Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng anten mimo kích thước nhỏ gọn cho các ứng dụng uwb

Trong đề tài này, em tập trung nghiên cứu và thiết kế anten MIMO UWB 4 cổng đa phân cực với kỹ thuật tiếp điện thích hợp bằng phần mềm HFSS và chủ yếu phân tích, tối ưu các thông số cơ b

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ĐÌNH CƯƠNG

Giảng viên hướng dẫn: ThS PHAN DUY TÙNG

Nghệ An, 05-2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ĐÌNH CƯƠNG

Giảng viên hướng dẫn: ThS PHAN DUY TÙNG

Nghệ An, 05-2018

LỜI MỞ ĐẦU

Truyền thông không dây đã và đang phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các yêu cầu về thiết bị di động đang trở nên càng ngày càng chặt chẽ hơn Vậy nên các yếu tố như tốc độ truyền dẫn, chất lượng tín hiệu, băng thông của

hệ thống cũng như kích thước của các thiết bị đầu cuối… sẽ là những yêu cầu về mặt thiết kế Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten MIMO phẳng băng rộng hay là anten MIMO UWB đã được lựa chọn để thỏa mãn các yêu cầu đặt ra ở trên Tuy nhiên vấn đề nghiên cứu thiết kế các anten MIMO UWB 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 hệ số cách ly giữa các phần tử anten là nhu cầu cấp thiết Do đó, trong thời gian gần đây đã có rất nhiều nghiên cứu đề xuất các mô hình anten MIMO băng thông rộng sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới thiết kế cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay di động, cho thiết bị cá nhân PDA, Laptop (máy tính xách tay), và các ứng dụng USB Dongle, hoạt động

đa băng tần hoặc băng thông rộng Bên cạnh đó, nhiều giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ đã được nghiên cứu và phát triển nhằm nâng cao cách ly giữa các anten thành phần trong các anten MIMO UWB song song với việc sử dụng các kỹ thuật

giảm kích thước tổng thể của anten.Vì vậy em xin chọn đề tài "Nghiên cứu, thiết

kế và mô phỏng anten MIMO kích thước nhỏ gọn cho các ứng dụng UWB" làm

đồ án tốt nghiệp của mình để đáp ứng được các yêu cầu của đồ án tốt nghiệp đại học Trong đề tài này, em tập trung nghiên cứu và thiết kế anten MIMO UWB 4 cổng đa phân cực với kỹ thuật tiếp điện thích hợp bằng phần mềm HFSS và chủ yếu phân tích, tối ưu các thông số cơ bản như hệ số sóng đứng, băng thông, độ lợi, hiệu suất của anten MIMO UWB

Nội dung báo cáo gồm ba chương:

Chương 1 Giới thiệu tổng quan về anten

Trong chương này tác giả trình bày lý thuyết về anten, nêu ra các loại anten và các thông số cơ bản của anten và tìm hiểu đặc điểm của anten vi dải

Chương 2 Anten MIMO và công nghệ truyền thông băng rộng

Chương này trình bày tổng quan về mô hình và các đặc tính của anten MIMO

Giới thiệu lí thuyết về truyền thông băng thông rộng

Chương 3 Thiết kế, mô phỏng anten MIMO băng thông rộng cho các ứng dụng trong UWB

Với chương này ta bắt đầu tính toán, thiết kế các tham số cần thiết cho một anten MIMO băng thông rộng và cuối chương 3 là phần đưa ra kết quả đạt được và kết luận

Cuối cùng đề tài trình bày về kết quả thu được và các định hướng phát triển đề tài

TÓM TẮT

Đồ án này trình bày quá trình thiết kế và mô phỏng khảo sát anten MIMO có kích thước nhỏ gọn hệ số cách li cao cho ứng dụng băng thông siêu rộng Ăng ten được đề xuất bao gồm bốn anten hình tròn đối xứng được bố trí đối xứng và trực giao nhau trên hai mặt phẳng cách nhau bởi điện môi FR-4 nhằm làm giảm sự ảnh hưởng tương hỗ giữa các thành phần anten Ngoài ra để giảm thêm sự tương hỗ lẫn nhau giữa các phần tử một phần tử cộng sinh được thêm vào giữa hai anten đơn trên cùng một mặt phẳng Qúa trình mô phỏng được thực hiện bởi phần mềm HFSS Các kết quả mô phỏng cho thấy anten có dải tần làm việc từ 3.1 đến 11 GHz bao phủ toàn bộ dải UWB và hệ số tương quan giữa các phần tử thấp (< 0.002) Mô hình anten đề xuất có dạng bức xạ đa hướng với giá trị 3.28 dBi

ABSTRACT

This project presents the process of designing and simulating a MIMO antenna survey with a compact size for high bandwidth applications The proposed antenna consists of four symmetrical circular antennas arranged symmetrically and intersecting on two planes separated by FR-4 dielectric in order to reduce the mutual influence between the antenna components In addition, to further reduce the mutual symmetry between the elements a symbiotic element is added between two single antennas on the same plane The simulation is done by HFSS software The simulated results show that the antenna has a working frequency range of 3.1 to 11 GHz covering the whole range of UWB and low correlation coefficient (<0.002) The proposed antenna pattern is multimodal radiation with a value of 3.28 dBi

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU i

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ, BẢNG vi

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1

1.1 Giới thiệu về anten 1

1.2 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten 1

1.3 Các tham số cơ bản của anten 2

1.3.1 Giản đồ bức xạ 2

1.3.2 Mật độ công suất bức xạ 5

1.3.3 Cường độ công suất bức xạ 6

1.3.4 Hệ số định hướng 7

1.3.5 Hệ số tăng ích 7

1.3.6 Băng thông 8

1.3.7 Trở kháng vào 8

1.3.8 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng 9

1.3.9 Hệ số phản xạ 10

1.3.10 Hệ số tổn hao ngược (RL) 10

1.3.11 Hệ số sóng đứng (VSWR) 11

1.3.12 Hiệu suất của anten 11

1.4 Anten vi dải 11

1.4.1 Giới thiệu chung về anten vi dải 11

1.4.2 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải 12

1.4.3 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải 14

1.4.4 Đặc tính của Anten vi dải (Microstrip Antennas) 15

1.4.5 Các kỹ thuật cấp nguồn cho MSA (feed method) 16

1.5 Kết luận chương 17

CHƯƠNG 2: ANTEN MIMO VÀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG BĂNG RỘNG UWB 18

2.1 Khái niệm về kênh truyền MIMO 19

2.1.1 Kênh truyền không giây 19

2.1.2 Truyền thông không dây qua kênh truyền MIMO 20

2.1.3 Ưu điểm của kênh truyền MIMO 22

2.2 Hệ thống đa anten và ảnh hưởng tương hỗ 23

2.2.1 Giới thiệu hệ thống đa anten 23

2.2.2 Kỹ thuật phân tập anten 24

2.2.3 Tương hỗ trong anten mạch dải 24

2.3 Các tham số của anten MIMO 28

2.3.1 Độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG) 28

2.3.2 Hệ số tương quan tín hiệu 28

2.3.3 Dung lượng của hệ thống 30

2.4 Các kĩ thuật cải thiện cách ly cho anten MIMO 31

2.4.1 Hướng đặt anten 31

2.4.2 Mạng cách li 32

2.4.3 Phần tử kí sinh 34

2.4.4 Cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo 37

2.4.5 Đường trung bình 38

2.5 Công nghệ truyền thông băng rộng 38

2.6 Kết luận chương 39

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ANTEN MIMO BĂNG THÔNG RỘNG CHO CÁC ỨNG DỤNG TRONG UWB 41

3.1 Phương án thiết kế 41

3.2 Yêu cầu thiết kế 43

3.3 Thiết kế, mô phỏng anten MIMO-UWB 4×4 43

3.3.1 Phần tử anten UWB đơn 43

3.3.2 Anten MIMO-UWB 4×4 45

3.4 Kết luận chương 53

KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH SÁCH HÌNH VẼ, BẢNG

HÌNH

Hình 1.1 Các trường bức xạ tại khu xa 2

Hình 1.2 Hệ tọa độ phân tích của anten 3

Hình 1.3 Bức xạ đẳng hướng 3

Hình 1.4 Bức xạ hướng tính 4

Hình 1.5 Các búp sóng trong không gian 3 chiều 5

Hình 1.6 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều 5

Hình 1.7 Cấu hình của một anten vi dải 12

Hình 1.8 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten hình chữ nhật 13

Hình 1.9 Các dạng anten vi dải thông dụng 15

Hình 1.10 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải 16

Hình 1.11Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 17

Hình 2.1 Tổn hao năng lượng kênh truyền không dây 19

Hình 2.2 Mô hình hệ thống (a) SISO và (b) MIMO 21

Hình 2.3 Mô hình đa anten (a) sử dụng chung phần tử bức xạ và (b) sử dụng các phần tử bức xạ độc lập 23

Hình 2.4 Các nguồn gây ra tương hỗ giữa các thành phần trong hệđa anten mạch dải 25

Hình 2.5 Sắp xếp các anten mạch dải chữ nhật (a) trên mặt phẳng E và (b) trên mặt phẳng H 26

Hình 2.6 Quan hệ của tương hỗ giữa các phần tử anten theo khoảng cách 26

Hình 2.7 Quan hệ giữa điện dẫn tương hỗ chuẩn hóa với khoảng cách giữa hai anten mạch dải chữ nhật 28

Hình 2.8 (a)Mô hình anten và (b) kết quả đo tham số tán xạ 32

Hình 2.9 Mạng cách ly sử dụng các phần tử điện kháng 33

Hình 2.10 Tương hỗ giữa hai anten lưỡng cực đặt gần nhau và tương hỗ giữa hai anten lưỡng cực khi có thêm phần tử ký sinh 35 Hình 2.11 Mô hình anten MIMO hai khe bức xạ với phần tử đơn cực ký sinh [3] 36

Hình 2.12 Phân bố dòng điện ở trên anten MIMO không có và có phần tử đơn cực

ký sinh 36

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng tham số tán xạ khi không có và có phần tử đơn cực ký sinh 37

Hình 2.14 Mô hình anten MIMO với bốn phần tử bức xạ sử dụng cấu trúc DGS 37

Hình 3.1 (a) Kết cấu biến đổi từ từ, (b) Cấu trúc anten Loga-chu kỳ và (c) Cấu trúc anten xoắn phẳng 42

Hình 3.2 Cấu trúc anten UWB đơn (a) mặt trên của anten (b) mặt cắt đứng (c) mặt đế của anten 44

Hình 3.3 Hình ảnh mô phỏng anten UWB đơn qua HSFF 44

Hình 3.4 Kết quả mô phỏng của phần tử UWB đơn 45

Hình 3.5 (a) Anten MIMO chưa sử dụng phần tử kí sinh MMR 46

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng hệ số tổn hao ngược của anten 46

Hình 3.7 Kết quả hệ số cách li các cổng của anten 47

Hình 3.8 Phân bố dòng bề mặt tại tần số 5.75 GHz trên anten 47

Hình 3.9 Cấu trúc anten MIMO UWB khi sử dụng phần tử kí sinh MMR 48

Hình 3.10 Hình ảnh 3D của anten MIMO UWB 48

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng hệ số cách li của anten MIMO UWB 49

Hình 3.12 Kết quả mô phỏng hệ số cách li giữa 3 cổng S23,S24,S34 49

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng của anten 49

Hình 3.14 Phân bố dòng bề mặt tại tần số 5.75 GHz trên anten khi sử dụng cấu trúc MMR 50

Hình 3.15 Kết quả so sánh sự thay đổi S12 khi sử dụng phần tử kí sinh 50

Hình 3.16 Kết quả so sánh sự thay đổi S11 khi sử dụng phần tử kí sinh 51

Hình 3.17 Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten tại tần số 5.75 GHz 51

Hình 3.18 Đồ thị hệ số bức xạ của anten 52

Hình 3.19 Đồ thị smith của anten 52

BẢNG Bảng 3.1 Các thông số kích thước của anten được đề xuất 43

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

MPA Multi Port Antenna Hệ anten đa cổng

MPOA Multipolarized antenna Anten đa phân cực

MMR Microstrip Multimode

Resonator

Bộ cộng hưởng đa-mode dạng

vi dảiVSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số sóng đứng

LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn

SNR Signal-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

WIMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Khả năng tương tác mạng diện rộng bằng sóng siêu cao tần

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ANTEN

Trong chương này tập trung trình bày lý thuyết về anten, nêu ra các loại anten

và các thông số cơ bản của anten, bên cạnh đó đi tìm hiểu sâu hơn về anten vi dải,

để có thể nắm rõ hơn các thông số của anten

1.1 Giới thiệu về anten

Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, anten có hai chức năng Chức năng chính là để bức xạ các tín hiệu RF từ máy phát dưới dạng sóng vô tuyến hoặc để nhận tín hiệu RF để xử lý ở máy thu Chức năng khác của anten là để hướng năng lượng bức xạ theo một hay nhiều hướng mong muốn, hoặc "cảm nhận" tín hiệu thu từ một hay nhiều hướng mong muốn Anten có các thông số đặc trưng bao gồm tăng ích, tính định hướng, mẫu bức xạ (anten) và phân cực Các đặc trưng khác như búp sóng, độ dài hiệu dụng, góc mở hiệu dụng được suy ra từ bốn đặc trưng cơ bản trên Trở kháng đầu cuối (đầu vào) là một đặc trưng cho ta biết trở kháng cách thức phối hợp trở kháng của anten với công suất đầu ra của máy phát, hay công suất của máy thu

1.2 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten

Sự bức xạ điện từ của anten dựa trên nguyên tắc bức xạ điện từ trong không gian, bắt nguồn từ lý thuyết về tính cảm ứng của trường điện từ Trước hết trường từ biến thiên sinh ra trường điện biến thiên, sau đó trường điện biến thiên này lại tạo ra dòng điện biến thiên đồng nghĩa với tạo ra trường từ biến thiên Quá trình này lặp đi lặp lại tạo nên sóng điện từ trong không gian gồm hai thành phần phụ thuộc nhau là trường điện (E) và trường từ (H) Hai trường này vuông góc với nhau và vuông góc với hướng truyền của sóng điện từ trong không gian

Khi năng lượng từ máy phát truyền tới anten, nó sẽ hình thành hai trường Một trường là trường cảm ứng (trường khu gần) trường này bị ràng buộc với anten, có cường độ lớn và tuyến tính với năng lượng được truyền đến anten Trường kia là trường bức xạ (trường khu xa) gồm hai thành phần là điện trường và từ trường (hình1.1) Tại trường khu xa chỉ có bức xạ được duy trì và trường khu xa gồm 2 thành phần là điện trường và từ trường (xem hình 1.1)

Hình 1.1 Các trường bức xạ tại khu xa

Hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ cùng một anten tạo nên trường điện từ Trường điện từ truyền và nhận năng lượng thông qua không gian tự

do Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển Trường khu xa là một sóng phẳng, khi sóng truyền đi thì năng lượng mà nó mang theo trải trên một diện tích tăng dần theo khoảng cách Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát đến nguồn ngày càng tăng

1.3 Các tham số cơ bản của anten

1.3.1 Giản đồ bức xạ

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện được đặc tính bức xạ và đặc tính định hướng của anten

Giản đồ bức xạ là một biểu thức toán học hoặc một đồ thị trong một hệ trục tọa độ không gian Thông thường ta dùng giản đồ bức xạ để phân bố khu xa của các đại lượng như mật độ công suất bức xạ, cường độ bức xạ, hệ số định hướng… Chúng ta có thể vẽ giản đồ bức xạ 3 chiều, tuy nhiên đối với nhiều mục đích thực tế, đồ thị 2 chiều do mặt cắt của đồ thị ba chiều là đủ để đặc trưng các đặc tính bức xạ của anten

Hình 1.2 Hệ tọa độ phân tích của anten

+ Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Anten đẳng hướng là một anten giả định, nó chuyển toàn bộ công suất đầu vào thành công suất bức xạ và bức xạ đều theo tất cả các hướng Anten đẳng hướng thường được dùng như là một anten tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten trong thực tế

Anten hướng tính là anten có khả năng bức xạ hay thu nhận sóng điện từ theo một vài hướng nhất định và mạnh hơn các hướng còn lại

Hình 1.3 Bức xạ đẳng hướng

Hình 1.3 thể hiện bức xạ đẳng hướng và hình 1.4 thể hiện bức xạ hướng tính của anten Mặt phẳng E được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại, mặt phẳng H được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại.Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten sao

cho mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x, y

hoặc z) như hình 1.4

Hình 1.4 Bức xạ hướng tính

+ Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ hay còn được gọi là thùy (lobe) có thể được phân thành các loại sau: thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau Hình 1.5 minh họa một giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ, như ta thấy một

số thùy có cường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác Hình 1.6 biểu diễn các thùy trên cùng một mặt phẳng (giản đồ 2D)

HPBW (Half – Power Beamwidth) một nửa băng thông có thể được định nghĩa là góc đối diện với các điểm sức mạnh một nửa của thùy chính Trong mặt phẳng chứa hướng cực đại của một chùm tia, góc giữa những định hướng mà cường

độ bức xạ là một nửa giá trị tối đa của chùm tia Trong thiết kế này, các phương vị phải < 100 và thiên đỉnh < 100

- Main Lobe (Thùy chính): là thùy chứa hướng bức xạ cực đại Trong hình 1.6 thùy chính có hướng θ = 0

- Minor Lobe (Thùy nhỏ): Tất cả các thùy khác sau đó các thùy chính được gọi

là các thùy nhỏ Các thùy đại diện cho các bức xạ theo các hướng không mong muốn Mức độ nhỏ thùy thường được biểu diễn như một tỷ lệ mật độ điện ở thùy trong câu hỏi đó của thùy chính Tỷ lệ này được gọi là mức độ bên thùy (tính bằng decibel)

- Side Lobe (Thùy bên): Đây là các thùy nhỏ tiếp giáp với các thùy chính và được phân cách bằng các giá trị khác nhau Thùy bên nói chung là lớn nhất trong số các thùy nhỏ Trong hầu hết các hệ thống không dây, thùy nhỏ là không mong muốn Do đó một thiết kế anten tốt nên giảm thiểu các thùy nhỏ

- Back Lobe (Thùy lưng): Đây là thùy nhỏ hoàn toàn trái ngược thùy chính

Hình 1.5 Các búp sóng trong không gian 3 chiều

Hình 1.6 Các búp sóng trong mặt phẳng 2 chiều 1.3.2 Mật độ công suất bức xạ

Sóng điện từ được sử dụng để truyền tải thông tin trong không gian hoặc qua cấu trúc dẫn sóng Đại lượng được sử dụng để mô tả năng lượng kết hợp của sóng điện từ là vector Poynting tức thời:

trong đó: W = vector Poying tức thời (W/m2)

E = cường độ điện trường tức thời (V/m)

H = cường độ từ trường tức thời (A/m)

Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu được bằng cách lấy tích phân thành phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn bộ mặt kín

P = ∯ s W n.̂ ds = ∯ s W n.̂ da (1.2) trong đó: P = tổng công suất tức thời (W)

𝑛̂ = vector đơn vị pháp tuyến của bề mặt

Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tìm mật độ năng lượng trung bình bằng cách lấy tích phân vector Poying tức thời trong một chu kỳ và chia cho một chu kỳ Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng 𝑒𝑗𝜔𝑡, thì mỗi quan hệ giữa các thành phần tức thời E và H được định nghĩa theo công thức như sau:

E (x, y, z) = Re [E(x, y, z) 𝑒𝑗𝜔𝑡] = 1

2 Re[ 𝐸𝑒𝑗𝜔𝑡 + 𝐸∗𝑒−𝑗𝜔𝑡] (1.3) H(x, y, z) = Re [H(x, y, z)𝑒𝑗𝜔𝑡] = 1

2 Re [ 𝐻𝑒𝑗𝜔𝑡 + 𝐻∗𝑒−𝑗𝜔𝑡] (1.4) Khi đó có thể viết lại :

W = E × H = 1

2 Re [𝐸𝐻∗] + 1

2 Re[𝐸𝐻𝑒𝑗2𝜔𝑡] (1.5) Thành phần đầu tiên công thức (1.5) không biến đổi theo thời gian và thành phần thứ hai biến đổi theo thời gian với tần số bằng 2 lần tần số 𝜔 cho trước.Vector Poying trung bình theo thời gian (mật độ công suất trung bình ) có thể được viết lại:

1.3.3 Cường độ công suất bức xạ

Cường độ bức xạ theo một hướng cho trước được định nghĩa là năng lượng được bức xạ từ anten trên một đơn vị góc khối Cường độ bức xạ là tham số của trường xa và được xác định bằng cách nhân mật độ công suất bức xạ với bình phương khoảng cách:

𝑈 = 𝑟2 × 𝑊𝑟𝑎𝑑 (1.8) Trong đó: U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối)

hướng không được xác định thì hướng của cường độ bức xạ cực đại được chọn

Đơn giản là hệ số định hướng của anten được xác định bằng tỉ số giữa cường độ bức

xạ của anten theo hướng cho trước (U) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng (U0)

𝐷 = 𝑈

𝑈0= 4𝜋𝑈

𝑃𝑟𝑎𝑑 (1.10) trong đó: 𝑈0 = 𝑃𝑟𝑎𝑑

4𝜋 Hướng bức xạ cực đại được biểu diễn như sau:

𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝐷0 𝑈𝑚𝑎𝑥

𝑈0 = 4𝜋𝑈𝑚𝑎𝑥

𝑃𝑟𝑎𝑑 (1.11) trong đó : D là hệ số định hướng (không có thứ nguyên)

U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối)

𝑈0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng

𝑃𝑟𝑎𝑑 là tổng công suất bức xạ (W)

trong nhiều trường hợp thực tế có thể tính độ định hướng theo công thức:

𝐷 = 32 400

𝜃1𝜃2 (1.12) với θ1, θ2 là độ rộng búp sóng tính theo độ của búp chính trong 2 mặt phẳng chính

1.3.5 Hệ số tăng ích

Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăng ích (G) Hệ số tăng ích có quan hệ với hệ số định hướng và là đơn vị để tính toán hiệu suất của anten cũng như đặc tính hướng tính của nó Trong khi đó hệ số định hướng chỉ xác định được đặc tính hướng tính của anten

Hệ số tăng ích của anten là tỉ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten theo hướng

và khoảng cách cho trước so với mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường

là anten vô hướng) theo hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào 2 anten là như nhau và anten chuẩn có hiệu suất bằng 1

G (θ, φ) = Mật độ công suất theo hướng (θ,φ)

Mật độ công suất của anten chuẩn (1.13)

Do đó hệ số tăng ích bao gồm ảnh hưởng của sự tiêu tán công suất trong một anten

và tác dụng của tổn hao công suất trong việc gây ra phân cực chéo (đối với trường hợp máy thu nhạy cảm với sự phân cực) Trong thực tế, tham số này đã đưa ra tham

số hiệu suất của anten cho biết hiệu suất của quá trình biến đổi công suất đầu vào thành công suất bức xạ như thế nào

G = 𝜂 × 𝐷 (1.14)

1.3.6 Băng thông

Băng thông của anten là khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiêu chuẩn nhất định Băng thông có thể là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thường là tần số cộng hưởng) ở đó các đặc tính của anten (như trở kháng vào, độ rộng búp sóng, hướng búp sóng, giản đồ, phân cực, cấp thùy bên…) đạt giá trị có thể chấp nhận được

Với các anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần số trên và tần số dưới khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được Ví dụ, băng thông 10:1 chỉ ra rằng tần số trên lớn hơn 10 lần tần số dưới

𝐵𝑊 = 𝑓𝑚𝑎𝑥

𝑓 𝑚𝑖𝑛 (1.15) Với các anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm của sự sai khác giữa hai tần số (tần số trên và tần số dưới) so với tần số trung tâm

𝐵𝑊 = 𝑓𝑚𝑎𝑥−𝑓𝑚𝑖𝑛

𝑓0 (1.16)

Do các tham số của anten như trở kháng vào, giản đồ, hệ số tăng ích, phân cực…của anten không biến đổi giống nhau theo tần số nên có nhiều định nghĩa băng thông khác nhau Tùy các ứng dụng cụ thể, yêu cầu về các đặc tính của anten được chọn như thế nào cho phù hợp

Ở đây, ta chỉ quan tâm tới trở kháng tại đầu vào của anten Tỉ số điện áp trên dòng điện, không có tải, xác định trở kháng của anten như sau:

ZA = RA + jXA (1.17) trong đó:

ZA là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

RA là điện trở của anten ở các đầu vào (Ohm)

XA là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)

Nói chung, thành phần điện trở trong (1.17) bao gồm 2 thành phần là:

RA = Rr + RL (1.18) trong đó: Rr là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten

RL trở kháng mất mát (loss resistance) của anten

Trở kháng vào của một anten nói chung là một hàm của tần số Do đó, anten chỉ được phối hợp tốt với đường tiếp điện ở trong cùng một dải tần số nào đó Và trở kháng vào của anten phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác: hình dạng của anten, kỹ thuật điện, ảnh hưởng của các đối tượng xung quanh

1.3.8 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng

Hàm hướng tính cho biết giá trị cụ thể của tính hướng một anten, nhưng muốn cảm nhận được bằng trực thị tính hưởng của anten ta phải sử dụng đồ thị Đồ thị được vẽ bởi hàm tính hướng Đồ thị phương hướng của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách kháo sát cố định (tính từ anten)

Đồ thị phương hướng được biểu diễn trong không gian ba chiều nhưng rất khó

để hiện thị hướng tính ba chiều Do đó đồ thị hướng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trọng tọa độ vuông góc được sử dụng rộng rãi Đó là loại đồ thị có thể hiện thị dễ dàng trên giấy Để đơn giản đồ thị phương hướng thường được vẽ từ hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa và được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn của anten Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng của các khác nhau

Từ đồ thị phương hướng ta thấy giá trị của trường bức xạ biến đổi theo sự biến thiên của góc phương hướng Vì vậy để đánh giá dạng của đồ thị phương hướng của các anten khác nhau ta sử dụng khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là độ rộng búp sóng Độ rộng búp sóng được xác định bởi góc giữa hai hướng,

mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi một giá trị nhất định Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, thường thì độ rộng búp sóng nửa công suất được -công suất bức xạ giảm đi một nửa so với công suất bức xạ cực đại Nếu tính theo giá trị mà theo hai hướng đó cường độ điện trường giảm đi hai lần

so với giá trị cực đại của anten trong tọa độ cực

Nếu tính theo đơn vị decibel (dB) thì công suất giảm đi một nửa sẽ tương ứng với công suất sẽ giảm đi 3 dB Bởi vậy độ rộng búp sóng nửa công suất còn được gọi

là độ rộng búp sóng 3 dB Như vậy độ rộng búp sóng thể hiện tính chất tập trung năng lượng bức xạ, nếu góc 𝜃 = 3 dB càng bé thì anten đó tập trung công suất bức

xạ càng mạnh

1.3.9 Hệ số phản xạ

Khi xem xét các ứng dụng trong phạm vi tần số cao, ta phải được tính đến sự hiện diện của tín hiệu phản xạ xảy ra trong đường truyền dẫn Mỗi đường dây truyền tải được đặc trưng bởi một hệ số trở kháng đặc tính Z0 Các tiêu chuân giá trị trở kháng đặc tính là 50 Ω Tuy nhiên khi đường truyền dẫn không được phối hợp tốt với tải ZL tùy ý thì sẽ xảy hiện tượng phản xạ Đặc trưng cho hiện tượng phản xạ là

hệ số phản xạ Γ Nó là tỷ số giữa biên độ của điện áp phản xạ V0- với biên độ của sóng tới V0+

RL = −20log|Γ| (dB) (1.20) Đối với kết hợp hoàn hảo giữa máy phát và anten, Γ = 0 và RL = ∞ có nghĩa là sự cố điện sẽ không được phản xạ trở lại

Trong khi Γ = 1 có một RL = 0 dB, có nghĩa là sóng tới sẽ phản xạ ngược lại hoàn

toàn Đối với ứng dụng thực tế, hệ số VSWR = 2 là chấp nhận được, vì điều này tương ứng với sự mất mát tương đương với giá trị - 9.5 dB

1.3.11 Hệ số sóng đứng (VSWR)

Để cho anten hoạt động hiểu quả tối đa thì quá trình chuyển giao phải diễn ra giữa máy phát và anten Công suất tối đa chuyển giao có thể xảy ra chỉ khi trở kháng của anten (Zin) cũng chính là trở kháng của máy phát (ZS) Nếu điều kiện cho phù hợp sóng có thể phản xạ trở lại và điều này dẫn đến việc tạo ra sóng đứng được đặc trưng bởi một tham số gọi là tỷ số điện (VSWR)

VSWR = 𝑉𝑚𝑎𝑥

𝑉𝑚𝑖𝑛 = 1+|𝛤|

1−|𝛤| = 1+𝑠11

1−𝑆11 (1.21) VSWR là tham số cho biết mức độ phù hợp giữa các đường dây truyền tải và anten Khi VSWR từ 1 đến 1 (1:1) quá trình chuyển giao là hoàn hảo và tất cả năng lượng được chuyển giao cho các anten đều bằng năng lương trước khi được phát ra Trong một hệ thống anten, hệ số phản xạ của nó cũng chính là S11 của nó Ngoài ra, với một anten chuẩn, thì hệ số VSWR tối thiểu thường bé hơn 2

1.3.12 Hiệu suất của anten

Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất Hiệu suất của anten 𝜂𝐴 chính là tỷ số giữa công suất bức xạ 𝑃𝑏𝑥 và công suất máy phát đưa vào anten 𝑃𝑣à𝑜 hay 𝑃𝐴 ta có:

𝜂𝐴 = 𝑃𝑏𝑥

𝑃𝐴 (1.22) Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten Đối với anten có tổn hao thì 𝑃𝑏𝑥 < 𝑃𝑣à𝑜, do đó 𝜂𝐴 < 1 Gọi công suất tổn hao là 𝑃𝑡ℎ ta có:

𝑃𝐴 = 𝑃𝑏𝑥 + 𝑃𝑡ℎ (1.23) Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện trở bức xạ 𝑅𝑏𝑥 và 𝑅𝑡ℎ nên ta có:

1.4.1 Giới thiệu chung về anten vi dải

Định nghĩa về những cấu trúc phát xạ vi dải được đưa ra lần đầu tiên bởi

Deschamps vào năm 1953 Tuy nhiên phải hai mươi năm sau thì những anten thực

tế mới được sản xuất Anten thực tế đầu tiên được phát triển vào đầu những năm

1970 bởi Howell và Munson Từ đó việc nghiên cứu, phát triển các anten vi dải và các mạng anten vi dải không ngừng được mở rộng, nhằm khai thác triệt để những

ưu điểm cũng như hạn chế bởi các nhược điểm của nó Một anten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một mảnh phát xạ nhỏ nằm trên một mặt của lớp

đế điện môi, và có một lớp nền dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi (ɛr ≤ 10)

Hình 1.7 Cấu hình của một anten vi dải

Miếng phát xạ (patch) làm bằng các chất dẫn điện, thông thường là đồng và vàng, có thể sử dụng bất kỳ hình dạng nào, nhưng những hình dạng thường được sử dụng là những hình dạng sao cho việc phân tích dễ dàng và tính toán thiết kế hiệu quả Trong trường hợp lý tưởng, hằng số điện môi ɛr nhỏ (ɛr ≤ 2.5), từ đó làm tăng các trường vân để giải thích cho việc phát xạ của anten Tuy nhiên do các yêu cầu về hiệu suất khác nên có thể phải sử dụng các vật liệu lớp đế có hằng số điện môi lớn hơn (ɛr ≤ 5) Nhiều dạng của lớp đế với hằng số điện môi biến thiên trong một khoảng rộng đang được phát triển

1.4.2 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải

Chúng ta biết rằng bức xạ của đường truyền vi dải có cấu trúc tương tự như là anten vi dải, có thể giảm đáng kể nếu đế điện môi sử dụng có bề dày mỏng và hệ số điện môi tương đối thấp Hay nói cách khác, nó giúp cho bức xạ anten vi dải tốt hơn với hiệu suất bức xạ cao hơn Do vậy, trong một anten vi dải, người ta sử dụng các nền điện môi có hệ số từ thẩm thấp Bức xạ từ anten vi dải có thể được xác định từ

phân bố trường giữa patch và mặt phẳng đất hay dưới dạng phân bố dòng điện mặt trên bề mặt của patch

Xét một anten vi dải được cấp nguồn bởi một nguồn cao tần (microwave source) thì việc cung cấp năng lượng cho patch làm hình thành nên sự phân bố điện tích ở mặt trên và mặt dưới của patch cũng như trên bề mặt của mặt phẳng đất Dưới tác dụng của các lực đẩy hình thành do các lực tương tác giữa các điện tử cùng dấu trên bề mặt của patch làm cho một số điện tích ở các vùng rìa của patch dịch chuyển

từ bề mặt dưới lên bề mặt trên của patch Sự dịch chuyển của các điện tích làm hình thành trên bề mặt của patch vectơ mật độ dòng mặt dưới J⃗⃗⃗ và vectơ mật độ dòng bmặt trên J⃗⃗ t

Hình 1.8 Phân bố điện tích và dòng điện trong anten hình chữ nhật

Do trong hầu hết các anten tỷ số H/w là rất bé vì thế lực hút giữa các điện tích chiếm ưu thế trên hầu hết sự tập trung điện tích và dòng vẫn tồn tại bên dưới patch

bề mặt Chính vì vậy chỉ có một lượng nhỏ dòng dịch chuyển từ miếng rìa của patch lên mặt trên của patch làm hình thành một trường nhỏ có chiều tiếp tuyến với các rìa của patch Do vậy, để đơn giản cho việc tính toán, chúng ta xấp xỉ rằng từ trường tiếp tuyến là zero và từ trường tiếp tuyến này có thể thành lập các bức tường từ xung quanh các chu vi của patch Các giả định này càng hợp lý hơn trong trường hợp đế điện môi có bề dày mỏng với hằng số điện môi ɛr lớn Tương tự như trường hợp của trường điện từ, vì bề dày của đế điện môi rất mỏng so với bước sóng truyền trong lớp điện môi, nên trường biến thiên dọc theo độ cao là không đổi và trường điện gần như vuông góc với bề mặt của patch Từ các điều kiện của trường điện và trường từ, patch có thể được xem như là mô hình của một hốc cộng hưởng (cavity) với các bức xạ trường điện bên trên và bên dưới (do trường điện vuông góc với bề mặt của patch) và bốn bức tường từ dọc theo các rìa của patch (do trường từ tiếp

tuyến gần như bằng không) Từ các điều kiện của hốc cộng hưởng vừa nêu thì chỉ

có các mode TM là có thể truyền trong hốc cộng hưởng

Bốn bức tường bên của hốc cộng hưởng tương ứng cho bốn khe bức xạ Patch của anten vi dải có thể tượng trưng bằng một vectơ mật độ dòng J⃗⃗ tương ứng tTrong khi đó, bốn khe bức xạ ở các mặt bên được đặc trưng bằng các vectơ mật độ dòng J⃗⃗ và Ms ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ lần lượt tương ứng với trường từ Hs ⃗⃗⃗⃗ và trường điện Ea ⃗⃗⃗⃗ trong các khe abức xạ.

Vì ta xét đế điện môi có độ dày mỏng nên mật độ dòng trên J⃗⃗ rất bé so với tmật độ dòng dưới J⃗⃗⃗ của patch Do đó Jb ⃗⃗ sẽ được đặt bằng không để chỉ ra rằng hầu tnhư không có bức xạ từ bề mặt của patch Tương tự như thế, các trường từ tiếp tuyến dọc theo rìa của patch và mật độ dòng tương ứng M⃗⃗⃗⃗⃗ được đặt bằng không s

Do vậy, chỉ còn lại một thành phần mật độ dòng khác không là vectơ mật độ dòng

1.4.3 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải

Anten vi dải được đặc tả bởi nhiều thông số hơn các anten truyền thống khác

Chúng cũng được thiết kế dưới dạng hình học khác nhau như: hình vuông (square), hình tròn (ring), tam giác (equilateral Triangle), bán cầu (elipse), hình chữ nhật(retangie), hình vành khuyên (ring)

Tất cả anten vi dải được chia làm 4 loại cơ bản: anten patch vi dải, dipole vi

dải, anten khe dùng kỹ thuật in, anten traveling-wave vi dải

Hình 1.9 Các dạng anten vi dải thông dụng

1.4.4 Đặc tính của Anten vi dải (Microstrip Antennas)

Anten vi dải (MSA) có nhiều thuận lợi so với các loại anten siêu cao tần khác

Do đó, anten vi dải sử dụng vào nhiều ứng dụng trong khoảng băng tần từ 100MHz đến 50GHz MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng với nhiều ưu điểm, tuy nhiên nó vẫn còn một số khuyết điểm cần được khắc phục

+ Ưu điểm của anten vi dải (MSA): Giá thành sản xuất thấp, dễ dàng tiến hành

sản xuất hàng loạt Có thể được làm mỏng, thích hợp cho các thiết bị di động Trọng lượng thấp, kích thước nhỏ, hình dạng phẳng mỏng nên có thể chế tạo dễ dàng Các anten vi dải này có thể được trang bị dễ dàng trên tên lửa, vệ tinh mà không cần những sự điều chỉnh nhiều Các anten vi dải này có vùng tán xạ nhỏ Các phân cực thẳng và phân cực tròn có thể đạt yêu cầu bằng một thay đổi đơn giản vị trí feed Các anten hai băng tần có thể được chế tạo dễ dàng Các thiết bị như bộ dao động,

bộ khuếch đại, bộ suy hao thay đổi, chuyển mạch, bộ điều biến, bộ trộn, bộ dịch pha… có thể được thêm vào trực tiếp trên bề mặt lớp đế của anten

+ Nhược điểm của anten vi dải (MSA): Có suy hao do đó làm cho sự khuếch đại

thấp Tất cả các anten vi dải đều bức xạ trên một nửa mặt phẳng, băng thông hẹp có các giới hạn thực tế của sự khuếch đại lơn nhất, sự cách ly giữa các phần tử bức xạ

và feed kém và công suất thấp

+ Ứng dụng: Trong nhiều thiết kế cụ thể, các ưu điểm của MSA là nổi trội hơn các

nhược điểm của nó Hiện nay đã có nhiều ứng dụng thành công khác nhau sử dụng MSA và trong tương lai cùng với việc tiếp tục nghiên cứu, phát triển thì chúng ta có

thể hy vọng rằng tính thông dụng của MSA ngày càng tăng Chúng sẽ thay thế một cách cơ bản các loại anten thông thường khác ở tất cả các ứng dụng Một số ứng dụng hệ thống đáng chú ý sử dụng MSA đã được phát triển bao gồm: truyền thông

vệ tinh,hệ thống Radar sử dụng hiệu ứng Doopler, dụng cụ đo độ cao sóng Radio, điều khiển tên lửa từ xa và các hệ thống Radar khác

1.4.5 Các kỹ thuật cấp nguồn cho MSA (feed method)

Do anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi nên các kỹ thuật để cấp nguồn cho anten vi dải lúc ban đầu là: bằng cách dùng một đường truyền vi dải hoặc probe đồng trục xu yên 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 nguồn mới cho anten vi dải đã được nghiên cứu và phát triển Hiện nay các phương pháp phổ biến dùng để cấp nguồn cho anten vi dải là: cấp nguồn sử dụng đường

truyền vi dải, probe đồng trục, ghép khe (aperture-coupling), ghép gần

(proximiti-coupling)

Việc lựa chọn cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, tuy nhiên yếu

tố quan trọng nhất là hiệu suất truyền năng lượng giữa phần bức xạ và phần cấp nguồn tức là phải có sự phối hợp trở kháng giữa hai phần với nhau Ngoài ra, việc chuyển đổi trở kháng bước, việc uốn cong… cũng làm phát sinh bức xạ và suy hao sóng mặt Các bức xạ không mong muốn này làm tăng bức xạ phụ trong đồ thị bức

xạ của anten vi dải

Patch

GND Feed

Hình 1.10 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải + Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải

Việc cấp nguồn cho anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng một lớp nền là một cách lựa chọn tự nhiên vì patch có thể được xem là một đường truyền vi

dải hở và cả hai có thể được 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 thước đoạn feed line là đáng kể so với patch

+ Cấp nguồn bằng probe đồng trục

Cấp nguồn qua probe là một trong những phương pháp cơ bản nhất để truyền tải công suất cao tần Với cách feed này, phần lõi của đầu feed được nối với patch, phần ngoài nối với ground plane Ưu 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 nhiên cách này có nhược điểm là:

Thứ nhất vì dùng 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 nguồn đồng trục cho một dãy sẽ đòi hỏi số lượng đầu nối tăng lên và như thế việc chế tạo sẽ khó khăn và độ tin cậy giảm đi

Thứ ba khi cần tăng băng thông của anten thì đòi hỏi phải tăng bề dày lớp nền cũng như chiều dài của probe

Hình 1.11 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 1.5 Kết luận chương

Chương 1 trình bày một số khái niệm của anten và các tham số đánh giá cơ bản

về anten như: sự bức xạ sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độ định hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông, tăng ích… Tiếp theo là trình bày lịch sử phát triển và khái niệm về anten vi dải, các hình dạng

cơ bản của anten vi dải như: có mặt bức xạ là hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật… Các phương pháp cấp nguồn: cấp nguồn bằng đường truyền vi dải, cấp

nguồn đồng trục Chương nãy cũng đã trình bày những ưu điểm và nhược điểm của anten vi dải

CHƯƠNG 2: ANTEN MIMO VÀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG BĂNG

RỘNG UWB

2.1 Khái niệm về kênh truyền MIMO

2.1.1 Kênh truyền không giây

Thông thường, khi một tín hiệu được truyền thông qua kênh truyền không dây từ điểm phát đến điểm thu sẽ đi qua nhiều đường khác nhau để tới đích Tín hiệu truyền qua kênh truyền sẽ chịu sự tổn thất năng lượng 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

Sự tổn thất năng lượng được mô tả trên hình 2.1 chủ yếu là do hai hiện tượng sau:

 Sự suy giảm năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách gọi là tổn hao đường truyền hay tổn hao không gian tự do

 Sự suy giảm năng lượng do hiện tượng pha đinh

Tổn hao đường 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, công suất nhận được trong không gian tự do được xác định bởi:

𝑃𝑅𝑋 = 𝑃𝑇𝑋𝐺𝑇𝑋𝐺𝑅𝑋( 𝜆

4𝜋𝑑)

2

(2.1) Trong đó 𝑃𝑇𝑋 và 𝑃𝑅𝑋 là tương ứng là công suất phát và công suất thu, 𝐺𝑇𝑋 và 𝐺𝑅𝑋 là

độ tăng ích của anten phát và thu, d là khoảng cách giữa anten thu và phát

Hình 2.1 Tổn hao năng lượng kênh truyền không dây

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)

P R /P T

(dB)

Pha đinh là hiện tượng 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 chướng ngại vật, có kích thước khác nhau, ví dụ như đồi, núi, toà nhà, hầm, những chướng ngại vật này sẽ che phủ hay cắt hoàn toàn tín hiệu Do vậy, cường độ của tín hiệu thu được 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 đường còn tồn tại pha đinh đa đường Pha đinh đa đường là kết quả của việc máy thu nhận được nhiều tín hiệu của cùng một máy phát theo các đường lan truyền khác nhau Các tín hiệu này được phản xạ từ nhiều vật và nhiều hướng khác nhau trong một khu vực Do khoảng cách khác nhau nên các tín hiệu thu được sẽ khác nhau về pha và biên độ nên chúng có thể làm tăng thêm 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 được của pha tín hiệu theo thời gian làm cho sự suy giảm biến thiên mạnh

Hệ thống đa anten (MAS) 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, hệ thống đa anten 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

2.1.2 Truyền thông không dây qua kênh truyền MIMO

Mô hình thu phát truyền thống gồm một anten phát và một anten thu (còn gọi

là hệ thống SISO) thường được sử dụng cho các hệ thống truyền thông không dây Theo định lý Shano, dung lượng của hệ thống SISO trong môi trường tạp âm AWGN được biểu diễn như sau:

𝐶 = 𝑊log2(1 + 𝑃

𝑁0𝑊) (2.2) trong đó 𝑊 là băng thông, 𝑃 là công suất thu trung bình, 𝑁0 là mật độ phổ công suất tạp âm Trong trường hợp có hiện tượng đa đường và giả sử băng thông là 1Hz, dung lượng được biểu diễn như sau:

𝐶 = log2(1 +𝑃𝑇

𝑁0|ℎ|2) (2.3) trong đó ℎ là đáp ứng xung thỏa mãn điều kiện 𝐸{|ℎ|2} = 1 và 𝐸{∙}là toán tử kỳ vọng Công thức trên cho thấy dung lượng kênh của hệ thống SISO sẽ tăng theo

hàm logarit của công suất phát tức là muốn tăng dung lượng thêm 1b/s/Hz thì công suất phát cần tăng thêm 3dB

1

2

m

Kênh vô tuyến MIMO

Hình 2.2 Mô hình hệ thống (a) SISO và (b) MIMO

Một hệ thống kết nối không dây MIMO với m anten thu và n anten phát được

mô tả trên hình 2.2 Hệ thống MIMO đầu tiên được đề xuất và được quan tâm đặc biệt thông qua các nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm trong những năm

1990

Trong mô hình MIMO ở hình 2.2(b), ta giả sử rằng:

- Máy phát truyền đi tín hiệu 𝑆 = (𝑠1, 𝑠2, … , 𝑠𝑛)𝑇 từ 𝑛 anten ở những khoảng thời gian cho trước

- Máy thu nhận được tín hiệu 𝑌 = (𝑦1, 𝑦2, , 𝑦𝑚)𝑇 , trong đó 𝑦𝑖 là sự tổng hợp của các tín hiệu được truyền 𝑆 = (𝑠1, 𝑠2, … , 𝑠𝑛)𝑇và thành phần AWGN 𝑣𝑖

Mối quan hệ giữa đầu ra và đầu vào của hệ thống (n+m) anten được viết như sau:

trong đó ℎ𝑖,𝑗 là các hệ số kênh truyền giữa anten phát thứ 𝑖 và anten thu thứ 𝑗 và𝐻 là

ma trận kênh

Trong trường hợp kênh truyền độc lập với máy phát tức là tín hiệu có công suất như nhau tại các anten phát, dung lượng kênh của hệ thống MIMO được xác định như sau :

𝐶 = log2det (𝐼𝑚+ 𝑃𝑇

𝑛𝑁0𝐻𝐻

trong đó 𝑰𝑚 là ma trận đơn vị mxm, (∙) H là chuyển vị Hermition Công thức trên cho

ta thấy khi sử dụng 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 SISO

2.1.3 Ưu điểm của kênh truyền MIMO

Một hệ thống kênh truyền MIMO có những ưu điểm sau:

+ Độ tăng ích mảng: Độ tăng ích mảng là việc tăng lên của tỷ số SNR nhận được

do hiệu ứng kết hợp của các tín hiệu vô tuyến tại máy thu Việc kết hợp tín hiệu có thể được thực hiện thông qua xử lý tín hiệu không gian tại mảng anten thu Độ tăng ích mảng tăng cường khả năng chống nhiễu do đó giúp cải thiện vùng phủ sóng và phạm vi của mạng không dây

+ Độ tăng ích phân tập: Như đã đề cập ở trên, mức tín hiệu tại máy thu trong hệ

thống vô tuyến thăng giáng do pha đinh Độ tăng ích phân tập không gian làm giảm pha đinh trên cơ sở máy thu nhận được nhiều bản sao độc lập của tín hiệu phát theo không gian, tần số hoặc thời gian Với việc tăng số lượng bản sao độc lập của tín hiệu (còn gọi là bậc phân tập), xác xuất có ít nhất một bản sao không bị pha đinh sâu sẽ tăng lên do đó làm tăng chất lượng và độ tin cậy của của tín hiệu thu được

Kênh truyền MIMO với n anten phát và m anten thu tạo ra mxn kết nối độc lập do vậy bậc phân tập không gian sẽ là mxn

+ Độ tăng ích phân kênh không gian: Hệ thống MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu

thông qua phân kênh không gian, tức là truyền cùng lúc nhiều luồng dữ liệu độc lập trên cùng băng tần hoạt động Mỗi luồng dữ liệu có chất lượng kênh ít nhất bằng