phân tích và thiết kế ăng ten máy thu tích hợp gps - galileo - umts

Hệ thống 3G không còn là một điều mới mẻ trong thông tin di động nữa, mà nótrở thành một đặc điểm thiết yếu trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ như: điệnthoại không dây, điện thoại

Mục Lục

Mục lục hình vẽ

Danh sách các từ viết tắt

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DSSS Direct Sequence Spreading

Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

Commission

Hội đồng truyền thông liên bang

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSM Global System for Mobile

Communication

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ sư điện và điện tử

MB-OFDM

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao

PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

WPAN Wireless Personnal Area Network Mạng không dây cá nhân

MIMO Multi-input multi-output hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu raSNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên tín hiệu

TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời

gianFDMA Frequency division multiple access Đa truy nhập phân chia theo tần sốSDMA Spatial division multiple access Đa truy nhập phân chia theo không

gianCDMA Code division multiple access Đa truy nhập phân chia theo mã SISO Single input Single Output Đơn đầu vào đơn đầu ra

STBC Space-time Block codes Mã khối không gian thời gian

STTC Space-time trellis codes Mã lưới không gian thời gian

MRC Maximum Ratio Combiner Bộ tố hợp tỷ số lớn nhất

BLAST Bell labs layered space – time Mã không gian theo lớp được đề

xuất của Bell

SC Scanning and Selection combiner Bộ tổ hợp quét và lựa chọn

FDTC Finite Difference Time Domain Phương pháp miền thời gian vi sai

hữu hạnDFT Discrete Fourier Transform Biến đổi furie rời rạc

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Furie nhanh

EBG Electromagnetic band gap

FDTD Finited Difference Time Domain

Method

Phương pháp vi sai hữu hạn miềnthời gian

Lời Nói Đầu

Hiện nay, hệ thống anten sử dụng nhiều phần tử bức xạ ở cả phía phát và phía thuhay còn gọi là kĩ thuật MIMO đã được ứng dụng trong kĩ thuật anten Nó đem lại nhiều

ưu thế về chất lượng truyền tín hiệu cũng như tốc độ truyền tải dữ liệu Khi thông tinđược xử lý và chuyển thành sóng điện từ truyền đi trong không gian sẽ có sự suy giảmtín hiệu gây ra bởi khí quyển và hiện tượng phading làm thay đổi chất lượng cũng nhưtốc độ truyền tín hiệu trong mạng thông tin Do đó, để nâng cao tốc độ truyền dữ liệuthì cần phải có băng thông lớn nhưng điều này bị hạn chế vì dải tần số là một tàinguyên khan hiếm Đồng thời, muốn chất lượng tín hiệu được cải thiện và giảm ảnhhưởng của phading thì máy phát phải đạt được công suất đủ lớn hoặc tăng kích thướcanten để duy trì hiệu suất bức xạ, tuy nhiên, đối với những thiết bị di động cầm tay nhưđiện thoại di động, máy tính xách tay có kích thước nhỏ gọn thì không thể áp dụngphương pháp nay được Kĩ thuật MIMO ra đời nhằm mục đích khắc phục những nhượcđiểm trên trong hệ thống thông tin vô tuyến

Hệ thống 3G không còn là một điều mới mẻ trong thông tin di động nữa, mà nótrở thành một đặc điểm thiết yếu trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ như: điệnthoại không dây, điện thoại di động kết nối qua Internet, các cuộc gọi di động có hìnhảnh, truyền hình di động Để đáp ứng các tiêu chuẩn IMT-2000, một giải pháp đượcđưa ra là các thiết bị cùng hoạt động ở cùng dải tần 1920-1980 MHz cho hướng lên và2110-2170 Mhz cho hướng xuống Đây là dải tần phải đăng kí và đã có các tiêu chuẩn

để xây dựng một hệ thống 3G hoàn chỉnh Bài toán đặt ra là thiết kế anten 3G ứngdụng cho hệ thống MIMO để nâng cao đáng kể tốc độ truyền tải dữ liệu, đặc biệt đểtích hợp vào các thiết bị di động cầm tay ( handset mobile devices )

Việc thiết kế anten MIMO 3G gặp nhiều thách thức và trở ngại Vấn đề đầu tiênđặt ra là kích thước của anten phải nhỏ gọn đạt được yêu cầu của các nhà sản xuất thiết

bức xạ, ảnh hưởng tưỡng hỗ giữa chúng là đáng kể, hiện tượng này cần phải được giảmthiểu để nâng cao độ ổn định và hiệu suất bức xạ của hệ thống Anten vi dải(Microstrip Antenna) là một loại anten có nhiều ưu điểm thỏa mãn được các yêu cầuđặt ra ở trên: nhỏ gọn, có thể tích hợp được trên nhiều bề mặt khác nhau, dễ chế tạo, rẻtiền Vì vậy, nhiệm vụ đặt ra là thiết kế anten vi dải ứng dụng trong hệ thống Multi-inMulti-out 3G.

Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được rất nhiều các sự giúp đỡ từ cácthầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông cũng như bè bạn trong khoa, đặc biệt phải kể

đến sự tận tâm, nhiệt tình của Ths Nguyễn Khắc Kiểm giáo viên trực tiếp chịu trách

nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp

Tôi xin được gửi lời chân thành cảm ơn tới PGS Đào Ngọc Chiến, các thầy cô

trong khoa Điện tử Viễn thông cùng toàn thể các cá nhân, tập thể đã có những giúp đỡkịp thời cũng như những ý kiến đóng góp quý báu cùng góp phần hoàn thành nhiệm vụnghiên cứu mà đề tài đặt ra

Mục đích của đồ án này là nghiên cứu và thiết kế mô hình anten vi dải làm việc ởdải tần siêu rộng từ 1.9Ghz đến 2.2Ghz, che phủ cả 2 dải tần hoạt động của 3G Đồngthời kết hợp với kĩ thuật MIMO, tính toán, đánh giá và tìm cách giảm thiểu tác dụngtương hỗ giữa các anten để từ đó có thể chế tạo thử nghiệm Trên thực tế, tôi đã tiếnhành thiết kế thành công mô hình cho mức độ tương hỗ giữa các anten thành phần thỏamãn yêu cầu đặt ra, trong đó, các thông số truyền đạt, đồ thị bức xạ phương hướng vàđặc biệt là kích thước hệ thống đã được tối ưu Nhờ vào kích thước anten nhỏ, antenđược đề xuất có thể tích hợp vào các thiết bị di động kích thước nhỏ Kết quả thiết kếcuối cùng, thông số truyền đạt giữa hai cổng là một kết quả tốt và chấp nhận được.

Once the Multiple-input Multiple-output technology is applied in the field of 3Gsystem antenna technique, it will increase the amount of data transmitted significantlythough the bandwidth of the channel is limited However, in the process of designingthis system, we could suffer the problem of reducing the mutual coupling proportionbetween antenna elements which can leads to interference of the signals

The aim of this project is a method of designing and simulating an antenna modelwhich operates at the 3G frequency from 1.9 Ghz to 2.2 GHz In addition, by advancedevelopment of Multi input Multi output, the antenna system with much higherefficiency will be offered The calculation, analysis, estimation of the system can bedifficult because of the effect of mutual coupling between antenna elements Aftertaking an insight look into antenna field, I did success in producing a model which has

a low mutual coupling, low return loss, omni-directional radiation pattern and theoptimum dimensions of the system In the proposed antenna, one radiation element ismounted on 2 sides of a substrate This antenna can be integrated in lots of handhelddevices because of its compact dimensions

Chương 1 Giới thiệu

Sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ số liệu mà IP đã đặt ra các yêu mới đối vớicông nghệ viễn thông di động Thông tin di động thế hệ 2 mặc dù sử dụng công nghệ

số nhưng là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nênkhông thể đáp ứng được dịch vụ mới này 3G (third-generation) công nghệ truyềnthông thế hệ thứ ba là giai đoạn mới nhất trong sự tiến hóa của ngành viễn thông diđộng Nếu 1G (the first gerneration) của điện thoại di động là những thiết bị analog, chỉ

có khả năng truyền thoại 2G (the second generation) của ĐTDĐ gồm cả hai công năngtruyền thoại và dữ liệu giới hạn dựa trên kỹ thuật số Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra

đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 với tên gọi IMT – 2000.IMT – 2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụngnhiều phương tiện thông tin Mục đích của IMT – 2000 là đưa ra nhiều khả năng mớinhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ hai (2G) vào những năm 2000 3G mang lại cho người dùng các dịch vụ giá trịgia tăng cao cấp, giúp chúng ta thực hiện truyền thông thoại và dữ liệu (như e-mail vàtin nhắn dạng văn bản), download âm thanh và hình ảnh với băng tần cao Các ứngdụng 3G thông dụng gồm hội nghị video di động; chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ điệnthoại máy ảnh; gửi và nhận e-mail và file đính kèm dung lượng lớn; tải tệp tin video vàMP3; thay cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay PDA và nhắn tin dạng chữvới chất lượng cao…

1.1Động lực phát triển

- Các giao diện, thiết bị đã và đang được hỗ trợ bởi các nhà sản xuất công nghiệp điện tử

- Việc nghiên cứu sâu hơn có thể mở ra nhiều hướng phát triển cũng như thách thức mới, trong đó, khả năng kết hợp các công nghệ với nhau được các nhà nghiên cứuquan tâm nhất Sự kết hợp giữa MIMO và 3G là một trong những hướng đi đem lại một bước tiến đang kể.

- Chí phí đầu tư không lớn nhưng hiệu quả đem lại rất đáng kể Có thể lấy mộttrong những hướng phát triển của công nghệ này làm ví dụ: hệ thống anten thiết kế chocác thiết bị di động cầm tay rất nhỏ gọn và được chế tạo bởi những vật liệu rẻ tiềnnhưng có nhiều sự cải tiến vượt bậc về mặt tốc độ so với các công nghệ khác như2Ghay EDGE, việc thay thế cho các công nghệ cũ này chỉ là vấn đề thời gian

1.2Kết quả mong đợi

Đồ án này hướng tới phát triển, nghiên cứu, thiết kế một hệ thống anten hoàn chỉnhứng dụng cho mạng di động 3G

Quá trình thiết kế sẽ gặp nhiều trở ngại trước tiên là việc lựa chọn loại anten phùhợp nhất đáp ứng được những yêu cầu như giá thành rẻ, dễ chế tạo, tính tích hợp caocho các thiết bị di động Sau đó là giai đoạn áp dụng một số phương pháp kĩ thuật đểđiều chỉnh các thông số anten: hệ số tổn hao ngược, bức xạ đẳng hướng và cuối cùng làghép các anten để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh trong khi vẫn đảm bảo các thông

số anten thay đổi trong điều kiện cho phép

Sau đây chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu chi tiết hơn về mặt lý thuyết của công nghệ3Gvà MIMO, từ đó tạo nên hướng thiết kế cho hệ thống anten

Kết thúc QTTMT IMT-2000

1998 1999 2000 2001 2002

Phát hành 3GPP 12/99 3GPP phát hành tiếp

2.1Công nghệ 3G

2.1.1 Lịch sử phát triển công nghệ 3G

Công trình nghiên cứu của các nước Châu Âu cho W-CDMA đã bắt đầu từ các đề

án CDMT (Code Division Multiple Testbed): Phòng thí nghiệm đa truy nhập theo mã)

và FRAMES (Future Radio Multiple Access Scheme: Sơ đồ đa truy nhập vô tuyếntương lai) từ đầu thập niên 90 Các dự án này cũng tiến hành thực nghiệm các hệ thốngW-CDMA để đánh giá chất lưọng đường truyền Công tác tiêu chuẩn hoá chi tiết đượcthực hiện ở 3GPP Lịch trình triển khai W-CDMA được cho hình vẽ

Hình 2 1 Lịch sử phát triển công nghệ 3G

Lịch trình nghiên cứu và đưa mạng W-CDMA vào khai thác

Ở Châu Âu và Châu Á, hệ thống W-CDMA được đưa ra khai thác vào đầu năm2002

- Pha 1: (1997 – 1999)+ Nghiên cứu phát triển mẫu đầu tiên của hệ thống;

+ Năm 1997: Xây dựng tiêu chuẩn , xây dụng cấu trúc mẫu đầu tiên hệ thống

và thiết kế các phương tiện thử nghiệm chung

+Năm 1998: Tiếp tục xây dựng mẫu thử đầu tiên của hệ thống và các phươngtiện thử nghiệm chung;

+ Năm 1999: Kiểm tra kết nối cho mô hình đầu tiên của hệ thống

- Pha 2: (2000 -2002)

+ Phát triển hệ thống với mục tiêu thương mại ở các nhà sản xuất hàng đầu ;

+ Năm 2002: Bắt đầu dịch vụ thương mại

2.1.2 Các tiêu chí để xây dựng mạng 3G

Chuẩn 3G mà Bộ Thông tin và Truyền thông Việt Nam đã cấp phép là chính làWCDMA ở băng tần 2100 MHz Công nghệ này hoạt động dựa trên CDMA và có khảnăng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet, hộithảo có hình WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz - 2170MHz Công nghệ W-CDMA có các đặc tính năng cơ sở sau:

+ Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz;

+ Lớp vật lý linh hoạt để tích hợp tất cả các tốc độ trên một sóng mang;

+ Tái sử dụng bằng 1

Ngoài ra công nghệ này có các tính năng tăng cường sau:

+ Phân tập phát;

+ ăng ten thích ứng

+ Hỗ trợ các cấu trúc thu tiên tiến

W-CDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất trước hết nhờ tính linh hoạt của lớp vật lýtrong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau, đặc biệt là các dịch vụ tốc độ bít thấp vàtrung bình Nhược điểm của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băng tầnTDD với phát thu liên tục, công nghệ W-CDMA không tạo điều kiện cho các kỹ thuậtchống nhiễu ở các phương tiện làm việc như máy điện thoại không dây Ưu điểm của

công nghệ này là hỗ trợ nhiều mức tốc độ khác nhau: 144Kbps khi di chuyển nhanh,384Kbps khi đi bộ (ngoài trời) và cao nhất là 2Mbps khi không di chuyển (trong nhà).Với tốc độ cao, WCDMA có khả năng hỗ trợ các dịch vụ băng rộng như truy cậpInternet tốc độ cao, xem phim, nghe nhạc với chất lượng không thua kém kết nối trongmạng có dây WCDMA nằm trong dải tần 1920MHz -1980MHz, 2110MHz -2170MHz.

2.1.3 Các ứng dụng của công nghệ 3G

Các ứng dụng 3G thông dụng gồm hội nghị video di động; chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ điện thoại máy ảnh; gửi và nhận e-mail và file đính kèm dung lượng lớn; tải tệp tin video và MP3; thay cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay PDA

và nhắn tin dạng chữ với chất lượng cao…

2.2 Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO

2.2.1 Định nghĩa và đặc điểm

Hệ thống non-MIMO liên hệ với kênh truyền thông qua nhiều dải tần số còn hệ thống MIMO thì có nhiều kênh và hoạt động trên cùng một dải tần

Hệ thống MIMO là một hệ thống mà máy phát và máy thu đếu sử dụng nhiều anten Anten máy phát và anten ở máy thu đều cách nhau ở một khoảng cách nhất định.Trong mô hình MIMO, ta giả sử rằng:

- Các symbol được truyền từ anten từ những khoảng thời gian cho trước

- Máy thu thu ở các khe thời gian là sự tổng hợp của các tín hiệu được truyền và thành phần AWGN

là các hệ số kênh truyền giữa anten phát thứ và anten thu thứ

- Mối quan hệ đầu ra và đầu vào của hệ thống anten có thể được viết như sau:

1)hay

(2.2)với gọi là ma trận kênh

2.2.2 Những hạn chế của kênh truyền không dây

Việc truyền tín hiệu RF giữa hai anten sẽ chịu sự tổn thất năng lượng trong khônggian Điều này làm giảm đáng kể đến sự hoạt động của đường truyền Sự tổn thất nănglượng giữa máy phát và máy thu là kết quả của ba hiện tượng khác nhau:

Sự suy giảm phụ thuộc vào khoảng cách gọi là tổn hao đường truyền hay tổn haokhông gian tự do

Sự hấp thụ của các phân tử khí quyển trái đất

Sự suy giảm do hiện tượng phađing gây ra

Sự hấp thụ của khí quyển là do các electron, phân tử hơi nước không ngưng vàphân tử của các loại khí

Tổn hao đường truyền là sự suy giảm về mặt lý thuyết Sự tổn hao này xảy ra dướiđiều kiện LOS tự do và tổn hao này tăng theo máy phát và máy thu

Phađing là sự suy giảm biến thiên giữa max và min một cách không đều đặn Khithiết bị đầu cuối di chuyển qua một khu vực nào có nhiều chướng ngại vật, có kíchthước khác nhau, ví dụ: đồi, núi, toà nhà, hầm … Những chướng ngại vật này sẽ chephủ hay cắt hoàn toàn tín hiệu Mặc dù kết quả của hiệu ứng này phụ thuộc vào kích cỡcủa vật chắn và khoảng cách đến nó Do vậy, cường độ của tín hiệu thu được biến thiênmột cách tất yếu Loại phađing này gọi là shadow phađing Cách khắc phục là đặt cáctrạm BS cao và gần nhau thì ta có thể tránh được các vật cản trong khi truyền dẫn.Ngoài ra còn có các loại phading khác như: Rayleigh phađing, multipath phađing,shortterm phađing Đây cũng là các loại khác của hiện tượng phađing gây ra sự suygiảm của cường độ tín hiệu thu được.

Rayleigh phađing là kết quả của việc thu vài tín hiệu của máy thu Các tín hiệu nàyđược phản xạ từ nhiều vật và nhiều hướng khác nhau trong một khu vực Do khoảngcách khác nhau nên các tín hiệu thu được khác nhau về pha nên chúng có thể làm tăngthêm hay làm triệt tiêu tín hiệu tổng hợp Sự di chuyển của các thiết bị đầu cuối cũnggây ra sự biến thiên không thể dự đoán được của pha, tín hiệu theo thời gian làm cho

sự suy giảm biến thiên mạnh Rayleigh phađing thường có trong khu vực đô thị Hiệntượng phađing sâu thường xảy ra ở các vùng tần số cao và khi các thiết bị di chuyểnnhanh Để tránh hiện tượng phađing sâu thì giá trị trung bình của các tín hiệu thu đượcphải cao hơn vài dB so với độ nhạy máy thu

Nhiễu xuyên Symbol (ISI): vì dải thông của kênh nói chung bị hạn chế và khi mộtxung được truyền qua kênh đó thì nó sẽ gây ra sự méo mó tín hiệu đang truyền trongmiền tần số Tương tự, đó là sự tán sắc của xung theo thời gian và xung của mỗisymbol sẽ tràn sang khoảng thời gian của mỗi symol kế tiếp Loại nhiễu này được biếtđến là nhiễu xuyên symbol (ISI) Điều này làm gia tăng sắc suất lỗi ở máy thu trongviệc dò tìm symbol Rõ ràng rằng xung ở dải thông hạn chế được chọn để truyền dẫnnhằm tránh sự méo trong miền tần số do kênh truyền có giải thông hạn chế Tuy nhiên,

sự cắt xén dải thông của tín hiệu được truyền lại làm giảm xung trong miền thời gian

Nhiễu đồng kênh (CCI): ngoài nhiễu gây ra bởi kênh truyền, một loại nhiễu kháccũng làm hạn chế hiệu quả hoạt động của hệ thống và công suất của hệ thống là nhiễuđồng kênh (CCI) CCI tồn tại trong bất kỳ một hệ thống đang truy nhập nào TrongTDMA, SDMA, FDMA tần số được tái sử dụng nghĩa là có nhiều người sử dụng cùngchia sẻ một băng tần ở cùng một thời điểm và do vậy những người sử dụng cùng kênhchắc chắn tạo ra CCI lẫn nhau Do vậy cần có sự cân bằng giữa hiệu suất phổ và hiệuquả hoạt động của hệ thống.

Tạp âm: ví dụ như tạp âm nhiệt làm giới hạn tỷ số SNR

2.2.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO

Công suất cao vì với băng thông đắt và hiếm, số lượng các trạm gốc bị hạn chế ,nhờ có việc sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu làm tăng tốc độ truyền dữ liệunhờ vào kỹ thuật phân kênh không gian trong khi đó không cần mở rộng băng thông.Chất lượng truyền dẫn tốt hơn hay nói cách khác tỷ lệ lỗi bit giảm do sử dụngnhiều anten bên thu giúp chống được phađing Và với việc sử dụng kỹ thuật dãy anten

có thể giúp giảm nhiễu

Độ lợi phân kênh không gian: độ lợi công suất thu được từ việc sử dụng nhiềuanten ở cả hai phía của kênh truyền vô tuyến mà không cần tăng công suất máy pháthay mở rộng băng tần

Độ lợi phân tập: Nâng cao độ tin cậy kênh truyền bằng cách phát trùng dữ liệu trênnhững nhánh phađing độc lập

Như vậy đầu ra gấp lần đầu vào

2.2.4 Hệ thống đa ănten và ảnh hưởng tương hỗ

2.2.4.1 Giới thiệu hệ thống đa anten.

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

Hình 2 3 Mô hình MMA(a) và MEA (b)

Chúng ta có thể phân loại hệ đa anten làm hai loại: loại sử dụng chung phẩn tửphát xạ và loại sử dụng các phần tử phát 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 nguồnvào sử dụng các thuộc tính bức xạ khác nhau: như là tính phân cực khác nhau, tần sốkhác nhau hay chế độ khác nhau ( Multimode antenna, Multipolarized antenna) Loạithứ 2, sử dụng các phần tử bức xạ độc lập nhau, như hình vẽ Mục đích là giảm ảnhhưởng giữa các cổng (port)

Ảnh hưởng tương hỗ, thông thường là những ảnh hưởng không mong muốn Trong

hệ đa anten sử dụng đơn phần tử sẽ có ảnh hưởng tương hỗ giữa các cổng ( port) là rấtlớn, và ít được sủ dụng dù có ưu điểm là nhỏ gọn hơn Hệ đa anten sử dụng đa phần tửphát xạ vẫn tồn tại ảnhhưởng tương hỗ, vì chúng tồn tại trong cùng một hệ thống nênkhoảng cách giữa các phần tử phát xạ nhìn chung không quá xa nhau Đặc biệt, khi hệanten nay được tích hợp trên một thiết bị di động, thứ mà kích thước là hạn chế, thìkhoảng cách giữa các anten là rất nhỏ so với nửa bước sóng, ảnh hưởng tương hỗ trởlên nghiêm trọng Xét mô hình ảnh hưởng tương hỗ giữa các anten trên cùng mộtmiếng đế điện môi như hình vẽ sau: Hình vẽ chỉ ra hai nguyên nhân cơ bản của hiện

anten đặt trong khoảng cách ngắn, ảnh hưởng tương hỗ là đáng kể Nguyên nhân thứ

2, ảnh hưởng tương hỗ gây ra bởi sóng bề mặt Vì các anten nguyên tố nằm chung trêncùng miếng đế, sóng bề mặt giữa hai phần tử là rất lớn

Ảnh hưởng tương hỗ gây ra nhiễu giữa các anten thành phần Để hiểu rõ cơ chếgây nhiễu, ta xét quá trình sau Ta có thể chia làm 4 quá trình nhỏ như sau:

Ảnh hưởng tương hỗ gây ra nhiễu giữa các anten thành phần Để hiểu rõ cơ chếgây nhiễu, ta xét quá trình sau Ta có thể chia làm 4 quá trình nhỏ như sau:

1 Từ một phần tử phát xạ ta phát tín hiệu như mong muốn

2 Do hiệu ứng dòng điện bề mặt, và do tán xạ trường khu gần, dòng điện của phần tửphát xạ mong muốn sẽ gây ra dòng điện cảm ứng(ảnh hưởng tương hỗ) đến các phần

tử phát xạ khác( trực tiếp hay gián tiếp)

3 Dòng điện trên các phần tử cảm ứng gây suy hao

4 Dòng điện cảm ứng trên các phần tử cảm ứng gây ảnh hưởng ngược trở lại phần tửphát xạ làm phần tử phát xạ bị sai khác Dẫn trực tiếp sự sai khác của đặc tínhphương hướng

Ảnh hưởng tương hỗ (Mutual coupling) mang tính chất nội tại trong anten, khôngphụ thuộc vào môi trường truyền dẫn (kênh truyền) Tuy nhiên, ảnh hưởng của nó,phụ thuộc rất nhiều vào các phần tử liên kết với anten…

Hình 2 4 Các nguyên nhân gây tương hỗ.

Hình 2 5 Các quá trình gây nhiễu giữa liên chấn tử

2.2.4.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến hệ anten MIMO

 Khoảng cách giữa các chấn tử:

Nói chung, khoảng cách giữa các chấn tử ảnh hưởng lớn đến ảnh hưởng tương hỗ

giữa các anten thành phần Nguyên nhân là do mật độ phổ công suất tín hiệu tỉ lệ vớihàm mũ của khoảng cách Giữa các anten thu, người ta thường để cho khoảng cáchgiữa các chấn tử là đủ lớn, qua đó hạn chế đáng kể ảnh hưởng tương hỗ Khoảng cáchgiữa anten trong các trạm phát sóng cố định thường để hàng vài bước sóng, thí dụ 10 Đối với thiết bị di động MS, khoảng cách thông thường để xác định khoảng cách giữacác chấn tử là xa hơn mức /2

Hình 2 6 Hàm tương quan giữa các anten thành phần như là hàm của khoảng cách

theo bước sóng

Chúng ta hãy quan sát Hình vẽ 2.12, biểu thị mỗi quan hệ giữa khoảng cách giữacác anten thành phần và hàm tương quan tín hiệu giữa các anten thành phần Tạikhoảng cách bằng không, thì độ tương quan giữa các thành phần anten là lớn nhất Bởi

vì khoảng cách bằng 0 ứng với sự tiễp xúc giữa các anten, các anten có cùng tín hiệu.Tín hiệu trên anten 1 và anten 2 là hoàn toàn giông nhau, đồng nghĩa với độ tươngquan bằng 1 Cũng trên hình vẽ biểu thị, độ tương quan nhỏ nhất ứng với khoảng cáchnhỏ hơn nửa bước sóng, 0.383 lần bước sóng Sự phụ thuộc độ tương quan tín hiệu trênanten vào khoảng cách còn phụ thuộc vào cấu hình anten Tuy nhiên, nhìn chung,khoảng cách càng xa sẽ cho độ tương quan càng thấp

- Mô hình kiến trúc dãy các anten thành phần:

Dãy anten nên là dãy có chiều dài trong mặt phẳng nằm ngang vì khi đó có thểkhai thác được các tia đa đường Những thành phần đa đường này rất khác trong mặtphẳng phương vị Aziminth AOA Dãy hai chiều (trong một mặt phẳng thẳng đứng)cũng có thể giải quyết thành phần đa đường khác nhau theo chiều cao Tuy nhiên trongnhiều môi trường đặc biệt như outdoor thì sự trải của AOA theo chiều cao là nhỏ Dovậy khoảng cách giữa các phân tử anten theo chiều đứng phải đủ lớn để tạo ra các tínhiệu không tương quan Điều này có nghĩa là đối với một khu vực cho trước thì tốthơn hết là phân bố chúng theo mặt phẳng ngang Trong vài trường hợp khi mà sự trải

AOA trong mặt phẳng phương vị là nhỏ và hướng tương đối của nó so với dãy làkhông biết thì có thể sử dụng dãy trong mặt phẳng ngang

- Hướng của các anten thành phần :

Hướng của các anten thành phần ảnh hưởng đến mật độ phổ công suất tại vị trí cácanten lân cận Do tất cả các anten vốn dĩ chẳng bao giờ đẳng hướng lý tưởng cả

- Tính chất phân cực của anten thành phần:

Tính chất phân cực quyết định đến sự cảm ứng điện từ trên anten Các anten đượcghép nối đúng tính chất phân cực sẽ có độ tương quan tín hiệu là nhỏ nhất

2.2.5 Kĩ thuật phân tập anten

2.2.5.1Giới thiệu về kĩ thuật phân tập anten.

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp dùng để hạn chế ảnh hưởngcủa phađing Ý tưởng cho việc phân tập là tạo ra cách kênh độc lập với nhau vàphađing ở các kênh không xảy ra đồng thời Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuậtphân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của phađing đa tia, tăng độ tin cậy củaviệc 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 kỹthuật liên quan đến mã không gian-thời gian còn phân tập ở bên thu cho phép thu đượcnhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền Các bản sao này chứa cùng một lượngthông tin như nhau nhưng có ít sự tương quan về phađing Tín hiệu thu được bao gồmmột sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng phađing

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, phântập không gian (phân tập anten) Trong đó kỹ thuật phân tập anten hiện đang rất đượcquan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thànhphần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởngcủa phađing, đồng thời tránh lãng phí băng thông tần số - một yếu tố rất được quan tâmtrong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm

2.2.5.2Các phương pháp phân tập

 Phân tập tần số:

Một phương thức để tạo ra sự độc lập kênh truyền là tạo ra nhiều sóng mang tần sốkhác nhau khi truyền để đạt được mức phân tập lớn thì các sóng mang phải đủ phânbiệt nhau để mà các kênh đủ không tương quan

 Phân tập thời gian :

Tức là phát dữ liệu ở các khoảng thời gian khác nhau Nếu các khoảng thời gian đủdài hơn thời gian gắn kết của kênh truyền thì sắc xuất mà các tín hiệu được phát đi màcùng bị phading sâu là rất thấp Cũng giống như đa dạng về tần số sẽ rất tốt nếu sửdụng mã mà có khả năng sửa lỗi khi có hiện tượng phading sâu

 Phân tập không gian:

Là một kỹ thuật phổ biến Về phương thức này các máy thu sẽ đặt ở các điạ điểmkhác nhau Điều này dẫn đến có các đường truyền khác nhau đến máy thu Chúng ta cóthể sử dụng nhiều anten phát để đạt được sự phân tập pháp Có thể hiểu rằng sự tươngquan giữa các kênh giảm khi khoảng cách giữa các anten tăng Khoảng cách yêu cầu để

có được các kênh mà không tương quan với nhau được quy định bởi bước song củasong mang Sự tương quan này như một hàm của khoảng cách và bước song của songmang Căn cứ vào mục 2.2.4.2 (: các nhân tố ảnh hưởng trong hệ đa anten) thì khoảngcách anten trong khoảng 0.383 lần bước sóng sẽ cho tín hiệu tương quan là nhỏ nhất

các hướng khác nhau Điều này cho phép máy thu thu được hai mẫu của cùng một tínhiệu Hai mẫu này độc lập với nhau.

 Phân tập phân cực :

Khi đó hai tín hiệu được phân cực ngang và phân cực đứng được truyền bởi haianten được phân cực khác nhau Và được thu tương ứng ở hai anten thu được phân cựckhác nhau đảm bảo không có sự tương quan giữa hai dòng dữ liệu mà chẳng quan tâmđến khoảng cách giữa hai anten

Khi thiết kế anten MIMO thì ta thường sử dụng kết hợp phân tập không gian vớiphân tập góc, phân tập phân cực Vì hệ thống MIMO phát trên cùng một dải tần nênkhông sử dụng phân tập tần số.Tsuy nhiên ta cũng không thể sử dụng tất cả các kỹthuật phân tập cho anten

Chương 3 Phân tích và thiết kế anten bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

3.1 Lý thuyết cơ bản trường điện từ

3.1.1 Phương trình Maxwell và các điều kiện biên

Trong không gian tự do hệ phương trình Maxwell và các phương trình liên quan[1] được biểu diễn như sau:

(3.1)(3.2)(3.3)(3.4)(3.5)(3.6)Trong các phương trình này:

• là véc-tơ điện trường

• là véc-tơ từ trường

• là véc-tơ mật độ thông lượng từ

• là mật độ thông lượng điện

• là mật độ dòng điện dẫn

• là mật độ điện tích

• là hệ số điện môi trong không gian tự do

• là hệ số từ thẩm trong không gian tự do

Đối với các vật liệu dẫn điện, định luật bảo toàn điện tích được biểu diễn bởi quanhệ:

(3.7)

Mật độ dòng và cường độ điện trường liên hệ với nhau bởi định luật Ohm:

(3.8)

là hệ số phụ thuộc tính dẫn điện của môi trường

Nếu vật dẫn chuyển động với vận tốc trong từ trường thì điện trường tổng cộngphải bao gồm thêm thành phần được sinh ra do hiệu ứng chuyển động:

(3.9)

3.1.2 Các phương trình thế

Trường phụ thuộc thời gian biến đổi nhanh

Khi trường phụ thuộc vào thời gian biến đổi nhanh thì điện trường và từ trườngảnh hưởng tương hỗ lẫn nhau Trường phân bố phụ thuộc cả vảo thời gian và vị trí,

(r,t) , (r,t) Từ trường thay đổi theo thời gian sinh ra điện trường xoáy và

điện trường thay đổi theo thời gian sinh ra từ trường xoáy Như vậy điện trường và từ

Trong môi trường không suy hao và miền nguồn không gian tự do rất dễ dàng nhận thấy rằng và thoả mãn phương trình sóng Đối với , từ phương trình (3.2) ta có:

(3.10)

Đây là phương trình sóng của Tương tự, ta thu được phương trình sóng của từ

phương trình (3.1):

(3.11)Khi giải phương trình Maxwell để thuận tiện ta định nghĩa hàm vô hướng và hàm

vector thế thoả mãn:

(3.12)(3.13)Thay (3.12) và (3.13) vào (3.1) và (3.2) ta được:

(3.14)(3.15)

Do và là các hàm tuỳ ý nên ta có thể chọn chúng sao cho:

(3.16)Trong môi trường suy hao thì phương trình sóng sử dụng dạng sau:

(3.17)Cuối cùng phương trình sóng thu được có dạng:

(3.18)(3.19)Phương trình (3.18) và (3.19) được dùng để tính toán sóng bức xạ của anten, trường tán xạ của vật liệu và sự truyền sóng trong ống dẫn sóng hay các thiết bị điện từkhác

Trường cân bằng

Khi bài toán được xét trong điều kiện trường biến đổi theo thời gian rất chậm thìtrạng thái cân bằng xấp xỉ được sử dụng.Tiêu chuẩn được gọi là chậm nếu nó thoả mãnđiều kiện sau:

(3.20)

là tần số góc của tín hiệu hình sin

Tiêu chuẩn này có nghĩa rằng dòng dẫn chiếm ưu thế và dòng dịch có thể được bỏ qua Do đó, từ trường xoáy sinh ra bởi điện trường không tồn tại Không có mối liên hệ

giữa sự thay đổi vị trí và biến đổi theo thời gian của trường Vì vậy không có sự truyềnsóng

Thông thường, trong các bài toán trường cân bằng đại lượng (r,t), (r,t) , (r,t)

và là hàm điều hoà theo thời gian Do đó trường phân bố chỉ phụ

(3.21)(3.22)(3.23)(3.24)Khi là hằng số thì và tuân theo phương trình truyền parabol:

(3.27)Trong đó là thế từ vô hướng Phương trình (3.27) được suy ra từ phương trình(3.21), (3.26) và phương trình

Phương trình vi phân của 2 véc-tơ thế có thể thu được bằng cách thay phương trình(3.12), (3.13) và (3.27) vào hệ phương trình Maxwell, sau một số biến đổi đơn giản ta

có hai phương trình sau:

(3.28)(3.29)Trong đó là mật độ dòng mặt

Ứng dụng quan trọng nhất của trạng thái xấp xỉ cân bằng là để xác định sự phân bố của

dòng xoáy trong vùng dẫn và trong lõi kim loại Tuỳ thuộc vào hằng số vật liệu, sự xấp xỉ

có thể có giá trị đến khoảng tần số của tia X

Trường tĩnh và gần tĩnh:

Các đại lượng trường tĩnh là độc lập với thời gian, ví dụ và

trường phân bố chỉ là hàm của vị trí Nếu tần số đủ nhỏ thì điện trường xoáy sinh ra bởi

từ trường của dòng dịch là rất nhỏ Trường phân bố trong trường hợp này thực tế gọi làphân bố tĩnh hay gần như là tĩnh Tiêu chuẩn của trường gần tĩnh là trong đó là bước

sóng, L là kích thước vùng trường.

Trong trường hợp trường tĩnh và gần tĩnh hệ phương trình Maxwell được rút gọn thành:

(3.30)(3.31)Dựa vào phương trình , cả điện thế, từ thế vô hướng và véc-tơ

3.1.3 Các điều kiện biên

Tại bề mặt của các vật liệu khác nhau dạng tích phân của hệ phương trình Maxwellđược rút gọn lại thành:

(3.35)

Trong đó n là véc-tơ pháp tuyến đơn vị của bề mặt trong hình 4.1,

và là của trường ở 2 phía của bề mặt, đồng thời K và l à mật độ của dòng mặt và thế

mặt

Hình 3 1 Điều kiện biên của E và B

Nếu véc-tơ thế điện vô hướng được coi như là một biến thì điều kiện biên giữa 2mặt là:

(3.36)

Do sự dịch chuyển đối xứng đối với từ trường, điều kiện biên bề mặt là:

(3.37)Nếu các bài toán từ trường được xét đến trong không gian 3 chiều thì véc-tơ từ thếđược phân tích làm 3 thành phần:

(3.38)Trong đó là 3 thành phần của , và là 2 véc-tơ đơn vị trực giao với véc-

(3.39)Tính liên tục của thành phần tiếp tuyến của cường độ từ trường được biểu diễnbằng biểu thức sau:

(3.40)Phương trình trên có thể được phân tích thành 2 phương trình:

(3.41)(3.42)Phương trình (3.41) và (3.42) chỉ ra rằng các điều kiện biên cho từ trường 3 chiều

là phức tạp hơn so với trường vô hướng Do đó sự lựa chọn mô hình toán học xấp xỉđối với biến chưa biết và tiêu chuẩn biên là phương pháp chính để giải bài toán trườngđiện từ trong không gian 3 chiều

3.2 Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method) 3.2.1 Giới thiệu

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) bắt nguồn từ lĩnh vực phân tích cấu trúc.Mặc dù cách thực hiện toán học của phương pháp này đã được Courant đưa ra năm

1943, nhưng tới năm 1968 phương pháp này mới được áp dụng cho các bài toán điện

từ Từ đó, phương pháp này được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như các bàitoán về ống dẫn sóng, các máy điện, các thiết bị bán dẫn, các đường truyền vi dải, và

sự hấp thụ của phát xạ điện tử bởi các cơ thể sinh học

Mặc dù phương pháp vi sai hữu hạn (FDM) và phương pháp mô-men (MoM) đơngiản hơn về khái niệm và dễ dàng lập trình hơn phương pháp phần tử hữu hạn (FEM),FEM là một kỹ thuật số học mạnh hơn và linh hoạt hơn cho việc xử lý các vấn đề baogồm các hình phức tạp và các môi trường không đồng nhất Phương pháp này cho phéptạo ra các chương trình tính toán với mục đích tổng quát cho việc giải quyết vấn đề

trong một phạm vi rộng Do đó, các chương trình phát triển cho các chuyên môn đãđược áp dụng thành công để giải quyết các bài toán trong một lĩnh vực khác mà chỉkhông cần thay đổi hoặc chỉ cần thay đổi một chút.

Hình 3 2Những phần tử hữu hạn điển hình: (a) Một chiều, (b) Hai chiều, (c) Ba

chiều

Việc phân tích phần tử hữu hạn của bất kỳ vấn đề nào cũng bao gồm 4 bước cơ bảnsau:

• Rời rạc hóa miền nghiệm thành một số hữu hạn các miền con và các phần tử,

• Rút ra các phương trình chủ đạo cho một phần tử điển hình,

• Tổng hợp tất cả các phần tử trong miền nghiệm,

• Giải hệ phương trình đã thu được

Việc rời rạc hóa các miền liên tục bao gồm việc chia các miền nghiệm thành cácvùng con, được gọi là các phần tử hữu hạn Hình 3.2 biểu thị một số phần tử điển hìnhcho các bài toán một, hai, và ba chiều.

3.2.2 Nghiệm của phương trình sóng

Phương trình sóng điển hình là phương trình Helmholtz vô hướng không thuầnnhất:

(3.98)Với là trường cần xác định (với bài toán ống dẫn sóng, với mốt TE hay

với mốt TM), g là hàm nguồn, và là số sóng của môi trường Cần

chú ý 3 trường hợp đặt biệt của phương trình 3.98:

(i) : phương trình Laplace

(ii) : phương trình Poisson

(iii) là ẩn, phương trình Helmholtz vô hướng thuần nhất

Ta có phương trình nghiệm của phương trình toán tử:

(3.99)Thu được bằng cách tối đa hóa hàm:

(3.100)

Do đó nghiệm của phương trình 3.98 là tương đương với việc thỏa mãn các điềukiện biên và rút gọn hàm:

(3.101)

Nếu các điều kiện biên khác (như các điều kiện Dirichlet hoặc điều kiện Neumannthuần nhất) phải được thỏa mãn, các số hạng thích hợp phải được thêm vào hàm.

Bây giờ ta biểu thị điện thế và hàm nguồn g trong các số hạng của các hàm trạng

hình dạng phần tử qua phần tử tam giác:

(3.102)(3.103)Với và là các giá trị của và ở điểm nút i của phần tử e.

Thay phương trình 3.102 và 3.103 vào phương trình 3.101, ta có:

(3.104)Với , , còn và được xác định ở phưong trình 3.65 và 3.89

Phương trình 3.104, được rút ra cho một phần tử, ta có thể áp dụng cho tất cả N

phần tử trong miền nghiệm Do đó,

(3.105)

Từ phương trình 3.104 và 3.105, có thể được biểu diễn dưới dạng ma trận

như sau:

(3.106)Với

(3.107a)(3.10

Trong trường hợp đặc biệt với hàm nguồn Nếu các nút tự do được đánh số

trước rồi sau đó mới mới đánh số các nút đã biết, ta có thể viết phương trình 3.106 nhưsau:

(3.108)

Từ , ta có:

(3.109)Với mốt TM, = 0 và do đó:

(3.110)Nhân vào bên trái cả hai vế với cho ta:

(3.111)Đặt:

(3.112)

Ta thu được bài toán riêng chuẩn:

(3.113)