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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN KHẮC KIỂM

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN ANTEN MIMO
CHO CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN KHẮC KIỂM

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN ANTEN MIMO
CHO CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 62520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN
2. TS. NGUYỄN VŨ THẮNG

Hà Nội – 2016

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành
quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất
hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.
Tác giả luận án

Nguyễn Khắc Kiểm


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Đào Ngọc Chiến và TS.
Nguyễn Vũ Thắng, đặc biệt là PGS.TS. Đào Ngọc Chiến, người đã hướng dẫn trực tiếp về
mặt khoa học đồng thời hỗ trợ tôi về nhiều mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này.
Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Cảm ơn
Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Việt Nam (NAFOSTED) đã tài trợ kinh phí tham dự
hội thảo khoa học quốc tế tại nước ngoài. Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn Giáo sư Hiroshi
Shirai, Khoa Điện - Điện tử - Truyền thông, Đại học Chuo, Nhật Bản đã hỗ trợ tôi trong quá
trình đo đạc mô hình chế tạo thực nghiệm.
Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến mọi thành viên trong gia đình. Sự
động viên, giúp đỡ của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn
thành luận án này.

iii

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 ............................................................ 23


iv

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 ................................................................................. 81


v

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


vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Nhiễu Gauss trắng cộng

AWGN

Additive White Gaussian Noise

CRLH

Composite Right-Left Handed

CPW

Co-planar Waveguide

Ống dẫn sóng đồng phẳng

DGS

Defected Ground Stucture

Mặt đế không hoàn hảo

DMN

Dual-band Matching Network

Mạng phối hợp trở kháng hai băng tần

EBG

Electromagnetic Band Gap

Dải chắn điện từ

ECC

Envelop Correlation Coefficient Hệ số tương quan đường bao

EMF

Electromagnetic Field

Trường điện từ

EWB

Extremely Wide-Band

Băng thông cực kỳ rộng

FCC

Federal Communications
Commission

Cấu trúc siêu vật liệu điện từ dạng
phức hợp

Ủy ban truyền thông Liên bang

GA

Genetic Algorithm

Thuật toán di truyền

GND

Ground

Mặt phẳng đế

LH

Left-handed material

LTE

Long-Term Evolution

Hệ thống thông tin dài hạn

MEG

Medium Efficiency Gain

Hệ số tăng ích hiệu dụng trung bình

MIMO

Multi Input Multi Output

Đa đầu vào đa đầu ra

MoM

Method of Moment

Phương pháp mô-men

MMA

Multimode antenna

Anten đa mốt

MMR

Microstrip Multimode
Resonator

Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay trái
(Siêu vật liệu)

Bộ cộng hưởng đa-mode dạng vi dải

MPA

Multiport antenna

Anten đa cổng

MPOA

Multipolarized antenna

Anten đa phân cực


vii

MTM

Metamaterial

Siêu vật liệu

PDA

Personal Digital Assistant

Thiết bị truy nhập cá nhân

PIFA

Planar Inverted-F Antenna

Anten chữ F-ngược phẳng

PSO

Particle Swarm Optimization

Tối ưu bầy đàn

RH

Right-handed material

RE

Radiating Element

Phần tử bức xạ

RX

Receiver

Máy thu

SISO

Single Input Single Output

Hệ thống một đầu vào một đầu ra

Slotted Meander-

Cấu trúc cộng hưởng dạng khe gấp

Line Resonator

khúc

SNR

Signal-Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TE

Transverse Electric

Điện trường ngang

TLDN

Transmission Line Decouping

Mạng cách ly đường truyền

SMLR

Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay phải
(Vật liệu thông thường)

Network
TL-MTM

Transmission LineMetamaterial

Đường truyền siêu vật liệu

TM

Transverse Magnetic

Từ trường ngang

TX

Transmiter

Máy phát

UMTS

Universal Mobile
Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di dộng toàn cầu

UWB

Ultra Wide-Band

Băng thông siêu rộng

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

Tỷ số sóng đứng

Worldwide Interoperability for

Khả năng tương tác mạng diện rộng

Microwave Access

bằng sóng siêu cao tần

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

WiMAX
WLAN
WPAN

Wireless Personal Area
Network

Mạng vô tuyến cá nhân


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Tổn hao năng lượng kênh truyền không dây ........................................................... 2
Hình 1.2. Mô hình hệ thống (a) SISO và (b) MIMO ............................................................... 3
Hình 1.3. Mô hình đa anten (a) sử dụng chung phần tử bức xạ và (b) sử dụng các phần tử
bức xạ độc lập ........................................................................................................................... 5
Hình 1.4. Hệ anten MIMO hai anten đơn ................................................................................ 7
Hình 1.5. (a) Mạng hai cổng và (b) mạch tương đương hình T .............................................. 8
Hình 1.6. Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa trong trường hợp h=0 ,
d>0............................................................................................................................................. 9
Hình 1.7. Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa trong trường hợp
d=0, s=h-l>0 ............................................................................................................................. 9
Hình 1.8. Các nguồn gây ra tương hỗ giữa các thành phần trong hệ đa anten mạch dải ..... 10
Hình 1.9. Sắp xếp các anten mạch dải chữ nhật (a) trên mặt phẳng E và (b) trên mặt phẳng
H .............................................................................................................................................. 11
Hình 1.10. Quan hệ của tương hỗ giữa các phần tử anten theo khoảng cách [8] ................. 11
Hình 1.11 Quan hệ giữa điện dẫn tương hỗ chuẩn hóa với khoảng cách giữa hai anten mạch
dải chữ nhật (W=1.186 cm, L=0.906 cm, ɛr=2.2, λ0= 3cm) .................................................. 12
Hình 1.12. (a) Mô hình anten và (b) kết quả đo tham số tán xạ (l 1=24; l2=18,2; g=0.5; fg=2.85;
h=1,1; đơn vị mm) [72] ......................................................................................................... 16
Hình 1.13. Mạng cách ly sử dụng các phần tử điện kháng [15]............................................ 16
Hình 1.14. Anten MIMO hai phần tử đơn cực với mạng cách ly (L=45; W= 22; S= 8,5; L a=
22,5; đơn vị mm) [15] ............................................................................................................ 18
Hình 1.15. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tổn hao ngược và cách ly của anten MIMO
không có mạng cách ly [15] ................................................................................................... 19

Hình 1.16. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tổn hao ngược và cách ly của anten MIMO
khi có mạng cách ly [15] ........................................................................................................ 19
Hình 1.17. Tương hỗ giữa hai anten lưỡng cực đặt gần nhau và tương hỗ giữa hai anten lưỡng
cực khi có thêm phần tử ký sinh [64]..................................................................................... 20
Hình 1.18 . Mô hình anten MIMO hai khe bức xạ với phần tử đơn cực ký sinh [107]........ 21
Hình 1.19. Phân bố dòng điện ở trên anten MIMO không có và có phần tử đơn cực ký sinh
[107] ........................................................................................................................................ 21
Hình 1.20. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ khi không có và có phần tử đơn cực ký sinh
[107] ........................................................................................................................................ 21


ix

Hình 1.21. Cấu trúc SMLR đề xuất đặt giữa hai phần tử anten vi dải [4] ............................ 22
Hình 1.22. Phân bố dòng điện của anten (a) khi không có cấu trúc SMLR và (b) khi có cấu
trúc SMLR [4] ........................................................................................................................ 22
Hình 1.23. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của anten khi không có và có cấu trúc SMLR
[4] ............................................................................................................................................ 22
Hình 1.24. Mô hình anten MIMO với bốn phần tử bức xạ sử dụng cấu trúc DGS (L 1=
37,7;W1= 25; L2= 22; W2= 7; Ls= 18,75; Lc= 30; Wc= 1; đơn vị mm) [53] ....................... 23
Hình 1.25. Phân bố dòng điện trên mặt đế của anten khi không có và khi có dãy các khe DGS
[53] .......................................................................................................................................... 23
Hình 1.26. Kết quả đo tham số tán xạ của anten MIMO với bốn phần tử bức xạ [53] ........ 24
Hình 1.27. Mô hình anten MIMO sử dụng đường trung tính [88] ....................................... 25
Hình 1.28. Mô phỏng các tham số tán xạ của (a) cấu trúc đề xuất và (b) cấu trúc tham khảo
(không có đường trung tính) [88]........................................................................................... 25
Hình 2.1. (a) Mô hình và (b) sơ đồ mạch của cấu trúc bộ cộng hưởng MMR ..................... 28
Hình 2.2. (a) Bộ cộng hưởng đa mode (b) mạch điện tương đương mode lẻ (c) mạch điện
tương đương mode chẵn. ........................................................................................................ 29
Hình 2.3. (a) Mô hình và (b) sơ đồ mạch của cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch ................ 30

Hình 2.4. (a) Hai dây chêm ngắn mạch (b) mạch điện tương đương mode lẻ (c) mạch điện
tương đương mode chẵn. ........................................................................................................ 31
Hình 2.5. (a) Kết cấu biến đổi từ từ, (b) Cấu trúc anten Loga-chu kỳ và (c) Cấu trúc anten xoắn
phẳng ....................................................................................................................................... 34
Hình 2.6. Cấu trúc anten UWB: (a) không sử dụng cấu trúc EBG, (b) có sử dụng cấu trúc
EBG; và (c) mô hình mạch điện tương đương của cấu trúc EBG và đường tiếp điện vi
dải............................................................................................................................................ 36
Hình 2.7. Anten MIMO (a) chỉ sử dụng các phần tử anten UWB và (b) có sử dụng phần tử
ký sinh cấu trúc MMR ............................................................................................................ 37
Hình 2.8. (a) Mô hình ban đầu, (b) một nhánh mô hình triển khai thực tế và (c) kết quả mô
phỏng tham số tán xạ của mô hình triển khai thực tế của cấu trúc MMR ............................ 38
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. ...................................................................................... 39
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. .............................................................................................. 39
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 ............................................................ 39


x

Hình 2.12. Kết quả mô phỏng hệ số tăng ích đỉnh của phần tử anten UWB không sử dụng
cấu trúc EBG .......................................................................................................................... 40
Hình 2.13. Phân bố dòng mặt trên phần tử anten có sử dụng cấu trúc EBG tại tần số 5,5 GHz
................................................................................................................................................. 40
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) w ebg thay đổi. ........................................................... 40
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. ............................................... 41
Hình 2.16. Kết quả mô phỏng hệ số tăng ích đỉnh của phần tử anten UWB có sử dụng cấu

trúc EBG. ................................................................................................................................ 41
Hình 2.17. Phần tử anten UWB có sử dụng cấu trúc EBG và anten MIMO-UWB hoàn chỉnh
được chế tạo hoàn chỉnh. ........................................................................................................ 42
Hình 2.18. Kết quả mô phỏng và đo S11 của phần tử anten UWB có sử dụng cấu trúc
EBG. ....................................................................................................................................... 42
Hình 2.19. Kết quả mô phỏng (a) hệ số phản xạ và (b) hệ số cách ly của anten MIMO ban
đầu ........................................................................................................................................... 43
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 .......................................... 43
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 ................................................................................................... 44
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 ....................................................... 44
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 ................................................................ 45
Hình 2.24. Kết quả mô phỏng hệ số tăng ích đỉnh của anten MIMO có sử dụng phần tử ký
sinh MMR. .............................................................................................................................. 45
Hình 2.25. Kết quả mô phỏng và đo hệ số phản xạ của anten MIMO có sử dụng phần tử ký
sinh MMR. .............................................................................................................................. 45
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. ....... 46
Hình 2.27. Hệ số tương quan đường bao của anten MIMO có sử dụng phần tử ký sinh MMR.
................................................................................................................................................. 47
Hình 2.28. Mô phỏng trễ nhóm của anten MIMO ................................................................. 47
Hình 2.29. Cấu tạo ống dẫn sóng đồng phẳng ....................................................................... 49


xi

Hình 2.30. Mode sóng truyền trong CPW (a) Mode chẵn và (b) Mode lẻ ........................... 49

Hình 2.31. Kích thước anten EWB đơn ................................................................................. 50
Hình 2.32. Anten đơn với cấu trúc khe .................................................................................. 51
Hình 2.33. Mô hình anten MIMO-EWB ghép liên tiếp ........................................................ 52
Hình 2.34. Mô hình anten ghép liên tiếp sử dụng phần tử ký sinh ký sinh dạng hai dây chêm
ngắn mạch ............................................................................................................................... 52
Hình 2.35. Mô hình anten MIMO-EWB loại bỏ băng tần WLAN sau khi tối ưu ................ 53
Hình 2.36 Tỷ số sóng đứng của anten (VSWR) .................................................................... 53
Hình 2.37. Đồ thị phương hướng bức xạ tại (a) 3 GHz, (b) 7,5 GHz, (c) 10 GHz và (d)15
GHz ......................................................................................................................................... 54
Hình 2.38. Hệ số tăng ích đỉnh của anten đơn ....................................................................... 54
Hình 2.39. Mật độ phân bố dòng bề mặt (a) 3 GHz, (b) 7,5 GHz, (c)10 GHz, và (d) 15
GHz ......................................................................................................................................... 55
Hình 2.40. Sự thay đổi của hệ số phản xạ theo góc mở của kết cấu chuyển tiếp ................. 55
Hình 2.41. Hình ảnh chế tạo mẫu anten đơn EWB ............................................................... 56
Hình 2.42. Tỷ số sóng đứng với cấu trúc khe dùng loại bỏ băng tần (a) WLAN và (b)
WiMAX .................................................................................................................................. 56
Hình 2.43. Đồ thị bức xạ của anten với cấu trúc khe loại bỏ băng tần WLAN tại (a) 3 GHz,
(b) 7,5 GHz, (c) 10 GHz và (d) 15 GHz ................................................................................ 57
Hình 2.44. Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm tỷ số sóng đứng của anten MIMO không
có phần tử ký sinh ................................................................................................................... 57
Hình 2.45. Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm hệ số truyền đạt S 12 và S21 của anten MIMO
(a) khi không có và (b) khi có phần tử ký sinh ...................................................................... 58
Hình 2.46. Đồ thị bức xạ của anten ở tần số 10 GHz tại (a) Anten đơn, (b) Anten MIMO
không có cấu trúc khe, và (c) Anten MIMO có cấu trúc khe loại bỏ băng tần WLAN ....... 58
Hình 2.47. Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm anten MIMO có phần tử ký sinh với cấu
trúc khe chữ V ngược (a) Tỷ số sóng đứng và (b) Hệ số truyền đạt S12 và S21 .................... 59
Hình 2.48. Phân bố mật độ dòng điện trên mô hình anten MIMO (a) không có phần tử ký
sinh và (b) có phần tử ký sinh ................................................................................................ 59
Hình 2.49. Đồ thị phương hướng bức xạ của anten MIMO với cấu trúc khe tại (a) 5 GHz và (b) 6,3
GHz .......................................................................................................................................... 60

Hình 2.50. Hệ số tăng ích đỉnh của anten MIMO loại bỏ băng tần WLAN ......................... 60
Hình 2.51. Mô hình các anten MIMO EWB chế tạo thực nghiệm ....................................... 61


xii

Hình 2.52. Hệ số tương quan đường bao của anten MIMO EWB có khoét khe chữ V
ngược ...................................................................................................................................... 61
Hình 2.53. Trễ nhóm của anten MIMO EWB có khoét khe chữ V ngược ........................... 62
Hình 3.1. Một số cấu trúc DGS .............................................................................................. 65
Hình 3.2 Cấu trúc DGS (a) chữ I và (b) kết quả mô phỏng tham số tán xạ.......................... 65
Hình 3.3. Mạch tương đương LC của (a) cấu trúc DGS chữ I và (b) bộ lọc thông thấp
Butterworth một cực ............................................................................................................... 66
Hình 3.4. Kết quả khảo sát tác động của (a) kích thước g và (b) kích thước a và b của cấu
trúc DGS tới tần số cộng hưởng và tần số cắt ....................................................................... 67
Hình 3.5. (a) Đường truyền vi dải với cấu trúc DGS dạng khe và (b) tham số truyền đạt S21
(chiều dài khe l=25mm, bề rộng w=1mm, khoảng cách giữa các khe d=4mm; đế điện môi
FR4 có 𝜺𝒓 = 𝟒, 𝟒; h=0,8mm) ................................................................................................ 68
Hình 3.6. Sự phụ thuộc của hàm truyền đạt S21 vào (a) khoảng cách giữa các khe (trong điều
kiện N=2, l=25 mm) và (b) chiều dài khe (trong điều kiện N=2, d=4 mm) ......................... 68
Hình 3.7 (a) Đoạn đường truyền trở kháng 50Ω kết hợp với cấu trúc DGS để hình thành
đường truyền trở kháng 75Ω và (b) Đồ thị Smith của tham số S11 trong dải tần 2 GHz đến
6 GHz. ..................................................................................................................................... 69
Hình 3.8. Chiều của vectơ Pointing S và vectơ sóng k của (a) vật liệu thường RHM và (b)
siêu vật liệu LHM. .................................................................................................................. 71
Hình 3.9. Mô hình đường truyền (a) LH lý tưởng và (b) CRLH .......................................... 72
Hình 3.10. Đồ thị tán sắc mô hình CRLH ............................................................................. 73
Hình 3.11. Cấu trúc các anten được thiết kế (a) anten đơn siêu vật liệu và (b) anten MIMO
siêu vật liệu ............................................................................................................................. 74
Hình 3.12. Cấu trúc đường truyền CRLH (a) Mô hình dạng nấm EBG, (b) Mạch điện tương

đương của mô hình CRLH thông thường và (c) Mạch điện tương đương của mô hình anten
đơn siêu vật liệu ...................................................................................................................... 74
Hình 3.13. Mô phỏng tham số S11 của anten đơn với các giá trị khác nhau của (a) l 3 và (b)
s2 .............................................................................................................................................. 77
Hình 3.14. Mô phỏng tham số S11 của anten không tải và anten đơn siêu vật liệu ............. 77
Hình 3.15. Phân bố dòng điện bề mặt của anten đơn ở tần số 2,44 GHz ............................ 77
Hình 3.16. Đồ thị phương hướng bức xạ của anten đơn ở tần số trung tâm 2,44 GHz ........ 78
Hình 3.17. Kết quả mô phỏng và đo đạc tham số S11 của anten đơn .................................... 78
Hình 3.18. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ S trong 3 trường hợp: không có DGS, DGS
dạng hai khe song song và cấu trúc DGS hoàn chỉnh ........................................................... 79


xiii

Hình 3.19. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ S của anten MIMO cấu trúc DGS đầy đủ với
các giá trị khác nhau của L ..................................................................................................... 79
Hình 3.20. Phân bố dòng điện bề mặt tại tần số 2,44 GHz a) khi không có DGS và b) khi có
cấu trúc DGS đầy đủ .............................................................................................................. 80
Hình 3.21. Đồ thị phương hướng bức xạ (nét liền: tăng ích trong mặt phẳng  và nét đứt:
tăng ích trong mặt phẳng ) của anten MIMO ở tần số trung tâm 2,44 GHz khi (a) kích thích
cổng 1 và (b) kích thích cổng 2 .............................................................................................. 80
Hình 3.22. Hình ảnh chế tạo mẫu anten đơn, anten MIMO ban đầu và anten MIMO cấu trúc
DGS đầy đủ (a) mặt trên và (b) mặt dưới ............................................................................. 81
Hình 3.23. Kết quả mô phỏng và đo đạc tham số S của (a) anten MIMO ban đầu và (b) anten
MIMO được thiết kế ............................................................................................................... 81
Hình 3.24. Mô phỏng hệ số tương quan đường bao của anten MIMO được thiết kế .......... 82
Hình 3.25. Cấu trúc của anten PIFA đơn hai băng tần. Hình bên phải biểu diễn các nhánh
bức xạ của anten. .................................................................................................................... 84
Hình 3.26. Cấu trúc của anten MIMO PIFA hai băng tần. ................................................... 85
Hình 3.27. Mô hình các anten chế tạo thực nghiệm. ............................................................. 86

Hình 3.28. Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm tham số S11 của anten PIFA đơn ........... 86
Hình 3.29. Kết quả mô phỏng S11 của anten đơn với các giá trị khác nhau của (a) L1 và (b)
L2. ............................................................................................................................................ 87
Hình 3.30. Kết quả mô phỏng S11 của anten PIFA đơn với các giá trị khác nhau của s ...... 87
Hình 3.31. Phân bố dòng bề trên anten PIFA đơn tại tần số (a) 1,8 GHz và (b) 2,33 GHz . 88
Hình 3.32.Kết quả mô phỏng đồ thị phương hướng bức xạ của anten PIFA đơn tại (a) 1,8
GHz và (b) 2,33 GHz ............................................................................................................. 88
Hình 3.33. Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm các tham số tán xạ của anten MIMO PIFA
không sử dụng cấu trúc khe DGS. ......................................................................................... 89
Hình 3.34. Kết quả mô phỏng tham số S21 theo tần số của anten MIMO PIFA có sử dụng cấu
trúc DGS dạng hai khe hẹp khi kích thước Lslot thay đổi (wslot=1mm). ................................ 90
Hình 3.35. Phân bố dòng điện mặt trên anten MIMO PIFA (a) khi không và (b) khi có sử
dụng cấu trúc DGS dạng hai khe hẹp tại tần số 1,8 GHz khi cổng 1 (bên trái) được tiếp điện.
................................................................................................................................................. 90
Hình 3.36. Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm tham số tán xạ của anten MIMO PIFA. 90
Hình 3.37. Đồ thị bức xạ của anten MIMO PIFA tại tần số (a) 1,8 GHz và (b) 2,33 GHz . 91
Hình 3.38. Đồ thị bức xạ của anten MIMO PIFA trong mặt phẳng E khi cổng 1 và cổng 2
được tiếp điện lần lượt tại (a) 1,8 GHz và (b) 2,33 GHz ....................................................... 91


xiv

Hình 3.39. Kết quả mô phỏng tăng ích đỉnh của các anten theo tần số ............................... 91
Hình 3.40. Kết quả mô phỏng hệ số tương quan đường bao của anten MIMO PIFA. ......... 92
Hình 4.1. Mô hình mạch điện của anten MIMO gồm hai anten đơn nối song song với mạng
cách ly đề xuất kết hợp với một mạng phối hợp trở kháng. .................................................. 96
Hình 4.2. (a) Cấu trúc và (b) mô hình mạch điện của mạng cách ly đề xuất. ...................... 98
Hình 4.3 Mô phỏng giá trị phần ảo của dẫn nạp truyền dẫn của mạng cách ly đề xuất (a) với
𝒍𝒅𝟐 = 𝟔 𝒎𝒎; 𝒘𝒅 = 𝟎. 𝟖 𝒎𝒎 và thay đổi 𝒍𝒅𝟏; (b) với 𝒍𝒅𝟏 = 𝟏𝟕𝒎𝒎; 𝒘𝒅 = 𝟎. 𝟖𝒎𝒎 và
thay đổi 𝒍𝒅𝟐; (c) với 𝒍𝒅𝟏 = 𝟏𝟕𝒎𝒎; 𝒍𝒅𝟐 = 𝟔𝒎𝒎 và thay đổi 𝒘𝒅 .................................100

Hình 4.4. Cấu trúc ban đầu của (a) anten MIMO hai băng tần WLAN 2,4 GHz/5,25 GHz và
(b) anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5 GHz ....................................101
Hình 4.5. Kết quả mô phỏng và đo đạc tham số tán xạ của (a) anten MIMO hai băng tần
WLAN 2,4 GHz/5,25 GHz và (b) anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5
GHz. ......................................................................................................................................102
Hình 4.6. Cấu trúc của (a) anten MIMO hai băng tần WLAN 2,4 GHz/5,25 GHz và (b) anten
MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5 GHz cùng với bộ biến đổi dẫn nạp. ..103
Hình 4.7. Kết quả mô phỏng phần thực, phần ảo của dẫn nạp tương hỗ và tham số S11 của
(a) anten MIMO hai băng tần WLAN 2,4 GHz/5,25 GHz và (b) anten MIMO hai băng tần
LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5 GHz .....................................................................................104
Hình 4.8. Cấu trúc hai anten MIMO kết hợp mạng cách ly TLDN (a) anten MIMO hai băng
tần WLAN 2,4 GHz/5,25 GHz và (b) anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX
3,5 GHz .................................................................................................................................105
Hình 4.9. Các kết quả mô phỏng: dẫn nạp truyền dẫn, phản xạ của mạng cách ly TLDN với
các tham số thiết kế tối ưu và dẫn nạp tương hỗ của (a )anten MIMO hai băng tần WLAN
2,4 GHz/5,25 GHz và (b) anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5
GHz .......................................................................................................................................106
Hình 4.10. Mô hình hoàn chỉnh của (a ) anten MIMO hai băng tần WLAN 2,4 GHz/5,25
GHz và (b) anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5 GHz ......................107
Hình 4.11. Kết quả mô phỏng và đo đạc tham số tán xạ của (a) anten MIMO hai băng tần
WLAN 2,4 GHz/5,25 GHz và (b) anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5
GHz .......................................................................................................................................109
Hình 4.12. Phân bố dòng điện tại tần số 2,45 GHz khi (a) không có và (b) khi có mạng cách
ly TLDN của anten MIMO hai băng tần WLAN 2,45 GHz/5,25 GHz ..............................109
Hình 4.13. Phân bố dòng điện tại tần số 5,25 GHz khi (a) không có và (b) khi có mạng cách
ly TLDN của anten MIMO hai băng tần WLAN 2,45 GHz/5,25 GHz ..............................110


xv

Hình 4.14. Phân bố dòng điện tại tần số 1,8 GHz khi (a) không có và (b) khi có mạng cách
ly TLDN của anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5 GHz ...................110
Hình 4.15. Phân bố dòng điện tại tần số 3,5 GHz khi (a) không có và (b) khi có mạng cách
ly TLDN của anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5 GHz ...................110
Hình 4.16. Kết quả mô phỏng đồ thị phương hướng bức xạ tại tần số 2,45 GHz trong mặt
phẳng (a) xoy và (b) xoz và tại tần số 5,25 GHz GHz trong mặt phẳng (c) xoy và (d) xoz của
anten MIMO hai băng tần WLAN 2,45 GHz/5,25 GHz khi tiếp điện lần lượt ở cổng 1 và
cổng 2 ....................................................................................................................................111
Hình 4.17. Kết quả mô phỏng đồ thị phương hướng bức xạ tại tần số 1,8 GHz trong mặt
phẳng (a) xoy và (b) xoz và tại tần số 3,5 GHz GHz trong mặt phẳng (c) xoy và (d) xoz của
anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5 GHz khi tiếp điện lần lượt ở cổng
1 và cổng 2 ............................................................................................................................112
Hình 4.18. Độ tăng ích đỉnh của (a) anten MIMO hai băng tần WLAN 2,4 GHz/ 5,25 GHz
và (b) anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5 GHz ...............................112
Hình 4.19. Hiệu suất bức xạ của (a) anten MIMO hai băng tần WLAN 2,4 GHz/ 5,25 GHz
và (b) anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5 GHz ...............................113
Hình 4.20. Hệ số tương quan đường bao của hai anten MIMO. .........................................113


xvi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số thiết kế của anten UWB .................................................................. 37
Bảng 2.2. So sánh tham số của các anten UWB .................................................................... 48
Bảng 2.3. Kích thước các khe để loại bỏ băng tần WLAN và WiMAX............................... 52
Bảng 2.4. So sánh tham số của các anten EWB .................................................................... 62
Bảng 3.1. Các kích thước của anten đơn siêu vật liệu (mm)................................................. 76
Bảng 3.2. Các kích thước của anten MIMO siêu vật liệu (mm) ........................................... 76
Bảng 3.3. So sánh tham số của các anten .............................................................................. 82
Bảng 3.4. Kích thước của anten PIFA đơn sau khi tối ưu (mm)........................................... 85

Bảng 3.5. So sánh tham số của các anten hai băng tần ......................................................... 92
Bảng 4.1. Các kích thước của (a) anten MIMO hai băng tần WLAN 2,4 GHz/5,25 GHz và
(b) anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5 GHz (mm) ..........................101
Bảng 4.2. Các kích thước của bộ chuyển đổi dẫn nạp của (a) anten MIMO hai băng tần
WLAN 2,4 GHz/5,25 GHz và (b) anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5
GHz (mm) .............................................................................................................................103
Bảng 4.3. Các kích thước tối ưu của mạng cách ly TLDN của (a) anten MIMO hai băng tần
WLAN 2,4 GHz/5,25 GHz và (b) anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5
GHz (mm) .............................................................................................................................105
Bảng 4.4. Các kích thước của mạng phối hợp trở kháng của (a) anten MIMO hai băng tần
WLAN 2,4 GHz/5,25 GHz và (b) anten MIMO hai băng tần LTE 1,8 GHz và WiMAX 3,5
GHz (mm) .............................................................................................................................107
Bảng 4.5. So sánh tham số của các anten MIMO hai băng tần ...........................................114


xvii

MỞ ĐẦU
1. Kỹ thuật MIMO và hệ thống đa anten
Trong những năm gần đây, hệ thống đa anten sử dụng nhiều phần tử bức xạ ở cả phía
phát và phía thu hay còn gọi là anten MIMO đã được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống
thông tin. 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, hiện tượng pha đinh và nhiễu làm thay đổi
chất lượng cũng như tốc độ truyền dữ liệu trong mạng thông tin. Thông thường, để nâng cao
tốc độ truyền dữ liệu thì yêu cầu hệ thống thông tin phải có băng thông lớn nhưng điều này
bị hạn chế vì dải tần số là một tài nguyên khan hiếm. Ngoài ra, muốn chất lượng tín hiệu
được cải thiện và giảm ảnh hưởng của pha đinh thì máy phát phải đạt được công suất đủ lớn
hoặc tăng kích thước anten để tăng công suất bức xạ. Tuy nhiên, đối với những thiết bị di
động cầm tay như điện thoại di động, các thiết bị PDA, USB Dongle,... có kích thước nhỏ
gọn thì không thể áp dụng phương pháp này. Như ta đã biết, hệ thống MIMO sử dụng đa

anten có khả năng chống lại hiện tượng pha đinh nhiều tia của hệ thống thông tin vô tuyến
nhờ chức năng truyền dữ liệu từ nhiều anten phát đồng thời nhận dữ liệu từ nhiều anten thu
[25, 106]. Dữ liệu từ nhiều anten phát đi theo các đường khác nhau tới máy thu làm tăng cơ
hội cho phía thu chọn được được tín hiệu tốt hơn; việc phát nhiều luồng dữ liệu song song
từ các anten phát giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu. Chính vì vậy, hệ thống MIMO sử dụng đa
anten được xem là giải pháp hữu hiệu để chống lại tác động của truyền tín hiệu đa đường
nhằm tăng độ tin cậy của thông tin liên lạc không dây. Quan trọng hơn, nó có thể tận dụng
lợi thế của truyền đa đường giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu trong khi vẫn duy trì công suất
phát [67, 90].
Thế hệ di động thứ nhất (1G) và thứ hai (2G) ra đời vào những năm 1980 phục vụ cho
một mục đích chủ yếu là truyền tín hiệu thoại. Các thế hệ di động tiếp theo như thế hệ thứ
ba (3G - ra đời khoảng năm 2006) và thứ 4 (4G – ra đời khoảng năm 2011), đã và đang được
triển khai cho thấy sự gia tăng đáng kể về tốc độ truyền dữ liệu, cung cấp các dịch vụ mới
như truyền dẫn video thời gian thực, truyền hình quảng bá độ phân giải cao,… Nhu cầu triển
khai các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới (4G, 5G, WLAN 802.11n, WLAN 802.11ad,
WiMAX, WPAN,…) với khả năng truyền tải tốc độ cao hơn, độ tin cậy lớn hơn, độ trễ thấp
hơn, trở nên ngày một cấp thiết. Theo đó, việc thiết kế, tối ưu hoá và chế tạo các anten MIMO
sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới đang trở thành một đề tài thu hút
nhiều nhà nghiên cứu.
Trong các anten MIMO, ngoài yêu cầu về tần số cộng hưởng, dạng đồ thị bức xạ,…các
phần tử anten được thiết kế phải đảm bảo tính tương hỗ giữa chúng nhỏ hơn −15 dB [82].


xviii

Thông thường, để đạt được yêu cầu này, các phần tử anten cần được đặt cách nhau nửa bước
sóng của tần số hoạt động thấp nhất. Tuy nhiên, điều này khiến cho kích thước của anten
MIMO tăng lên đáng kể dẫn đến làm tăng kích thước của các thiết bị đầu cuối. Bên cạnh đó,
hiện nay người sử dụng luôn đòi hỏi phải có những thiết bị đầu cuối không dây có khả năng
tích hợp đa dịch vụ, đa tiêu chuẩn kết nối (thoại, Internet, định vị, kết nối Bluetooth,…) dẫn

đến yêu cầu các thiết bị thu phát vô tuyến phải có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc
băng thông rộng để hỗ trợ đồng thời nhiều chuẩn công nghệ. Từ đó, vấn đề nghiên cứu thiết
kế các anten MIMO cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới có kích thước nhỏ gọn,
có độ tăng ích phù hợp mà không cần tăng kích thước anten, vừa có khả năng hoạt động ở
đa băng tần hoặc ở băng thông rộng vừa đảm bảo độ hệ số cách ly giữa các phần tử anten là
nhu cầu cấp thiết. Do đó, trong thời gian gần đây đã có rất nhiều nghiên cứu đề xuất các mô
hình anten MIMO sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới thiết kế cho
điện thoại di động, các thiết bị cầm tay di động, cho thiết bị cá nhân PDA, Laptop (máy tính
xách tay),... và các ứng dụng USB Dongle, hoạt động đa băng tần hoặc băng thông rộng.
Bên cạnh đó, nhiều giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ đã được nghiên cứu và phát triển
nhằm nâng cao cách ly giữa các anten thành phần trong các anten MIMO song song với việc
sử dụng các kỹ thuật giảm kích thước tổng thể của anten.
Hiện nay, các nghiên cứu về anten MIMO sử dụng công nghệ mạch in đang rất phát
triển nhờ các ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, giá thành thấp... Ảnh hưởng tương
hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO sử dụng công nghệ mạch in gây ra bởi một
số nguyên nhân, nhưng chủ yếu là do ảnh hưởng của dòng điện mặt, ảnh hưởng của trường
bức xạ khu gần [34, 67]. Các nghiên cứu về thiết kế và giảm ảnh hưởng tương hỗ của anten
MIMO sử dụng công nghệ mạch in có thể chia thành các hướng sau:
 Nghiên cứu thiết kế anten MIMO cho điện thoại di động. Các anten này được giới
hạn trong kích thước đế điện môi tiêu chuẩn 100x50 mm2 với điện thoại thường và với điện
thoại di động thông minh là 120x60mm2. Anten MIMO cho điện thoại di động có thể ở dạng
đơn băng tần [10, 17, 16, 46, 53, 100, 107] hoặc đa băng tần [31, 33, 56, 59, 60, 83, 84, 104,
103] hỗ trợ cho các băng tần phổ biến như LTE (700, 1800, 2100, 2600 MHz,…), UMTS
(2100 MHz), WLAN (2400, 5200 MHz), WiMAX (2300, 3500 MHz). Thách thức chính
trong các thiết kế anten MIMO cho điện thoại di động là không gian thiết kế hạn chế và ảnh
hưởng tương hỗ lớn giữa các phần tử anten. Do đó phần lớn các mô hình đều sử dụng anten
dạng PIFA và anten đơn cực, cấu trúc anten dạng gập hoặc xoắn hay anten sử dụng nguyên
lý cấu trúc siêu vật liệu điện từ. Các kỹ thuật để giảm thiểu tương hỗ được ứng dụng rất đa
dạng gồm kỹ thuật sử dụng phần tử ký sinh, sử dụng cấu trúc mặt đế không hoàn hảo (DGS),
sử dụng mạng cách ly hoặc đường trung tính.

 Nghiên cứu thiết kế anten MIMO cho các thiết bị di động cầm tay (PDA) hoặc máy
tính xách tay (Laptop) hay các thiết bị không dây nói chung khác [4, 41, 71, 72, 75, 80, 85,


xix

93, 97, 98]. Các thiết kế cũng có thể ở dạng đơn băng hoặc đa băng tần và sử dụng kỹ thuật
tăng cường cách ly bằng cách đặt hướng các anten thành phần vuông góc với nhau, đồng
thời có thể kết hợp với các kỹ thuật cách ly khác như đường trung tính hoặc phần tử ký sinh.

 Nghiên cứu thiết kế anten MIMO cho các thiết bị USB Dongle (Universal Serial
Bus) [15, 30, 43, 64, 88, 101]. Do không gian của USB thường bị giới hạn trong phạm vi
kích thước 70x 30mm2 nên các thiết kế anten thường là anten đơn cực dạng gập, xoắn ốc
hoặc anten PIFA đặt ở góc cạnh của đế điện môi. Kỹ thuật đường trung tính, phần tử ký
sinh hoặc mạng cách ly thường được sử dụng để giảm tương hỗ trong anten MIMO.
 Nghiên cứu thiết kế anten MIMO băng thông siêu rộng (UWB) cho thiết bị di động
cầm tay [27, 49, 47, 52, 55, 57, 58, 69, 70, 76, 81, 96, 102]. Các anten loại này phần lớn sử
dụng kỹ thuật phần tử ký sinh để giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử, một số thì kết
hợp giữa sử dụng phần tử ký sinh với kỹ thuật cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo hoặc
kết hợp với phương pháp tiếp điện sử dụng ống dẫn sóng đồng phẳng vừa để tăng băng thông
vừa để cải thiện hệ số cách ly.
Nhìn chung, các nghiên cứu trên tập trung vào đề xuất, phát triển các cấu trúc anten
MIMO có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp với các thiết bị vô tuyến phù hợp với mục
đích sử dụng, áp dụng các phương pháp tăng cường cách ly nhằm tạo nên các mô hình anten
MIMO đáp ứng được yêu kỹ thuật, dễ dàng chế tạo và chi phí thấp.

2. Những vấn đề còn tồn tại
Công nghệ băng thông siêu rộng đã được Ủy ban truyền thông liên bang của Mỹ (FCC)
cấp phép áp dụng trên các thiết bị không dây hoạt động trong dải tần từ 3,1 GHz đến 10,6
GHz [1]. Sự kết hợp của công nghệ UWB vào các hệ thống MIMO đã khắc phục hạn chế

của các hệ thống thông tin trong cự ly ngắn do công suất phát của chúng phải thấp để tránh
gây nhiễu cho các hệ thống thông tin lân cận [70]. Một số mô hình anten MIMO băng thông
siêu rộng đề xuất trước đây gây lãng phí băng thông, do không hoạt động trên toàn dải tần
FCC cấp phép cho các hệ thống UWB [76, 81, 96, 101]. Trong một thiết kế khác [55], một
mô hình anten MIMO 4x4 có độ cách ly tốt (lớn hơn 20 dB) do sử dụng các đường gián đoạn
giữa các phần tử và ở mặt đế. Tuy nhiên, anten này cũng không hoạt động được trên cả dải
tần UWB mà chỉ từ 2,0 GHz đến 6,0 GHz. Bên cạnh đó, một số đề xuất cũng phát triển các
mô hình anten MIMO-UWB hoạt động toàn băng [57, 69, 70] hoặc hoạt động toàn băng và
loại bỏ các băng tần gây ảnh hưởng tới các hệ thống vô tuyến khác [27, 49, 58]. Tuy nhiên
các anten này vẫn chỉ sử dụng cấu hình MIMO 2x2 hoặc nếu sử dụng cấu hình 4x4 thì kích
thước lớn. Đồng thời, một số công trình nghiên cứu trước đây cũng tập trung vào anten băng
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 có kích thước


xx

lớn, với tấm bức xạ có kích thước 124 × 120 mm2 [37] và 124 × 70 mm2 [38], làm cho các
mô hình anten trên khó có khả năng tích hợp trong thiết bị di động hoặc thiết bị cầm tay. Do
đó, yêu cầu về việc thiết kế các anten MIMO băng thông siêu rộng hoặc cực kỳ rộng với
kích thước nhỏ gọn, hoạt động trên toàn bộ dải tần được cấp phép và loại bỏ được băng tần
gây ảnh hưởng đến các hệ thống vô tuyến khác mang tính cấp thiết để tích hợp vào các thiết
bị đầu cuối ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến cá nhân (WPAN).
Kỹ thuật cấu trúc mặt đế không hoàn hảo (DGS) đã được sử dụng như một giải pháp
đơn giản nhưng hiệu quả trong giảm thiểu tương hỗ giữa các anten thành phần trong anten
MIMO [16, 53, 83, 84, 103]. Trong [83, 84, 103], các anten hoạt động ở hai băng tần nhưng
kích thước tổng thể của anten lớn do chưa áp dụng các kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten
hoặc anten có nhược điểm là băng thông hoạt động nhỏ [83]. Trong [16, 53], các anten hoạt
động ở một băng tần nhưng với cấu trúc đa lớp nên khó khăn trong chế tạo và gặp phải hạn
chế khi ứng dụng trong các thiết bị yêu cầu nhỏ gọn. Việc sử dụng kỹ thuật giảm thiểu ảnh

hưởng tương hỗ bằng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo kết hợp với những mô hình
anten có cấu trúc nhỏ gọn như anten dạng xoắn ốc, anten PIFA, cấu trúc CLRH,… là động
lực cho các nghiên cứu thiết kế anten MIMO có kích thước nhỏ gọn, phù hợp với ứng dụng
của người dùng và đáp ứng các yêu cầu về phân tập của hệ thống thông tin MIMO.
Gần đây, kỹ thuật mạng cách ly cũng được xem như một giải pháp hữu hiệu để cải
thiện cách ly giữa các cổng trong các anten MIMO do kỹ thuật này không can thiệp vào cấu
trúc bức xạ của anten MIMO. Bằng cách đưa thêm vào các thành phần điện kháng (thông
qua các phần tử thụ động tập trung hoặc các cấu trúc mạch siêu cao tần) vào giữa cấu trúc
bức xạ và mạng tiếp điện, tương hỗ giữa các cổng của anten MIMO sẽ bị triệt tiêu. Khi đó,
anten MIMO đạt độ cách ly cao và tương quan bức xạ rất thấp mà vẫn duy trì khoảng cách
nhỏ giữa các phần tử bức xạ [10, 15, 56, 59, 104]. Trong [10, 15, 59] mạng cách ly được
thiết kế sử dụng phần tử thụ động tập trung. Với việc sử dụng các phần tử này, mạng cách
ly có kích thước bé làm cho kích thước của cả hệ thống anten MIMO nhỏ. Việc xác định giá
trị các phần tử thụ động phụ thuộc vào độ lớn và pha của hệ số tương hỗ [82]. Tuy nhiên
trong thực tế, các linh kiện thụ động không thể đáp ứng hết các giá trị bất kỳ như trong tính
toán. Bên cạnh đó, việc xuất hiện các tụ ký sinh khi hàn gắn các phần tử này vào mạch sẽ
làm thay đổi giá trị của phần tử tập trung đã xác định trước đó. Do vậy, các linh kiện thụ
động này thường được lựa chọn ở giá trị gần đúng [15]. Hơn nữa, các mối hàn không đạt
tiêu chuẩn khi thực hiện hàn các phần tử này vào mạch sẽ gây ảnh hưởng đến độ chính xác
của kết quả đo thực nghiệm. Vì vậy, kỹ thuật thiết kế mạng cách ly sử dụng phần tử thụ động
thường gặp phải các vấn đề như băng thông nhỏ, độ chính xác không cao và tổn hao lớn. Để
hạn chế các sai số do sử dụng phần tử tập trung gây ra, một số nghiên cứu đã đề xuất sử dụng
mạng cách ly là các cấu trúc mạch siêu cao tần được tổng hợp bằng đường truyền vi dải dạng
phẳng hoạt động ở chế độ đơn băng tần [66, 105], hoặc hai băng tần [56, 104]. Đề xuất trong


xxi

[56] là mạng cách ly cho anten MIMO hai băng tần sử dụng kỹ thuật cách ly mode (modedecompositon). Tuy nhiên thiết kế này gặp phải vấn đề là mạng cách ly có kích thước lớn,
hiệu suất khác nhau giữa các mode và có gây ra tổn hao. Trong [104], mạng cách ly dạng

phẳng, hai băng tần sử dụng các bộ cộng hưởng ghép được đề xuất. Điểm yếu của phương
pháp này là nó yêu cầu hệ số ghép giữa các bộ cộng hưởng phải lớn dẫn đến việc khó khăn
trong chế tạo các đường vi dải mỏng và khoảng cách nhỏ giữa các bộ cộng hưởng khi áp
dụng với các băng tần số khác. Từ đó, yêu cầu về việc thiết kế mạng cách ly sử dụng cấu
trúc phẳng đơn giản, có độ chính xác cao khi chế tạo và hỗ trợ đa băng tần để sử dụng trong
thiết kế các anten MIMO kích thước nhỏ gọn là một hướng đi cho các nhà nghiên cứu theo
đuổi.
Nhìn chung việc thiết kế tối ưu anten MIMO vừa có khả năng hoạt động tốt ở dải tần
thiết kế, có độ tăng ích phù hợp với ứng dụng, vừa đảm bảo các đặc tính MIMO như độ cách
ly, tính tương quan bức xạ,… vẫn là một trong những thách thức lớn đối với các nhà nghiên
cứu hiện nay.

3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:
- Nghiên cứu, đề xuất giải pháp sử dụng phần tử ký sinh để giảm tương hỗ trong thiết
kế các anten MIMO băng thông siêu rộng.
- Nghiên cứu, đề xuất giải pháp sử dụng cấu trúc mặt đế không hoàn hảo để giảm tương
hỗ trong thiết kế các anten MIMO kích thước nhỏ gọn.
- Nghiên cứu, đề xuất giải pháp sử dụng mạng cách ly để tăng cường cách ly cổng
trong thiết kế các anten MIMO hai băng tần.

 Đối tượng nghiên cứu trong luận án được xác định bao gồm:
- Các anten MIMO dựa trên công nghệ mạch dải, vật liệu điện môi FR4, dễ chế tạo,
giá thành rẻ.
- Các anten MIMO cho các thiết bị vô tuyến cầm tay thế hệ mới, kích thước nhỏ gọn.

 Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các vấn đề sau:
- Nghiên cứu anten cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng công nghệ
MIMO.
- Nghiên cứu đặc tính MIMO của anten thông qua hệ số tương quan tín hiệu kênh

truyền (tương quan về đồ thị bức xạ), xác định bằng các tham số tán xạ.


xxii

4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án
Việc nghiên cứu các giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ trong thiết kế anten MIMO trong
luận án có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn:


Ý nghĩa khoa học:
-

Các kết quả nghiên cứu của luận án này góp phần phát triển các giải pháp thiết
kế anten MIMO băng thông siêu rộng; anten MIMO cấu trúc nhỏ gọn sử dụng
các anten đơn dạng siêu vật liệu và dạng PIFA xoắn ốc; anten MIMO hai băng

-

tần với cấu trúc mạng cách ly đơn giản, dễ chế tạo.
Các kết quả nghiên cứu của luận án này sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp
theo trong phân tích và thiết kế các anten MIMO nhỏ gọn, có hệ số cách ly lớn.



Ý nghĩa thực tiễn: Các giải pháp giúp giảm ảnh hưởng tương hỗ, tăng cường
cách ly cổng và các mô hình anten MIMO được thiết kế trong luận án có thể làm
cơ sở và gợi ý cho các nhà sản xuất ứng dụng trong chế tạo các thiết bị đầu cuối
di động thế hệ mới.

Những đóng góp khoa học của luận án gồm:
(1) Phát triển và thực hiện giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ sử dụng phần tử ký sinh
cấu trúc bộ cộng hưởng đa mode và cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch trong thiết kế hai mô
hình anten MIMO băng thông siêu rộng.
(2) Phát triển và thực hiện giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ sử dụng cấu trúc mặt
phẳng đế không hoàn hảo dạng hai khe hẹp trong thiết kế hai mô hình anten MIMO kích
thước nhỏ gọn.
(3) Phát triển và thực hiện giải pháp tăng cường cách ly cổng sử dụng mạng cách ly
đường truyền vi dải trong thiết kế hai mô hình anten MIMO hai băng tần.

5. Cấu trúc nội dung của luận án
Nội dung chính của luận án bao gồm bốn chương.
Đầu tiên, Chương 1 là phần giới thiệu tổng quan mô hình và các thông số của anten
MIMO; các nguyên nhân gây nên ảnh hưởng tương hỗ và các giải pháp để cải thiện hệ số
cách ly sẽ được phân tích chi tiết.
Chương 2 trình bày các nghiên cứu sử dụng giải pháp phần tử ký sinh để giảm thiểu
ảnh hưởng tương hỗ trong thiết kế các anten MIMO băng thông siêu rộng. Lần lượt giải pháp
sử dụng phần tử ký sinh cấu trúc bộ cộng hưởng MMR và cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch


xxiii

được đề xuất, áp dụng để thiết kế hai mô hình anten MIMO 4×4 và MIMO 2×2 cho hệ thống
thông tin băng thông siêu rộng UWB và EWB. Kết quả là hai mô hình anten MIMO được
thiết kế đã thỏa mãn các yêu cầu về băng thông hoạt động, ảnh hưởng tương hỗ và hệ số
tương quan.
Tiếp theo, Chương 3 trình bày giải pháp sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn
hảo (DGS) dạng hai khe hẹp được đề xuất, áp dụng để thiết kế hai mô hình anten MIMO có
kích thước nhỏ gọn. Mô hình anten đầu tiên, được thiết kế cho hệ thống thông tin WLAN
chuẩn IEEE 802.11n, thực hiện thu nhỏ kích thước anten bằng cách sử dụng cấu trúc siêu

vật liệu điện từ dạng phức hợp (CRLH). Trong khi đó, mô hình anten thứ hai được thiết kế
cho hệ thống hai băng tần 4G-LTE (1800 MHz) và WiMAX (2300 MHz). Đây là anten dạng
chữ F-ngược phẳng (PIFA) cho các thiết bị di động với hai nhánh bức xạ được gấp xoắn ốc
nhằm giảm kích thước phần tử anten PIFA đơn. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy
hai mô hình anten MIMO được thiết kế đều đáp ứng được các yêu cầu về băng thông hoạt
động, hệ số cách ly và tính tương quan về đồ thị bức xạ.
Cuối cùng, Chương 4 đề xuất giải pháp sử dụng mạng cách ly dạng đường truyền vi
dải để tăng cường cách ly trong các anten MIMO hai băng tần. Mạng cách ly được thiết kế
dưới dạng đường truyền vi dải với cấu trúc đơn giản và nhỏ gọn. Hai mô hình anten MIMO
cho hệ thống WLAN hai băng tần 2,4 GHz/5,25 GHz và hệ thống LTE 1,8 GHz/WiMAX
3,5 GHz đã được thiết kế sử dụng mạng cách ly này. Các kết quả mô phỏng và đo thực
nghiệm cho thấy các mô hình anten MIMO đáp ứng được yêu cầu băng thông và độ cách ly,
chứng minh được tính khả thi trong ứng dụng vào thực tế của các mô hình anten đã thiết kế.