Các phần tử anten riêng iệt trong một mảng đƣợc cấp điện ằng một mạng cấp điện. Sự phức tạp của mạng cấp điện phụ thuộc vào số lƣợng các
yếu tố, iên độ và / hoặc ph n phối pha giữa các yếu tố, ….Mạng cấp điện là phần phức tạp nhất của mảng.
Vấn đề thiết kế mạng đƣờng truyền cung cấp các òng điện có iên độ và pha cho trƣớc tại mỗi phần tử có thể rất phức tạp vì:
- Trở kháng vào của mỗi phần tử chịu ảnh hƣởng của trở kháng tƣơng hỗ với tất cả các phần tử khác
- Trƣờng hợp yêu cầu sự k ch th ch không đ ng nhất cần sử ụng một số ạng mạch chia công suất với t n hao thấp
- Sự ảnh hƣởng của ải tần công tác lên sự phối hợp trở kháng
+ Phƣơng thức t ng quát: Chia mảng thành nhóm hoặc vùng tùy theo sự đối kháng chung của mảng. Các vùng tƣơng tự nhau sẽ đƣợc nuôi ởi các mạng nuôi đối xứng.
VD: Mảng 9 phẩn tử đƣợc chia thành 3 nhóm, mỗi nhóm đƣợc nuôi ởi một đƣờng truyền đơn. Nhờ vậy sự k ch th ch của mảng sẽ có t nh đối xứng cao, không phụ thuộc vào ảnh hƣởng của sự phối hợp trở kháng và trở kháng tƣơng hỗ.
2.3. ứn ụn anten m n ron 3 , 4 2.3.1. T ự r n n n ộn n ày n y
Trong thông tin vô tuyến thì thông tin i động là lĩnh vực phát triển nhanh nhất trong những năm gần đ y. Các hệ thống thông tin i động cung cấp các ịch vụ ngày càng sát với mạng cố định về mặt tốc độ. Với thế hệ sau 3G và 4G có thể đạt đƣợc tốc độ số liệu từ 10-100M /s. Để đạt đƣợc điều này phải sử ụng các công nghệ không y tiên tiến nhằm cải thiện cao nhất hiệu suất sử ụng ph tần. Các công nghệ không y thế hệ mới đều sử ụng các kỹ thuật tiên tiến nhất đƣợc nghiên cứu trong những năm gần đ y nhƣ OFDMA, SCFODMA, MIMO, lập iểu phụ thuộc kênh, truyền ẫn th ch ứng và HARQ.
Điều này ắt uộc các nhà cung cấp ịch vụ phải tìm kiếm các công nghệ mới nhằm sử ụng một cách hiệu quả nhất ph tần của h và n ng cao ung lƣợng hệ thống cũng nhƣ chất lƣợng ịch vụ. Một trong những giải pháp hiệu quả nhất cho vấn đề này là cải tiến công nghệ chế tạo anten cho hệ thống. Với vai trò quan tr ng của anten trong hệ thống thông tin vô tuyến thì ản thân anten cần có những thay đ i, cải tiến để phù hợp với các hệ thống mới. Có nhiều loại anten đã đƣợc nghiên cứu áp ụng trong suốt quá trình phát triển của các thế hệ thông tin i động, trƣớc khi tìm hiểu về các hệ thống an ten phức tạp, chúng ta hãy cùng điểm qua hai loại anten cơ ản đƣợc ùng khá ph iến, đó là an ten đ ng hƣớng (omni irectional antenna) và anten định hƣớng ( irectional antenna).
Anten đ ng hƣớng là loại anten đơn giản ùng để phát và thu sóng đ ng đều đối với tất cả các hƣớng . Loại anten này th ch hợp cho việc tìm kiếm một máy điện thoại i động (mo ile station -MS) khi không iết ch nh xác máy này nằm ở vị tr nào, tuy nhiên nó làm ph n tán năng lƣợng và cƣờng độ t n hiệu đến đƣợc MS chỉ ằng một phần nhỏ của t ng năng lƣợng t n hiệu phát ra. Để khắc phục nhƣợc điểm này ngƣời ta phải n ng công suất phát, nhƣng điều này lại làm tăng sự xuyên lẫn giữa các kênh (còn g i là xuyên nhiễu). Nói chung anten đ ng hƣớng có nhiều hạn chế về độ tăng ch, hiệu năng sử ụng ph tần và khả năng tái sử ụng các kênh tần số.
Anten định hƣớng cũng là loại anten đơn giản, nhƣng khác với anten đ ng hƣớng nó đƣợc thiết kế để phát và thu t n hiệu tập trung về một hƣớng nhất định. Trong các hệ thống thông tin i động, đặc tuyến phủ sóng của an ten định hƣớng thƣờng hình quạt với góc mở là 1200. So với anten đ ng hƣớng, anten định hƣớng có độ tăng ch và hiệu năng t n hiệu cao hơn nhờ sự tập trung t n hiệu. Tuy nhiên nó vẫn không thể khắc phục đƣợc một nhƣợc điểm lớn của anten đ ng hƣớng, đó là vấn đề xuyên lẫn giữa các kênh.
Để khắc phục nhƣợc điểm của các loại anten đơn giản nêu trên ngƣời ta đã cố gắng kết hợp nhiều an ten với nhau để tạo thành một hệ thống anten. Các anten trong cùng hệ thống phải làm việc đ ng ộ với nhau nhằm n ng cao độ tăng ch cũng nhƣ mở rộng vùng phủ sóng.
2.3.2. Ứn ụn anten m n ron n n ộn
Các hệ thống anten mảng có thể đƣợc xem nhƣ ộ xử lý không gian- thời gian. Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật xử lý không gian-thời gian cho phép tối ƣu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và miền thời gian tại máy thu phát.
2.3.2.1. Đ ều khiển búp sóng
Anten mảng có khả năng tạo và điều khiển búp sóng bằng phƣơng pháp số để tạo ra các đặc trƣng ức xạ theo một số yêu cầu định trƣớc. Nó đã đƣợc chứng minh bởi nhiều nghiên cứu rằng khi một mảng đƣợc sử dụng một cách thích hợp trong một hệ thống truyền thông i động, nó giúp cải thiện hiệu suất hệ thống bằng cách tăng ung lƣợng kênh và hiệu quả ph tần, mở rộng phạm vi hoạt động, chỉ đạo nhiều tia để theo dõi nhiều điện thoại i động, và bù méo khẩu độ bằng điện tử. Nó cũng làm giảm nhiễu pha ing đa đƣờng, nhiễu đ ng kênh, BER, sự phức tạp của hệ thống, …
2.3.2.2. Khử nhiễu
a. Khử nhiễ đồng kênh
Một Anten mảng có thể đƣợc sử dụng trong nhiều phƣơng pháp cải thiện hiệu suất của hệ thống thông tin liên lạc. Khả năng quan tr ng nhất là nó có thể loại bỏ nhiễu đ ng kênh. Mảng hoạt động trên tiền đề cho rằng các tín hiệu mong muốn và nhiễu đ ng kênh không mong muốn đến từ các hƣớng khác nhau. Mẫu beam của mảng đƣợc điều chỉnh cho phù hợp với các yêu cầu bằng cách kết hợp các tín hiệu từ các anten khác nhau với tr ng số thích hợp.
Bằng cách sử dụng anten mảng thông minh trong hệ thống CDMA, nhiều ngƣời sử dụng hơn có thể đ ng thời dùng chung một ăng tần; kỹ thuật tạo búp sóng giúp mỗi ngƣời sử dụng có đƣợc SINR cao hơn.
b. Khử nhiễu fadinh
Anten mảng th ch nghi có khả năng chống lại nhiễu fa inh hay nhiễu giao thoa sóng chỉ ằng cách xử lý không gian. Khi các thuê ao của hệ thống mạng trao đ i thông tin từ những địa điểm khác nhau,mỗi thuê ao sẽ có một thông tin không gian uy nhất liên quan tới thuê ao đó. Anten mảng th ch nghi có thể ựa vào đặc t nh không gian của t n hiệu để giảm ớt nhiễu giao thoa sóng. Việc xử lý này đƣợc thực hiện ởi ộ Beamformer. Beamformer có thể là một giải pháp hữu hiệu để cải thiện cho hệ thống CDMA hoạt động tốt trong các kênh t n hiệu giao thoa với nhau. Dung lƣợng của hệ thống CDMA có thể đƣợc tăng lên ằng cách giảm ớt nhiễu giao thoa co-channel.
Các yếu tố nhƣ môi trƣờng tán xạ, phân bố ngƣời ùng, môi trƣờng phađinh. v.v. đóng vai trò quan tr ng trong việc xác định chỉ tiêu của hệ thống i động không gian-thời gian. Một hệ thống thông tin i động đƣợc thiết kế tốt phải sử dụng phần truyền dẫn chung sao cho: t ng lƣu lƣợng thông tin phát trung bình càng lớn càng tốt; xác suất lỗi trung bình ở ph a ngƣời dùng càng nhỏ càng tốt; và trễ trung bình càng nhỏ càng tốt. Tuy nhiên không phải m i tiêu ch này đều có thể đƣợc thoả mãn đ ng thời; một thiết kế tốt đòi hỏi phải c n đối đƣợc các tiêu chí này. Ví dụ, kỹ thuật tạo búp sóng có thể đƣợc ùng để giảm xác suất lỗi của hệ thống bằng cách giảm nhiễu CDMA. Điều này đƣợc thực hiện bằng cách kết hợp thông minh các tín hiệu thu đƣợc từ nhiều phần tử anten ở trạm gốc hoặc máy i động.
Trong một hệ thống thông tin i động dùng anten mảng, thành phần tín hiệu pha-đinh nhanh tạo ra iên độ và pha ngẫu nhiên cho tín hiệu thu đƣợc trên mỗi phần tử anten, làm nhiễu loạn véc-tơ quay của mảng. Trong trƣờng
hợp pha-đinh Rayleigh hoặc Nakagami, pha có thể là giá trị bất kỳ trong khoảng (0, 2π), và không thể xác định đƣợc hƣớng tới của sóng nếu chỉ giám sát tín hiệu trong một thời gian ngắn.
Tƣơng tự, khái niệm giản đ phƣơng hƣớng của mảng dựa trên giả thiết sóng ph ng tới các phần tử của mảng có iên độ không đ i. Do đó, trong môi trƣờng pha-đinh, việc thực hiện các bộ tạo úp để tạo và triệt (null) úp tƣơng ứng về phía ngu n tín hiệu mong muốn và nhiễu có thể là không hiệu quả. Khi pha-đinh nhanh có tƣơng quan mạnh giữa các phần tử, nó có thể đƣợc coi nhƣ một nh n vô hƣớng với vec-tơ quay, tác động đều lên các phần tử. Do đó có thể thực hiện việc khôi phục lại véc-tơ quay này. Tuy nhiên, sẽ không có đƣợc tăng ch ph n tập thu do kỹ thuật này dựa trên pha-đinh không tƣơng quan. Chính vì thế phát sinh mâu thuẫn giữa việc tránh làm nhiễu búp sóng và mong muốn có đƣợc phân tập thu. Từ những phân tích ở trên, ta thấy rằng có thể loại bỏ bớt đƣợc ảnh hƣởng của kênh với thiết kế máy thu tốt hơn. Tuy nhiên, do yêu cầu hạn chế độ phức tạp ở máy đầu cuối và o đặc tính của đƣờng xuống, giải pháp đƣợc sử dụng để cải thiện đƣờng xuống sẽ là dùng nhiều anten phát ở trạm gốc, nhờ đó không làm tăng độ phức tạp của máy đầu cuối.
Ảnh hƣởng của pha-đinh đa đƣờng trong các hệ thống vô tuyến có thể đƣợc giảm bớt bằng cách sử dụng phân tập theo không gian (anten ở máy thu g m nhiều phần tử). Trong môi trƣờng pha-đinh, công suất sóng mang cần phải phát cao hơn công suất trung ình để có thể đạt đƣợc một tỉ lệ lỗi bít (BER) mong muốn nào đó. Trong một anten mảng, tín hiệu thu đƣợc bởi các phần tử khác nhau có thể đƣợc lấy tr ng số phù hợp để tạo ra tín hiệu kết hợp biến thiên chậm hơn từng tín hiệu thành phần. Anten mảng này sẽ yêu cầu công suất thấp hơn so với trƣờng hợp chỉ sử dụng anten một phần tử, mà vẫn đạt đƣợc BER mong muốn.
Anten mảng đƣợc gắn trên xe, tàu, máy bay, vệ tinh, và các trạm gốc dự kiến sẽ đóng một vai trò quan tr ng trong việc thực hiện các nhu cầu gia tăng của yêu cầu kênh cho các dịch vụ, cũng nhƣ để thực hiện ƣớc mơ rằng một thiết bị truyền thông i động k ch thƣớc của một đ ng h đeo tay có sẵn với chi phí phải chăng cho các ịch vụ đó.
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN MẢNG 8 PHẦN TỬ CÓ HỆ SỐ TĂNG ÍCH LỚN
3.1 Giới thiệ chƣơng
Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC) đã công ố hoạt động của hệ thống thông tin ở ƣớc sóng milimet (mm wave), trong đó ăng tần 28 GHz đƣợc cấp phép cho hệ thống thông tin 5G với ăng thông rộng. Các ứng dụng hoạt động ở dải tần số này có khả năng cho phép xử lý tốc độ dữ liệu cao lên đến nhiều gigabit/giây với lƣợng dữ liệu kh ng l . Các ứng dụng này bao g m internet tốc độ cao, hình ảnh độ nét cao (HD), điện toán i động ph n tán, chơi game không y và các ứng dụng đa phƣơng tiện [15, 16]. Vì anten là thành phần thiết yếu trong hệ thống truyền thông không dây, chúng cần có hiệu suất hoạt động cao và k ch thƣớc nhỏ g n để tích hợp dễ dàng với các thành phần khác của hệ thống truyền thông. Tuy nhiên, thông tin liên lạc bằng sóng mm trong ăng tần 28 GHz bị suy hao lan truyền cao do bị hấp thụ bởi các phân tử oxy trong khí quyển [14] và mất sóng bề mặt của anten. Theo đó, hệ thống anten có độ lợi cao đƣợc yêu cầu để ù đắp những suy hao này. Nhiều phƣơng pháp khác nhau để triệt tiêu sự suy hao sóng bề mặt để tăng cƣờng độ lợi của anten sóng mm hoạt động ở ăng tần 28 GHz đã đƣợc nghiên cứu đề xuất nhƣ sử dụng anten vi dải [21], sử dụng anten DR đƣợc bao quanh bởi cấu trúc dải tần điện từ (EBG) [20], nhúng cấu trúc siêu vật liệu chỉ số 0 [20, 21]. Gần đ y, các ản vá ký sinh và cấu trúc dẫn từ nhân tạo (AMC) đã đƣợc sử dụng để cải thiện các đặc tính bức xạ của anten [18]. Tuy nhiên, tất cả các phƣơng pháp này tạo ra t tăng cƣờng độ lợi cho anten.
Một kỹ thuật tăng ch n ng cao khác là sử dụng mảng anten với mạng cấp điện thích hợp. Việc thiết kế các mảng anten để hoạt động ở ăng tần
28GHz đã nhận đƣợc sự quan t m đáng kể. Các giải pháp mảng anten khác nhau đã đƣợc phát triển [23–25]. Một mảng anten 1 × 4 với ăng thông rộng và độ lợi cao đã đƣợc đề xuất trong [22]. Nó bao phủ dải tần từ 52,6–66,5 GHz và đạt đƣợc mức tăng đỉnh tối đa là 13,6 Bi ở 57 GHz. K ch thƣớc t ng thể của mảng là 30 × 15 × 4,5 mm3. Một mảng anten vi dải 16 phần tử đã đƣợc trình bày trong [23]. Để tăng cƣờng đ ng thời cả mức khuếch đại và trở kháng BW của mảng, một mạng tiếp điện nối tiếp song song cùng với công nghệ cấp ngu n vi sai đã đƣợc sử dụng. Anten bao phủ ăng thông hoạt động từ 55 đến 68 GHz với độ lợi đỉnh 12,8–15,6 dBi. Quan sát thấy rằng độ lợi của các mảng đã đƣợc cải thiện đáng kể khi sử dụng nhiều phần tử vi dải hơn nhƣng ù lại ăng thông đã giảm.
Trong luận văn này, một mảng anten vi dải ph ng có k ch thƣớc nhỏ g n và đơn giản đƣợc trình bày cho các ứng dụng ăng thông rộng 28 GHz. Mảng này đƣợc thiết kế với tám phần tử vá đƣợc cấp ngu n không đ ng đều để cải thiện đ ng thời cả trở kháng và độ lợi (tăng ch) của anten, cũng nhƣ có đƣợc k ch thƣớc nhỏ g n.
3.2 Thiết kế phần tử anten đơn
3.2.1. Mô hình anten n xuất
Phần tử anten đơn đƣợc thiết kế ở ƣớc đầu tiên của quá trình thiết kế anten mảng. Anten đơn đƣợc thiết kế dựa trên công nghệ mạch dải sử dụng đế điện môi Roger 5880 có chiều dày 0,381 mm, hệ số điện môi tƣơng đối là 2,2. Anten đƣợc thiết kế để hoạt động ở tần số 28 GHz trong dải ƣớc sóng mm. K ch thƣớc tấm bức xạ hình chữ nhật là Wp x Lp (mm2) nhƣ iểu diễn ở Hình3.1. Để đạt phối hợp trở kháng tốt, mặt ph ng đế đƣợc khoét một vòng tròn bán kính Rcg, đƣợc g i là mặt ph ng đế aperture. Đƣờng vi dải trở kháng 100 có độ rộng Wf = 0,29 mm.
Hình 3.1. Mô hình anten đơn
Phần tử anten đơn đƣợc thiết kế để cộng hƣởng ở tần số 28 GHz là dải tần thuộc hệ thống thông tin ở ƣớc sóng mm. Để thiết kế anten vi dải chữ nhật nhƣ mô tả ở Hình 3.1, ta dựa vào các thông số: tần số cộng hƣởng và hệ số điện môi của lớp nền. Khi có các giá trị này, các thông số k ch thƣớc của anten vi dải chữ nhật sẽ đƣợc t nh toán nhƣ sau.
Chiều rộng mặt bức xạ ( )
√ (3.1)
Với, là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do, = 3.108 m/s là hằng số điện môi tƣơng đối, = 2,2
là tần số cộng hƣởng, = 28 GHz Hằng số điện môi hiệu dụng ( )
Hằng số điện môi hiệu dụng là một thông số quan tr ng trong việc tính toán thiết kế anten vi dải. Sóng bức xạ sẽ đi từ mặt ph ng bức xạ xuống mặt
ph ng đất một phần qua lớp điện môi, một phần sẽ qua không khí. Lớp điện môi và không khí có hệ số điện môi khác nhau, vì vậy, để giải quyết vấn đề