Luận án Nghiên cứu và phát triển anten mimo cho các thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .xvi

MỞ ĐẦU. xvii

1. Kỹ thuật MIMO và hệ thống đa anten . xvii

2. Những vấn đề còn tồn tại.xix

3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .xxi

4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án . xxii

5. Cấu trúc nội dung của luận án . xxii

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ANTEN MIMO .1

1.1. Giới thiệu chương.1

1.2. Khái niệm về kênh truyền MIMO.1

1.2.1. Kênh truyền không dây.1

1.2.2. Truyền thông không dây qua kênh truyền MIMO .2

1.2.3. Ưu điểm của kênh truyền MIMO .4

1.3. Hệ thống đa anten và ảnh hưởng tương hỗ.5

1.3.1. Giới thiệu hệ thống đa anten .5

1.3.2. Kỹ thuật phân tập anten .6

1.3.3. Ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử trong hệ thống đa anten.6

1.4. Các tham số của anten MIMO.13

1.4.1. Hệ số tương quan tín hiệu .13

1.4.2. Độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG) .14

1.4.3. Dung lượng hệ thống .14

1.5. Các kỹ thuật cải thiện cách ly cho anten MIMO.15

1.5.1. Hướng đặt anten .15

1.5.2. Mạng cách ly .16

1.5.3. Phần tử ký sinh.19

1.5.4. Cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo .23iv

1.5.5. Đường trung tính.24

1.6. Tổng kết chương.26

CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP SỬ DỤNG PHẦN TỬ KÝ SINH TRONG THIẾT KẾ

ANTEN MIMO BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG .27

2.1. Giới thiệu chương.27

2.2. Nguyên lý hoạt động của một số cấu trúc phần tử ký sinh .28

2.2.1. Phần tử ký sinh có cấu trúc bộ cộng hưởng MMR .28

2.2.2. Phần tử ký sinh có cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch .30

2.3. Anten MIMO-UWB 4×4 loại bỏ băng tần WLAN .32

2.3.1. Thiết kế anten MIMO-UWB 4×4 .35

2.3.2. Kết quả và nhận xét.38

2.3.3. Đặc tính MIMO của anten .46

2.3.4. Kết luận .47

2.4. Anten MIMO-EWB 2×2 loại bỏ băng tần WLAN. .48

2.4.1. Thiết kế anten MIMO-EWB 2×2 loại bỏ băng tần WLAN .49

2.4.2. Kết quả và nhận xét.53

2.4.3. Đặc tính MIMO của anten .61

2.4.4. Kết luận .62

2.5. Tổng kết chương.63

CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CẤU TRÚC MẶT PHẲNG ĐẾ KHÔNG HOÀN

HẢO TRONG THIẾT KẾ ANTEN MIMO NHỎ GỌN .64

3.1. Giới thiệu chương.64

3.2. Nguyên lý hoạt động của cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo .65

3.3. Anten MIMO siêu vật liệu có hệ số cách ly cao ứng dụng cho hệ thống thông tin

WLAN.69

3.3.1. Nguyên lý hoạt động của anten cấu trúc siêu vật liệu.71

3.3.2. Thiết kế anten MIMO siêu vật liệu.74

3.3.3. Kết quả và thảo luận .77

3.3.4. Đặc tính MIMO của anten .81v

3.3.5. Kết luận .82

3.4. Anten MIMO-PIFA hai băng tần ứng dụng cho hệ thống thông tin 4G-LTE và

WiMAX.82

3.4.1. Thiết kế anten MIMO PIFA hai băng tần .84

3.4.2. Kết quả và thảo luận .86

3.4.3. Đặc tính MIMO của anten .92

3.4.4. Kết luận.92

3.5. Tổng kết chương.92

CHƯƠNG 4. GIẢI PHÁP SỬ DỤNG MẠNG CÁCH LY ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI

TRONG THIẾT KẾ ANTEN MIMO HAI BĂNG TẦN .95

4.1. Giới thiệu chương.95

4.2. Phương pháp luận thiết kế.96

4.2.1. Mô hình anten .96

4.2.2. Bộ biến đổi dẫn nạp hai băng tần .98

4.2.3. Mạng cách ly sử dụng đường truyền vi dải .98

4.3. Anten MIMO hai băng tần sử dụng TLDN .99

4.3.1. Thiết kế các anten MIMO hai băng tần. .101

4.3.2. Kết quả và thảo luận .108

4.3.3. Kết luận.113

4.4. Tổng kết chương.115

KẾT LUẬN .116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .118

TÀI LIỆU THAM KHẢO .119

pdf150 trang | Chia sẻ: lavie11 | Lượt xem: 529 | Lượt tải: 3download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu và phát triển anten mimo cho các thiết bị đầu cuối di động thế hệ mới, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
patch là 8 mm. Hình 2.10 biểu diễn phân bố dòng bề mặt của anten tại hai tần số thấp (4 GHz) và cao (9 GHz). Có thể nhận thấy khi anten làm việc ở các tần số khác nhau thì mật độ dòng bề mặt 4 5 6 7 8 -40 -30 -20 -10 0 T h a m s o á t a ùn x a ï S ( d B ) Taàn soá (GHz) S11 S21 39 phân bố tập trung ở những vị trí khác nhau (hay hoạt động ở những mode cộng hưởng khác nhau). Việc anten có thể hoạt động ở các mode cộng hưởng khác nhau giúp anten có thể bức xạ tốt trên toàn bộ dải tần UWB [7]. Hình 2.9. Kết quả mô phỏng S11 của phần tử anten UWB không sử dụng cấu trúc EBG với các kích thước khác nhau của Rpatch. (a) (b) Hình 2.10. Phân bố dòng bề mặt của phần tử anten UWB không sử dụng cấu trúc EBG tại tần số (a) 4 GHz và (b) 9 GHz. (a) (b) Hình 2.11. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của phần tử anten không sử dụng cấu trúc EBG trên mặt phẳng xz tại tần số (a) 4 GHz và (b) 9 GHz 2 4 6 8 10 12 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 S 1 1 ( d B ) Taàn soá (GHz) 5.5 mm 6.5 mm 7.5 mm 8.5 mm -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 10 E E -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 10 E E 40 Đồ thị bức xạ của anten với các giá trị Eφ (nét liền) và Eθ (nét đứt) tại các tần số 4 GHz và 9 GHz trên mặt phẳng xz lần lượt được biểu diễn trong hình 2.11(a) và hình 2.11(b). Trong hình 2.11(a), anten có đồ thị bức xạ giống như của một lưỡng cực điện ở tần số thấp, điều này chứng tỏ, anten được kích thích tại mode cơ bản của nó. Hình 2.11(b) cho ta thấy tại tần số cao, các mode bậc cao hơn của anten được kích thích [7]. Hệ số tăng ích đỉnh của anten tăng dần từ 2,3 dBi đến 6 dBi khi tần số hoạt động của anten tăng dần (hình 2.12). Ảnh hưởng của cấu trúc EBG lên phần tử anten UWB có thể được thấy rõ trên hình 2.13. Tại tần số trung tâm 5,5 GHz của dải WLAN, dòng điện đi từ đường tiếp điện vi dải sang cấu trúc EBG, chạy theo đường nối đất rồi xuống mặt đáy. Do đó, ta có thể thấy phân bố dòng bề mặt chủ yếu tập trung ở cấu trúc EBG thay vì ở phần tử bức xạ, vì vậy anten không bức xạ tại tần số này và tạo ra dải chắn có tần số trung tâm tại 5,5 GHz. Hình 2.12. Kết quả mô phỏng hệ số tăng ích đỉnh của phần tử anten UWB không sử dụng cấu trúc EBG Hình 2.13. Phân bố dòng mặt trên phần tử anten có sử dụng cấu trúc EBG tại tần số 5,5 GHz (a) (b) Hình 2.14. Kết quả mô phỏng S11 của phần tử anten UWB có sử dụng cấu trúc EBG trong trường hợp các kích thước (a) g và (b) webg thay đổi. 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 H e ä s o á t a ên g í c h ñ æn h ( d B i) Taàn soá (GHz) 2 4 6 8 10 12 -30 -20 -10 0 S 1 1 ( d B ) Taàn soá (GHz) 0.5 mm 0.6 mm 0.7 mm 0.8 mm 2 4 6 8 10 12 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 S 1 1 ( d B ) Taàn soá (GHz) 5 mm 6 mm 7 mm 8 mm 41 Để tạo ra dải chắn mong muốn, kích thước của phần tử EBG webg và khoảng cách g giữa phần tử EBG với đường vi dải tiếp điện được thay đổi nhằm tìm ra giá trị tối ưu cho thiết kế. Hình 2.14(a) biểu diễn hệ số phản xạ S11 của anten với các giá trị khác nhau của khoảng cách g từ 0,5 mm đến 0,8 mm. Khi giá trị của g tăng lên, giá trị điện dung CC giảm, nên độ rộng của dải chắn tăng lên như trong công thức (2.19). Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả mô phỏng trên hình 2.14(a). Trong khi đó, hình 2.14(b) biểu diễn hệ số phản xạ S11 của anten với các kích thước webg khác nhau của phần tử EBG. Tần số của dải chắn cũng giảm khi kích thước webg tăng lên. Việc kết hợp cả hai giá trị này trong quá trình tối ưu sẽ giúp chúng ta loại bỏ hoàn toàn dải tần WLAN. Hình 2.15(a) và hình 2.15(b) biểu diễn đồ thị bức xạ của anten UWB có sử dụng cấu trúc EBG tại lần lượt hai tần số 4 GHz và 9 GHz. Sự khác nhau của đồ thị bức xạ tại tần số cao của anten trong hai trường hợp có (hình 2.15) và không (hình 2.11) sử dụng cấu trúc EBG hầu như không đáng kể. (a) (b) Hình 2.15. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của phần tử anten UWB có sử dụng cấu trúc EBG trong mặt phẳng xz tại tần số (a) 4 GHz và (b) 9 GHz. Hình 2.16. Kết quả mô phỏng hệ số tăng ích đỉnh của phần tử anten UWB có sử dụng cấu trúc EBG. Hình 2.16 biểu diễn kết quả mô phỏng của hệ số tăng ích đỉnh theo tần số của mô hình anten có sử dụng cấu trúc EBG. Kết quả này cho ta thấy sự giảm mạnh của hệ số tăng ích -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 10 E E -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 10 E E 2 4 6 8 10 12 -4 -2 0 2 4 6 8 Daûi taàn UWB (3.1 - 10.6 GHz) H e ä s o á t a ên g í c h ñ æn h ( d B i) Taàn soá (GHz) WLAN 42 đỉnh (xuống dưới 0 dBi) trong dải chắn; bên ngoài dải chắn, giá trị của hệ số tăng ích đỉnh ổn định xung quanh 5 dBi ở phần tần số cao của dải tần UWB. Hình 2.17 cho ta thấy hình ảnh của anten UWB có sử dụng EBG và anten MIMO có sử dụng phần tử ký sinh MMR sau khi được chế tạo. Việc đo thực nghiệm được tiến hành trên máy phân tích mạng Anritsu 37369D theo các bước sau:  Tiến hành thiết lập các tham số đo như dải tần số quét, số điểm quét tần số,...  Tiến hành hiệu chỉnh (Calib) máy đo. Đây là bước quan trọng để đảm bảo độ chính xác khi thực hiện các phép đo.  Đối với phép đo tham số truyền đạt, tiến hành nối các cổng của anten cần đo với các cổng của máy đo qua cáp chuyên dụng.  Hiển thị kết quả theo tham số cần đo.  Xuất kết quả dưới dạng file *.txt, *.csv hoặc *.dat. Quy trình thiết lập đo ở trên là cơ sở để thực hiện các phép đo thực nghiệm tiếp theo trong luận án (sử dụng máy phân tích mạng Anritsu 37369D hoặc PNA-X N5244A). Hình 2.17. Phần tử anten UWB có sử dụng cấu trúc EBG và anten MIMO-UWB hoàn chỉnh được chế tạo hoàn chỉnh. Hình 2.18. Kết quả mô phỏng và đo S11 của phần tử anten UWB có sử dụng cấu trúc EBG. Kết quả mô phỏng và kết quả đo hệ số phản xạ S11 của anten UWB có sử dụng EBG trên hình 2.18 cho thấy mẫu anten này hoạt động trong dải tần siêu rộng từ 2,98 GHz đến 11,16 GHz và loại bỏ dải tần WLAN trong khoảng từ 4,71 GHz đến 5,83 GHz. Kết quả mô phỏng khá phù hợp với kết quả đo được trong thực tế. 2 4 6 8 10 12 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 S 1 1 ( d B ) Taàn soá (GHz) Moâ phoûng Thöïc nghieäm Daûi taàn UWB (3.1 - 10.6 GHz) WLAN 43 2.2.2.2. Anten MIMO-UWB 4×4 Trong hệ thống đa anten này, ta phải phân tích ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten, vì vậy cần phải có thêm một thông số ngoài hệ số phản xạ (hoặc tỉ số sóng đứng) của anten đơn. Với anten MIMO hai cổng, tham số S21 và S12, là hệ số truyền đạt của cổng 1 đến cổng 2 và ngược lại, sẽ được dùng để đánh giá sự tác động giữa các anten. Đối với mô hình anten MIMO 4x4, các tham số truyền đạt Sij với i ≠ j, từ một cổng bất kỳ đến các cổng còn lại phải đảm bảo yêu cầu về cách ly với hệ số truyền đạt giữa các cổng không được vượt quá −15 𝑑𝐵. Đây là điều kiện để xét đặc tính tương hỗ của các anten MIMO cho các nghiên cứu, đề xuất trong luận án. Các kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của anten MIMO ban đầu được biểu diễn trên hình 2.19(a). Kết quả cho 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). (a) (b) Hình 2.19. Kết quả mô phỏng (a) hệ số phản xạ và (b) hệ số cách ly của anten MIMO ban đầu (a) (b) Hình 2.20. Phân bố dòng bề mặt tại tần số 6.7 GHz trên anten MIMO (a) không sử dụng phần tử ký sinh MMR và (b) có sử dụng phần tử ký sinh MMR 2 4 6 8 10 12 -30 -20 -10 0 H e ä s o á p h a ûn x a ï ( d B ) S11 S22 S33 S44 Taàn soá (GHz) 2 4 6 8 10 12 -50 -40 -30 -20 -10 0 H e ä s o á c a ùc h l y ( d B ) Taàn soá (GHz) S12 S13 S14 S23 S24 S34 44 Mặt khác, hệ số cách ly giữa các phần tử anten của anten MIMO ban đầu này khá thấp, trong dải từ 6 GHz đến 8 GHz chỉ khoảng 10 dB (hình 2.19(b)). Hình 2.20(a) thể hiện rất rõ điều này thông qua phân bố dòng của các phần tử. Khi phần tử anten thứ nhất được kích thích, mặc dù dòng cảm ứng bề mặt trên phần tử trực giao không đáng kể, thì dòng này trên phần tử đồng phân cực (phần tử thứ 3 theo chiều kim đồng hồ) lại được cảm ứng mạnh hơn; kết quả là giá trị ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử đồng phân cực (S13 và S24) tăng. Như vậy có thể thấy nếu không sử dụng thêm kỹ thuật tăng cường cách ly thì anten MIMO này sẽ không sử dụng được vì tương hỗ lớn giữa các phần tử đã làm băng tần thay đổi cũng như làm giảm hệ số cách ly giữa các cổng. (a) (b) Hình 2.21: Kết quả mô phỏng (a) hệ số phản xạ và (b) hệ số cách ly của anten MIMO có sử dụng phần tử ký sinh MMR (a) (b) Hình 2.22. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ trên mặt phẳng xz của anten MIMO không sử dụng phần tử ký sinh tại tần số (a) 4 GHz và (b) 9 GHz Từ kết quả ở hình 2.21(a) ta thấy anten MIMO có sử dụng phần tử ký sinh MMR phối hợp trở kháng tốt trên cả dải tần UWB ngoại trừ dải tần WLAN từ 5,14 GHz đến 5,82 GHz 2 4 6 8 10 12 -30 -20 -10 0 (1): 5.14 GHz (2): 5.82 GHz (2)(1) H e ä s o á p h a ûn x a ï ( d B ) Taàn soá (GHz) S11 S22 S33 S44 2 4 6 8 10 12 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 H e ä s o á c a ùc h l y ( d B ) Taàn soá (GHz) S12 S13 S14 S23 S24 S34 -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 10 E E -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 10 E E 45 (là vùng tần số ta muốn loại bỏ). Ngoài ra, hình 2.21(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 2.20(b), phân bố dòng cảm ứng tại tần số 6,7 GHz của anten MIMO tập trung chủ yếu trên phần tử ký sinh thay vì ở trên phần tử đồng phân cực. Do đó ảnh hưởng của dòng mặt lên phần tử đồng phân cực của mô hình anten đã được giảm xuống. Hình 2.22 và hình 2.23 lần lượt biểu diễn kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten MIMO không và có sử dụng phần tử ký sinh. Các đồ thị bức xạ này cho thấy các anten định hướng ở tần số thấp (4 GHz), và trở nên đẳng hướng tại tần số cao (9 GHz). Kết quả mô phỏng hệ số tăng ích đỉnh của anten MIMO có sử dụng phần tử ký sinh trong hình 2.24 cho thấy giá trị này ổn định trên toàn dải tần UWB (đạt giá trị khoảng 3 dBi ở phần tần số thấp và khoảng 5 dBi ở phần tần số cao) và giảm xuống −4,5 𝑑𝐵𝑖 trên dải chắn WLAN. (a) (b) Hình 2.23. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ trên mặt phẳng xz của anten MIMO có sử dụng phần tử ký sinh tại tần số (a) 4 GHz và (b) 9 GHz Hình 2.24. Kết quả mô phỏng hệ số tăng ích đỉnh của anten MIMO có sử dụng phần tử ký sinh MMR. Hình 2.25. Kết quả mô phỏng và đo hệ số phản xạ của anten MIMO có sử dụng phần tử ký sinh MMR. -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 10 E E -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 10 E E 2 4 6 8 10 12 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 Daûi taàn UWB (3.1 - 10.6 GHz) H e ä s o á t a ên g í c h ñ æn h ( d B i) Taàn soá (GHz) WLAN 2 4 6 8 10 12 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 H e ä s o á p h a ûn x a ï ( d B ) Taàn soá (GHz) Moâ phoûng Thöïc nghieäm WLAN Daûi taàn UWB (3.1 - 10.6 GHz) 46 Hình 2.25 biểu diễn kết quả đo hệ số phản xạ của anten MIMO có sử dụng phần tử ký sinh MMR. Kết quả cho thấy anten hoạt động từ 2,73 GHz đến 10,68 GHz đồng thời loại bỏ dải tần WLAN từ 5,36 GHz đến 6,04 GHz. Hình 2.26 cho thấy ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử trực giao và đồng phân cực. Đối với các phần tử trực giao, hệ số ảnh hưởng tương hỗ giữa chúng (S12) là nhỏ hơn −17 𝑑𝐵 và giá trị này đối với các phần tử đồng phân cực (S13) là dưới −16 𝑑𝐵 trên toàn dải tần UWB. Các kết quả đo khá phù hợp với kết quả mô phỏng trước đó. 2.3.3. Đặc tính MIMO của anten Trong một hệ thống đa đầu vào đầu ra, các tín hiệu thường ảnh hưởng lẫn nhau do khoảng cách giữa các anten gần nhau [70]. Để đánh giá mối tương quan này, người ta thường sử dụng hệ số tương quan đường bao (ECC). Đại lượng này đánh giá mức độ ảnh hưởng lẫn nhau lên đồ thị bức xạ của các cặp anten MIMO. Khi tính toán giá trị của đại lượng này, chúng ta cần biết đồ thị bức xạ phức (bao gồm cả độ lớn và pha) của từng anten, hoặc chúng có thể được tính toán trực tiếp từ các giá trị của các tham số tán xạ. (a) (b) Hình 2.26. Kết quả mô phỏng và đo hệ số ảnh hưởng tương hỗ của anten MIMO có sử dụng phần tử ký sinh MMR giữa các phần tử (a) trực giao phân cực và (b) đồng phân cực. Hệ số tương quan đường bao ECC giữa anten i và anten j của hệ anten MIMO 𝑁 × 𝑁 được xác định dựa trên các tham số tán xạ theo công thức (1.14). Trong trường hợp mô hình MIMO được thiết kế, i = 1, j = 2, và N = 4, hệ số tương quan đường bao của anten MIMO được xác định theo biểu thức (2.20): 𝜌𝑒(1,2,4) = = |𝑆11 ∗ 𝑆12 + 𝑆12 ∗ 𝑆22 + 𝑆13 ∗ 𝑆32 + 𝑆14 ∗ 𝑆42| 2 [1 − (𝑆11 ∗ 𝑆11 + 𝑆12 ∗ 𝑆21 + 𝑆13 ∗ 𝑆31 + 𝑆14 ∗ 𝑆41)][1 − (𝑆11 ∗ 𝑆12 + 𝑆12 ∗ 𝑆22 + 𝑆13 ∗ 𝑆32 + 𝑆14 ∗ 𝑆42)] (2.20) 2 4 6 8 10 12 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 S 1 2 ( d B ) Taàn soá (GHz) Moâ phoûng Thöïc nghieäm 2 4 6 8 10 12 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 S 1 3 ( d B ) Taàn soá (GHz) Moâ phoûng Thöïc nghieäm 47 Hình 2.27 biểu diễn kết quả mô phỏng của hệ số tương quan đường bao của anten MIMO được thiết kế. Từ kết quả mô phỏng ta thấy hệ số tương quan đường bao luôn nhỏ hơn 0,05 trên toàn bộ băng tần hoạt động của anten (dải tần UWB từ 3,1-10,6 GHz loại bỏ băng tần WLAN từ 5,14-5,82 GHz). Mô hình anten MIMO được thiết kế đã đáp ứng được yêu cầu cho hệ thống liên lạc không dây trong đó hệ số tương quan đường bao ECC phải nhỏ hơn 0,5 [39]. Tần số (GHz) H ệ số t ư ơ n g q u a n đ ư ờ n g b a o ( E C C ) WLAN Dải tần UWB (3,1-10,6 GHz) Hình 2.27. Hệ số tương quan đường bao của anten MIMO có sử dụng phần tử ký sinh MMR. Hình 2.28. Mô phỏng trễ nhóm của anten MIMO Anten băng thông siêu rộng ngoài đặc điểm có dải thông lớn (hơn 8 GHz) còn có yêu cầu về giá trị trễ nhóm của tín hiệu. Kết quả mô phỏng trễ nhóm của anten MIMO được biểu diễn ở hình 2.28. Từ hình 2.28 ta thấy một đoạn méo dạng xuất hiện tại vùng tần số 5,14 - 5,82 GHz (do đặc tính loại bỏ băng tần WLAN trong thiết kế) trong khi đó tại các vùng tần số còn lại trong dải tần hoạt động vẫn duy trì giá trị trễ nhóm thấp và tương đối ổn định (đường mô phỏng thẳng). Sự biến thiên của trễ nhóm luôn nhỏ hơn 1 ns chứng tỏ sự tuyến tính tốt về pha của tín hiệu và đáp ứng hoàn toàn yêu cầu của hệ thống thông tin băng thông siêu rộng. 2.3.4. Kết luận Phần này đã trình bày các bước thiết kế một mô hình anten MIMO UWB 4×4 sử dụng cấu trúc cộng hưởng MMR để giúp giảm ảnh hưởng tương hỗ, hoạt động trên toàn dải tần số siêu rộng UWB, đồng thời sử dụng cấu trúc chắn dải điện từ EBG để loại bỏ băng tần không mong muốn. Hệ số cách ly của anten MIMO được chế tạo lớn hơn 15 dB từ 2,73 GHz đến 10,68 GHz chứa dải tần UWB, đồng thời loại bỏ dải tần từ 5,36 GHz tới 6,04 GHz của dải WLAN. Anten MIMO này có hệ số tương quan đường bao luôn nhỏ hơn 0,05 trên toàn băng tần hoạt động. Kết quả này cho thấy anten MIMO-UWB này hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu để có thể ứng dụng trong các thiết bị vô tuyến cầm tay thế hệ mới. Bảng 2.2 biểu 3 4 5 6 7 8 9 10 11 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 T r e ã n h o ùm ( n s ) Taàn soá (GHz) 48 diễn tóm tắt các tham số của các anten đơn, anten MIMO không sử dụng phần tử ký sinh, anten MIMO được thiết kế và một số anten tham khảo. Bảng 2.2. So sánh tham số của các anten UWB Anten Tham số (*) (**) (***) [55] [69] [49] Kích thước (mm2) 30 x 30 60 x 60 60 x 60 75 x 75 80 x 80 86,5 x 55 Băng tần 2,92-11,76 GHz Loại bỏ: 5,12- 6,14 GHz ~3,5 -12 GHz 3,1-10,6 GHz Loại bỏ: 5,15-5,82 GHz 2-6 GHz 3,1-10,6 GHz 1,85-11,9 GHz Loại bỏ: 5,15- 5,85 GHz Hệ số cách ly (dB) - ≥ 10 ≥ 16 ≥ 25 ≥ 13 ≥ 17 Tăng ích đỉnh (dBi) 2,3 – 6 - 2,2-5,6 - - Trung bình 4,96 Ghi chú Cấu hình 4x4 Cấu hình 4x4 Cấu hình 4x4 Cấu hình 2x2 Trong đó: (*): Anten đơn. (**): Anten MIMO không sử dụng phần tử ký sinh. (***): Anten MIMO được thiết kế. 2.4. Anten MIMO-EWB 2×2 loại bỏ băng tần WLAN. Từ khi công nghệ băng thông siêu rộng (UWB) được chấp thuận trong các hệ thống truyền thông UWB trong nhà [1], việc thiết kế anten UWB đã gặt hái được nhiều bước tiến trong giới nghiên cứu và trong các ngành công nghiệp. Ngoài dải tần tiêu chuẩn từ 3,1-10,6 GHz, một số nghiên cứu đã phát triển các anten có băng tần rộng hơn dải tần tiêu chuẩn để phục vụ cho các ứng dụng mới. Các anten này được gọi là anten băng thông cực kỳ rộng (EWB) [37, 38]. Những anten này đạt được một băng thông rất rộng bao gồm cả băng tần UWB với đặc tính bức xạ mong muốn. Tuy nhiên, các anten này thường có kích thước lớn chẳng hạn như trong [37], tấm bức xạ có kích thước 124 × 120 mm2 và trong [38] là 124 × 70 mm2, có nghĩa là các mô hình trên khó có khả năng tích hợp trong thiết bị di động hoặc thiết bị cầm tay chưa kể khi triển khai dưới dạng anten MIMO thì kích thước tổng thể của anten sẽ còn tăng hơn nữa. Ngoài ra, do băng thông cực kỳ rộng, việc loại bỏ nhiễu của một số băng tần khác là cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động tốt chẳng hạn như WiMAX ở 49 3,3-3,6 GHz, WLAN ở 5,15-5,85 GHz, tín hiệu vệ tinh băng X đường xuống ở 7,25-7,75 GHz, Trong phần tiếp theo, cấu trúc phần tử ký sinh dạng hai dây chêm ngắn mạch được ứng dụng để giảm ảnh hưởng tương hỗ trong thiết kế một anten MIMO băng thông cực kỳ rộng, kích thước nhỏ gọn với đặc tính loại bỏ băng tần WLAN. Anten MIMO bao gồm hai anten đơn tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng. Để loại bỏ băng tần WLAN, một cấu trúc hình chữ V ngược được khoét trên tấm bức xạ. Anten được thiết kế có hệ số cách ly lớn hơn 15 dB trên băng tần hoạt động rất rộng của nó (từ 2,7 GHz đến 20 GHz) và loại bỏ băng tần WLAN ở tần số trung tâm 5,5 GHz. 2.4.1. Thiết kế anten MIMO-EWB 2×2 loại bỏ băng tần WLAN 2.4.1.1. Phần tử anten EWB đơn loại bỏ băng tần WLAN Trong phần này, mô hình anten EWB đơn được thiết kế dựa trên công nghệ vi dải phẳng đơn cực dạng hình chữ nhật sửa đổi, hoạt động trên nguyên lý biến đổi từ từ để mở rộng băng thông [44]. Ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW) được sử dụng để tiếp điện cho anten nhằm nâng cao khả năng mở rộng băng thông. Một khe chữ U được khoét trên bề mặt kim loại của anten đơn để loại bỏ băng tần WLAN. Ống dẫn sóng đồng phẳng là một loại đường truyền vi dải mà đường dẫn kim loại và mặt phẳng đế (GND) cùng nằm trên một mặt của lớp đế điện môi. Hai mặt phẳng GND chạy song song với đường dẫn kim loại ở giữa và khoảng cách từ đường dẫn đến hai mặt phẳng GND là bằng nhau (hình 2.29). Hình 2.30 cho ta thấy phân bố trường điện từ của ống dẫn sóng đồng phẳng. Đối với CPW thì trường điện từ phân bố tập trung ở không gian giữa đường vi dải và hai mặt phẳng GND. a b h t εr GND GND Hình 2.29. Cấu tạo ống dẫn sóng đồng phẳng (a) (b) Hình 2.30. Mode sóng truyền trong CPW (a) Mode chẵn và (b) Mode lẻ 50 Tùy thuộc vào kích thước của các phần tử cấu tạo nên CPW mà mode sóng được truyền đi tại một tần số nào đó là mode chẵn hay mode lẻ. Đối với thiết kế dùng trong mô hình anten đơn cực, để tiếp điện cho anten hoạt động chính xác thì các kích thước phần tử tạo nên CPW phải cho ra trường ở mode chẵn [87]. Các thành phần quyết định đến trở kháng của CPW cũng như mode sóng truyền trong CPW là: bề dày lớp đế điện môi h, bề dày lớp kim loại t, bề rộng đường dẫn điện ở giữa a, khoảng cách giữa 2 điểm gần nhất của hai mặt phẳng GND b, bằng hằng số điện môi tương đối εr . Mặt phẳng GND nên lớn hơn 5b, và để ngăn những mode sóng có bậc cao hơn (mode sóng không mong muốn) được truyền thì b nên nhỏ hơn λ/2. h=1.6s=1 t= 0 .0 3 5 60 M1 = 16 L = 1 6 M 2 = 3 N = 1 g=0.2 M 3 = 7 .5 M4=2 M6=0.3 M5=3.2 60° W=24.2 Hình 2.31. Kích thước anten EWB đơn Mô hình anten là anten đơn cực hình chữ nhật sửa đổi được in trên một lớp đế bằng điện môi FR4 có kích thước khá nhỏ gọn 40 x 35 x 1.6mm. Do EWB có dải tần hoạt động từ 2,7 GHz – 20 GHz nên khi thiết kế anten sẽ chọn tần số thấp nhất khoảng 3 GHz, tần số cộng hưởng trung tâm vào khoảng 10 GHz. Khi đó, kích thước của tấm bức xạ sẽ phụ thuộc vào tần số thấp nhất và hằng số điện môi hiệu dụng của lớp đế [44]. Kích thước tính toán cụ thể của anten như biểu diễn ở hình 2.31. Kích thước của đường dẫn điện ở giữa, kích thước của khe hẹp và hằng số điện môi tương đối của lớp đế sẽ quyết định trở kháng đặc tính của ống dẫn sóng đồng phẳng. Với kích thước ghi trên hình 2.31, khi chọn lớp đế làm bằng FR4 có εr = 4.4, thì trở kháng đặc tính thu được sẽ đạt xấp xỉ là 50 . Anten hình chữ nhật sửa đổi được cấu tạo bởi những đường gấp khúc hoạt động như cấu trúc biến đổi từ từ. Độ rộng của các góc mở khác nhau của những đường gấp khúc sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chuyển đổi năng lượng từ đường tiếp điện vào anten, từ đó làm thay đổi dải tần phối hợp trở kháng của anten. Các góc mở sẽ được khảo sát để tối ưu mô hình anten được thiết kế. 51 Anten EWB hoạt động ở một dải tần số rất rộng bao trùm rất nhiều băng tần của các hệ thống khác như: WLAN, WiMAX, UWB và đường xuống của vệ tinh,... Chính vì vậy, khi các hệ thống cùng làm việc trong cùng một môi trường truyền dẫn thì có thể gây ra nhiễu giao thoa với nhau. Do đó, phương án tối ưu để các hệ thống hoạt động đồng thời là loại bỏ dải tần số không mong muốn của hệ thống khác khi anten EWB đang được sử dụng. Có nhiều cách để làm được điều này như: sử dụng bộ lọc, sử dụng cấu trúc khe và cấu trúc ký sinh [27, 49, 48, 78]. Ở đây, cấu trúc khe được chọn là phương án thiết kế phù hợp nhất vì không những đạt được hiệu quả cao trong việc loại bỏ tần số, mà nó còn là phương pháp đơn giản nhất và thích hợp với anten tiếp điện bằng CPW. Cấu trúc khe được đề xuất trong thiết kế là khe hình chữ U với các tham số được cho bởi công thức [27, 48]: 𝐿𝑠𝑙𝑜𝑡 = 0,45𝑐 𝑓𝑛𝑜𝑡𝑐ℎ√𝜀𝑒𝑓𝑓_𝑠𝑙𝑜𝑡 (2.10) 𝜀𝑒𝑓𝑓_𝑠𝑙𝑜𝑡 = 𝜀𝑟 + 1 2 (2.11) trong đó, 𝜀𝑟 là hằng số điện môi tương đối của lớp đế, 𝐿𝑠𝑙𝑜𝑡 là chiều dài khe, c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng trong không gian tự do. Từ công thức trên, với giá trị 𝜀𝑟 và tần số trung tâm của dải tần cần loại bỏ đã biết ta dễ dàng xác định được chiều dài của khe. Cùng với quá trình tối ưu các tham số khác như: chiều rộng, chiều dài đoạn gấp khúc,... trong quá trình mô phỏng thì dải tần cần loại bỏ sẽ được tìm ra. Với phương pháp loại bỏ băng tần như trên, anten đơn EWB có thể được thiết kế để loại bỏ dải tần WLAN hoặc WiMAX tùy theo yêu cầu của ứng dụng cụ thể. Hình dạng và kích thước của khe khi loại bỏ băng tần WLAN hoặc WiMAX được thể hiện trong hình 2.32 và bảng 2.3. t= 0 .0 3 5 M1 = 16 L = 1 6 M 2 = 3 h=1.6 W=24.2 N = 1 g=0.2 s=1 M 3 = 7 .5 M4=2 M6=0.3 M5=3.2 L h L s Ws1 W s 2 Ws Hình 2.32. Anten đơn với cấu trúc khe 52 Bảng 2.3. Kích thước các khe để loại bỏ băng tần WLAN và WiMAX Lslot Ws1 Ws2 Lh Ws WLAN 2,65 0,3 0,3 8,54 11,6 WiMAX 6,5 0,7 0,2 8,8 11,7 2.4.1.2. Anten MIMO-EWB 2×2 20.1×2+D (mm) 1 6 m m 11.4 mm 1 mm0.2 mm D (mm) 16 mm 35um 1.6 mm Hình 2.33. Mô hình anten MIMO-EWB ghép liên tiếp Trước hết ta xét mô hình 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 2.33. Kích thước của mặt đế khá nhỏ gọn (44,4mm x 16mm x 1.6mm) nên có thể dễ dàng tích hợp được vào các thiết bị di động cầm tay. Có thể thấy rằng khi D giảm, kích thước anten giảm nhưng tương hỗ của hai phần tử tăng lên (S12 và S21 không đạt yêu cầu <−15 𝑑𝐵). 44.4 mm 1 6 m m 11.4 mm 1 mm 0.2 mm 4.2 mm 0.6 mm 1 mm 16 mm 18.8 mm 1.6 mm 35um Dây chêm ký sinh Hình 2.34. Mô hình anten ghép liên tiếp sử dụng phần tử ký sinh ký sinh dạng hai dây chêm ngắn mạch Để giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa hai anten 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. Mô hình anten MIMO sử dụng phần tử ký sinh có cấu trúc hai 53 dây chêm ngắn mạch được thể hiện trên hình 2.34. Chiều dài dây chêm được tính toán theo công thức 2.18 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 (từ

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfnghien_cuu_va_phat_trien_anten_mimo_cho_cac_thiet_bi_dau_cuoi_di_dong_the_he_moitv_146_1937373.pdf
Tài liệu liên quan