Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt

Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt Nghiên cứu các giải pháp nâng cao đặc tính anten băng thông siêu rộng trong điều kiện đặc biệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOBỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOBỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ ANTEN BĂNG THÔNGSIÊU RỘNG ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC

LỜI CAM ĐOAN

Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình, cùngvới sự hỗ trợ từ các đồng nghiệp thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước, tênđề tài “Nghiên cứu, tiếp nhận và làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo hệ thống truyền tintrên băng thông siêu rộng, ứng dụng xây dựng hệ thống hỗ trợ chẩn đoán tình trạng kỹthuật động cơ” được chủ trì bởi Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa – BộCông thương phối hợp với Trường Đại học Bách Khoa Saint Peterburg - Cộng hòa Liênbang Nga Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quanvà chưa từng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào.

Nghiên cứu sinh xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đãđược cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2023Tác giả luận án

Đặng Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TSKH NguyễnHồng Vũ, TS Lâm Hồng Thạch, TS Nguyễn Thế Truyện, các thầy đã hướng dẫn trựctiếp về mặt khoa học đồng thời hỗ trợ nghiên cứu sinh về nhiều mặt để nghiên cứu sinhcó thể hoàn thành bản luận án này.

Năm 2014, Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa (VIELINA) và TrườngĐại học Bách khoa Saint Peterburg (SPbPU) đã có hợp tác để thực hiện các đề tài nghiêncứu khoa học và phát triển công nghệ, trong đó có đề tài về nghiên cứu làm chủ côngnghệ UWB ứng dụng thiết kế, chế tạo hệ thống chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ.Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn ban lãnh đạo VIELINA đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôiđược tham gia dự án và học tập, nghiên cứu làm luận án Đồng thời, tôi xin gửi lời cảmơn đồng nghiệp tại trung tâm Công nghệ thông tin và trung tâm Nghiên cứu và Phát triểnhệ thống thuộc Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học Tự động hóa và TS Nguyễn ViệtHưng, giảng viên Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã hỗ trợ tôi trong quá trìnhđo đạc mô hình chế tạo thực nghiệm.

Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến các thành viên trong gia đình.Sự động viên, giúp đỡ của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn đểhoàn thành luận án này.

1.1 Công nghệ UWB và hệ thống MIMO 1

1.2 IoT và xu hướng truyền tin không dây thế hệ mới 3

2 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 4

3 Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án 5

4 Cấu trúc nội dung của luận án 6

CHƯƠNG 1 ANTEN TRONG HỆ THỐNG UWB 8

1.1 Công nghệ UWB 8

1.1.1 Tổng quan công nghệ UWB 8

1.1.2 Mô hình truyền dẫn UWB 9

1.1.3 Ưu điểm của công nghệ UWB 11

1.1.4 Ứng dụng của công nghệ UWB 12

1.5 Các nghiên cứu khoa học về anten UWB 23

1.5.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới 23

1.5.2 Các kết quả nghiên cứu trong nước 26

1.6 Hướng nghiên cứu của luận án 28

1.7 Kết luận chương 1 29

CHƯƠNG 2 PHÁT TRIỂN ANTEN UWB ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀNTIN TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẶC BIỆT 31

2.1 Cơ sở thiết kế Anten cho hệ thống 31

2.1.1 Lựa chọn hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt 31

2.1.2 Yêu cầu kỹ thuật của anten thu và anten phát 33

2.2 Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten phát 36

2.2.1 Thiết kế anten 362.2.2 Tính toán, mô phỏng anten 38

2.2.3 Chế tạo và đo kiểm anten 41

2.3 Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten thu 43

2.3.1 Thiết kế anten 432.3.2 Tính toán, mô phỏng anten 46

2.3.3 Chế tạo và đo kiểm anten 49

2.4 Kết quả thử nghiệm hệ thống 53

2.4.1 Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 53

2.4.2 Thử nghiệm thực tế tại xí nghiệp đầu máy xe lửa Hà Nội 58

2.5 Kết luận chương 2 59

CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN ANTEN UWB MIMO SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS 61

3.1 Hệ thống truyền tin UWB MIMO trong điều kiện đặc biệt 61

3.2 Một số kỹ thuật giảm ảnh hưởng tương hỗ và tăng cường độ cách ly cho Anten UWB MIMO 61

3.2.1 Thay đổi vị trí và hướng đặt anten 62

3.2.2 Sử dụng mạng cách ly 62

3.2.3 Sử dụng cấu trúc siêu vật liệu 63

3.2.4 Sử dụng phần tử ký sinh 64

3.2.5 Sử dụng phương pháp mặt đế không hoàn hảo DGS 65

3.3 Đề xuất thiết kế cấu trúc DGS 67

3.3.1 Nguyên lý hoạt động của cấu trúc DGS 67

3.3.2 Thiết kế cấu trúc DGS 70

3.4 Đánh giá hiệu quả cách ly của cấu trúc DGS 72

3.4.1 Thiết kế anten sử dụng cấu trúc DGS 72

3.4.2 Mô phỏng anten và khảo sát cấu trúc DGS 73

3.4.3 Đánh giá hiệu quả cách ly của cấu trúc DGS dùng đường vi dải 76

3.4.4 Chế tạo và đo kiểm 773.5 Thiết kế anten UWB MIMO sử dụng cấu trúc DGS đề xuất 79

3.6 Kết luận chương 3 87

KẾT LUẬN 89

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

PHỤ LỤC I: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG KỸ THUẬTĐỘNG CƠ 102

1 Yêu cầu hệ thống 102

1.1 Các thông số giám sát và lựa chọn cảm biến 102

1.2 Các vị trí lắp đặt 1022 Mô hình hệ thống 104

PHỤ LỤC II: QUY TRÌNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, ĐO KIỂM ANTEN 106

1 Tổng quan quy trình thiết kế, mô phỏng và đo kiểm anten 106

2 Quy trình thiết kế anten 106

3 Quy trình chế tạo anten 107

4 Quy trình đo kiểm anten 109

4.1 Đo phối hợp trở kháng 110

4.2 Đo bức xạ trong buồng không phản xạ (Anechoic Chamber) 1114.3 Đo độ lợi G 112

4.4 Đo phân cực 112

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ANTEN Antenna Anten (Ăng-ten)

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

CRLH Composite Right-Left Handed Cấu trúc siêu vật liệu điện từ dạngphức hợpCPW Co-planar Waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng

CDF FunctionCumulative Distribution Đường cong hàm phân phối tích lũyDGS Defected Ground Stucture Mặt đế không hoàn hảo

DMN Dual-band Matching Network Mạng phối hợp trở kháng hai băng tầnEBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn điện từ

ECC Envelop Correlation Coefficient Hệ số tương quan đường baoEMF Electromagnetic Field Trường điện từ

EWB Extremely Wide-Band Băng thông cực kỳ rộng

FCC CommissionFederal Communications Ủy ban truyền thông Liên bang HoaKỳFSPL Free Space Path Loss Tổn thất đường truyền trong khônggian tự do

GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền

I-UWB Impulse-UWB Kỹ thuật truyền tin xung băng siêu rộngIoT Internet of Things Mạng lưới vạn vật kết nối Internet

ISI Intersymbol Interference Nhiễu liên ký tự

LH Left-handed material Vật liệu tuân theo quy tắc bàn taytrái (Siêu vật liệu)LTE Long-Term Evolution Tiến hóa dài hạn

MB-OFDM Frequency Division MultiplexingMulti-band Orthogonal Kỹ thuật truyền tin đa sóng mangMEG Medium Efficiency Gain Hệ số tăng ích hiệu dụng trung bìnhMIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra

MoM Method of Moment Phương pháp mô-menMMA Multimode Antenna Anten đa mốt

MMR Microstrip Multimode Resonator Bộ cộng hưởng đa-mode dạng vi dảiMPA Multiport Antenna Anten đa cổng

MPOA Multipolarized Antenna Anten đa phân cựcMTM Metamaterial Siêu vật liệu

OOK On-Off Keying Điều chế dạng khóa bật – tắt tín hiệuPDA Personal Digital Assistant Thiết bị truy nhập cá nhân

PIFA Planar Inverted-F Antenna Anten chữ F-ngược phẳngPSO Particle Swarm Optimization Tối ưu bầy đàn

RH Right-handed material Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tayphải (Vật liệu thông thường)RE Radiating Element Phần tử bức xạ

SISO Single Input Single Output Hệ thống một đầu vào một đầu raSMLR Slotted Meander Line Resonator Cấu trúc cộng hưởng dạng khe gấpkhúc

SNR Signal-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SPbPU UniversitySaint Peterburg Politechnical Đại học Bách khoa Saint PeterburgTE Transverse Electric Điện trường ngang

TLDN NetworkTransmission Line Decouping Mạng cách ly đường truyềnTL-MTM Transmission Line Metamaterial Đường truyền siêu vật liệu

TM Transverse Magnetic Từ trường ngang

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số sóng đứng điện áp

WiMAX Worldwide Interoperability forMicrowave Access Khả năng tương tác mạng diện rộngbằng sóng siêu cao tầnWLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng vô tuyến cá nhân

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tín hiệu băng thông siêu rộng sử dụng phương pháp truyền thông xung 10

Hình 1.2 Phổ tín hiệu UWB sử dụng phương pháp đa băng tần trong miền tần số 10

Hình 1.3 Phổ tín hiệu UWB sử dụng phương pháp đa băng tần trong miền thời gian 11

Hình 1.4 Tổn hao năng lượng trên kênh truyền không dây 16

Hình 1.5 Mô hình hệ thống SISO (a) và MIMO (b) 17

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt 32

Hình 2.2 Kích thước anten phát được thiết kế 39

Hình 2.3 Đồ thị bức xạ của anten phát UWB tại tần số 3,5GHz 40

Hình 2.4 Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten phát theo tần số trong mặt phẳng E (yOz) 40

Hình 2.5 Mô phỏng độ lợi của anten phát theo tần số 41

Hình 2.6 Mẫu chế tạo của anten phát UWB 42

Hình 2.7 Kết quả đo băng thông của anten UWB 42

Hình 2.8 Cấu trúc anten loa 43

Hình 2.9 Anten loa TEM cổ điển (a) và Anten loa “Tongue” TEM (b) 44

Hình 2.10 Tính toán đường cong phản xạ và phát xạ của anten TEM 45

Hình 2.11 Bảng kích thước tối ưu của các tham số đường cong 47

Hình 2.12 Tấm phản xạ của anten thu thiết kế 47

Hình 2.13 Mặt đế anten thu thiết kế 47

Hình 2.14 Tấm bức xạ của anten thu thiết kế 47

Hình 2.15 Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten thu thiết kế tại 4,5GHz 48

Hình 2.16 Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten thu theo tần số trong mặt phẳng E (Oxz) 48

Hình 2.17 Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten thu theo tần số trong mặt phẳng H (Oxy) 49

Hình 2.18 Mô hình mô phỏng a) và hình ảnh chế tạo thực tế b) 50

Hình 2.19 Kết quả mô phỏng và đo lường thực tế tham số 𝑆11 50

Hình 2.20 Độ rộng búp sóng 3dB theo tần số của anten thu trong mặt phẳng H 51

Hình 2.21 Độ rộng búp sóng 3dB theo tần số của anten thu trong mặt phẳng E 51

Hình 2.22 Độ lợi của anten thu 51

Hình 2.23 Mô hình thử nghiệm hệ thống UWB 53

Hình 2.24 Kiểm tra dữ liệu gói tin 55

Hình 2.25 Xung UWB phát đi 55

Hình 2.26 Xung UWB nhận được 56

Hình 2.27 Thời gian truyền gói tin vật lý của bộ phát 56

Hình 2.28 Chu kỳ truyền gói tin vật lý 57

Hình 2.29 Chu kỳ truyền gói tin 57

Hình 2.30 Vị trí lắp các bộ đo nhiệt độ trên đầu máy 59

Hình 2.31 Vị trí lắp các bộ đo áp suất trên đầu máy 59

Hình 3.1 Ảnh hưởng tương hỗ giữa hai phần tử lưỡng cực đặt gần nhau trong hai trường hợp không có (a) và có phần tử ký sinh (b) 64

Hình 3.2 Phân loại DGS 66

Hình 3.3 Các cấu trúc DGS đơn phổ biến 68

Hình 3.4 Cấu trúc DGS a) Hình dạng, b) Kết quả mô phỏng tham số tán xạ 68

Hình 3.5 Sơ đồ mạch tương đương LC a) Cấu trúc DGS, b) Bộ lọc thông thấp Butterworth 69

Hình 3.6 Cấu trúc EBG dạng nấm a) Thiết kế, b) Mạch tương đương 71

Hình 3.7 Cấu trúc DGS giảm tương hỗ a) Thiết kế, b) Mạch tương đương 71

Hình 3.8 Thiết kế mạch anten MIMO áp dụng cấu trúc DGS để giảm tương hỗ 73

Hình 3.9 Mô hình anten MIMO sử dụng cấu trúc DGS đề xuất 74

Hình 3.10 So sánh hiệu năng giữa thiết kế anten MIMO có và không có cấu trúc DGS đề xuất với𝑟𝑣𝑖𝑎 = 1,8𝑚𝑚 74

Hình 3.11 Ảnh hưởng của bán kính lỗ mạ xuyên lớp đến hệ số tương hỗ của anten MIMO tại tầnsố 9,5 GHz 75

Hình 3.12 Đường vi dải bổ sung để tăng hiệu năng cấu trúc DGS 76

Hình 3.13 Mẫu thử nghiệm mô hình anten MIMO kết hợp cấu trúc DGS 77

Hình 3.14 Kết quả đo mẫu anten MIMO 77

Hình 3.15 Dòng bề mặt trên mạch anten MIMO tại tần số 9,5GHz 78

Hình 3.16 Hệ số tương quan của mạch anten MIMO 79

Hình 3.17 Đồ thị bức xạ của anten MIMO tại tần số 9,5GHz 79

Hình 3.18 Hệ anten UWB MIMO kết hợp cấu trúc DGS 80

Hình 3.19 Tham số kích thước của anten UWB tam giác 80

Hình 3.20 Kết quả mô phỏng hệ anten UWB MIMO khi có và không có cấu trúc DGS 81

Hình 3.21 Dòng bề mặt trên mạch anten MIMO tại tần số 9,5 GHz 82

Hình 3.22 Đồ thị bức xạ của anten MIMO tại tần số 9,5GHz 82

Hình 3.23 Đồ thị độ lợi và hiệu suất bức xạ của anten MIMO 83

Hình 3.24 Đồ thị bức xạ của anten UWB MIMO không có DGS và có DGS (Cổng 1) 86

Hình 3.25 Đồ thị bức xạ của anten UWB MIMO sử dụng 2 DGS tại tần số 9,5 GHz 87

Hình 4.1 Vị trí lắp đặt các phần tử của hệ thống 103

Hình 4.2 Cấu trúc hệ thống hỗ trợ chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ 104

Hình 5.1 Quy trình công nghệ thiết kế, chế tạo anten 106

Hình 5.2 Chế tạo anten bằng phương pháp ăn mòn hóa học 108

Hình 5.3 Chế tạo anten bằng phương pháp phay CNC 109

Hình 5.4 Minh họa công đoạn đo phối hợp trở kháng 110Hình 5.5 Minh họa công đoạn đo Anten trong buồng Anechoic 111Hình 5.6 Đo độ lợi và phân cực anten trong buồng câm 112

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Yêu cầu kỹ thuật chung cho anten UWB 15

Bảng 1-2 So sánh đặc trưng của các cấu trúc anten UWB 23

Bảng 2-1 Yêu cầu kỹ thuật của bộ phát và bộ thu UWB 34

Bảng 2-2 Chi tiết các tham số của vật liệu Rogers TMM4 37

Bảng 2-3 So sánh kết quả với các nghiên cứu tương đương 52

Bảng 2-4 Tỷ lệ truyền thông thành công 58

Bảng 2-5 Kết quả đánh giá hoạt động của hệ thống 58

Bảng 3-1 Kích thước chi tiết của mạch anten MIMO 73

Bảng 3-2 So sánh kết quả DGS với các nghiên cứu tương đương 87

Bảng 4-1 Dải đo nhiệt độ trên đầu máy 102

Bảng 4-2 Dải đo áp suất trên đầu máy 102

Bảng 4-3 Các vị trí đo nhiệt độ trên đầu máy 102

Bảng 4-4 Các vị trí đo áp suất trên đầu máy 103

Bảng 4-5 Các nhóm thông số có vị trí gần nhau 103

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

Mở đầu

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

UWB là một công nghệ rất có tiềm năng trong lĩnh vực truyền thông không dâytầm ngắn, cung cấp khả năng truyền thông dữ liệu tốc độ cao Năm 2002, FFC đã quyđịnh việc sử dụng công nghệ UWB cho các ứng dụng thương mại tại Hoa Kỳ nằm trongdải tần số từ 3,1 đến 10,6 GHz [1] Công nghệ UWB sử dụng những tín hiệu xung có độrộng xung rất nhỏ để truyền đi các bit dữ liệu qua môi trường không dây mà không cầnthông qua quá trình điều chế cao tần như các hệ thống công nghệ RF thông thường Tínhiệu xung UWB có tần số xung từ vài GHz cho đến vài chục GHz Có hai kỹ thuật UWBchủ yếu được sử dụng: kỹ thuật MB-OFDM và kỹ thuật I-UWB [2] Kỹ thuật MB-OFDMsử dụng nhiều băng điều chế OFDM để truyền tốc độ cao, dải tần của UWB từ 3,1 GHzđến 10,6 GHz được chia thành các dải tần nhỏ hơn, mỗi dải tần nhỏ có băng thông lớnhơn 500MHz (theo quy định), kỹ thuật MB-OFDM được ứng dụng trong những truyềnthông tốc độ từ 53Mbps đến 480Mbps [3] Trong khi đó kỹ thuật I-UWB sử dụng cácxung cực ngắn <10ns do đó chiếm toàn bộ băng tần cho phép, kỹ thuật I-UWB có thểdùng cả trong tốc độ cao lên đến hàng Gbps hoặc tốc độ thấp [4] UWB có ưu điểm làkhả năng chống nhiễu tốt và không gây nhiễu cho các hệ thống khác, tiêu thụ rất ít nănglượng, kích thước bộ thu phát nhỏ gọn và truyền dữ liệu tốc độ cao, giao tiếp với độ trễthấp và có khả năng định vị chính xác nên có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực truyền tinkhông dây như: WBAN, WPAN, RFID, mạng cảm biến không dây, radar,

Hệ thống MIMO đã nổi lên như một bước đột phá, mang tính cách mạng cho cáchệ thống không dây Tất cả các hệ thống truyền tin không dây đều phải đối mặt với tháchthức đó chính là sự suy giảm tín hiệu gây ra bởi khí quyển, hiện tượng pha đinh và nhiễulàm thay đổi chất lượng cũng như tốc độ truyền dữ liệu trong mạng thông tin Hệ thốngMIMO khai thác đa kênh để cung cấp băng thông dữ liệu cao hơn, và đồng thời tăngphạm vi và độ tin cậy mà không tốn thêm tần số vô tuyến, điều này rất quan trọng vì dảitần số là một tài nguyên có giới hạn (khan hiếm) cần sử dụng hiệu quả Các nghiên cứuban đầu được thực hiện bởi Foschini và Gans [5] chỉ ra rằng có thể tăng tốc độ truyền tinbằng cách sử dụng các hệ thống MIMO Trong một môi trường nhiều tán xạ, Telatar chothấy rằng dung lượng của hệ thống bao gồm M anten truyền và N anten nhận là min(M,N) lần so với một

hệ thống thu phát đơn [6] Hệ thống MIMO khai thác sự đa dạng của các đặc tính anten(không gian, phân cực hoặc đa dạng mẫu) để tăng cường độ của tín hiệu truyền và do đócải thiện hệ số SNR Ghép kênh không gian hoặc các kỹ thuật xử lý tín hiệu tối ưu trongcác hệ thống MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu hoặc tăng cường độ tín hiệu Các ứng dụngcủa MIMO bao gồm truyền hình kỹ thuật số (DTV), mạng cục bộ không dây (WLAN),mạng khu vực đô thị (MAN) và thông tin di động Tiêu chuẩn IEEE về công nghệ MIMOlà 802.11n.

Có thể thấy rằng, trong khi UWB là một giải pháp nhằm giải quyết nhu cầu thôngtin liên lạc tốc độ cao thì việc sử dụng đồng thời công nghệ UWB và hệ thống MIMO vớinhau trong các hệ thống không dây đã giải quyết được rất nhiều bài toán phức tạp Trongmột ví dụ cụ thể, công nghệ UWB được áp dụng cho các hệ thống WPAN và WBANtrong các môi trường chịu ảnh hưởng của nhiễu đa đường và nhiễu liên ký tự Do đó đểkhắc phục vấn đề này, hệ thống MIMO có thể được sử dụng để khai thác môi trường tánxạ như vậy Điều quan trọng hơn là các ứng dụng của UWB bị giới hạn bởi khoảng cáchtruyền thông ngắn (cỡ 100-200 mét) do công suất truyền tải cho phép bởi FCC là rất thấp(cỡ - 41,3 dBm/MHz) Do vậy, việc sử dụng kết hợp MIMO cùng với UWB giúp mởrộng phạm vi truyền thông cũng như cung cấp độ tin cậy liên kết cao hơn Những lợi íchcủa UWB MIMO có thể được kể đến như [7], [8]: Giảm thiểu nhiễu, tốc độ dữ liệu caohơn, cải tiến chất lượng kênh truyền, tiết kiệm năng lượng và mở rộng phạm vi truyềndẫn, giảm yêu cầu về phần cứng truyền dẫn Ngoài những lợi ích này, cũng có nhữngthách thức cho việc kết hợp UWB và MIMO Những thách thức này bao gồm: Sự cânbằng tín hiệu (Signaling trade-offs), mô hình kênh truyền cho hệ thống, thiết kế hệ thốngđa anten nhỏ gọn và phù hợp, thiết kế mạch RF hiệu quả và tiết kiệm chi phí,… Trong sốnhững thách thức này, việc thiết kế anten cho hệ thống UWB MIMO đã được rất nhiềunhà nghiên cứu quan tâm và phát triển.

Anten là thành phần quan trọng trong hệ thống truyền tin không dây Việc thiết kếanten hiện tại đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức trong quá trình nghiên cứu thựchiện Trong các hệ thống thu phát UWB, anten cần hoạt động trong dải tần rất rộng và cómức đáp ứng xung tốt Bên cạnh đó, trong hệ anten MIMO, ngoài yêu cầu về tần số cộnghưởng, dạng đồ thị bức xạ,… các phần tử anten được thiết kế phải đảm bảo tính tương hỗgiữa chúng nhỏ hơn −15 dB [9] Thông thường, để đạt được yêu cầu này, các phần tửanten

cần được đặt cách nhau nửa bước sóng của tần số hoạt động thấp nhất Tuy nhiên, điềunày khiến cho kích thước của anten MIMO tăng lên đáng kể dẫn đến làm tăng kích thướccủa các thiết bị đầu cuối Bên cạnh đó, hiện nay người sử dụng luôn đòi hỏi phải cónhững thiết bị đầu cuối không dây có khả năng tích hợp đa dịch vụ, đa tiêu chuẩn kết nối(thoại, internet, định vị, kết nối bluetooth,…) yêu cầu các thiết bị thu phát vô tuyến phảicó khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc băng thông rộng để hỗ trợ đồng thời nhiềuchuẩn truyền thông dẫn đến vấn đề kích thước anten cần phải đặc biệt lưu ý Từ đó,nghiên cứu thiết kế các anten UWB MIMO cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệmới có kích thước nhỏ gọn, có độ lợi phù hợp, vừa có khả năng hoạt động ở đa băng tầnhoặc ở băng thông rộng vừa đảm bảo hệ số cách ly giữa các phần tử anten mà không cầntăng kích thước hệ anten là vấn đề có nhu cầu cấp thiết.

1.2 IoT và xu hướng truyền tin không dây thế hệ mới

Cách mạng công nghiệp lần thứ tư đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ kỹthuật số từ những thập kỷ gần đây lên một cấp độ hoàn toàn mới với sự trợ giúp của kếtnối thông qua internet vạn vật (IoT), truy cập dữ liệu thời gian thực và giới thiệu các hệthống vật lý không gian mạng Điều này dẫn tới sự tăng trưởng về số lượng thiết bị diđộng trong tương lai đã đặt ra bài toán về việc tìm kiếm một nền tảng công nghệ di độngmới có thể đáp ứng nhu cầu trên Tính đến năm 2020, thế giới có khoảng 50 tỷ thiết bị cókhả năng nối mạng, đây được coi là tiền đề cho việc phát triển mạng không dây thế hệmới Mạng 5G được mong đợi sẽ là một nền tảng không dây hoàn hảo để kết nối mọi nơitrên trái đất Về bản chất, mạng 5G vẫn phát triển dựa trên nền tảng của 4G Khác biệt cơbản là 5G sử dụng tần số cao lên tới 60GHz, trong khi đó 4G là dưới 6 GHz Tần số caogiúp dữ liệu truyền đi với dung lượng lớn hơn, hỗ trợ các thiết bị đòi hỏi băng thông rộngvà có tính định hướng cao Mạng 5G sẽ hỗ trợ rất nhiều các công nghệ truyền thông khácnhau trong đó có công nghệ UWB.

Thời đại IoT đang dần ảnh hưởng đến cuộc sống của con người Các thiết bị nhưđiện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, vòng đeo tay theo dõi sức khỏe hay các cảmbiến trong các hệ thống truyền tin không dây đều là những thiết bị đòi hỏi tính tương táccao Với những ưu điểm nổi trội, công nghệ băng thông siêu rộng thực sự lý tưởng để kếtnối tất cả các thiết bị kỹ thuật số trong hệ sinh thái kết nối vạn vật Apple đã gây chú ýtrong thời gian gần đây với các sản phẩm và dịch vụ mới của mình Công nghệ UWB là

cải tiến mới nhất mà Apple có kế hoạch sử dụng trong các sản phẩm và dịch vụ trongtương lai của mình và họ đã sử dụng công nghệ này trong thẻ định danh AirTags [10].Apple không phải là công ty duy nhất quan tâm đến công nghệ UWB Nhiều công tykhác, bao gồm cả Samsung, đã và đang làm việc trên các sản phẩm và dịch vụ dựa trênUWB Ví dụ, Samsung đã phát triển một chipset dựa trên UWB có thể được sử dụngtrong điện thoại thông minh, máy tính bảng và các thiết bị di động khác [11].

Bên cạnh đó, trong một số trường hợp hệ thống truyền tin cần hoạt động trong môitrường đặc biệt, ví dụ như hệ thống giám sát, thu thập và xử lý thông tin trên máy bay, xelửa, ô tô… Như vậy, hệ thống sẽ phải làm việc trong môi trường có: nhiệt độ cao, khônggian nhỏ hẹp, nhiều vật chắn kim loại, rung lắc mạnh, ảnh hưởng bởi nhiễu (nhiễu phađinh và nhiễu từ các hệ thống khác) và không được gây can nhiễu tới hệ thống khác (sauđây gọi tắt là điều kiện đặc biệt) Theo các phân tích ở trên và một số tài liệu khoa họcđươc công bố [12] thì hệ thống truyền tin UWB có rất nhiều ưu điểm và tiềm năng ứng

dụng lớn trong điều kiện này Chính vì vậy, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài: “Nghiên cứu

phát triển hệ anten băng thông siêu rộng ứng dụng trong điều kiện làm việc đặc biệt”

để làm luận án tiến sỹ Mục tiêu chính của luận án là xây dựng được các luận cứ khoahọc để phát triển được hệ anten UWB làm việc trong điều kiện đặc biệt có khả năngchống nhiễu (nhiễu pha đinh) tốt và không gây can nhiễu và trước tiên là ứng dụng thửnghiệm vào hệ thống chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ.

2 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:

 Làm chủ về công nghệ UWB, anten trong hệ thống UWB, thiết kế chế tạođược các anten UWB hoạt động trong điều kiện đặc biệt.

 Nghiên cứu, phát triển ứng dụng anten UWB trong hệ thống MIMO, đề xuấtgiải pháp để giảm tương hỗ và tăng cường cách ly cổng trong thiết kế các antenUWB MIMO.

 Xây dựng mô hình thử nghiệm, đánh giá hoạt động của hệ anten UWB.Đối tượng nghiên cứu trong luận án được xác định bao gồm:

 Các anten thu phát UWB dựa trên công nghệ chế tạo hiện đại, kích thước nhỏgọn, dễ chế tạo, giá thành rẻ.

Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các vấn đề sau:

 Nghiên cứu đặc tính của anten UWB trong các hệ thống truyền tin không dâythế hệ mới trong điều kiện đặc biệt thông qua việc đánh giá các thông số kỹthuật của anten UWB.

 Nghiên cứu đặc tính của anten UWB trong hệ thống MIMO thông qua hệ sốtương quan tín hiệu kênh truyền (tương quan về đồ thị bức xạ), xác định bằngcác tham số tán xạ.

 Chỉ nghiên cứu đánh giá đặc tính anten UWB theo mục tiêu chống nhiễu củahệ thống truyền tin UWB cũng như khả năng không gây can nhiễu sang các hệthống khác mà chưa quan tâm đánh giá các ưu điểm khác của hệ thống truyềntin UWB như: tốc độ truyền tin cao, khả năng đâm xuyên tín hiệu.

Phương pháp nghiên cứu:

 Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết và kỹ thuật thiết kế anten UWB,anten UWB trong hệ thống MIMO Sau đó tiến hành phân tích, tính toán để đềxuất ra mô hình và giải pháp tối ưu phù hợp với yêu cầu của luận án.

 Nghiên cứu mô phỏng: Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đó sử dụng phươngpháp mô phỏng mô hình, tính toán và tối ưu các tham số ảnh hưởng đến chấtlượng của anten thông qua các phần mềm mô phỏng như CST, ADS, Matlab.Sau khi mô phỏng để có được kết quả tốt nhất và phù hợp với yêu cầu của luậnán, tiến hành chế tạo và đo kiểm anten.

 Nghiên cứu thực nghiệm: Khi có mạch in anten, tiến hành đo kiểm thựcnghiệm và đánh giá các tham số của anten So sánh với kết quả mô phỏng vàtìm hiểu nguyên nhân (nếu có) Sau đó đưa anten thử nghiệm trong điều kiệnthực tế.

3 Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận ánÝ nghĩa khoa học:

 Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần phát triển các giải pháp thiết kếchế tạo hệ anten thu phát UWB, trong đó có tính đến các yếu tố và điều kiệnhoạt động của anten trong điều kiện đặc biệt.

 Các kết quả nghiên cứu của luận án này sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếptheo trong phân tích và thiết kế chế tạo anten UWB dùng cho hệ thống MIMOnhỏ gọn có hệ số cách ly lớn.

Ý nghĩa thực tiễn:

 Các thiết kế và giải pháp trong luận án được áp dụng vào kết quả của đề tàinghiên cứu hợp tác giữa VIELINA và SPbPU Kết quả của đề tài là hệ thốnggiám sát và hỗ trợ chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ đã được chế tạo vàchạy thử nghiệm trong thực tế.

Đóng góp của luận án

1 Tính toán, thiết kế, mô phỏng đánh giá các thông số và chế tạo hệ anten thu

phát UWB làm việc trong điều kiện đặc biệt Trong đó thiết kế anten thu là

hoàn toàn mới Hệ anten bước đầu đã được thử nghiệm hoạt động tốt trong hệthống thực tế.

2 Đề xuất cấu trúc DGS mới, nhỏ gọn sử dụng kỹ thuật đối xứng ở cả hai mặtcủa chất nền nối với nhau bởi một lỗ mạ xuyên lớp tạo ra các đường vi dải cóđộ dài thay đổi theo nguyên tắc gradient Cấu trúc DGS đề xuất giúp cho antenUWB MIMO có hệ số cách ly lớn làm giảm tương hỗ giữa các phần tử antenvà tăng hiệu năng hoạt động của hệ, đồng thời tạo sự chắc chắn cho hệ anten đểcó thể làm việc trong điều kiện rung sóc mạnh.

4 Cấu trúc nội dung của luận án

Nội dung chính của luận án bao gồm ba chương.

Chương 1 trình bày giới thiệu tổng quan về anten trong hệ thống UWB; bao gồmtổng quan về công nghệ UWB, các thông số kỹ thuật của anten UWB và các giải pháp, kĩthuật thiết kế, cải thiện hiệu năng cho anten UWB và UWB MIMO thông qua khảo sátcác công trình nghiên cứu trong và ngoài nước.

Chương 2 trình bày về phương pháp thiết kế chế tạo hệ anten thu phát UWB tronghệ thống truyền tin không dây trong điều kiện làm việc đặc biệt, hệ anten thu phát nàyđược ứng dụng vào hệ thống giám sát và hỗ trợ chẩn đoán kĩ thuật động cơ Kết quả làmô hình anten thu và anten phát được thiết kế đã thỏa mãn các yêu cầu về bức xạ và băngthông hoạt động Mô hình anten được chế tạo thành phẩm và được thử nghiệm hoạt độngổn định trong thực tế.

Cuối cùng, Chương 3 trình bày về nghiên cứu ứng dụng anten băng siêu rộng dùngcho hệ thống MIMO, đề xuất một giải pháp mới giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ và tăngcường cách ly trong thiết kế các anten MIMO sử dụng phương pháp mặt đế không hoànhảo DGS Cụ thể là đề xuất một thiết kế DGS mới ứng dụng trong việc giảm thiểu ảnhhưởng tương hỗ cho anten MIMO nói chung và anten UWB MIMO nói riêng.

Chương 1

Chương này trình bày tổng quan lý thuyết về công nghệ băng thông siêu rộngUWB cũng như các thông số kỹ thuật quan trọng của anten UWB Đồng thời, nghiên cứusinh cũng trình bày một số kỹ thuật thiết kế và cải thiện hiệu năng cho anten UWB thôngqua tìm hiểu các công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới.

1.1 Công nghệ UWB

Khi ra đời, công nghệ UWB đã được áp dụng trong lĩnh vực radar, cảm biến vàtruyền thông quân sự Tuy nhiên, khi FCC cấp phép cho công nghệ UWB có thể được sửdụng cho các ứng dụng truyền thông [1] thì công nghệ UWB đã nhanh chóng phát triểnnhư một công nghệ truyền thông không dây tốc độ cao đầy tiềm năng cho các ứng dụngđa dạng.

1.1.1 Tổng quan công nghệ UWB

Khái niệm về UWB được phát triển vào đầu những năm 1960 thông qua cácnghiên cứu về miền thời gian của trường điện từ [13] Vào cuối những năm 1960, các kỹthuật đo lường xung được sử dụng để thiết kế Anten băng rộng, dẫn đến sự phát triển củaradar xung ngắn và hệ thống thông tin liên lạc [14] Năm 1973, bằng sáng chế truyềnthông UWB đầu tiên được cấp cho một máy thu phát xung ngắn [15] Cho tới cuối nhữngnăm 1980, UWB được gọi là công nghệ truyền dẫn không có sóng mang hoặc công nghệxung Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ băng thông siêu rộng vàocuối những năm 1980 Đến năm 1989, lý thuyết UWB, kỹ thuật và nhiều phương phápứng dụng đã được phát triển cho một loạt các ứng dụng, bao gồm radar, truyền thông, hệthống định vị, Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng và phát triển của UWB đều được sửdụng trong khu vực quân sự hoặc được tài trợ bởi chính phủ Hoa Kỳ [16, 17] Vào cuốinhững năm 1990, công nghệ UWB đã được thương mại hóa hơn và sự phát triển của nóđã tăng lên rất nhiều Các công ty như Time Domain [18] và XtremeSpectrum [19] đượcthành lập để phát triển các ứng dụng thương mại về UWB.

Một sự thay đổi đáng kể trong lịch sử UWB diễn ra vào tháng 2 năm 2002, khiFCC ban hành các quy định UWB cung cấp các giới hạn bức xạ đầu tiên cho truyềnUWB và cho phép hoạt động của các thiết bị UWB trên cơ sở không cần cấp phép Theocác quy định của FCC, UWB được định nghĩa rằng bất kỳ sơ đồ không dây nào chiếmbăng thông

phân đoạn lớn hơn 20% hoặc lớn hơn 500 MHz băng thông tuyệt đối Băng thông phânđoạn được định nghĩa là BW / fc, trong đó BW = fH – fL (với fH và fL là tần số cao và tầnsố thấp, tương ứng, được đo tại -10 dB dưới điểm phát xạ đỉnh) thể hiện cho băng thông -10 dB và fc là tần số trung tâm FCC cũng cho phép truyền sóng vô tuyến UWB trongbăng tần không được cấp phép từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz với công suất phát hạn chế là -41,3 dBm / MHz [1].

Tín hiệu UWB chiếm băng thông rất lớn hay nói cách khác là tín hiệu vô tuyến lantruyền trên một phổ rất lớn Phổ tín hiệu này rộng hơn rất nhiều hệ thống truyền thôngkhông dây băng hẹp trong khi công suất thu phát tín hiệu thì lại nhỏ hơn rất nhiều Nếutoàn bộ dải tần 7,5 GHz được sử dụng tối ưu, công suất tối đa có thể đạt được đối với cácbộ phát UWB là khoảng 0,556 mW hoặc nhỏ hơn Điều này giúp cho công nghệ UWB rấtcó hiệu quả để truyền thông trong nhà và tầm ngắn với mức năng lượng phát và truyềndẫn thấp đến mức không ảnh hưởng tới các đường truyền tin khác, đồng thời lại có tínhchống nhiễu cao Các ứng dụng như truyền thông USB không dây và WPAN đã đượcthực hiện với tốc độ lên tới hàng trăm Mbps đến vài Gbps ở khoảng cách từ 1 đến 4 mét.Đối với phạm vi vượt quá 20 mét, tốc độ dữ liệu đạt được của UWB thấp hơn các hệthống WLAN hiện có như IEEE 802.11a / b / g / n [20].

1.1.2 Mô hình truyền dẫn UWB

Mô hình truyền dẫn UWB có thể được phân loại thành hai loại chính: một băngtần và nhiều băng tần.

Công nghệ UWB truyền thống dựa trên các mô hình một băng tần còn được gọi làtruyền thông không sóng mang hoặc truyền thông xung I-UWB [4] Truyền thông xungtạo ra một loạt các dạng sóng xung, mỗi xung cách nhau khoảng thời gian hàng trăm picogiây đồng thời trải rộng băng thông khoảng vài GHz và phải tuân thủ các yêu cầu về mặtnạ phổ Thông tin được điều chế trực tiếp thành chuỗi xung Thông thường, một xungmang thông tin cho 1 bit Dữ liệu có thể được điều chế bằng cách sử dụng điều chế biênđộ xung (PAM) hoặc điều chế vị trí xung (PPM) Hình 1.1 cho thấy một chuỗi các dạngtín hiệu giống như xung, trong đó 𝑇𝑓 là khoảng thời gian của khung, còn được gọi là thờigian lặp xung, và 𝑇𝑤 là khoảng thời gian của một xung hay độ rộng xung Thông thường,𝑇𝑓 dài hơn 100 hoặc 1000 lần so với độ rộng xung 𝑇𝑤 [21].

Hình 1.1 Tín hiệu băng thông siêu rộng sử dụng phương pháp truyền thông xung

Công nghệ truyền thông UWB đa băng đã được đề xuất tại [22, 23] Thay vì sửdụng toàn bộ băng tần UWB để truyền tải thông tin, kỹ thuật đa băng tần chia dải tầnUWB từ 3,1 đến 10,6 GHz thành nhiều băng nhỏ hơn, được gọi là băng con Mỗi băngcon có băng thông tối thiểu 500 MHz để tuân thủ định nghĩa của FCC về tín hiệu UWB.Hình 1.2 minh họa phổ UWB đa băng tần Trong ví dụ này, mỗi tín hiệu UWB chiếm 500MHz băng thông và tám băng thông con tạo thành tổng băng thông 4 GHz Mỗi tín hiệunày có thể được truyền đồng thời để đạt được tốc độ dữ liệu cao [21].

Hình 1.2 Phổ tín hiệu UWB sử dụng phương pháp đa băng tần trong miền tần số

Các tín hiệu cũng có thể được xen kẽ giữa các băng con để duy trì công suất phátnhư sử dụng băng thông lớn cỡ GHz trong khi cho phép nhiều thiết bị truyền cùng mộtlúc Hình 1.3 biểu diễn miền thời gian của các tín hiệu UWB đa băng tần, trong đó các tínhiệu tại các tần số trung tâm khác nhau được truyền vào các thời điểm khác nhau Tronghình, tần số trung tâm của các tín hiệu liên quan đến các dải riêng lẻ được thể hiện trêntrục thẳng đứng [24].

Hình 1.3 Phổ tín hiệu UWB sử dụng phương pháp đa băng tần trong miền thờigian

Có thể nhận thấy rằng giữa kỹ thuật I-UWB và kỹ thuật đa băng tần ta có những nhận xét như sau:

 Thứ nhất về mặt năng lượng thì I-UWB có ưu thế hơn vì kỹ thuật này chỉ sử dụng các xung cực ngắn để truyền thông tin.

 Thứ hai về mặt công nghệ thì I-UWB đơn giản hơn trong việc thiết kế phần cứng và xây dựng phần mềm.

 Thứ ba, kỹ thuật đa băng tần được ứng dụng trong những truyền thông tốc độ

thấp (từ 53Mbps đến 480Mbps) hơn so với kỹ thuật I-UWB (lên tới hàng Gbps).

1.1.3 Ưu điểm của công nghệ UWB

Do tính chất băng thông siêu rộng, các hệ thống truyền thông UWB mang đếnnhững lợi ích rất lớn cho các ứng dụng truyền thông không dây và radar Những lợi thếchính của UWB có thể được tóm tắt như sau [25]:

(1) Truyền thông dữ liệu tốc độ cao

(2) Khả năng chống nhiễu đa đường

(3) Có khả năng ứng dụng vào thiết bị kích thước nhỏ và chi phí thấp

(4) Độ chính xác định vị cao ở cấp độ cm

Dung lượng băng thông cực lớn của UWB có tiềm năng về lý thuyết rất cao, manglại tốc độ dữ liệu rất cao Điều này có thể được chứng minh bằng cách xem xét định lýShannon [26]:

𝑆𝐶 = 𝐵𝑙𝑜𝑔2(1 +𝑁)

Trong đó C là dung lượng kênh tối đa, B băng thông tín hiệu, S công suất tín hiệuvà N công suất tạp âm Phương trình của Shannon chỉ ra rằng dung lượng kệnh truyền cóthể được tăng cường bằng cách mở rộng băng thông tín hiệu hoặc tăng cường công suấttín hiệu Hơn nữa, nó minh họa rằng dung lượng kênh truyền tăng với tỷ lệ thuận vớibăng thông tín hiệu, trong khi dung lượng kênh truyền tỷ lệ theo hàm mũ với công suấttín hiệu Do đó, nó có thể được nhìn thấy từ phương trình của Shannon rằng hệ thốngUWB thể hiện tiềm năng lớn cho truyền thông không dây tốc độ cao.

Cung cấp thông tin với dạng sóng trong khoảng thời gian cực ngắn, tín hiệu UWBcó tính nhạy cảm thấp với nhiễu đa đường Nhiễu đa đường xảy ra khi một tín hiệu điềuchế đến một máy thu từ các đường khác nhau do hiện tượng phản xạ, tán xạ hoặc nhiễuxạ Sự kết hợp các tín hiệu nhận được ở đầu thu có thể gây méo tín hiệu nhận được Thờigian cực ngắn của các dạng sóng UWB cung cấp khả năng phân biệt rõ ràng xung phát vàxung nhiễu tại máy thu Do đó, truyền thông UWB có thể giải quyết được vấn đề nhiễuđa đường.Các hệ thống UWB có cấu trúc thu phát đơn giản Do đó cho phép các nhà pháttriển chế tạo thiết bị đầu cuối nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng cùng với chi phí thấp đồngthời dễ dàng tích hợp trong các hệ thống nhúng.

Thời gian cực ngắn của dạng sóng UWB có khả năng làm tăng độ chính xác địnhvị và xác định khoảng cách Cùng với các đặc tính thâm nhập vật liệu tốt, tín hiệu UWBtạo cơ hội cho các ứng dụng radar tầm ngắn như cứu hộ và chống tội phạm cũng nhưtrong khảo sát và trong ngành khai thác dưới hầm lò.

1.1.4 Ứng dụng của công nghệ UWB

Như đã được nêu trong các phần trước của luận án, UWB cho thấy một số tínhnăng đặc biệt có thể áp dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Truyền thông đa phương tiện: đây là ứng dụng điển hình nhất do khả năng phân

phối tốc độ dữ liệu cao Kịch bản phù hợp nhất có thể là sử dụng mạng WPAN để tạothuận lợi cho các kết nối thiết bị không dây và tải xuống hình ảnh tốc độ cao trong môi

trường nhiều vật cản Tốc độ dữ liệu cao WPAN có thể được định nghĩa là các mạng cómật độ

trung bình từ 5 tới 10 thiết bị hoạt động với tốc độ dữ liệu từ 100 đến 500 Mbps trongkhoảng cách 20 mét [27] Băng thông siêu rộng của UWB cho phép các ứng dụng WPANkhác ví dụ như hệ thống kết nối không dây tốc độ cao giữa máy tính và thiết bị ngoại vi,hệ thống truyền video và âm thanh thời gian thực chất lượng cao, trao đổi tập tin giữa cáchệ thống lưu trữ không dây hệ thống giải trí gia đình [28].

Hệ thống radar UWB: khác với các hệ thống radar thông thường, nơi các mục

tiêu thường được coi là các điểm phân tán, các xung radar UWB ngắn hơn kích thướcmục tiêu UWB phản xạ từ mục tiêu không chỉ thay đổi biên độ và thời gian thay đổi màcòn thay đổi hình dạng xung Kết quả là, các dạng sóng UWB có độ nhạy rõ rệt để tán xạso với các tín hiệu radar thông thường Tính chất này đã được áp dụng bởi hệ thống radarvà có thể được mở rộng cho các ứng dụng trên các môi trường khác nhau, chẳng hạn nhưlòng đất, xuyên qua tường và hay dưới đại dương, cũng như chẩn đoán y tế và các thiết bịgiám sát biên giới trong lĩnh vực quốc phòng [25].

Mạng cảm biến không dây: Bao gồm một số lượng lớn các nút trải rộng trên một

khu vực địa lý cần được theo dõi Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, các nút cảm biến cóthể được đặt cố định hoặc lắp đặt trên các thiết bị di động như máy đo đạc, điện thoại diđộng… Các yêu cầu quan trọng đối với mạng cảm biến hoạt động trong môi trường khắcnghiệt bao gồm chi phí thấp, công suất thấp và tính đa năng có thể được đáp ứng bằngcách sử dụng công nghệ UWB Hệ thống cảm biến không dây sử dụng truyền thôngUWB với tốc độ truyền dữ liệu cao, chống nhiễu tốt có khả năng thu thập và trao đổi mộtlượng lớn dữ liệu cảm biến trong thời gian thực được trình bày trong các tài liệu [29, 30].

Wireless Body Area Networks (WBAN): là các mạng có các nút cảm biến

thường được đặt gần cơ thể con người Cấu trúc liên kết của WBAN bao gồm nhiều nútcảm biến có chức năng chỉ truyền tín hiệu rất đơn giản, chi phí thấp và cực kỳ tiết kiệmnăng lượng So với các mạng không dây khác, WBAN có một số tính năng và yêu cầuriêng biệt Do sự gần gũi của cảm biến với con người nên ảnh hưởng của trường điện từsẽ phải ở mức rất thấp Do đó, một hệ thống WBAN đòi hỏi một công suất phát thấp Bởilý do triển khai phần cứng khá đơn giản và năng lượng truyền dẫn thấp, UWB đã trởthành một công nghệ đầy hứa hẹn cho việc sử dụng trong WBAN [31, 32].

1.2 Anten UWB

Trong các hệ thống UWB, các tham số cơ bản và cổ điển của các Anten truyềnthống đều được xem xét nghiên cứu Bên cạnh đó các Anten UWB còn có một số thôngsố bổ sung.

Băng thông – Đầu tiên, điều khác biệt lớn nhất giữa Anten UWB với các Anten

khác là băng tần hoạt động cực rộng Theo định nghĩa của FCC, Anten UWB phù hợp cóthể phát một băng thông tuyệt đối không nhỏ hơn 500 MHz hoặc một băng thông phânđoạn ít nhất là 0,2 Hơn nữa, Anten UWB phải có thể hoạt động được và phải có trởkháng ổn định phù hợp trên toàn bộ dải tần số 3,1 đến 10,6 GHz trong trường hợp của I-UWB theo mặt nạ phổ được xác định FCC Đôi khi ở một số quốc gia châu Âu, antenUWB phải có đặc tính loại bỏ băng tần để cùng tồn tại với các thiết bị và dịch vụ bănghẹp khác hoạt động ở băng tần tương tự [33].

Đồ thị bức xạ - Các đặc tính bức xạ đẳng hướng hoặc vô hướng là cần thiết tùy

thuộc vào ứng dụng cụ thể Anten UWB vô hướng thường được sử dụng ở điện thoại diđộng và thiết bị cầm tay Đối với hệ thống radar và các hệ thống định hướng khác vớinhu cầu độ lợi cao, đặc tính bức xạ định hướng thường được sử dụng Hiệu suất bức xạcao là yêu cầu bắt buộc với anten UWB vì mật độ phổ công suất phát là rất thấp Vì vậy,bất kỳ tổn thất lớn do anten phát sinh có thể làm tổn hại đến chức năng của hệ thống.

Kích thước và giá thành - Một Anten UWB thích hợp cần phải nhỏ và trọng

lượng nhẹ đủ để tương thích với ứng dụng Trong luận án này, mục tiêu ứng dụng UWBcho các ứng dụng đặc biệt, do đó anten nên có cấu hình thấp và khả năng tích hợp vớibảng mạch in (PCB) Các tham số cụ thể cần thiết của anten UWB được mô tả sau đây.

Tuân thủ các giới hạn phát xạ- Một Anten UWB được thiết kế tốt phải tối ưu

hiệu suất của toàn bộ hệ thống Để tránh nhiễu trong băng tần và ngoài băng tần giữa cáchệ thống UWB và các hệ thống điện tử hiện có, Anten nên được thiết kế sao cho thiết bịtổng thể (Anten và máy thu phát) tuân thủ yêu cầu bắt buộc về mặt nạ phổ do FCC hoặccác cơ quan quản lý khác đưa ra Các giới hạn phát xạ sẽ được xác định bởi việc lựa chọnnguồn xung và thiết kế Anten trong hệ thống UWB.

Đáp ứng xung - Anten UWB cần có đặc điểm trong miền thời gian tốt (tức là, đáp

ứng xung tốt) Đối với băng hẹp, anten thường có cùng hiệu suất trên toàn bộ băng thôngvà các thông số cơ bản, chẳng hạn như độ lợi và hệ số phản xạ ít có sự thay đổi trên toàn

bộ băng tần hoạt động Ngược lại, các hệ thống UWB thường sử dụng xung cực ngắn đểtruyền dữ liệu Trong trường hợp này, anten chịu tác động nhiều hơn bởi tín hiệu đầu vào.Do đó, việc độ méo xung của tín hiệu ở mức thấp là một ưu tiên hàng đầu khi chế tạoanten UWB [34].

Độ trễ nhóm - Đây là một tham số quan trọng đại diện cho chất lượng truyền đi

của một xung UWB tức là mức độ biến dạng của xung UWB đó Tham số này được tínhnhư sau:

∆𝜑𝐺𝑟𝑜𝑢𝑝 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 = −

Trong đó ∆𝜑 là tổng số pha dịch chuyển theo radian, và Δω là tần số góc theo radiantrên một đơn vị thời gian, được tính bằng 2𝜋𝑓 với 𝑓 là tần số Độ trễ nhóm gây biến dạngxung tín hiệu nên ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống, anten UWB phải đảm bảo rằngđộ trễ nhóm luôn là một hằng số.

Tóm lại trong các ứng dụng của thiết bị di động, thông số kỹ thuật chung cần thiếtđể thiết kế anten UWB theo quy định của FCC có thể được tóm tắt trong Bảng 1-1.

Bảng 1-1 Yêu cầu kỹ thuật chung cho anten UWB

Tần số (GHz) 3,1 đến 10,6VSWR < 2

Đồ thị bức xạ Vô hướng đối với anten phát Định hướng, với độ lợi từ 10 dBi với anten thu.

5-Hiệu suất bức xạ Cao (> 70 %)

Pha Gần tuyến tính, trễ nhóm không đổiKích thước (cm2) < 100 trên bảng mạch in (PCB)

1.3 Hệ thống MIMO

Thông thường, khi một tín hiệu được truyền thông qua kênh truyền không dây từđiểm phát đến điểm thu sẽ đi qua nhiều đường khác nhau để tới đích Tín hiệu truyền quakênh truyền sẽ chịu sự tổn thất năng lượng trong không gian do hai hiện tượng chính[35]:

1) Sự suy giảm năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách gọi là tổn hao đườngtruyền hay tổn hao không gian tự do.

2) Sự suy giảm năng lượng do hiện tượng pha đinh.

Tổn hao đường truyền hay tổn hao không gian tự do phụ thuộc chủ yếu vàokhoảng cách và tần số giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx) Theo định lý Friis [35], côngsuất nhận được trong không gian tự do được xác định bởi:

Trong đó 𝑃𝑇𝑋 và 𝑃𝑅𝑋 tương ứng là công suất phát và công suất thu, 𝐺𝑇𝑋 và 𝐺𝑅𝑋 làđộ lợi của anten phát và thu, d là khoảng cách giữa anten thu và phát, 𝜆 là bước sóng củasóng mang Hình 3.1 mô tả sự suy giảm tín hiệu theo khoảng cách truyền trong khônggian giữa máy phát và máy thu.

Hình 1.4 Tổn hao năng lượng trên kênh truyền không dây

Hệ thống MIMO và hệ thống đa anten (MAS) được xem là giải pháp hữu hiệu đểchống lại tác động của truyền tín hiệu đa đường nhằm tăng độ tin cậy của thông tin liênlạc không dây Quan trọng hơn, hệ thống đa anten có thể tận dụng lợi thế của truyền đađường giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu trong khi vẫn duy trì công suất phát.

1.3.1 Kênh truyền MIMO

Mô hình thu phát truyền thống gồm một anten phát và một anten thu (còn gọi là hệthống SISO) thường được sử dụng cho các hệ thống truyền thông không dây Theo địnhlý Shannon [35], dung lượng của hệ thống SISO trong môi trường tạp âm AWGN đượcbiểu diễn như sau:

𝑃𝐶 = 𝑊𝑙𝑜𝑔2(1 +

Trong đó W là băng thông, P là công suất thu trung bình, 𝑁0 là mật độ phổ côngsuất tạp âm Trong trường hợp có hiện tượng đa đường và giả sử băng thông là 1 Hz,dung lượng được biểu diễn như sau [36]:

0

𝐶 = 𝑙𝑜𝑔2(1 + 𝑃𝑇

Trong đó là đáp ứng xung thỏa mãn điều kiện ℎ là đáp ứng xung thỏa mãn điều kiện 𝐸{|ℎ|2} = 1 và 𝐸{ } là toán tửkỳ vọng Công thức trên cho thấy dung lượng kênh của hệ thống SISO sẽ tăng theo hàmlogarit của công suất phát tức là muốn tăng dung lượng thêm 1b/s/Hz thì công suất phátcần tăng thêm 3 dB.

Hình 1.5 Mô hình hệ thống SISO (a) và MIMO (b)

Một hệ thống kết nối không dây MIMO với m anten thu và n anten phát được môtả trên Hình 1.5 Hệ thống MIMO đầu tiên được đề xuất trong [37] và được quan tâm đặcbiệt thông qua các nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm trong những năm 1990 [5,6].

Trong mô hình MIMO ở Hình 3.2 (b), ta giả sử rằng:

- Máy phát truyền đi tín hiệu 𝑆 = (𝑠1, 𝑠2, … , 𝑠𝑛)𝑇từ n anten ở những khoảng thờigian cho trước.

- Máy thu nhận được tín hiệu Y= (𝑦1, 𝑦2, … , 𝑦𝑚)𝑇, trong đó 𝑦𝑖 là sự tổng hợp củacác tín hiệu được truyền = (𝑠1, 𝑠2, … , 𝑠𝑛)𝑇

Hay 𝑌 = 𝐻𝑆 +

� ,1 ⋯ ℎ𝑚,𝑛

trong đó ℎ𝑖,𝑗 là các hệ số kênh truyền giữa anten phát thứ i và anten thu thứ j và H là ma trận kênh.

Trong trường hợp kênh truyền độc lập với máy phát tức là tín hiệu có công suất nhưnhau tại các anten phát, dung lượng kênh của hệ thống MIMO được xác định như sau [38]:

𝐶 = 𝑙𝑜𝑔2𝑑𝑒𝑡(𝐼𝑚 + 𝑃𝑇𝑛𝑁

1.3.2 Ưu điểm của hệ thống MIMO

Một hệ thống MIMO có những ưu điểm sau [41]:

 Tăng dung lượng kênh truyền: Do sử dụng nhiều anten ở cả đầu phát và đầu thunên khi truyền tín hiệu ta có thể truyền nhiều đường dữ liệu song song, chính vìthế mà dung lượng của toàn hệ thống được cải thiện.

 Tăng chất lượng kênh truyền, loại bỏ nhiễu và chống pha đinh hiệu quả: Với kỹthuật tạo búp sóng, tín hiệu được truyền đi theo hướng mong muốn tại cả máyphát và máy thu, chính vì thế cũng có thể tránh nhiễu Ngoài ra một phươngpháp hiệu quả để chống pha đinh là phân tập Các kỹ thuật phân tập gồm: phântập không gian, phân tập tần số và phân tập thời gian Trong đó phân tập khônggian phổ biến trong truyền thông không dây Phân tập tần số và phân tập khônggian là hai phương pháp dùng để giảm ảnh hưởng của pha đinh (pha đinh phẳngvà pha đinh lựa chọn tần số đa đường) và nâng cao chất lượng tín hiệu thu Việcsử dụng nhiều hơn một anten, hay tần số để thu phát một tín hiệu sẽ giúp choviệc tổng hợp lại tín hiệu ở đầu thu được tốt hơn, thông tin thu được sẽ chínhxác hơn, chỉ có điều nguồn tài nguyên không gian và tần số cần phải sử dụngnhiều hơn, tốn kém hơn.

 Giảm công suất phát: Kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO sẽ làm giảm mứccông suất phát trên đường truyền từ anten phát nhờ đó sẽ giảm điện năng tiêuthụ và đơn giản hóa các vấn đề về thiết kế bộ khuếch đại công suất.

Tóm lại, việc ứng dụng MIMO vào hệ thống truyền thông không dây giúp làmtăng dụng lượng và chất lượng kênh truyền, loại bỏ nhiễu và chống pha đinh hiệu quảđồng thời không làm tăng công suất phát của hệ thống.

1.4 Anten MIMO

Để thiết kế chế tạo anten UWB MIMO ngoài các tham số cơ bản của anten UWBnhư đã trình bày ở mục 1.2, ta cần chú ý tới một số tham số đặc biệt của Anten MIMOnhư sau:

Ảnh hưởng tương hỗ và độ cách ly giữa các phần tử anten - Trong các ứng

dụng MIMO, các tín hiệu được truyền đi bởi nhiều anten thường được cho là độc lậphoặc không tương quan Nhưng trong thực tế, dòng điện gây ra trên một anten tạo ra điệnáp tại các đầu cuối của các phần tử lân cận, hay còn được gọi là ảnh hưởng tương hỗ [42].Điều này có nghĩa là luôn có sự liên kết lẫn nhau giữa các anten gần nhau Tuy nhiên, đốivới các ứng dụng MIMO, hiện tượng này cần được giảm thiểu thấp nhất có thể để đảmbảo các tính năng của anten không bị tác động [43, 44].

Sự cách ly giữa các phần tử anten được kiểm tra thông qua đo đạc năng lượngtruyền qua giữa các cổng (port) của anten MIMO Nó được đặc trưng bởi tham số |𝑆21|và được cho bởi công thức:

𝐼𝑠𝑜𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = −10𝑙𝑜𝑔10 |𝑆21|2 (1.8)

Trong các hệ thống MIMO, để tối đa hóa năng lượng bức xạ bởi một anten, cầnđảm bảo rằng năng lượng bức xạ không bị mất đi do bị phối hợp trở kháng với cổng củacác anten khác Nói cách khác, các hệ thống MIMO yêu cầu giá trị |𝑆21| là thấp nhất cóthể bởi sự cách ly liên quan trực tiếp đến hiệu năng của anten Rất nhiều nghiên cứu đãđược thực hiện nhằm giảm ảnh hưởng tương hỗ và tăng cường độ cách ly giữa các phầntử của anten MIMO, các kỹ thuật liên quan tới phần này sẽ được nghiên cứu sinh trìnhbày ở phần sau của luận án.

Độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG) - MEG được định nghĩa cho một anten

thu nhiều cổng (MPA) và được xác định là tỷ số giữa công suất phân phát trung bình tớimột cổng cụ thể của anten thu và công suất nhận được trung bình của một anten thamchiếu trong điều kiện anten tham chiếu sử dụng trên cùng kênh truyền và với cùng antenphát MPA [45].

Ngoài ra, MEG có thể được xác định dựa trên sự cách ly phân cực chéo, tăng íchvà hàm mật độ góc theo hướng theta và phi MEG là tham số quan trọng để quyết địnhquỹ đường truyền của hệ thống vô tuyến.

Trong đó 𝑋𝑃𝑅 là tỷ số công suất phân cực chéo 𝐺𝜃(𝜃, 𝜑) và 𝐺𝜑(𝜃, 𝜑)là độ tăngích thành phần của anten, 𝑃𝜃(𝜃, 𝜑)và 𝑃𝜑(𝜃, 𝜑) mô tả xác xuất phân bố của sóng tới trongmôi trường truyền với giả thiết các thành phần này không tương quan 𝑋𝑃𝑅 có thể xácđịnh bằng công thức

∫2𝜋 ∫𝜋 𝑃 (𝜃, 𝜑) 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃𝑑𝜑𝑋𝑃𝑅 = 0

∫2𝜋 ∫𝜋 𝑃 (𝜃, 𝜑) 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃𝑑𝜑00 𝜑

Trong trường hợp anten giả sử được đặt tại một môi trường kênh hoàn toàn ngẫunhiên, khi đó giá trị 𝑋𝑃𝑅 là 1 và 𝑃𝜃 = 𝑃𝜑 = 1⁄4𝜋 Khi đó MEG có thể được tính bằng:

Giá trị MEG khi đó bằng 1⁄2 tổng hiệu suất của anten hoặc -3dB [46] và nó độc lậpvới giản đồ bức xạ của anten Để độ tăng ích phân tập của anten MIMO đạt giá trị tốt, tỷlệ MEG giữa hai anten nên gần như thống nhất với nhau để đảm bảo công suất trung bìnhnhận được bởi mỗi anten là bằng nhau [47].

Hệ số tương quan tín hiệu - Tương quan tín hiệu trên kênh truyền mô tả sự độc

lập của các tín hiệu Hệ số tương quan là một trong những tham số quan trọng cần phảichú ý trong thiết kế anten MIMO Hệ số tương quan càng nhỏ thì các tín hiệu tại đầu thucàng độc lập với nhau, sự ảnh hưởng lẫn nhau của các phần tử anten càng thấp, do đó độtăng ích phân tập, cũng như dung lượng của hệ thống đều tăng lên Hệ số tương quanphức 𝜌𝑖,𝑗 giữa thành phần anten i và thành phần anten j được xác định dựa theo đồ thị bứcxạ như sau [48]

0 ∫0

𝑖,𝑗 𝑖,𝑗

𝐴𝑖,𝑗 = 𝑋 𝐸𝜃,𝑖(𝜃, 𝜙)𝐸∗ (𝜃, 𝜙)𝑃𝜃(𝜃, 𝜙) + 𝐸𝜙,𝑖(𝜃, 𝜙)𝐸∗ (𝜃, 𝜙)𝑃𝜙(𝜃, 𝜙) (1.13)

𝑋 là tỷ số công suất phân cực chéo, 𝐸 là đồ thị bức xạ điện trường, 𝜙 là gócngẩng trong mặt phẳng xoy theo chiều dương của trục x với 0 < 𝜙 < 2π, 𝜃 là góc cực theochiều dương của trục z với 0 < 𝜃 < π, và 𝑃 là hàm mật độ góc của hai mặt phẳng phâncực trực giao Trong các hệ thống thông tin di động, hệ số tương quan đường bao (ECC)thường được sử dụng và được xác định như sau [49]

Ngoài cách xác định ECC dựa trên đồ thị bức xạ như trên, ta có thể xác định đượcECC giữa anten i và anten j của hệ anten MIMO M x N dựa trên các tham số tán xạ theocông thức sau [50]

Trường hợp anten MIMO gồm 2 phần tử anten đơn, hệ số tương quan đường baođược xác định như sau:

𝜌𝑒 = |𝑆

∗ 𝑆2 1,22

Độ tăng ích phân tập (DG) – Là giá trị để đo lường chất lượng, hiệu suất của các

kỹ thuật phân tập DG là độ dốc của đường cong xác suất lỗi về SNR nhận được trongthang đo log-log Tuy nhiên, DG cũng có thể được định nghĩa là độ tăng SNR tại một xácsuất nhất định, thường là 1% hoặc 10% [52] DG có thể được tính dễ dàng bằng cách xemxét các đường cong hàm phân phối tích lũy (Cumulative Distribution Function - CDF)của SNR, và so sánh SNR kết hợp bằng cách sử dụng một số kỹ thuật phân tập cụ thể vớiSNR của một hệ thống truyền thông SISO chưa được mã hóa Về mặt toán học, nó có thểđược diễn tả như sau:

𝐷𝐺 = (𝑆𝑁𝑅)𝑐

(1.17)

Trong đó các chỉ số “c” và “r” được sử dụng để kết hợp và tham chiếu Trong trường hợp này, DG có thể được định nghĩa là sự khác biệt giữa CDF kết hợp so với CDF tham

chiếu ở một mức độ nhất định của CDF [53] Tùy thuộc vào CDF tham chiếu, có thể viếtba định nghĩa khác nhau cho DG:

 Apparent diversity gain - Sự khác biệt giữa các mức công suất theo dB (ở mức

CDF nhất định), giữa CDF của tín hiệu kết hợp, và CDF của tín hiệu tại cổng cócường độ tín hiệu trung bình mạnh nhất.

 Effective diversity gain - Sự khác biệt giữa các mức công suất theo dB (ở mức

CDF nhất định), giữa CDF của tín hiệu kết hợp và CDF của tín hiệu tại cổng củamột anten lý tưởng (tương ứng với hiệu suất bức xạ 100%), được đo trong cùngmôi trường.

 Actual diversity gain - Sự khác biệt giữa các mức công suất theo dB (ở mức CDF

nhất định), giữa tín hiệu kết hợp CDF và CDF của tín hiệu tại cổng một anten thựcđược thay thế bằng anten phân tập đã được thử nghiệm, được đo tại cùng một vịtrí.

Độ tăng ích phân tập cũng liên quan đến hệ số tương quan tín hiệu Mối quan hệgiữa hai thành phần này thể hiện bằng công thức sau:

Mối quan hệ này cho thấy hệ số tương quan tín hiệu càng thấp thì độ tăng ích phântập càng tăng Do đó, đảm bảo độ cách ly tốt là cần thiết giữa các anten nhằm tăng độtăng ích phân tập Có thể thấy độ tăng ích phân tập tối đa đạt được khi hệ số tương quantín hiệu bằng không Các phép đo độ tăng ích phân tập trong các môi trường khác nhau(đô thị, ngoại ô, nông thôn và đường cao tốc) đã được thực hiện trong tài liệu [54] nhưsau:

Đối với kỹ thuật phân tập theo phương pháp lựa chọn (Selecting Combining – SC)

𝐷𝐺 (𝑑𝐵) = 5,71 exp (−0,87√𝜌𝑒 − 0,16ΔΔ) (1.19)Đối với kỹ thuật phân tập theo phương pháp tổ hợp cùng độ lợi (Equal GainCombining – EGC)

𝐷𝐺 (𝑑𝐵) = −8,98 + 15,22 exp (−0,20√𝜌𝑒 − 0,04Δ) (1.20)Đối với kỹ thuật phân tập theo phương pháp tổ hợp với tỷ số tối đa (Maximal RatioCombining – MRC)

𝐷𝐺 (𝑑𝐵) = 7,14 exp (−0,59√𝜌𝑒 − 0,11Δ) (1.21)Do đó, trong điều kiện thực tế (𝜌𝑒 = 0; Δ = 0 ), phương pháp MRC sẽ cho giá trịtăng ích phân tập tốt nhất, tức là bằng 7,41 dB.

1.5 Các nghiên cứu khoa học về anten UWB

1.5.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới

Các giải pháp nâng cao hiệu năng anten UWB cũng thu hút được sự chú ý rộng rãicủa các nhà nghiên cứu trên thế giới Mặc dù các công trình nghiên cứu hiện nay đang tậptrung vào anten UWB đa hướng (chủ yếu trong các thiết bị di động yêu cầu các mẫu bứcxạ đa hướng) tuy nhiên gần đây anten UWB định hướng cũng đang được quan tâmnghiên cứu cho các ứng dụng đặc biệt Anten định hướng tập trung năng lượng vào mộtgóc khối hẹp so với một anten đa hướng Bên cạnh đó anten định hướng đòi hỏi phải cókích thước tương đối lớn so với anten đa hướng.

Thời kì trước những năm 90 của thế kỉ 20, các thiết kế anten UWB đề xuất hầu hếtdựa trên cấu trúc hình khối như khối cầu, loa chóp hay chấn tử lưỡng cực dạng biconical[55] Hiện nay, các nghiên cứu về anten UWB hầu hết tập trung vào giải pháp sử dụngthiết kế vi dải, anten khe hay anten chấn tử đơn vi dải với các kĩ thuật phối hợp trở khángkhác nhau để cải thiện băng thông mà không làm giảm hiệu năng của các thông số bức xạ[56- 66] Các kết quả nghiên cứu này được tổng hợp trong bảng 1-2 dưới đây.

Bảng 1-2 So sánh đặc trưng của các cấu trúc anten UWB

Vi dải chữ nhật [57] 5dBi 15 x 14,5 mm 3,2 – 12 GHzAnten khe UWB sử dụng LTCC [58] - 11x17 mm Mặt đế

33 x 25 mm 3 – 10,6 GHzChấn tử đơn dạng đĩa tròn vi dải [59] - 42 x 50 mm 2,78 – 9,78 GHz

Khe vi dải UWB sử dụng stub dạng

fractal [60] 5 dBi 48 x 41 mm cắt 4,95 – 5,85 GHz2,66 – 10,76 GHz,Khe hình khuyên sử dụng feed dạng

khe hình thuôn [61] 6 dBi 35,6 x 40,3 mm 4,8 – 10,2 GHzAnten hình nón ngược đồng phẳng