2.4.1. H s q í u
Tƣơng quan tín hiệu trên kênh truyền mô tả sự độc lập của các tín hiệu. Hệ số tƣơng quan là một trong những tham số quan trọng cần phải chú ý trong thiết kế anten MIMO. Hệ số tƣơng quan càng nhỏ thì các tín hiệu tại đầu thu càng độc lập với nhau, sự ảnh hƣởng lẫn nhau của các phần tử anten càng thấp, do đó độ tăng ích phân tập, cũng nhƣ dung lƣợng của hệ thống đều tăng lên. Hệ số tƣơng quan phức giữa thành phần anten i và thành phần anten j đƣợc xác định dựa theo đ thị phƣơng hƣớng bức xạ nhƣ sau:
∫ ∫ ( )
√∫ ∫ ( ) ( ) (2.12)
trong đó
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ), là tỷ số công suất phân cực chéo, là đ thị phƣơng hƣớng bức xạ điện trƣờng, Φ là góc ngẩng trong mặt phẳng xoy theo chiều dƣơng của trục x với
, là góc cực theo chiều dƣơng của trục z với , và là hàm
Trong các hệ thống thông tin di động, hệ số tƣơng quan đƣờng bao (ECC) thƣờng đƣợc sử dụng và đƣợc xác định nhƣ sau [12]:
| | (2.13)
Ngoài cách xác định ECC dựa tr n đ thị phƣơng hƣớng bức xạ nhƣ trên, ta có thể xác định đƣợc ECC giữa anten i và anten j của hệ anten MIMO
dựa trên các tham số tán xạ theo công thức sau:
( ) |∑ |
∏ ( )[ ∑ ] (2.14)
Trƣờng hợp anten MIMO g m 2 phần tử anten đơn, hệ số tƣơng quan đƣờng bao đƣợc xác định nhƣ sau:
| |
( | | | | )( | | | | ) (2.15)
ECC có giá trị từ 0 (khi không có ảnh hƣởng, hệ thống có độ tăng ích phân tập tốt nhất) tới 1 (khi ảnh hƣởng lẫn nhau lớn nhất, hệ thống không có độ tăng ích phân tập). Hệ thống MIMO đáp ứng đƣợc yêu cầu cho hệ thống liên lạc không dây thì ECC phải nhỏ hơn 0,5.
2.4.2. Độ ă í u quả trung bình (MEG)
MEG đƣợc định nghĩa cho một anten thu nhiều cổng (MPA) và đƣợc xác định là tỷ số giữa công suất phân phát trung bình tới một cổng cụ thể của anten thu và công suất nhận đƣợc 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.
Ngoài ra, MEG có thể đƣợc xác định dựa trên sự cách ly phân cực chéo, tăng ích và hàm mật độ góc theo hƣớng theta và phi. MEG là tham số quan trọng để quyết định quỹ đƣờng truyền của hệ thống vô tuyến.
∫ ∫ [ ( ) ( ) ( ) ( )] (2.16)
trong đó là tỷ số công suất phân cực chéo, ( ) và ( ) là độ tăng ích thành phần của anten, ( ) và ( ) mô tả xác xuất phân bố của sóng tới trong môi trƣờng truyền với giả thiết các thành phần này không tƣơng quan.
2.4.3. D ợng h th ng
Ƣu điểm chính của một hệ thống MIMO là nó cung cấp một dung lƣợng k nh đƣợc cải thiện trong môi trƣờng đa đƣờng so với một hệ thống SISO. Do đó, giới hạn dung lƣợng kênh của một hệ thống MIMO cũng là một thƣớc đo hiệu năng của hệ thống. Dung lƣợng kênh của một hệ thống MIMO phụ thuộc vào ma trận k nh và đó là hàm phụ thuộc vào đặc tính bức xạ của anten thành phần và môi trƣờng k nh. Trong trƣờng hợp của một anten MIMO có N phần tử và khi máy phát không có thông tin về môi trƣờng kênh truyền, công suất đƣợc chia đều trên các anten thành phần của anten MIMO. Dung lƣợng kênh trong trƣờng hợp này đƣợc xác định nhƣ sau:
. / (2.17)
trong đó là giá trị SNR trung bình, H là ma trận k nh và (∙)H là chuyển vị Hermition.
Trong trƣờng hợp không có sự tƣơng quan của các sóng phát đi/ sóng tới, các anten thành phần có hệ số tƣơng quan bằng không ở cả phía phát và thu, với công suất và giá trị độ tăng ích hiệu quả trung bình chuẩn hóa tƣơng tự, biến trở thành ma trận đơn vị, khi đó dung lƣợng k nh tăng tuyến tính so với một hệ thống SISO khi số lƣợng các anten thành phần tăng. Phƣơng trình (2.17) vì thế trở thành:
. / (2.18) Đây là dung lƣợng k nh lý tƣởng của một hệ thống MIMO. Giới hạn này không bao giờ đạt đƣợc vì luôn luôn t n tại tƣơng hỗ giữa các kênh và hệ số tƣơng quan giữa các anten thành phần luôn khác không. Tƣơng hỗ càng cao giữa các anten thành phần và tƣơng quan càng lớn giữa các kênh dẫn đến kết quả là làm giảm hiệu quả của hệ thống MIMO. Trong môi trƣờng tầm nhìn thẳng (LOS), giả sử khi tất cả các k nh đều hoàn toàn tƣơng quan, hiệu quả của anten MIMO sẽ không còn nữa. Hiệu quả thực sự của anten MIMO chỉ phát huy trong môi trƣờng đa đƣờng chẳng hạn nhƣ trong các ứng dụng thông tin di động. Trong môi trƣờng nhƣ vậy, các ma trận H chứa các thông tin của mối tƣơng quan giữa các kênh khác nhau do anten cũng nhƣ do môi trƣờng truyền dẫn. Vì vậy, việc xác định ma trận kênh H của một hệ thống MIMO hoạt động trong một môi trƣờng cụ thể sẽ rất quan trọng vì nó li n quan đến dung lƣợng kênh của anten trong môi trƣờng đó. Nhiều nghiên cứu đã đƣa ra các phƣơng pháp mô hình hóa kênh truyền khác nhau để xác định ma trận H trong môi trƣờng đa đƣờng, chẳng hạn nhƣ trong [18].
2.5. Một số kỹ thuật cải thiện hệ số ảnh hƣởng tƣơng hỗ cho anten MIMO MIMO
Tƣơng hỗ giữa các phần tử anten trong anten MIMO ảnh hƣởng đến hiệu suất anten bởi vì một phần công suất vào đã không đƣợc bức xạ mà bị tổn hao do hấp thụ bởi các phần tử lân cận. Hơn nữa, ảnh hƣởng tƣơng hỗ giữa các phần tử làm tăng tƣơng quan giữa các đ thị bức xạ và vì vậy làm giảm đặc tính bức xạ của anten [13, 14]. Một số kỹ thuật đã đƣợc đề xuất để giảm ảnh hƣởng tƣơng hỗ giữa các phần tử hay cải thiện cách ly cổng của anten MIMO, bao g m [14, 15]:
- Sử dụng phần tử ký sinh (Parasitic Element).
- Sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (Defected Ground Structure).
- Sử dụng đƣờng trung tính (Neutralization Line).
2.5.1. đặt anten
Hƣớng đặt các phần tử anten rất quan trọng trong anten MIMO. Nếu anten hoạt động ở tần số cao (tr n 1 GHz) thì khi đặt các phần tử anten xa nhau (ví dụ đặt ở cạnh/góc thiết bị) thƣờng sẽ cải thiện hệ số cách ly của anten MIMO. Hơn nữa, hƣớng đặt anten có thể tạo ra sự trực giao phân cực và pha phân bố d ng điện do đó giúp cải thiện đƣợc cách ly và giảm hệ số tƣơng quan của anten MIMO. Đối với dải tần số thấp, hƣớng đặt anten thƣờng không đủ để cải thiện cách ly khi mặt phẳng đế trở thành một phần của cấu trúc bức xạ và ảnh hƣởng của d ng điện ở mặt đế sẽ trở nên nghiêm trọng hơn. Vì vậy, một số kỹ thuật khác có thể đƣợc sử dụng nhƣ cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo hay đƣờng trung tính [14].
Tiếp điện 1 Tiếp điện 2 Đường kết nối (a) Tần số (GHz) S1 1 , S2 2 , S2 1 ( d B ) (b)
Hình 2 12: a hình anten và (b) kết quả đo tham số tán xạ (l1=24; l2=18,2; g=0.5;
fg=2 85; h=1 1; đơn vị mm) [15]
Tài liệu [15] giới thiệu một mô hình anten MIMO (kích thƣớc 60 x 60 mm2) sử dụng phƣơng pháp đặt hƣớng anten nhằm giảm ảnh hƣởng tƣơng hỗ.
Cụ thể, hai anten đơn cực dạng gấp đƣợc đặt vuông góc với nhau để đạt đƣợc hệ số cách ly cao. Ngoài ra, một đoạn vi dải đƣợc sử dụng để nối hai điểm tiếp điện nhằm triệt ti u tƣơng 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 đƣợc trình bày ở hình 2.12. 2.5.2. Mạng cách ly Anten 1 Anten 2 Mạng cách ly Cổng 1 Cổng 2 Mạng PHTK Mạng PHTK Hình 2 13: Mạng cách ly sử dụng các phần tử điện kháng [16]
Mạng cách ly là một giải pháp nhằm tăng cƣờng 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 ti u đƣợc điện kháng tƣơng hỗ giữa các phần tử anten đơn, kết quả là làm tăng hiệu suất bức xạ và giảm tƣơng quan về đ thị bức xạ của anten MIMO. Sử dụng mạng cách ly thƣờng kèm theo với một mạng phối hợp trở kháng để tăng cƣờng sự phối hợp trở kháng ở đầu vào các cổng anten.
Hình 2.13 mô tả sơ đ khối mô hình sử dụng mạng cách ly để tăng cƣờng hệ số cách ly giữa các cổng của hệ anten hai cổng [16]. Ảnh hƣởng tƣơng hỗ giữa các phần tử liền kề trong anten MIMO hay mảng anten đƣợc mô tả bởi hệ số trong ma trận tán xạ của hệ anten. Mạng cách ly sẽ giúp
giảm hay loại bỏ các giá trị khác 0 của các hệ số nhƣng sẽ làm thay đổi giá trị tại cổng vào của nó ( ). 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 ) của hệ anten.
Trong ví dụ ở hình 2.13, mạng cách ly bao g m hai đƣờng truyền và một thành phần điện kháng, trong khi đó, mạng phối hợp trở kháng tại mỗi cổng có thể đƣợc thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng các phần tử tập trung. Giả sử hai anten là giống nhau và đƣợc phối hợp trở kháng tốt ở cổng vào tiếp điện, ma trận tán xạ tại điểm tham khảo t1 đƣợc cho bởi:
, - [
] (2.19)
Với và là bi n độ và pha của hệ số tƣơng hỗ. Mạng cách ly trong ví dụ này g m hai đƣờng truyền với mục đích để chuyển đổi giá trị của hệ số tƣơng 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 th m hai đƣờng truyền với trở kháng đặc tính Z0 và độ dài điện , ma trận tán xạ tại điểm tham khảo t2 trở thành: [ ] [ ( ) ( ) ] (2.20) Biến đổi (2.20) thành ma trận dẫn nạp, [ ] [ ( ( ) ( )) ( ( ) ( )) ( ( ) ( )) ( ( ) ( )) ] (2.21)
Từ hình 2.13, ta thấy mạng hai cổng nhìn tại t2 nối song song về mặt điện với phần tử tập trung có điện nạp . Kết quả sẽ tạo ra một mạng hai cổng mới và ma trận dẫn nạp tại điểm t3 trở thành:
, - [ ] [ ] (2.22) trong đó [ ] là ma trận dẫn nạp của mạng hai cổng có phần tử điện nạp B
[ ] [ ] (2.23)
Biến đổi (2.22) về ma trận tán xạ tại điểm tham khảo t3
, - [ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ] (2.24) với ⁄ và là phần tử ma trận dẫn nạp ở (2.23). A n te n 1 A n te n 2 Cổng 1 Cổng 2 Phần tử tập trung Lỗ via La S L W
Hình 2 14: Anten MIMO hai phần tử đơn c c với mạng cách ly (L=45; W= 22; S= 8,5; La= 22 5; đơn vị mm) [16]
Để triệt ti u tƣơng hỗ, phần tử phải bị triệt tiêu, hay có giá trị bằng không,
( ( )
( )) (2.25)
Kết quả:
(
) (2.27)
Từ các giá trị của và , ta xác định đƣợc giá trị của .
T ổn h ao n gƣ ợc ( d B ) Tần số (GHz) Mô phỏng Thực nghiệm C á ch l y ( d B ) Tần số (GHz) Mô phỏng Thực nghiệm
Hình 2 15: Kết quả mô phỏng và th c nghiệm tổn hao ngƣợc và cách ly của anten MIMO không có mạng cách ly [16]
Kỹ thuật mạng cách ly sử dụng nguyên tắc phân tích ở tr n đƣợc áp dụng trong thiết kế anten MIMO đƣợc trình bày ở hình 2.14 [16]. Anten g m hai phần tử bức xạ hoạt động ở tần số 2,45 GHz với khoảng cách giữa hai phần tử bức xạ là 0,0690. Hình 2.15 và 2.16 biểu diễn kết quả mô phỏng và đo tham số tán xạ của anten khi không có và khi có mạng cách ly. Trƣờng hợp anten MIMO không có mạng cách ly, hệ số cách ly giữa hai cổng tiếp điện dƣới mức chấp nhận đƣợc, khoảng 3dB (hình 2.15). Khi sử dụng mạng cách ly, hệ số cách ly đã đƣợc cải thiện hơn 30 dB ở tần số trung tâm nhƣ biểu diễn ở hình 2.16. T ổn h ao n gƣ ợc ( d B ) Tần số (GHz) Mô phỏng Thực nghiệm C á ch l y ( d B ) Tần số (GHz) Mô phỏng Thực nghiệm
Hình 2 16: Kết quả mô phỏng và th c nghiệm tổn hao ngƣợc và cách ly của anten MIMO khi có mạng cách ly [16]
2.5.3. Cấu trúc ký sinh
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