tìm hiểu và mô phỏng hệ thống mimo antenna bằng phần mềm cst2009

Hệ thống MIMO antenna
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 1
LỜI CẢM ƠN

- Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn cô Phan Hồng Phương cùng
quý thầy cô bộ môn khoa Điện-Điện Tử Đại Học Bách Khoa Thành Phố
Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và trang bị cho em những kiến thức
trong thời gian qua.
- Trong quá trình thực hiện đề tài có những lúc gặp khó khăn và thiếu
sót trong việc tìm hiểu và mô phỏng phần mềm. Nhưng được sự hướng
dẫn nhiệt tình của quý thầy cô đã giúp chúng em khắc phục được những
thiếu sót đó và có thể hoàn thành được đề tài này.
TP.HCM, tháng 6 năm 2012
SV thực hiện:

Phan Phụng Huy
Hệ thống MIMO antenna
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
…………………………………………


Lời nói đầu
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 2
Hệ thống MIMO antenna
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
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
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 3
Hệ thống MIMO antenna
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.
MỤC LỤC
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 4
Hệ thống MIMO antenna
Chương I Khái niệm và mô hình hệ thống
MIMO

6
I.1 Định nghĩa và đặc
điểm 6

I.2 Những hạn chế của kênh truyền không
dây
7
I.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO

8
I.4 Hệ thống đa ănten và ảnh hưởng tương
hỗ


9
I.4.1 Giới thiệu hệ thống đa
anten


9
I.4.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến hệ anten
MIMO


11
I.5 Kĩ thuật phân tập
anten


14

I.5.1 Giới thiệu về kĩ thuật phân tập
anten

14
I.5.2 Các phương pháp phân
tập

15
I.6 Kết
luận

16
Chương II Thiết kế anten vi dải băng thông siêu rộng áp dụng kĩ thuật
MIMO

.
17
II.1 Quá trình thiết kế và phân tích

77
II.1.1 Thiết kế anten đơn


21
II.1.1.1 Mô hình anten


21

II.1.1.2 Kết quả mô phỏng và đo

đạc

23
II.1.1.3 Phân tích mô hình anten
đơn

26
II.1.1.4 Mô hình chế tạo của các
anten


26
II.1.2 Hệ thống anten
MIMO

26
II.1.2.1 Mô hình anten


26
II.1.2.2 Kết
quả
27
II.1.2.3 Nhận xét và đánh
giá 28
II.2 Kết
luận 30
Kết luận chung

30
CHƯƠNG I
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 5
Hệ thống MIMO antenna
KHÁI NIỆM VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO
I.1 Đ ị

nh n g

h ĩ a

v à

đặc đ i

ể

m:
Trong thông tin vô thuyến, MIMO là việc sử dụng nhiều anten ở cả bộ phát và
bộ thu để nâng cao chất lượng truyền tin. Đây là một trong những dạng của công
nghệ anten thông minh.
Hệ thống MIMO là một hệ thống mà máy phát và máy thu đếu sử dụng nhiều
anten. Anten ở 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.
Hình 1. 1 Hệ thống MIMO
- 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:
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 6
Hệ thống MIMO antenna
= + (1.1)
hay
Hc (1.2)
với gọi là ma trận kênh.
I.2 N hững h ạ

n c h ế c ủ a

k ênh truyền k h ô

ng

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.
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
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 7
Hệ thống MIMO antenna
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.
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.
I.3 Ưu đ i

ểm của hệ t h ố ng

M I

M O:
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.
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 8
Hệ thống MIMO antenna
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 N

lần đầu vào.
I.4 Hệ thố n g

đ a

ăn t en v à

ảnh h ư ởng

t ư ơ n g

hỗ:
I.4.1 G i

ới thiệu hệ th ố

ng đ

a 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).
Hình 1. 2 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 (
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 9
Hệ thống MIMO antenna
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 ảnh hưởng 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 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.

Hình 1. 3 Các nguyên nhân gây tương hỗ.

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
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 10
Hệ thống MIMO antenna
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…

Hình 1. 4 Các quá trình gây nhiễu giữa liên chấn tử
I.4.2 Các nh â

n tố ả n

h hư ở

ng đến h

ệ anten

MI M

O:
- 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
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 11
Hệ thống MIMO antenna
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.
Chúng ta hãy quan sát hình vẽ 1.5, biểu thị mỗi quan hệ giữa khoảng cách
giữa các anten thành phần và hàm tương quan tín hiệu giữa các anten thành phần.
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 12
Hệ thống MIMO antenna
Tại khoảng cách bằng không, thì độ tương quan giữa các thành phần anten là lớn
nhất.

Hình 1. 5 Hàm tương quan giữa các anten thành phần như là hàm của khoảng cách
theo bước sóng
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 giống 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 AOA trong mặt phẳng phương vị là nhỏ và hướng
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 13
Hệ thống MIMO antenna
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.
I.5 Kĩ

th u ậ

t p h â

n tập a nten:
I.5.1 Giới thiệu về kĩ t

huật phân t ậ

p 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,
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 14
Hệ thống MIMO antenna
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.
I.5.2 Các phư ơ

n

g ph á

p p h

ân 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 qua 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
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 15
Hệ thống MIMO antenna

có thể đạt được phân tập từ những tín hiệu không tương quan này. Phương pháp
này được áp dụng ở tần số sónmang 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 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.Tuy nhiên ta cũng không thể sử dụng
tất cả các kỹ thuật phân tập cho anten.
I.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.

GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 16
Hệ thống MIMO antenna
CHƯƠNG II
THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG ÁP
DỤNG KĨ THUẬT MIMO
Từ các nguyên lý cơ bản và các kỹ thuật tạo băng thông siêu rộng cho anten vi
dải, sử dụng phương pháp FEM để tính toán và dùng phần mềm CST 2009 để

mô phỏng. Trong chương này tôi xin đưa ra từng bước thiết kế và kết quả của quá
trình tính toán và mô phỏng.
Xuyên suốt quá trình thiết kế, hai thông số rất quan trọng, có ý nghĩa nhất đối
với anten vi dải băng thông siêu rộng là hệ số tổn hao ngược (Returrn Loss –
S11) và đồ thị bức xạ phương hướng (Radiation Partern). Hệ số tổn hao ngược
phải nhỏ hơn hoặc bằng mức -10dB và anten bức xạ đẳng hưởng. Đối với hệ số
tăng ích G, anten băng thông siêu rộng không yêu cầu quá cao do khoảng cách
truyền phát tín hiệu ngắn, thông thường là nhỏ hơn 4 dBi.
Sau khi hoàn thành anten EWB đơn là đến giai đoạn ghép các anten để thành
hệ thống MIMO EWB. Trong quá trình này, phải đặc biệt quan tâm đến hệ số
truyền đạt giữa 2 anten (S12&S21) để đảm bảo hệ số tổn hao ngược và đồ thị bức
xạ phương hướng thay đổi trong phạm vi cho phép. Sau đây ta sẽ đi sâu vào quá
trình thiết kế hệ thống và đưa ra một số phân tích ảnh hưởng của các thông số.
II.1 Q uá t r

ình thiết kế và phân t ích:
Toàn bộ quá trình thiết kế và phân tích được thực hiện theo những bước sau
đây:
Xem xét các yêu cầu kỹ thuật của anten để lựa chọn anten thích hợp
Mô hình anten vi dải được đưa ra có thể được tích hợp cho các thiết bị di động
sử dụng công nghệ băng thông siêu rộng. Mô hình anten vi dải thiết kế là một
anten monopole đồng phẳng bức xạ đẳng hướng với kích thước nhỏ, cấu trúc đơn
giản và được sản xuất bằng công nghệ mạch in nên giá thành rẻ. Với cấu trúc
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 17
Hệ thống MIMO antenna
phẳng, anten có thể được dùng trong các thiết bị của hệ thống máy tính cá nhân
hoặc các thiết bị cầm tay …
Chọn nguyên lý tạo anten băng rộng thích hợp để thiết kế
Về mặt lý thuyết, có 3 nguyên lý cơ bản để tạo băng rộng cho anten: nguyên

lý biến đổi từ từ, nguyên lý tương tự, nguyên lý tự bù. Trên thực tế, các nhà thiết kế
có thể sử dụng rất nhiều kỹ thuật khác nhau để tạo băng rộng cho anten. Trong
mô hình thiết kế anten vi dải EWB này, nguyên lý biến đổi từ từ đã được chọn sử
dụng để tạo băng rộng. Bằng cách chế tạo phiến kim loại bao gồm các đường gẫy
khúc sẽ tạo nên cấu trúc biến đổi từ từ từ đường tiếp điện ống dẫn sóng đồng
phẳng ra miếng bức xạ của anten.
-Nguyên lý biến đổi từ từ: Anten được xem như là một thiết bị chuyển tiếp
giữa hệ thống fide tiếp điện và môi trường truyền sóng (không gian tự do), biến đổi
sóng điện từ ràng buộc tròn fide thành sóng tự do trong không gian. Vì vậy để
giảm nhỏ sự phụ thuộc của trở kháng vào anten với tần số, bản thân anten cần có
dạng kết cấu chuyển tiếp (ở đây kết cấu chuyển tiếp là các đường gẫy khúc mở đều
ra từ ống dẫn sóng đồng phẳng 1 góc bằng 60
o
), nghĩa là kích thước của nó cần
được biến đổi một cách từ từ. Khi đó trở kháng sóng của đoạn chuyển tiếp sẽ
không đổi và sẽ không xuất hiện sóng phản xạ. Sóng điện từ truyền trong fide từ
dạng sóng phẳng được chuyển dần thành sóng cầu, tràn ra không gian bên ngoài
thành sóng bức xạ.
Chọn phương pháp tiếp điện thích hợp
Trong quá trình thiết kế anten, lựa chọn phương pháp tiếp điện cho anten là
một bước quan trọng. Đối với anten vi dải, có 3 cách tiếp điện thông dụng là: tiếp
điện bằng
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 18
Hệ thống MIMO antenna




Hình 2.1 Kết cấu biến đổi từ từ

cáp đồng trục, tiếp điện bằng đường truyền vi dải, tiếp điện bằng ống dẫn sóng
đồng phẳng. Lựa chọn phương pháp tiếp điện phù hợp để có thể dễ dàng phối hợp
trở kháng giữa feeder và anten. Ngoài ra, cách tiếp điện cho anten cũng góp phần
đáng kể quyết định đến kích thước và thuộc tính của anten. Trong mô hình anten
được thiết kế, cấu trúc tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng được sử dụng. Ống
dẫn sóng đồng phẳng (CPW) có cấu trúc mỏng, góp phần đáng kể thu nhỏ kích
thước anten. Các thiết kế anten gần đây còn cho thấy việc sử dụng ống dẫn sóng
đồng phẳng có thể cho phép mở rộng băng thông.
-Phân tích và tính toán trở kháng đặc tính của CPW:
Phân tích:
Ống dẫn sóng đồng phẳng là một loại đường truyền vi dải mà đường dẫn kim
loại và mặt phẳng đất (GND) cùng nằm trên một mặt của lớp đế điện môi. Ở đó
sẽ có 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 2.2)
Hình 2.3 thể hiện 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.
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 (Even mode) hay mode lẻ
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 19
Hệ thống MIMO antenna
(Odd mode).

Hình 2. 2 Cấu tạo của ống dẫn sóng đồng phẳng
Đối với thiết kế dùng trong mô hình anten monopole thì 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.
Mode chẵn Mode

lẻ
Hình 2. 3 Mode sóng truyền trong CPW
Tính toán trở kháng đặc tính của CPW:
Các thành phần quyết định đến trở kháng của CPW cũng như mode sóng
truyền trong CPW là: bề dày lớp đế h, bề dày lớp kim loại t, bề rộng đường dẫn
diện ở giữa a, khoảng cách giữa hai điểm gần nhất của hai mặt phẳng GND b, hằng
số điện môi ε
r
. 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.
Khi đó, công thức tính trở kháng đặc tính của đường truyền CPW như
sau:
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 20
Hệ thống MIMO antenna


Tính toán thiết kế và sử dụng phần mềm mô phỏng
Từ các nguyên lý cơ bản và các kỹ thuật tạo băng thông siêu rộng cho anten vi
dải, giải pháp đưa ra là kết hợp sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM
(Finite Element Method) để tính toán thiết kế anten và sử dụng phần mềm CST
2009 để mô phỏng kết quả.
4.1.1 Th i

ết k ế anten đơn:
4.1.1.1 Mô hình anten
Mô hình anten là anten monopole hình chữ nhật, tiếp điện bằng ống dẫn sóng
đồng phẳng, được in trên một lớp đế bằng điện môi FR-4 có kích thước khá nhỏ
gọn 40 x 35 x 1.6 mm. Do EWB có dải tần hoạt động từ 2.7 GHz - 20 GHz nên khi
thiết kế anten sẽ chọn tần số cộng hưởng trung tâm vào khoảng 10 GHz. Khi đó,

kích thước của miếng bức xạ (monopole) sẽ phụ thuộc vào tần số trung tâm, độ
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 21
Hệ thống MIMO antenna
rộng của băng tần và hằng số điện môi hiệu dụng của lớp đế. Kích thước tính toán
cụ thể của anten như ở hình 4.4.
Từ công thức tính toán trở kháng của ống dẫn sóng đồng phẳng thì ta tính được
trở kháng đặc tính của CPW dùng cho mô hình.
Hình 2. 4 Kích thước anten EWB đơn
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 2.4, khi chọn lớp đế làm bằng FR4 có ε= 4.4,
thì trở kháng đặc tính thu được sẽ đạt xấp xỉ là 50 Ohm.
Từ các yêu cầu của anten cho công nghệ băng thông siêu rộng có thể chọn các
thông số tỷ số điện áp sóng đứng VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), đồ thị
bức xạ và hệ số tăng ích để đánh giá anten. Đối với các anten thiết kế, yêu cầu phải
đạt VSWR < 2 trong dải tần số hoạt động. (Điều này tương đương với việc trong
nhiều thiết kế anten sử dụng tiêu chí đánh giá hệ số tổn hao ngược (RL-
Return Loss) nhỏ hơn -10dB trong dải tần số hoạt động).
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 22
Hệ thống MIMO antenna
Sau khi hoàn tất quá trình vẽ mô hình anten, các thông số như vật liệu
miếng đế, vật liệu của GND, tần số cần quan sát, các thông số port, thông số quét
biến, thiết lập farfield…được định nghĩa.
II.1.2 Kết quả mô ph ỏ

ng và đo đạc:
Sau khi đã thiết lập mọi thông số của anten trong phần mềm CST, nếu không
có lỗi thì kết quả sẽ được tính toán sau một khoảng thời gian tùy theo kích thước

và đặc tính đã định nghĩa cho anten. Dưới đây là đồ thị tỉ số song đứng của anten
theo tần số từ 2 đến 20 Ghz.
Dựa trên hình 4.6 ta có thể thấy được trên băng tần EWB từ 2.7 GHz đến 20
GHz, hệ số này nhỏ hơn 2 thỏa mãn điều kiện để anten có thể làm việc được.
MÔ HÌNH 3D
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 23
Hệ thống MIMO antenna
MÔ HÌNH CHẾ TẠO CỦA ANTEN ĐƠN
Hệ số sóng đứng
Tham số S
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 24
Hệ thống MIMO antenna
GVHD: T.S PHAN HỒNG PHƯƠNG
SVTH: PHAN PHỤNG HUY 40800804 Page 25