Một phƣơng pháp khác để giảm thiểu ảnh hƣởng tƣơng hỗ là sử dụng phần tử ký sinh giữa các phần tử anten để loại bỏ một phần (hoặc hầu hết) trƣờng cảm ứng khu gần giữa chúng. Phần tử ký sinh sẽ tạo ra trƣờng tƣơng hỗ ngƣợc nhau và làm giảm thành phần trƣờng tƣơng hỗ gốc ban đầu, vì vậy sẽ làm giảm tƣơng hỗ tổng thể trên anten bị ảnh hƣởng. Thông thƣờng, các phần tử ký sinh không kết nối vật lý với các anten [17, 18] hoặc đƣợc nối với mặt phẳng đế để tạo thành dạng cộng hƣởng [19]. Các phần tử ký sinh này đƣợc thiết kế để điều khiển dải tần cách ly, băng thông và mức độ giảm tƣơng hỗ. ƣỡng c c ƣỡng c c B Cổng B Cổng ƣỡng c c ƣỡng c c B Phần tử ghép nối C Cổng B Cổng Icoupled-direct Iexcited Iexcited Icoupled-direct Icoupled-cancel Icoupled-direct 50 Ohm
Hình 2 17: Tƣơng hỗ giữa hai anten ƣỡng c c đặt gần nhau và tƣơng hỗ giữa hai anten ƣỡng c c khi có thêm phần tử ký sinh [17]
tƣởng sử dụng một phần tử ký sinh để giảm ảnh hƣởng tƣơng hỗ là tạo ra trƣờng ngƣợc với trƣờng bức xạ ban đầu của nhƣ mô tả ở hình 2.17. Trong mô hình này, hai anten lƣỡng cực đƣợc đặt rất gần nhau. Khi anten lƣỡng cực A đƣợc tiếp điện và anten lƣỡng cực B nối tải, một vector mật độ d ng J đƣợc tạo ra trên nhánh của lƣỡng cực A và cảm ứng một d ng tƣơng hỗ mạnh tỷ lệ với dòng kích thích trên anten A thông qua hệ số tƣơng hỗ và ngƣợc pha 1800 với d ng kích thích nhƣ mô tả ở hình 2.17. Vì vậy:
Giả sử trong trƣờng hợp này không áp dụng đƣợc phƣơng pháp đặt hai anten vuông góc nhau hoặc tăng khoảng cách để giảm ảnh hƣởng tƣơng hỗ, ở đây một phần tử ký sinh đƣợc sử dụng để cải thiện cách ly. Đặt một phần tử ký sinh (C) giữa hai anten để tạo thành một nguy n lý (cơ chế) tƣơng hỗ khác. Trong khi anten A tƣơng hỗ với anten B theo hệ số tƣơng hỗ (vốn phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai anten cũng nhƣ loại anten và cơ chế tƣơng hỗ), anten A sẽ tƣơng hỗ với phần tử ký sinh C theo hệ số tƣơng hỗ . Vì vậy, d ng điện cảm ứng trên phần tử tƣơng hỗ quan hệ với dòng kích thích từ anten A nhƣ sau:
(2.29) D ng điện cảm ứng trên phần tử ký sinh C (giả sử đặt ở điểm giữa anten A và B) sẽ tƣơng hỗ với phần tử anten B, vì vậy sẽ tạo ra d ng điện ngƣợc pha 1800
trên phần tử B theo biểu thức:
(2.30)
Điều này có nghĩa tổng d ng điện tƣơng hỗ trên phần tử B phụ thuộc vào hai cơ chế tƣơng hỗ, (1) tƣơng hỗ trực tiếp từ phần tử A và (2) tƣơng hỗ từ phần tử ký sinh C. Tổng d ng điện tƣơng hỗ trên phần tử B:
( ) (2.31)
Giá trị của là một đặc tính của phần tử ký sinh và có thể điều chỉnh để triệt tiêu ảnh hƣởng tƣơng hỗ trực tiếp giữa hai anten. Cần lƣu ý khi sử dụng phƣơng pháp này vì phần tử ký sinh cũng sẽ tƣơng hỗ với anten đƣợc kích thích (tiếp điện), do vậy nó sẽ ảnh hƣởng đến phân bố d ng 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 [18, 19]. Ở nghiên cứu [18], anten MIMO hai phần tử g m hai anten khe đặt đối xứng nhau, tiếp điện độc lập bằng đƣờng vi dải 50 . Hai phần tử ký sinh đƣợc thêm vào nhằm giảm ảnh hƣởng tƣơng hỗ (hình 2.18). Tác dụng của các phần tử ký sinh tới phối hợp trở kháng và tƣơng hỗ đƣợc trình bày qua kết quả mô phỏng ở hình 2.20. Phần tử ký sinh đã cải thiện đƣợc gần 15 dB hệ số cách ly so với trƣờng hợp không sử dụng phần tử ký sinh. Kết quả mô phỏng phân bố dòng ở hình 2.19 cho thấy, khi phần tử 1 đƣợc 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 2 18: Mô hình anten MIMO hai khe bức xạ với phần tử đơn c c ký sinh
[18]
Hình 2 19: Phân bố d ng điện ở trên anten MIMO không có và có phần tử
Một nghiên cứu khác về sử dụng phần tử ký sinh đặt đ ng phẳng với phần tử bức xạ [19]. Trong nghiên cứu này, một cấu trúc cộng hƣởng dạng khe gấp khúc (SMLR) có vai tr nhƣ một bộ lọc loại bỏ băng tần đƣợc đặt giữa hai phần tử bức xạ (hình 2.21). Hình 2.22 mô tả phân bố d ng điện của mảng anten khi chƣa 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 tƣơng hỗ sang phần tử lân cận.
Hình 2 21: Cấu trúc S R đề xuất đặt giữa hai phần tử anten vi dải [19]
Tần số (GHz) S 11 & S 21 ( d B ) S11 có PM S21 có PM S11 không có PM S21 không có PM
Hình 2 20: Kết quả mô phỏng tham số tán xạ khi không có và có phần tử đơn c c ký sinh [18]
Hình 2 22: Phân bố d ng điện của anten (a) khi không có cấu trúc SMLR và (b) khi có cấu trúc SMLR [19]
Kết quả mô phỏng ở hình 2.23 cho thấy, anten MIMO khi có cấu trúc SMLR có hệ số cách ly cải thiện đƣợc 16 dB so với khi không có cấu trúc SMLR, với khoảng cách từ cạnh tới cạnh phần tử bức xạ là 7 mm (0,110). Các kết quả đo thực nghiệm đã chứng minh đƣợc tính khả thi của thiết kế khi khá tƣơng đ ng với các kết quả mô phỏng.
Tần số (GHz) T ha m s ố tá n xạ S ( d B ) S21 không có SMLR S21 có SMLR S11 không có SMLR S11 có SMLR
Hình 2 23: Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của anten khi không có và có cấu trúc SMLR [19]
2.5.4. Cấu trúc mặt phẳ đế không hoàn hảo
Mặt phẳng đế ảnh hƣởng trực tiếp đến đặc tính của anten mạch in khi nó có vai tr nhƣ đƣờng dẫn của d ng điện phản h i 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 tƣơng hỗ với phần tử anten lân cận gây nên ảnh hƣởng
tƣơng hỗ cao, từ đó làm giảm đặc tính cách ly và tƣơng 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 (a) (b)
Hình 2 24: Mô hình anten MIMO với bốn phần tử bức xạ sử dụng cấu trúc DGS (L1=
37,7;W1= 25; L2= 22; W2= 7; Ls= 18,75; Lc= 30; Wc= 1; đơn vị mm) [20]
Ảnh hƣởng tƣơng hỗ giữa các phần tử anten có thể giảm thiểu bằng cách tạo ra các cấu trúc không hoàn hảo trong mặt phẳng đế. Các vị trí khuyết (bị khoét) sẽ hoạt động nhƣ bộ lọc chắn dải và sẽ ngăn cản trƣờng tƣơng hỗ khu gần giữa các phần tử gần nhau khi cấu trúc anten đƣợc thiết kế một cách hợp lý. Nguyên lý giảm thiểu ảnh hƣởng tƣơng hỗ này đƣợc gọi là cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS).
Hình 2 25: Phân bố d ng 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 đƣợc trình bày trong [20]. Anten g m 4 phần tử bức xạ kiểu anten khe, tiếp điện độc lập bằng các đƣờng vi dải. Cấu trúc DGS đƣợc thực hiện bằng hai dãy khe kho t đặt giữa hai anten khe 2 và anten khe 3 ở mặt phẳng đế (hình 2.24). Từ kết quả mô phỏng phân bố d ng điện đƣợc biểu diễn ở hình 2.25, khi không có dãy các khe, dòng cảm ứng mạnh từ anten khe đƣợc 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 hƣởng đến các phần tử bức xạ lân cận. Do vậy, ảnh hƣởng tƣơng hỗ giữa các phần tử bức xạ của anten đã giảm đáng kể. Cấu trúc cải thiện cách ly này rất hiệu dụng trong trƣờng hợp ảnh hƣởng tƣơng hỗ gây nên bởi dòng cảm ứng mạnh ở mặt phẳng đế. Kết quả đo thực nghiệm ở hình 2.26 đã chứng minh đƣợc tác dụng của cấu trúc DGS khi cải thiện đƣợc 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.
T ổn h ao n gƣ ợc ( d B ) Tần số (GHz)
Hình 2 26: Kết quả đo tham số tán xạ của anten MIMO với bốn phần tử bức xạ [20]
2.5.5. Đ ờng trung tính
Khi một trong hai phần tử của anten MIMO đƣợc kích thích, nó cảm ứng d ng điện sang phần tử lân cận và làm tăng tƣơng hỗ và tƣơng quan giữa hai
phần tử. Đƣờng trung tính là một kỹ thuật để cải thiện cách ly trong đó d ng điện tại phần tử kích thích đƣợc trích ra tại một vị trí cụ thể, sau đó pha của nó bị đảo bằng cách chọn chiều dài đƣờng trung tính thích hợp. Khi đó d ng điện đảo pha sẽ đƣa đến phần tử anten lân cận để triệt tiêu với dòng cảm ứng trực tiếp do phần tử đƣợc kích thích gây ra cho phần tử lân cận. Nhờ đó d ng điện tƣơng hỗ tổng thể trên phần tử lân cận sẽ bị giảm đi đáng kể. Phƣơng pháp này hoạt động trên nguyên tắc tƣơng tự phƣơng pháp phần tử ký sinh.
Việc lựa chọn điểm đặt đƣờng trung tính là quan trọng nhất ở phƣơng pháp này. Thông thƣờng, vị trí đặt đƣờng trung tính trên phần tử bức xạ phải có trở kháng cực tiểu và d ng điện cực đại. Băng thông hiệu dụng của kỹ thuật đƣờng 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 đƣợc chọn là điểm bắt đầu của đƣờng trung tính.
Đường trung tính (rộng 0,3 mm) Anten đơn cực 1 Anten đơn cực 2 Mặt phẳng đế Cổng 1 Cổng 2
Hình 2 27: Mô hình anten MIMO sử dụng đƣờng trung tính [21]
Điểm lựa chọn trên anten bị cảm ứng phải có dòng cảm ứng lớn. Chiều dài của đƣờng trung tính đƣợc chọn sao cho đảo pha đƣợc d ng điện để khử
thành phần dòng cảm ứng. Phƣơng pháp cải thiện ảnh hƣởng tƣơng hỗ sử dụng đƣờng trung tính là một phƣơng pháp đơn giản nhƣng 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 đƣợc 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 trƣờng hợp, mặt phẳng đế đóng vai tr chính trong cơ chế bức xạ (đặc biệt ở dải tần số thấp), vì vậy loại bỏ dòng cảm ứng là chƣa đủ và có thể chƣa nâng cao đƣợc cách ly trong trƣờng hợp này. Thứ ba, mỗi đƣờng trung tính chỉ tác động cho một băng tần vì vậy kỹ thuật này sẽ khó ứng dụng đƣợc trong các thiết kế anten đa băng tần.
Hình 2.27 biểu diễn mô hình anten MIMO sử dụng đƣờng trung tính để giảm thiểu tƣơng hỗ [21]. Anten g m hai phần tử bức xạ đơn cực đặt đối xứng nhau và nằm về hai phía cạnh của anten. Một đƣờng trung tính đƣợc 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 đƣờng trung tính đƣợc trình bày ở hình 2.28. Hệ số cách ly của anten khi có đƣờng trung tính đạt 19 dB và cải thiện đƣợc 9 dB so với trƣờng hợp không có đƣờng trung tính.
T h am s ố tá n x ạ (d B ) Tần số (MHz) (a) T h am s ố tá n x ạ (d B ) Tần số (MHz) (b)
Hình 2 28: Mô phỏng các tham số tán xạ của (a) cấu trúc đề xuất và (b) cấu trúc tham khảo h ng có đƣờng trung tính) [21]
2.6. Tổng kết chƣơng
Chƣơng này đã trình bày tổng quan về mô hình, các thông số và đặc tính của anten MIMO. Xu hƣớng tích hợp đa phƣơng tiện, yêu cầu tốc độ cao, kích thƣớc nhỏ gọn của các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới đã đặt ra nhiều thách thức cho các nhà nghiên cứu khi thiết kế các anten MIMO. Về cơ bản, đặc tính cách ly của anten MIMO đạt yêu cầu khi khoảng cách giữa các phần tử bức xạ ít nhất là /2. Điều này dẫn đến kích thƣớc của hệ thống tăng l n. Các phân tích trong chƣơng này đã chỉ rõ những nguy n nhân cơ bản dẫn đến ảnh hƣởng tƣơng hỗ của anten MIMO nhƣ tƣơng hỗ do dòng mặt, tƣơng hỗ trƣờng khu gần,... và các giải pháp giảm thiểu tƣơng hỗ khác nhau nhƣ sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo, sử dụng phần tử ký sinh, sử dụng đƣờng trung tính,... Việc đề xuất hợp lý các giải pháp nâng cao cách ly sẽ quyết định đến thành công của các mô hình anten MIMO đƣợc thiết kế trong luận văn này.
CHƢƠNG 3: THI T K ANTEN MIMO CÓ HỆ S CÁCH LY CAO ỨNG D NG CHO HỆ TH NG 5G
3.1. Giới thiệu chƣơng
Hệ thống nhiều đầu vào-nhiều đầu ra (MIMO) với các đơn vị nhiều anten ở cả phía máy phát và máy thu có thể tận dụng các thành phần đa đƣờng một cách đầy đủ để nâng cao hiệu suất của hệ thống không dây [22–25]. Các mảng anten MIMO đƣợc sử dụng rộng rãi trong thế hệ tiếp theo của hệ thống truyền thông không dây. Vì công nghệ MIMO có thể nâng cao đáng kể năng lực của hệ thống và chống lại pha-đinh đa đƣờng, nó đã trở thành chủ đề nhận đƣợc nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực truyền thông không dây [26–29].
Trong các hệ thống không dây, để duy trì tính độc lập của từng phần tử anten trong hệ thống MIMO trong một không gian hạn chế, đó là một trong những khó khăn cấp bách để khắc phục ảnh hƣởng ghép nối tƣơng hỗ từ anten liền kề, đặc biệt là đối với các mảng băng tần kép [29–31]. Ghép nối tƣơng hỗ là một hiện tƣợng phụ thuộc vào các phần tử mảng liền kề và ảnh hƣởng lớn đến các đặc tính của hệ thống không dây phụ thuộc vào anten mảng và gần đây là hệ thống truyền thông không dây MIMO. Để đạt đƣợc khả năng gh p nối tƣơng hỗ thấp và cách ly cao giữa các phần tử anten liền kề và cũng có thể triệt tiêu sóng bề mặt, một số phƣơng pháp đã đƣợc nghiên cứu và đề xuất [32–37]. Kỹ thuật phổ biến nhất là sử dụng kỹ thuật phân tập không gian bằng cách tách các phần tử anten. Tuy nhiên, kỹ thuật này có thể không phù hợp với hầu hết các hệ thống không dây, vì nó đ i hỏi một không gian tƣơng đối lớn để đặt hệ thống anten. Vì vậy, một số kỹ thuật tích hợp hiệu quả cho anten vi dải đang đƣợc sử dụng nhiều trong thời gian gần đây, nhƣ phần tử ký sinh [38, 39], mạng cách ly, đƣờng trung tính,.. thể hiện hiệu quả trong cải thiện hệ số cách lý cổng giữa các phần tử anten trong hệ MIMO.
Luận văn đề xuất thiết kế một anten MIMO 2x2 nhỏ gọn sử dụng cấu trúc ký sinh hình chữ C chèn giữa hai phần tử anten đơn để giảm sự ghép nối tƣơng hỗ của các anten vi dải. Cấu hình của thiết kế bao g m hai phần tử anten đƣợc tiếp điện bằng đƣờng truyền vi dải trở kháng 50 Ω. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng khoảng xấp xỉ 14 dB tần số cộng hƣởng 3,6 GHz, mà không có bất kỳ tác động nào đến băng thông tần số và hiệu suất bức xạ. Anten MIMO đƣợc thiết kế hoạt động ở tần số 3,6 GHz ứng dụng cho hệ