1.3.1. anten ả
Các ý niệm bức xạ vi dải lần đầu ti n đƣợc khởi xƣớng bởi Deschamps vào năm 1953. Nhƣng mãi đến 20 năm sau, một anten ứng dụng kỹ thuật vi dải mới đƣợc chế tạo. Anten vi dải thực nghiệm lần đầu ti n đƣợc phát triển
bởi Howell và Munson và đƣợc tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Anten vi dải đơn giản nhất bao g m một pach kim loại rất mỏng (bề dày t << λ0, λ0 là bƣớc sóng trong không gian tự do) đặt cách mặt phẳng đất một khoảng rất nhỏ ( h << λ0, thƣờng thì 0.003 λ0< h < 0.05 λ0). Patch của anten vi dải đƣợc thiết kế để có đ thị bức xạ cực đại. Điều này đƣợc thực hiện bằng cách lựa chọn đúng mode của trƣờng bức xạ ở v ng không gian b n dƣới patch. Bức xạ end-fire cũng có thể thực hiện đƣợc bằng cách lựa chọn đúng mode hoạt động. Đối với một patch hình chữ nhật, chiều dài L thƣờng đƣợc sử dụng trong khoảng λ0/3 < L< λ0/2. Patch và mặt phẳng đất đƣợc tách biệt bởi một lớp điện môi nền nhƣ hình 1.5.
w h x y z θ Φ (r,Φ,θ) h Khe bức xạ #1 Khe bức xạ #2 Patch GND єr L Feed
(a) Anten vi dải
(b) Mặt phẳng cắt ngang
(c) Hệ trục tọa độ
t y0
Hình 1 5: Anten vi dải [7]
Có nhiều điện môi nền có thể đƣợc sử dụng để thiết kế anten vi dải và hằng số điện môi của chúng thƣờng nằm trong khoảng 2.2< εr < 12. Những lớp điện môi đƣợc sử dụng để thiết kế anten hầu hết là những nền dày, hằng số điện môi của chúng thƣờng thấp hơn giá trị ở cuối dải vì chúng cho hiệu suất tốt hơn, băng thông lớn và giới hạn sự bức xạ các trƣờng tổn hao vào
trong không gian, nhƣng kích thƣớc các phần tử lớn hơn. Giới hạn sự bức xạ các trƣờng tổn hao vào trong không gian, nhƣng kích thƣớc các phần tử lớn hơn. Nền mỏng với hằng số điện môi lớn hơn có thể đƣợc sử dụng để thiết kế các mạch vi sóng, bởi vì chúng yêu cầu giới hạn trƣờng chặt chẽ để giảm thiểu sự bức xạ và kết hợp không mong muốn, đ ng thời cũng cho kích thƣớc các phần tử nhỏ hơn. Tuy nhi n vì sự mất mát lớn hơn, dẫn đến hiệu suất thấp và băng thông nhỏ hơn.
1.3.1.1. c h nh ạng cơ ản củ anten i ải
-Anten patch vi dải
Hình 1 6: ột số hình dạng của anten patch vi dải
Anten patch vi dải bao g m một patch dẫn điện nằm trên bề mặt của một chất nền điện môi, mặt kia của lớp điện môi là mặt phẳng đất. Một số hình dạng điển hình của miếng bức xạ anten vi dải đƣợc trình bày ở hình 1.5.
-Anten khe mạch in
Các anten khe mạch in có một khe đƣợc khoét trên mặt kim loại nhƣ mô tả ở hình 1.6. Khe khoét này có thể có bất kỳ hình dạng nào. Về lý thuyết, hầu hết các hình dạng của anten patch vi dải đều có thể đƣợc thực hiện khoét khe và trở thành một dạng của anten khe mạch in.
Hình 1 7: ột số oại anten he mạch in
1.3.1.2. Đ c tính củ anten vi dải (MSA)
Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten truyền thống khác. Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ 100 MHz đến 100Ghz. MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng với nhiều ƣu điểm, tuy nhiên, nó vẫn còn một số khuyết điểm cần đƣợc khắc phục.
Ƣu điểm:
• Có khối lƣợng và kích thƣớc nhỏ, bề dày mỏng. • Chi phí sản suất thấp, dễ dàng sản xuất hàng loạt.
• Có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp ngu n đơn giản. • Các đƣờng cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng có thể sản xuất đ ng thời với việc chế tạo anten.
• Dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền. • Linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng.
• Tƣơng thích cho các thiết bị di động cá nhân.
Khuyết điểm:
• MSA có băng thông hẹp và các vấn đề về dung sai. • Một số MSA có độ lợi thấp.
• Hầu hết MSA đều bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt phẳng đất.
• Có bức xạ dƣ từ đƣờng truyền và mối nối.
MSA có băng thông rất hẹp, thông thƣờng chỉ khoảng 1-5%,đây là hạn chế lớn nhất của MSA trong các ứng dụng cần trải phổ rộng. Với những ƣu điểm vƣợt trội ấy mà MSAs trở nên thích hợp cho nhiều ứng dụng.
1.3.1.3. c th t cấp ng ồn ch anten i ải
Do anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi nên các kỹ thuật để cấp ngu n cho anten vi dải lúc ban đầu là bằng cách dùng một đƣờng truyền vi dải hoặc một probe đ ng trục xuyên qua mặt phẳng đất nối đến patch kim loại của anten vi dải. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, một số kỹ thuật cấp ngu n mới cho anten vi dải đã đƣợc nghiên cứu và phát triển. Hiện nay các phƣơng pháp phổ biến d ng để cấp ngu n cho anten vi dải là: cấp ngu n sử dụng đƣờng truyền vi dải, probe đ ng trục, ghép khe (aperture-coupling), ghép gần (proximiti-coupling).
Việc lựa chọn cấp ngu n phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Tuy nhiên, yếu tố quan trọng nhất là hiệu suất truyền năng lƣợng giữa phần bức xạ và phần cấp ngu n tức là phải có sự phối hợp trở kháng giữa hai phần với nhau. Ngoài ra, việc chuyển đổi trở kháng bƣớc, việc uốn cong,.. cũng làm phát sinh bức xạ rò và suy hao sóng mặt. Các bức xạ không mong muốn này làm tăng bức xạ phụ trong đ thị bức xạ của anten vi dải. việc giảm thiểu bức xạ rò và những ảnh hƣởng của nó l n đ thị bức xạ là một trong những yếu tố quan trọng đánh giá việc cấp ngu n có tốt hay không?
Cấp nguồn bằng đƣờng truyền vi dải
Việc kích thích cho anten vi dải bằng đƣờng truyền vi dải trên cùng một lớp nền là một cách lựa chọn tự nhiên vì patch có thể đƣợc xem là một đƣờng truyền vi dải hở và cả hai có thể đƣợc thiết kế trên cùng một mạch. Tuy nhiên,
kỹ thuật này có vài hạn chế. Đó là sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi kích thƣớc đoạn feed line là đáng kể so với patch (ví dụ trong trƣờng hợp L đủ nhỏ đối với khoảng vài mm).
Patch
GND Feed
Hình 1.8: Cấp nguồn dùng đƣờng truyền vi dải
Cấp nguồn bằng probe đồng trục
Cấp ngu n qua probe là một trong những phƣơng pháp cơ bản nhất để truyền tải công suất cao tần. Với cách feed này, phần lõi của đầu feed đƣợc nối với patch, phần ngoài nối với ground plane. Ƣu điểm của cách này là đơn giản trong quá trình thiết kế, có khả năng feed tại mọi vị trí trên tấm patch do đó dễ dàng cho phối hợp trở kháng. Tuy nhi n cách này có nhƣợc điểm là:
Thứ nhất, vì d ng đầu feed nên có phần ăn ra phía ngoài làm cho anten không hoàn toàn phẳng và mất đi tính đối xứng. Thứ hai, khi cần cấp ngu n đ ng trục cho một dãy sẽ đ i hỏi số lƣợng đầu nối tăng l n và nhƣ thế việc chế tạo sẽ khó khăn và độ tin cậy giảm đi. Thứ ba, khi cần tăng băng thông của anten thì đ i hỏi phải tăng bề dày lớp nền cũng nhƣ chiều dài của probe. Kết quả là bức xạ r và điện cảm của probe tăng l n.
Patch
Điểm tiếp xúc điện
Cáp đồng trục
єr
GND Patch
Cấp nguồn dùng phƣơng pháp ghép khe – Aperture coupled GND єr2 єr1 Patch khe
Đường cấp nguồn vi dải
Hình 1 10: Cấp nguồn dùng phƣơng pháp ghép he – Aperture coupled
Phƣơng pháp cấp ngu n cũng thƣờng đƣợc sử dụng nhằm loại bỏ sự bức xạ không cần thiết của đƣờng microstrip line. Cấu trúc bao g m 2 lớp điện môi. Patch antenna đƣợc đặt trên cùng, ground ở giữa có 1 khe hở slot nhỏ, đƣờng truyền feed line ở lớp điện môi dƣới. Thông thƣờng thì miếng điện môi ở trên có hằng số điện môi thấp, lớp điện môi ở dƣới có hằng số điện môi cao để nhằm mục đích tối ƣu hóa sự bức xạ của anten. Tuy nhiên, phƣơng thức cấp ngu n này khó thực hiên do phải làm nhiều lớp, và làm tăng độ dày của anten. Phƣơng pháp cấp ngu n này thì cho băng hẹp (narrow bandwith).
1.3.2. anten ả
Có nhiều phƣơng pháp khác nhau để phân tích anten vi dải. Mỗi phƣơng pháp đƣa ra một mô hình gần đúng cho anten để phân tích. Mô hình phổ biến nhất là mô hình đƣờng truyền (microstrip line), mô hình hốc cộng hƣởng (cavity model).
Việc đƣa ra các mô hình phân tích có một ý nghĩa thực tiễn thực tiễn rất lớn vì các lí do:
• Giúp ta giảm bớt một lƣợng lớn các chu trình thử nghiệm và loại bỏ bằng cách tác động vào quá trình thiết kế.
• Giúp ta đánh giá một cách chính xác các ƣu khuyết điểm của anten bằng cách nghiên cứu các thông số của nó.
• Cung cấp các nguyên lý hoạt động của anten vi dải từ đó làm nền tảng cho việc nghiên cứu và phát triển các thiết kế sau này.
• Mô hình đƣờng truyền sóng xem một anten vi dải có patch hình chữ nhật nhƣ là một đoạn của đƣờng truyền vi dải. Đây là mô hình đơn giản nhất, nó cho ta một sự hiểu biết vật lý sâu sắc nhƣng k m chính xác và khó áp dụng cho các mô hình gh p, cũng nhƣ không thể áp dụng cho các anten có dạng phức tạp. t h єreff єr w
(a) Microstrip line (b) Trường điện
(c) Hằng số điện môi hiệu dụng
Hình 1 11: Các th ng số của m hình đƣờng tru ền
Khác với mô hình đƣờng truyền sóng, mô hình hốc cộng hƣởng có độ chính xác cao hơn nhƣng đống thời cũng phức tạp hơn. Tuy nhi n, mô hình này ƣu điểm là có thể áp dụng đƣợc trên nhiều dạng khác nhau của patch. Cũng nhƣ mô hình đƣờng truyền sóng, mô hình hốc cộng hƣởng cũng cho một sự hiểu biết vật lý sâu sắc và khá phức tạp khi áp dụng cho các mô hình ghép anten và nó cũng đƣợc sử dụng khá thành công. Ở đây, ta xem x t mô hình đƣờng truyền và mô hình hốc cộng hƣởng. Tuy nhi n, trong đó cũng sử
dụng một số kết quả tính toán và thiết kế của mô hình toàn sóng. Trong đó, chúng ta chỉ xem xét dạng anten vi dải phổ biến và thực tế nhất là patch hình chữ nhật.
1.4.Tổng ết chƣơng
Anten đóng một vai trò, vị trí quan trọng trong đời sống thông tin. Chƣơng này đã đƣa ra các khái niệm, định nghĩa cơ bản nhất, giới thiệu về anten vi dải. Trong chƣơng tiếp theo chúng ta sẽ nghiên cứu sâu hơn về anten MIMO, một trong những anten đƣợc d ng phổ biến cho hệ thống thông tin hiện nay.
CHƢƠNG 2: HỆ TH NG ANTEN MIMO
2.1. Giới thiệu chƣơng
Chƣơng này trình bày tổng quan về mô hình và các đặc tính của anten MIMO. Một trong những đặc tính quan trọng ảnh hƣởng đến chất lƣợng và khả năng hoạt động của anten MIMO là ảnh hƣởng tƣơng hỗ giữa các phần tử anten. Các nguyên nhân dẫn đến ảnh hƣởng tƣơng hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO đƣợc phân tích cụ thể. Bên cạnh đó, một số kỹ thuật để cải thiện cách ly cho các anten MIMO cũng đƣợc phân tích chi tiết kết hợp với các ví dụ từ những nghiên cứu đã đƣợc công bố. Tr n cơ sở đó, giải pháp giảm thiểu ảnh hƣởng tƣơng hỗ đã đƣợc lựa chọn để áp dụng trong các mô hình anten MIMO đƣợc thiết kế trong luận văn này.
2.2. Khái niệm về kênh truyền MIMO
2.2.1. Kênh truy n không dây
Thông thƣờng, khi một tín hiệu đƣợc truyền thông qua kênh truyền không dây từ điểm phát đến điểm thu sẽ đi qua nhiều đƣờng khác nhau để tới đích. Tín hiệu truyền qua kênh truyền sẽ chịu sự tổn thất năng lƣợng trong không gian. Hình 2.1 mô tả sự suy giảm tín hiệu theo khoảng cách truyền trong không gian giữa máy phát và máy thu [8].
Sự tổn thất năng lƣợng đƣợc mô tả trên hình 2.1 chủ yếu là do hai hiện tƣợng sau:
- Sự suy giảm năng lƣợng phụ thuộc vào khoảng cách gọi là tổn hao đƣờng truyền hay tổn hao không gian tự do.
- Sự suy giảm năng lƣợng do hiện tƣợng pha đinh.
Tổn hao đƣờng 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 [8], công suất nhận đƣợc trong không gian tự do đƣợc xác định bởi:
(
) (2.1)
trong đó và là tƣơng ứng là công suất phát và công suất thu, và
là độ tăng ích của anten phát và thu, d là khoảng cách giữa anten thu và phát.
Hình 2 1: Tổn hao trên đƣờng tru ền h ng d
Pha đinh là hiện tƣợng 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 chƣớng ngại vật, có kích thƣớc khác nhau, ví dụ nhƣ đ i, núi, toà nhà, hầm,... những chƣớng ngại vật này sẽ che phủ hay cắt hoàn toàn tín hiệu. Do vậy, cƣờng độ của tín hiệu thu đƣợc 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 đƣờng còn t n tại pha đinh đa đƣờng. Pha đinh đa đƣờng là kết quả của việc máy thu nhận đƣợc nhiều tín hiệu của cùng một máy phát theo các đƣờng lan truyền khác nhau. Các tín hiệu này đƣợc phản xạ từ nhiều vật và nhiều hƣớng khác nhau trong một khu vực. Do khoảng cách khác nhau nên các tín hiệu thu đƣợc sẽ khác nhau về pha và biên
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) PR/PT
độ nên chúng có thể làm tăng th m 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 đƣợc của pha tín hiệu theo thời gian làm cho sự suy giảm biến thiên mạnh.
Hệ thống đa anten (MAS) đƣợc xem là giải pháp hữu hiệu để chống lại tác động của truyền tín hiệu đa đƣờng 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 đƣờng giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu trong khi vẫn duy trì công suất phát.
2.2.2. Truy n thông không dây qua kênh truy n MIMO
Mô hình thu phát truyền thống g m một anten phát và một anten thu (còn gọi là hệ thống SISO) thƣờng đƣợc sử dụng cho các hệ thống truyền thông không dây. Theo định lý Shanon [8], dung lƣợng của hệ thống SISO trong môi trƣờng tạp âm AWGN đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
( ) (2.2)
trong đó là băng thông, là công suất thu trung bình, là mật độ phổ công suất tạp âm. Trong trƣờng hợp có hiện tƣợng đa đƣờng và giả sử băng thông là 1 Hz, dung lƣợng đƣợc biểu diễn nhƣ sau [77]:
( | | ) (2.3)
trong đó là đáp ứng xung thỏa mãn điều kiện *| | + và * + là toán tử kỳ vọng. Công thức trên cho thấy dung lƣợng kênh của hệ thống SISO sẽ tăng theo hàm logarit của công suất phát tức là muốn tăng dung lƣợng thêm 1b/s/Hz thì công suất phát cần tăng th m 3 dB.
(a) (b) TX RX TX . . 1 2 n RX . . 1 2 m
Kênh vô tuyến MIMO
Hình 2 2: hình hệ thống (a) SISO và (b) MIMO
Một hệ thống kết nối không dây MIMO với m anten thu và n anten phát đƣợc mô tả trên hình 2.2. Hệ thống MIMO đầu ti n đƣợc đề xuất trong và đƣợc quan tâm đặc biệt thông qua các nghiên cứu cả về lý thuyết và thực