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

Mục Lục
1
Mục lục hình vẽ
Danh sách các từ viết tắt
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
COFDM Coded OFDM OFDM mã hóa
2
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-
OFDM
Multi Band-OFDM OFDM đa băng
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.
3
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
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Furie nhanh
EBG Electromagnetic band gap
FDTD Finited Difference Time Domain
Method
Phương pháp vi sai hữu hạn miền
thời gian.
4
Lời Nói Đầu
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 MIMO đã được ứng dụng trong kĩ thuật anten. Nó đem lại nhiều
ưu thế về chất lượng truyền tín hiệu cũng như tốc độ truyền tải dữ liệu. Khi thông tin
được xử lý và chuyển thành sóng điện từ truyền đi trong không gian sẽ có sự suy giảm
tín hiệu gây ra bởi khí quyển và hiện tượng phading làm thay đổi chất lượng cũng như
tốc độ truyền tín hiệu trong mạng thông tin. 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 nay được. Kĩ thuật MIMO ra đời nhằm mục đích khắc phục những nhược
điểm trên trong hệ thống thông tin vô tuyến.
Hệ thống 3G không còn là một điều mới mẻ trong thông tin di động nữa, mà nó
trở thành một đặc điểm thiết yếu trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ như: điện
thoại không dây, điện thoại di động kết nối qua Internet, các cuộc gọi di động có hình

ảnh, truyền hình di động. Để đáp ứng các tiêu chuẩn IMT-2000, một giải pháp được
đưa ra là các thiết bị cùng hoạt động ở cùng dải tần 1920-1980 MHz cho hướng lên và
2110-2170 Mhz cho hướng xuống. Đây là dải tần phải đăng kí và đã có các tiêu chuẩn
để xây dựng một hệ thống 3G hoàn chỉnh. Bài toán đặt ra là thiết kế anten 3G ứng
dụng cho hệ thống MIMO để nâng cao đáng kể tốc độ truyền tải dữ liệu, đặc biệt để
tích hợp vào các thiết bị di động cầm tay ( handset mobile devices ) .
Việc thiết kế anten MIMO 3G gặp nhiều thách thức và trở ngại. Vấn đề đầu 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
5
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
(Microstrip Antenna) 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 Multi-in
Multi-out 3G.
Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được rất nhiều các sự giúp đỡ từ các
thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông cũng như bè bạn trong khoa, đặc biệt phải kể
đến sự tận tâm, nhiệt tình của Ths. Nguyễn Khắc Kiểm giáo viên trực tiếp chịu trách
nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp.
Tôi xin được gửi lời chân thành cảm ơn tới PGS. Đào Ngọc Chiến, các thầy cô
trong khoa Điện tử Viễn thông cùng toàn thể các cá nhân, tập thể đã có những giúp đỡ
kịp thời cũng như những ý kiến đóng góp quý báu cùng góp phần hoàn thành nhiệm vụ
nghiên cứu mà đề tài đặt ra.
6
Tóm tắt đồ án
Khi kĩ thuật Multiple-input Multiple-output được ứng dụng cho anten 3G, 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 1.9Ghz đến 2.2Ghz, che phủ cả 2 dải tần hoạt động của 3G . 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 Nhờ vào kích thước anten nhỏ, anten
được đề xuất có thể tích hợp vào các thiết bị di động kích thước nhỏ. Kết quả thiết kế
cuối cùng, thông số truyền đạt giữa hai cổng là một kết quả tốt và chấp nhận được.
7
Abstract
Once the Multiple-input Multiple-output technology is applied in the field of 3G
system antenna technique, it will increase the amount of data transmitted significantly
though the bandwidth of the channel is limited. However, in the process of designing
this system, we could suffer the problem of reducing the mutual coupling proportion
between antenna elements which can leads to interference of the signals.
The aim of this project is a method of designing and simulating an antenna model
which operates at the 3G frequency from 1.9 Ghz to 2.2 GHz. In addition, by advance
development of Multi input Multi output, the antenna system with much higher
efficiency will be offered. The calculation, analysis, estimation of the system can be
difficult because of the effect of mutual coupling between antenna elements. After
taking an insight look into antenna field, I did success in producing a model which has
a low mutual coupling, low return loss, omni-directional radiation pattern and the
optimum dimensions of the system. In the proposed antenna, one radiation element is
mounted on 2 sides of a substrate. This antenna can be integrated in lots of handheld
devices because of its compact dimensions.
8
Chương 1
Giới thiệu

Sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ số liệu mà IP đã đặt ra các yêu mới đối với
công nghệ viễn thông di động. Thông tin di động thế hệ 2 mặc dù sử dụng công nghệ
số nhưng là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên
không thể đáp ứng được dịch vụ mới này. 3G (third-generation) công nghệ truyền
thông thế hệ thứ ba là giai đoạn mới nhất trong sự tiến hóa của ngành viễn thông di
động. Nếu 1G (the first gerneration) của điện thoại di động là những thiết bị analog, chỉ
có khả năng truyền thoại. 2G (the second generation) của ĐTDĐ gồm cả hai công năng
truyền thoại và dữ liệu giới hạn dựa trên kỹ thuật số. Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra
đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 với tên gọi IMT – 2000.
IMT – 2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụng
nhiều phương tiện thông tin. Mục đích của IMT – 2000 là đưa ra nhiều khả năng mới
nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động thế
hệ thứ hai (2G) vào những năm 2000. 3G mang lại cho người dùng các dịch vụ giá trị
gia tăng cao cấp, giúp chúng ta thực hiện truyền thông thoại và dữ liệu (như e-mail và
tin nhắn dạng văn bản), download âm thanh và hình ảnh với băng tần cao. Các ứng
dụng 3G thông dụng gồm hội nghị video di động; chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ điện
thoại máy ảnh; gửi và nhận e-mail và file đính kèm dung lượng lớn; tải tệp tin video và
MP3; thay cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay PDA và nhắn tin dạng chữ
với chất lượng cao…
1.1Động lực phát triển
- Các giao diện, thiết bị đã và đang được hỗ trợ bởi các nhà sản xuất công nghiệp
điện tử.
9
- 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 3G là một trong những hướng đi đem lại
một bước tiến đang kể.
- Chí phí đầu tư không lớn nhưng hiệu quả đem lại rất đáng kể. Có thể lấy 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 như2G
hay EDGE, việc thay thế cho các công nghệ cũ này chỉ là vấn đề thời gian
1.2Kết quả mong đợi
Đồ án này hướng tới phát triển, nghiên cứu, thiết kế một hệ thống anten hoàn chỉnh
ứng dụng cho mạng di động 3G
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, tính tích hợp cao
cho các thiết bị di động. Sau đó là giai đoạn áp dụng một số phương pháp kĩ thuật để
điều chỉnh các thông số anten: hệ số tổn hao ngược, bức xạ đẳng hướng 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
3Gvà MIMO, từ đó tạo nên hướng thiết kế cho hệ thống anten.
10
Kết thúc QTTMT
IMT-2000
1998 1999 2000 2001 2002
Phát hành 3GPP 99-
12/99
3GPP phát hành ếp
Thử mạng
Nhật Bản
Châu Âu
Châu Á
Mạng
Tiêu chuẩn
Chương 2
Công nghệ 3G
2.1Công nghệ 3G
2.1.1 Lịch sử phát triển công nghệ 3G

Công trình nghiên cứu của các nước Châu Âu cho W-CDMA đã bắt đầu từ các đề
án CDMT (Code Division Multiple Testbed): Phòng thí nghiệm đa truy nhập theo mã)
và FRAMES (Future Radio Multiple Access Scheme: Sơ đồ đa truy nhập vô tuyến
tương lai) từ đầu thập niên 90. Các dự án này cũng tiến hành thực nghiệm các hệ thống
W-CDMA để đánh giá chất lưọng đường truyền. Công tác tiêu chuẩn hoá chi tiết được
thực hiện ở 3GPP. Lịch trình triển khai W-CDMA được cho hình vẽ.
Hình 2. 1 Lịch sử phát triển công nghệ 3G
Lịch trình nghiên cứu và đưa mạng W-CDMA vào khai thác
Ở Châu Âu và Châu Á, hệ thống W-CDMA được đưa ra khai thác vào đầu năm
2002
Lịch trình nghiên cứu phát triển của cdma2000/3GPP2 chia thành 2 pha:
11
- Pha 1: (1997 – 1999)
+ Nghiên cứu phát triển mẫu đầu tiên của hệ thống;
+ Năm 1997: Xây dựng tiêu chuẩn , xây dụng cấu trúc mẫu đầu tiên hệ thống
và thiết kế các phương tiện thử nghiệm chung.
+Năm 1998: Tiếp tục xây dựng mẫu thử đầu tiên của hệ thống và các phương
tiện thử nghiệm chung;
+ Năm 1999: Kiểm tra kết nối cho mô hình đầu tiên của hệ thống.
- Pha 2: (2000 -2002)
+ Phát triển hệ thống với mục tiêu thương mại ở các nhà sản xuất hàng đầu ;
+ Năm 2002: Bắt đầu dịch vụ thương mại
2.1.2 Các tiêu chí để xây dựng mạng 3G
Chuẩn 3G mà Bộ Thông tin và Truyền thông Việt Nam đã cấp phép là chính là
WCDMA ở băng tần 2100 MHz. Công nghệ này hoạt động dựa trên CDMA và có khả
năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet, hội
thảo có hình WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz - 2170
MHz Công nghệ W-CDMA có các đặc tính năng cơ sở sau:
+ Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz;
+ Lớp vật lý linh hoạt để tích hợp tất cả các tốc độ trên một sóng mang;

+ Tái sử dụng bằng 1.
Ngoài ra công nghệ này có các tính năng tăng cường sau:
+ Phân tập phát;
+ ăng ten thích ứng
+ Hỗ trợ các cấu trúc thu tiên tiến.
W-CDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất trước hết nhờ tính linh hoạt của lớp vật lý
trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau, đặc biệt là các dịch vụ tốc độ bít thấp và
trung bình. Nhược điểm của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băng tần
TDD với phát thu liên tục, công nghệ W-CDMA không tạo điều kiện cho các kỹ thuật
chống nhiễu ở các phương tiện làm việc như máy điện thoại không dây. Ưu điểm của
12
công nghệ này là hỗ trợ nhiều mức tốc độ khác nhau: 144Kbps khi di chuyển nhanh,
384Kbps khi đi bộ (ngoài trời) và cao nhất là 2Mbps khi không di chuyển (trong nhà).
Với tốc độ cao, WCDMA có khả năng hỗ trợ các dịch vụ băng rộng như truy cập
Internet tốc độ cao, xem phim, nghe nhạc với chất lượng không thua kém kết nối trong
mạng có dây. WCDMA nằm trong dải tần 1920MHz -1980MHz, 2110MHz -
2170MHz.
2.1.3 Các ứng dụng của công nghệ 3G
Các ứng dụng 3G thông dụng gồm hội nghị video di động; chụp và gửi ảnh kỹ
thuật số nhờ điện thoại máy ảnh; gửi và nhận e-mail và file đính kèm dung lượng lớn;
tải tệp tin video và MP3; thay cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay PDA
và nhắn tin dạng chữ với chất lượng cao…
2.2 Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO
2.2.1 Định nghĩa và đặc điểm
Hệ thống non-MIMO liên hệ với kênh truyền thông qua nhiều dải tần số còn hệ
thống MIMO thì có nhiều kênh và hoạt động trên cùng một dải tần.
Hình 2. 2 Công nghệ MIMO
13
Hệ thống MIMO là một hệ thống mà máy phát và máy thu đếu sử dụng nhiều
anten. Anten máy phát và anten ở máy thu đều cách nhau ở một khoảng cách nhất định.

Trong mô hình MIMO, ta giả sử rằng:
- Các symbol được truyền từ anten từ những khoảng thời gian cho trước.
- Máy thu thu ở các khe thời gian là sự tổng hợp của các tín hiệu được truyền và
thành phần AWGN
là các hệ số kênh truyền giữa anten phát thứ và anten thu thứ .
- Mối quan hệ đầu ra và đầu vào của hệ thống anten có thể được viết như sau:
= +
(2.
1)
hay
(2.
2)
với gọi là ma trận kênh.
2.2.2 Những hạn chế của kênh truyền không dây
Việc truyền tín hiệu RF giữa hai anten sẽ chịu sự tổn thất năng lượng trong không
gian. Điều này làm giảm đáng kể đến sự hoạt động của đường truyền. Sự tổn thất năng
lượng giữa máy phát và máy thu là kết quả của ba hiện tượng khác nhau:
Sự suy giảm phụ thuộc vào khoảng cách gọi là tổn hao đường truyền hay tổn hao
không gian tự do.
Sự hấp thụ của các phân tử khí quyển trái đất.
Sự suy giảm do hiện tượng phađing gây ra.
Sự hấp thụ của khí quyển là do các electron, phân tử hơi nước không ngưng và
phân tử của các loại khí.
Tổn hao đường truyền là sự suy giảm về mặt lý thuyết. Sự tổn hao này xảy ra dưới
điều kiện LOS tự do và tổn hao này tăng theo máy phát và máy thu.
14
Phađing là sự suy giảm biến thiên giữa max và min 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: đồi, núi, toà nhà, hầm … Những chướng ngại vật này sẽ che
phủ hay cắt hoàn toàn tín hiệu. Mặc dù kết quả của hiệu ứng này phụ thuộc vào kích cỡ

của vật chắn và khoảng cách đến nó. Do vậy, cường độ của tín hiệu thu được biến thiên
một cách tất yếu. Loại phađing này gọi là shadow phađing. Cách khắc phục là đặt các
trạm BS cao và gần nhau thì ta có thể tránh được các vật cản trong khi truyền dẫn.
Ngoài ra còn có các loại phading khác như: Rayleigh phađing, multipath phađing,
shortterm phađing. Đây cũng là các loại khác của hiện tượng phađing gây ra sự suy
giảm của cường độ tín hiệu thu được.
Rayleigh phađing là kết quả của việc thu vài tín hiệu của máy thu. 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 khác nhau về pha 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. Rayleigh phađing thường có trong khu vực đô thị. Hiện
tượng phađing sâu thường xảy ra ở các vùng tần số cao và khi các thiết bị di chuyển
nhanh. Để tránh hiện tượng phađing sâu thì giá trị trung bình của các tín hiệu thu được
phải cao hơn vài dB so với độ nhạy máy thu.
Nhiễu xuyên Symbol (ISI): vì dải thông của kênh nói chung bị hạn chế và khi một
xung được truyền qua kênh đó thì nó sẽ gây ra sự méo mó tín hiệu đang truyền trong
miền tần số. Tương tự, đó là sự tán sắc của xung theo thời gian và xung của mỗi
symbol sẽ tràn sang khoảng thời gian của mỗi symol kế tiếp. Loại nhiễu này được biết
đến là nhiễu xuyên symbol (ISI). Điều này làm gia tăng sắc suất lỗi ở máy thu trong
việc dò tìm symbol. Rõ ràng rằng xung ở dải thông hạn chế được chọn để truyền dẫn
nhằm tránh sự méo trong miền tần số do kênh truyền có giải thông hạn chế. Tuy nhiên,
sự cắt xén dải thông của tín hiệu được truyền lại làm giảm xung trong miền thời gian.
Điều nay sẽ gây ra sự chồng chéo của các symbol.
15
Nhiễu đồng kênh (CCI): ngoài nhiễu gây ra bởi kênh truyền, một loại nhiễu khác
cũng làm hạn chế hiệu quả hoạt động của hệ thống và công suất của hệ thống là nhiễu
đồng kênh (CCI). CCI tồn tại trong bất kỳ một hệ thống đang truy nhập nào. Trong
TDMA, SDMA, FDMA tần số được tái sử dụng nghĩa là có nhiều người sử dụng cùng
chia sẻ một băng tần ở cùng một thời điểm và do vậy những người sử dụng cùng kênh

chắc chắn tạo ra CCI lẫn nhau. Do vậy cần có sự cân bằng giữa hiệu suất phổ và hiệu
quả hoạt động của hệ thống.
Tạp âm: ví dụ như tạp âm nhiệt làm giới hạn tỷ số SNR.
2.2.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO
Công suất cao vì với băng thông đắt và hiếm, số lượng các trạm gốc bị hạn chế ,
nhờ có việc sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu làm tăng tốc độ truyền dữ liệu
nhờ vào kỹ thuật phân kênh không gian trong khi đó không cần mở rộng băng thông.
Chất lượng truyền dẫn tốt hơn hay nói cách khác tỷ lệ lỗi bit giảm do sử dụng
nhiều anten bên thu giúp chống được phađing. Và với việc sử dụng kỹ thuật dãy anten
có thể giúp giảm nhiễu.
Độ lợi phân kênh không gian: độ lợi công suất thu được từ việc sử dụng nhiều
anten ở cả hai phía của kênh truyền vô tuyến mà không cần tăng công suất máy phát
hay mở rộng băng tần.
Độ lợi phân tập: Nâng cao độ tin cậy kênh truyền bằng cách phát trùng dữ liệu trên
những nhánh phađing độc lập.
Như vậy đầu ra gấp lần đầu vào.
2.2.4 Hệ thống đa ănten và ảnh hưởng tương hỗ.
2.2.4.1 Giới thiệu hệ thống đa anten.
Hệ đa anten(Multiantenna) là hệ mà các nguồn được kết nối với những phần tử
phát xạ độc lập nhau, hoặc cùng chung một phân tử phát xạ nhưng sử dụng các thuộc
tính vật lí khác nhau ( khác nhau về tính phân cực, khác nhau về đồ thị bức xạ…), còn
gọi là hệ anten đa cổng ( Multiport antenna _ MPA).
16
Hình 2. 3 Mô hình MMA(a) và MEA (b)
Chúng ta có thể phân loại hệ đa anten làm hai loại: loại sử dụng chung phẩn tử
phát xạ và loại sử dụng các phần tử phát xạ độc lập. Loại sử dụng chung phần tử bức
xạ, có nhiều nguồn tiếp điện, sử dụng chung một phần tử bức xạ, tuy nhiên, mỗi nguồn
vào sử dụng các thuộc tính bức xạ khác nhau: như là tính phân cực khác nhau, tần số
khác nhau hay chế độ khác nhau ( Multimode antenna, Multipolarized antenna) . Loại
thứ 2, sử dụng các phần tử bức xạ độc lập nhau, như hình vẽ. Mục đích là giảm ảnh

hưởng giữa các cổng (port).
Ảnh hưởng tương hỗ, thông thường là những ảnh hưởng không mong muốn Trong
hệ đa anten sử dụng đơn phần tử sẽ có ảnh hưởng tương hỗ giữa các cổng ( port) là rất
lớn, và ít được sủ dụng dù có ưu điểm là nhỏ gọn hơn. Hệ đa anten sử dụng đa phần tử
phát xạ vẫn tồn tại ảnhhưởng tương hỗ, vì chúng tồn tại trong cùng một hệ thống nên
khoảng cách giữa các phần tử phát xạ nhìn chung không quá xa nhau. Đặc biệt, khi hệ
anten nay được tích hợp trên một thiết bị di động, thứ mà kích thước là hạn chế, thì
khoảng cách giữa các anten là rất nhỏ so với nửa bước sóng, ảnh hưởng tương hỗ trở
lên nghiêm trọng. Xét mô hình ảnh hưởng tương hỗ giữa các anten trên cùng một
miếng đế điện môi như hình vẽ sau: Hình vẽ chỉ ra hai nguyên nhân cơ bản của hiện
tượng tương hỗ: tán xạ trường khu gần và do sóng bề mặt. Tán xạ trường khu gần là sự
bức xạ từ anten nguyên tố này sang cái còn lại qua trường không gian tự do. Do các
17
anten đặt trong khoảng cách ngắn, ảnh hưởng tương hỗ là đáng kể. Nguyên nhân thứ
2, ảnh hưởng tương hỗ gây ra bởi sóng bề mặt. Vì các anten nguyên tố nằm chung trên
cùng miếng đế, sóng bề mặt giữa hai phần tử là rất lớn.
Ảnh hưởng tương hỗ gây ra nhiễu giữa các anten thành phần. Để hiểu rõ cơ chế
gây nhiễu, ta xét quá trình sau. Ta có thể chia làm 4 quá trình nhỏ như sau:
Ảnh hưởng tương hỗ gây ra nhiễu giữa các anten thành phần. Để hiểu rõ cơ chế
gây nhiễu, ta xét quá trình sau. Ta có thể chia làm 4 quá trình nhỏ như sau:
1. Từ một phần tử phát xạ ta phát tín hiệu như mong muốn.
2. Do hiệu ứng dòng điện bề mặt, và do tán xạ trường khu gần, dòng điện của phần tử
phát xạ mong muốn sẽ gây ra dòng điện cảm ứng(ảnh hưởng tương hỗ) đến các phần
tử phát xạ khác( trực tiếp hay gián tiếp).
3. Dòng điện trên các phần tử cảm ứng gây suy hao.
4. Dòng điện cảm ứng trên các phần tử cảm ứng gây ảnh hưởng ngược trở lại phần tử
phát xạ làm phần tử phát xạ bị sai khác. Dẫn trực tiếp sự sai khác của đặc tính
phương hướng.
Ảnh hưởng tương hỗ (Mutual coupling) mang tính chất nội tại trong anten, không
phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn (kênh truyền) . Tuy nhiên, ảnh hưởng của nó,

phụ thuộc rất nhiều vào các phần tử liên kết với anten…
18
Hình 2. 4 Các nguyên nhân gây tương hỗ.
Hình 2. 5 Các quá trình gây nhiễu giữa liên chấn tử
2.2.4.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến hệ anten MIMO
 Khoảng cách giữa các chấn tử:
Nói chung, khoảng cách giữa các chấn tử ảnh hưởng lớn đến ảnh hưởng tương hỗ
giữa các anten thành phần. Nguyên nhân là do mật độ phổ công suất tín hiệu tỉ lệ với
hàm mũ của khoảng cách. Giữa các anten thu, người ta thường để cho khoảng cách
giữa các chấn tử là đủ lớn, qua đó hạn chế đáng kể ảnh hưởng tương hỗ. Khoảng cách
giữa anten trong các trạm phát sóng cố định thường để hàng vài bước sóng, thí dụ 10 .
Đối với thiết bị di động MS, khoảng cách thông thường để xác định khoảng cách giữa
các chấn tử là xa hơn mức /2.
19
Hình 2. 6 Hàm tương quan giữa các anten thành phần như là hàm của khoảng cách
theo bước sóng
Chúng ta hãy quan sát Hình vẽ 2.12, biểu thị mỗi quan hệ giữa khoảng cách giữa
các anten thành phần và hàm tương quan tín hiệu giữa các anten thành phần. Tại
khoảng cách bằng không, thì độ tương quan giữa các thành phần anten là lớn nhất. Bởi
vì khoảng cách bằng 0 ứng với sự tiễp xúc giữa các anten, các anten có cùng tín hiệu.
Tín hiệu trên anten 1 và anten 2 là hoàn toàn giông nhau, đồng nghĩa với độ tương
quan bằng 1. Cũng trên hình vẽ biểu thị, độ tương quan nhỏ nhất ứng với khoảng cách
nhỏ hơn nửa bước sóng, 0.383 lần bước sóng. Sự phụ thuộc độ tương quan tín hiệu trên
anten vào khoảng cách còn phụ thuộc vào cấu hình anten. Tuy nhiên, nhìn chung,
khoảng cách càng xa sẽ cho độ tương quan càng thấp.
- Mô hình kiến trúc dãy các anten thành phần:
Dãy anten nên là dãy có chiều dài trong mặt phẳng nằm ngang vì khi đó có thể
khai thác được các tia đa đường. Những thành phần đa đường này rất khác trong mặt
phẳng phương vị Aziminth AOA. Dãy hai chiều (trong một mặt phẳng thẳng đứng)
cũng có thể giải quyết thành phần đa đường khác nhau theo chiều cao. Tuy nhiên trong

nhiều môi trường đặc biệt như outdoor thì sự trải của AOA theo chiều cao là nhỏ. Do
vậy khoảng cách giữa các phân tử anten theo chiều đứng phải đủ lớn để tạo ra các tín
hiệu không tương quan. Điều này có nghĩa là đối với một khu vực cho trước thì tốt
hơn hết là phân bố chúng theo mặt phẳng ngang. Trong vài trường hợp khi mà sự trải
20
AOA trong mặt phẳng phương vị là nhỏ và hướng tương đối của nó so với dãy là
không biết thì có thể sử dụng dãy trong mặt phẳng ngang .
- Hướng của các anten thành phần :
Hướng của các anten thành phần ảnh hưởng đến mật độ phổ công suất tại vị trí các
anten lân cận. Do tất cả các anten vốn dĩ chẳng bao giờ đẳng hướng lý tưởng cả.
- Tính chất phân cực của anten thành phần:
Tính chất phân cực quyết định đến sự cảm ứng điện từ trên anten. Các anten được
ghép nối đúng tính chất phân cực sẽ có độ tương quan tín hiệu là nhỏ nhất.
2.2.5 Kĩ thuật phân tập anten
2.2.5.1Giới thiệu về kĩ thuật phân tập anten.
Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp dùng để hạn chế ảnh hưởng
của phađing. Ý tưởng cho việc phân tập là tạo ra cách kênh độc lập với nhau và
phađing ở các kênh không xảy ra đồng thời. Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật
phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của phađing đa tia, tăng độ tin cậy của
việc truyền tin mà không phải tăng công suất hay băng thông.
Phân tập có thể áp dụng cho cả bên phát và bên thu. Phân tập ở bên phát là một kỹ
thuật liên quan đến mã không gian-thời gian còn phân tập ở bên thu cho phép thu được
nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền. Các bản sao này chứa cùng một lượng
thông tin như nhau nhưng có ít sự tương quan về phađing. Tín hiệu thu được bao gồm
một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng phađing
ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ.
Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân
tập không gian (phân tập anten). Trong đó kỹ thuật phân tập anten hiện đang rất được
quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành
phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng

của phađing, đồng thời tránh lãng phí băng thông tần số - một yếu tố rất được quan tâm
trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm.
21
2.2.5.2Các phương pháp phân tập
 Phân tập tần số:
Một phương thức để tạo ra sự độc lập kênh truyền là tạo ra nhiều sóng mang tần số
khác nhau khi truyền để đạt được mức phân tập lớn thì các sóng mang phải đủ phân
biệt nhau để mà các kênh đủ không tương quan.
 Phân tập thời gian :
Tức là phát dữ liệu ở các khoảng thời gian khác nhau. Nếu các khoảng thời gian đủ
dài hơn thời gian gắn kết của kênh truyền thì sắc xuất mà các tín hiệu được phát đi mà
cùng bị phading sâu là rất thấp. Cũng giống như đa dạng về tần số sẽ rất tốt nếu sử
dụng mã mà có khả năng sửa lỗi khi có hiện tượng phading sâu.
 Phân tập không gian:
Là một kỹ thuật phổ biến . Về phương thức này các máy thu sẽ đặt ở các điạ điểm
khác nhau. Điều này dẫn đến có các đường truyền khác nhau đến máy thu. Chúng ta có
thể sử dụng nhiều anten phát để đạt được sự phân tập pháp. Có thể hiểu rằng sự tương
quan giữa các kênh giảm khi khoảng cách giữa các anten tăng. Khoảng cách yêu cầu để
có được các kênh mà không tương quan với nhau được quy định bởi bước song của
song mang. Sự tương quan này như một hàm của khoảng cách và bước song của song
mang. Căn cứ vào mục 2.2.4.2 (: các nhân tố ảnh hưởng trong hệ đa anten) thì khoảng
cách anten trong khoảng 0.383 lần bước sóng sẽ cho tín hiệu tương quan là nhỏ nhất.
 Phân tập góc:
Một tín hiệu phađing nhiều đường bao gồm rất nhiều thành phần tín hiệu bị tán xạ,
đến anten thông quan nhiều đường. Những thành phần này đến từ các góc khác nhau
và theo các đường truyền khác nhau. Do vậy các thành phần tín hiệu đến từ các hướng
khác nhau sẽ là độc lập. Một anten mà có tính đến hướng đến DOA có thể đạt được
phân tập từ những tín hiệu không tương quan này. Phương pháp này được áp dụng ở
tần số song mang khoảng 10 GHz. Tại tần số như vậy thì tín hiệu được truyền bị tán xạ
cao trong không gian. Khi đó máy thu sử dụng hai anten định hướng cao được trong

22
các hướng khác nhau. Điều này cho phép máy thu thu được hai mẫu của cùng một tín
hiệu . Hai mẫu này độc lập với nhau.
 Phân tập phân cực :
Khi đó hai tín hiệu được phân cực ngang và phân cực đứng được truyền bởi hai
anten được phân cực khác nhau. Và được thu tương ứng ở hai anten thu được phân cực
khác nhau đảm bảo không có sự tương quan giữa hai dòng dữ liệu mà chẳng quan tâm
đến khoảng cách giữa hai anten.
Khi thiết kế anten MIMO thì ta thường sử dụng kết hợp phân tập không gian với
phân tập góc, phân tập phân cực. Vì hệ thống MIMO phát trên cùng một dải tần nên
không sử dụng phân tập tần số.Tsuy nhiên ta cũng không thể sử dụng tất cả các kỹ
thuật phân tập cho anten.
2.2.6 Kết luận
Hệ thống đa anten là một hệ thống ngày càng được sử dụng phổ thông. Nhờ và hệ
thống đa anten, mà người ta có thể tăng dung lượng thu phát tín hiệu. Tuy nhiên, trong
hệ thống MIMO, các anten có thể bị ảnh hưởng tương hỗ rất lớn, do khoảng cách giữa
các anten không lớn hơn kích thước hệ thống. Đặc biệt trong xu hướng sử dụng các
thiết bị di động kích thước bé hiện nay, ảnh hưởng tương hỗ càng trở nên trầm trọng,
gây nhiễu lớn. Trong chương 3, chúng ta đã tìm hiểu hệ thống anten trong hệ thống
MIMO, phân tích quá trình gây nhiễu đồng thời đưa ra phương pháp phân tập anten để
giảm ảnh hưởng tương hỗ. Tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu cơ bản lý thuyết phương
pháp FEM và phần mềm HFSS sử dụng phương pháp này.
23
Chương 3
Phân tích và thiết kế anten bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
3.1 Lý thuyết cơ bản trường điện từ
3.1.1 Phương trình Maxwell và các điều kiện biên
Trong không gian tự do hệ phương trình Maxwell và các phương trình liên quan
[1] được biểu diễn như sau:
(3.1)

(3.2)
(3.3)
(3.4)
(3.5)
(3.6)
Trong các phương trình này:
• là véc-tơ điện trường
• là véc-tơ từ trường
• là véc-tơ mật độ thông lượng từ
• là mật độ thông lượng điện
• là mật độ dòng điện dẫn
24
• là mật độ điện tích
• là hệ số điện môi trong không gian tự do
• là hệ số từ thẩm trong không gian tự do
Đối với các vật liệu dẫn điện, định luật bảo toàn điện tích được biểu diễn bởi quan
hệ:
(3.7)
Mật độ dòng và cường độ điện trường liên hệ với nhau bởi định luật Ohm:
(3.8)
là hệ số phụ thuộc tính dẫn điện của môi trường
Nếu vật dẫn chuyển động với vận tốc trong từ trường thì điện trường tổng cộng
phải bao gồm thêm thành phần được sinh ra do hiệu ứng chuyển động:
(3.9)
3.1.2 Các phương trình thế
Trường phụ thuộc thời gian biến đổi nhanh
Khi trường phụ thuộc vào thời gian biến đổi nhanh thì điện trường và từ trường
ảnh hưởng tương hỗ lẫn nhau. Trường phân bố phụ thuộc cả vảo thời gian và vị trí,
(r,t) , (r,t) . Từ trường thay đổi theo thời gian sinh ra điện trường xoáy và
điện trường thay đổi theo thời gian sinh ra từ trường xoáy. Như vậy điện trường và từ

trường sinh ra là các đại lượng động.
25