Luận án tiến sĩ: Anten kích thước nhỏ với vật liệu cấu trúc đặc biệt trong thiết bị di động - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

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 (802.16m; 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.  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,. 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]. 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. 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].