Tiểu luận nghiên cứu và phát triển anten MIMO cho các thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới

Bên cạnh đó, nhiều giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ đã được nghiên cứu và phát triển nhằm nâng cao cách ly giữa các anten thành phần trong các anten MIMO song song với việc sử dụng các

MỞ ĐẦU

1 Kỹ thuật MIMO và hệ thống đa anten

Trong những năm gần đây, hệ thống đa anten sử dụng nhiều phần tử bức xạ ở cả phía phát và phía thu hay còn gọi là anten MIMO đã được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin Khi thông tin được xử lý và chuyển thành sóng điện từ truyền đi trong không gian

sẽ có sự suy giảm tín hiệu gây ra bởi khí quyển, hiện tượng pha đinh và nhiễu làm thay đổi chất lượng cũng như tốc độ truyền dữ liệu trong mạng thông tin Thông thường, để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu thì yêu cầu hệ thống thông tin phải có băng thông lớn nhưng điều này

bị hạn chế vì dải tần số là một tài nguyên khan hiếm Ngoài ra, muốn chất lượng tín hiệu được cải thiện và giảm ảnh hưởng của pha đinh thì máy phát phải đạt được công suất đủ lớn hoặc tăng kích thước anten để tăng công suất bức xạ Tuy nhiên, đối với những thiết bị di động cầm tay như điện thoại di động, các thiết bị PDA, USB Dongle, có kích thước nhỏ gọn thì không thể áp dụng phương pháp này Như ta đã biết, hệ thống MIMO sử dụng đa anten có khả năng chống lại hiện tượng pha đinh nhiều tia của hệ thống thông tin vô tuyến nhờ chức năng truyền dữ liệu từ nhiều anten phát đồng thời nhận dữ liệu từ nhiều anten thu [25, 106] Dữ liệu từ nhiều anten phát đi theo các đường khác nhau tới máy thu làm tăng cơ hội cho phía thu chọn được được tín hiệu tốt hơn; việc phát nhiều luồng dữ liệu song song

từ các anten phát giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu Chính vì vậy, hệ thống MIMO sử dụng đa anten được xem là giải pháp hữu hiệu để chống lại tác động của truyền tín hiệu đa đường nhằm tăng độ tin cậy của thông tin liên lạc không dây Quan trọng hơn, nó có thể tận dụng lợi thế của truyền đa đường giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu trong khi vẫn duy trì công suất phát [67, 90]

Thế hệ di động thứ nhất (1G) và thứ hai (2G) ra đời vào những năm 1980 phục vụ cho một mục đích chủ yếu là truyền tín hiệu thoại Các thế hệ di động tiếp theo như thế hệ thứ

ba (3G - ra đời khoảng năm 2006) và thứ 4 (4G – ra đời khoảng năm 2011), đã và đang được triển khai cho thấy sự gia tăng đáng kể về tốc độ truyền dữ liệu, cung cấp các dịch vụ mới như truyền dẫn video thời gian thực, truyền hình quảng bá độ phân giải cao,… Nhu cầu triển khai các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới (4G, 5G, WLAN 802.11n, WLAN 802.11ad, WiMAX, WPAN,…) với khả năng truyền tải tốc độ cao hơn, độ tin cậy lớn hơn, độ trễ thấp hơn, trở nên ngày một cấp thiết Theo đó, việc thiết kế, tối ưu hoá và chế tạo các anten MIMO

sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới đang trở thành một đề tài thu hút nhiều nhà nghiên cứu

Trong các anten MIMO, ngoài yêu cầu về tần số cộng hưởng, dạng đồ thị bức xạ,…các phần tử anten được thiết kế phải đảm bảo tính tương hỗ giữa chúng nhỏ hơn −15 dB [82]

Thông thường, để đạt được yêu cầu này, các phần tử anten cần được đặt cách nhau nửa bước sóng của tần số hoạt động thấp nhất Tuy nhiên, điều này khiến cho kích thước của anten MIMO tăng lên đáng kể dẫn đến làm tăng kích thước của các thiết bị đầu cuối Bên cạnh đó, hiện nay người sử dụng luôn đòi hỏi phải có những 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,…) dẫn đến yêu cầu các thiết bị thu phát vô tuyến phải có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc băng thông rộng để hỗ trợ đồng thời nhiều chuẩn công nghệ Từ đó, vấn đề nghiên cứu thiết

kế các anten MIMO cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới có kích thước nhỏ gọn,

có độ tăng ích phù hợp mà không cần tăng kích thước anten, vừa có khả năng hoạt động ở

đa băng tần hoặc ở băng thông rộng vừa đảm bảo độ hệ số cách ly giữa các phần tử anten là nhu cầu cấp thiết Do đó, trong thời gian gần đây đã có rất nhiều nghiên cứu đề xuất các mô hình anten MIMO sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới thiết kế cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay di động, cho thiết bị cá nhân PDA, Laptop (máy tính xách tay), và các ứng dụng USB Dongle, hoạt động đa băng tần hoặc băng thông rộng Bên cạnh đó, nhiều giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ đã được nghiên cứu và phát triển nhằm nâng cao cách ly giữa các anten thành phần trong các anten MIMO song song với việc

sử dụng các kỹ thuật giảm kích thước tổng thể của anten

Hiện nay, các nghiên cứu về anten MIMO sử dụng công nghệ mạch in đang rất phát triển nhờ các ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, giá thành thấp Ảnh hưởng tương

hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO sử dụng công nghệ mạch in gây ra bởi một

số nguyên nhân, nhưng chủ yếu là do ảnh hưởng của dòng điện mặt, ảnh hưởng của trường bức xạ khu gần [34, 67] Các nghiên cứu về thiết kế và giảm ảnh hưởng tương hỗ của anten MIMO sử dụng công nghệ mạch in có thể chia thành các hướng sau:

 Nghiên cứu thiết kế anten MIMO cho điện thoại di động Các anten này được giới hạn trong kích thước đế điện môi tiêu chuẩn 100x50 mm2 với điện thoại thường và với điện thoại di động thông minh là 120x60mm2 Anten MIMO cho điện thoại di động có thể ở dạng đơn băng tần [10, 17, 16, 46, 53, 100, 107] hoặc đa băng tần [31, 33, 56, 59, 60, 83, 84, 104, 103] hỗ trợ cho các băng tần phổ biến như LTE (700, 1800, 2100, 2600 MHz,…), UMTS (2100 MHz), WLAN (2400, 5200 MHz), WiMAX (2300, 3500 MHz) Thách thức chính trong các thiết kế anten MIMO cho điện thoại di động là không gian thiết kế hạn chế và ảnh hưởng tương hỗ lớn giữa các phần tử anten Do đó phần lớn các mô hình đều sử dụng anten dạng PIFA và anten đơn cực, cấu trúc anten dạng gập hoặc xoắn hay anten sử dụng nguyên

lý cấu trúc siêu vật liệu điện từ Các kỹ thuật để giảm thiểu tương hỗ được ứng dụng rất đa dạng gồm kỹ thuật sử dụng phần tử ký sinh, sử dụng cấu trúc mặt đế không hoàn hảo (DGS),

sử dụng mạng cách ly hoặc đường trung tính

 Nghiên cứu thiết kế anten MIMO cho các thiết bị di động cầm tay (PDA) hoặc máy tính xách tay (Laptop) hay các thiết bị không dây nói chung khác [4, 41, 71, 72, 75, 80, 85,

93, 97, 98] Các thiết kế cũng có thể ở dạng đơn băng hoặc đa băng tần và sử dụng kỹ thuật tăng cường cách ly bằng cách đặt hướng các anten thành phần vuông góc với nhau, đồng thời có thể kết hợp với các kỹ thuật cách ly khác như đường trung tính hoặc phần tử ký sinh

 Nghiên cứu thiết kế anten MIMO cho các thiết bị USB Dongle (Universal Serial Bus) [15, 30, 43, 64, 88, 101] Do không gian của USB thường bị giới hạn trong phạm vi kích thước 70x 30mm2 nên các thiết kế anten thường là anten đơn cực dạng gập, xoắn ốc hoặc anten PIFA đặt ở góc cạnh của đế điện môi Kỹ thuật đường trung tính, phần tử ký sinh hoặc mạng cách ly thường được sử dụng để giảm tương hỗ trong anten MIMO

 Nghiên cứu thiết kế anten MIMO băng thông siêu rộng (UWB) cho thiết bị di động cầm tay [27, 49, 47, 52, 55, 57, 58, 69, 70, 76, 81, 96, 102] Các anten loại này phần lớn sử dụng kỹ thuật phần tử ký sinh để giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử, một số thì kết hợp giữa sử dụng phần tử ký sinh với kỹ thuật cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo hoặc kết hợp với phương pháp tiếp điện sử dụng ống dẫn sóng đồng phẳng vừa để tăng băng thông vừa để cải thiện hệ số cách ly

Nhìn chung, các nghiên cứu trên tập trung vào đề xuất, phát triển các cấu trúc anten MIMO có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp với các thiết bị vô tuyến phù hợp với mục đích sử dụng, áp dụng các phương pháp tăng cường cách ly nhằm tạo nên các mô hình anten MIMO đáp ứng được yêu kỹ thuật, dễ dàng chế tạo và chi phí thấp

2 Những vấn đề còn tồn tại

Công nghệ băng thông siêu rộng đã được Ủy ban truyền thông liên bang của Mỹ (FCC) cấp phép áp dụng trên các thiết bị không dây hoạt động trong dải tần từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz [1] Sự kết hợp của công nghệ UWB vào các hệ thống MIMO đã khắc phục hạn chế của các hệ thống thông tin trong cự ly ngắn do công suất phát của chúng phải thấp để tránh gây nhiễu cho các hệ thống thông tin lân cận [70] Một số mô hình anten MIMO băng thông siêu rộng đề xuất trước đây gây lãng phí băng thông, do không hoạt động trên toàn dải tần FCC cấp phép cho các hệ thống UWB [76, 81, 96, 101] Trong một thiết kế khác [55], một

mô hình anten MIMO 4x4 có độ cách ly tốt (lớn hơn 20 dB) do sử dụng các đường gián đoạn giữa các phần tử và ở mặt đế Tuy nhiên, anten này cũng không hoạt động được trên cả dải tần UWB mà chỉ từ 2,0 GHz đến 6,0 GHz Bên cạnh đó, một số đề xuất cũng phát triển các

mô hình anten MIMO-UWB hoạt động toàn băng [57, 69, 70] hoặc hoạt động toàn băng và loại bỏ các băng tần gây ảnh hưởng tới các hệ thống vô tuyến khác [27, 49, 58] Tuy nhiên các anten này vẫn chỉ sử dụng cấu hình MIMO 2x2 hoặc nếu sử dụng cấu hình 4x4 thì kích thước lớn Đồng thời, một số công trình nghiên cứu trước đây cũng tập trung vào anten băng cực kỳ rộng (EWB) [37, 38] Những anten này đạt được một băng thông rất rộng bao gồm

cả băng tần UWB với đặc tính bức xạ mong muốn Tuy nhiên, các anten này có kích thước

lớn, với tấm bức xạ có kích thước 124 × 120 mm [37] và 124 × 70 mm [38], làm cho các

mô hình anten trên khó có khả năng tích hợp trong thiết bị di động hoặc thiết bị cầm tay Do

đó, yêu cầu về việc thiết kế các anten MIMO băng thông siêu rộng hoặc cực kỳ rộng với kích thước nhỏ gọn, hoạt động trên toàn bộ dải tần được cấp phép và loại bỏ được băng tần gây ảnh hưởng đến các hệ thống vô tuyến khác mang tính cấp thiết để tích hợp vào các thiết

bị đầu cuối ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến cá nhân (WPAN)

Kỹ thuật cấu trúc mặt đế không hoàn hảo (DGS) đã được sử dụng như một giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả trong giảm thiểu tương hỗ giữa các anten thành phần trong anten MIMO [16, 53, 83, 84, 103] Trong [83, 84, 103], các anten hoạt động ở hai băng tần nhưng kích thước tổng thể của anten lớn do chưa áp dụng các kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten hoặc anten có nhược điểm là băng thông hoạt động nhỏ [83] Trong [16, 53], các anten hoạt động ở một băng tần nhưng với cấu trúc đa lớp nên khó khăn trong chế tạo và gặp phải hạn chế khi ứng dụng trong các thiết bị yêu cầu nhỏ gọn Việc sử dụng kỹ thuật giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ bằng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo kết hợp với những mô hình anten có cấu trúc nhỏ gọn như anten dạng xoắn ốc, anten PIFA, cấu trúc CLRH,… là động lực cho các nghiên cứu thiết kế anten MIMO có kích thước nhỏ gọn, phù hợp với ứng dụng của người dùng và đáp ứng các yêu cầu về phân tập của hệ thống thông tin MIMO

Gần đây, kỹ thuật mạng cách ly cũng được xem như một giải pháp hữu hiệu để cải thiện cách ly giữa các cổng trong các anten MIMO do kỹ thuật này không can thiệp vào cấu trúc bức xạ của anten MIMO Bằng cách đưa thêm vào các thành phần điện kháng (thông qua các phần tử thụ động tập trung hoặc các cấu trúc mạch siêu cao tần) vào giữa cấu trúc bức xạ và mạng tiếp điện, tương hỗ giữa các cổng của anten MIMO sẽ bị triệt tiêu Khi đó, anten MIMO đạt độ cách ly cao và tương quan bức xạ rất thấp mà vẫn duy trì khoảng cách nhỏ giữa các phần tử bức xạ [10, 15, 56, 59, 104] Trong [10, 15, 59] mạng cách ly được thiết kế sử dụng phần tử thụ động tập trung Với việc sử dụng các phần tử này, mạng cách

ly có kích thước bé làm cho kích thước của cả hệ thống anten MIMO nhỏ Việc xác định giá trị các phần tử thụ động phụ thuộc vào độ lớn và pha của hệ số tương hỗ [82] Tuy nhiên trong thực tế, các linh kiện thụ động không thể đáp ứng hết các giá trị bất kỳ như trong tính toán Bên cạnh đó, việc xuất hiện các tụ ký sinh khi hàn gắn các phần tử này vào mạch sẽ làm thay đổi giá trị của phần tử tập trung đã xác định trước đó Do vậy, các linh kiện thụ động này thường được lựa chọn ở giá trị gần đúng [15] Hơn nữa, các mối hàn không đạt tiêu chuẩn khi thực hiện hàn các phần tử này vào mạch sẽ gây ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo thực nghiệm Vì vậy, kỹ thuật thiết kế mạng cách ly sử dụng phần tử thụ động thường gặp phải các vấn đề như băng thông nhỏ, độ chính xác không cao và tổn hao lớn Để hạn chế các sai số do sử dụng phần tử tập trung gây ra, một số nghiên cứu đã đề xuất sử dụng mạng cách ly là các cấu trúc mạch siêu cao tần được tổng hợp bằng đường truyền vi dải dạng phẳng hoạt động ở chế độ đơn băng tần [66, 105], hoặc hai băng tần [56, 104] Đề xuất trong

[56] là mạng cách ly cho anten MIMO hai băng tần sử dụng kỹ thuật cách ly mode decompositon) Tuy nhiên thiết kế này gặp phải vấn đề là mạng cách ly có kích thước lớn, hiệu suất khác nhau giữa các mode và có gây ra tổn hao Trong [104], mạng cách ly dạng phẳng, hai băng tần sử dụng các bộ cộng hưởng ghép được đề xuất Điểm yếu của phương pháp này là nó yêu cầu hệ số ghép giữa các bộ cộng hưởng phải lớn dẫn đến việc khó khăn trong chế tạo các đường vi dải mỏng và khoảng cách nhỏ giữa các bộ cộng hưởng khi áp dụng với các băng tần số khác Từ đó, yêu cầu về việc thiết kế mạng cách ly sử dụng cấu trúc phẳng đơn giản, có độ chính xác cao khi chế tạo và hỗ trợ đa băng tần để sử dụng trong thiết kế các anten MIMO kích thước nhỏ gọn là một hướng đi cho các nhà nghiên cứu theo đuổi

(mode-Nhìn chung việc thiết kế tối ưu anten MIMO vừa có khả năng hoạt động tốt ở dải tần thiết kế, có độ tăng ích phù hợp với ứng dụng, vừa đảm bảo các đặc tính MIMO như độ cách

ly, tính tương quan bức xạ,… vẫn là một trong những thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu hiện nay

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Nghiên cứu, đề xuất giải pháp sử dụng phần tử ký sinh để giảm tương hỗ trong thiết

kế các anten MIMO băng thông siêu rộng

- Nghiên cứu, đề xuất giải pháp sử dụng cấu trúc mặt đế không hoàn hảo để giảm tương

hỗ trong thiết kế các anten MIMO kích thước nhỏ gọn

- Nghiên cứu, đề xuất giải pháp sử dụng mạng cách ly để tăng cường cách ly cổng trong thiết kế các anten MIMO hai băng tần

- Các anten MIMO dựa trên công nghệ mạch dải, vật liệu điện môi FR4, dễ chế tạo, giá thành rẻ

- Các anten MIMO cho các thiết bị vô tuyến cầm tay thế hệ mới, kích thước nhỏ gọn

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

- Nghiên cứu anten cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng công nghệ MIMO

- Nghiên cứu đặc tính MIMO của anten thông qua hệ số tương quan tín hiệu kênh truyền (tương quan về đồ thị bức xạ), xác định bằng các tham số tán xạ

4 Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án

Việc nghiên cứu các giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ trong thiết kế anten MIMO trong luận án có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn:

 Ý nghĩa khoa học:

- Các kết quả nghiên cứu của luận án này góp phần phát triển các giải pháp thiết

kế anten MIMO băng thông siêu rộng; anten MIMO cấu trúc nhỏ gọn sử dụng các anten đơn dạng siêu vật liệu và dạng PIFA xoắn ốc; anten MIMO hai băng tần với cấu trúc mạng cách ly đơn giản, dễ chế tạo

- Các kết quả nghiên cứu của luận án này sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo trong phân tích và thiết kế các anten MIMO nhỏ gọn, có hệ số cách ly lớn

 Ý nghĩa thực tiễn: Các giải pháp giúp giảm ảnh hưởng tương hỗ, tăng cường cách ly cổng và các mô hình anten MIMO được thiết kế trong luận án có thể làm

cơ sở và gợi ý cho các nhà sản xuất ứng dụng trong chế tạo các thiết bị đầu cuối

di động thế hệ mới

Những đóng góp khoa học của luận án gồm:

(1) Phát triển và thực hiện giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ sử dụng phần tử ký sinh cấu trúc bộ cộng hưởng đa mode và cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch trong thiết kế hai mô hình anten MIMO băng thông siêu rộng

(2)Phát triển và thực hiện giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo dạng hai khe hẹp trong thiết kế hai mô hình anten MIMO kích thước nhỏ gọn

(3) Phát triển và thực hiện giải pháp tăng cường cách ly cổng sử dụng mạng cách ly đường truyền vi dải trong thiết kế hai mô hình anten MIMO hai băng tần

5 Cấu trúc nội dung của luận án

Nội dung chính của luận án bao gồm bốn chương

Đầu tiên, Chương 1 là phần giới thiệu tổng quan mô hình và các thông số của anten MIMO; các nguyên nhân gây nên ảnh hưởng tương hỗ và các giải pháp để cải thiện hệ số cách ly sẽ được phân tích chi tiết

Chương 2 trình bày các nghiên cứu sử dụng giải pháp phần tử ký sinh để giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ trong thiết kế các anten MIMO băng thông siêu rộng Lần lượt giải pháp

sử dụng phần tử ký sinh cấu trúc bộ cộng hưởng MMR và cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch

được đề xuất, áp dụng để thiết kế hai mô hình anten MIMO 4×4 và MIMO 2×2 cho hệ thống

thông tin băng thông siêu rộng UWB và EWB Kết quả là hai mô hình anten MIMO được

thiết kế đã thỏa mãn các yêu cầu về băng thông hoạt động, ảnh hưởng tương hỗ và hệ số

tương quan

Tiếp theo, Chương 3 trình bày giải pháp sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn

hảo (DGS) dạng hai khe hẹp được đề xuất, áp dụng để thiết kế hai mô hình anten MIMO có

kích thước nhỏ gọn Mô hình anten đầu tiên, được thiết kế cho hệ thống thông tin WLAN

chuẩn IEEE 802.11n, thực hiện thu nhỏ kích thước anten bằng cách sử dụng cấu trúc siêu

vật liệu điện từ dạng phức hợp (CRLH) Trong khi đó, mô hình anten thứ hai được thiết kế

cho hệ thống hai băng tần 4G-LTE (1800 MHz) và WiMAX (2300 MHz) Đây là anten dạng

chữ F-ngược phẳng (PIFA) cho các thiết bị di động với hai nhánh bức xạ được gấp xoắn ốc

nhằm giảm kích thước phần tử anten PIFA đơn Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy

hai mô hình anten MIMO được thiết kế đều đáp ứng được các yêu cầu về băng thông hoạt

động, hệ số cách ly và tính tương quan về đồ thị bức xạ

Cuối cùng, Chương 4 đề xuất giải pháp sử dụng mạng cách ly dạng đường truyền vi

dải để tăng cường cách ly trong các anten MIMO hai băng tần Mạng cách ly được thiết kế

dưới dạng đường truyền vi dải với cấu trúc đơn giản và nhỏ gọn Hai mô hình anten MIMO

cho hệ thống WLAN hai băng tần 2,4 GHz/5,25 GHz và hệ thống LTE 1,8 GHz/WiMAX

3,5 GHz đã được thiết kế sử dụng mạng cách ly này Các kết quả mô phỏng và đo thực

nghiệm cho thấy các mô hình anten MIMO đáp ứng được yêu cầu băng thông và độ cách ly,

chứng minh được tính khả thi trong ứng dụng vào thực tế của các mô hình anten đã thiết kế

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ANTEN MIMO

1.1 Giới thiệu chương

Chương này trình bày tổng quan về mô hình và các đặc tính của anten MIMO Một trong những đặc tính quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng hoạt động của anten MIMO là ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten Các nguyên nhân dẫn đến ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO được phân tích cụ thể Bên cạnh đó, một số kỹ thuật để cải thiện cách ly cho các anten MIMO cũng được phân tích chi tiết kết hợp với các ví dụ từ những nghiên cứu đã được công bố Trên cơ sở đó, một số giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ đã được đề xuất để áp dụng trong các mô hình anten MIMO được thiết kế trong luận án này

1.2 Khái niệm về kênh truyền MIMO

1.2.1 Kênh truyền không dây

Thông thường, khi một tín hiệu được truyền thông qua kênh truyền không dây từ điểm phát đến điểm thu sẽ đi qua nhiều đường khác nhau để tới đích Tín hiệu truyền qua kênh truyền sẽ chịu sự tổn thất năng lượng trong không gian Hình 1.1 mô tả sự suy giảm tín hiệu theo khoảng cách truyền trong không gian giữa máy phát và máy thu [67]

Sự tổn thất năng lượng được mô tả trên hình 1.1 chủ yếu là do hai hiện tượng sau:

- Sự suy giảm năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách gọi là tổn hao đường truyền hay tổn hao không gian tự do

- 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 vào khoảng cách giữa máy phát (TX) và máy thu (RX) Theo định lý Friis [67], công suất nhận được trong không gian tự do được xác định bởi:

𝑃𝑅𝑋 = 𝑃𝑇𝑋𝐺𝑇𝑋𝐺𝑅𝑋( 𝜆

4𝜋𝑑)

2

(1.1) trong đó 𝑃𝑇𝑋 và 𝑃𝑅𝑋 là tương ứng là công suất phát và công suất thu, 𝐺𝑇𝑋 và 𝐺𝑅𝑋 là độ tăng

ích của anten phát và thu, d là khoảng cách giữa anten thu và phát

Hình 1.1 Tổn hao năng lượng kênh truyền không dây

Pha đinh là hiện tượng suy giảm tín hiệu biến thiên một cách không đều đặn Khi thiết

bị đầu cuối di chuyển qua một khu vực nào có nhiều chướng ngại vật, có kích thước khác nhau, ví dụ như đồi, núi, toà nhà, hầm, những chướng ngại vật này sẽ che phủ hay cắt hoàn toàn tín hiệu Do vậy, cường độ của tín hiệu thu được biến thiên một cách ngẫu nhiên, phụ thuộc vào kích cỡ của vật chắn và khoảng cách đến nó Loại pha đinh này gọi là pha đinh che chắn Ngoài ra, trong truyền dẫn đa đường còn tồn tại pha đinh đa đường Pha đinh đa đường là kết quả của việc máy thu nhận được nhiều tín hiệu của cùng một máy phát theo các đường lan truyền khác nhau Các tín hiệu này được phản xạ từ nhiều vật và nhiều hướng khác nhau trong một khu vực Do khoảng cách khác nhau nên các tín hiệu thu được sẽ khác nhau về pha và biên độ nên chúng có thể làm tăng thêm hay làm triệt tiêu tín hiệu tổng hợp

Sự di chuyển của các thiết bị đầu cuối cũng gây ra sự biến thiên không thể dự đoán được của pha tín hiệu theo thời gian làm cho sự suy giảm biến thiên mạnh

Hệ thống đa anten (MAS) được xem là giải pháp hữu hiệu để chống lại tác động của truyền tín hiệu đa đường nhằm tăng độ tin cậy của thông tin liên lạc không dây Quan trọng hơn, hệ thống đa anten có thể tận dụng lợi thế của truyền đa đường giúp tăng tốc độ truyền

dữ liệu trong khi vẫn duy trì công suất phát

1.2.2 Truyền thông không dây qua kênh truyền MIMO

Mô hình thu phát truyền thống gồm một anten phát và một anten thu (còn gọi là hệ thống SISO) thường được sử dụng cho các hệ thống truyền thông không dây Theo định lý Shanon [67], dung lượng của hệ thống SISO trong môi trường tạp âm AWGN được biểu diễn như sau:

Tổn hao không gian tự do Tổn hao không gian tự do + pha đinh che chắn Tổn hao không gian tự do + pha đinh che chắn + pha đinh nhiều tia

Khoảng cách (Logarit)

P R /P T

(dB)

𝐶 = 𝑊log2(1 + 𝑃

trong đó 𝑊 là băng thông, 𝑃 là công suất thu trung bình, 𝑁0 là mật độ phổ công suất 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 [77]:

𝐶 = log2(1 +𝑃𝑇

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

.

1

2

m

Kênh vô tuyến MIMO

Hình 1.2 Mô hình hệ thống (a) SISO và (b) MIMO

Một hệ thống kết nối không dây MIMO với m anten thu và n anten phát được mô tả

trên hình 1.2 Hệ thống MIMO đầu tiên được đề xuất trong [95] và được quan tâm đặc biệt thông qua các nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm trong những năm 1990 [25, 90] Trong mô hình MIMO ở hình 1.2(b), ta giả sử rằng:

- Máy phát truyền đi tín hiệu 𝑆 = (𝑠1, 𝑠2, … , 𝑠𝑛)𝑇 từ 𝑛 anten ở những khoảng thời gian cho trước

- Máy thu nhận được tín hiệu 𝑌 = (𝑦1, 𝑦2, , 𝑦𝑚)𝑇 , trong đó 𝑦𝑖 là sự tổng hợp của các tín hiệu được truyền 𝑆 = (𝑠1, 𝑠2, … , 𝑠𝑛)𝑇và thành phần AWGN 𝑣𝑖

- Mối quan hệ đầu ra và đầu vào của hệ thống (𝑛 + 𝑚) anten có thể được viết như sau:

giống nhau [73, 90], dung lượng của hệ thống MIMO tăng gấp min (m,n) lần so với hệ thống

SISO

1.2.3 Ưu điểm của kênh truyền MIMO

Một hệ thống kênh truyền MIMO có những ưu điểm sau [11]:

- Độ tăng ích mảng: Độ tăng ích mảng là việc tăng lên của tỷ số SNR nhận được

do hiệu ứng kết hợp của các tín hiệu vô tuyến tại máy thu Việc kết hợp tín hiệu

có thể được thực hiện thông qua xử lý tín hiệu không gian tại mảng anten thu Độ tăng ích mảng tăng cường khả năng chống nhiễu do đó giúp cải thiện vùng phủ sóng và phạm vi của mạng không dây

- Độ tăng ích phân tập: Như đã đề cập ở trên, mức tín hiệu tại máy thu trong hệ

thống vô tuyến thăng giáng do pha đinh Độ tăng ích phân tập không gian làm giảm pha đinh trên cơ sở máy thu nhận được nhiều bản sao độc lập của tín hiệu phát theo không gian, tần số hoặc thời gian Với việc tăng số lượng bản sao độc lập của tín hiệu (còn gọi là bậc phân tập), xác xuất có ít nhất một bản sao không

bị pha đinh sâu sẽ tăng lên do đó làm tăng chất lượng và độ tin cậy của của tín

hiệu thu được Kênh truyền MIMO với n anten phát và m anten thu tạo ra mxn kết nối độc lập do vậy bậc phân tập không gian sẽ là mxn

- Độ tăng ích phân kênh không gian: Hệ thống MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu

thông qua phân kênh không gian, tức là truyền cùng lúc nhiều luồng dữ liệu độc lập trên cùng băng tần hoạt động Mỗi luồng dữ liệu có chất lượng kênh ít nhất bằng với chất lượng kênh trong hệ thống SISO do đó làm tăng dung lượng hệ

thống lên gấp min (m,n) lần

- Giảm và tránh nhiễu: Nhiễu trong hệ thống vô tuyến là do nhiều người dùng

chia sẻ cùng tài nguyên tần số hoặc thời gian Hệ thống MIMO giúp giảm nhiễu

là do khai thác yếu tố không gian để làm tăng cách biệt giữa các người dùng khác nhau Việc giảm và tránh nhiễu giúp tăng phạm vi và vùng phủ của mạng vô tuyến

Nói chung, có thể không đồng thời khai thác được toàn bộ các lợi ích được nêu ở trên, tuy nhiên việc ứng dụng một vài trong số các ưu điểm trên sẽ giúp cải thiện dung lượng, tăng

độ tin cậy và vùng phủ của hệ thống vô tuyến MIMO

1.3 Hệ thống đa anten và ảnh hưởng tương hỗ

1.3.1 Giới thiệu hệ thống đa anten

Hệ đa anten là hệ mà các nguồn được kết nối với những phần tử phát xạ độc lập nhau, hoặc cùng chung một phần tử phát xạ nhưng sử dụng các thuộc tính vật lí khác nhau (khác nhau về tính phân cực, khác nhau về đồ thị bức xạ,…) còn gọi là hệ anten đa cổng (Multiport antenna - MPA)

Phần tử bức xạ(RE)

Cổng n

.

độc lập

Ta có thể phân loại hệ đa anten làm hai loại: loại sử dụng chung phần tử bức xạ và loại

sử dụng các phần tử bức xạ độc lập

- Loại sử dụng chung phần tử bức xạ có nhiều nguồn tiếp điện, sử dụng chung một phần tử bức xạ, tuy nhiên, mỗi nguồn vào sử dụng các thuộc tính bức xạ khác nhau: như là tính phân cực khác nhau, tần số khác nhau hay chế độ khác nhau (Multimode antenna - MMA, Multipolarized antenna-MPOA)

- Loại sử dụng các phần tử bức xạ độc lập nhau, như hình 1.3(b)

1.3.2 Kỹ thuật phân tập anten

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp dùng để hạn chế ảnh hưởng của pha đinh Ý tưởng cho việc phân tập là tạo ra cách kênh độc lập với nhau và pha đinh ở các kênh không xảy ra đồng thời Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của pha đinh nhiều tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải tăng công suất hay băng thông

Phân tập có thể áp dụng cho cả bên phát và bên thu Phân tập ở bên phát là một kỹ thuật liên quan đến mã không gian - thời gian còn phân tập ở bên thu cho phép thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin nhưng có ít sự tương quan về pha đinh Tín hiệu thu được bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng pha đinh ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ

Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian (phân tập anten), phân tập phân cực, phân tập góc Trong đó kỹ thuật phân tập anten (hoặc kết hợp cùng với phân tập góc và phân tập phân cực) hiện đang rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của pha đinh, đồng thời tránh lãng phí băng thông tần số - một yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm

1.3.3 Ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử trong hệ thống đa anten

1.3.3.1 Cơ chế chung gây tương hỗ giữa các phần tử anten

Khi các anten trong hệ thống được đặt gần nhau, năng lượng từ một anten cụ thể sẽ được hấp thụ bởi các anten khác Tổng năng lượng trao đổi phụ thuộc chủ yếu vào các tham

số gồm: đặc tính bức xạ của anten, sự cách ly giữa các anten và môi trường giữa các anten [8] Có thể xét ví dụ như hình 1.4, do đặc điểm phân bố dòng của anten 1, điện trường bao quanh anten hình thành bức xạ điện từ ra ngoài không gian và tác động tới anten lân cận

(anten 2 trong hình) Sự trao đổi năng lượng đó được xem là hiện tượng tương hỗ Do ảnh hưởng của hiện tượng tương hỗ, các anten đặt gần nhau sẽ thay đổi phân bố dòng dẫn đến thay đổi trở kháng vào của anten Khi có hiện tượng tương hỗ, trở kháng vào của anten không chỉ phụ thuộc vào trở kháng vào của bản thân nó mà còn phụ thuộc vào trở kháng tương hỗ

và dòng điện trên hai anten

Hình 1.4 Hệ anten MIMO hai anten đơn

Để đơn giản trong việc phân tích, giả sử một hệ anten gồm 2 phần tử Hệ anten này có thể được mô hình hóa bằng một mạng 2 cổng như hình 1.5

Quan hệ dòng điện và điện áp được xác định như sau:

Với 𝑍11 và 𝑍12 là trở kháng bản thân và trở kháng tương hỗ của cổng 1, 𝑍22 và 𝑍21 là trở kháng bản thân và trở kháng tương hỗ của cổng 2, 𝐼1 và 𝐼2 và dòng điện trên các anten thành phần

Hình 1.5 (a) Mạng hai cổng và (b) mạch tương đương hình T

Khi thực hiện tiếp điện cho các anten thành phần, trở kháng vào sẽ phải được phối hợp trở kháng với đường truyền do vậy nó sẽ trở lên rất quan trọng khi khảo sát hệ đa anten Trở lại với ví dụ trên hình 1.4, khi các anten thành phần là anten lưỡng cực nửa bước sóng, trở kháng tương hỗ tại cổng đầu vào anten 1 được xác định sử dụng phương pháp cảm ứng trường điện từ (EMF) [8], có giá trị như sau:

trong đó 𝐸𝑧21(𝑧′) là thành phần điện trường do anten 1 bức xạ có hướng song song với anten

2, 𝐼2(𝑧′) là dòng điện phân bố dọc theo anten 2, 𝑙2 là độ dài điện của anten 2, 𝐼1𝑖 và 𝐼2𝑖 là dòng điện tại cổng vào của anten 1 và anten 2

Hình 1.6 và hình 1.7 mô tả quan hệ giữa trở kháng tương hỗ giữa hai anten lưỡng cực

nửa bước sóng (l 1=l2=l) theo khoảng cách chuẩn hóa trong trường hợp h = 0 , d > 0 (hình 1.6) và d=0, s =h-l >0 (hình 1.7) sử dụng phương pháp cảm ứng điện từ và phương pháp

Mômen (MoM) Trong cả hai trường hợp, khi khoảng cách tăng, trở kháng tương hỗ giảm xuống Do đó, khi các anten thành phần hệ đa anten đặt cách xa nhau, tính năng của anten vẫn duy trì do tác động của tương hỗ nhỏ Trong trường hợp các anten thành phần đặt gần

nhau (ví dụ khi d/λ <0,25), tính năng của hệ đa anten trên phương diện công suất anten nhận được và độ tăng ích của hệ thống bị suy giảm, tác động lớn đến tỷ số SNR

Trong các ứng dụng truyền thông không dây, các thành phần của hệ đa anten thường được đặt gần nhau do đó vấn đề đặt ra là cần giảm tương hỗ giữa các thành phần này để đảm bảo các tính năng của anten không bị tác động

1.3.3.2 Tương hỗ trong anten mạch dải

Anten mạch dải được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin liên lạc không dây do

có kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và dễ dàng tích hợp với các thiết bị siêu cao tần khác Anten mạch dải có độ tăng ích nhỏ và trong thực tế một hệ thống gồm nhiều thành phần

anten thường được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi độ tăng ích lớn hoặc cho các ứng dụng MIMO Tuy nhiên, tính năng của anten có xu hướng xấu đi do sự tương tác lẫn nhau giữa các thành phần anten Hình 1.8 mô tả các nguồn gây ra tương hỗ thường gặp phải trong các

hệ đa anten mạch dải Tương hỗ này được xác định bởi trường tồn tại trên mặt phẳng tiếp giáp điện môi - không khí ở khoảng giữa hai tấm bức xạ được chia thành hai loại chính là sóng không gian (thay đổi theo khoảng cách với tỷ lệ 1/𝑟) và sóng mặt (thay đổi theo khoảng cách với tỷ lệ 1/√𝑟) [8]

Sóng không gian

Ɛ r

Hình 1.8 Các nguồn gây ra tương hỗ giữa các thành phần trong hệ đa anten mạch dải

Sóng mặt được dẫn bởi lớp điện môi và mặt phẳng đế và lan truyền dọc theo mặt tiếp giáp điện môi - không khí với mức độ suy giảm theo hàm mũ khi đi ra khỏi mặt tiếp giáp này Sóng mặt được kích thích mạnh khi anten in trên đế có hệ điện môi lớn hoặc điện môi

có độ dày lớn [9, 34] Trong trường hợp này, do sóng mặt suy hao chậm theo đường đi (có thể di chuyển ở khoảng cách vài bước sóng) [34], nên nó chiến ưu thế và gây ra tương hỗ mạnh giữa các thành phần anten Nói cách khác, sóng mặt có thể bỏ qua khi anten được in trên đế điện môi mỏng [67] và trong trường hợp tổng quát, sóng mặt có tác động ít đến tương

hỗ giữa các anten thành phần khi thỏa mãn điều kiện sau [36, 67]:

Trong khi sóng bề mặt bị kích thích yếu với đế điện môi mỏng, một cơ chế gây tương

hỗ khác chiếm ưu thế trong trường hợp này là tương tác sóng không gian [34, 67] Sóng không gian có thành phần điện trường vuông góc với đế điện môi và đóng góp vào năng lượng bức xạ ra không gian Tuy nhiên, một phần của năng lượng sóng không gian này bị suy giảm do hiện tượng tương hỗ giữa các thành phần bức xạ trong trường hợp khảo sát với một anten mảng in trên đế điện môi mỏng [67] Tương tác sóng không gian cũng tăng lên khi anten nằm trong vùng trường gần của nhau, ở đó các thành phần điện trường vuông góc của các anten tương tác với nhau do trường rìa từ các tấm bức xạ của các anten thành phần

Đối với hệ đa anten gồm 2 anten mạch dải hình chữ nhật, tương hỗ sẽ biến đổi theo cách sắp xếp của các anten thành phần Xét hai trường hợp: khi các anten đơn được đặt sao cho cùng nằm trên một đường thẳng dọc theo mặt phẳng E (gọi là sắp xếp trên mặt phẳng E

- hình 19(a)) và khi các anten đơn được đặt sao cho cùng nằm trên một đường thẳng dọc theo mặt phẳng H (gọi là sắp xếp trên mặt phẳng H - hình 1.9(b))

(a)

(b)

Hình 1.9 Sắp xếp các anten mạch dải chữ nhật (a) trên mặt phẳng E và (b) trên mặt phẳng H

Với s là khoảng cách cạnh-cạnh giữa hai anten đơn, hình 1.10 cho ta thấy khi s>0,1λ,

tương hỗ giữa các phần tử khi sắp xếp trong mặt phẳng E lớn hơn khi sắp xếp trong mặt phẳng H Trong thực tế, khoảng cách gây tương hỗ trong mặt phẳng này lớn hơn trong mặt phẳng khác còn phụ thuộc vào tính chất điện và kích thước hình học của các phần tử anten

Kết quả đo

Kết quả mô phỏng

Sắp xếp trên mặt phẳng E Sắp xếp trên mặt phẳng H

Hình 1.10 Quan hệ của tương hỗ giữa các phần tử anten theo khoảng cách [8]

Phân tích kỹ hơn về tác động của sóng mặt đối với việc sắp xếp các anten mạch dải

chữ nhật theo cách thức khác nhau Mode sóng mặt bậc thấp nhất (mode cơ bản) là TM 0 Trường bức xạ của các anten đơn sẽ là TM theo hướng truyền lan dọc mặt phẳng E và là TE theo hướng truyền lan dọc mặt phẳng H Do vậy nếu sắp xếp các anten như hình 1.9(a), trường trong không gian giữa hai anten đơn là TM dẫn đến sóng mặt bị kích thích mạnh hơn

làm tương hỗ lớn Ngược lại, nếu sắp xếp các anten như hình 1.9(b), trường trong không

gian giữa hai anten đơn là TE và không phải mode sóng mặt cơ bản (TM 0) dẫn đến tương hỗ nhỏ Tất nhiên khi lớp điện môi dầy hơn, các mode sóng mặt TE được kích thích sẽ dẫn đến tương hỗ tăng kể cả khi anten được sắp xếp trong mặt phẳng H [8]

Khi các anten sắp xếp trong mặt phẳng E với mode cơ bản, điện dẫn tương hỗ của hai anten mạch dải hình chữ nhật được xác định như sau [21]:

+ 𝐽0(𝑌 − 𝐿

𝜆0 2𝜋 sin 𝜃)} 𝑑𝜃

(1.10)

trong đó 𝑌 là khoảng cách tâm-tâm giữa các tấm bức xạ, 𝐽0 là hàm Bessel loại 1 bậc 0

Khi các anten sắp xếp trong mặt phẳng H với mode cơ bản, điện dẫn tương hỗ của hai anten mạch dải hình chữ nhật được xác định như sau [21]:

ví dụ điển hình về giá trị điện dẫn tương hỗ chuẩn hóa khi anten sắp xếp trên mặt phẳng E

và mặt phẳng H được biểu diễn trên hình 1.11

Sắp xếp trên mặt phẳng E Sắp xếp trên mặt phẳng H

Hình 1.11 Quan hệ giữa điện dẫn tương hỗ chuẩn hóa với khoảng cách giữa hai anten mạch dải

chữ nhật (W=1.186 cm, L=0.906 cm, ɛ r =2.2, λ 0 = 3cm)

Bằng cách so sánh các kết quả trên hình 1.11, có thể thấy rằng điện dẫn tương hỗ trong trường hợp các anten sắp xếp trong mặt phẳng H giảm theo khoảng cách giữa các anten, với tốc độ nhanh hơn khi sắp xếp anten trong mặt phẳng E Ngoài ra, theo [21] cho ta thấy điện

dẫn tương hỗ tỷ lệ thuận với chiều rộng phần tử bức xạ khi sắp xếp anten trong mặt phẳng E

và tỷ lệ nghịch với chiều rộng phần tử bức xạ khi sắp xếp anten trong mặt phẳng H Các kết luận này là cơ sở quan trọng để thiết kế và sắp xếp các anten đơn trong hệ đa anten ở các phần sau của luận án

1.4 Các tham số của anten MIMO

1.4.1 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 phải chú ý trong thiết kế anten MIMO Hệ

số tương quan càng nhỏ thì các tín hiệu tại đầu thu càng độc lập với nhau, sự ảnh hưởng lẫn nhau của các phần tử anten càng thấp, do đó độ tăng ích phân tập, cũng như dung lượng của

hệ thống đều tăng lên Hệ số tương quan phức 𝜌𝑖,𝑗 giữa thành phần anten i và thành phần anten j được xác định dựa theo đồ thị phương hướng bức xạ như sau [14, 26]:

𝜌𝑐,𝑖𝑗 = ∫ ∫ 𝐴02𝜋 0𝜋 𝑖,𝑗(𝜃, Φ) sin 𝜃 𝑑𝜃𝑑Φ

√∫ ∫ 𝐴𝑖,𝑖02𝜋 0𝜋 (𝜃, Φ) sin 𝜃 𝑑𝜃𝑑Φ𝐴𝑗,𝑗(𝜃, Φ) sin 𝜃 𝑑𝜃𝑑Φ (1.12) trong đó

𝐴𝑖,𝑗 = 𝑋 ⋅ 𝐸𝜃,𝑖(𝜃, Φ)𝐸𝜃,𝑗∗ (𝜃, Φ)𝑃𝜃(𝜃, Φ) + 𝐸Φ,𝑖(𝜃, Φ)𝐸Φ,𝑗∗ (𝜃, Φ)𝑃Φ(𝜃, Φ), 𝑋 là tỷ số công suất phân cực chéo, 𝐸 là đồ thị phương hướng bức xạ điện trường, Φ là góc ngẩng trong mặt

phẳng xoy theo chiều dương của trục x với 0 < Φ < 2π, 𝜃 là góc cực theo chiều dương của trục z với 0 < 𝜃 < π, và 𝑃 là hàm mật độ góc của hai mặt phẳng phân cực 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 [36]:

𝑛=1 𝑆𝑛,𝑘]𝑘=(𝑖,𝑗)

(1.14) Trường hợp anten MIMO gồm 2 phần tử anten đơn, hệ số tương quan đường bao được xác định như sau:

𝜌𝑒 = |𝑆11∗ 𝑆12+ 𝑆21∗ 𝑆22|2(1 − |𝑆11|2 − |𝑆21|2)(1 − |𝑆22|2− |𝑆12|2) (1.15) ECC có giá trị từ 0 (khi không có ảnh hưởng, hệ thống có độ tăng ích phân tập tốt nhất) tới 1 (khi ảnh hưởng lẫn nhau lớn nhất, hệ thống không có độ tăng ích phân tập) Hệ thống MIMO đáp ứng được yêu cầu cho hệ thống liên lạc không dây thì ECC phải nhỏ hơn 0,5 [39]

1.4.2 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 tới một cổng cụ thể của anten thu và công suất nhận được trung bình của một anten tham chiếu trong điều kiện anten tham chiếu sử dụng trên cùng kênh truyền và với cùng anten phát MPA [20]

Ngoài ra, MEG 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 MEG là tham số quan trọng để quyết định quỹ đường truyền của hệ thống vô tuyến

1.4.3 Dung lượng hệ thống

Ưu điểm chính của một hệ thống MIMO là nó cung cấp một dung lượng kênh được cải thiện trong môi trường đa đường so với một hệ thống SISO Do đó, giới hạn dung lượng kênh của một hệ thống MIMO cũng là một thước đo hiệu năng của hệ thống Dung lượng kênh của một hệ thống MIMO phụ thuộc vào ma trận kênh và đó là hàm phụ thuộc vào đặc tính bức xạ của anten thành phần và môi trường kênh Trong trường hợp của một 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 như sau:

𝐶 = log2det (𝑰𝑁+ 𝜌

trong đó 𝜌 là giá trị SNR trung bình, H là ma trận kênh và (∙)H là chuyển vị Hermition

Trong trường hợp không có sự tương quan của các sóng phát đi/ sóng tới, các anten thành phần có hệ số tương quan bằng không ở cả phía phát và thu, với công suất và giá trị

độ tăng ích hiệu quả trung bình chuẩn hóa tương tự, biến 𝑯𝑯𝐻 trở thành ma trận đơn vị, khi

đó dung lượng kênh tăng tuyến tính so với một hệ thống SISO khi số lượng các anten thành phần tăng Phương trình (1.17) vì thế trở thành:

𝐶 = 𝑁 log2(1 + 𝜌

Đây là dung lượng kênh lý tưởng của một hệ thống MIMO Giới hạn này không bao giờ đạt được vì luôn luôn tồn tại tương hỗ giữa các kênh và hệ số tương quan giữa các anten thành phần luôn khác không Tương hỗ càng cao giữa các anten thành phần và tương quan càng lớn giữa các kênh dẫn đến kết quả là làm giảm hiệu quả của hệ thống MIMO Trong môi trường tầm nhìn thẳng (LOS), giả sử khi tất cả các kênh đều hoàn toàn tương quan, hiệu quả của anten MIMO sẽ không còn nữa Hiệu quả thực sự của anten MIMO chỉ phát huy trong môi trường đa đường chẳng hạn như trong các ứng dụng thông tin di động Trong môi

trường như vậy, các ma trận H chứa các thông tin của mối tương quan giữa các kênh khác nhau do anten cũng như do môi trường truyền dẫn Vì vậy, việc xác định ma trận kênh H

của một hệ thống MIMO hoạt động trong một môi trường cụ thể sẽ rất quan trọng vì nó liên quan đến dung lượng kênh của anten trong môi trường đó Nhiều nghiên cứu đã đưa ra các

phương pháp mô hình hóa kênh truyền khác nhau để xác định ma trận H trong môi trường

đa đường, chẳng hạn như trong [107]

1.5 Các kỹ thuật cải thiện cách ly cho anten MIMO

Tương hỗ giữa các phần tử anten trong anten MIMO ảnh hưởng đến hiệu suất anten bởi vì một phần công suất vào đã không được bức xạ mà bị tổn hao do hấp thụ bởi các phần

tử lân cận Hơn nữa, ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử làm tăng tương quan giữa các đồ thị bức xạ và vì vậy làm giảm đặc tính bức xạ của anten [82] Một số kỹ thuật đã được đề xuất để giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử hay cải thiện cách ly của anten MIMO, bao gồm [74, 82]:

(1) Thay đổi hướng đặt anten (Orientation)

(2) Sử dụng mạng cách ly (Decouping Network)

(3) Sử dụng phần tử ký sinh (Parasitic Element)

(4) Sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS)

(5) Sử dụng đường trung tính (Neutralization Line)

1.5.1 Hướng đặt anten

Hướng đặt các phần tử anten rất quan trọng trong anten MIMO Nếu anten hoạt động

ở tần số cao (trên 1 GHz) thì khi đặt các phần tử anten xa nhau (ví dụ đặt ở cạnh/góc thiết

bị) thường sẽ cải thiện hệ số cách ly của anten MIMO Hơn nữa, hướng đặt anten có thể tạo

ra sự trực giao phân cực và pha phân bố dòng điện do đó giúp cải thiện được cách ly và giảm

hệ số tương quan của anten MIMO Đối với dải tần số thấp, hướng đặt anten thường không

đủ để cải thiện cách ly khi mặt phẳng đế trở thành một phần của cấu trúc bức xạ và ảnh hưởng của dòng điện ở mặt đế sẽ trở nên nghiêm trọng hơn Vì vậy, một số kỹ thuật khác có thể được sử dụng như cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo hay đường trung tính [82]

Tiếp điện 1 Tiếp điện 2

h=1,1; đơn vị mm) [72]

Tài liệu [72] giới thiệu một mô hình anten MIMO (kích thước 60 x 60 mm2) sử dụng phương pháp đặt hướng anten nhằm giảm ảnh hưởng tương hỗ Cụ thể, hai anten đơn cực dạng gấp được đặt vuông góc với nhau để đạt được hệ số cách ly cao Ngoài ra, một đoạn vi dải được sử dụng để nối hai điểm tiếp điện nhằm triệt tiêu tương hỗ giúp tăng hệ số cách ly giữa các cổng Anten hoạt động trong dải tần từ 2,4 đến 2,5 GHz, bảo phủ toàn bộ dải tần của hệ thống WLAN Hệ số cách ly giữa các cổng tiếp điện đạt trên 25 dB tại tần số trung tâm Mô hình anten và kết quả đo tham số tán xạ S của anten được trình bày ở hình 1.12 1.5.2 Mạng cách ly

Mạng cách ly

Mạng PHTK

Mạng PHTK

Hình 1.13 Mạng cách ly sử dụng các phần tử điện kháng [15]

Mạng cách ly là một giải pháp nhằm tăng cường cách ly giữa các cổng của anten MIMO mà không can thiệp vào cấu trúc bức xạ của nó Mạng cách ly sẽ bổ sung thành phần điện kháng tại mạng tiếp điện của anten MIMO do đó triệt tiêu được điện kháng tương hỗ giữa các phần tử anten đơn, kết quả là làm tăng hiệu suất bức xạ và giảm tương quan về đồ thị bức xạ của anten MIMO Sử dụng mạng cách ly thường kèm theo với một mạng phối hợp trở kháng để tăng cường sự phối hợp trở kháng ở đầu vào các cổng anten

Hình 1.13 mô tả sơ đồ khối mô hình sử dụng mạng cách ly để tăng cường hệ số cách

ly giữa các cổng của hệ anten hai cổng [15] Ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử liền kề trong anten MIMO hay mảng anten được mô tả bởi hệ số 𝑆𝑖𝑗 trong ma trận tán xạ 𝑆𝐴 của hệ anten Mạng cách ly sẽ giúp giảm hay loại bỏ các giá trị khác 0 của các hệ số 𝑆𝑖𝑗 nhưng sẽ làm thay đổi giá trị 𝑆𝑖𝑖 tại cổng vào của nó (𝑆𝐵) Các hệ số phản xạ sau khi thêm mạng cách

ly có thể giảm về 0 bằng cách sử dụng mạng phối hợp trở kháng cho mỗi cổng (ma trận 𝑆) của hệ anten

Trong ví dụ ở hình 1.13, mạng cách ly bao gồm hai đường truyền và một thành phần điện kháng, trong khi đó, mạng phối hợp trở kháng tại mỗi cổng có thể được thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng các phần tử tập trung Giả sử hai anten là giống nhau và được phối hợp trở kháng tốt ở cổng vào tiếp điện, ma trận tán xạ tại điểm tham khảo t1 được cho bởi:

[𝑆𝐴] = [ 0 𝛼𝑒𝑗𝜙

Với 𝛼 và 𝜙 là biên độ và pha của hệ số tương hỗ Mạng cách ly trong ví dụ này gồm hai đường truyền với mục đích để chuyển đổi giá trị của hệ số tương hỗ thành một giá trị thuần ảo Giá trị này có thể bị triệt tiêu bởi một điện kháng mắc song song Vì vậy, sau khi thêm hai đường truyền với trở kháng đặc tính Z0 và độ dài điện 𝜃, ma trận tán xạ tại điểm tham khảo t2 trở thành:

Từ các giá trị của 𝜃 và 𝐵, ta xác định được giá trị của 𝑆𝑖𝑖

Hình 1.15 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tổn hao ngược và cách ly của anten MIMO không

có mạng cách ly [15]

Kỹ thuật mạng cách ly sử dụng nguyên tắc phân tích ở trên được áp dụng trong thiết

kế anten MIMO được trình bày ở hình 1.14 [15] Anten gồm hai phần tử bức xạ hoạt động

ở tần số 2,45 GHz với khoảng cách giữa hai phần tử bức xạ là 0,0690 Hình 1.15 và 1.16 biểu diễn kết quả mô phỏng và đo tham số tán xạ của anten khi không có và khi có mạng cách ly Trường hợp anten MIMO không có mạng cách ly, hệ số cách ly giữa hai cổng tiếp điện dưới mức chấp nhận được, khoảng 3dB (hình 1.15) Khi sử dụng mạng cách ly, hệ số cách ly đã được cải thiện hơn 30 dB ở tần số trung tâm như biểu diễn ở hình 1.16

Hình 1.16 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tổn hao ngược và cách ly của anten MIMO khi có

mạng cách ly [15]

1.5.3 Phần tử ký sinh

Một phương pháp khác để giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ là sử dụng phần tử ký sinh giữa các phần tử anten 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 nhau và làm giảm thành phần trường tương hỗ gốc ban đầu, vì vậy sẽ làm giảm tương hỗ tổng thể trên anten bị ảnh hưởng Thông thường, các phần tử ký sinh không kết nối vật lý với các anten [64, 107] hoặc được nối với mặt phẳng đế để tạo thành dạng cộng hưởng [4, 46, 100] Các phần tử ký sinh này được thiết kế để điều khiển dải tần cách ly, băng thông và mức độ giảm tương hỗ

Lưỡng cực A Lưỡng cực B

Cổng B Cổng A

Phần tử ghép nối C

Cổng B Cổng A

Hình 1.17 Tương hỗ giữa hai anten lưỡng cực đặt gần nhau và tương hỗ giữa hai anten lưỡng cực

khi có thêm phần tử ký sinh [64]

Ý tưởng sử dụng một phần tử ký sinh để giảm ảnh hưởng tương hỗ là tạo ra trường ngược với trường bức xạ ban đầu của như mô tả ở hình 1.17 Trong mô hình này, hai anten lưỡng cực được đặt rất gần nhau Khi anten lưỡng cực A được tiếp điện và anten lưỡng cực

B nối tải, một vector mật độ dòng J được tạo ra trên nhánh của lưỡng cực A và cảm ứng một dòng tương hỗ mạnh tỷ lệ với dòng kích thích 𝐼𝑒𝑥𝑐𝑖𝑡𝑒𝑑 trên anten A thông qua hệ số tương

hỗ 𝛼 và ngược pha 1800 với dòng kích thích như mô tả ở hình 1.17 Vì vậy:

Giả sử trong trường hợp này không áp dụng được phương pháp đặt hai anten vuông góc nhau hoặc tăng khoảng cách để giảm ảnh hưởng tương hỗ, ở đây một phần tử ký sinh được sử dụng để cải thiện cách ly Đặt một phần tử ký sinh (C) giữa hai anten để tạo thành một nguyên lý (cơ chế) tương hỗ khác Trong khi anten A tương hỗ với anten B theo hệ số tương hỗ 𝛼 (vốn phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai anten cũng như loại anten và cơ chế tương hỗ), anten A sẽ tương hỗ với phần tử ký sinh C theo hệ số tương hỗ 𝛽 Vì vậy, dòng điện cảm ứng trên phần tử tương hỗ quan hệ với dòng kích thích từ anten A như sau:

Dòng điện cảm ứng trên phần tử ký sinh C (giả sử đặt ở điểm giữa anten A và B) sẽ tương hỗ với phần tử anten B, vì vậy sẽ tạo ra dòng điện ngược pha 1800 trên phần tử B theo biểu thức:

Điều này có nghĩa tổng dòng điện tương hỗ trên phần tử B phụ thuộc vào hai cơ chế tương hỗ, (1) tương hỗ trực tiếp từ phần tử A và (2) tương hỗ từ phần tử ký sinh C Tổng dòng điện tương hỗ trên phần tử B:

𝐼𝑐𝑜𝑢𝑝𝑙𝑒𝑑−𝐵 = 𝐼𝑐𝑢𝑜𝑝𝑙𝑒𝑑−𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡 + 𝐼𝑐𝑜𝑢𝑝𝑙𝑒𝑑−𝑐𝑎𝑛𝑐𝑒𝑙 = (−𝛼 + 𝛽2)𝐼𝑒𝑥𝑐𝑖𝑡𝑒𝑑 (1.31) Giá trị của 𝛽 là một đặc tính của phần tử ký sinh và có thể điều chỉnh để triệt tiêu ảnh hưởng tương hỗ trực tiếp giữa hai anten Cần lưu ý khi sử dụng phương pháp này vì phần tử

ký sinh cũng sẽ tương hỗ với anten được kích thích (tiếp điện), do vậy nó sẽ ảnh hưởng đến phân bố dòng điện và trở kháng của anten

Một số công trình nghiên cứu sử dụng phần tử ký sinh để cải thiện hệ số cách ly cho anten MIMO [4, 107] Ở nghiên cứu [107], anten MIMO hai phần tử gồm hai anten khe đặt đối xứng nhau, tiếp điện độc lập bằng đường vi dải 50  Hai phần tử ký sinh được thêm vào nhằm giảm ảnh hưởng tương hỗ (hình 1.18) Tác dụng của các phần tử ký sinh tới phối hợp trở kháng và tương hỗ được trình bày qua kết quả mô phỏng ở hình 1.20 Phần tử ký sinh đã cải thiện được gần 15 dB hệ số cách ly so với trường hợp không sử dụng phần tử ký sinh Kết quả mô phỏng phân bố dòng ở hình 1.19 cho thấy, khi phần tử 1 được kích thích, dòng cảm ứng ở phần tử 2 rất mạnh khi không có phần tử ký sinh Tuy nhiên, dòng cảm ứng này giảm đi đáng kể trên phần tử 2 khi anten MIMO sử dụng phần tử ký sinh

Phần tử kí sinh

Khe bức xạ

Lỗ via

Cổng 1

Cổng 2

Hình 1.18 Mô hình anten MIMO hai khe

bức xạ với phần tử đơn cực ký sinh [107]

Hình 1.19 Phân bố dòng điện ở trên anten MIMO không có và có phần tử đơn cực ký sinh [107]

Hình 1.20 Kết quả mô phỏng tham số tán xạ khi không có và có phần tử đơn cực ký sinh [107]

Một nghiên cứu khác về sử dụng phần tử ký sinh đặt đồng phẳng với phần tử bức xạ [4] Trong nghiên cứu này, một cấu trúc cộng hưởng dạng khe gấp khúc (SMLR) có vai trò như một bộ lọc loại bỏ băng tần được đặt giữa hai phần tử bức xạ (hình 1.21) Hình 1.22 mô

tả phân bố dòng điện của mảng anten khi chưa có và khi có cấu trúc SMLR Ta thấy rằng khi một phần tử bức xạ, dòng cảm ứng sẽ bị cấu trúc SMLR giam giữ và do đó không tương

hỗ sang phần tử lân cận

Hình 1.21 Cấu trúc SMLR đề xuất đặt giữa hai phần tử anten vi dải [4]

Hình 1.22 Phân bố dòng điện của anten (a) khi không có cấu trúc SMLR và (b) khi có cấu trúc

SMLR [4]

Kết quả mô phỏng ở hình 1.23 cho thấy, anten MIMO khi có cấu trúc SMLR có hệ số cách ly cải thiện được 16 dB so với khi không có cấu trúc SMLR, với khoảng cách từ cạnh tới cạnh phần tử bức xạ là 7 mm (0,110) Các kết quả đo thực nghiệm đã chứng minh được tính khả thi của thiết kế khi khá tương đồng với các kết quả mô phỏng

Hình 1.23 Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của anten khi không có và có cấu trúc SMLR [4]

1.5.4 Cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo

Mặt phẳng đế ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính của anten mạch in khi nó có vai trò như đường dẫn của dòng điện phản hồi và đôi khi trở thành một phần của cấu trúc bức xạ khi anten hoạt động ở tần số thấp Do các anten MIMO dạng mạch in có chung mặt phẳng đế, dòng cảm ứng trên mặt phẳng đế có thể dễ dàng tương hỗ với phần tử anten lân cận gây nên ảnh hưởng tương hỗ cao, từ đó làm giảm đặc tính cách ly và tương quan của anten MIMO

Anten 1 Anten 2

Anten 3 Phiến

tiếp điện Anten 4

Khe tiếp

điện

Anten 2

Dãy các khe Anten 3

Hình 1.25 Phân bố dòng điện trên mặt đế của anten khi không có và khi có dãy các khe DGS [53]

Một nghiên cứu về anten MIMO sử dụng mặt đế không hoàn hảo được trình bày trong [53] Anten gồm 4 phần tử bức xạ kiểu anten khe, tiếp điện độc lập bằng các đường vi dải Cấu trúc DGS được thực hiện bằng hai dãy khe khoét đặt giữa hai anten khe 2 và anten khe

3 ở mặt phẳng đế (hình 1.24) Từ kết quả mô phỏng phân bố dòng điện được biểu diễn ở hình 1.25, khi không có dãy các khe, dòng cảm ứng mạnh từ anten khe được truyền xuống mặt phẳng đế và anten khe khác Khi có dãy các khe, dòng cảm ứng tập trung quanh dãy các khe và không ảnh hưởng đến các phần tử bức xạ lân cận Do vậy, ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ của anten đã giảm đáng kể Cấu trúc cải thiện cách ly này rất hiệu dụng trong trường hợp ảnh hưởng tương hỗ gây nên bởi dòng cảm ứng mạnh ở mặt phẳng đế Kết quả đo thực nghiệm ở hình 1.26 đã chứng minh được tác dụng của cấu trúc DGS khi cải thiện được 10 dB hệ số cách ly và đạt trên 25 dB giữa các cổng bất kỳ mà không cần tăng khoảng cách giữa các phần tử bức xạ

Việc lựa chọn điểm đặt đường trung tính là quan trọng nhất ở phương pháp này Thông thường, vị trí đặt đường trung tính trên phần tử bức xạ phải có trở kháng cực tiểu và dòng điện cực đại Băng thông hiệu dụng của kỹ thuật đường trung tính phụ thuộc vào sự thay đổi của trở kháng tại điểm lựa chọn Do đó, một điểm có trở kháng thấp trên phần tử bức xạ với trở kháng ổn định suốt dải tần hoạt động được chọn là điểm bắt đầu của đường trung tính

Đường trung tính

(rộng 0,3 mm)

Anten đơn cực 1 đơn cực 2Anten

Mặt phẳng đế

Cổng 1 Cổng 2

Hình 1.27 Mô hình anten MIMO sử dụng đường trung tính [88]

Điểm lựa chọn trên anten bị cảm ứng phải có dòng cảm ứng lớn Chiều dài của đường trung tính được chọn sao cho đảo pha được dòng điện để khử thành phần dòng cảm ứng Phương pháp cải thiện ảnh hưởng tương hỗ sử dụng đường trung tính là một phương pháp đơn giản nhưng nó có một số hạn chế Đầu tiên, việc lựa chọn điểm bắt đầu tại anten bức

xạ là quá trình phức tạp Cần phải phân tích chi tiết phân bố dòng trên anten bức xạ để tìm được vị trí này Thứ hai, cơ chế bức xạ của anten có thể hạn chế hiệu quả của kỹ thuật nâng cao hệ số cách ly này Trong một số trường hợp, mặt phẳng đế đóng vai trò chính trong cơ chế bức xạ (đặc biệt ở dải tần số thấp), vì vậy loại bỏ dòng cảm ứng là chưa đủ và có thể chưa nâng cao được cách ly trong trường hợp này Thứ ba, mỗi đường trung tính chỉ tác động cho một băng tần vì vậy kỹ thuật này sẽ khó ứng dụng được trong các thiết kế anten đa băng tần

Hình 1.27 Biểu diễn mô hình anten MIMO sử dụng đường trung tính để giảm thiểu tương hỗ [88] Anten gồm hai phần tử bức xạ đơn cực đặt đối xứng nhau và nằm về hai phía cạnh của anten Một đường trung tính được thêm vào cấu trúc và nối hai phần tử bức xạ với nhau Kết quả mô phỏng tham số tán xạ S của anten MIMO khi không có và có đường trung tính được trình bày ở hình 1.28 Hệ số cách ly của anten khi có đường trung tính đạt 19 dB

và cải thiện được 9 dB so với trường hợp không có đường trung tính

(không có đường trung tính) [88]

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP SỬ DỤNG PHẦN TỬ KÝ SINH TRONG THIẾT

KẾ ANTEN MIMO BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này, giải pháp sử dụng phần tử ký sinh có cấu trúc bộ cộng hưởng đa mode (MMR) và cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch được phân tích và được áp dụng trong việc giảm ảnh hưởng tương hỗ khi thiết kế hai mô hình anten MIMO cho hệ thống thông tin băng thông siêu rộng

Mô hình thứ nhất là anten MIMO 4×4 cho hệ thống băng thông siêu rộng UWB (3,1 GHz– 10,6 GHz) Trong mô hình này, bốn phần tử anten UWB đơn được đặt trên cùng một

đế điện môi và lần lượt xoay góc 900 để tạo ra từng cặp anten ngược chiều nhau và vuông góc với cặp anten còn lại Anten đơn của mô hình anten MIMO được thiết kế dựa trên công nghệ vi dải phẳng-đơn cực, áp dụng nguyên lý biến đổi từ từ để mở rộng băng thông Băng tần hệ thống WLAN (5,5 GHz) bị loại bỏ trong dải tần hoạt động của hệ thống thông tin băng thông siêu rộng nhờ sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ (EBG) đặt ở hai bên đường tiếp điện vi dải Với sự sắp xếp trên, ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ khác nhau là khác nhau Cụ thể, ảnh hưởng giữa hai anten đồng phân cực (cùng phương) sẽ rất lớn, trong khi giá trị này đối với các anten trực giao phân cực (vuông góc nhau) sẽ nhỏ và thỏa mãn yêu cầu cách ly trong anten MIMO Để giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ đồng phân cực, phần tử ký sinh có cấu trúc bộ cộng hưởng đa mode được đặt ở không gian giữa các anten Phần tử ký sinh này hoạt động như một bộ lọc chắn dải có tần số trung tâm tại tần số mà ảnh hưởng tương hỗ là lớn nhất Kết quả, anten MIMO được thiết kế có khả năng hoạt động tốt ở dải tần của hệ thống thông tin UWB Bên cạnh đó, các đặc tính cách ly

và tương quan bức xạ của mô hình thiết kế cũng thỏa mãn các yêu cầu nhờ giảm thiểu được ảnh hưởng tương hỗ

Mô hình anten thứ hai được thiết kế để hoạt động ở dải tần của hệ thống băng thông cực kỳ rộng EWB (2,7 GHz– 20 GHz) Anten MIMO gồm hai phần tử bức xạ đặt song song trên cùng đế điện môi Khe chữ V-ngược được khoét trên bề mặt của phần tử bức xạ để loại

bỏ dải tần WLAN của hệ thống EWB Để đảm bảo kích thước nhỏ gọn của mô hình MIMO với khoảng cách giữa hai phần tử bức xạ chỉ là 0,140 tại tần số trung tâm 10 GHz, phần tử

ký sinh có cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch được đặt giữa và đồng phẳng với hai phần tử bức xạ nhằm giảm ảnh hưởng tương hỗ của hai phần tử bức xạ này Anten MIMO với phần

tử ký sinh có băng thông hoạt động bao phủ dải tần của hệ thống EWB, đồng thời đảm bảo cách ly các cổng và tương quan về đồ thị bức xạ của các phần tử

Hai mô hình anten MIMO đều được phân tích, khảo sát bằng mô phỏng và kiểm chứng bằng đo thực nghiệm Các kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm là khá tương đồng, chứng minh tính khả thi của việc sử dụng các cấu trúc ký sinh đề xuất trong các các mô hình anten MIMO băng thông siêu rộng

2.2 Nguyên lý hoạt động của một số cấu trúc phần tử ký sinh

Như đã trình bày ở mục 1.5.3, phần tử ký sinh được xem là một giải pháp hữu hiệu để giảm ảnh hưởng tương hỗ trong anten MIMO Phần này sẽ phân tích hai cấu trúc phần tử ký sinh có dạng bộ cộng hưởng MMR và dạng hai dây chêm ngắn mạch hoạt động như các bộ lọc chắn dải để giúp giảm thiểu tương hỗ giữa các anten thành phần trong anten MIMO 2.2.1 Phần tử ký sinh có cấu trúc bộ cộng hưởng MMR

Mô hình phần tử ký sinh có cấu trúc bộ cộng hưởng MMR được biểu diễn trên hình 2.1 [24, 63, 92]

Z 1

L1

L2 W2

W1

Ls Ws

Zs, ϴs Z1, ϴ 1

Z 2 , ϴ 2

Z1, ϴ 1

Zs, ϴs

(a) (b) Hình 2.1 (a) Mô hình và (b) sơ đồ mạch của cấu trúc bộ cộng hưởng MMR

Trong đó:

đầu cấu trúc

Do tính chất đối xứng, ta sẽ sử dụng mode chẵn lẻ để phân tích bộ cộng hưởng MMR như biểu diễn ở hình 2.2(a)

Khi mode lẻ được kích thích, hình thành mặt phẳng ngắn mạch dọc theo đường AA’ (hình 2.2 (b)) Dẫn nạp vào Yodd được xác định như sau:

Tần số cộng hưởng mode lẻ chỉ phụ thuộc vào chiều dài nhánh chính của bộ cộng hưởng

(L 1) và được xác định như sau:

𝑓0 =1

2(𝑓𝑜𝑑𝑑1+ 𝑓𝑒𝑣𝑒𝑛1)

(2.8)

Đồng thời, bộ cộng hưởng cũng có các tần số cộng hưởng bậc cao là trung tâm của các

cặp tần số f odd2 và feven2 , f odd3 và feven3,…và hình thành các dải chắn nằm giữa các tần số cộng hưởng này

Ngoài ra, các dải chắn sẽ có băng thông rộng hơn nếu tần số cộng hưởng của nhánh giữa nằm trong vùng các dải chắn nêu trên [63] Tần số cộng hưởng của nhánh giữa được xác định như sau:

𝑓𝑍𝑃 = (2𝑛 − 1)𝑐4𝐿2√𝜀𝑟+ 1

2

(2.9)

Như vậy, trong trường hợp muốn thiết kế bộ cộng hưởng MMR hoạt động như một bộ lọc chắn dải có dải chắn thuộc một vùng tần số nhất định, dựa vào các công thức (2.4), (2.6)

và (2.9) ta có thể xác định được các tham số về kích thước của bộ cộng hưởng

2.2.2 Phần tử ký sinh có cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch

Mô hình và sơ đồ mạch điện của phần tử ký sinh có cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch được mô tả trên hình 2.3 [62, 109]

(a) (b) Hình 2.3 (a) Mô hình và (b) sơ đồ mạch của cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch

Trong đó:

đầu cấu trúc

- g là khoảng cách giữa hai dây chêm

Do tính chất đối xứng, ta sẽ sử dụng mode chẵn lẻ để phân tích cấu trúc như biểu diễn

với 𝑌1𝑜 là dẫn nạp đặc tính mode lẻ của dây chêm, 𝜃1𝑜 là độ dài điện mode lẻ của dây chêm

Khi mạch cộng hưởng thì Y odd =0 Từ phương trình trên ta có:

Khi mode chẵn được kích thích, hình thành mặt phẳng hở mạch dọc theo đường AA’ (hình 2.4(c)) Dẫn nạp vào Yeven được xác định như sau:

với 𝑌1𝑒 là dẫn nạp đặc tính mode chẵn của dây chêm, 𝜃1𝑒 là độ dài điện mode chắn của dây

chêm Khi mạch cộng hưởng thì Y even =0 Từ phương trình trên ta có:

2.3 Anten MIMO-UWB 4×4 loại bỏ băng tần WLAN

Như ta đã biết, sự kết hợp của công nghệ UWB vào các hệ thống MIMO đã khắc phục hạn chế của các hệ thống thông tin trong cự ly ngắn do công suất phát thấp của chúng phải thấp để tránh gây nhiễu cho các hệ thống thông tin lân cận Trong các anten MIMO, các phần

tử anten được thiết kế phải đảm bảo cho độ cách ly của chúng phải lớn hơn 15 dB, do đó về

lý thuyết, các anten này được đặt cách nhau ít nhất nửa bước sóng của tần số hoạt động thấp nhất Tuy nhiên, điều này khiến cho kích thước của anten MIMO tăng lên đáng kể Vì vậy, mục tiêu hàng đầu của việc thiết kế anten MIMO là vừa thu nhỏ kích thước vừa đảm bảo độ

hệ số cách ly giữa các phần tử anten đủ lớn

Việc giảm ảnh hưởng tương hỗ và tăng độ cách ly của các phần tử anten trong anten MIMO bằng cách tăng khoảng cách giữa chúng là không khả thi do kích thước của các thiết

bị không dây phải nhỏ gọn [70] Do đó, các tài liệu tham khảo [52, 55, 57, 70, 102] đã đưa

ra một số giải pháp thay thế Trong [55], một đoạn chêm chữ Y ngược được thêm vào mặt đáy giữa hai phần tử anten UWB-MIMO Trong mô hình anten ở tài liệu [52], hai khe hẹp được cắt ở mặt đáy Ở dải tần thấp, các khe này làm giảm độ lớn của dòng cảm ứng giữa các phần tử anten, đồng thời chúng cũng gây ảnh hưởng nhỏ tới hệ số phản xạ Tại dải tần cao, các khe này hoạt động giống như các anten dải nhỏ góp phần tăng băng thông của anten vì

cả hai dải này đều được tiếp điện bởi các đường vi dải có trở kháng 50 Ω Mặt phẳng đế của

mô hình anten được khoét hai hình tam giác nhằm cải thiện hệ số phản xạ cũng như độ cách

ly của hai anten dải Ngoài ra, để tăng cường cách ly cũng như cải thiện băng thông của anten UWB, người ta còn nối các mặt đáy của từng anten bằng các dây chêm để tạo ra mặt đáy hiệu dụng chung lớn hơn cho các anten này [57]

Trong các thiết kế trước đây [52, 57, 70], các anten 2×2 MIMO-UWB không cải thiện được đáng kể chất lượng của các kênh truyền Ngoài ra, một số thiết kế còn lãng phí băng thông do không hoạt động trên toàn dải tần FCC cấp phép cho các hệ thống UWB [76, 81,

96, 101] Trong một thiết kế khác [55], một anten MIMO bốn phần tử có độ cách ly tốt hơn

20 dB do sử dụng các đường gián đoạn giữa các phần tử và ở mặt đáy Tuy nhiên, anten này không hoạt động được trên cả dải tần UWB mà chỉ từ 2,0 đến 6,0 GHz

Phần tiếp theo của chương này sẽ giới thiệu một anten MIMO-UWB 4×4 kích thước nhỏ gọn (60 mm × 60 mm) có khả năng tích hợp tốt trong các thiết bị không dây di động, đồng thời có khả năng loại bỏ dải tần WLAN Mô hình anten đạt được độ cách ly trên 15 dB trên toàn dải UWB từ 2,73 đến 10,68 GHz và loại đi dải băng tần WLAN từ 5,36 đến 6,04 GHz Kết quả đạt được là do sử dụng phần tử ký sinh có cấu trúc bộ cộng hưởng đa mode hoạt động như một bộ lọc chắn dải tại tần số có ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten

là cao nhất (6,7 GHz) Ngoài ra, để loại bỏ băng tần WLAN, một cấu trúc chắn dải điện từ (EBG) được đưa vào mô hình nhằm bảo toàn đồ thị bức xạ của anten MIMO mà không cần phải cắt các khe nhỏ trên phần tử bức xạ [58]

Xuyên suốt quá trình thiết kế, hai thông số rất quan trọng, có ý nghĩa nhất đối với anten

vi dải băng thông siêu rộng là hệ số phản xạ (S11) và đồ thị bức xạ phương hướng Hệ số phản xạ phải nhỏ hơn hoặc bằng mức −10 𝑑𝐵 và anten bức xạ đẳng hướng Đối với hệ số tăng ích G, anten băng thông siêu rộng không yêu cầu quá cao do khoảng cách truyền phát tín hiệu ngắn, thông thường là nhỏ hơn 4 dBi Quá trình thiết kế và phân tích được thực hiện theo những bước sau đây:

 Xem xét các yêu cầu kỹ thuật của anten để lựa chọn anten thích hợp

Mô hình anten vi dải có thể được tích hợp cho các thiết bị di động sử dụng công nghệ băng thông siêu rộng Mô hình anten vi dải thiết kế là một anten đơn cực bức xạ đẳng hướng với kích thước nhỏ, cấu trúc đơn giản và được sản xuất bằng công nghệ mạch in nên giá thành rẻ Với cấu trúc phẳng, anten cũng có thể được dụng trong các thiết bị của hệ thống máy tính cá nhân hoặc các thiết bị cầm tay,

 Chọn nguyên lý tạo anten băng rộng thích hợp để thiết kế

Về lý thuyết, có 3 nguyên lý cơ bản để tạo băng rộng cho anten: nguyên lý biến đổi từ

từ, nguyên lý tương tự, nguyên lý tự bù [8, 44] Trên thực tế, các nhà thiết kế có thể sử dụng rất nhiều kỹ thuật khác nhau để tạo băng rộng cho anten Trong mô hình thiết kế anten vi dải