TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI VÀ HỆ THỐNG
Anten vi dải
1.1.1 Cấu tạo anten vi dải
Anten vi dải gồm có 4 phần chính đó là: Bản kim loại, lớp điện môi, mặt phẳng đất và bộ phận tiếp điện Bản kim loại được gắn lên trên lớp đế điện môi tạo lên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in (Hình 1.1)
Hình 1.1: Cấu trúc đơn giản của anten vi dải
1.1.2 Nguyên lý hoạt động của anten vi dải
Anten vi dải hoạt động dựa trên nguyên lý bức xạ mặt (Hình 1.2) Các bề mặt được kích thích bởi trường điện từ bức xạ từ một nguồn sơ cấp nào đó Trường kích thích tạo ra trên bề mặt ấy,trong đó điện trường E và từ trường H vuông góc với nhau, lúc đó bề mặt này trở thành nguồn bức xạ thứ cấp được gọi là mặt bức xạ của anten.
Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của anten vi dải
1.1.3 Sóng trong cấu trúc anten vi dải
Trong cấu trúc anten vi dải có 4 loại sóng đó là: sóng không gian, sóng mặt, sóng rò, sóng trong ống dẫn sóng (Hình 1.3) Hầu hết năng lượng sẽ được biến đổi thành sóng trong không gian, nếu với cấu trúc dẫn sóng thì phần lớn năng lượng được giữ trong ống dẫn sóng Còn hai loại sóng còn lại là sóng mặt và sóng rò là sóng gây ra những suy hao không mong muốn.
+Sóng trong ống dẫn sóng (tia A) là sóng tồn tại trong lớp đế điện môi giữa màn chắn dẫn điện và miếng patch.
+Sóng không gian (tia B) được phát xạ ở phía trên bề mặt bản kim loại, những sóng này có thể bức xạ đi xa
Hình 1.3: Sóng trong anten vi dải
+Sóng rò (tia C) phát sinh khi sóng truyền trong lớp điện môi tới màn chắn theo góc tới nhỏ hơn góc giới hạn Sóng khi bị phản xạ từ màn chắn một phần của sóng sẽ khúc xạ qua mặt giới hạn điện môi-không khí làm mất một phần năng lượng bị rò ra khỏi lớp điện môi Vì vậy sóng này được gọi là sóng rò Có một số anten hoạt động dựa trên cơ chế lợi dụng sóng này như anten sóng rò.
+Sóng mặt (tia D) là những sóng có năng lượng chủ yếu tập trung trên bề mặt và bên trong lớp điện môi Chúng được phản xạ toàn phần trên lớp điện môi không khí Sóng này có thể gây xuyên nhiễu hoặc làm méo dạng đồ thị phương hướng do tán xạ và phản xạ tại bờ của lớp điện môi Nhưng cũng có một số anten dựa trên cơ chế lợi dụng sóng mặt như anten sóng mặt.
1.1.4 Các thông số cơ bản của anten vi dải
S11 là tham số đặc trưng cho phần năng lượng bị phản xạ lại phía anten do không tương thích với đường truyền S11 nhỏ có nghĩa rằng một lượng lớn năng lượng được chuyển đến anten Thông qua đồ thị S11 ta có thể xác định khoảng băng thông và tần số mà ở đó anten hoạt động tốt nhất (tần số cộng hưởng ) (Hình 1.4).
Hình 1.4: Đồ thị S11 của anten
Tần số và các thông số liên quan với tần số
Tần số làm việc của anten được xác định bởi chiều dài L Tần số trung tâm được tính xấp xỉ theo công thức.
L: Chiều dài của miếng patch c: Vận tốc ánh sáng
Độ rộng băng thông Độ rộng băng thông được hiểu là khoảng băng tần đáp ứng được các yêu cầu. Công thức tính độ rộng băng thông là:
B: Là độ rộng băng thông
Là tần số đạt cực đại: Là tần số đạt cực tiểu
Các thông số thiết kế anten như chiều dài, chiều rộng của miếng patch, độ cao của lớp điện môi,…có ảnh hưởng trực tiếp tới băng thông của anten (Hình 1.5). Dưới đây là công thức về sự ảnh hưởng của các thông số tới băng thông:
(a)Độ rộng băng thông khi WY,6mm (b) Độ rộng băng thông khi WD,6mm Hình 1.5: Ảnh hưởng của các thông số thiết kế anten tới độ rộng băng thông
Công thức (1.3) cùng với Hình 1.5 cho thấy khi bề rộng (W) miếng path bức xạ càng lớn thì độ rộng băng thông càng tăng.
Hệ số sóng đứng VSWR
VSWR là tỉ số biên độ của sóng dừng ở điểm bụng và điểm nút trên một đường chuyền sóng VSWR được xác định từ các điện áp đo dọc theo một đường truyền dẫn đến một anten (Hình 1.6).Công thức tính hệ số sóng đứng VSWR là:
Hệ số phản xạ được tính theo công thức: : Sóng phản xạ
Hình 1.6: Hiệu điện thế của tín hiệu trên đường truyền sóng
Khái niệm: Khi mắc anten vào máy phát hay máy thu, anten trở thành tải Trị số của tải đặc trưng bởi trở kháng vào của anten Trường hợp tổng quát, trở kháng là một đại lượng phức:
Trong đó, phần thực biểu thị phần năng lượng bức xạ hoặc bị hấp thụ bên trong anten Phần ảo thể hiện phần năng lượng không bức xạ.
Công suất và hiệu suất của anten
Công suất anten là công suất được phát trực tiếp đến anten.Tuy nhiên, trong quá trình truyền sóng còn xuất hiện công suất tổn hao (do nhiệt, mất mát do cảm ứng) và công suất bức xạ anten.
Hiệu suất hoạt động của anten là: Tỉ lệ công suất bức xạ trên công suất vào anten Được tính theo công thức: β= P P r i (1.6) Trong đó: β: Hiệu suất hoạt động của anten
Tỉ số hiệu suất có giá trị từ 0 đến 1 Tuy nhiên thường được tính theo tỉ lệ phần trăm (%) Hoặc cũng có thể để ở đơn vị decibels (dB)
Hiệu suất toàn phần: Trong một số trường hợp, chúng ta dùng hiệu suất toàn phần (total efficiency) là hiệu suất bức xạ anten nhân với hệ số tín hiệu bị mất do trở kháng không hợp của anten, khi mà kết nối đến đường truyền (tranmission line) hoặc nhận sóng.
Hiệu suất bị mất do trở kháng không hợp
Độ lợi của anten Độ lợi mô tả bao nhiêu năng lượng được truyền theo hướng bức xạ lớn nhất so với nguồn đẳng hướng Đồ thị của nó được mô tả trên Hình 1.7 Độ lợi thường được nói đến hơn là tính hướng trong bảng mô tả đặc tính của anten vì nó được dùng để xem xét khi có sự mất tín hiệu xảy ra.
Một anten phát với độ lợi 3 dB truyền theo 1 hướng xác định có nghĩa rằng năng lượng nhận ở anten thu sẽ cao hơn 3dB (gấp 2 lần) so với năng lượng nó nhận được từ nguồn anten đẳng hướng không suy giảm tín hiệu với cùng mức năng lượng vào Anten không suy giảm tín hiệu có hiệu suất 0 dB (100%).
Tuy nhiên, thường nói độ lợi của anten theo một hướng cụ thể nào đó với công thức liên quan đến tính hướng và hiệu suất:
D: Tính hướng của anten Độ lợi của 1 anten thực tế có giá trị lên đến 40 – 50 dB cho một đĩa chảo rất lớn tuy nhiên điều đó là hiếm gặp.
(a) Độ lợi của anten theo đẳng hướn (b) Độ lợi anten theo một hướng
Hình 1.7: Đồ thị độ lợi anten
1.1.5 Ưu điểm, nhược điểm của anten vi dải Ưu điểm: Anten vi dải có ưu điểm trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ (Hình 1.8), có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo Giá thành sản xuất thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng Dễ dàng được gắn lên các đối tượng khác
Tổng quan về anten MIMO
MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten để thu hoặc phát tín hiệu vô tuyến Việc sử dụng anten MIMO chính là chìa khóa dẫn đến sự thành công của IEEE 802.11n,
HSPA, LTE, LTE-Advanced và bây giờ MIMO tiếp tục được sử dụng trong 5G cũng như các công nghệ truyền thông không dây thế hệ tiếp theo.
Phụ thuộc vào số lượng anten tại thiết bị thu phát, người ta có thể phân loại hệ thống đầu cuối anten như sau hình 1.9:
MIMO: Nhiều anten được đặt cả tại thiết bị thu và phát.
MISO: Nhiều anten đặt ở thiệt bị phát nhưng chỉ một anten ở thiết bị thu.
SIMO: Một anten ở phía thiếtb bị thu, nhiều anten đặt tại thiết bị phát.
SISO: Một anten đặt ở thiết bị thu cũng như thiết bị phát.
Hình 1.9: Các cơ chế khác nhau của hệ thống anten MIMO
Kích thước và dung lượng tổng thể danh cho thiết kế anten trong thiết bị đầu cuối di động là các vấn đề có tầm ảnh hưởng lớn lên thiết kế anten (UE) Bên cạnh đó, còn có một số yếu tố khác gây phức tạp thiết kế anten cho thiết bị đầu cuối di động UE Dưới đây là môt số các yếu tố đó:
Mức độ phức tạp và vị trí của phần vô tuyến.
Tương quan với các anten MIMO khác.
Ghép tương hỗ với các anten MIMO, acqui, màn hình …
Vị trí và số các anten khác hỗ trợ WiFi, Bluetooth, GPS (Global Positionning System: hệ thống định vị toàn cầu), vô tuyến FM và các thiết bị di động khác.
Quy định SAR (Specific Absorption Rate: mức độ hấp thụ sóng điện từ đối với con người) và HAC (Hearing Aid Compability: tương thích thiết bị trợ thính) cho anten trong thiết bị điện thoại di động.
Suy hao do tay và đầu người có thể ảnh hưởng lớn lên hiệu năng.
Vì các thiết bị di động ngày càng trở nên nhỏ hơn nên các anten để thu MIMO trở nên gần nhau hơn dẫn đến độ ghép giữa chúng trở nên lớn hơn và mẫu phát xạ anten sẽ bị méo Khi độ ghép tăng, hiệu suất anten giảm và tương quan bị ảnh hưởng.
Hơn thế nữa, các thiết bị di động bao gổm nhiều thiết bị điện tử, acqui lớn, màn hình và nhiều anten để hỗ trợ nhiều phần vô tuyến trong một kích cỡ cho trước Các bộ phận này gây thêm các ghép tương hỗ vì thế dẫn đến giảm cấp Vấn đề này càng trở thành thách thức lớn cho các nhà thiết kế, chế tạo khi số bộ phận vô tuyến không ngừng tăng Các nhà thiết kế anten không chỉ quan ngại về GPS, WiFi và Bluetooth mà còn phải đối mặt với đa băng và các công nghệ vô tuyến cần thiết khi mở rộng mạng Cuối cùng các nhà thiết kế cũng phải tính đến các quy định liên quan đếnSAR (Specific Absorption Rate) Giả sử ghép tương hỗ dẫn đến méo mẫu phát xạ anten, tính hướng của mẫu phát xạ có thể ảnh hưởng trực tiếp lên SAR.
Ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO
1.3.1 Tương hỗ trong chế độ phát
Hình 1.10: Tương hỗ trong chế độ phát giữa hai anten m và n Để đơn giản, ta giả sử hai anten n và m trong hệ anten MIMO được đặt gần nhau như trong Hình 1.10 Cách làm tương tự khi số lượng phần tử xét lớn hơn. Nếu một nguồn được tác động vào anten n, năng lượng phát sẽ di chuyển từ anten (được đánh số vùng 0) bức xạ ra ngoài không gian (vùng 1) và hướng hướng về anten m (vùng 2) Phần năng lượng không mong muốn trên anten m này sẽ tạo ra một dòng điện có xu hướng tái phát xạ một phần năng lượng của nó ra ngoài không gian (vùng 3) và phần còn lại di chuyển vào trong máy phát m (vùng 4) Một phần năng lượng phát xạ lại của vùng 3 có thể quay ngược trở lại hướng về phía anten n (vùng 5) Quá trình này có thể tiếp diễn không xác định Tiến trình cũng diễn ra tương tự trong trường hợp anten m là anten được kích thích và anten n là anten kí sinh Nếu cả hai anten m và n đều được kích thích đồng thời, trường bức xạ và tái phát xạ đi và đến mỗi anten sẽ tạo thêm các véc tơ đến cho trường tổng hợp tại bất kỳ điểm quan sát nào Như vậy, “Tổng thành phần cấu tạo nên trường vùng xa của một phần tử anten bất kỳ trong hệ anten không chỉ phụ thuộc bởi chính máy phát của anten đó (bức xạ trực tiếp) mà còn phụ thuộc vào tổng bức xạ ký sinh, bức xạ tương hỗ từ các nguồn bức xạ khác”.
1.3.2 Tương hỗ trong chế độ thu Để minh họa cơ chế tương hỗ trong chế độ thu, ta lại giả sử rằng hệ thống anten bao gồm hai phần tử nạp tải thụ động như chỉ ra trong Hình 1.11 Điều này cũng tương tự cho các hệ thống lớn hơn.
Giả sử rằng vùng 0 là ngẫu nhiên, đầu tiên nó tác động vào anten m và gây ra dòng điện trong đó Một phần năng lượng này sẽ tán xạ lại trong không gian (vùng
2), một phần khác sẽ hướng thẳng đến anten n (vùng 3) tạo thêm véc tơ năng lượng cùng vùng ngẫu nhiên 0 cho anten n, và phần còn lại sẽ tới đường cấp nguồn của anten m (vùng 1) Như vậy, tổng năng lượng thu được tại mỗi phần tử anten trong một hệ thống MIMO sẽ là vecto tổng của các sóng trực tiếp và các sóng ký sinh đến từ ảnh hưởng tương hỗ của các phần tử khác.
Tổng năng lượng bị mất mát hay tái phát xạ của mỗi phần tử anten phụ thuộc vào trở kháng đầu cuối của nó Do đó tổng năng lượng thu được từ mỗi phần tử anten trong hệ sẽ phụ thuộc vào trở kháng đầu cuối của nó cũng như của các phần tử khác Vì vậy, để tối đa hóa năng lượng thu được từ thiết bị phát phải tối thiểu hóa tổng năng lượng tán xạ vào trong không gian bằng việc lựa chọn trở kháng đầu cuối phù hợp.
Hình 1.11: Tương hỗ trong chế thu giữa hai anten m và n
1.3.3 Tương hỗ trong anten patch hình chữ nhật
Tham số tán xạ S dùng để thể hiện mối quan hệ giữa các cổng (port hoặc terminal) trong một hệ thống điện tử Nếu chúng ta có hai anten (tạm gọi là cổng 1 và cổng thì S12 thể hiện năng lượng truyền từ cổng 2 vào cổng 1 và S21 thể hiện năng lượng truyền từ cổng 1 và cổng 2 Xét trường hợp tổng quát, SNM thể hiện năng lượng truyền tải từ cổng M vào cổng N trong một hệ thổng đa cổng (multi- port).
Một cách nhìn khác chặt chẽ hơn, trong hệ thống truyền thông, một port có thể là bất kỳ nơi nào có thể nhận và truyền điện áp và dòng điện Như vậy, nếu một hệ thống truyền thông có hai anten truyền đi hai sóng vô tuyến 1 và 2 thì S11 sẽ là năng lượng phản xạ của sóng vô tuyến 1 tới anten 1, S22 chính là năng lượng phản xạ của sóng vô tuyến 2 truyền tới anten 2 Trong trường hợp tổng quát, tham số tán xạ S là một hàm của tần số.
Trong thực tế, một trong các tham số quan trọng để đánh giá anten là S11 S11 thể hiện bao nhiêu năng lượng sóng truyền đi bị phản xạ ngược lại anten vì vậy nó còn có một tên gọi khác là suy hao phản xạ, thường được ký hiệu RL Nếu S11 = 0 dB điều đó có nghĩa tất cả năng lượng đều bị phản xạ ngược lại anten và không có năng lượng nào được bức xạ đi.
Như đã giới thiệu phần trên, tương hỗ đóng một vai trò quan trọng trong hiệu năng của một anten Tuy nhiên phân tích và đánh giá được nó không phải là điều đơn giản Để dễ dàng cho việc phân tích và xác định tương hỗ trong hệ đa anten, ta xét trường hợp anten patch MIMO 1x2 hình chữ nhật bởi một số lý do sau:
Anten patch là một trong những loại hình anten được ứng dụng rộng rãi trong các thiết kế anten khác nhau trong các lĩnh vực thông tin di động, đạo hàng, vệ tinh … bởi các đặc tính ưu việt như nhỏ, nhẹ, dễ chế tạo và thiết kế đường truyền dẫn 50Ω.
Hiệu năng của anten patch có suy giảm rất lớn khi chịu ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten.
Hình 1.12: Mặt phẳng E và H được tiếp điện cáp đồng trục trong anten patch hình chữ nhật.
Xét hai anten patch hình chữ nhật được tiếp điện bằng phương pháp sử dụng cáp đồng trục như trên Hình 1.12 Trong đó, ở mặt phẳng E, các anten patch nằm song song với hướng của dòng điện về các patch Trong mặt phẳng H, các anten patch nằm vuông góc với hướng dòng điện Phương pháp FDTD (Finite-difference time-domain) được sử dụng để tính toán tương hỗ giữa các anten patch.
Tương hỗ của anten patch trong mặt phẳng E được mô tả trong Hình 1.12. Trong đó, tất cả các anten đều được điều chỉnh để cộng hưởng tại tần số trong khoảng 5,8 GHz Hình 1.13 (a) thể hiện tương hỗ của anten patch với khoảng cách giữa hai anten là 0,5λ, trong đó λ là bước sóng cộng hưởng ở tần số 5,8 GHz Lưu ý rằng khoảng cách được tính từ vị trí probe đến probe, không phải khoảng cách liền kề giữa 2 anten patch Quan sát ta thấy các anten trên bề mặt chất nền điện môi có độ dày mỏng và hằng số thấp thì có mức tương hỗ là thấp nhất trong khi các anten trên bề mặt chất nền điện môi có dày và hằng số điện môi cao có tương hỗ cao.
Tương hỗ lớn khi hằng số điện môi tăng và độ dày tăng lên Hình 1.13(b) thể hiện ảnh hưởng tương hỗ tác động vào hai anten khi khoảng cách giữa hai anten thay đổi Có thể dễ dàng nhận thấy, ảnh hưởng tương hỗ giảm trong khi khoảng cách anten tăng.
(a)Tham số S với khoảng cách = 0.5 λ (b)Tham số S12 khi khoảng cách thay đổi
Hình 1.13: Đồ thị so sánh ảnh hưởng tương hỗ giữa hai anten patch trên mặt phẳng E với các chất nền khác nhau Ảnh hưởng tương hỗ của hai anten trong mặt phẳng H được mô tả trong hình 1.16 Trong hình 1.14 (a) khoảng cách giữa các anten patch được cố định ở mức 0,5λ và tương hỗ tác động so với tần số cộng hưởng trong khoảng 5,8 GHz Hình 1.14 (b) thể hiện tương hỗ tác động với khoảng cách giữa hai anten thay đổi khi anten cộng hưởng ở tần số 5,8 GHz Ta nhận thấy, ngược lại với mặt phẳng E, tương hỗ tác động mạnh nhất khi các anten được gắn trên chất nền hằng số điện môi thấp và dày và tương hỗ tác động yếu nhất trong trường hợp chất nền hằng số điện môi cao và mỏng Thật thú vị khi tăng tăng độ dày chất nền thì tác động của các tương hỗ tăng nhưng tăng hằng số điện môi tác động tương hỗ lại giảm.
(a)Tham số S với khoảng cách = 0.5 λ (b)Tham số S12 khi khoảng cách thay đổi Hình 1.14: Đồ thị so sánh ảnh hưởng tương hỗ giữa hai anten patch trên mặt phẳng
H với các chất nền khác nhau Để hiểu rõ sự khác nhau của tương hỗ giữa mặt phẳng E và mặt phẳng H trên cùng hệ anten patch người ta xem xét ảnh hưởng của trường điện từ trên hai mặt phẳng Hình 1.15 biểu diễn sự biến đổi trường điện từ trên mặt phẳng E với cặp anten patch có độ dày chất nền là 2 mm và hằng số điên môi (a) 𝜀𝑟=2.20 và (b) 𝜀𝑟 10.2.
Các tham số của anten MIMO
Hệ số tương quan tín hiệu
Tương quan tín hiệu mô tả sự độc lập của các tín hiệu Hệ số tương quan càng nhỏ thì các tín hiệu thu càng độc lập với nhau, sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các phần tử anten càng thấp Để đánh giá tính tương quan tín hiệu, người ta thường sử dụng hệ số tương quan đường bao ECC được xác định theo công thức 1.9 như sau: ρ e (i, j , N)= | ∑ n=1 N S i , n ¿ S n , j ¿ | 2 k=(i , j) ∏ [ 1− ∑ n=1 N S k , n ¿ S n , k ¿ ] (1.9)
Độ tăng ích hiệu quả trung binh (MEG)
MEG là tham số quan trọng để quyết định quỹ đường truyền của hệ thống vô tuyến Nó có thể được xác định dựa trên sự cách ly phân cực chéo, tăng ích và hàm mật độ góc theo hướng theta và phi theo công thức 1.10 như sau:
Trong đó 𝑋 là tỷ số công suất phân cực chéo, 𝐺𝜃(𝜃, 𝜑) và 𝐺𝜑(𝜃, 𝜑) là độ tăng ích thành phần của anten, 𝑃𝜃(𝜃, 𝜑) và 𝑃𝜑(𝜃, 𝜑) mô tả xác xuất phân bố của sóng tới trong môi trường truyền với giả thiết các thành phần này không tương quan.
Dung lượng hệ thống Ưu điểm chính của một hệ thống MIMO là dung lượng kênh được cải thiện.Trong trường hợp hệ thống anten MIMO có N phần tử và khi máy phát không có thông tin về môi trường kênh truyền, công suất được chia đều trên các anten thành phần của anten MIMO Dung lượng kênh trong trường hợp này được xác định theo công thức 1.11 như sau:
Trong đó 𝜌 là giá trị SNR trung bình, H là ma trận kênh và (∙) H là chuyển vị Hermition.
Kết luận chương 1
Chương 1 đưa ra cái nhìn tổng quan về anten vi dải, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các thông số cơ bản và ưu nhược điểm khi sử dụng loại anten này trong thiết kế Trong chương này cũng chỉ ra được một số khái niệm tổng quan về anten MIMO cũng như nguyên nhân dẫn tới ảnh hưởng tương hỗ không tốt giữa các phần tử trong anten MIMO ở cả phía phát và phía thu Cuối cùng đưa ra các tham số trong anten MIMO.
NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP GIẢM ẢNH THIỂU HƯỞNG TƯƠNG HỖ GIỮA CÁC PHẦN TỬ TRONG ANTEN MIMO
Các kỹ thuật giảm ảnh thiểu ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO22
2.1.1 Sử dụng mạng cách ly
Mạng cách ly là một kỹ thuật nhằm mục đích tăng cường cách ly giữa các cổng của anten MIMO mà không cần can thiệp vào cấu trúc bức xạ Mạng cách ly sẽ bổ sung phần điện kháng tại phần tiếp điện của anten MIMO do đó triệt tiêu được điện kháng tương hỗ giữa các phần tử anten đơn, kết quả giúp giảm tương hỗ trên antenMIMO Sử dụng mạng cách ly thường cần có một mạng phối hợp trở kháng để tăng cường sự phối hợp trở kháng ở đầu vào các cổng anten.
Hình 2.1: Mạng cách ly sử dụng các phần tử điện kháng
Hình 2.1 đưa ra mô hình sử dụng mạng cách ly để giảm tương hỗ giữa các cổng của hệ anten hai cổng Trong ví dụ ở Hình 2.2, mạng cách ly gồm có hai đường truyền và thành phần điện kháng, mạng phối hợp trở kháng tại mỗi cổng trong nghiên cứu này là các phần tử tập trung Anten MIMO gồm hai phần tử bức xạ hoạt động tại tần số 2,45 GHz với khoảng cách giữa hai phần rất gần là 0,069 λ 0 Trường hợp anten MIMO không có mạng cách ly, hệ số cách ly giữa hai cổng tiếp điện mức rất cao, khoảng 3dB (Hình 2.3) Khi sử dụng mạng cách ly, hệ số cách ly đã được cải thiện đáng kể hơn 30 dB ở tần số trung tâm2,4 GHz như biểu diễn ở Hình 2.4
Hình 2.2: Anten MIMO sử dụng mạng cách ly
Hình 2.3: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm về tổn hao và hệ số cách ly của anten
MIMO khi không có mạng cách ly
Hình 2.4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm về tổn hao và hệ số cách ly của anten
MIMO khi có mạng cách ly
2.1.2 Sử dụng cấu trúc mặt đất khuyết DGS
Mặt phẳng đất ở bên dưới trực tiếp ảnh hưởng đến đặc tính của anten mạch in. Khi đó mặt phẳng đất đóng vai trò như đường dẫn của dòng điện phản hồi và đôi khi còn đóng vai trò là một phần của cấu trúc bức xạ anten Anten MIMO dạng mạch in có cùng mặt phẳng đất, nên dòng cảm ứng trên mặt phẳng đất dễ gây tương hỗ với anten gần đó điều đó dẫn đến ảnh hưởng tương hỗ cao, từ đó gây lên hệ số cách ly của anten MIMO tương đối cao Ảnh hưởng tương hỗ giữa này có thể giảm bằng cách tạo ra các cấu trúc mặt đất khuyết Các vị trí khuyết (bị khoét) sẽ hoạt động như các bộ lọc chắn dải giúp ngăn cản trường tương hỗ giữa các phần tử gần nhau khi cấu trúc anten được thiết kế hợp lý Nguyên lý giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ này được gọi là cấu trúc mặt phẳng đất không hoàn hảo hay cấu trúc mặt đất khuyết (DGS: Defected Ground Structure).
Nguyên lý hoạt động của một số cấu trúc mặt phẳng đất khuyết: Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (DGS) của đường truyền dẫn sử dụng đường truyền vi dải hoặc đường truyền đồng phẳng là cấu trúc đế được khoét khiến cho phân bố dòng trên mặt phẳng đế bị thay đổi Sự thay đổi này dẫn đến thay đổi điện cảm hoặc điện dung của đường truyền Không mất tính tổng quát, ta xét cấu trúc DGS đơn vị dạng quả tạ bao gồm hai vùng hình chữ nhật kích thước axb, được nối với nhau bằng một khe có bề rộng Kích thước và mô phỏng tham số mô phỏng S của cấu trúc này được trình bày trên hình 2.5(a).
Hình 2.5 (b) biểu diễn mạch điện tương đương của cấu trúc DGS đơn vị chữ I và bộ lọc thông thấp Butterworth một cực Vùng hình chữ nhật của cấu trúc DGS làm tăng chiều dài của dòng điện dẫn đến hai vùng hình chữ nhật tạo thêm thành phần cảm kháng (L) Điện tích được tích lũy ở khe nối làm tăng điện dung hiệu dụng của đường truyền Kết quả là trong khe nối tạo thêm thành phần dung kháng (C) Trên cơ sở mạch tương đương, khi mạch LC song song cộng hưởng thì hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra ở một tần số tương ứng Do đó giá trị L và C trên hình 2.5 (b) được xác định như sau:
Trong đó W 0 là tần số góc cộng hưởng của mạch LC song song.
Trong đó f 0 là tần số cộng hưởng, f c là tần số cắt, g 1 (=2) là giá trị thành phần của bộ lọc thông thấp Butterworth một cực và Z 0(P Ω) là trở kháng chuẩn.
Hình 2.5: (a) Cấu trúc DGS chữ I, tham số tán xạ S và (b) mạch tương đương của cấu trúc và bộ lọc thông thấp Butterworth một cực
2.1.3 Sử dụng cấu trúc EBG
Từ các nghiên cứu trước đây, chúng ta nhận thấy rằng anten vi dải mảng kết hợp mặt phẳng E trên mặt đế có độ thấm cao và dày phải chịu sự tương hỗ mạnh mẽ do sóng bề mặt rõ rệt Do cấu trúc EBG (Electromagnetic Band Gap: Cấu trúc dải chắn điện từ) đã thể hiện khả năng triệt tiêu sóng bề mặt, nên nó được chèn vào giữa các anten để giảm sự tương hỗ, như trong Hình 2.6.
Hình 2.6: Các anten vi dải được ngăn cách bởi cấu trúc EBG hình nấm để giảm tương hỗ
Hình 2.6 lưu ý rằng bốn hàng tế bào EBG được sử dụng ở đây để có được kết quả khả quan Kỹ thuật FDTD được sử dụng để mô phỏng các anten vi dải ghép mặt phẳng E trên đế chất điện môi có h = 2 mm và εr = 10.2 Kích thước của anten là 7r = 10.2 Kích thước của anten là 7 mm × 4 mm và khoảng cách giữa các anten là 38,8 mm (0,75) Cấu trúc EBG hình nấm được chèn vào giữa các anten để giảm sự tương hỗ Ba trường hợp EBG khác nhau được phân tích và kích thước patch của chúng lần lượt là 2 mm, 3 mm và 4 mm Khoảng cách giữa các tế bào EBG nấm được giữ ở mức 0,5 mm cho cả ba trường hợp.
Hình 2.7a cho thấy suy hao phản hồi của ba trường hợp anten có và không có cấu trúc EBG Nó được quan sát thấy rằng tất cả các anten cộng hưởng khoảng 5,8 GHz Mặc dù sự tồn tại của cấu trúc EBG có một số ảnh hưởng đối với các kết quả đầu vào của anten, tất cả các anten vẫn có suy hao phản hồi tốt hơn -10 dB.
Hình 2.7: Kết quả mô phỏng FDTD của anten vi dải ghép mặt phẳng E được cách ly bằng cấu trúc EBG hình nấm với các kích cỡ khác nhau: (a) suy hao phản hồi và (b) tương hỗ
Các kết quả tương hỗ được thể hiện trong hình 2.7b Không có cấu trúc EBG, anten cho thấy sự tương hỗ mạnh mẽ −16,15 dB Nếu cấu trúc EBG được sử dụng, mức độ tương hỗ lẫn nhau sẽ thay đổi Khi sử dụng EBG 2 mm, dải chắn của nó cao hơn tần số cộng hưởng 5,8 GHz Do đó, tương hỗ không bị giảm và tương hỗ mạnh
−15,85 dB vẫn được nhận thấy Đối với trường hợp EBG 3 mm, tần số cộng hưởng5,8 GHz nằm trong dải chắn EBG nên sóng bề mặt bị triệt tiêu Do đó, sự tương hỗ lẫn nhau giảm đi rất nhiều: chỉ -25,03 dB ở tần số cộng hưởng Khi kích thước của mặt patch EBG được tăng lên 4 mm, khoảng cách dải chắn tần số của nó tiếp tục giảm và thấp hơn tần số cộng hưởng Do đó, tương hỗ thông thường không được cải thiện và vẫn là −16,27 dB.
Hình 2 8: Hình ảnh của 4 loại cấu trúc anten vi dải: (1) Anten vi dải bình thường, (2) chất nền ở giữa anten được loại bỏ, (3) Anten vi dải với khoang phía sau, (4) Anten vi dải với cấu trúc EBG
Cấu trúc EBG được so sánh với các cấu trúc khác cũng được sử dụng để giảm tương hỗ lẫn nhau Hình 2.8 vẽ bốn cấu trúc anten được so sánh:
(1) Anten vỉ dải thông thường.
(2) Anten vỉ dải loại bỏ chất nền.
(3) Anten vỉ dải khoang phía sau.
(4) Anten vỉ dải với cấu trúc EBG ở giữa.
Trong so sánh này, kích thước anten, tính chất chất nền và khoảng cách anten được giữ nguyên Trong cấu trúc (2), chất nền có chiều rộng 13,5 mm được loại bỏ giữa các anten Chiều rộng này được chọn tương đương với tổng chiều rộng của bốn hàng EBG Khi cấu trúc khoang được sử dụng, khoảng cách giữa các bức tường PEC liền kề cũng được chọn là 13,5 mm.
Hình 2.9 hiển thị kết quả tương hỗ lẫn nhau của bốn cấu trúc khác nhau này.Các anten vi dải bình thường cho thấy sự ghép đôi lẫn nhau cao nhất Các trường hợp loại bỏ chất nền và trường hợp khoang phía sau có một số cải tiến về giảm tương hỗ lẫn nhau Giảm 1,5 tương hỗ lẫn nhau được chú ý cho trường hợp trước và giảm 2 dB cho trường hợp sau Tương hỗ lẫn nhau thấp nhất thu được trong trường hợp EBG khi đạt được mức giảm 8,8 dB So sánh này cho thấy khả năng độc đáo của cấu trúc EBG để giảm tương hỗ lẫn nhau.
Sử dụng cấu trúc phần tử ký sinh để cải thiện độ cách ly cho
Một kỹ thuật khác để cải thiện độ cách lý cho anten MIMO đơn giản, dễ dàng tích hơp trên anten là sử dụng phần tử ký sinh để loại bỏ một phần (hoặc hầu hết) trường cảm ứng khu gần giữa chúng Phần tử ký sinh sẽ tạo ra trường tương hỗ ngược để triệt trường tương hỗ gốc ban đầu, vì vậy sẽ giúp giảm tương hỗ tổng thể trên anten MIMO Dưới đây là nguyên lý hoạt động của một cấu trúc phần tử ký sinh.
Hình 2.12: Tương hỗ giữa hai anten lưỡng cực đặt khi có và không có phần tử ký sinh
Trong Hình 2.12, hai anten lưỡng cực được đặt rất gần nhau Để giảm ảnh hưởng tương hỗ một phần tử ký sinh được sử dụng tạo ra trường ngược với trường bức xạ ban đầu
Hình 2.13:Mô hình anten MIMO hai khe bức xạ với phần tử đơn cực ký sinh
Một số công trình nghiên cứu sử dụng phần tử ký sinh để giảm thiểu tương hỗ trên anten MIMO ở một băng tần và băng tần kép Ở nghiên cứu [16], anten MIMO gồm hai anten khe được đặt đối xứng nhau, tiếp điện một cách độc lập bằng đường vi dải 50 Phần tử ký sinh được đưa vào nhằm cải thiện độ cách ly trong anten MIMO được mô tả như trong Hình 2.13 Từ kết quả mô phỏng ở Hình 2.15 nhận thấy phần tử ký sinh đã giảm được gần 15 dB so với trường hợp không sử dụng phần tử ký sinh tại băng tần hoạt động của anten Kết quả mô phỏng phân bố dòng ở Hình 2.14 cho thấy, khi anten 1 được tiếp điện, dòng tương hỗ ảnh hưởng từ anten 1 lên anten 2 rất lớn khi không có phần tử ký sinh Tuy nhiên, dòng tương hỗ này giảm đi đáng kể khi sử dụng phần tử ký sinh.
Hình 2.14: Phân bố dòng điện trên anten MIMO khi không có và có phần tử ký sinh
Hình 2.15: Kết quả mô phỏng tham số S khi không có và có phần tử đơn cực ký sinh
Kết luận chương 2
Trong chương này đã trình bày một số giải pháp giúp làm giảm tương hỗ trong anten MIMO đưa ra các đặc điểm và phân tích một số công trình nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật này và đặc biệt là sử dụng cấu trúc phần tử ký sinh để giúp giảm tương hỗ trong anten MIMO đồng thời có thể nhận thấy những ưu điểm của cấu trúc phần tử ký sinh là cấu trúc đơn giản, dễ dàng tích hợp trên anten MIMO, từ đó đề an đưa ra mẫu đề xuất cấu trúc phần tử ký sinh đối xứng giúp giảm thiếu tương hỗ cho anten MIMO ba băng tần ở chương 3.
ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC PHẦN TỬ KÝ SINH ỨNG DỤNG
Lựa chọn công nghệ và dải tần hoạt động của anten
Công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ 5 (5G) đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Công nghệ 5G được hứa hẹn mang tới một tốc độ truyền tải vượt trội so với công nghệ trước đó. Một trong các kỹ thuật được nhắc đến nhiều nhất trong 5G đó là kỹ thuật đa anten thu đa anten phát MIMO ở cả trạm gốc lẫn trong thiết bị đầu cuối.
Hiện nay 5G đã và đang được triển khai ở nhiều nước trên thế giới Ngay cả Việt Nam các nhà mạng lớn như Viettel, VNPT, MobiFone cũng đang triển khai 5G Theo WRC-19, một số băng tần cho truyền thông 5G tiêu biểu cho dải tần dưới 10GHz bao gồm: 3300-3400KHz, 3400-3800KHz, 4400- 5000KHz Với việc sử dụng băng tần thấp kích sẽ gặp một khó khăn là kích thước của các phần tử kí sinh sẽ tương đối là lớn Do vậy phần tư kí sinh cho 5G cần phải có kích thước nhỏ gọn để đáp dụng vào thiết bị đầu cuối, đồng thời cải thiện các đặc tính cho anten Chính vì thế, đề tài đã lựa chọn hai dải băng tần 3400-3800KHz, 4400- 5000KHz của 5G băng tần thấp dưới 10 GHz cho nghiên cứu của mình.
Ngoài ra công nghê IoT vẫn luôn là một trong những chủ đề mà các nhà khoa học quan tâm Để có thể đáp ứng được các chủng loại thiết bị đa dạng của toàn bộ hệ thống IoT thì có rất nhiều chuẩn công nghệ để sử dụng như: Bluetooth công suất thấp, EPC global, Z-wave, Zigbee, LTE-A, WiFi HaLow Tuy nhiên, việc tích hợp tất cả các công nghệ truyền dẫn trên một thiết bị đầu cuối để chúng có thể giao tiếp được với nhau không hề đơn giản Từ dải tần hoạt động của các công nghệ đã tìm hiểu có thể nhận thấy, ở thời điểm hiện tại các công nghệ kết nối triển vọng cho IoT chủ yếu hoạt động tại các băng tần 900-930MHz, 2.4/2.6GHz, 3.3GHz và 5GHz.Chính vì vậy đề tài quyết định lựa chọn đây là ba băng tần chính được sử dụng choIoT Với việc lựa chọn ba băng tần nêu trên thì hệ thống IoT có thể cung cấp các kết nối cho các thiết bị của mình bằng công nghệ BLE, RFID, ZigBee, Z-wave, LTE-A,IEEE 802.11n/ac.
Tổng quan về dãy số FIBONACCI
Dãy số Fibonacci được lấy theo tên của một nhà toán học tài ba thời trung cổ người Ý có tên Leonardo Fibonacci (Hình 3.1a) Dãy số này được công bố vào năm
1202 trong cuốn sách Liber Abacci (Hình 3.1b), được tìm ra qua hai bài toán kinh điển là: bài toán con thỏ và bài toán con ong đực.
Hình 3.1: (a) Chân dung nhà toán học Leonardo Fibonacci, (b) cuốc sách Liber
3.2.1 Cấu trúc toán học và cấu trúc Fibonacci trong tự nhiên
Dãy Fibonacci là dãy vô hạn các số tự nhiên bắt đầu bằng hai phần tử 0 và 1, các phần tử sau đó được thiết lập theo quy tắc mỗi phần tử luôn bằng tổng hai phần tử trước nó Công thức truy hồi của dãy Fibonacci (3.1) là:
(3.1) Điều đáng nói ở đây là dãy số Fibonacci xảy ra rất thường xuyên trong tự nhiên Cùng với sự xuất hiện của tỉ lệ vàng, nó như là một quy luật tuyệt vời của tạo hóa.
Mối quan hệ với “tỷ lệ vàng”
Tỷ lệ vàng, được biểu diễn bằng cái tên Phi (có biểu tượng là Φ, φ) đến từ một) đến từ một thành công trong ngành số học, biểu diễn mối quan hệ của hai yếu tố có trên một đoạn thẳng Phi có một cấu trúc hình học được biểu thị như hình 3.2 dưới đây:
Trong toán học và nghệ thuật, hai số được coi có tỉ lệ vàng nếu “tỉ số giữa tổng 2 số đó với số lớn bằng tỉ số giữa số lớn với số nhỏ.” Áp dụng công thức này lên biểu diễn hình học của hình ảnh trên, khi lấy tổng chiều dài đoạn thẳng (a+b) chia cho đoạn dài hơn (a) và cũng ra được cùng kết quả khi lấy đoạn dài hơn (a) chia cho đoạn ngắn hơn (b) Tổng kết lại, có công thức(3.2).
Phi (Φ) = (a+b)/a = a/b (3.2) Kết quả của đẳng thức này là 1,6180339887 , cùng giá trị với tỷ lệ vàng được định nghĩa bởi nhà toán học Euclid, đó là “một con số vô tận và không lặp lại”.
Còn trong dãy Finonacci, tỉ lệ giữa 2 số liên tiếp nhau gần bằng con số này Ví dụ: 3/2=1,5; 5/3= 1,66; 8/5= 1,6; 13/8= 1,625… Khi các số trong dãy Finonacci càng lớn thì càng gần tỉ lệ vàng
Đặc tính cơ bản cấu trúc hình học Fibonacci
Các đặc tính của số Phi đã mang đến rất là nhiều điều ngạc nhiên, và việc phát hiện ra nó dưới dạng tỷ lệ vàng (Hình 3.3) đã đưa ra một lối đi trong việc phân tích những hình thái, những vật thể, những biểu thị hình học và thậm chí là những chuyển động trong tự nhiên vẫn diễn ra trong thế giới
Hình 3.3: Đường cong xoắn ốc biểu diễn tỷ lệ vàng cũng như dãy số Fibonacci
Trong tự nhiên có nhiều điều trùng hợp với dãy số Fibonacci hay tỉ lệ vàng, đó như là điều kì diệu của tạo hóa mang lại Để đơn giản hơn, hãy bắt đầu từ chính con người chúng ta Có rất nhiều bộ phận trong cơ thể người có cấu trúc Fibonacci Ví dụ mà có thể dễ dàng nhìn thấy đó chính là khuôn mặt của mỗi người (Hình 3.4a) cho thấy việc tuân theo tỷ lệ vàng đến kì diệu Chi tiết hơn mà có thể nhìn bằng mắt thường chính là tai người (Hình 3.4b)
Hình 3.4: (a) Khuôn mặt tuân theo tỷ lệ vàng, (b) Tai người có cấu trúc hình xoắn ốc
Ngay cả khi xét trong một không gian rộng lớn đó chính là dải ngân hà gồm rất nhiều các hệ mặt trời được sắp xếp theo bố cục Fibonacci đầy tài tình (Hình 3.5).
3.2.2 Ứng dụng dãy số Fibonacci trong đời sống
Rất nhiều ứng dụng của dãy số Fibonacci có thể được tìm thấy trong kinh tế như: Dự đoán khả năng biến động giá trên thị trường, tìm ra các mục tiêu giá có độ chính xác cao cũng như để xác nhận độ tin cậy trong thị trường tài chính.
Mặt khác, cấu trúc Fibonacci – “tỷ lệ vàng” được ứng dụng trong thiết kế kiến trúc nội thất và kiểu dáng mỹ thuật Có thể kể đến những sản phẩm đồ nội thất của
Le Corbusier - một trong những kiến trúc sư nổi tiếng, đã đưa tỉ lệ vàng vào thiết kế của mình Năm 1929, Le Corbusier đã thiết kế chiếc ghế Chaise Longue (Hình 3.6) dựa vào tỉ lệ vàng trong đó tỉ lệ của khung ghế liên quan đến sự phân chia hài hòa của một hình chữ nhật vàng trong đó chiều rộng của hình chữ nhật trở thành đường kính của vòng cung đó là khung của chiếc ghế
Hình 3.6: Tỉ lệ vàng trong thiết kế tủ, ghế Chaise Longue
Một ứng dụng của cấu trúc Fibonacci được sử dụng là anten Fibonacci [17](Hình 3.7 và 3.8) sử dụng cho các thiết bị viễn thông Kích thước và khả năng tiếp cận nhỏ của anten sử dụng trong cấu trúc này phù hợp để ứng dụng cho: anten trong điện thoại di động hay anten trong xe hơi, hoặc trong bất kì thiết bị đầu cuối nào yêu cầu một anten có kích thước nhỏ để cung cấp dịch vụ viễn thông.
Bên cạnh đó còn rất nhiều ứng dụng khác nhau của cấu trúc Fibonacci mà chúng ta còn chưa biết đến Tính chất “ma thuật” của nó là một lợi thế, tuy nhiên đối với lĩnh vực thiết kế anten yêu cầu cấu trúc được tạo ra trong một không gian hạn chế cùng với đó là sự phức tạp của hệ thống bên trong trở thành một thách thức lớn cần được các nhà thiết kế nghiên cứu và giải quyết.
Anten FIBONACCI – PIFA
3.3.1 Thiết kế anten Ở đây cấu trúc Fibonacci được sử dụng lấy n=1 đến 4 Các số Fibonacci này là bán kính của các cung tròn một phần tư tạo thành xoắn ốc Fibonacci từ đó ta xoay một góc 45 o tạo thành tám vòng xoắn ốc Fibonacci bậc 4 được thể hiện qua tiến trình thiết kết cấu trúc Fibonacci được thể hiện qua Hình 3.9.
Hình 3.9: Tiến trình tạo cấu trúc Fibonacci
Hình 3.10 cho thấy quy trình hình thành mặt patch của anten đề xuất bằng việc sử dụng cấu trúc Fibonacci được xây dựng ở trên Sau đó lần lượt tám vòng xoắn ốc Fibonacci bậc 4 được xây dựng ở trên được chẻ trên mặt patch hình tròn của anten đề xuất tạo thành anten Fibonacci Tại trung tâm của patch tròn, một shorting pin được thêm vào như đã thấy trong hình 3.11 Thiết kế kết hợp cấu trúc hình học Fibonacci với shorting pin được tối ưu hóa bởi phần mềm CST và được minh họa trong hình 3.12 với kích thước chi tiết của anten được đề xuất trình bày trong bảng 3.1
Hình 3.10: Tiến trình tạo mặt patch của anten FI-PIFA
Hình 3.11: Shorting pin trên anten đề xuất
(mm) Tham số Giá trị
(mm) Tham số Giá trị
Bảng 3.1: Tham số kích thước của anten FIBONACCI – PIFA
Với việc sử dụng chất nền FR4 có chiều cao là 1.6mm với hằng số điện môi là 4.4 và loss tangent là 0.02, tổng kích thước anten đề xuất là 34,8 x 29,6x1,6 mm 3 tương đương với giảm 73% kích thước lý thuyết và nhỏ hơn các nghiên cứu trước đây.
3.3.2 Phân tích kết quả mô phỏng
Anten Fibonacci kết hợp với shorting pin đề xuất được mô phỏng bằng phần mềm CST Tham số S với các bước khi thiết kế anten được hiển thị trong Hình 3.13 Từ hình 3.13(a) và (b), có thể thấy rõ việc khắc thêm các đường cong Fibonacci với 8 khe chẻ Fibonacci cùng với kéo dài shorting pin cấu trúc PIFA, anten không chỉ có đa băng mà còn giảm tần số cộng hưởng từ 8.02GHz xuống còn 2.265 GHz như trong Hình 3.13(b) Do đó, kích thước anten đề xuất giảm 73% kích thước so với lý thuyết trong khi đảm bảo chiều cao của anten là 1,6 mm Ngoài ra, từ hình 3.13(b), dễ dàng nhận thấy anten FIBONACCI – PIFA có thể hoạt động được tại 3 dải tần: 2,4GHz, 3,5GHz, 5GHz
Hình 3.13: Đồ thị tham số S
Mẫu của anten đề xuất được chế tạo và trình bày trong Hình 3.14, kết quả đo hệ số phản xạ của anten S11 được so sánh với mô phỏng như được thấy trong Hình 3.15 Chế tạo trên nền FR4 với độ cao 1,6mm, hệ số điện môi 4.4 và loss tangent là 0.02, anten với khe Fibonacci có tổng kích thước là 29,8 x 38,4 x 1,6 mm 3 với kích thước patch tròn xấp xỉ 232 mm 2
Có thể thấy rằng kết quả đo phù hợp với kết quả mô phỏng, anten có 3 tần số cộng hưởng là 2,3GHz, 3,4GHz và 4,6GHz với độ rộng băng thông là 264 MHz (11.47%), 500MHz (14.7%) và 825MHz (17.9%) cùng với hệ số phản xạ là -28dB, -29dB và -15db Độ rộng băng trong công nghệ truyền thông IoT khá lớn như 2,4GHz, 3,5GHz và 5GHz nên anten được đề xuất có thể ứng dụng cho 5G IoT.
Hình 3.15: S11 Mô phỏng và đo kiểm
Đề xuất cấu trúc phần tử ký sinh ứng dụng cho giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO FIBONACCI – PIFA
3.4.1 Anten MIMO FIBONACCI sử dụng cấu trúc phần tử ký sinh
Cấu trúc Fibonacci kết hợp “shorting pin” đã cải thiện rất nhiều băng thông, hiệu suất bức xạ và giảm nhỏ đáng kể kích thước của anten vi dải Với những kết quả tích cực đã đạt được, đề tài đã tiếp tục nghiên cứu và phát triển mẫu anten đơn này thành anten MIMO để nâng cao hiệu quả sử dụng của anten và tăng khả năng ứng dụng vào thực tiễn Khi tiến hành thiết kế anten MIMO 1x2 được đưa ra như hình 3.16.
(a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất
Hình 3.16: Anten MIMO đề xuất
Hình 3.17: Cấu trúc ký sinh đối xứng được đề xuất
Hiện nay có rất nhiều các nghiên cứu trong việc giảm tương hỗ trên anten MIMO [1]-[15] Các thí nghiệm với thiết kế ô đơn vị của cấu trúc ký sinh sử dụng hình vuông cơ bản cho thấy sự giảm tương hỗ giữa các anten chỉ cho một dải hẹp trong anten MIMO Để cải thiện điều này, cấu trúc ô đơn vị được đề xuất bao gồm một hình chữ thập và bốn hình vuông với các khe có độ dài thay đổi dần giúp cấu trúc đề xuất tạo ra các L Và C khác nhau Từ đó cấu trúc đơn vị đề xuất có thể giảm tương hỗ trên nhiều băng tần được minh họa trong Hình 3.17.
Cấu trúc anten MIMO FI-PIFA: Bao gồm hai phần tử anten đơn FI-PIFA với khoảng cách giữa hai phần tử anten đơn tính từ đường tiếp điện đến đường tiếp điện là 36.1 mm (0,288) Hoặc tính từ mép anten đơn này đến anten đơn kia là 9 mm (0,072) Để giảm tương hỗ giữa các phần tử của anten MIMO cho cả ba băng tần, mảng 1x2 của cấu trúc kí sinh được đề xuất đặt ở giữa 2 anten thể hiện như trong hình 3.18.
(a) Mặt bức xạ (b) Mặt phẳng đất
Hình 3.18: Thiết kế anten MIMO sử dụng cấu trúc ký sinh đối xứng
Bảng 3.2 Trình bày kích thước chi tiết anten MIMO Có thể thấy anten MIMO có kích thước nhỏ gọn 4,8 68,2 1,6mm 3
Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) a 68,2 e 0,75 b 34,8 f 8 c 36,1 g 0,25 đ 9 h 2,88
Bảng 3.2: Chi tiết Giá trị kích thước của Anten MIMO
3.4.2 Phân tích kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng của S11 và S12 tham số của anten MIMO ba băng tần không có cấu trúc ký sinh đối xứng được thể hiện trong Hình 3.19 với khoảng cách của patch bức xạ là 9 mm Có thể quan sát thấy rằng do khoảng cách gần giữa các phần tử của anten MIMO, S12 của tất cả các dải băng tần hoạt động đều cao hơn nhiều - 20 dB
Hình 3.19: Giá trị của tham số S11 và S12 không có cấu trúc ký sinh đối xứng
Ngoài ra, do ảnh hưởng của tương hỗ lẫn nhau, có sự biến dạng đồ thị 2D của anten MIMO, hình dạng của chúng được thể hiện trong Hình 3.20.
(c) Tại 5 GHzHình 3.20: Đồ thị 2D anten MIMO không có cấu trúc ký sinh đối xứng
Với việc sử dụng đề xuất cấu trúc ký sinh đối xứng đã đề cập ở trên, khả năng cách ly của anten MIMO được cải thiện rõ rệt, đặc biệt ở băng tần hoạt động đầu tiên Mặt khác, cấu trúc này đơn giản và nhỏ gọn nên có thể dễ dàng đặt ở các vị trí khác trong anten MIMO để thí nghiệm Nó cũng có thể được áp dụng trong các thiết kế anten MIMO khác Các tham số S của anten MIMO được đề xuất sử dụng cấu trúc ký sinh đối xứng được thể hiện trong Hình 3.21 Khoảng cách giữa các phần tử bức xạ vẫn được giữ ở mức 9 mm Có thể thấy rằng việc cách ly anten MIMO sử dụng cấu trúc ký sinh đối xứng chặn ở cả ba hoạt động băng tần, đặc biệt là tại 2,4 GHz S21 bị giảm tới 60dB Tương tự, ở tần số 3,5 GHz là 13,8 dB và ở tần số 5 GHz là 5,7 dB.
Hình 3.21: Giá trị S11 và S12 của anten MIMO có và không cấu trúc ký sinh đối xứng
Mẫu anten MIMO đề xuất được chế tạo bằng đế FR4 có độ dày 1,6mm và được thể hiện trong Hình 3.22 Có thể thấy rằng anten MIMO đề xuất đạt được kích thước nhỏ gọn là 34,8 x 68,2 x 1,6 mm 3 Kích thước của miếng patch hình tròn rất nhỏ với diện tích xấp xỉ 232 mm 2
Hình 3.22: Anten MIMO chế tạo
So sánh kết quả đo và mô phỏng hệ số phản xạ của anten MIMO được vẽ bằng phần mềm Matlab như trong Hình 3.23 Anten MIMO có tần số cộng hưởng khoảng 2,4 GHz, 3,5 GHz và 4,8 GHz với độ rộng băng tần lớn Chúng chiếm hơn 10% ở băng tần 2,4 GHz , 9 % ở băng tần 3,5 GHz và 14 % ở băng tần 5 GHz Các kết quả đo và mô phỏng tương đối là giống nhau Ngoài ra, từ Hình 3.23, tham số S12 ở cả ba dải đều dưới -20 dB đã kiếm chứng cấu trúc ký sinh đối xứng được đề xuất Do đó, cấu trúc được đề xuất có thể cải thiện khả năng cách ly đối với anten MIMO ba băng tần
Hình 3.23: So sánh các tham số S đo và mô phỏng của anten MIMO
Kết quả thử nghiệm dựa trên hệ thống 802.11
Hai tham số hiệu suất khác của anten đề xuất là SNR (Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) và RSSI (Cường độ tín hiệu thu) được thể hiện bằng bộ thu Wi-Fi được mô phỏng như trong Hình 3.24 Những tham số này mà anten đề xuất nhận được sẽ được so sánh với kết quả của anten lưỡng cực khuếch đại 2dB thường được sử dụng cho ứng dụng Wi-Fi Thử nghiệm được thực hiện ngoài trời, không có vật cản ở hai điều kiện thời tiết là nắng và mưa nhỏ Khoảng cách thu tín hiệu từ 0 đến 100m (70m khi trời mưa) với các điểm đo cách nhau 10m.
Hình 3.24: Thiết lập thử nghiệm anten được đề xuất
Như thể hiện trong Hình 3.25, với thời tiết nắng và khô , anten MIMO được đề xuất có cường độ tín hiệu tốt nhất ở cả hai dải ở khoảng cách gần (từ 0 đến 30m) và anten đơn có cường độ tín hiệu thu tốt hơn ở khoảng cách xa.
Kết quả của SNR trong hai băng tần này được trình bày trong Hình 3.26 Trên băng tần 2,4GHz, kết quả của anten MIMO giống với kết quả của anten lưỡng cực trong khi anten Fibonacci đơn có kết quả tốt hơn Kết quả SNR ở băng tần 5GHz cũng giống như kết quả RSSI Bên cạnh đó, anten MIMO được đề xuất hoạt động tốt ở khoảng cách gần và anten đơn được đề xuất hoạt động tốt nhất ở khoảng cách xa Như vậy, trong điều kiện thời tiết nắng và khô , hai anten đề xuất cho kết quả khá giống nhau và tốt hơn ở một số khoảng cách khi so sánh với anten Dipole
(b) Tại 5GHz Hình 3.25: RSSI khi trời nắng và khô
(b) Tại 5GHz Hình 3.26: SNR khi thời tiết nắng và khô
Trong điều kiện trời mưa, kết quả của các tham số RSSI và SNR được thể hiện trong Hình 3.27 và Hình 3.28 Có thể thấy ở cả hai băng tần, anten Dipole đều có cường độ tín hiệu tốt hơn so với hai anten đề xuất tại khoảng cách gần nhưng kém hơn ở khoảng cách xa.
(b) Tại 5GHz Hình 3.27: RSSI khi trời mưa Ở băng tần 2,4GHz, anten lưỡng cực có kết quả SNR tốt nhất ở khoảng cách gần, anten Fibonacci đơn đạt SNR tốt nhất ở khoảng cách xa và anten MIMO Fibonacci có kết quả kém nhất.
Hình 3.28: SNR khi trời mưa
Kết luận chương 3
Nội dung chương đã trình bày tổng quan về truyền công nghệ và lựa chọn băng tần hoạt động cho anten đề xuất, tổng quan về dãy số Fibonacci và ứng dụng trong thiết kế anten Từ đó đã đề xuất một anten MIMO ba băng tần nhỏ gọn với tám vòng xoắn ốc Fibonacci được chẻ trên mặt patch hình tròn của anten tạo thành anten Fibonacci Tại trung tâm của patch tròn, một shorting pin kéo dài kết hợp với cấu trúc ký sinh đối xứng tạo nên cấu trúc anten MIMO đề xuất Cấu trúc anten MIMO tổng thể đạt kích thước nhỏ gọn 34,8 x 68,2x1,6 mm 3 Ba dải băng tần anten MIMO hoạt động đều đạt được băng thông rộng lần lượt là 277,5 MHz ở 2,4 GHz, 315 MHz ở 3,5 GHz và 675 MHz ở 5 GHz
Do đó, thiết kế anten này phù hợp cho truyền thông không dây của các ứng dụng 5G và Wi-Fi 6 Hơn nữa , bằng cách sử dụng cấu trúc ký sinh đối xứng, anten đạt được cả hiệu suất bức xạ cực cao và mức tăng cao Mặt khác , mặc dù khoảng cách hẹp 0,072λ ở tần số cộng hưởng 2,4 GHz giữa hai phần tử bức xạ, độ cách ly vẫn giữ ở mức dưới -20 dB cho cả ba dải Sự đồng nhất giữa mô phỏng và kết quả đo được đã chứng minh cho thiết kế
Nội dung đề tài “Nghiên cứu giải pháp giảm thiểu tác động tương hỗ sử dụng phần tử ký sinh trên anten MIMO đa băng” đã đạt được những kết quả sau:
Tổng quan về anten vi dải và hệ thống anten MIMO: đưa ra khái niệm, cấu tạo, các đặc tính đặc trưng, các tham số cơ bản của anten vi dải và anten MIMO.
Nghiên cứu các giải pháp giảm ảnh thiểu hưởng tương hỗ giữa các phần tử trong anten MIMO: đưa ra các kỹ thuật sử dụng phổ biến như là mạng cách ly, cấu trúc mặt đất khuyết DGS, cấu trúc EBG Đặt biệt Phương pháp sử dụng cấu trúc phần tử ký sinh nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước do đơn giản để tích hợp vào mạch điện tử của thiết bị đầu cuối đồng thời giúp giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO.
Đề xuất cấu trúc phần tử ký sinh ứng dụng cho giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ trong anten Fibonacci ba băng tần: Đã đưa ra cái nhìn tổng quát về công nghệ và băng tần sử dụng cho truyền thông 5G và IoT Anten thiết kế sử dụng cấu trúc hình hoc Fibonacci kết hợp với shorting pin cải tiến trong anten PIFA đã tạo ra một anten đa băng tần cộng hưởng Anten có kích thước nhỏ gọn 37,2 x 30,4 x 1,6 mm 3 giảm đến 73% về kích thước so với anten truyền thống Đồng thời đề xuất một cấu trúc phần tử kí sinh đối xứng để giảm tương hỗ trên anten MIMO. Khi cấu trúc đề xuất giảm tương hỗ đồng thời trên cả 3 băng tần hoạt động của anten Đặc biệt tại tần số cộng hưởng của băng thứ nhất 2,4 GHz đã giảm tới 60 dB.
Kết quả nghiên cứu của đề tài là một phần trong công bố:
Nguyen Van Tan, Duong Thi Thanh Tu, Nguyen Viet Hung, Hoang Minh Duc,
“Achieving a High Isolation for the Triple-band MIMO Antenna in 5G/ Wi-Fi 6Applications using Symmetric Parasitic Structure”, Advances in Science,Technology and Engineering Systems Journal Vol 8, No 2, 139-147 (2023-ASTESJ-ISI/Q3)
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A.M Saleh, K.H Sayidmarie, R.A Abd-Alhameed, SMR Jones, J.M. Noras, P.S Excell, “Compact Tri-Band MIMO Antenna with High Port Isolation for WLAN and WiMAX Applycations”, 2016 Loughborough Antennas & Propagation Conference (LAPC), pp.1-4, November 2016.
[2] Balanis C.A, “Antenna Theory: Analysis and Design,” Edition 3rd, Wiley, 2005.
[3] Batchingis Bayarzaya, Niamat Hussain, Wahaj Abbas Awan, Md Abu Sufian, Anees Abbas, Domin Choi, Jaemin Lee, and Nam Kim, "A Compact MIMO Antenna with Improved Isolation for ISM, Sub-6 GHz, and WLAN Application", Micromachines, 2022, 13, 1355, doi: 10.3390/mi13081355.
[4] Bazil Taha Ahmed, Darío Castro Carreras, Eduardo Garcia Marin,
"Design and Implementation of Super Wide Band Triple Band-Notched MIMO Antennas", Wireless Personal Communications, 2021, 121:2757–2778, doi: 10.1007/s11277-021-08847-9
[5] Chetna Sharma, Dinesh Kumar Vishwakarma, “Miniaturization of Spiral Antenna Based on Fibonacci Sequence Using Modified Koch Curve”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Volume 16 (2017).
[6] E A Andrade-González , J A Tirado-Méndez , H Jardón-Aguilar , M. Reyes-Ayala , A Rangel-Merino & Michael Pascoe-Chalke, "UWB four ports MIMO antenna based on inscribed Fibonacci circles", Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 2021, DOI:10.1080/09205071.2021.1873196.
[7] Jing Luo, Peihua Wang, Xiaochen Chen, "Design of Compact Tri-BandMIMO Antenna Using Decoupling Structures for 5G Mobile Terminals," 2021Cross Strait Radio Science and Wireless Technology Conference (CSRSWTC),pp.43-45, 2021
[8] Leonardo Lyzzi, Fabien Ferrero, Christophe Danchesi, Stephane Boudaud, "Design of Antennas Enablyng Miniature and Energy Efficient Wireless IoT Devices for Smart Cities", 2016 IEEE International Smart Cities Conference (ISC2), p1-5, 2016.
[9] M M H Mahfuz et al.: "Wearable Textile Patch Antenna: Challenges and Future Directions", IEEE Access, 2022, vol.10, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3161564.
[10] Muhammad Usman et al , "Highly Isolated Compact Tri-Band MIMO Antenna with Trapezoidal Defected Ground Plane for 5G Communication Devices.", 2020 International Conference on UK-China Emerging Technologies (UCET), 2020.
[11] Omar Faruque, Md Saiful Islam, Md Sarwar Uddin Chowdhury, and A.K.M Abdur Rahman Chowdhury, "A Four-element Triple-band MIMO Antenna for 5G Smartphone Applications," 2nd International Conference on Sustainable Technologies for Industry 4.0 (STI),.2020.
[12] Preeti Sharma, Rakesh N Tiwari, Prabhakar Singh, Pradeep Kumar, and Binod K Kanaujia, "Review MIMO Antennas: Design Approaches, Techniques and Applications", Sensors, 2 (20), 7813, October 2022, doi:10.3390/s22207813.
[13] R Liu et al.: "Neutralization Line Decoupling Tri-Band MIMO Antenna Design", IEEE Access, 2020, Vol.8, pp.27018 - 27026, doi: 10.1109/ACCESS.2020.2971038
[14] Srinivasa Rao Pasumarthi, Jagadeesh Babu Kamili, Mallikarjuna Prasad Avala, "Design of Tri-Band MIMO Antenna with Improved Isolation using DGS and Vias", Wireless Personal Communications, 2019, doi: 10.1007/s11277-019- 06799-9
[15] Xia Cao, Yingqing Xia, Ling Wu, and Xiaolin Wu, "Tri-band MIMO antenna design based on characteristic modes manipulation”, International Journal
