Luận án tiến sĩ: Phát triển anten trạm gốc trong nhà cho hệ thống thông tin vô tuyến 5G - ĐH Bách Khoa Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THỊ CẨM HÀ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN TRẠM GỐC TRONG NHÀ CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 5G LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THỊ CẨM HÀ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN TRẠM GỐC TRONG NHÀ CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 5G Ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. NGUYỄN XUÂN QUYỀN 2. TẠ SƠN XUẤT Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố.

Các thông tin trích dẫn trong luận án là trung thực, được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày … tháng…. Tập thể hướng dẫn khoa học Tác giả luận án i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và hỗ trợ quý báu. Đầu tiên, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn là PGS.

Nguyễn Xuân Quyền và TS. Tạ Sơn Xuất đã dành nhiều thời gian, tâm huyết để trực tiếp hướng dẫn khoa học, định hướng, tạo động lực cho nghiên cứu sinh trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Bên cạnh đó, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo và các thầy cô Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình học tập, nghiên cứu; xin trân trọng cảm ơn Khoa Kỹ thuật truyền thông, Trường Điện – Điện tử, Bộ phận Đào tạo Sau đại học thuộc Phòng Đào tạo, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã luôn giúp đỡ về mặt chuyên môn, đo đạc thực nghiệm và hỗ trợ các thủ tục trong quá trình học tập, hoàn thành luận án. Qua đây, nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên nhóm nghiên cứu thuộc CRD - Lab, nhóm nghiên cứu sinh, các bạn bè và đồng nghiệp đã quan tâm giúp đỡ, động viên trong thời gian vừa qua.

Cuối cùng, xin được dành những tình cảm yêu quý nhất đến các thành viên trong gia đình, chồng và hai con trai đã luôn là động lực, luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên, hỗ trợ nghiên cứu sinh về mọi mặt trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày … tháng…. năm 2022 Tác giả luận án ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC.

iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. xiii MỞ ĐẦU.

Lý do chọn đề tài. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Những đóng góp chính của luận án.

Cấu trúc nội dung của luận án. TỔNG QUAN VỀ ANTEN ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 5G .1 Giới thiệu chung .2 Hệ thống thông tin di động 5G .3 Băng tần sử dụng trong hệ thống thông tin di động 5G .1 Dải tần thứ nhất RF1 (dưới 6 GHz) .2 Dải tần thứ hai RF2 (dải sóng mm) .4 Anten trong hệ thống thông tin di động thế hệ mới 5G .1 Yêu cầu đối với anten 5G .2 Các loại anten dùng trong hệ thống thông tin di động 5G .3 Một số tham số của anten và phương pháp cải thiện tham số anten 22 1.5 Một số phương pháp kỹ thuật dùng trong anten 5G.1 Kỹ thuật ghép mảng anten .2 Kỹ thuật điều khiển búp sóng .4 Siêu vật liệu điện từ .6 Kết luận chương 1. CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN VI DẢI GHÉP KHE VỚI CẤU TRÚC HÌNH NẤM CHO CÁC ỨNG DỤNG Ở DẢI SÓNG MM .1 Giới thiệu chương .2 Anten vi dải ghép khe .1 Phương pháp thiết kế một phần tử anten ghép khe .2 Tính toán các thông số cho anten .3 Anten vi dải với cấu trúc hình nấm .1 Cấu trúc anten đề xuất .2 Các bước thiết kế anten vi dải ghép khe thêm cấu trúc hình nấm .3 Sự cải thiện hiệu năng anten .4 Mảng anten điều khiển búp sóng .1 Mảng tuyến tính 1×4 của anten đề xuất .2 Đặc tính điều khiển búp sóng .3 Mảng được cấp nguồn bằng Ma trận Butler .5 So sánh anten đề xuất với các công bố khác .6 Kết luận chương 2. ANTEN PHÂN CỰC KÉP BĂNG THÔNG RỘNG KÍCH THƯỚC NHỎ GỌN CHO CÁC ỨNG DỤNG 5G .1 Giới thiệu chương .2 Bề mặt trở kháng cao .3 Anten lưỡng cực điện từ với kiểu cấp nguồn đường vi dải ghép khe .1 Cấu trúc anten .2 Cơ chế hoạt động của anten lưỡng cực điện từ .3 Kết quả mô phỏng .4 Anten kết hợp với bề mặt trở kháng cao HIS .1 Thiết kế anten .2 Thiết kế cấu trúc mặt phẳng trở kháng cao HIS .3 Sự cải thiện đồ thị bức xạ .4 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa anten và HIS .5 Chế tạo và đo đạc .6 Kết luận chương 3.

ANTEN PHÂN CỰC KÉP BÚP SÓNG RỘNG HỆ SỐ CÁCH LY CAO CHO CÁC ĐIỂM TRUY CẬP 5G TRONG NHÀ .1 Giới thiệu chương .2 Anten lưỡng cực mạch in .3 Các bước thiết kế và đặc điểm của anten đề xuất.1 Ý tưởng thiết kế .2 Cấu trúc anten .3 Quá trình thiết kế .4 Mở rộng búp sóng.4 Thực hiện chế tạo và đo đạc .5 Kết luận chương 4. 96 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 98 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN.

102 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 103 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 3rd Generation Partnership 3GPP Dự án đối tác thế hệ thứ 3 Project 4G 4th Generation Thế hệ thứ 4 5G 5th Generation Thế hệ thứ 5 AMC Artificial Magnetic Conductor Bề mặt dẫn từ nhân tạo Complementary Split-Ring Cộng hưởng sử dụng cấu trúc CSRR Resonator vòng bổ sung Cấu trúc đế điện môi không DGS Defected Ground Structure hoàn hảo Vật liệu có hệ số điện môi và từ DNG Double Negative material thẩm âm DRA Dielectric Resonator Antenna Anten cộng hưởng điện môi Electromagnetic Band Gap EBG Cấu trúc dải chắn điện từ Structure eMBB Enhanced Mobile Broadband Băng rộng di động nâng cao FBR Front to Back Ratio Tỉ số trước sau FR1 1st Frequency Range Dải tần số thứ 1 FR2 2nd Frequency Range Dải tần số thứ 2 HetNets Heterogeneous networks Các mạng không đồng nhất HIS High Impedance Surface Bề mặt trở kháng cao HPBW Half Power Beamwidth Độ rộng nửa búp sóng International Telecommunication ITU Liên minh viễn thông quốc tế Union Low-Temperature Cofired Công nghệ gốm nung ở nhiệt độ LTCC Ceramics thấp vi LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn ME Magneto-Electric Điện từ MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra Massive Machine Type mMTC Truyền thông máy số lượng lớn Communications PCB Printed Circuit Board Công nghệ mạch in PMC Perfect Magnetic Conductor Dẫn từ hoàn hảo RIS Reactive Impedance Surface Bề mặt trở kháng phản ứng RL Return Loss Hệ số phản xạ SubMiniature Version A SMA Đầu nối cáp đồng trục Connector SIW Substrate-Integrated Waveguide Dẫn sóng tích hợp chất nền Uniplanar Compact Photonic- UC-PBC Khoảng trống quang tử phẳng Bandgap Universal Mobile Hệ thống viễn thông di dộng UMTS Telecommunications System toàn cầu Ultra Reliable and Low-Latency Truyền thông thời gian trễ thấp uRLLC Communications độ tin cậy cao VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng điện áp WRC World Radio Conference Hội nghị vô tuyến toàn cầu vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC B Băng thông kênh truyền c Vận tốc ánh sáng trong chân không C Điện dung Cs Dung lượng hệ thống d Khoảng cách truyền dẫn D Khoảng cách giữa hai phần tử liên tiếp của mảng E Điện trường f Tần số Gt Hệ số tăng ích của anten phát Gr Hệ số tăng ích của anten thu h Độ dày của đế điện môi H Từ trường k Hệ số sóng trong không gian tự do (k=2π/λ0) L Điện cảm L Độ dài Lfs Suy hao truyền dẫn trong không gian tự do Pt Công suất phát Pt/N0 Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu Pr Công suất thu W Độ rộng Z0 Trở kháng đặc trưng của đường truyền β Hệ số truyền sóng trong môi trường (β=2π/λg) δ Hệ số tổn hao ɛr Hằng số điện môi của vật liệu ɛreff Hằng số điện môi hiệu dụng 𝜃 Góc ngẩng ϕ Góc phương vị λ0 Bước sóng trong không gian tự do λg Bước sóng trong môi trường điện môi ω Tần số góc viii ∆φ Góc lệch pha π 3,14159 26535 8979…. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Những yêu cầu chính đối với 5G theo định nghĩa của ITU-R [54].

Phổ băng tần của 5G, gồm FR1 và FR2 (nguồn Qualcomm). Cấu trúc anten lưỡng cực góc nghiêng tiếp điện bằng balun tích hợp [81]. Cấu hình anten và sự thay đổi HPBW phụ thuộc vào góc nghiêng của mặt phẳng đất tứ diện [82]. Cấu trúc của anten [83].

Nguyên lí mở rộng băng thông ở [34]. Cấu trúc anten MIMO 4×4. Sử dụng cấu trúc DGS [84] (a) và cấu trúc cấp nguồn không đối xứng [33] (b), dùng cấu trúc SIW bao quanh đường cấp nguồn [85] (c) nhằm tăng hệ số cách li. Cấu trúc cấp nguồn vòng lai và anten [44].

Cấu trúc anten [45]. Phân loại các kỹ thuật định dạng và điều khiển búp sóng [89]. Anten vi dải phân cực kép điển hình: a) cấp nguồn cạnh [92], b) cấp nguồn góc [93] và c) cấp nguồn dạng vi sai [94]. Anten phân cực chéo: a) anten lưỡng cực điện từ [95].

Các cấu trúc khác nhau của siêu vật liệu: a) bề mặt trở kháng cao (HIS) hoặc bề mặt khoảng trống điện từ (EBG) [16], b) khoảng trống quang tử phẳng (UC-PBC) [99], c) bề mặt trở kháng phản ứng (RIS) [100]. Cấu tạo anten vi dải ghép khe và sơ đồ mạch tương đương [87]. Mô hình đường truyền vi dải. Cấu trúc anten vi dải ghép khe thêm cấu trúc hình nấm.

Quy trình thiết kế anten vi dải ghép khe thêm cấu trúc hình nấm. Ảnh hưởng của tham số kích thước cấu trúc hình nấm (a). Ảnh hưởng của khoảng cách giữa cấu trúc hình nấm và phần tử bức xạ đến |S11|. Đặc tính của anten vi dải ghép khe khi có và không có thêm cấu trúc hình nấm: (a) x giá trị |S11|, (b) hệ số tăng ích, (c) đồ thị bức xạ tại 28 GHz.

Phân bố dòng điện của anten đề xuất tại các tần số khác nhau.