Tổng quan luận án

Bản luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Khắc Kiểm, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Đào Ngọc Chiến và TS. Nguyễn Vũ Thắng tại Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tập trung giải quyết bài toán suy giảm ảnh hưởng tương hỗ (mutual coupling) trong các hệ thống đa anten (MIMO) kích thước nhỏ gọn. Trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới (như 4G-LTE, 5G, WLAN chuẩn IEEE 802.11n/ad, WiMAX, WPAN), kỹ thuật đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) đóng vai trò then chốt trong việc chống lại hiện tượng pha đinh (fading) đa đường, nâng cao dung lượng kênh truyền và tốc độ truyền dữ liệu mà không cần tăng công suất phát hay chiếm dụng thêm băng thông tần số.

Tuy nhiên, việc tích hợp nhiều phần tử bức xạ trong các thiết bị đầu cuối cầm tay (điện thoại di động, thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân PDA, USB Dongle, máy tính xách tay) gặp phải rào cản kỹ thuật lớn do không gian vật lý bị giới hạn. Khi khoảng cách giữa các phần tử anten nhỏ hơn nửa bước sóng ($\lambda/2$), hiện tượng tương hỗ xuất hiện mạnh mẽ do ảnh hưởng của dòng điện bề mặt và trường bức xạ khu gần. Điều này làm biến đổi trở kháng vào, suy giảm hiệu suất bức xạ, làm méo đồ thị phương hướng và tăng hệ số tương quan đường bao (ECC). Tiêu chuẩn kỹ thuật thông thường yêu cầu hệ số tương hỗ giữa các phần tử bức xạ phải nhỏ hơn $-15\text{ dB}$ và hệ số ECC phải nhỏ hơn $0,5$. Các giải pháp truyền thống như gia tăng khoảng cách vật lý không thể áp dụng cho các thiết bị kích thước nhỏ.

Từ các yêu cầu trên, mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung chính:

  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 (DGS) 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 đường truyền vi dải (TLDN) để tăng cường cách ly cổng trong thiết kế các anten MIMO hai băng tần.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các cấu trúc anten MIMO chế tạo trên công nghệ mạch dải sử dụng vật liệu điện môi FR4 giá thành thấp, phục vụ các thiết bị vô tuyến cầm tay thế hệ mới. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa, tối ưu hóa kích thước hình học, phân tích phân bố dòng điện mặt, đánh giá các tham số tán xạ ($S$-parameters), đồ thị bức xạ, hệ số tương quan tín hiệu (ECC), độ tăng ích hiệu dụng trung bình (MEG) và trễ nhóm của anten trong các dải tần số từ $1,8\text{ GHz}$ đến $20\text{ GHz}$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án phân loại các nghiên cứu về thiết kế anten MIMO mạch dải theo 4 nhóm ứng dụng và cấu trúc:

  • Anten MIMO cho điện thoại di động: Bị giới hạn trong kích thước đế tiêu chuẩn $100 \times 50\text{ mm}^2$ (điện thoại thông thường) hoặc $120 \times 60\text{ mm}^2$ (điện thoại thông minh). Các thiết kế đơn băng tần [10, 16, 17, 46, 53, 100, 107] hoặc đa băng tần [31, 33, 56, 59, 60, 83, 84, 103, 104] chủ yếu sử dụng anten chữ F-ngược phẳng (PIFA), anten đơn cực, cấu trúc gập/xoắn hoặc siêu vật liệu (metamaterial) kết hợp phần tử ký sinh, DGS, mạng cách ly hoặc đường trung tính.
  • Anten MIMO cho thiết bị PDA, máy tính xách tay và thiết bị không dây: Các công trình [4, 41, 71, 72, 75, 80, 85, 93, 97, 98] áp dụng phương pháp bố trí hướng đặt anten vuông góc nhau kết hợp đường trung tính hoặc phần tử ký sinh. Điển hình, Su và cộng sự [72] thiết kế hệ thống anten kích thước $60 \times 60\text{ mm}^2$ hoạt động ở dải tần $2,4 - 2,5\text{ GHz}$, đạt độ cách ly trên $25\text{ dB}$ nhờ kết hợp hai anten đơn cực dạng gấp vuông góc và một đoạn vi dải nối hai điểm tiếp điện.
  • Anten MIMO cho thiết bị USB Dongle: Bị giới hạn trong phạm vi $70 \times 30\text{ mm}^2$ [15, 30, 43, 64, 88, 101]. Coetzee và cộng sự [15] đề xuất mạng cách ly gồm hai đường truyền và một phần tử điện kháng tập trung nối song song, cải thiện độ cách ly từ $3\text{ dB}$ lên hơn $30\text{ dB}$ ở tần số $2,45\text{ GHz}$. Chen và cộng sự [88] ứng dụng đường trung tính rộng $0,3\text{ mm}$ nối hai phần tử đơn cực, nâng hệ số cách ly lên $19\text{ dB}$ (tăng $9\text{ dB}$).
  • Anten MIMO băng thông siêu rộng (UWB) và cực kỳ rộng (EWB): FCC cấp phép dải tần UWB từ $3,1\text{ GHz}$ đến $10,6\text{ GHz}$ [1]. Các thiết kế trước đây bộc lộ nhiều hạn chế: một số không bao phủ toàn dải UWB [76, 81, 96, 101]; công trình [55] đạt độ cách ly trên $20\text{ dB}$ với cấu hình $4 \times 4$ nhưng chỉ hoạt động từ $2,0 - 6,0\text{ GHz}$; các thiết kế toàn dải [57, 69, 70] hoặc có loại bỏ băng tần [27, 49, 58] chỉ dừng lại ở cấu hình $2 \times 2$ hoặc có kích thước lớn nếu mở rộng lên $4 \times 4$. Các anten EWB [37, 38] có kích thước phiến bức xạ quá lớn ($124 \times 120\text{ mm}^2$ và $124 \times 70\text{ mm}^2$), khó tích hợp vào thiết bị cầm tay.
Hướng tiếp cận kỹ thuật Ưu điểm ghi nhận trong y văn Hạn chế tồn tại mà luận án giải quyết
Phần tử ký sinh [4, 64, 107] Tạo trường ngược pha triệt tiêu dòng cảm ứng, không can thiệp cơ học vào cổng nạp. Thường chỉ áp dụng cho băng hẹp; chưa tối ưu cho cấu hình MIMO-UWB $4 \times 4$ và MIMO-EWB $2 \times 2$ có loại bỏ dải tần gây nhiễu.
Cấu trúc DGS [16, 53, 83, 84] Tạo hiệu ứng lọc chắn dải chặn dòng mặt trên đế, hiệu quả cao ở tần số thấp. Các cấu trúc DGS trước đây thường dùng mạch đa lớp phức tạp, khó chế tạo, kích thước chưa tối ưu cho thiết bị nhỏ.
Mạng cách ly [10, 15, 56, 59, 104] Không làm thay đổi cấu trúc phần tử bức xạ, duy trì khoảng cách nhỏ giữa các anten. Dùng phần tử tập trung (R, L, C) gây sai số hàn, băng thông hẹp, tổn hao lớn; mạng vi dải hai băng tần trước đây có kích thước lớn hoặc đòi hỏi khe ghép quá mỏng khó gia công.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là phát triển các cấu trúc mạch dải phẳng đơn lớp trên vật liệu FR4, vừa thu nhỏ kích thước hình học, vừa đảm bảo băng thông hoạt động (toàn dải UWB/EWB hoặc đa băng tần LTE, WiMAX, WLAN), tích hợp khả năng loại bỏ băng tần gây nhiễu và đạt độ cách ly cao thông qua các cấu trúc phần tử ký sinh, DGS và mạng TLDN dạng phẳng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên nền tảng lý thuyết điện từ trường và lý thuyết thông tin vô tuyến:

  • Mô hình kênh truyền và dung lượng MIMO: Dựa trên định lý Friis tính toán công suất thu trong không gian tự do và mô hình ma trận kênh truyền $\mathbf{Y} = \mathbf{H}\mathbf{S} + \mathbf{v}$. Dung lượng kênh của hệ thống MIMO $n$ anten phát và $m$ anten thu trong điều kiện công suất phát phân bố đều được xác định qua công thức: $$C = \log_2 \det \left(\mathbf{I}_m + \frac{P_T}{n N_0} \mathbf{H}\mathbf{H}^H\right)$$ Trong điều kiện các kênh truyền độc lập và không tương quan, dung lượng tăng tuyến tính theo hệ số $\min(m, n)$ so với hệ thống SISO.
  • Cơ chế tương hỗ trong anten mạch dải: Tương hỗ giữa các phần tử bức xạ được phân tích qua hai thành phần: sóng không gian (suy giảm theo tỷ lệ $1/r$) và sóng mặt (suy giảm theo tỷ lệ $1/\sqrt{r}$). Sóng mặt bị kích thích mạnh khi bề dày đế điện môi $h$ thỏa mãn điều kiện $h/\lambda > 0,3 / (2\pi\sqrt{\varepsilon_r})$. Phân tích bố trí anten trên mặt phẳng $E$ và mặt phẳng $H$ cho thấy tương hỗ trên mặt phẳng $E$ (mode sóng cơ bản $\text{TM}0$) lớn hơn trên mặt phẳng $H$ (trường $\text{TE}$), và điện dẫn tương hỗ $G{12}$ được mô hình hóa qua các tích phân chứa hàm Bessel loại 1 bậc $0$ ($J_0$).
  • Nguyên lý triệt tiêu dòng bằng phần tử ký sinh: Khi anten 1 kích thích dòng $I_{\text{excited}}$, dòng cảm ứng trên anten 2 gồm thành phần tương hỗ trực tiếp $I_{\text{coupled-direct}} = -\alpha I_{\text{excited}}$ và thành phần gián tiếp qua phần tử ký sinh $I_{\text{coupled-cancel}} = \beta^2 I_{\text{excited}}$. Bằng cách điều chỉnh thông số hình học của phần tử ký sinh để $\beta^2 = \alpha$, tổng dòng tương hỗ $I_{\text{coupled-B}} = (-\alpha + \beta^2)I_{\text{excited}} \approx 0$.
  • Các tham số đánh giá đặc tính MIMO:
    • Hệ số tương quan đường bao (ECC, $\rho_e$): Tính toán từ tham số tán xạ $S$ theo công thức: $$\rho_e = \frac{|S_{11}^* S_{12} + S_{21}^* S_{22}|^2}{(1 - |S_{11}|^2 - |S_{21}|^2)(1 - |S_{22}|^2 - |S_{12}|^2)}$$
    • Độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG), tỷ số sóng đứng (VSWR), trễ nhóm (Group Delay).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng số và thực nghiệm:

  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết kế mô hình 3D, phân tích phân bố mật độ dòng điện bề mặt, tối ưu hóa kích thước hình học và trích xuất ma trận tán xạ $S$, đồ thị bức xạ trên các công cụ mô phỏng trường điện từ chuyên dụng.
  • Phương pháp thực nghiệm: Gia công các mẫu anten thử nghiệm trên mạch in FR4 ($\varepsilon_r = 4,4$, $\tan\delta = 0,02$). Tiến hành đo đạc tham số $S$ bằng máy phân tích mạng vector (VNA) và đo đặc tính bức xạ trong buồng đo phản xạ chuẩn tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Hiroshi Shirai thuộc 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, hiện tượng suy hao đường truyền, pha đinh che chắn và pha đinh đa đường. Phân tích 4 ưu điểm kỹ thuật của hệ thống MIMO: độ tăng ích mảng (array gain), độ tăng ích phân tập (diversity gain), độ tăng ích phân kênh không gian (spatial multiplexing gain), cùng khả năng giảm và tránh nhiễu.

Chương này đi sâu vào bản chất vật lý của ảnh hưởng tương hỗ trong hệ đa anten mạch dải, phân biệt sự khác nhau giữa cách sắp xếp anten trên mặt phẳng $E$ và mặt phẳng $H$. Đồng thời, 5 kỹ thuật cải thiện độ cách ly được khảo sát và so sánh: (1) Thay đổi hướng đặt anten, (2) Mạng cách ly, (3) Phần tử ký sinh, (4) Cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS), (5) Đường trung tính.

                  +----------------------------------------------+
                  | Các kỹ thuật cải thiện cách ly anten MIMO     |
                  +----------------------+-----------------------+
                                         |
     +-------------------+---------------+-------------------+-------------------+
     |                   |                                   |                   |
+----+----+         +----+----+                         +----+----+         +----+----+
| Hướng   |         | Đường   |                         | Phần tử |         | Mặt đế  |
| đặt     |         | trung   |                         | ký sinh |         | DGS     |
| anten   |         | tính    |                         | (MMR,   |         | (khe    |
| (vuông  |         | (đảo    |                         | chêm    |         | hẹp     |
| góc)    |         | pha)    |                         | ngắn    |         | LC)     |
+---------+         +---------+                         | mạch)   |         +---------+
                                                        +----+----+
                                                             |
                                                        +----+----+
                                                        | Mạng    |
                                                        | cách ly |
                                                        | TLDN    |
                                                        | (vi     |
                                                        | dải)    |
                                                        +---------+

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 dải rộng ứng dụng phần tử ký sinh:

  1. Anten MIMO-UWB $4 \times 4$ loại bỏ băng tần WLAN ($3,1 - 10,6\text{ GHz}$):

    • Bốn phần tử đơn cực vi dải biến đổi từ từ được bố trí xoay góc $90^\circ$ trên cùng đế FR4.
    • Cấu trúc dải chắn điện từ (EBG) đặt đối xứng hai bên đường tiếp điện vi dải nhằm triệt tiêu dải tần WLAN ($5,5\text{ GHz}$) để tránh can nhiễu.
    • Phần tử ký sinh cấu trúc bộ cộng hưởng đa mode (MMR) được đặt tại vị trí trung tâm giữa các phần tử. MMR đóng vai trò như bộ lọc chắn dải, tập trung và hấp thụ dòng cảm ứng ở tần số $6,7\text{ GHz}$, giải quyết triệt để tương hỗ giữa các phần tử đồng phân cực (cùng phương).
    • Kết quả: Hệ số phản xạ $S_{ii} < -10\text{ dB}$ trên toàn dải $3,1 - 10,6\text{ GHz}$ (ngoại trừ dải chắn $5,5\text{ GHz}$), hệ số cách ly giữa các cổng đạt trên $15\text{ dB}$, hệ số ECC $< 0,04$, trễ nhóm biến thiên ổn định.

  2. Anten MIMO-EWB $2 \times 2$ loại bỏ băng tần WLAN ($2,7 - 20\text{ GHz}$):

    • Hai phần tử bức xạ sử dụng ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW) với kết cấu chuyển tiếp mở rộng để đạt băng thông cực rộng.
    • Khe chữ V-ngược khoét trên phiến bức xạ giúp loại bỏ dải tần WLAN ($5 - 6\text{ GHz}$).
    • Phần tử ký sinh dạng hai dây chêm ngắn mạch đặt đồng phẳng giữa hai phần tử bức xạ với khoảng cách chỉ $0,14\lambda_0$ tại tần số $10\text{ GHz}$.
    • Kết quả: Đảm bảo tỷ số sóng đứng $\text{VSWR} < 2$ từ $2,7\text{ GHz}$ đến $20\text{ GHz}$, độ cách ly $S_{12}/S_{21}$ được cải thiện rõ rệt, ECC $< 0,02$, đồ thị bức xạ duy trì ổn định tại các tần số kiểm tra ($3\text{ GHz}$, $7,5\text{ GHz}$, $10\text{ GHz}$, $15\text{ GHz}$).

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

Chương 3 khai thác đặc tính lọc của cấu trúc DGS để thu nhỏ diện tích và nâng cao độ cách ly:

  1. Anten MIMO siêu vật liệu (CRLH) cho hệ thống WLAN ($2,44\text{ GHz}$):

    • Phần tử đơn ứng dụng cấu trúc đường truyền siêu vật liệu điện từ phức hợp bàn tay trái/phải (CRLH) dạng nấm EBG nhằm thu nhỏ kích thước hình học so với anten vi dải thông thường.
    • Mặt phẳng đế tích hợp cấu trúc DGS dạng hai khe hẹp song song. Mạch tương đương của DGS hoạt động như mạch cộng hưởng song song LC (mô hình Butterworth một cực), ngăn chặn đường truyền của dòng điện mặt giữa hai cổng tiếp điện.
    • Kết quả: Độ cách ly tại tần số trung tâm $2,44\text{ GHz}$ tăng từ mức không đạt yêu cầu lên trên $25\text{ dB}$, ECC $< 0,01$.

  2. Anten MIMO-PIFA hai băng tần cho 4G-LTE ($1800\text{ MHz}$) và WiMAX ($2300\text{ MHz}$):

    • Thiết kế anten chữ F-ngược phẳng (PIFA) gồm hai nhánh bức xạ gấp xoắn ốc để giảm diện tích chiếm dụng trên bo mạch thiết bị di động.
    • Cấu trúc DGS gồm hai khe hẹp có chiều dài $L_{\text{slot}}$ và độ rộng $w_{\text{slot}} = 1\text{ mm}$ được khoét trên mặt đế giữa hai anten.
    • Kết quả: Độ cách ly giữa hai phần tử đạt trên $20\text{ dB}$ tại cả hai băng tần $1,8\text{ GHz}$ và $2,33\text{ GHz}$, phân bố dòng điện mặt bị cô lập hoàn toàn quanh khe DGS khi một cổng được kích thích.

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 giải pháp thiết kế mạng cách ly đường truyền vi dải (TLDN) dạng phẳng kết hợp bộ biến đổi dẫn nạp hai băng tần và mạng phối hợp trở kháng (DMN):

  • Phương pháp luận: Mạng TLDN mắc song song giữa hai đường tiếp điện của hai phần tử anten. Bằng cách thiết lập chiều dài điện và trở kháng đặc tính của các đoạn vi dải ($l_{d1}$, $l_{d2}$, $w_d$), phần ảo của dẫn nạp tương hỗ ($Y_{12}, Y_{21}$) bị triệt tiêu hoàn toàn tại hai tần số làm việc định trước mà không làm xáo trộn cấu trúc bức xạ.
  • Áp dụng thiết kế hai mô hình thực nghiệm:
    1. Anten MIMO hai băng tần WLAN ($2,45\text{ GHz}$ và $5,25\text{ GHz}$): Nâng cao độ cách ly tại cả hai tần số lên trên $25\text{ dB}$ và $30\text{ dB}$, hệ số tương quan đường bao ECC $< 0,005$.
    2. Anten MIMO hai băng tần 4G-LTE ($1,8\text{ GHz}$) và WiMAX ($3,5\text{ GHz}$): Độ cách ly đạt trên $22\text{ dB}$ tại $1,8\text{ GHz}$ và trên $28\text{ dB}$ tại $3,5\text{ GHz}$. Hiệu suất bức xạ và độ tăng ích đỉnh được duy trì ổn định, đồ thị phương hướng bức xạ trên hai mặt phẳng $xoy$ và $xoz$ độc lập khi cấp điện luân phiên tại cổng 1 và cổng 2.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp kỹ thuật cụ thể:

Đóng góp về mặt lý luận và phương pháp

  • Phát triển hoàn thiện phương pháp phân tích và mô hình hóa mạch tương đương cho các phần tử ký sinh đa mode (MMR, dây chêm ngắn mạch) và cấu trúc DGS khe hẹp trong việc triệt tiêu tương hỗ điện từ giữa các phần tử anten mạch dải.
  • Xây dựng quy trình thiết kế giải tích cho mạng cách ly đường truyền vi dải (TLDN) hai băng tần, khắc phục nhược điểm của mạng cách ly dùng linh kiện tập trung (tổn hao, sai số hàn) và mạng cách ly mode (kích thước lớn).

Đóng góp về mặt thực tiễn

Chế tạo và kiểm chứng thực nghiệm 6 mô hình anten MIMO đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật của các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại:

| Mô hình anten MIMO | Băng tần hoạt động | Kỹ thuật giảm tương hỗ | Độ cách ly ($|S_{21}|$) | Hệ số tương quan (ECC) | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | MIMO-UWB $4 \times 4$ | $3,1 - 10,6\text{ GHz}$ (lọc $5,5\text{ GHz}$) | Ký sinh MMR + EBG | $> 15\text{ dB}$ | $< 0,04$ | | MIMO-EWB $2 \times 2$ | $2,7 - 20\text{ GHz}$ (lọc WLAN) | Ký sinh 2 dây chêm ngắn mạch | $> 18\text{ dB}$ | $< 0,02$ | | MIMO siêu vật liệu | $2,44\text{ GHz}$ (WLAN 802.11n) | Cấu trúc CRLH + DGS khe hẹp | $> 25\text{ dB}$ | $< 0,01$ | | MIMO-PIFA hai băng | $1,8\text{ GHz}$ (LTE) / $2,33\text{ GHz}$ (WiMAX) | PIFA xoắn ốc + DGS hai khe hẹp | $> 20\text{ dB}$ | $< 0,02$ | | MIMO vi dải TLDN 1 | $2,45\text{ GHz}$ / $5,25\text{ GHz}$ (WLAN) | Mạng cách ly vi dải TLDN + DMN | $> 25\text{ dB}$ | $< 0,005$ | | MIMO vi dải TLDN 2 | $1,8\text{ GHz}$ (LTE) / $3,5\text{ GHz}$ (WiMAX) | Mạng cách ly vi dải TLDN + DMN | $> 22\text{ dB}$ | $< 0,01$ |

Kiến nghị kỹ thuật

Các mô hình và giải pháp trong luận án có khả năng ứng dụng trực tiếp vào quy trình thiết kế khối vô tuyến (RF Front-End) cho các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối di động, thẻ cắm USB Dongle và điểm truy cập không dây (Access Point).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo phạm vi nghiên cứu được công bố trong văn bản, các hạn chế và hướng mở rộng gồm:

  • Hạn chế: Các thiết kế anten MIMO trong luận án chủ yếu thực hiện trên nền vật liệu điện môi FR4 đơn lớp chuẩn để tối ưu chi phí, chưa khảo sát trên các chất liệu điện môi tổn hao thấp hoặc đế dẻo (flexible substrate). Số lượng phần tử giới hạn ở cấu hình $2 \times 2$ và $4 \times 4$, chưa mở rộng cho hệ thống mảng quy mô lớn (Massive MIMO). Đánh giá đặc tính kênh truyền MIMO chủ yếu dựa trên thông số tán xạ $S$ và đồ thị bức xạ tĩnh trong buồng phản xạ chuẩn, chưa đo đạc trực tiếp thông lượng dữ liệu (throughput) trong môi trường fading thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Nghiên cứu tích hợp các giải pháp cách ly vi dải và DGS lên các dải tần sóng milimet (mmWave) phục vụ mạng 5G/6G.
    2. Áp dụng các thuật toán tối ưu hóa thông minh (như GA, PSO đã được hệ thống trong danh mục viết tắt) để tự động hóa thiết kế hình học phức tạp của mạng TLDN và khe DGS.
    3. Mở rộng cấu hình đa anten lên số lượng cổng lớn hơn phục vụ trạm thu phát gốc cỡ nhỏ (Small Cell Base Station).

Giá trị tham khảo

Bản luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Tham khảo phương pháp luận thiết kế mạch siêu cao tần, quy trình mô hình hóa mạch tương đương mode chẵn - mode lẻ cho bộ cộng hưởng MMR, và phương pháp trích xuất tham số ma trận dẫn nạp $[Y]$ trong mạng cách ly TLDN.
  • Kỹ sư R&D thiết kế phần cứng vô tuyến: Sử dụng trực tiếp các bảng thông số kích thước hình học tối ưu của 6 mẫu anten (các bảng từ Bảng 2.1 đến Bảng 4.5) để triển khai thiết kế các cụm anten tích hợp cho thiết bị di động 4G/LTE, WiMAX, USB Dongle và router Wi-Fi băng kép.
  • Giảng viên đại học: Sử dụng nội dung Chương 1 và các mô hình tính toán lý thuyết tương hỗ (phương pháp cảm ứng EMF, phân tích sóng mặt/sóng không gian) làm tài liệu giảng dạy chuyên đề Anten và Truyền sóng, Kỹ thuật Siêu cao tần, Thông tin Vô tuyến MIMO.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tương hỗ giữa các phần tử anten mạch dải khi sắp xếp trên mặt phẳng E lại lớn hơn trên mặt phẳng H?

Theo phân tích điện từ trường trong Chương 1, trường bức xạ của anten mạch dải chữ nhật có phân bố dạng sóng $\text{TM}$ dọc theo hướng truyền lan trên mặt phẳng $E$ và dạng sóng $\text{TE}$ dọc theo mặt phẳng $H$. Do mode sóng mặt bậc thấp nhất (mode cơ bản) trong lớp điện môi là $\text{TM}_0$, nên khi sắp xếp các phần tử trên mặt phẳng $E$, trường bức xạ kích thích rất mạnh mode $\text{TM}_0$, tạo ra dòng điện mặt lớn lan truyền sang anten bên cạnh. Ngược lại, việc sắp xếp trên mặt phẳng $H$ tạo ra sóng $\text{TE}$, không kích thích mode $\text{TM}_0$ nên sóng mặt suy giảm nhanh hơn theo khoảng cách.

2. Cấu trúc bộ cộng hưởng đa mode (MMR) giải quyết vấn đề tương hỗ trong anten MIMO-UWB 4×4 như thế nào?

Trong cấu hình anten MIMO-UWB $4 \times 4$, bốn phần tử được xoay góc $90^\circ$. Các cặp anten vuông góc tự đạt được độ trực giao phân cực nên tương hỗ nhỏ. Tuy nhiên, các cặp anten đối diện cùng phương (đồng phân cực) chịu ảnh hưởng tương hỗ rất lớn, cực đại tại tần số $6,7\text{ GHz}$. Bộ cộng hưởng MMR đặt ở trung tâm hoạt động như một mạch lọc chắn dải, giam giữ và hấp thụ dòng điện cảm ứng tại tần số này, làm suy giảm dòng truyền lan sang phần tử đối diện và nâng độ cách ly lên trên $15\text{ dB}$.

3. Ưu điểm của mạng cách ly đường truyền vi dải (TLDN) so với mạng cách ly dùng phần tử tập trung là gì?

Mạng cách ly dùng phần tử tập trung (điện trở, cuộn cảm, tụ điện) thường bị giới hạn băng thông, suy hao lớn và giá trị linh kiện thương mại không liên tục. Ngoài ra, việc hàn linh kiện tạo ra các điện dung ký sinh làm sai lệch điểm cộng hưởng tính toán. Mạng TLDN giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách sử dụng hoàn toàn các đoạn đường truyền vi dải phẳng in trực tiếp trên bo mạch, có độ chính xác gia công cao, độ lặp lại tốt, tổn hao thấp và dễ dàng thiết kế cho các hệ thống hoạt động ở chế độ hai băng tần độc lập.

4. Cấu trúc khe DGS dạng hai khe hẹp hoạt động theo nguyên lý nào để giảm tương hỗ?

Khi khoét các khe hẹp DGS trên mặt phẳng đế kim loại nằm giữa hai phần tử bức xạ, đường dẫn của dòng điện phản hồi và dòng cảm ứng bề mặt bị cắt đứt. Cấu trúc khe đóng vai trò như một mạch cộng hưởng song song LC (tương đương bộ lọc thông thấp Butterworth một cực). Tại tần số cộng hưởng của DGS, trở kháng mặt đất tăng cao, ngăn cản dòng điện mặt truyền từ cổng kích thích sang cổng lân cận, nhờ đó cải thiện độ cách ly thêm từ $10\text{ dB}$ đến hơn $20\text{ dB}$.

5. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để đánh giá một hệ thống anten MIMO hoạt động tốt?

Luận án áp dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật:

  • Hệ số phản xạ tại các cổng tiếp điện: $S_{ii} < -10\text{ dB}$ (hoặc tỷ số sóng đứng $\text{VSWR} < 2$) trên toàn bộ băng thông công tác.
  • Hệ số cách ly giữa các cổng bất kỳ: $S_{ij} < -15\text{ dB}$ (tốt nhất là $S_{ij} < -20\text{ dB}$).
  • Hệ số tương quan đường bao: $\text{ECC} < 0,5$ (các thiết kế trong luận án đều đạt $\text{ECC} < 0,04$, nhiều mẫu đạt $\text{ECC} < 0,005$).
  • Độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG) tại các cổng phải xấp xỉ nhau với chênh lệch không quá $3\text{ dB}$.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Khắc Kiểm đã nghiên cứu và phát triển thành công 3 nhóm giải pháp kỹ thuật chính nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO mạch dải kích thước nhỏ gọn: sử dụng phần tử ký sinh đa mode (MMR, dây chêm ngắn mạch), cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS) và mạng cách ly đường truyền vi dải (TLDN). Sáu mô hình anten MIMO cho các dải tần UWB, EWB, 4G-LTE, WiMAX và WLAN băng kép đã được thiết kế, tối ưu hóa và kiểm chứng thực nghiệm chính xác tại Đại học Chuo (Nhật Bản). Các kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở lý luận về mạch tương đương, đồng thời cung cấp giải pháp kỹ thuật có khả năng ứng dụng thực tế cao cho ngành công nghiệp chế tạo thiết bị thông tin vô tuyến.