Luận án nghiên cứu anten kích thước nhỏ sử dụng vật liệu cấu trúc DGS, EBG, CRLH-TL ứng dụng trong thiết bị di động

Nhu cầu dịch vụ không dây tăng trưởng liên tục. Người dùng đòi hỏi thiết bị di động phải mỏng nhẹ và đa năng. Một smartphone hiện đại chứa hàng loạt khối thu phát sóng vô tuyến. Thiết bị phải kết nối liên tục từ mạng di động đến mạng cục bộ WLAN hay Wimax. Sự tích hợp dày đặc này tạo áp lực lớn lên diện tích bo mạch. Kỹ thuật thu nhỏ kích thước anten trở thành yếu tố quyết định kiểu dáng công nghiệp. Anten vi dải kích thước nhỏ cho phép bố trí linh hoạt trên các cạnh viền hoặc mặt sau thiết bị. Thiết kế vi dải tương thích tốt với dây chuyền sản xuất mạch in công nghiệp. Giá thành chế tạo giảm đáng kể khi sử dụng công nghệ mạch in tiêu chuẩn. Các thiết bị IoT và thiết bị đeo thông minh cũng hưởng lợi lớn từ giải pháp này. Việc thu gọn diện tích anten giúp tối ưu hóa không gian chứa linh kiện điện tử khác. Đây là động lực thúc đẩy các nghiên cứu cải tiến cấu trúc anten vi dải.

Các chuẩn kết nối mới như LTE Advanced, 5G và 6G đặt mục tiêu tốc độ truyền dữ liệu rất cao. Kỹ thuật đa anten phát đa anten thu MIMO là giải pháp nền tảng để tăng dung lượng kênh truyền. Hệ thống MIMO yêu cầu tích hợp nhiều phần tử anten trên cùng một bo mạch thu phát. Dung lượng kênh tăng tuyến tính theo số lượng anten sử dụng. Tuy nhiên, không gian vật lý của thiết bị di động không hề tăng lên. Việc đặt nhiều phần tử bức xạ trong không gian hẹp tạo ra hiện tượng giao thoa sóng nghiêm trọng. Trường điện từ giữa các phần tử gây ảnh hưởng tiêu cực lẫn nhau. Việc thu nhỏ kích thước anten MIMO trở thành bài toán bắt buộc. Nhà thiết kế phải bảo đảm kích thước nhỏ mà không làm suy giảm dung lượng truyền dẫn. Tích hợp hệ thống đa anten trên thiết bị cầm tay đòi hỏi những giải pháp công nghệ mang tính đột phá.

Về mặt lý thuyết, kích thước anten vi dải truyền thống phụ thuộc trực tiếp vào bước sóng hoạt động. Phần tử bức xạ cơ bản thường có kích thước nửa bước sóng. Khi giảm kích thước hình học, chiều dài điện của anten bị rút ngắn. Chiều dài điện ngắn khiến anten khó đạt trạng thái cộng hưởng tại tần số mong muốn. Trở kháng đầu vào của anten bị lệch khỏi giá trị chuẩn 50 Ohm. Hiện tượng này làm tăng hệ số phản xạ S11 và băng thông bị co hẹp nghiêm trọng. Năng lượng bức xạ suy giảm và chuyển hóa thành tổn hao nhiệt trên bề mặt vật liệu. Độ lợi và hiệu suất bức xạ của anten tụt dốc nhanh chóng. Các định luật điện từ học cơ bản giới hạn hiệu năng của cấu trúc vi dải cổ điển. Do đó, các phương pháp thiết kế truyền thống không còn đáp ứng đủ các tiêu chuẩn khắt khe của thiết bị di động thế hệ mới.

Kỹ thuật đưa phần tử ngắn mạch là phương pháp kinh điển trong thiết kế anten vi dải. Kỹ thuật này sử dụng một tấm kim loại hoặc chốt ngắn mạch nối từ tấm patch bức xạ xuống mặt phẳng đất. Cấu trúc này làm thay đổi phân bố điện trường và tạo ra trạng thái cộng hưởng một phần tư bước sóng. Đây chính là nguyên lý cốt lõi của dòng anten phẳng chữ F ngược PIFA. Phương pháp ngắn mạch mang lại tỷ lệ thu nhỏ kích thước rất ấn tượng, có thể lên đến 50% diện tích ban đầu. Anten PIFA được ứng dụng rộng rãi trong các dòng điện thoại di động thương mại trước đây. Tuy nhiên, cấu trúc này gặp nhiều hạn chế về hệ số tính hướng và độ phân cực sóng. Băng thông hoạt động của anten PIFA cũng tương đối hẹp. Việc mở rộng băng thông cho anten PIFA đòi hỏi cấu trúc phức tạp và làm tăng độ dày tổng thể.

Phương pháp sử dụng tải thụ động đưa các linh kiện như điện trở, tụ điện hoặc cuộn cảm vào cấu trúc bức xạ. Các linh kiện này được hàn trực tiếp tại mép tấm patch hoặc ở đầu đường truyền tiếp điện. Sự xuất hiện của tải tập trung làm thay đổi phân bố dòng điện mặt và hạ thấp tần số cộng hưởng. Kỹ thuật này cho phép tinh chỉnh tần số làm việc của anten một cách linh hoạt mà không cần thay đổi kích thước cơ khí. Mặc dù vậy, tải thụ động mang lại tổn hao công suất rất lớn. Điện trở nội của các linh kiện tiêu hao một phần năng lượng sóng cao tần dưới dạng nhiệt. Độ lợi và hiệu suất bức xạ của anten bị suy giảm nghiêm trọng. Anten có tải thụ động thường có hiệu suất bức xạ dưới mức tiêu chuẩn cho thiết bị di động. Vì lý do này, phương pháp nạp tải ít khi được chọn cho các ứng dụng yêu cầu truyền thông tầm xa.

Kỹ thuật thay đổi hình dạng anten dựa trên việc tạo các khe rãnh, đường gấp khúc hoặc cấu trúc phân dạng fractal trên tấm patch. Việc xẻ rãnh buộc dòng điện bề mặt phải di chuyển vòng vèo qua các khe hở. Quãng đường dẫn điện dài ra giúp giảm kích thước vật lý của phần tử bức xạ. Cấu trúc fractal đa tầng còn tạo ra nhiều điểm cộng hưởng, hỗ trợ hoạt động đa băng tần. Tuy nhiên, việc uốn lượn đường dòng điện tạo ra các thành phần điện dung và điện cảm ký sinh không mong muốn. Trở kháng của anten trở nên phức tạp và rất khó phối hợp với đường truyền chuẩn. Hiệu suất bức xạ của cấu trúc xẻ rãnh cũng bị suy giảm do sự triệt tiêu trường cục bộ giữa các đoạn dòng điện ngược chiều. Quá trình gia công mạch in với các chi tiết khe rãnh siêu nhỏ đòi hỏi độ chính xác cao.

Cấu trúc khuyết mặt phẳng đất DGS được tạo ra bằng cách khắc các hình dạng khuyết tật lên mặt phẳng đất kim loại. Các khe khuyết này có thể mang hình tròn, hình vuông, chữ U hoặc cấu trúc phức hợp đối xứng. Khe khuyết trên mặt đất làm gián đoạn dòng điện trở về, tạo ra hiệu ứng điện cảm và điện dung tương đương trên đường truyền. Hiệu ứng cộng hưởng cục bộ của DGS giúp dịch chuyển tần số làm việc xuống dải thấp hơn. Kỹ thuật này hỗ trợ thu nhỏ kích thước tấm patch phía trên một cách đáng kể. Đồng thời, cấu trúc khuyết mặt phẳng đất DGS giúp điều chỉnh phối hợp trở kháng dễ dàng. Hệ số phản xạ S11 và băng thông làm việc của anten được mở rộng đáng kể. DGS còn có khả năng lọc bỏ các hài bậc cao không mong muốn, nâng cao độ tinh khiết của tín hiệu phát xạ.

Cấu trúc khe cấm điện từ EBG là mạng tuần hoàn gồm các phần tử điện môi hoặc kim loại nhân tạo. Đặc tính quan trọng nhất của EBG là tạo ra dải cấm ngăn chặn sự lan truyền của sóng điện từ trong một khoảng tần số nhất định. Khi đặt EBG xung quanh phần tử bức xạ vi dải, cấu trúc này thực hiện triệt tiêu sóng bề mặt rất hiệu quả. Sóng bề mặt vốn là nguyên nhân chính gây thất thoát năng lượng và làm méo búp sóng bức xạ. Nhờ ngăn chặn sóng bề mặt, cấu trúc EBG giúp tập trung năng lượng vào không gian tự do. Độ lợi và hiệu suất bức xạ của anten tăng lên rõ rệt. Cấu trúc EBG cũng giúp làm giảm mức bức xạ búp sóng phụ và sóng phản xạ ngược. Đây là giải pháp hàng đầu để kiểm soát trường điện từ trên bề mặt đế vi dải mỏng.

Vật liệu thuận nghịch tổng hợp CRLH kết hợp đồng thời tính chất truyền sóng thuận tay phải tự nhiên và nghịch tay trái nhân tạo. Cấu trúc đường truyền CRLH gồm các nhánh điện cảm nối tiếp và điện dung song song bổ sung. Điểm đặc biệt của CRLH là khả năng hỗ trợ chế độ cộng hưởng bậc không. Tại chế độ cộng hưởng bậc không, bước sóng lan truyền tiến tới vô cùng và tần số cộng hưởng không còn phụ thuộc vào chiều dài vật lý của anten. Nhờ nguyên lý này, kích thước của phần tử bức xạ có thể thu nhỏ xuống mức cực đại. Anten metamaterial di động sử dụng CRLH có thể hoạt động hiệu quả tại nhiều dải tần số độc lập. Hiệu suất bức xạ vẫn duy trì ở mức cao do cấu trúc không bị suy hao nhiệt như các tải thụ động. CRLH mở ra khả năng thiết kế các anten siêu nhỏ gọn cho thiết bị thông minh.

Theo lý thuyết truyền thông vô tuyến, để giảm thiểu tương hỗ giữa các phần tử anten, khoảng cách đặt anten phải đạt ít nhất nửa bước sóng. Ở các tần số vô tuyến thông dụng trong mạng di động, khoảng cách nửa bước sóng chiếm một không gian vật lý rất lớn. Khi tích hợp vào smartphone hoặc thiết bị cầm tay nhỏ gọn, việc duy trì khoảng cách nửa bước sóng là điều bất khả thi. Các phần tử anten buộc phải đặt sát nhau, chỉ cách nhau một phần mười đến một phần hai mươi bước sóng. Khoảng cách quá gần làm tăng mạnh tham số tán xạ S12 và S21. Mức độ ghép tương hỗ vượt quá ngưỡng cho phép, gây suy giảm nghiêm trọng độ nhạy của bộ thu vô tuyến. Nếu không có giải pháp xử lý ghép nối, hệ thống MIMO không thể phát huy ưu thế tăng dung lượng kênh truyền.

Nhiều phương pháp giảm ghép tương hỗ MIMO tiên tiến đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công. Giải pháp đơn giản bao gồm việc chẻ các khe rãnh hình chữ T hoặc chữ L ngược trên mặt đất kim loại. Các khe rãnh này đóng vai trò bẫy sóng, chặn dòng điện mặt truyền qua lại giữa hai anten. Bên cạnh đó, việc chèn các ô cấu trúc khe cấm điện từ EBG hoặc cấu trúc khuyết mặt phẳng đất DGS vào giữa hai phần tử mang lại hiệu quả vượt trội. Các cấu trúc này tạo ra vùng chắn sóng điện từ cục bộ, triệt tiêu sóng bề mặt lan truyền trên đế điện môi. Kỹ thuật tạo phân bố dòng điện trực giao giữa hai anten cũng giúp tăng cường độ phân cực độc lập. Tham số truyền qua S12 và S21 giảm xuống dưới mức -20dB một cách ổn định mà không cần gia tăng khoảng cách.

Mục tiêu cốt lõi của thiết kế anten MIMO là vừa tăng cường độ cách ly vừa bảo toàn các thông số bức xạ cơ bản. Khi đưa cấu trúc giảm ghép vào mạch vi dải, các kỹ sư phải liên tục tối ưu hóa hệ số phản xạ S11 và băng thông hoạt động. Hệ số S11 phải duy trì dưới mức -10dB trên toàn bộ dải tần công tác để đảm bảo công suất truyền sóng tối đa. Đồng thời, độ lợi và hiệu suất bức xạ của từng phần tử anten cần được giữ ở mức cao, đáp ứng yêu cầu truyền xa. Sự kết hợp thông minh giữa cấu trúc vi dải và vật liệu siêu cấu trúc giúp cân bằng hoàn hảo các chỉ số này. Thiết bị di động vừa đạt được kích thước mỏng nhẹ, vừa duy trì tốc độ truyền dữ liệu cao và chất lượng kết nối vượt trội trong mọi môi trường mạng.