Tài liệu Nghiên cứu phát triển anten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG THỊ PHƯƠNG THẢO NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG THỊ PHƯƠNG THẢO NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ Ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VŨ VĂN YÊM Hà Nội – 2018 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 là 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…. năm 2018 Người hướng dẫn khoa học PGS.TS. Vũ Văn Yêm Tác giả luận án Hoàng Thị Phương Thảo i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Vũ Văn Yêm đã dành nhiều thời gian, tâm huyết để trực tiếp hướng dẫn, định hướng, tạo động lực nghiên cứu và hỗ trợ nghiên cứu sinh về mọi mặt để hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo và các đồng nghiệp thuộc Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Điện lực đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Hệ thống Viễn thông, Viện Điện tử-Viễn thông, Viện Đào tạo Sau đại học thuộc, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 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, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên nhóm nghiên cứu thuộc phòng Lab - RF, Viện Điện tử - Viễn thông, các bạn bè và đồng nghiệp đã quan tâm giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian vừa qua. Cuối cùng, tôi xin gửi những tình cảm yêu quý nhất đến các thành viên trong gia đình, những người luôn động viên, hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này. ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN…………. ...................................................................................................... ii MỤC LỤC………………………………………………………………………………....iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................................................... ix MỞ ĐẦU…………….. ......................................................................................................... 1 1. Giới thiệu anten tái cấu hình....................................................................................... 1 2. Những vấn đề còn tồn tại............................................................................................. 2 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................. 4 4. Ý nghĩa khoa học của đề tài ........................................................................................ 5 5. Những đóng góp chính của luận án ............................................................................ 5 6. Cấu trúc nội dung của luận án ................................................................................... 6 TỔNG QUAN VỀ ANTEN TÁI CẤU HÌNH ........................................ 7 1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................................ 7 1.2. Ưu nhược điểm của anten tái cấu hình ................................................................... 7 1.2.1. Ưu điểm .............................................................................................................. 7 1.2.2. Nhược điểm ........................................................................................................ 9 1.3. Các tham số quan trọng của anten liên quan đến hoạt động tái cấu hình .......... 9 1.3.1. Đáp ứng tần số .................................................................................................... 9 1.3.2. Đặc tính bức xạ ................................................................................................. 10 1.4. Phân loại anten tái cấu hình................................................................................... 11 1.4.1. Anten tái cấu hình theo tần số .......................................................................... 11 1.4.2. Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ ............................................................... 12 1.4.3. Anten tái cấu hình theo phân cực ..................................................................... 17 1.5. Anten MIMO tái cấu hình...................................................................................... 18 1.6. Ứng dụng của anten tái cấu hình ........................................................................... 18 1.7. Các phương pháp tái cấu hình anten .................................................................... 19 1.7.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 19 1.7.2. Tái cấu hình anten sử dụng phần tử chuyển mạch điện tử ............................... 20 1.7.3. Tái cấu hình anten sử dụng phần tử chuyển mạch quang ................................. 24 1.7.4. Tái cấu hình anten bằng thay đổi cấu trúc vật lý .............................................. 24 1.7.5. Tái cấu hình anten bằng thay đổi vật liệu ......................................................... 25 1.7.6. Đánh giá các phương pháp tái cấu hình anten .................................................. 25 iii 1.8. Các kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần số ......................................................... 25 1.8.1. Tái cấu hình anten dùng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử bức xạ ............... 25 1.8.2. Tái cấu hình anten dùng kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng .............. 26 1.8.3. Tái cấu hình anten theo phương pháp thay đổi cấu trúc anten ......................... 27 1.9. Kết luận chương 1 ................................................................................................... 27 ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG KỸ THUẬT THAY ĐỔI CHIỀU DÀI PHẦN TỬ BỨC XẠ ............................................................... 29 2.1. Giới thiệu chương ................................................................................................... 29 2.2. Các bước thiết kế anten đơn cực tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng30 2.3. Thiết kế anten monople tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng ............. 31 2.3.1. Cấu trúc anten ................................................................................................... 31 2.3.2. Tính toán kích thước anten ............................................................................... 31 2.4. Nguyên lý hoạt động của anten đơn cực cấp điện đồng phẳng tái cấu hình theo tần số ............................................................................................................................... 33 2.4.1. Các cấu hình anten............................................................................................ 33 2.4.2. Phân bố dòng bề mặt ........................................................................................ 34 2. 5. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ...................................................................... 35 2.6. Kết luận chương 2 ................................................................................................... 40 ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG KỸ THUẬT THAY ĐỔI MẠNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG ............................................................. 41 3.1. Giới thiệu chương ................................................................................................... 41 3.2. Anten PIFA tái cấu hình theo tần số bằng kỹ thuật dịch SP .............................. 42 3.2.1. Kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA ............................................ 43 3.2.2. Các bước thiết kế anten PIFA tái cấu hình theo phương pháp dịch SP............ 45 3.2.3. Thiết kế anten PIFA đơn có băng tần hoạt động cố định ................................. 46 3.2.4. Điều khiển tần số cộng hưởng .......................................................................... 49 3.2.5. Thiết kế anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số ....................................... 50 3.2.6. Thảo luận và đánh giá....................................................................................... 61 3.3. Anten đơn cực tái cấu hình theo tần số sử dụng kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng ................................................................................................................. 63 3.3.1. Các bước thiết kế anten đơn cực tái cấu hình theo tần số ................................ 64 3.3.2. Thiết kế anten ................................................................................................... 65 3.3.3. Kết quả mô phỏng và đo đạc ............................................................................ 73 3.3.4. Thảo luận và đánh giá....................................................................................... 76 3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................................... 77 iv THIẾT KẾ ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ BẰNG KỸ THUẬT THAY ĐỔI CẤU TRÚC ANTEN ..................................................................... 78 4.1. Giới thiệu chương ................................................................................................... 78 4.2. Các bước thiết kế anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số ứng dụng cho UMTS, LTE .................................................................................................................... 78 4.3. Thiết kế anten MIMO tái cấu hình theo tần số .................................................... 79 4.3.1. Thiết kế một phần tử anten PIFA tái cấu hình theo tần số ............................... 79 4.3.2. Thiết kế anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số ....................................... 84 4.4. Kết quả và thảo luận ............................................................................................... 85 4.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của khe đến độ cách ly giữa các phần tử ......................... 85 4.4.2. Kết quả mô phỏng và đo đạc tham số của anten MIMO tái cấu hình .............. 87 4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................................... 91 KẾT LUẬN CHUNG ......................................................................................................... 93 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................... 95 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ........................................................... 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 96 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CPW Co-planar Waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức DCS Distributed control system Hệ thống điều khiển phân tán EBG FET GSM Electromagnetic Band-Gap structure Transistor hiệu ứng trường Field Effect Transistor Global System for Cấu trúc dải chắn điện từ Mobile Communications Mạng di động toàn cầu LTE Long-Term Evolution Hệ thống thông tin dài hạn MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra OBU Onboard Unit PCS Personal Communication System Hệ thống thông tin cá nhân PIFA Planar Inverted-F Antenna Anten chữ F-ngược phẳng PIN Positive-Intrinsic-Negative Tiếp giáp P – I - N RF-MEMS Khối liên lạc trên phương tiện giao thông Radio-Frequency Microelectromechanical systems Hệ thống vi cơ điện tử vô tuyến RSU Roadside Unit Khối trên đường SP Shorting Pin Chân ngắn mạch UMTS WiMAX WLAN Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di dộng toàn cầu Worldwide Interoperability for Khả năng tương tác mạng diện rộng Microwave Access bằng sóng siêu cao tần Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây \ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Anten tái cấu hình sử dụng Diode PIN [23] ............................................................ 11 Hình 1.2. Anten tái cấu hình theo tần số sử dụng Diode PIN [3] ............................................ 12 Hình 1.3. Cấu trúc anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ đề xuất ............................................ 13 Hình 1.4. Cấu trúc tương đương của phần tử bức xạ ở các cấu hình ....................................... 15 Hình 1.5. Kết quả mô phỏng của tham số |S11| trong ba cấu hình của anten đề xuất .............. 15 Hình 1.6. Đồ thị bức xạ 3D ở ba cấu hình ............................................................................... 16 Hình 1.7. Cấu trúc anten khe tái cấu hình theo phân cực [57] ................................................. 17 Hình 1.8. Các kỹ thuật tái cấu hình anten ................................................................................ 20 Hình 1.9. Cấu tạo của diode PIN ............................................................................................. 20 Hình 1.10. Ký hiệu diode PIN ................................................................................................. 20 Hình 1.11. Mô hình tương đương của diode PIN .................................................................... 21 Hình 1.12. Cấu trúc của anten sử dụng RF-MEMS [108] ....................................................... 22 Hình 1.13. Ký hiệu của diode biến dung ................................................................................. 23 Hình 1.14. Mô hình tương đương của diode biến dung ........................................................... 23 Hình 1.15. Mô hình phối hợp trở kháng cho đường truyền ..................................................... 26 Hình 2.1. Các bước thiết kế anten đơn cự c cấp điện đồng phẳng tái cấu hình ....................... 30 Hình 2.2. Cấu trúc ống dẫn sóng đồng phẳng .......................................................................... 31 Hình 2.3. Cấu trúc anten đơn cực tái cấu hình cấp điện kiểu đồng phẳng............................... 33 Hình 2.4. Cấu hình tương đương ở từng trạng thái của anten: ................................................ 34 Hình 2.5. Phân bố dòng bề mặt của các thanh bức xạ ở các cấu hình khác nhau: ................... 35 Hình 2.6. Mẫu anten chế tạo .................................................................................................... 35 Hình 2.7 Kết quả đo và mô phỏng của mô-đun hệ số suy hao phản hồi ở ba cấu hình ........... 36 Hình 2.8. Đồ thị bức xạ 3D và 2D của anten trên mặt phẳng XZ và YZ ............................... 38 Hình 3.1. Mô hình mạch tương đương của anten PIFA ........................................................... 43 Hình 3.2. Cấu trúc anten PIFA truyền thống trong phần mềm CST ........................................ 44 Hình 3.3. Trở kháng của anten PIFA tại tần số 2 GHz thay đổi theo D .................................. 44 Hình 3.4. Tần số cộng hưởng của anten PIFA thay đổi khi điều chỉnh D ............................... 45 Hình 3.5. Các bước thiết kế anten PIFA tái cấu hình .............................................................. 45 Hình 3.6. Cấu trúc của anten PIFA băng tần cố định .............................................................. 47 Hình 3.7. Kết quả mô phỏng của anten PIFA tần số cố định ................................................... 48 Hình 3.8. Vị trí của các SP trên phần tử bức xạ ....................................................................... 49 Hình 3.9. Kết quả mô phỏng mô-đun hệ số suy hao phản hồi khi dịch SP ............................. 50 Hình 3.10. Anten PIFA tái cấu hình theo tần số ...................................................................... 51 vii Hình 3.11. (a) Sơ đồ tương đương, (b) Mạch cấp điện cho diode PIN .................................... 52 Hình 3.12. Phân bố dòng bề mặt của anten đơn tái cấu hình ở các trạng thái ......................... 54 Hình 3.13. Hình ảnh của mẫu anten PIFA đơn tái cấu hình .................................................... 55 Hình 3.14. Kết quả mô phỏng và đo mô-đun hệ số phản xạ của anten PIFA .......................... 55 Hình 3.15. Đồ thị bức xạ 2D (mặt phẳng XZ, YZ) ở bốn cấu hình ......................................... 56 Hình 3.16. Anten PIFA MIMO 𝟐 × 𝟏 tái cấu hình theo tần số với hai phương án sắp xếp .... 57 Hình 3.17. Kết quả đo và mô phỏng tham số S của anten MIMO tái cấu hình ....................... 59 Hình 3.18. Đồ thị bức xạ của anten MIMO tái cấu hình (mặt phẳng XZ và YZ) .................... 60 Hình 3.19. Các bước thiết kế anten tái cấu hình đơn cực ........................................................ 64 Hình 3.20. Cấu trúc anten đơn cực tái cấu hình ....................................................................... 65 Hình 3.21. Cấu trúc tương đương của anten ở các cấu hình khác nhau: ................................. 67 Hình 3.22. Trở kháng vào của anten ở trạng thái S1 ............................................................... 71 Hình 3.23. Trở kháng vào của anten ở trạng thái S3 ............................................................... 72 Hình 3.24. Mẫu anten đơn cực tái cấu hình theo tần số ........................................................... 73 Hình 3.25. Tham số |S11| mô phỏng ở bốn cấu hình ............................................................... 73 Hình 3.26. Kết quả đo và mô phỏng của |S11| ở các cấu hình .................................................. 74 Hình 3.27. Đồ thị bức xạ 3D của anten đơn cực tái cấu hình ở các trạng thái ........................ 75 Hình 3.28. Đồ thị bức xạ 2D (mặt phẳng XZ, YZ) của anten tái cấu hình .............................. 76 Hình 4.1. Các bước thiết kế anten MIMO tái cấu hình cho ứng dụng UMTS/LTE ................ 79 Hình 4.2. Cấu trúc của anten đơn tái cấu hình theo tần số cho ứng dụng UMTS/LTE ........... 80 Hình 4.3. Cấu trúc anten MIMO tái cấu hình đề xuất.............................................................. 84 Hình 4.4. Mẫu anten PIFA tái cấu hình ................................................................................... 85 Hình 4.5. Tham số S của anten MIMO tái cấu hình ở cấu hình S1 ......................................... 85 Hình 4.6. Tham số S của anten MIMO trong trường hợp không có khe ................................. 86 Hình 4.7. Phân bố dòng bề mặt của anten MIMO khi có khe ở mặt phẳng đất ...................... 87 Hình 4.8. Kết quả mô phỏng tham số S ở ba cấu hình ............................................................ 87 Hình 4.9. Kết quả mô phỏng và đo đạc tham số S ở ba cấu hình của anten MIMO ................ 89 Hình 4.10. Đồ thị bức xạ 2D của anten ở mặt phẳng XZ và YZ của anten MIMO ................ 90 viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Kích thước anten lưỡng cực tái cấu hình theo đồ thị bức xạ ................................... 14 Bảng 1.3. Tóm tắt tham số của anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ được đề xuất................ 17 Bảng 2.1. Kích thước chi tiết của anten đơn cực tái cấu hình theo tần số ............................... 33 Bảng 2.2 Trạng thái hoạt động của diode PIN 1 ...................................................................... 34 Bảng 2.3. Tổng hợp kết quả mô phỏng của anten đề xuất ....................................................... 38 Bảng 2.4. Tham số anten tái cấu hình đề xuất và một số anten đã công bố ............................ 39 Bảng 3.1. Kích thước của anten PIFA băng tần cố định .......................................................... 48 Bảng 3.2. Vị trí SP của anten PIFA tần số cố định .................................................................. 49 Bảng 3.3. Vị trí SP của anten PIFA đơn tái cấu hình .............................................................. 51 Bảng 3.4. Trạng thái của diode PIN ......................................................................................... 53 Bảng 3.5. Tóm tắt thông số của anten PIFA đơn tái cấu hình ................................................. 57 Bảng 3.6. Tóm tắt thông số của anten MIMO tái cấu hình ...................................................... 60 Bảng 3.7. So sánh một phần tử anten PIFA đề xuất với các anten PIFA tái cấu hình ............. 61 Bảng 3.8. Kích thước chi tiết của anten tái cấu hình (mm) ..................................................... 66 Bảng 3.9. Các trạng thái của diode PIN ở các trạng thái ......................................................... 66 Bảng 3.10. So sánh giá trị kích thước tính toán và mô phỏng của anten ................................. 72 Bảng 3.11. Tổng hợp các tham số của anten đơn cực tái cấu hình đề xuất ............................. 77 Bảng 4.1. Kích thước chi tiết của anten đơn tái cấu hình cho UMTS/LTE (mm) ................... 81 Bảng 4.2. Trạng thái của Diode PIN ở các cấu hình khác nhau .............................................. 82 Bảng 4.3. Tóm tắt kết quả mô phỏng của anten MIMO tái cấu hình....................................... 91 Bảng 4.4. So sánh kết quả mô phỏng của anten MIMO tái cấu hình đề xuất .......................... 91 ix MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu anten tái cấu hình Ngày nay, thông tin vô tuyến đang phát triển một cách mạnh mẽ cả về công nghệ và thiết bị nhằm đáp ứng các nhu cầu của người dùng không chỉ trong liên lạc trao đổi thông tin mà cả các nhu cầu giải trí ở mọi lúc mọi nơi. Với đặc điểm môi trường kênh vô tuyến luôn luôn thay đổi, các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng một trong những kỹ thuật để đạt được dung lượng lớn và chất lượng cao đó là các thiết bị thu phát có khả năng thay đổi các tham số nhằm thích nghi với môi trường kênh. Hơn nữa, vấn đề hạn chế phổ tần vô tuyến cũng đang là một thách thức trong điều kiện các thiết bị và ứng dụng không dây phát triển một cách nhanh chóng. Chính sách ấn định phổ tần số cố định sẽ làm giảm việc sử dụng phổ hiệu quả, theo đó một phần lớn phổ được cấp phép chưa được khai thác triệt để. Việc sử dụng không hiệu quả các nguồn tài nguyên phổ tần kêu gọi các cơ quan quản lý xem xét lại chính sách phổ của họ và bắt đầu tìm kiếm các công nghệ truyền thông tiên tiến có thể khai thác phổ tần không dây một cách thông minh và linh hoạt hơn. Vô tuyến thông minh nói chung và vô tuyến nhận thức nói riêng (Cognitive Radio - CR) được đề xuất để giải quyết vấn đề hiệu quả phổ tần và đã nhận được sự chú ý ngày càng cao trong những năm gần đây. Vô tuyến thông minh cho phép các thiết bị thu phát phát hiện một cách thông minh các kênh tần số nào còn trống, kênh nào đã dùng và có thể sử dụng linh hoạt bất kì phổ tần số vô tuyến nào sẵn có [15], [61]. Trong hệ thống này, anten đóng một vai trò hết sức quan trọng và thiết yếu. Để các thiết bị thu phát hoạt động hiệu quả trong điều kiện môi trường kênh vô tuyến luôn thay đổi và phổ tần bị hạn chế, anten phải có các tính năng thích nghi với môi trường và sử dụng phổ tần một cách linh hoạt, hiệu quả. Bên cạnh đó, với nhu cầu phát triển của người dùng, một bộ thu phát cần hoạt động ở nhiều chuẩn tần số để đáp ứng các ứng dụng khác nhau. Giải pháp hiện nay cho các thiết bị hoạt động ở nhiều chuẩn đó là tích hợp một số lượng các anten đơn băng hoặc sử dụng anten đa băng hay băng rộng. Tuy nhiên, nhược điểm của việc sử dụng nhiều anten đơn băng là làm tăng khoảng chiếm chỗ của anten, dẫn đến kích thước thiết bị sẽ tăng lên và làm tăng chi phí cho thiết bị. Với anten đa băng hay băng rộng thì chỉ cần một anten có thể đáp ứng được nhiều tần số hoạt động khác nhau, giúp tiết kiệm chi phí và kích thước thiết bị, tuy nhiên nhược điểm của loại anten này là nhiễu giữa các băng lân cận. Để giải quyết được vấn đề nhiễu giữa các băng lân cận thì yêu cầu về bộ lọc cho hệ thống trở nên phức tạp [47]. 1 Khái niệm anten tái cấu hình (Reconfigurable Antenna) với khả năng tự thay đổi tần số bức xạ, đồ thị bức xạ, phân cực hoặc kết hợp các tham số trên ra đời và được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1981 nhằm giải quyết các vấn đề trên [95]. Trong trường hợp anten tự cấu hình tần số, một anten có thể chuyển mạch ở các cấu hình khác nhau để hoạt động ở nhiều dải tần khác nhau nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần, thích nghi với sự thay đổi của môi trường kênh đồng thời có thể ứng dụng cho nhiều dịch vụ khác nhau mà vẫn giảm được sự phức tạp cho bộ lọc của hệ thống [33], [72], [14], [57], [68], [91], [96]. Với anten tự cấu hình về đồ thị bức xạ, đồ thị bức xạ có thể thay đổi về hình dạng, hướng hoặc độ khuếch đại [32], [36], [37], [41], [48], [62], [99], [114], [117], [122]. Với anten tái cấu hình phân cực, phân cực của anten có thể chuyển đổi thành các kiểu phân cực khác nhau như phân cực ngang/thẳng, phân cực tròn trái hay phải [8], [34], [54], [60], [66], [89], [93], [104]. Tái cấu hình anten có thể được thực hiện thông qua sử dụng các bộ chuyển mạch điện tử hoặc quang, các tụ điện biến dung, hoặc thay đổi cơ khí hay các vật liệu điều hướng nhằm thay đổi một cách chủ ý phân bố dòng bề mặt hoặc trường điện từ của anten dẫn đến sự thay đổi về trở kháng hoặc đặc tính bức xạ. Trong đó, tích hợp chuyển mạch điện là Diode PIN hoặc RF-MEMS vào anten là phương pháp phổ biến nhất hiện nay. Với phương pháp sử dụng chuyển mạch điện là Diode PIN hoặc RF-MEMS, người thiết kế có thể thay đổi chiều dài phần tử bức xạ, mạng phối hợp trở kháng hay thay đổi cấu trúc để tái cấu hình anten theo tần số. Tính năng tái cấu hình có thể giúp thiết bị trở nên thông minh, linh hoạt hơn và giúp giảm đáng kể số lượng anten được tích hợp trong số lượng thu phát hoặc làm giảm độ phức tạp của bộ lọc, do đó có thể làm giảm kích thước và giá thành của thiết bị so với việc sử dụng anten cố định truyền thống. Ngoài ra, vấn đề về tăng dung lượng kênh và tốc độ dữ liệu cũng là một đòi hỏi của hệ thống thông tin vô tuyến. Hiện nay, hệ thống đa anten hay còn gọi là anten MIMO được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin vô tuyến [3]. Để kết hợp các ưu điểm của anten MIMO và anten tái cấu hình, anten MIMO tái cấu hình là một giải pháp tiềm năng trong việc tăng cường tính năng thông minh linh hoạt, đa năng và giảm giá thành, kích thước thiết bị của hệ thống vô tuyến kết hợp với tăng dung lượng kênh và tốc độ dữ liệu của đường truyền. 2. Những vấn đề còn tồn tại Anten tái cấu hình lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1981. Tuy nhiên trong vòng khoảng mười năm qua mới có nhiều công trình công bố về anten tái cấu hình và được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm mạnh mẽ, bao gồm anten tái cấu hình theo tần số [33], anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ [32], anten tái cấu hình theo phân cực [21] hay kết hợp các đặc tính trên [76]. Ở Việt Nam, mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về anten, tuy nhiên chủ yếu tập trung vào các vấn đề cải tiến các tham số của anten có dải tần hoạt động cố định như 2 hệ số tương hỗ giữa các phần tử cho anten MIMO sử dụng EBG (Electromagnetic Band-Gap structure) [3], [2] hoặc cải thiện kích thước cho anten băng rộng [1]. Một công trình khác nghiên cứu về anten thông minh nhưng tập trung vào vấn đề điều khiển búp sóng cho anten mảng và cũng ở dải tần hoạt động cố định [5]. Anten tái cấu hình vẫn còn là một lĩnh vực khá mới mẻ và nhiều hứa hẹn. Anten tái cấu hình thường dựa trên các anten truyền thống như bow-tie [65], đơn cực [108], [52], helical [67], patch vi dải ngăn xếp (stacked microstrip patch) [9], PIFA (Planar Inverted-F Antenna) [105], [107] và sử dụng các kỹ thuật như điều chỉnh phần tử bức xạ [65], [9], [105], [107], điều chỉnh mạng phối hợp trở kháng [108], [29], [64], [69], [75] hoặc thay đổi cấu trúc anten để tái cấu hình theo tần số [9], [82], [106]. Trong đó, kỹ thuật phổ biến hiện nay là điều chỉnh phần tử bức xạ của anten để tái cấu hình anten do kỹ thuật này cho phép dễ dàng thiết kế và điều chỉnh tần số cộng hưởng. Trong khi đó, số lượng các công trình về anten tái cấu hình theo tần số bằng cách thay đổi cấu trúc anten còn hạn chế do việc kết hợp các cấu trúc anten khác nhau trong cùng một thiết kế sẽ khó khăn và phức tạp hơn. Các anten tái cấu hình theo tần số sử dụng kỹ thuật điều chỉnh phần tử bức xạ được đề xuất trong [65], [9] có kích thước khá lớn đối với các thiết bị, trong khi đó anten trong [37], [38] giảm được kích thước của anten thì hệ số tăng ích bị giảm. Các anten tái cấu hình theo tần số bằng thay đổi cấu trúc mới được nghiên cứu những năm gần đây với một số thành tựu nhất định. Tuy nhiên, các thiết kế còn có một số điểm hạn chế như kích thước còn lớn hay độ tăng ích thấp [84], [106]. Vì vậy, việc thiết kế một anten tái cấu hình có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản mà vẫn đạt được hệ số tăng ích theo yêu cầu là một thách thức cần được nghiên cứu, giải quyết. Trong [108], [75] anten tái cấu hình theo tần số bằng cách điều chỉnh mạng phối hợp trở kháng bằng diode biến dung. Nhược điểm của diode biến dung là công suất tiêu thụ lớn và điện áp điều khiển cao, đồng thời do anten tái cấu hình được điều khiển bằng việc thay đổi giá trị điện áp đặt vào diode biến dung nên mạch phân cực cho diode biến dung khá phức tạp, gây ảnh hưởng đến hoạt động của anten. Mạng phối hợp trở kháng của anten trong [29] được điều chỉnh bằng mạch tích hợp bên ngoài gồm các phần tử LC. Việc sử dụng các phần tử LC để điều khiển mạch làm cấu trúc anten phức tạp và tăng suy hao. Các anten trong [40], [64] không sử dụng diode biến dung, mạch LC bên ngoài mà sử dụng Diode PIN để điều chỉnh cấu trúc mạng phối trở kháng nhằm hạn chế các nhược điểm của mạch LC và diode biến dung. Tuy nhiên, đây là các anten tái cấu hình theo phân cực. Từ đó, yêu cầu về các cấu trúc anten tái 3 cấu hình theo tần số sử dụng Diode PIN để điều chỉnh mạng phối hợp trở kháng là một hướng đi cho các nhà nghiên cứu theo đuổi. Hơn nữa, do nhiều cấu hình có thể sử dụng chung một phần tử trong mỗi anten nhằm giảm kích thước cũng như số lượng các phần tử chuyển mạch điện tử, điều này dẫn đến việc điều chỉnh tham số của cấu hình này có thể sẽ ảnh hưởng đến các cấu hình còn lại [52], [11]. Bên cạnh đó, người thiết kế thường tích hợp các tụ điện trong mạch phân cực để ngăn dòng một chiều giữa các phần tử anten, giúp cho việc điều khiển trạng thái các diode khác nhau được thực hiện một cách độc lập [17], [52]. Việc tích hợp các tụ điện vào anten sẽ tăng suy hao, làm giảm hiệu suất của anten. Vì vậy, yêu cầu về các cấu trúc anten hoặc kỹ thuật tái cấu hình nhằm đảm bảo việc điều khiển tần số cộng hưởng và điều khiển các chuyển mạch được thực hiện một cách độc lập, hạn chế sử dụng các phần sử thụ động mà không làm tăng số lượng các chuyển mạch được tích hợp vào anten cũng là thách thức đối với các nhà nghiên cứu. Ngoài ra, hầu hết các nghiên cứu kể trên đều chủ yếu tập trung vào anten đơn tái cấu hình. Anten MIMO được các nhà nghiên cứu quan tâm nhưng các công trình chủ yếu tập trung vào anten MIMO có băng tần cố định. Gần đây, anten MIMO tái cấu hình mới được nghiên cứu. Mặc dù đạt được một số thành tựu đáng kể, các anten MIMO tái cấu hình được đề xuất trong [119], [56], [20] có kích thước vẫn còn lớn. Trong [21], [100], các anten MIMO tái cấu hình có kích thước nhỏ gọn và nhiều ưu điểm nổi bật, tuy nhiên việc sử dụng các phần tử thụ động như tụ điện, điện trở cho mạch phân cực làm tăng suy hao của anten. Đối với anten MIMO nói chung và anten MIMO tái cấu hình nói riêng, yêu cầu về giảm nhỏ kích thước, giảm sự phức tạp trong cấu trúc cũng như tăng độ cách ly giữa các phần tử trong anten MIMO tái cấu hình vẫn đang là chủ đề nghiên cứu hiện nay. Nhìn chung, việc thiết kế một anten tái cấu hình đơn hay anten MIMO tái cấu hình có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn, giảm số lượng phần tử chuyển mạch và giảm các phần tử thụ động trong lúc vẫn đáp ứng được yêu cầu về số lượng cấu hình hoạt động, hệ số tăng ích đang là một lĩnh vực thu hút sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu trong và ngoài nước. 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu, đề xuất một số cấu trúc anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số nhằm cải thiện các tham số như: kích thước, tính đơn giản của cấu trúc anten và mạch phân cực cho diode, hệ số tăng ích, tính độc lập theo tần số giữa các cấu hình, tương hỗ giữa các phần tử trong anten MIMO; 4 - Nghiên cứu, đề xuất kỹ thuật, giải pháp tái cấu hình cho anten PIFA nhằm tăng tính độc lập giữa các cấu hình cho anten. Đối tượng nghiên cứu: - Anten tái cấu hình theo tần số; - Anten tái cấu hình theo tần số hoạt động đơn băng; - Anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu các anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số cho thiết bị đầu cuối trong hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới; - Dải tần dưới 10 GHz. 4. Ý nghĩa khoa học của đề tài Về lý luận: - Góp phần phát triển các giải pháp tái cấu hình anten theo tần số, đồng thời đề xuất các anten tái cấu hình theo tần số có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn và có độ linh động cao; - Đưa ra những công bố có giá trị khoa học, là nền tảng cho các sản phẩm thương mại ra đời. Về thực tiễn: - Các cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất có thể tích hợp trong các thiết bị đầu cuối vô tuyến thông minh, vô tuyến nhận thức trong tương lai. 5. Những đóng góp chính của luận án Những đóng góp khoa học của luận án gồm: 1. Đề xuất các cấu trúc anten đơn tái cấu hình theo tần số có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, gồm: - Cấu trúc anten đơn đơn cực tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng sử dụng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử bức xạ; - Cấu trúc anten đơn đơn cực tái cấu hình theo tần số áp dụng cấu trúc dây chêm hở mạch cho phần dẫn sóng của anten để điều khiển phối hợp trở kháng. 2. Đề xuất kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA bằng cách dịch shorting pin với ưu điểm là đơn giản, có thể áp dụng cho tất cả các cấu trúc anten PIFA, dễ dàng tăng cấu hình tần số lên một số lượng nhất định mà không làm tăng kích thước của 5 anten; đồng thời một cấu trúc anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số áp dụng kỹ thuật này cũng được đề xuất với cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, kích thước phần tử bức xạ nhỏ gọn. 3. Đề xuất cấu trúc anten MIMO tái cấu hình bằng cách thay đổi cấu trúc của anten. Anten MIMO tái cấu hình đề xuất có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đồng phẳng, đơn giản và giảm tương hỗ giữa các phần tử. Cấu trúc đề xuất không cần sử dụng tụ điện cho mạch phân cực diode giúp anten giảm suy hao. 6. Cấu trúc nội dung của luận án Luận án này gồm có 4 chương. Chương 1 là tổng quan về anten tái cấu hình, phân loại, ưu nhược điểm cũng như ứng dụng của anten tái cấu hình trong hệ thống thông tin vô tuyến, các kỹ thuật tái cấu hình anten cũng được trình bày trong chương 1. Trong chương 2, một thiết kế anten tái cấu hình tần số áp dụng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử bức xạ được đề xuất. Tiếp theo, chương 3 đề xuất một thiết kế anten tái cấu hình theo tần số dựa theo kỹ thuật thay đổi cấu trúc dẫn sóng của anten và một thiết kế anten PIFA tái cấu hình theo tần số áp dụng kỹ thuật thay đổi trở kháng của anten. Một thiết kế anten tái cấu hình theo tần số với kỹ thuật thay đổi cấu trúc của anten được trình bày ở trong chương 4. Phần cuối cùng của luận án là kết luận và hướng phát triển của đề tài. 6 TỔNG QUAN VỀ ANTEN TÁI CẤU HÌNH Chương 1 giới thiệu tổng quan về anten tái cấu hình, các ưu nhược điểm và ứng dụng. Việc phân loại anten tái cấu hình được trình bày ở phần tiếp theo. Các phương pháp tái cấu hình anten bao gồm sử dụng chuyển mạch điện tử như Diode PIN, RF-MEMS (Radio- Frequency Microelectromechanical systems), diode biến dung, chuyển mạch quang, hay biến đổi vật liệu và biến đổi cơ khí. Một số công trình đã được công bố trên thế giới cũng được phân tích đi kèm làm ví dụ minh họa. Bên cạnh đó, một anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ được đề xuất cũng được trình bày chi tiết trong chương này. Các phần tiếp theo của chương trình bày về một số kỹ thuật để đạt được anten tái cấu hình theo tần số khi sử dụng Diode PINs. 1.1. Giới thiệu chung Trong thiết bị thu phát vô tuyến thì anten là một thành phần vô cùng quan trọng để bức xạ hoặc thu sóng điện từ. Các anten cơ bản truyền thống từ trước tới nay có nhiều dạng khác nhau, bao gồm anten lưỡng cực, anten đơn cực, PIFA, anten vòng, anten vivaldi [4]. Mỗi anten khác nhau có những đặc tính, ưu nhược điểm riêng, vì vậy phù hợp cho các ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, các anten này đều có một đặc điểm chung, đó là các thuộc tính như đồ thị bức xạ, băng tần hoạt động hay sự phân cực đều được thiết kế cố định. Đối với anten tái cấu hình, các thuộc tính này của anten có khả năng thay đổi được. Anten tái cấu hình được định nghĩa là anten có khả năng thay đổi đặc tính tần số, đồ thị bức xạ, phân cực hoặc kết hợp các tham số này [49]. Nguyên lý để đạt được tái cấu hình cho anten đó là thay đổi lại phân bố dòng điện từ trên bề mặt, từ đó dẫn đến các thay đổi về thuộc tính của anten. Dựa vào nguyên lý này, có nhiều kỹ thuật khác nhau có thể được áp dụng để tái cấu hình như là tích hợp các chuyển mạch vào anten, thay đổi cấu trúc anten bằng cơ học hoặc sử dụng vật liệu có khả năng thay đổi đặc tính để thiết kế anten. 1.2. Ưu nhược điểm của anten tái cấu hình 1.2.1. Ưu điểm Anten tái cấu hình có khá nhiều ưu điểm, bao gồm giúp giảm nhỏ thiết bị, cách ly tốt giữa các chuẩn không dây và có độ linh hoạt cao [32], cụ thể : - Giảm kích thước cho thiết bị: Một anten tái cấu hình theo tần số có thể hoạt động ở nhiều dải tần khác nhau, tương ứng với nhiều chuẩn vô tuyến khác nhau. Thông thường một thiết bị như điện thoại, máy tính hay các thiết bị số sử dụng nhiều anten đơn hoặc các anten 7 đa băng, băng rộng để hỗ trợ cho nhiều băng tần khác nhau. Việc sử dụng nhiều anten đơn sẽ dẫn đến tăng không gian chiếm chỗ trong các thiết bị vô tuyến. Anten tái cấu hình theo tần số với nhiều cấu hình tần số khác nhau sẽ đáp ứng được khả năng hỗ trợ cho nhiều băng tần hoạt động. Ví dụ, một anten tái cấu hình theo tần số có thể hỗ trợ cho các chuẩn khác nhau như cung cấp thêm các chuẩn khác như WLAN (Wireless Local Area Network), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), GSM (Global System for Mobile Communications), CDMA (Code Division Multiple Access), 4G… Có thể nói rằng, một anten tái cấu hình theo tần số có thể thay thế cho nhiều anten đơn. Điều này sẽ làm giảm được kích thước cho các thiết bị vô tuyến. Tương tự như vậy, một anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ hay phân cực cũng có thể thay thế bởi một số anten đơn nhằm giảm được chi phí cũng như kích thước cho thiết bị. - Cách ly tốt giữa các chuẩn không dây, loại bỏ nhiễu giữa các băng tần không dùng: Một ưu điểm nữa của anten tái cấu hình theo tần số là giảm nhiễu giữa các chuẩn không dây. Như đã đề cập ở trên, để hỗ trợ nhiều chuẩn không dây thì các thiết bị vô tuyến cần phải tích hợp nhiều anten đơn. Ngoài ra, các anten đa băng hay anten băng rộng có thể thay thế được một số anten đơn. Tuy nhiên, việc sử dụng anten đa băng hoặc anten băng rộng có thể làm tăng nhiễu giữa các băng tần lân cận. Với anten tái cấu hình theo tần số thì có thể hỗ trợ cho nhiều chuẩn vô tuyến khác nhau trong cùng một anten. Tuy nhiên, mỗi thời điểm anten tái cấu hình theo tần số chỉ cộng hưởng ở một hoặc chỉ một vài tần số nhằm giảm nhiễu giữa các băng tần. Như vậy, việc sử dụng anten tái cấu hình theo tần số cũng sẽ giúp cho các yêu cầu về bộ lọc của thiết bị vô tuyến bớt phức tạp. - Độ linh hoạt cao giúp tiết kiệm phổ tần, tiết kiệm công suất và giảm nhiễu: Với khả năng thay đổi các tham số của anten gồm tần số, đồ thị bức xạ hay phân cực bằng cách thay đổi cấu hình hoạt động, anten tái cấu hình có thể thay đổi băng tần hoạt động, đồ thị bức xạ hay phân cực một cách linh hoạt để phù hợp với sự thay đổi của môi trường kênh truyền hoặc yêu cầu của hệ thống. Một anten tái cấu hình theo tần số có thể hoạt động như một anten đơn, anten mảng, cũng có thể cung cấp băng rộng hay băng hẹp trong cùng một anten. Ngoài ra, tính năng linh hoạt thay đổi tần số hoạt động đối với anten tái cấu hình theo tần số là ưu điểm đối với hệ thống vô tuyến nhận thức. Trong hệ thống vô tuyến nhận thức, các thiết bị thu phát phát hiện một cách thông minh các kênh tần số nào còn trống và kênh nào đã dùng và có thể sử dụng linh hoạt bất kì phổ tần số vô tuyến nào sẵn có. Tính năng nhảy tần của anten tái cấu hình theo tần số cũng là một ưu điểm cho các hệ thống thông tin quân sự trong việc bảo mật thông tin, tác chiến điện tử và tăng khả năng chống nhiễu. Anten tái cấu hình theo tần số sẽ được dùng trong các trường hợp này giúp tiết kiệm phổ tần số. Đối với anten tái cấu hình theo 8 đồ thị bức xạ, đồ thị bức xạ của anten sẽ thay đổi một cách linh động theo yêu cầu, tăng khả năng định hướng búp sóng giúp tiết kiệm công suất và giảm nhiễu. 1.2.2. Nhược điểm Nhược điểm của anten tái cấu hình gồm cả việc thiết kế riêng cấu trúc anten và tích hợp anten tái cấu hình vào toàn hệ thống [23]. Việc thiết kế nhiều cấu hình trong một anten sẽ dẫn thách thức trong việc tối ưu các tham số cho từng cấu hình riêng. Hơn nữa, việc tích hợp mạng phân cực cho các phần tử chuyển mạch được tích hợp trong anten cũng làm cho cấu trúc anten có thể trở nên phức tạp. Mặc dù ưu điểm của anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ là tăng khả năng định hướng búp sóng giúp tiết kiệm công suất, nhưng nếu tích hợp quá nhiều phần tử chuyển mạch trong tất cả các loại anten tái cấu hình nói chung lại làm tăng công suất tiêu thụ của anten hoặc làm cấu trúc anten trở nên phức tạp. Ngoài ra, việc tích hợp anten tái cấu hình vào hệ thống có thể làm tăng chi phí của hệ thống do phải sử dụng các kỹ thuật để hệ thống có thể tái cấu hình được. 1.3. Các tham số quan trọng của anten liên quan đến hoạt động tái cấu hình Có hai tham số rất quan trọng đối với hoạt động của anten, đó là trở kháng đầu vào của anten theo tần số (gọi là đáp ứng tần số) và đặc tính bức xạ của anten. Phần này sẽ nhắc lại các vấn đề liên quan đến hai tham số này phục vụ cho mục đích tái cấu hình anten. 1.3.1. Đáp ứng tần số Đáp ứng tần số của anten được định nghĩa là trở kháng đầu vào của anten theo tần số [16]. Trở kháng đầu vào là một giá trị phức Zvao = R(ω) + iX(ω) trong đó ω = 2f với f là tần số hoạt động. Một anten cộng hưởng ở tần số 𝑓 khi trở kháng đầu vào của nó là một giá trị thực. Trở kháng đầu vào của anten được dùng để xác định hệ số phản xạ () và các tham số liên quan, như hệ số sóng đứng điện áp (VSWR) và suy hao phản hồi (RL), các tham số này là một hàm theo tần số được biểu diễn theo các công thức (1.1), (1.2), (1.3): = 𝑍𝑣𝑎𝑜 − 𝑍0 𝑍𝑣𝑎𝑜 + 𝑍0 VSWR = 1 + || 1 − || RL = −20lg|| (dB) (1.1) (1.2) (1.3) trong đó 𝑍0 là trở kháng đường dây tiếp điện. Hiện nay, hệ thống đường dây tiếp điện thường dùng là 50Ω. Trở kháng vào thông thường được biểu diễn trên đồ thị Smith. Đồ thị Smith là 9