữa các phần tử trực giao và đồng phân cực đều đạt trên 15 dB (tại nhiều điểm đạt trên 20 dB), hệ số tương quan đường bao $\text{ECC} < 0,02$, đồ thị bức xạ ổn định và trễ nhóm biến thiên nhỏ.
  2. Anten MIMO-EWB 2×2 loại bỏ băng tần WLAN:
    • Cấu trúc: Tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW) trên đế FR4. Để loại bỏ can nhiễu WLAN, một khe dạng chữ V ngược được khoét trên phiến bức xạ. Để giảm tương hỗ giữa 2 anten đặt ghép liên tiếp, phần tử ký sinh dạng hai dây chêm ngắn mạch (two short-ended stubs) được bố trí ở giữa.
    • Nguyên lý & Kết quả: Dây chêm ngắn mạch hoạt động ở các mode chẵn/lẻ để giam giữ dòng điện bề mặt và phân tán trường tương hỗ. Anten đạt tỷ số sóng đứng $\text{VSWR} < 2$ trong toàn dải tần cực rộng (từ dưới 3 GHz đến trên 15 GHz), loại bỏ dải tần 5–6 GHz. Hệ số truyền đạt $S_{12}, S_{21}$ được cải thiện đáng kể khi có phần tử ký sinh, hệ số tương quan $\text{ECC} < 0,01$ và trễ nhóm phẳng trong dải thông.

Chương 3. Giải pháp sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo trong thiết kế anten MIMO nhỏ gọn

Chương 3 khảo sát giải pháp sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS) dạng hai khe hẹp song song nhằm nâng cao độ cách ly cho hai mô hình anten nhỏ gọn:

  1. Anten MIMO siêu vật liệu (CRLH) cho hệ thống WLAN (chuẩn IEEE 802.11n tại 2,44 GHz):
    • Cấu trúc: Phần tử anten đơn sử dụng cấu trúc siêu vật liệu Composite Right-Left Handed (CRLH dạng nấm EBG có lỗ via) để giảm kích thước hình học xuống dưới giới hạn cộng hưởng $\lambda/2$ thông thường. Hệ anten MIMO gồm 2 phần tử siêu vật liệu đặt sát nhau.
    • Nguyên lý DGS & Kết quả: Trên mặt đất (GND), cấu trúc DGS dạng hai khe hẹp song song được khắc giữa hai cổng. DGS hoạt động như mạch cộng hưởng song song chặn dòng điện mặt đất tần số 2,44 GHz lan truyền từ cổng kích thích sang cổng lân cận. Kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy anten hoạt động tại dải tần trung tâm 2,44 GHz, hệ số cách ly $S_{21}$ được cải thiện hơn 15 dB so với khi không có DGS (đạt mức $<-22\text{ dB}$), hệ số tương quan $\text{ECC} < 0,005$.
  2. Anten MIMO-PIFA hai băng tần cho 4G-LTE (1,8 GHz) và WiMAX (2,33 GHz):
    • Cấu trúc: Sử dụng 2 phần tử anten chữ F-ngược phẳng (PIFA) đặt trên cùng mặt đế. Mỗi anten PIFA đơn có 2 nhánh bức xạ được thiết kế dạng gấp xoắn ốc để đạt hoạt động hai băng tần (1,8 GHz và 2,33 GHz) trong một diện tích nhỏ.
    • Nguyên lý DGS & Kết quả: Khắc hai khe hẹp DGS ($w_{slot} = 1\text{ mm}$, chiều dài $L_{slot}$ được tối ưu hóa) trên mặt đất giữa hai phần tử PIFA. Cấu trúc này bẫy và triệt tiêu dòng cảm ứng bề mặt tại cả hai tần số hoạt động. Kết quả thực nghiệm xác nhận hệ số cách ly $S_{21}$ tại 1,8 GHz và 2,33 GHz đều đạt trên 18 dB, độ tăng ích đỉnh đạt yêu cầu thiết bị di động và hệ số tương quan đường bao $\text{ECC} < 0,02$.

Chương 4. Giải pháp sử dụng mạng cách ly đường truyền vi dải trong thiết kế anten MIMO hai băng tần

Chương 4 đề xuất phương pháp luận thiết kế mạng cách ly sử dụng đường truyền vi dải (TLDN) hoạt động ở hai băng tần độc lập mà không can thiệp vào cấu trúc bức xạ hay sử dụng linh kiện tập trung:

  • Phương pháp luận thiết kế: Mô hình gồm hệ 2 anten đơn nối song song với một mạng cách ly vi dải (TLDN) và bộ biến đổi dẫn nạp hai băng tần kết hợp mạng phối hợp trở kháng hai băng tần (DMN). Mạng TLDN được thiết kế để tạo ra dẫn nạp truyền dẫn $Y_{12}^D = -Y_{12}^A$ tại cả hai tần số công tác, triệt tiêu hoàn toàn thành phần dẫn nạp tương hỗ giữa hai cổng.
  • Mô hình 1 - Anten MIMO hai băng tần WLAN (2,45 GHz và 5,25 GHz): Gồm 2 anten đơn cực mạch dải hai băng tần kết hợp mạng TLDN vi dải. Kết quả mô phỏng và đo đạc cho thấy: tại 2,45 GHz và 5,25 GHz, hệ số cách ly được cải thiện đáng kể (đạt trên 20 dB tại 2,45 GHz và trên 25 dB tại 5,25 GHz), hiệu suất bức xạ đạt từ 65% đến 80%, hệ số tương quan $\text{ECC} < 0,01$.
  • Mô hình 2 - Anten MIMO hai băng tần LTE (1,8 GHz) và WiMAX (3,5 GHz): Áp dụng cấu trúc TLDN vi dải tối ưu cho hai tần số 1,8 GHz và 3,5 GHz. Mật độ phân bố dòng điện tại 1,8 GHz và 3,5 GHz khi có mạng TLDN cho thấy dòng điện ghép sang cổng không kích thích bị triệt tiêu hoàn toàn. Tham số tán xạ đo đạc thực nghiệm đạt $S_{11} < -10\text{ dB}$, $S_{21} < -20\text{ dB}$ trên cả hai băng tần, đồ thị bức xạ trong mặt phẳng $xoy$ và $xoz$ ổn định, hệ số tương quan đường bao $\text{ECC} < 0,008$.

Kết quả và những đóng góp mới

Tổng hợp các kết quả kỹ thuật chính

Mô hình anten Cấu hình & Băng tần Giải pháp cách ly áp dụng Kích thước / Vật liệu Đặc tính kỹ thuật chính đạt được
MIMO-UWB (Chương 2) 4×4; Toàn dải UWB 3,1–10,6 GHz (Lọc WLAN 5,5 GHz) Phần tử ký sinh MMR + Cấu trúc EBG Mạch in phẳng, FR4 ($\varepsilon_r = 4,4$) $S_{11} < -10\text{ dB}$; Cách ly $> 15\text{ dB}$; $\text{ECC} < 0,02$; Trễ nhóm ổn định
MIMO-EWB (Chương 2) 2×2; Cực rộng 3–15 GHz (Lọc WLAN 5–6 GHz) Ký sinh 2 dây chêm ngắn mạch + Khe chữ V Tiếp điện CPW, FR4 $\text{VSWR} < 2$; Cách ly cải thiện $> 15\text{ dB}$; $\text{ECC} < 0,01$
MIMO Metamaterial (Chương 3) 2×2; WLAN 2,44 GHz (IEEE 802.11n) Siêu vật liệu CRLH thu nhỏ + Cấu trúc DGS 2 khe Kích thước nhỏ gọn, FR4 ($h = 1,6\text{ mm}$) $S_{11} < -10\text{ dB}$; Cách ly cải thiện $> 15\text{ dB}$ ($S_{21} < -22\text{ dB}$); $\text{ECC} < 0,005$
MIMO-PIFA (Chương 3) 2×2; Hai băng 4G-LTE 1,8 GHz & WiMAX 2,33 GHz PIFA 2 nhánh xoắn ốc + Cấu trúc DGS 2 khe Kích thước thiết bị cầm tay, FR4 $S_{11} < -10\text{ dB}$; Cách ly $> 18\text{ dB}$; $\text{ECC} < 0,02$
MIMO-TLDN WLAN (Chương 4) 2×2; Hai băng WLAN 2,45 GHz & 5,25 GHz Mạng cách ly đường truyền vi dải (TLDN) + DMN Cấu trúc vi dải đơn lớp phẳng, FR4 Cách ly $> 20\text{ dB}$ (2,45 GHz) và $> 25\text{ dB}$ (5,25 GHz); $\text{ECC} < 0,01$; Hiệu suất 65–80%
MIMO-TLDN LTE/WiMAX (Chương 4) 2×2; Hai băng LTE 1,8 GHz & WiMAX 3,5 GHz Mạng cách ly đường truyền vi dải (TLDN) + DMN Cấu trúc vi dải đơn lớp phẳng, FR4 $S_{11} < -10\text{ dB}$; Cách ly $> 20\text{ dB}$; $\text{ECC} < 0,008$

Những đóng góp mới của luận án

  1. Về mặt khoa học:
    • Phát triển và thực hiện thành công giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ sử dụng phần tử ký sinh cấu trúc bộ cộng hưởng đa mốt (MMR) và cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch trong thiết kế 2 mô hình anten MIMO băng thông siêu rộng (MIMO-UWB 4×4 và MIMO-EWB 2×2) có tích hợp chức năng loại bỏ băng tần can nhiễu.
    • Phát triển và thực hiện thành công giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS) dạng hai khe hẹp trong thiết kế 2 mô hình anten MIMO nhỏ gọn: anten MIMO siêu vật liệu CRLH cho chuẩn WLAN và anten MIMO-PIFA nhánh xoắn ốc cho hệ thống hai băng tần LTE/WiMAX.
    • Xây dựng phương pháp luận và thực hiện giải pháp tăng cường độ cách ly cổng sử dụng mạng cách ly đường truyền vi dải (TLDN) hai băng tần, khắc phục nhược điểm tổn hao và sai số linh kiện của các mạng cách ly dùng phần tử tập trung.
  2. Về mặt thực tiễn:
    • Cung cấp 6 mẫu thiết kế anten MIMO hoàn chỉnh được chế tạo trên vật liệu FR4 thông dụng, giá thành thấp, có cấu trúc phẳng, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về băng thông, độ cách ly và hệ số tương quan của các thiết bị đầu cuối di động (điện thoại thông minh, PDA, USB Dongle, thiết bị WPAN).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Các mô hình anten trong luận án chủ yếu được thiết kế và khảo sát trên chất nền điện môi FR4 (có tổn hao điện môi $\tan\delta$ tương đối lớn ở các tần số rất cao trên 10 GHz).
    • Nghiên cứu tập trung vào cấu hình MIMO 2×2 và 4×4 ở dạng mô-đun anten phẳng trong môi trường không gian tự do và buồng câm; chưa tiến hành đánh giá chi tiết ảnh hưởng của môi trường vỏ máy kim loại/nhựa thực tế, pin, màn hình hiển thị cũng như tương tác trường điện từ với cơ thể người dùng (chỉ số hấp thụ riêng SAR).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng các cấu trúc anten MIMO và kỹ thuật cách ly vi dải cho các băng tần cao hơn của mạng 5G (băng tần sóng milimet).
    • Tích hợp các giải pháp anten MIMO đề xuất vào khung vỏ thiết bị thực tế và thực hiện đo đạc chỉ số SAR nhằm đánh giá độ an toàn sinh học.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Vô tuyến và Điện tử.
    • Các kỹ sư thiết kế phần cứng vô tuyến (RF/Antenna Engineer) tại các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thiết bị đầu cuối di động.
  • Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:
    • Khung lý thuyết và công thức tính toán trở kháng tương hỗ $Z_{21}$, điện dẫn tương hỗ $G_{12}$ theo phân bố mặt phẳng E/H và công thức trích xuất hệ số tương quan đường bao (ECC) từ ma trận tán xạ $S$.
    • Phương pháp phân tích mode chẵn - mode lẻ cho các bộ cộng hưởng ký sinh vi dải (MMR và stub ngắn mạch).
    • Quy trình tổng hợp giải tích mạng cách ly đường truyền vi dải hai băng tần (TLDN) và bộ biến đổi dẫn nạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tương hỗ giữa hai anten mạch dải bố trí trên mặt phẳng E lại lớn hơn khi bố trí trên mặt phẳng H?

Theo phân tích điện từ trường trong Chương 1, mode sóng bề mặt cơ bản trong lớp điện môi là $\text{TM}_0$. Khi hai anten mạch dải được sắp xếp dọc theo mặt phẳng E, thành phần trường bức xạ trong không gian giữa hai anten có dạng TM, kích thích mạnh mode sóng bề mặt cơ bản $\text{TM}0$, làm năng lượng lan truyền mạnh qua lớp điện môi sang anten lân cận. Ngược lại, khi bố trí trên mặt phẳng H, trường phân bố có dạng TE (không phải mode sóng bề mặt cơ bản), do đó sóng bề mặt bị kích thích yếu hơn, dẫn đến điện dẫn tương hỗ $G{12}$ suy giảm nhanh hơn theo khoảng cách.

2. Phần tử ký sinh cấu trúc MMR trong anten MIMO-UWB 4×4 hoạt động theo nguyên lý nào để triệt tiêu tương hỗ?

Phần tử ký sinh MMR (Microstrip Multimode Resonator) được đặt giữa các phần tử bức xạ UWB lân cận. Khi một anten được tiếp điện, nó cảm ứng một dòng điện lên phần tử ký sinh. Phần tử ký sinh MMR được thiết kế để tạo ra một dòng điện thứ cấp cảm ứng ngược pha ($180^\circ$) lên anten thứ hai. Dòng điện thứ cấp này có biên độ xấp xỉ và ngược pha với dòng điện ghép trực tiếp từ anten thứ nhất sang anten thứ hai, từ đó triệt tiêu dòng cảm ứng tổng trên anten lân cận và làm tăng độ cách ly.

3. Những hạn chế của mạng cách ly sử dụng phần tử thụ động tập trung so với mạng cách ly đường truyền vi dải (TLDN) là gì?

Mạng cách ly sử dụng linh kiện tập trung ($R, L, C$) có các nhược điểm: (1) giá trị linh kiện thực tế bị rời rạc theo chuẩn nhà sản xuất, không đáp ứng được chính xác giá trị tính toán liên tục; (2) xuất hiện điện dung và điện cảm ký sinh tại các mối hàn vi dải làm sai lệch tần số cộng hưởng; (3) gây tổn hao chèn lớn và (4) băng thông hoạt động hẹp. Mạng TLDN bằng đường truyền vi dải phẳng khắc phục được các vấn đề này do được in trực tiếp trên cùng lớp mạch, có độ chính xác hình học cao và hỗ trợ đa băng tần.

4. Cấu trúc DGS dạng hai khe hẹp đóng vai trò gì trong anten MIMO siêu vật liệu và MIMO-PIFA?

Cấu trúc DGS dạng hai khe hẹp được khắc trên mặt phẳng đất (GND) đóng vai trò như một mạch lọc chắn dải cộng hưởng song song LC. Khi các anten mạch dải dùng chung mặt đất, dòng điện phản hồi và dòng cảm ứng bề mặt trên mặt đất gây ra tương hỗ mạnh. Dãy khe DGS ngăn cản và phân tán dòng điện bề mặt tần số công tác (2,44 GHz ở anten siêu vật liệu hoặc 1,8 GHz / 2,33 GHz ở anten PIFA), ngăn không cho dòng điện truyền từ vùng đất dưới anten kích thích sang vùng đất của anten lân cận.

5. Tiêu chuẩn đánh giá hệ số tương quan đường bao (ECC) trong luận án là bao nhiêu và được xác định bằng những cách nào?

Để đảm bảo hiệu quả phân tập trong hệ thống thông tin di động không dây, hệ số tương quan đường bao giữa các anten thành phần phải thỏa mãn điều kiện $\rho_e < 0,5$. Luận án xác định ECC qua hai phương pháp: (1) tính toán giải tích từ ma trận tham số tán xạ $S$ của hệ anten $N \times N$, và (2) tích phân số từ đồ thị phương hướng bức xạ 3D (bao gồm trường phân cực $E_\theta, E_\phi$ và hàm mật độ góc $P_\theta, P_\phi$). Mọi mô hình anten được chế tạo trong luận án đều đạt $\text{ECC} < 0,02$ (nhiều mô hình đạt $\text{ECC} < 0,005$).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Khắc Kiểm đã giải quyết toàn diện bài toán nâng cao độ cách ly và thu nhỏ kích thước cho các hệ thống anten MIMO mạch dải trên đế FR4. Thông qua việc phát triển ba nhóm giải pháp kỹ thuật—phần tử ký sinh cộng hưởng (MMR, stubs), cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS hai khe) và mạng cách ly đường truyền vi dải (TLDN)—công trình đã thiết kế, chế tạo và đo kiểm thực nghiệm thành công 6 mô hình anten MIMO từ băng siêu rộng UWB/EWB đến các hệ thống đa băng tần 4G-LTE, WiMAX và WLAN. Các kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm đều đạt độ tương đồng cao, thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật về phối hợp trở kháng, độ cách ly cổng ($>15\text{ dB}$ đến $>25\text{ dB}$) và hệ số tương quan đường bao ($\text{ECC} < 0,02$), khẳng định tính khả thi trong ứng dụng chế tạo thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới.