PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN ĐA ĐẦU VÀO ĐA ĐẦU RA BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN ĐA ĐẦU
VÀO ĐA ĐẦU RA BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG
Sinh viên thực hiện : HOÀNG THẾ VIỆT
Lớp ĐT9 – K51
Giảng viên hướng dẫn: Th. S. NGUYỄN KHẮC KIỂM
PGS. TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN

Hà Nội - tháng 6 năm 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: .…………….………….…… Số hiệu sinh viên: ………………
Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………………
1. Đầu đề đồ án:
………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
…………………………………… …………………………………………… ……
………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………….… ………………………
…………
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

………………………………………………………………………………………………
……………… ….
………………………………………………………………………………………………
…………………………………… ….
………………………………………………………………………………………………
………………………………
Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
………………………………………………………………………………………………
……………………… ….
………………………………………………………………………………………………
………………………… ……….……………………………
4. Họ tên giảng viên hướng dẫn :……………………………………………………… …
5. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
6. Ngày hoàn thành đồ án: …………………………………………………………… …
Ngày tháng năm
Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI


BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:
Ngành: Khoá:
Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:









Ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
Lời nói đầu
Trong truyền thông nói chung thì có hai vấn đề cần phải quan tâm đó là: tốc độ
dữ liệu và độ tin cậy truyền tin. Với truyền thông không dây thì hai vấn đề này là
quan trọng hơn cả và mọi thiết kế đều phải dựa trên hai thông số này làm sao cho
tốc độ dữ liệu ngày càng tăng và độ tin cậy ngày càng cao. Trong truyền thông
không dây thì có hai hiện tượng gây trở ngại cho hệ thống của chúng ta đó là:
Fading và giao thoa giữa các ký hiệu. Do đó, để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu thì
cần phải có băng thông lớn nhưng điều này bị hạn chế vì dải tần số là một tài
nguyên khan hiếm. Đồng thời, muốn chất lượng tín hiệu được cải thiện và giảm ảnh
hưởng của phading thì máy phát phải đạt được công suất đủ lớn hoặc tăng kích
thước anten để duy trì hiệu suất bức xạ; tuy nhiên, đối với những thiết bị di động
cầm tay như điện thoại di động, máy tính xách tay có kích thước nhỏ gọn thì không
thể áp dụng phương pháp này được. Hiện nay, hệ thống anten sử dụng nhiều phần

tử bức xạ ở cả phía phát và phía thu hay còn gọi là kĩ thuật đa đầu vào đa đầu ra
(MIMO) đã được ứng dụng trong kĩ thuật anten. Nó đem lại nhiều ưu thế về chất
lượng truyền tín hiệu cũng như tốc độ truyền tải dữ liệu. Kĩ thuật MIMO ra đời
nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm trên trong hệ thống thông tin vô
tuyến.
Băng thông rộng không còn là một điều mới mẻ trong thông tin di động nữa,
mà nó trở thành một đặc điểm thiết yếu trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ
như: truyền hình chất lượng cao, truyền hình di động, Internet băng thông rộng,
game trực tuyến, giải trí đa phương tiện hay giao tiếp giữa các thiết bị trong khoảng
cách ngắn. Một giải pháp được đưa ra là sử dụng các thiết bị hoạt động ở một dải
tần siêu rộng từ 3.1Ghz đến 10.6Ghz, gọi là dải tần siêu rộng (UWB). Đây là dải tần
không phải đăng kí và đã có các tiêu chuẩn để xây dựng một hệ thống UWB hoàn
chỉnh. Tuy nhiên. nhu cầu con người không ngừng gia tăng và trong tương lai
không xa khi băng tần của hệ thống UWB không còn phù hợp nữa thì công nghệ
mới phải ra đời. Khi đó, công nghệ Extremely Wide-band (EWB) sẽ là hướng đi
5
mới phù hợp với tiến trình phát triển của thời đại. Công nghệ này với dải tần hoạt
động cực kỳ rộng từ vài GHz đến vài chục GHz sẽ được áp dụng cho những thiết bị
đầu cuối vô tuyến đa băng tần. Với dải tần bao trùm toàn bộ băng tần của các hệ
thống như: WLAN, WiMAX, UWB… thì anten EWB hoàn toàn có thể được sử
dụng để hoạt động trong nhiều băng tần với nhiều hệ thống khác nhau.
Cùng với đó việc thiết kế anten EWB cho hệ thống MIMO sẽ gặp nhiều thách
thức và trở ngại. Vấn đề đầu tiên đặt ra là kích thước của anten phải nhỏ gọn đạt
được yêu cầu của các nhà sản xuất thiết bị di động khi tích hợp vào sản phẩm của
họ. Hơn nữa, trong hệ thống nhiều phần tử bức xạ, ảnh hưởng tưỡng hỗ giữa chúng
là đáng kể, hiện tượng này cần phải được giảm thiểu để nâng cao độ ổn định và hiệu
suất bức xạ của hệ thống. Anten vi dải là một loại anten có nhiều ưu điểm thỏa mãn
được các yêu cầu đặt ra ở trên: nhỏ gọn, có thể tích hợp được trên nhiều bề mặt
khác nhau, dễ chế tạo, rẻ tiền. Vì vậy, nhiệm vụ đặt ra là thiết kế anten vi dải ứng
dụng trong hệ thống đa đầu vào đa đầu ra băng thông siêu rộng.

Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được rất nhiều các sự giúp đỡ từ
các thầy cô trong viện Điện tử Viễn Thông, đặc biệt phải kể đến sự tận tâm, nhiệt
tình của Th. S. Nguyễn Khắc Kiểm, Bộ môn Hệ Thống Viễn Thông, viện Điện Tử
Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, giảng viên trực tiếp chịu trách
nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy và các thầy cô
trong viện Điện tử Viễn Thông.
Qua đây, tôi xin cảm ơn thầy giáo PGS. TS. Đào Ngọc Chiến, Bộ môn Hệ
Thống Viễn Thông, viện Điện Tử Viễn Thông, người đã giúp đỡ tôi trong việc định
hướng và các cơ sở vật chất để hoàn thành đồ án. Tôi cũng xin cảm ơn tất cả các
bạn trong phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển truyền thông CRD, tầng 6 thư
viện Tạ Quang Bửu – Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã góp ý và chia sẻ kinh nghiệm
với tôi trong hơn một năm qua.
Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2011
Hoàng Thế Việt
6
Tóm tắt đồ án
Khi kĩ thuật đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) được ứng dụng cho anten băng
thông siêu rộng, nó đem lại cho hệ thống khả năng truyền tải một khối lượng dữ
liệu lớn hơn mặc dù không có sự mở rộng về băng thông. Tuy nhiên, việc thiết kế
hệ thống này gặp phải nhiều khó khăn trong việc giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các
phần tử bức xạ mà tác động của nó tới chất lượng tín hiệu là đáng kể.
Mục đích của đồ án này là nghiên cứu và thiết kế mô hình anten vi dải làm việc
ở dải tần siêu rộng từ xấp xỉ 2.7Ghz đến 20Ghz. Đồng thời kết hợp với kĩ thuật
MIMO, tính toán, đánh giá và tìm cách giảm thiểu tác dụng tương hỗ giữa các anten
để từ đó có thể chế tạo thử nghiệm. Trên thực tế, tôi đã tiến hành thiết kế thành
công mô hình cho mức độ tương hỗ giữa các anten thành phần thỏa mãn yêu cầu đặt
ra, trong đó, các thông số truyền đạt, đồ thị bức xạ phương hướng và đặc biệt là
kích thước hệ thống đã được tối ưu. Trong mô hình tôi đề xuất, hệ hai anten nằm
trên cùng một đế bán dẫn và ở cũng một mặt. Với hai phiến bức xạ kim loại được
cấu tạo bởi những đường gấp khúc hoạt động như một cấu trúc biến đổi đều có tác

dụng làm tăng băng thông mà băng thông của anten MIMO hoạt động ở dải tần số
rất rộng từ 2,7 GHz đến 20 GHz. Để giảm tác động tương hỗ giữa các phần tử anten
đơn thì cấu trúc hai stub được thêm vào giữa hai phiến bức xạ. Cuối cùng, nhờ vào
kích thước nhỏ, anten được đề xuất có thể tích hợp vào các thiết bị di động cầm
tay.
7
Abstract
Once the Miltiple-input Multipe-output technology is applied in the field of
Ultra Wideband antena technique, this will offer the ability of data transmitting with
a huge amount of capacity though the bandwidth of the channel is limited.
However, in the process of designing this system, we could suffer the problem in
reducing the mutual coupling proportion between antenna elements so that the
signals in the operating system can’t be interfered.
The aim of this project is a method of designing and simulating an antenna
model which operates at the extremely wide band of frequency from 2.7 Ghz to 20
Ghz after finishing the process. In addition, by futher development with Multi input
Multi output, the antenna system with much higher effeciency will be offered. The
caculation, analysis, estimation of the system can be difficult because of the effect
of mutual coupling between antenna elements. After reseaching deeper of antenna
field, I did success of producing a model which has a low mutual coupling, low
return loss, omnidirectional radiation partern and the optimum dimensions of the
system. In the proposed system, MIMO model is constructed by placing two single
antennas side by side. With the radiation patchs is structured by broken lines for
producing a gradually variant structure to increase bandwidth, the designed antenna
satisfies the voltage standing wave ratio (VSWR) requirement of less than 2.0 in an
extremely wide frequency band ranging from 2.7 GHz to 20 GHz. To reduce mutual
coupling to be used in diversity antenna environment, two stubs are added between
two patches. And then, this antenna can be intergrated in lots of handheld devices
because of its compact dimensions.
8

Mục lục
9
Danh sách các hình vẽ
Danh sách các bảng biểu
Bảng danh sách các từ viết tắt và đối
chiếu thuật ngữ Anh Việt
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
COFDM Coded OFDM OFDM mã hóa
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DSSS Direct Sequence Spreading
Spectrum
Trải phổ chuỗi trực tiếp
FCC Federal Communications
Commission
Hội đồng truyền thông liên
bang
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
GSM
Global System for Mobile
Communication
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
IEEE Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện kỹ sư điện và điện tử
LAN Local Area Network Mạng cục bộ
MB- Multi Band-OFDM OFDM đa băng
10
OFDM
MB-UWB Multi Band-UWB UWB đa băng

NB Narrow Band Băng hẹp
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao
PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất
UWB Ultra Wide Band Băng thông siêu rộng
WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây
WPAN Wireless Personnal Area Network Mạng không dây cá nhân
MIMO Multi-input multi-output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều
đầu ra
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm
LOS Light of sight Tầm nhìn thẳng
CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh
ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên tín hiệu
TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
FDMA Frequency division multiple
access
Đa truy nhập phân chia theo tần
số
SDMA Spatial division multiple access Đa truy nhập phân chia theo
không gian
CDMA Code division multiple access Đa truy nhập phân chia theo mã
SISO Single input Single Output Đơn đầu vào đơn đầu ra
STC Space –time codes Mã không gian thời gian
STBC Space-time Block codes Mã khối không gian thời gian
STTC Space-time trellis codes Mã lưới không gian thời gian
LSTC Layered Space- time codes Mã không gian thời gian theo
lớp

ML Maximum likelyhood Decoding Bộ giải mã giống nhau lớn nhất.
MRC Maximum Ratio Combiner Bộ tố hợp tỷ số lớn nhất
PSK Phase shift keying Khóa dịch pha
BLAST Bell labs layered space – time Mã không gian theo lớp được
đề xuất của Bell
H-Blast Horizontal blast Mã blast ngang
V- Blast Vertical blast Mã Blast dọc
SC Scanning and Selection combiner Bộ tổ hợp quét và lựa chọn
EGC Equal Gain Combiner Bộ tổ hợp cùng độ lợi
AOA Angles of Arival Góc đến
DOA Angles of Departure Góc tới
FDTC Finite Difference Time Domain Phương pháp miền thời gian vi
sai hữu hạn
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi furie rời rạc
11
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Furie nhanh
EBG Electromagnetic band gap
12
Phần mở đầu
Trong thập kỉ qua, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc và không
ngừng tiến tới của công nghệ truyền thông. Các thiết bị ngày càng được cải tiến
nâng cấp tiến dần tới sự hoàn thiện về thiết kế, tính năng cũng như tốc độ xử lý tín
hiệu. Do đó việc giao tiếp giữa các thiết bị là một điều kiện không thể thiếu trong
một hệ thống đòi hỏi tính ứng dụng cao và mềm dẻo trong nhiều hoàn cảnh khác
nhau. Hãy hình dung rằng chiếc máy tính để bàn của bạn hoàn toàn không dây, tất
cả các thành phần của nó liên lạc với nhau bằng công nghệ không giây tốc độ cao
hay bạn chỉ cần một vài giây để tải một bộ phim lên đến vài Gbs xuống thiết bị cầm
tay như điện thoại di động…
Công nghệ UWB ra đời nhằm thỏa mãn những yêu cầu như vậy. Thêm vào đó,
với sự kết hợp của nền tảng MIMO, hệ thống MIMO UWB đem lại cho công nghệ

truyền thông những ứng dụng mang tính đột phá về tốc độ. Nhưng trong tương lai
không xa khi mà các ứng dụng không dây đòi hỏi tốc độ truyền lớn hơn, băng thông
cũng đòi hỏi cao hơn thì hiển nhiên yêu cầu mới về công nghệ sẽ được đạt ra và
công nghệ Extremely Wide-band (EWB) với dải tần hoạt động lớn hơn rất nhiều sẽ
đáp ứng được những nhu cầu trên. Theo đó, anten là một yếu tố vô cùng quan trọng
trong một hệ thống hoàn chỉnh, nó là thiết bị chung gian chuyển đổi tín hiệu điện
thành sóng điện từ mang thông tin lan truyền trong không gian và ngược lại. Vậy,
bài toàn đặt ra là thiết kế một hệ thống anten MIMO EWB thỏa mãn được những
yêu cầu kĩ thuật theo các tiêu chuẩn chung cùng với việc giảm kích thước để hệ
thống này có thể được tích hợp trên các thiết bị di động nhỏ gọn.
Trong phạm vi đồ án này, tôi trình bày làm 4 chương:
Ở chương I sẽ giới thiệu chung về hiện trạng công nghệ hiện nay, động lực phát
triển, hướng đi mới trong tương lai và kết quả mong muốn đạt được trong thiết kế
anten cho công nghệ băng thông siêu rộng.
13
Đến chương II, những kiến thức tổng quan về công nghệ băng thông siêu rộng
và hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) sẽ được trình bày.
Những lý thyết, kiến thức về phương trình Maxwell, điều kiện biên và phần
mềm mô phỏng HFSS được đề cập đến ở chương III.
Cuối cùng, mô hình các anten được đề xuất để phân tích và thiết kế, cũng như
các kết quả mô phỏng, đo đạc sẽ được trình bày chi tiết trong chương IV.
14
Chương 1
Giới thiệu
1.1 Hiện trạng của bài toán
Trước khi đi sâu nghiên cứu thiết kế một mô hình hệ thống anten MIMO EWB
hoàn chỉnh, ta hãy điểm qua một số các sự kiện trên thế giới về ứng dụng của công
nghệ băng thông siêu rộng (UWB), để thấy được rằng, công nghệ băng thông siêu
rộng có ý nghĩa to lớn thế nào đối với công nghệ truyền thông.
Với tốc độ phá vỡ kỉ lục so với tất cả các công nghệ truyền dẫn không dây

khác, UWB được gán cho một biệt danh thật ấn tượng “Gigabit over the Air”. Và
ngày nay, ta thấy rằng, công nghệ HD và 3D cho ra đời những sản phẩm giải trí
tuyệt vời, nhưng nhược điểm của chúng là dung lượng lưu trữ quá lớn. Để có thể
truyền tải được khối dữ liệu này giữa các thiết bị trong môi trường wireless với
khoảng cách gần thì cần phải có một giải pháp cân bằng giữa tốc độ, độ ổn định
cũng như tính tin cậy. Câu trả lời chính là công nghệ UWB, chắc chắn giải pháp này
sẽ mở ra một tương lại hứa hẹn như việc tải bộ phim có độ phân giải cao chỉ trong
tích tắc cho các giao diện kết nối đa phương tiện ở phạm vi hẹp. Việc ứng dụng nó
trên các thiết bị di động có tính năng giải trí đang ngày càng trở nên phổ biến.
Để công nghệ UWB được phổ biến và ứng dụng trong các thiết bị điện tử công
nghiệp, các nhà nghiên cứu khoa học, hiệp hội, tổ chức điện tử, tin học trên thế giới
đã tổ chức rất nhiều các cuộc hội thảo, hội nghị để đưa ra chuẩn quốc tế cho công
nghệ này. Mọi thứ được khởi động bởi tuyên bố của FCC vào ngày 14 tháng 2 năm
2002 lần đầu tiên đưa ra tiêu chuẩn cho công nghệ UWB mặc dù trước đó nó đã
được ứng dụng nhưng chủ yếu là trong lĩnh vực quân sự.
15
Ủy ban châu Âu cuối cùng cũng đưa ra chi tiết các thông tin cấp phép cho việc
thiết kế mạng UWB ở châu Âu, truyền dẫn dữ liệu băng thông siêu rộng được thiết
lập và sử dụng thay thế cho mạng cáp cho phép các file lớn được truyền trong
khoảng cách ngắn với tốc độ chuẩn là 480 Mbps.
Tiếp đó vào năm tháng 9 năm 2005, UWB được đưa vào bản báo cáo và đề
nghị của hiệp hội viễn thông quốc tế ITU-R sau những cân nhắc kĩ càng. Với những
sự kiện này các nhà phát triển hi vọng sẽ sớm đưa UWB vào ứng dụng thực tế trên
toàn thế giới không chỉ dừng chân tại châu Âu. Tháng 8 năm 2007, tổ chức ủy
quyền cạnh trạnh và quản lý viễn thông độc lập Ofcom ở Anh cũng có những tuyên
bố tương tự.
Hình 1. 1 Các ứng dụng của công nghệ UWB
Đã có rất nhiều các thiết bị điện tử ứng dụng công nghệ UWB theo chuẩn của
FCC, đa số là radar, hệ thống xác định vị trí và hình ảnh. Để bắt kịp với công nghệ,
các nhà sản xuất và cung cấp các thiết bị điện tử như Ericsson, IBM, Nokia,

Toshiba đã đưa cộng nghệ này vào sản phẩm của họ hoặc kết hợp với công nghệ
không dây khác (Bluetooth) tạo nên giải pháp đẩy mạnh tốc độ tiếp thị cho các thiết
bị băng thông siêu rộng mà không phải tốn tiền đầu tư phát triển các sản phẩm có
công nghệ cũ.
Có thể thấy được rằng, công nghệ băng thông siêu rộng đang có được sự quan
tâm rất lớn từ nền công nghiệp truyền dẫn. Tuy vậy, việc triển khai và áp dụng nó
16
phải được xem xét kĩ lưỡng bởi một số vấn đề sau đây: phạm vi phủ sóng rất hạn
chế, trong khoảng cách dưới 10m, tốc độ rất ấn tượng nhưng khi vượt quá khoảng
cách này thì tín hiệu truyền đến thiết bị giảm sút đáng kể. Chính vì vậy, UWB được
ứng dụng chủ yếu trong mạng cá nhân (Personal Arial Network), hệ thống giải trí
gia đình (Home Multimedia).
UWB có thể thay thế được công nghệ bluetooth hay hồng ngoại nhưng không
thể thay thế được Wifi và Wimax. Đồng thời, cũng chính vì những mạng truyền dẫn
không dây trước đó đã ra đời và quá phổ biến, các công nghệ băng hẹp này trùng
phổ với công nghệ băng thông siêu rộng nên việc thiết kế hệ thống và đặc biệt là
anten thu phát sóng UWB phải đảm bảo khi hoạt động không gây can nhiễu lên tần
số làm việc của các thiết bị khác.
Cuối cùng để đảm bảo chất lượng tín hiệu ổn định, do tín hiệu UWB không
được điều chế mà trực tiếp bức xạ qua anten, nên cần có những công nghệ khác
củng cố độ ổn định làm việc của hệ thống. Trong đó, MIMO là một trong những kĩ
thuật anten đã được kết hợp với công nghệ UWB tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh
đưa mạng truyền dẫn không dây cá nhân lên một đỉnh cao mới. Ta có thể tự tin đầu
tư, nghiên cứu phát triển về hệ thống anten này do nó có những động lực phát triển
mạnh mẽ.
1.2 Động lực phát triển
- Các chỉ tiêu kĩ thuật, mô hình hệ thống đã được các tổ chức trên thế giới đúc
kết, cái tiến đưa ra một cách đầy đủ các tiêu chuẩn. Chúng ta sẽ đề cập đến các tiêu
chuẩn này trong những chương sau của đồ án.
- Các giao diện, thiết bị đã và đang được hỗ trợ bởi các nhà sản xuất công

nghiệp điện tử.
- Việc nghiên cứu sâu hơn có thể mở ra nhiều hướng phát triển cũng như thách
thức mới, trong đó, khả năng kết hợp các công nghệ với nhau được các nhà nghiên
cứu quan tâm nhất. Sự kết hợp giữa MIMO và UWB là một trong những hướng đi
đem lại một bước tiến đang kể.
17
- Chí phí đầu tư không lớn nhưng hiệu quả đem lại rất đáng kể. Có thể lấy một
trong những hướng phát triển của công nghệ này làm ví dụ: hệ thống anten thiết kế
cho các thiết bị di động cầm tay rất nhỏ gọn và được chế tạo bởi những vật liệu rẻ
tiền nhưng có nhiều sự cải tiến vượt bậc về mặt tốc độ so với các công nghệ khác
như bluetooth hay hồng ngoại, việc thay thế cho các công nghệ cũ này chỉ là vấn đề
thời gian .
1.3 Hướng đi mới trong tương lai
Ngày nay, khi nhu cầu sử dụng những ứng dụng truyền thông không dây tốc độ
cao, băng thông rộng không ngừng ra tăng thì có thể khẳng định rằng trong tương
lai những công nghệ hiện nay sẽ không đủ để đáp ứng. Giải pháp đặt ra là: khi công
nghệ không còn đáp ứng được đủ những nhu cầu trên của con người thì công nghệ
băng thông rộng hơn phải được hình thành. Và công nghệ EWB sẽ là hướng đi cho
tương lai khi mà dải tần của cực rộng của nó (có thể lên đến hàng chục GHz) hoàn
toàn bao trùm dải tần hoạt động của các hệ thống khác như: WLAN, WiMAX…
trong đó có cả hệ thống UWB thì nhiều ứng dụng không dây tốc độ cao đều có thể
được đáp ứng. Công nghệ này sẽ được ứng dụng với các thiết bị đầu cuối đa băng
tần. Tuy nhiên, với từng ứng dụng cụ thể để không gẫy nhiễu giữa các hệ thống với
nhau khi chúng cùng hoạt động thì yêu cầu thiết kế anten trong công nghệ này là
phải loại bỏ một số băng tần không mong muốn của hệ thống khác khi được ứng
dụng trong các hệ thống khác nhau.
1.4 Kết quả mong đợi
Đồ án này hướng tới phát triển, nghiên cứu, thiết kế một hệ thống anten hoàn
chỉnh ứng dụng cho công nghệ MIMO EWB. Khi đó chỉ tiêu thiết kế sẽ là: thiết kế
anten MIMO hoạt động tốt ở dải tần siêu rộng, đồng thời phải giảm tác động tương

hỗ giữa các phần tử riêng lẻ của anten.
Quá trình thiết kế sẽ gặp nhiều trở ngại trước tiên là việc lựa chọn loại anten
phù hợp nhất đáp ứng được những yêu cầu như giá thành rẻ, dễ chế tạo, băng thông
rộng, tính tích hợp cao cho các thiết bị di động. Sau đó là giai đoạn áp dụng một số
18
phương pháp kĩ thuật để điều chỉnh các thông số anten: hệ số tổn hao ngược, bức xạ
đẳng hướng, band rejecting…và cuối cùng là ghép các anten để trở thành một hệ
thống hoàn chỉnh trong khi vẫn đảm bảo các thông số anten thay đổi trong điều kiện
cho phép.
Sau đây chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu chi tiết hơn về mặt lý thuyết của công nghệ
EWB và MIMO, từ đó tạo nên hướng thiết kế cho hệ thống anten.
19
Chương 2
Công nghệ băng thông siêu rộng và hệ thống
đa đầu vào đa đầu ra
2.1 Công nghệ băng thông siêu rộng Ultra Wideband
Ultra Wideband hay còn được gọi là công nghệ băng thông siêu rộng bao gồm
nhiều tiêu chuẩn để xây dựng nên một hệ thống giao tiếp không dây hoạt động ở
băng tần siêu rộng không cần đăng kí 3.1Ghz – 10.6Ghz.
2.1.1 Lịch sử công nghệ băng thông siêu rộng
Ngay từ những năm sáu mươi của thế kỉ trước, công nghệ băng thông siêu rộng
đã được áp dụng cho các Rada quân sự để dò tìm và định vị. Một thời gian dài sau
đó, công nghệ này vẫn được nghiên cứu nhưng các kết quả nghiên cứu không được
công bố và chủ yếu các nghiên cứu này áp dụng trong quân sự.
Năm 1994 dự án nghiên cứu chính thức đầu tiên về công nghệ băng thông siêu
rộng (UWB) được triển khai nhưng cũng không được công bố.
Tháng 2 năm 2002, Hội đồng truyền thông liên bang Mỹ (FCC – Federal
Communications Commission ) cấp phép cho công nghệ băng thông siêu rộng,
chính thức ra đời “UWB technique”.
Tháng 11 năm 2002, IEEE (Intitute of Electrical and Electronics Engineers) đưa

ra chuẩn 802.15.3a và đề xuất các bộ chuyển đổi vật lý cho 802.15.3 dựa trên công
nghệ băng thông siêu rộng.
Những năm đầu thế kỷ 21, tồn tại độc lập nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu băng
thông rộng như : trải phổ chuỗi trực tiếp (Direct sequency-DR), xử lý tín hiệu đa
băng (multiband - MB), ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), ….
20
Tháng 7 năm 2003, IEEE 802.15.3a đề xuất hợp nhất 2 kĩ thuật : DS-UWB và MB
-OFDM, nhằm đưa ra một kỹ thuật xử lý tín hiệu duy nhất cho chuẩn 802.15.3 kế
thừa các ưu điểm của các kỹ thuật đã có.
Tháng 5, 2004 : IEEE đưa ra chuẩn 802.15.4a cho các ứng dụng tốc độ thấp tiêu
tốn cực ít năng lượng cũng dựa trên công nghệ băng thông cực rộng.
Tháng 8 năm 2004 : FCC chấp thuận cho các hệ thống sử dụng công nghệ băng
thông siêu rộng đứng độc lập, không phụ thuộc vào các công nghệ khác cũng sử
dụng băng thông siêu rộng.
Từ đây, công nghệ băng thông siêu rộng trở thành một công nghệ mới hứa hẹn
nhiều tiềm năng cho các ứng dụng không dây và nó còn phát triển theo nhiều hướng
khác nhau.
2.1.2 Đặc điểm chính của công nghệ băng thông siêu rộng
Băng thông siêu rộng về căn bản khác so với các công nghệ không dây băng
hẹp và trải phổ như công nghệ Bluetooth và 802.11a/b/g/n. UWB sử dụng một băng
cực kỳ rộng của phổ tần số để truyền dữ liệu. Do đó, UWB có khả năng truyền tải
nhiều dữ liệu hơn đối với một chu kỳ thời gian so với các công nghệ truyền thống.
Tốc độ truyền dữ liệu qua đường truyền vô tuyến là tỷ lệ thuận với băng thông
của kênh và phụ thuộc theo hàm loga với tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Định luận
Shannon). Nhưng độ rộng băng thông của kênh vô tuyến được ấn định trước, các
nhà thiết kế khó có thể thay đổi thông số này trong các hệ thống vô tuyến và các
ứng dụng. Công nghệ Bluetooth, Wi-Fi, điện thoại không dây, một số thiết bị khác
sử dụng các băng tần không đăng ký ở 900MHz, 2,4GHz và 5,1 GHz. Mỗi kênh vô
tuyến bắt buộc chiếm giữ chỉ một dải tần hẹp so với công nghệ UWB. UWB là cách
sử dụng phổ tần số mới duy nhất.

SS – spread Spectrum : trải phổ
NB – Narrowband : Băng hẹp
UWB – Ultra WideBand : băng thông cực rộng
21
Hình 2. 1 Tổng quan công nghệ băng thông siêu rộng
Dải tần số sử dụng rộng 7,5 GHz, từ 3,1GHz đến 10,6GHz. Mỗi kênh chiếm độ
rộng băng tần hơn 500 MHz, độ rộng băng tần của kênh phụ thuộc vào tần số trung
tâm. Để cho phép băng tần tín hiệu rộng, FCC yêu cầu rất khắt khe cho việc hạn chế
công suất phát. Bởi thế, các thiết bị công nghệ băng thông siêu rộng có thể làm việc
ở dải tần cực rộng trong khi năng lượng phát ra không đủ lớn như các thiết bị sử
dụng công nghệ băng hẹp ở gần như 802.11a/b/g/n. Đây là sự chia sẻ phổ tần số cho
phép thiết bị đạt được tốc độ truyền dữ liệu rất cao nhưng chúng phải đặt ở gần
nhau. Sự giới hạn nghiêm ngặt về công suất có nghĩa là bản thân chúng phải có
công suất tiêu thụ thấp. Vì đòi hỏi công suất thấp, đó là lợi thế để triển khai công
nghệ UWB với chi phí thấp. Với các đặc tính công suất thấp, giá rẻ, tốc độ dữ liệu
cao ở khoảng cách giới hạn, công nghệ UWB có thể triển khai cho các hệ thống tôc
độ cao WPAN.
Công nghệ băng thông siêu rộng cho phép sử dụng lại tần số. Các nhóm thiết bị
tương tự nhau có thể sử dung chung kênh vô tuyến. Do hạn chế về khoảng cách, ở
các vị trí khác nhau có thể dùng chung tần băng tần.
UWB vượt trội so với các công nghệ khác chính nhờ sự ưu việt trong xử lý tín
hiệu. UWB sử dụng kỹ thuật điều chế xung nhiều băng và kỹ thuật điều chế đa sóng
mang nhiều băng . Tín hiệu xung trong UWB có chu kỳ nhỏ, cỡ ns. UWB chọn lọn
các ưu điểm của các kỹ thuật xử lý tín hiệu băng rộng trước nó như : MB-OFDM,
DS,… tạo thành các kỹ thuật MB_UWB, TH-UWB, MB-OFDM,…
22
Hình 2. 2 Mặt nạ phổ công suất cho UWB trong nhà
Hình 2. 3 Mặt nạ phổ công suất cho UWB ngoài trời
23
Hình 2. 4 Phân chia dải tần trong UWB

2.1.3 So sánh các công nghệ truyền thông wireless đã có
Hình 2. 5 So sánh về khoảng cách tương tác và tốc độ truyền dữ liệu
Công nghệ băng thông siêu rộng là một công nghệ không dây mới, có nhiều ưu
điểm so với các công nghệ không dây đang tồn tại. Trong phần này, ta chỉ đưa ra so
sánh những thông số cơ bản nhất của các công nghệ không dây : khoảng cách tương
tác, năng lượng bức xạ đẳng hướng, tốc độ truyền dữ liệu.
So sánh về khoảng cách tương tác và tốc độ truyền dữ liệu : so sánh với các
công nghệ không dây cùng khoảng cách tương tác, công nghệ băng thông siêu rộng
vượt trội về về tốc độ truyền dữ liệu. Như Blucetooth là công nghệ không dây băng
hẹp có khoảng cách tương tác ngắn, hoạt động ở dải tần 2.4GHz đến 2.483 GHz,
nhưng tốc độ truyền dữ liệu chỉ đạt 1Mb/s là lớn nhất. Vì thế công nghệ UWB ra
đời sẽ là thế hệ tiếp theo của Bluetooth. Một số công nghệ khác đang tồn tại trong
các chuẩn công nghệ cao 802.11a,b,g có khoảng cách tương tác lớn nhưng lại hạn
chế về tốc độ truyền dữ liệu.
24
Bảng 2.1 biểu diễn các tham số của công nghệ UWB tương ứng với các chuẩn
truyền thông quốc tế khác với chuẩn truyền thông UWB.
Hình 2. 6 So sánh về độ rộng băng tần và mật độ phổ công suất
BẢNG 2. 1 BẢNG SO SÁNH THÔNG SỐ
Thông số BlueTooth
IEEE
802.11b
IEEE
802.11g+
IEEE 802.11a UWB
Tốc độ truyền
(max)
1 Mb/s 11Mb/s 54Mb/s 24Mb/s 480Mb/s
Khoảng cách 10m 100m 100m 50m 3m
Băng tần 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 5.5GHz

3.1-
10.6GHz
Độ rộng băng
tần
1MHz 25MHz 25MHz 20MHz 500MHz
Điều chế GFSK QPSK OFDM
COFDM
QPSK,
16 QAM
Công suất
phát (max)
10mW 100mW 1W 1W < 0.56mW
Chi phí ~1 ~4 ~4 ~6 ~1
2.1.4 Các ứng dụng của công nghệ UWB
Dựa vào đặc điểm của công nghệ UWB nguời ta có thể đưa ra nhiều ứng dụng
cho hệ thống UWB. Tuy nhiên, nổi bật nhất bao gồm có hai loại ứng dụng cơ bản.
25