Nghiên cứu và phát triển anten MIMO cho các thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới (TT)

Từ các lý do trên, vấn đề nghiên cứu thiết kế các anten MIMO, đặc biệt là anten MIMO sử dụng công nghệ mạch in, cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới có kích thước nhỏ gọn, có đ

1

MỞ ĐẦU

1 Kỹ thuật MIMO và hệ thống đa anten

Hệ thống MIMO sử dụng đa anten được xem là giải pháp hữu hiệu để chống lại tác động của truyền tín hiệu đa đường nhằm tăng độ tin cậy của thông tin liên lạc không dây Quan trọng hơn, nó có thể tận dụng lợi thế của truyền đa đường giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu trong khi vẫn duy trì công suất phát Chính vì vậy, hệ thống đa anten hay còn gọi là anten MIMO đã được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới (4G, 5G, WLAN 802.11n, WLAN 802.11ad, WiMAX, WPAN,…), đáp ứng khả năng truyền tải tốc độ cao hơn, độ tin cậy lớn hơn, độ trễ thấp hơn

Bên cạnh đó, việc thiết kế, tối ưu hoá và chế tạo các anten MIMO sử dụng trong các hệ thống thông tin thế hệ mới đang trở thành một đề tài thu hút nhiều nhà nghiên cứu Trong các anten MIMO, ngoài các yêu cầu về tần số cộng hưởng, dạng đồ thị bức xạ,…các phần tử anten được thiết kế phải đảm bảo tính

Thông thường, để đạt được yêu cầu này, các anten sẽ được đặt cách nhau nửa bước sóng của tần số hoạt động thấp nhất Tuy nhiên, điều này khiến cho kích thước của anten MIMO tăng lên đáng kể, dẫn đến làm tăng kích thước của các thiết bị đầu cuối

Hơn thế, người sử dụng hiện nay luôn đòi hỏi phải có những thiết bị đầu cuối không dây có khả năng tích hợp đa dịch vụ, đa tiêu chuẩn kết nối (thoại, Internet, định vị, kết nối Bluetooth,…) dẫn đến yêu cầu các thiết bị thu phát vô tuyến phải có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc băng thông rộng để hỗ trợ đồng thời nhiều chuẩn công nghệ

Từ các lý do trên, vấn đề nghiên cứu thiết kế các anten MIMO, đặc biệt là anten MIMO sử dụng công nghệ mạch in, cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới có kích thước nhỏ gọn, có độ tăng ích phù hợp mà không cần tăng kích thước anten, vừa có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc ở băng thông rộng vừa đảm bảo độ hệ số cách ly giữa các phần tử anten là rất cấp thiết Việc phát triển các kỹ thuật giảm tương hỗ hay tăng cách ly cổng và thiết kế các mô hình anten MIMO mới phù hợp với các thiết bị đầu cuối khác nhau đang là thách thức lớn và thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới

Các nghiên cứu về thiết kế và giảm ảnh hưởng tương hỗ của anten MIMO sử dụng công nghệ mạch

in có thể chia thành các hướng sau:

kế hạn chế và ảnh hưởng tương hỗ lớn giữa các phần tử anten Do đó phần lớn các mô hình đều sử dụng anten dạng PIFA và anten đơn cực, cấu trúc anten dạng gập hoặc xoắn hay anten sử dụng nguyên lý cấu trúc siêu vật liệu điện từ Các kỹ thuật để giảm thiểu tương hỗ được ứng dụng rất đa dạng gồm kỹ thuật sử dụng phần tử ký sinh, sử dụng cấu trúc mặt đế không hoàn hảo (DGS), sử dụng mạng cách ly hoặc đường trung tính

(Laptop) hay các thiết bị không dây nói chung khác Do không bị hạn chế nhiều bởi không gian thiết kế, các anten MIMO thường sử dụng kỹ thuật tăng cường cách ly bằng cách đặt hướng các anten thành phần vuông góc với nhau, đồng thời có thể kết hợp với các kỹ thuật cách ly khác như đường trung tính hoặc phần tử ký sinh khi anten hoạt động ở vùng tần số thấp

anten đơn cực dạng gập, xoắn ốc hoặc anten PIFA đặt ở góc cạnh của đế điện môi Kỹ thuật đường trung tính, phần tử ký sinh hoặc mạng cách ly thường được sử dụng để giảm tương hỗ trong anten MIMO

anten loại này phần lớn sử dụng kỹ thuật phần tử ký sinh để giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử, một số thì kết hợp giữa sử dụng phần tử ký sinh với kỹ thuật cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo hoặc kết hợp với phương pháp tiếp điện sử dụng ống dẫn sóng đồng phẳng vừa để tăng băng thông vừa để cải thiện hệ số cách ly

2 Những vấn đề còn tồn tại

Một số mô hình anten MIMO băng thông siêu rộng đề xuất trước đây vẫn chỉ sử dụng cấu hình MIMO 2x2 hoặc nếu sử dụng cấu hình 4x4 thì kích thước lớn làm cho các mô hình anten trên khó có khả năng tích hợp trong thiết bị di động hoặc thiết bị cầm tay Do đó, yêu cầu về một anten MIMO băng thông

siêu rộng UWB hoặc cực kỳ rộng EWB với kích thước nhỏ gọn, hoạt động trên toàn bộ dải tần được cấp phép và loại bỏ được băng tần gây ảnh hưởng đến các hệ thống vô tuyến khác mang tính cấp thiết để tích hợp vào các thiết bị đầu cuối ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến cá nhân (WPAN)

Kỹ thuật cấu trúc mặt đế không hoàn hảo (DGS) đã được sử dụng như một giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả trong giảm thiểu tương hỗ giữa các anten thành phần trong anten MIMO Trong một số nghiên cứu trước đây, các anten MIMO sử dụng kỹ thuật DGS có cấu trúc đa lớp nên gặp phải hạn chế khi ứng dụng trong các thiết bị yêu cầu nhỏ gọn Việc sử dụng kỹ thuật giảm ảnh hưởng tương hỗ bằng cấu trúc DGS kết hợp với những mô hình anten có cấu trúc nhỏ gọn như anten dạng xoắn ốc, anten PIFA, cấu trúc CLRH,… trong thiết kế anten MIMO là động lực cho các nghiên cứu thiết kế anten MIMO có kích thước nhỏ gọn, phù hợp với ứng dụng của người dùng

Gần đây, kỹ thuật mạng cách ly cũng được xem như một giải pháp hữu hiệu để cải thiện cách ly giữa các cổng trong các mô hình anten MIMO do kỹ thuật này không can thiệp vào cấu trúc bức xạ anten MIMO Một số nghiên cứu đã đề xuất sử dụng mạng cách ly là các cấu trúc mạch siêu cao tần được tổng hợp bằng đường truyền vi dải dạng, tuy nhiên các nghiên cứu này có thể ở dạng đơn băng tần hoặc nếu đa băng tần thì cấu trúc phức tạp, khó chế tạo, kích thước lớn hoặc không linh hoạt trong thiết kế ở các vùng tần số khác nhau Do đó, yêu cầu về việc thiết kế mạng cách ly sử dụng cấu trúc phẳng đơn giản, có độ chính xác cao khi chế tạo và hỗ trợ đa băng tần để sử dụng trong thiết kế các anten MIMO kích thước nhỏ gọn là một hướng đi cho các nhà nghiên cứu theo đuổi

Nhìn chung việc thiết kế tối ưu anten MIMO vừa có khả năng hoạt động tốt ở dải tần thiết kế, vừa đảm bảo các đặc tính MIMO như độ cách ly, tính tương quan bức xạ,… vẫn là một trong những thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu hiện nay

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu:

MIMO băng thông siêu rộng

thiết kế các anten MIMO kích thước nhỏ gọn

Đối tượng nghiên cứu:

Phạm vi nghiên cứu:

quan về đồ thị bức xạ), xác định bằng các tham số tán xạ

4 Ý nghĩa khoa học và đóng góp của luận án

Việc nghiên cứu các giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ trong thiết kế các anten MIMO trong luận án có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn:

- Các kết quả nghiên cứu của luận án này góp phần phát triển các giải pháp thiết kế anten MIMO băng thông siêu rộng; anten MIMO cấu trúc nhỏ gọn sử dụng các anten đơn dạng siêu vật liệu và dạng PIFA xoắn ốc; anten MIMO hai băng tần với cấu trúc mạng cách ly đơn giản, dễ chế tạo

- Các kết quả nghiên cứu của luận án này sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo trong phân tích và thiết kế các anten MIMO nhỏ gọn, có hệ số cách ly lớn

các mô hình anten MIMO được thiết kế trong luận án có thể làm cơ sở và gợi ý cho các nhà sản xuất ứng dụng trong chế tạo các thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới

Những đóng góp khoa học của luận án gồm:

3

(1) Phát triển và thực hiện giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ sử dụng phần tử ký sinh cấu trúc bộ cộng hưởng đa mode và cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch trong thiết kế hai mô hình anten MIMO băng thông siêu rộng Hai mô hình anten MIMO cho hệ thống UWB và EWB đã được phân tích, thiết kế, chế tạo và đo thực nghiệm Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy, hai mô hình anten được thiết kế đáp ứng yêu cầu về băng thông hoạt động, đảm bảo hệ số cách ly và hệ số tương quan của một anten MIMO cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới

(2) Phát triển và thực hiện giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo dạng hai khe hẹp trong thiết kế hai mô hình anten MIMO kích thước nhỏ gọn Các phần

tử anten đơn được thiết kế sử dụng nguyên lý cấu trúc siêu vật liệu điện từ dạng phức hợp (CRLH) và dạng PIFA với nhánh cộng hưởng gấp xoắn ốc để thu gọn kích thước phần tử bức xạ Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh được tính khả thi của các mô hình anten MIMO được thiết kế khi đáp ứng được các yêu cầu về dải tần hoạt động, độ cách ly và tính tương quan về đồ thị bức xạ

(3) Phát triển và thực hiện giải pháp tăng cường cách ly cổng sử dụng mạng cách ly đường truyền vi dải TLDN trong thiết kế hai mô hình anten MIMO hai băng tần Với nhiệm vụ triệt tiêu dẫn nạp tương hỗ của các anten thành phần của anten MIMO hai băng tần, mạng cách ly TLDN đã được áp dụng để thiết kế hai mô hình anten MIMO cho hệ thống hai băng tần WLAN 2,4 GHz/5,25 GHz và hệ thống hai băng tần LTE 1,8 GHz /WiMAX 3,5 GHz Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy các anten MIMO có băng thông hoạt động đáp ứng các dải tần thiết kế và đảm bảo được yêu cầu của hệ thống thông tin vô tuyến dựa trên công nghệ MIMO về hệ số cách ly và tính tương quan đồ thị bức xạ

5 Cấu trúc nội dung của luận án

Nội dung chính của luận án bao gồm bốn chương Đầu tiên, Chương 1 giới thiệu tổng quan mô hình

và các thông số của anten MIMO Các nguyên nhân gây nên ảnh hưởng tương hỗ và các giải pháp để cải thiện hệ số cách ly sẽ được phân tích chi tiết

Chương 2 trình bày các nghiên cứu sử dụng giải pháp phần tử ký sinh để giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ trong thiết kế các anten MIMO băng thông siêu rộng Lần lượt hai mô hình anten MIMO 4×4 và MIMO 2×2 được thiết kế cho hệ thống thông tin băng thông siêu rộng UWB và EWB, sử dụng phần tử ký sinh cấu trúc bộ cộng hưởng MMR và cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch để giảm ảnh hưởng tương hỗ Kết quả, hai mô hình anten MIMkeesdduwowcj thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông hoạt động, ảnh hưởng tương hỗ và hệ số tương quan

Tiếp theo, giải pháp sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS) được áp dụng để thiết kế hai mô hình anten MIMO có kích thước nhỏ gọn ở Chương 3 Mô hình anten đầu tiên, được thiết kế cho

hệ thống thông tin WLAN chuẩn IEEE 802.11n, thực hiện thu nhỏ kích thước anten bằng cách sử dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ dạng phức hợp (CRLH) Trong khi mô hình anten thứ hai được thiết kế cho

hệ thống hai băng tần 4G-LTE (1800 MHz) và WiMAX (2300 MHz) Đây là anten dạng chữ F-ngược phẳng (PIFA) cho các thiết bị di động với hai nhánh bức xạ được gấp xoắn ốc nhằm giảm kích thước phần tử anten PIFA đơn Các cấu trúc DGS dạng hai khe hẹp được thực hiện ở mặt phẳng đế của các mô hình anten MIMO giúp giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các anten thành phần Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hai mô hình anten MIMO được thiết kế đều đáp ứng được các yêu cầu về băng thông hoạt động, hệ số cách ly và tính tương quan về đồ thị bức xạ

Cuối cùng, Chương 4 đề xuất giải pháp sử dụng mạng cách ly dạng đường truyền vi dải để tăng cường cách ly trong các anten MIMO hai băng tần Mạng cách ly được thiết kế dưới dạng đường truyền

vi dải với cấu trúc đơn giản và nhỏ gọn Hai mô hình anten MIMO sử dụng kỹ thuật mạng cách ly này đã được thiết kế cho hệ thống WLAN hai băng tần 2,4 GHz/5,25 GHz và LTE 1,8 GHz/WiMAX 3,5GHz Các kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm cho thấy các anten MIMO đáp ứng được yêu cầu băng thông và

độ cách ly, chứng minh được tính khả thi trong ứng dụng vào thực tế của các mô hình anten được thiết kế

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ANTEN MIMO

1.1 Giới thiệu chương

Chương này trình bày tổng quan về mô hình và các đặc tính của anten MIMO Một trong những đặc tính quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng hoạt động của anten MIMO là ảnh hưởng tương

hỗ Các nguyên nhân dẫn đến ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong hệ thống MIMO được

phân tích cụ thể Bên cạnh đó, một số kỹ thuật để cải thiện hệ số cách ly cho anten MIMO cũng được phân tích Trên cơ sở đó, một số giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ đã được đề xuất để áp dụng trong các mô hình anten MIMO được thiết kế trong luận án này

1.2 Khái niệm về kênh truyền MIMO

1.2.1 Kênh truyền không dây

Tín hiệu truyền qua kênh truyền không dây sẽ chịu sự tổn thất năng lượng trong không gian Tổn thất này chủ yếu là do tổn hao không gian tự do và sự suy giảm năng lượng do hiện tượng pha đinh Tổn hao không gian tự do phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách giữa máy phát và máy thu, trong khi pha đinh

là hiện tượng suy giảm tín hiệu biến thiên một cách không đều đặn (pha đinh che chắn – do chướng ngại vật, hoặc pha đinh đa đường – do máy thu nhận được nhiều tín hiệu của cùng một máy phát theo các đường lan truyền khác nhau) Khi các thiết bị đầu cuối di chuyển sẽ gây ra sự biến thiên không thể dự đoán được về biên độ và pha tín hiệu theo thời gian làm cho sự suy giảm tín hiệu biến thiên Hệ thống đa anten là giải pháp hữu hiệu để chống lại tác động của truyền tín hiệu đa đường nhằm tăng độ tin cậy của

hệ thống thông tin không dây Đồng thời, nó có thể tận dụng lợi thế của truyền đa đường để tăng tốc độ truyền dữ liệu trong khi vẫn duy trì công suất phát

1.2.2 Truyền thông không dây qua kênh truyền MIMO

Một hệ thống truyền thông không dây MIMO

với m anten thu và n anten phát được mô tả trên hình

các hệ số kênh truyền giữa anten phát thứ 𝑖 và anten

kênh truyền độc lập với máy phát, dung lượng kênh

nhiều anten ở phía phát và phía thu sẽ tạo ra nhiều tuyến dữ liệu không gian kết nối giữa máy phát và máy thu, đồng thời trong trường hợp các kênh độc lập và phân bố giống nhau, dung lượng của hệ thống

MIMO tăng gấp min (m,n) lần so với hệ thống chỉ gồm một anten phát và một anten thu

1.3 Hệ thống đa anten và ảnh hưởng tương hỗ

1.3.1 Giới thiệu về hệ thống đa anten

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

1.3.2 Ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử trong hệ thống đa anten

1.3.2.1 Cơ chế chung gây tương hỗ giữa các phần tử anten

Khi các anten trong hệ thống được đặt gần nhau, năng lượng từ một anten sẽ được hấp thụ bởi các anten khác Tổng năng lượng trao đổi phụ thuộc chủ yếu vào các tham số gồm: đặc tính bức xạ của anten, sự cách ly giữa các anten và môi trường giữa các anten Sự trao đổi năng lượng đó được xem là hiện tượng tương hỗ Do ảnh hưởng của hiện tượng tương hỗ, các anten đặt gần nhau sẽ thay đổi phân bố dòng dẫn đến thay đổi trở kháng vào của anten Khi có hiện tượng tương hỗ, trở kháng vào của anten không chỉ phụ thuộc vào trở kháng vào của bản thân nó mà còn phụ thuộc vào trở kháng tương hỗ và dòng điện trên hai anten theo biểu thức:

gồm hai anten và được mô hình hóa bằng mạng 2 cổng sử dụng ma trận trở kháng Z)

Trong trường hợp hai anten là các lưỡng cực nửa bước sóng với khoảng cách theo chiều ngang là d và theo chiều đứng là s Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ và khoảng cách chuẩn hóa giữa hai phần tử anten được

5

Do đó khi các anten thành phần hệ anten đặt cách xa nhau, tính năng của anten vẫn duy trì do tác động của tương hỗ nhỏ Trong trường hợp các anten thành phần đặt gần nhau (ví dụ khi d/λ <0,25), tính năng của hệ anten trên phương diện công suất anten nhận được và độ tăng ích của hệ thống bị suy giảm, tác động lớn đến tỷ số SNR

1.3.2.2 Tương hỗ trong anten mạch dải

Hình 1.3 mô tả các nguồn gây ra tương hỗ thường gặp phải trong hệ các anten mạch dải Tương hỗ này được xác định bởi trường tồn tại trên mặt phẳng tiếp giáp điện môi-không khí ở khoảng giữa hai tấm bức xạ được chia thành hai loại chính là sóng không gian (thay đổi theo khoảng cách với tỷ lệ 1/𝑟) và sóng mặt (thay đổi theo khoảng cách với tỷ lệ 1/√𝑟)

Hình 1.2 Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ theo khoảng cách trong trường

hợp hai anten đặt cách nhau theo (a) chiều ngang và (b) chiều đứng

Hình 1.3 Các nguồn gây ra tương hỗ giữa các thành phần trong hệ các

anten mạch dải

Sóng mặt được kích thích mạnh khi anten in trên đế có hệ điện môi lớn hoặc điện môi có độ dày lớn Trong trường hợp tổng quát, sóng mặt có tác động ít đến tương hỗ giữa các anten thành phần khi thỏa mãn điều kiện sau:

ở đó các thành phần điện trường vuông góc của các anten tương tác với nhau do trường rìa từ các tấm bức

xạ của các anten thành phần

1.4 Các tham số của anten MIMO

1.4.1 Hệ số tương quan tín hiệu

Tương quan tín hiệu trên kênh truyền mô tả sự độc lập của các tín hiệu Hệ số tương quan càng nhỏ thì các tín hiệu tại đầu thu càng độc lập với nhau, sự ảnh hưởng lẫn nhau của các phần tử anten càng thấp,

do đó độ tăng ích phân tập, cũng như dung lượng của hệ thống đều tăng lên Để đánh giá tính tương quan tín hiệu, người ta thường sử dụng hệ số tương quan đường bao ECC được xác định thông qua tham số tán

1.4.2 Độ tăng ích hiệu quả trung binh (MEG)

MEG là tham số quan trọng để quyết định quỹ đường truyền của hệ thống vô tuyến Nó có thể được xác định dựa trên sự cách ly phân cực chéo, tăng ích và hàm mật độ góc theo hướng theta và phi theo công thức sau:

trong đó 𝑋 là tỷ số công suất phân cực chéo, 𝐺𝜃(𝜃, 𝜑) và 𝐺𝜑(𝜃, 𝜑) là độ tăng ích thành phần của anten,

phần này không tương quan

1.4.3 Dung lượng hệ thống

Ưu điểm chính của một hệ thống MIMO là nó cung cấp một dung lượng kênh được cải thiện trong môi trường đa đường so với một hệ thống SISO Trong trường hợp của một anten MIMO có N phần tử và khi máy phát không có thông tin về môi trường kênh truyền, công suất được chia đều trên các anten thành phần của anten MIMO Dung lượng kênh trong trường hợp này được xác định như sau:

𝐶 = log2det (𝑰𝑁+𝜌

1.5 Các kỹ thuật cải thiện cách ly cho anten MIMO

1.5.1 Hướng đặt anten

Hướng đặt anten rất quan trọng trong anten MIMO Nếu anten hoạt động ở tần số cao (trên 1 GHz) thì khi đặt các phần tử anten xa nhau (ví dụ đặt ở cạnh/góc thiết bị) thường sẽ cải thiện hệ số cách ly của anten Hơn nữa, hướng đặt anten có thể tạo ra sự trực giao phân cực và pha phân bố dòng điện, do đó giúp cải thiện được cách ly và giảm hệ số tương quan của anten Đối với dải tần số thấp, hướng đặt anten thường không đủ để cải thiện cách ly khi mặt phẳng đế trở thành một phần của cấu trúc bức xạ và ảnh hưởng của dòng điện ở mặt đế sẽ trở nên nghiêm trọng hơn Vì vậy, một số kỹ thuật khác có thể được sử dụng như cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo hay đường trung tính

1.5.2 Mạng cách ly

Mạng cách ly là một giải pháp nhằm tăng cường cách ly giữa các cổng của anten MIMO mà không can thiệp vào cấu trúc bức xạ của anten Mạng cách ly sẽ bổ sung thành phần điện kháng tại mạng tiếp điện của anten MIMO do đó triệt tiêu được điện kháng tương hỗ giữa các thành phần anten, kết quả là làm tăng hiệu suất bức xạ và giảm tương quan về đồ thị bức xạ của anten MIMO Sử dụng mạng cách ly thường kèm theo với một mạng phối hợp trở kháng để tăng cường sự phối hợp trở kháng ở đầu vào các cổng anten

1.5.3 Phần tử ký sinh

Một phương pháp khác để giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ là sử dụng phần tử ký sinh giữa các phần

tử anten để loại bỏ một phần (hoặc hầu hết) trường cảm ứng khu gần giữa chúng Phần tử ký sinh sẽ tạo ra trường tương hỗ ngược nhau và làm giảm thành phần trường tương hỗ gốc ban đầu, vì vậy sẽ làm giảm tương hỗ tổng thể trên anten bị ảnh hưởng Thông thường, các phần tử ký sinh không kết nối vật lý với các anten hoặc được nối với mặt phẳng đế để tạo thành dạng cộng hưởng Các phần tử ký sinh có cấu trúc khác nhau, được thiết kế để điều khiển dải tần cách ly, băng thông và mức độ giảm tương hỗ

1.5.4 Cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo

Mặt phẳng đế ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính của anten mạch in khi nó có vai trò như đường dẫn của dòng điện phản hồi 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 tương hỗ với phần tử anten lân cận gây nên ảnh hưởng tương hỗ cao, từ đó làm giảm đặc tính cách

ly và tương quan của anten MIMO Ảnh hưởng tương 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 như

bộ lọc chắn dải và sẽ ngăn cản trường tương hỗ khu gần giữa các phần tử gần nhau khi cấu trúc anten được thiết kế một cách hợp lý Nguyên lý giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ này được gọi là cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS)

1.5.5 Đường trung tính

Đường trung tính là một kỹ thuật để cải thiện cách ly trong đó dòng điện tại phần tử kích thích được trích ra tại một vị trí cụ thể, sau đó pha của nó bị đảo bằng cách chọn chiều dài đường trung tính thích hợp Khi đó dòng điện đảo pha sẽ đưa đến phần tử anten lân cận để triệt tiêu với dòng cảm ứng trực tiếp

do phần tử được kích thích gây ra cho phần tử lân cận Nhờ đó dòng điện tương hỗ tổng thể trên phần tử lân cận sẽ bị giảm đi đáng kể Phương pháp này hoạt động trên nguyên tắc tương tự phương pháp phần tử

ký sinh

Việc lựa chọn điểm đặt đường trung tính là quan trọng nhất ở phương pháp này Thông thường, vị trí đặt đường trung tính trên phần tử bức xạ phải có trở kháng cực tiểu và dòng điện cực đại Băng thông

7

hiệu dụng của kỹ thuật đường 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 thường được chọn là điểm bắt đầu của đường trung tính Ngoài ra, mỗi đường trung tính chỉ tác động cho một băng tần vì vậy kỹ thuật này sẽ khó ứng dụng được trong các thiết kế anten đa băng tần

1.6 Tổng kết chương

Chương này đã trình bày tổng quan về mô hình, các thông số và đặc tính của anten MIMO Xu hướng tích hợp đa phương tiện, yêu cầu tốc độ cao, kích thước 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

Điều này dẫn đến kích thước của hệ thống tăng lên Các phân tích trong chương này đã chỉ rõ những nguyên nhân cơ bản dẫn đến ảnh hưởng tương hỗ của anten MIMO như tương hỗ do dòng mặt, tương hỗ trường khu gần và các giải pháp giảm thiểu tương hỗ khác nhau như sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo, sử dụng phần tử ký sinh, sử dụng đường 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 được thiết kế trong luận án này

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP SỬ DỤNG PHẦN TỬ KÝ SINH TRONG THIẾT KẾ ANTEN MIMO BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này, giải pháp sử dụng phần tử ký sinh có cấu trúc bộ cộng hưởng đa mode (MMR)

và cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch được phân tích và được áp dụng trong việc giảm ảnh hưởng tương

hỗ khi thiết kế hai mô hình anten MIMO cho hệ thống thông tin băng thông siêu rộng

Mô hình thứ nhất là anten MIMO 4×4 cho hệ thống băng thông siêu rộng UWB (3,1 GHz– 10,6

Anten đơn của anten MIMO được thiết kế dựa trên công nghệ vi dải phẳng-đơn cực, áp dụng nguyên lý biến đổi từ từ để mở rộng băng thông Băng tần hệ thống WLAN (5,5 GHz) bị loại bỏ trong dải tần hoạt động của hệ thống UWB nhờ sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ (EBG) đặt ở hai bên đường tiếp điện vi dải Để giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten, phần tử ký sinh có cấu trúc MMR, hoạt động như một bộ lọc chắn dải có tần số trung tâm tại tần số mà ảnh hưởng tương hỗ là lớn nhất, được đặt ở không gian giữa các phần tử anten Kết quả, anten MIMO được thiết kế có khả năng hoạt động tốt ở dải tần của hệ thống thông tin UWB, các đặc tính cách ly và tương quan bức xạ của mô hình thiết kế cũng thỏa mãn các yêu cầu nhờ giảm thiểu được ảnh hưởng tương hỗ

Mô hình anten thứ hai được thiết kế để hoạt động ở dải tần của hệ thống băng thông cực kỳ rộng EWB (2,7 GHz– 20 GHz) Anten MIMO gồm hai phần tử bức xạ đặt song song trên cùng đế điện môi Khe chữ V-ngược được khoét trên bề mặt của phần tử bức xạ để loại bỏ dải tần WLAN của hệ thống EWB Để đảm bảo kích thước nhỏ gọn của mô hình MIMO, phần tử ký sinh có cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch được đặt giữa và đồng phẳng với hai phần tử bức xạ nhằm giảm ảnh hưởng tương hỗ của hai phần tử bức xạ này Anten MIMO với phần tử ký sinh có băng thông hoạt động bao phủ dải tần của hệ thống EWB, đồng thời đảm bảo cách ly các cổng và tương quan về đồ thị bức xạ của các phần tử

Hai mô hình anten MIMO đều được phân tích, khảo sát bằng mô phỏng và kiểm chứng bằng đo thực nghiệm Các kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm là khá tương đồng, chứng minh tính khả thi của việc sử dụng các cấu trúc ký sinh đề xuất trong các các mô hình anten MIMO băng thông siêu rộng

2.2 Nguyên lý hoạt động của một số cấu trúc phần tử ký sinh

2.2.1 Phần tử ký sinh cấu trúc bộ cộng hưởng đa mode MMR

Z 1

L1

L2 W2

W1

Ls

Ws

Zs, ϴs Z1, ϴ 1

Z 2 , ϴ 2

Z1, ϴ 1

Zs, ϴs

(a) (b) Hình 2.1 (a) Mô hình và (b) sơ đồ mạch của cấu trúc bộ cộng hưởng MMR

Mô hình và sơ đồ mạch của cấu trúc MMR được biểu diễn trên hình 2.1 Do tính chất đối xứng, ta

sử dụng mode chẵn lẻ để phân tích cấu trúc Tần số cộng hưởng mode lẻ chỉ phụ thuộc vào chiều dài

𝑓𝑜𝑑𝑑= (2𝑛−1)𝑐2𝐿1√𝜀𝑟+1

có băng thông rộng hơn nếu tần số cộng hưởng của nhánh giữa nằm trong vùng các dải chắn nêu trên Tần

số cộng hưởng của nhánh giữa được xác định như sau:

(𝐿 1 + 2𝐿 2 )√𝜀 𝑟 + 1

2

(2.3)

Như vậy, trong trường hợp muốn thiết kế bộ cộng hưởng MMR hoạt động như một bộ lọc chắn dải

có dải chắn thuộc một vùng tần số nhất định, dựa vào các công thức trên ta có thể xác định được các tham

số về kích thước của bộ cộng hưởng

2.2.2 Phần tử ký sinh có cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch

Mô hình và sơ đồ mạch của cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch hình 2.2 Do tính chất đối xứng, ta

sử dụng mode chẵn lẻ để phân tích cấu trúc Cấu trúc cộng hưởng ở mode lẻ khi:

9

4𝐿 1 √𝜀 𝑟 + 1 2

(2.6)

Do đó, tần số trung tâm các dải chắn (nằm giữa các tần số cộng hưởng) sẽ là:

2𝐿1√𝜀 𝑟 + 1 2

với n = 1,2,3 …

(2.7) Như vậy, cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch sẽ hoạt động như một bộ lọc chắn dải với tần số trung tâm dải chắn được xác định dựa vào công thức trên

2.3 Anten MIMO-UWB 4x4 loại bỏ băng tần WLAN

2.3.1 Thiết kế anten MIMO-UWB 4x4

Phần tử UWB đơn là một anten đơn cực dạng tròn được in trên một đế điện môi và được tiếp điện bởi một đường tiếp điện vi dải 50Ω Đường tiếp điện của anten này được đặt giữa một cặp phần tử EBG có tác dụng như một bộ lọc chắn dải loại bỏ dải tần của WLAN (biểu diễn trên hình 2.3) Hoạt động của phần tử EBG được mô hình hóa bằng mạch điện trong hình 2.3(c)

EBG và đường tiếp điện vi dải

Tần số cộng hưởng của phần tử EBG xác định theo công thức:

Mô hình anten MIMO được biểu diễn trên hình 2.4, trong đó, bốn phần tử anten UWB đơn được sắp xếp lần lượt theo chiều kim đồng hồ và đặt đôi một trực giao với nhau tạo thành anten MIMO với kích thước tổng cộng là 60 mm×60 mm

Trong trường hợp anten MIMO ban đầu (chưa sử dụng phần tử ký sinh), tương hỗ giữa các phần tử đồng phân cực không đạt yêu cầu (lớn hơn -15dB) ở vùng tần số 6,7 GHz Do đó, để giảm ảnh hưởng tương

hỗ giữa các phần tử anten thành phần, mô hình anten MIMO sẽ được bổ sung thêm phần tử ký sinh có cấu trúc

bộ cộng hưởng đa mode (MMR) với nguyên lý hoạt động được mô tả như trong phần 2.2.1 Kích thước của phần tử ký sinh được tính toán và tối ưu để trung tâm dải chắn ở tần số 6,7 GHz nhằm đưa hệ số tương hỗ tại vùng tần số này xuống dưới -15 dB

2.3.2 Kết quả và thảo luận

(a) (b) (c)

Hình 2.5 (a) Hệ số phản xạ, (b) hệ số cách ly và (c) phân bố dòng điện mặt khi phần tử anten thứ 1 được kích

thích ở tần số 6,7 GHz của anten MIMO ban đầu

Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ, hệ số cách ly và phân bố dòng mặt tại tần số 6,7 GHz của anten MIMO ban đầu được biểu diễn trên hình 2.5 Kết quả cho ta thấy thấy anten không phối hợp trở kháng trong khoảng từ 4 GHz đến 4,5 GHz và từ 5,1 GHz đến 5,8 GHz (là vùng tần số ta chủ ý loại bỏ), đồng thời cách ly giữa các phần tử đồng phân cực không đạt yêu cầu trong vùng tần số từ 6-8 GHz Điều này được thể hiện rõ trên hình 2.5(c) khi phần tử anten thứ 1 được kích thích thì dòng điện tương hỗ tác động lớn đến phần tử anten thứ 3

Hình 2.6 biểu diễn kết quả mô phỏng hệ số phản xạ, hệ số cách ly và phân bố dòng mặt tại tần số 6,7 GHz của anten MIMO sau khi có phần tử ký sinh dạng MMR Kết quả cho ta thấy, anten MIMO đã phối hợp trở kháng tốt trên cả dải tần UWB ngoại trừ dải tần WLAN từ 5,14 GHz đến 5,82 GHz (là vùng tần

số ta muốn loại bỏ) Ngoài ra, hình 2.6(b) cũng cho ta thấy ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử đồng phân cực (đối diện nhau) giảm xuống dưới -15 dB Điều này cũng được thể hiện rõ hình 2.6(c) khi phân

bố dòng cảm ứng tại tần số 6,7 GHz của anten tập trung chủ yếu trên phần tử ký sinh thay vì ở trên phần

tử đồng phân cực

(a) (b) (c) Hình 2.6 (a) Hệ số phản xạ, (b) hệ số cách ly và (c) phân bố dòng điện mặt khi phần tử anten thứ 1 được kích

thích ở tần số 6,7 GHz của anten MIMO khi có phần tử ký sinh MMR

Hình 2.7 biểu diễn kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten MIMO Các đồ thị bức xạ cho thấy các anten định hướng ở tần số thấp (4 GHz), và trở nên đẳng hướng tại tần số cao (9 GHz)

Hình 2.8(a) biểu diễn kết quả đo hệ

số phản xạ của anten MIMO có sử dụng

phần tử ký sinh MMR Kết quả cho thấy

đồng phân cực nhỏ hơn -16dB trên toàn

dải tần UWB Các kết quả đo khá phù

hợp với kết quả mô phỏng

(a) (b) Hình 2.7 Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ trên mặt phẳng xz của

anten MIMO tại tần số (a) 4 GHz và (b) 9 GHz

Taàn soá (GHz)

-50 -40 -30 -20 -10 0

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10

-40 -30 -20 -10 0

-40 -30 -20 -10 0 10

E

E

-40 -30 -20 -10 0

-40 -30 -20 -10 0 10

E

E

11

(a) (b) (c)

Hình 2.8 Kết quả mơ phỏng và đo đạc hệ số phản xạ, hệ số cách ly giữa các phần tuwr đồng phân cực và phân

cực trực giao của anten MIMO

Hình 2.9(a) biểu diễn kết quả mơ phỏng của hệ số tương quan đường bao của anten MIMO, trong đĩ giá trị của nĩ luơn nhỏ hơn 0,05 trên tồn dải tần số hoạt động Kết quả mơ phỏng trễ nhĩm của anten MIMO được biểu diễn ở hình 2.9(b) Kết quả cho ta thấy một đoạn méo dạng (≥ 1ns) xuất hiện tại vùng tần số 5,14 -5,82 GHz (do đặc tính loại bỏ băng tần WLAN trong thiết kế) trong khi đĩ tại các vùng tần số cịn lại trong dải tần hoạt động vẫn duy trì giá trị trễ nhĩm thấp và tương đối ổn định (đường mơ phỏng

thẳng) Sự biến thiên của trễ nhĩm luơn nhỏ hơn 1 ns chứng tỏ sự tuyến tính tốt về pha của tín hiệu và đáp

ứng hồn tồn yêu cầu của hệ thống thơng tin băng thơng siêu rộng

MIMO UWB

2.4 Anten MIMO-EWB 2x2 loại bỏ băng tần WLAN

2.4.1 Thiết kế anten MIMO-EWB 2x2

Hình 2.10 biểu diễn các mơ hình anten đơn EWB khi khơng cĩ và khi cĩ cấu trúc khe loại bỏ WLAN

Mơ hình anten EWB đơn được thiết kế

dựa trên cơng nghệ vi dải phẳng đơn

cực dạng hình chữ nhật sửa đổi (được

cấu tạo bởi những đường gấp khúc hoạt

động như cấu trúc biến đổi từ từ) Ống

dẫn sĩng đồng phẳng (CPW) được sử

dụng để tiếp điện cho anten nhằm nâng

cao khả năng mở rộng băng thơng Một

khe chữ U được khoét trên bề mặt kim

loại của anten đơn để loại bỏ băng tần

WLAN

h=1.6 s=1

cấu trúc khe loại bỏ băng tần WLAN

Cấu trúc khe chữ U cĩ tham số như sau:

𝑓𝑛𝑜𝑡𝑐ℎ√𝜀 𝑟 + 1

2

(2.9)

Mơ hình anten MIMO ban đầu gồm 2 anten đơn EWB đặt cạnh nhau với khoảng cách hai phần tử bức

xạ tính từ cạnh tới cạnh là D=4,2 mm như trên hình 2.11(a) Để giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa hai anten

Dải tần UWB (3.1 - 10.6 GHz)

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

thành phần, phần tử ký sinh có cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch với nguyên lý hoạt động như mô tả

trong phần 2.2.2 sẽ được chèn vào giữa hai phần tử anten Chiều dài dây chêm được tính toán với điều

kiện tần số trung tâm của dải chắn nằm giữa vùng tần số mà tương hỗ giữa các anten thành phần không

đạt yêu cầu Do đó, khi kích thước cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch là 0,1mm x 15mm, khoảng cách

giữa hai dây là 1 mm thì sự tác động tương hỗ giữa hai anten thành phần đã được giảm đi đáng kể Với

anten MIMO việc loại bỏ băng tần cho hệ thống WLAN được thực hiện bằng cấu trúc khe hình chữ V

ngược Ta đạt được kết quả mong muốn là loại bỏ băng tần của hệ thống WLAN khi chiều dài khe là

2.4.2 Kết quả và thảo luận

Kết quả mô phỏng và đo

đạc tham số VSWR và tương

hỗ của anten MIMO ban đầu

được biểu diễn trên hình

2.12 Kết quả cho ta thấy

thấy anten phối hợp trở

kháng (với VSWR<2) trong

toàn bộ dải tần số EWB từ

2,7 đến 20 GHz Tuy nhiên,

tương hỗ giữa hai phần tử

anten không đạt yêu cầu (lớn

hơn -15 dB) trong vùng tần

số từ 2,5-8,5 GHz

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Tần số (GHz)

Mô phỏng Thực nghiệm

(a) (b) Hình 2.12 Kết quả mô phỏng và đo đạc tham số VSWR và tương hỗ của anten

MIMO ban đầu

Ảnh hưởng tương hỗ đã

được giảm thiểu bằng việc

chèn thêm cấu trúc ký sinh

dạng hai dây chêm ngắn

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng và đo đạc tham số VSWR và tương hỗ của anten

MIMO ban đầu

tối thiểu đặt ra về điều kiện ảnh hưởng tương hỗ để anten MIMO hoạt động bình thường

-30 -25 -20 -15 -10

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

-35 -30 -25 -20 -15 -10