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

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.


1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ANTEN MIMO

1.1. Giới thiệu chương
Chương này trình bày tổng quan về mô hình và các đặc tính của anten MIMO. Một
trong những đặc tính quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng hoạt động của anten
MIMO là ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten. Các nguyên nhân dẫn đến ảnh hưởng
tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO được phân tích cụ thể. Bên cạnh đó,
một số kỹ thuật để cải thiện cách ly cho các anten MIMO cũng được phân tích chi tiết kết
hợp với các ví dụ từ những nghiên cứu đã được công bố. Trên cơ sở đó, một số giải pháp
giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ đã được đề xuất để áp dụng trong các mô hình anten MIMO
được thiết kế trong luận án này.

1.2. Khái niệm về kênh truyền MIMO
1.2.1. Kênh truyền không dây
Thông thường, khi một tín hiệu được truyền thông qua kênh truyền không dây từ điểm
phát đến điểm thu sẽ đi qua nhiều đường khác nhau để tới đích. Tín hiệu truyền qua kênh
truyền sẽ chịu sự tổn thất năng lượng trong không gian. Hình 1.1 mô tả sự suy giảm tín hiệu
theo khoảng cách truyền trong không gian giữa máy phát và máy thu [67].
Sự tổn thất năng lượng được mô tả trên hình 1.1 chủ yếu là do hai hiện tượng sau:
-

Sự suy giảm năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách gọi là tổn hao đường truyền
hay tổn hao không gian tự do.

-

Sự suy giảm năng lượng do hiện tượng pha đinh.

Tổn hao đường truyền hay tổn hao không gian tự do phụ thuộc chủ yếu vào khoảng
cách giữa máy phát (TX) và máy thu (RX). Theo định lý Friis [67], công suất nhận được
trong không gian tự do được xác định bởi:
𝜆 2
)
𝑃𝑅𝑋 = 𝑃𝑇𝑋 𝐺𝑇𝑋 𝐺𝑅𝑋 (
4𝜋𝑑

(1.1)

trong đó 𝑃𝑇𝑋 và 𝑃𝑅𝑋 là tương ứng là công suất phát và công suất thu, 𝐺𝑇𝑋 và 𝐺𝑅𝑋 là độ tăng
ích của anten phát và thu, d là khoảng cách giữa anten thu và phát.


2

PR/PT
(dB)

Tổn hao không gian tự do
Tổn hao không gian tự do + pha đinh che chắn

Tổn hao không gian tự do + pha đinh che chắn + pha đinh nhiều tia

Khoảng cách (Logarit)

Hình 1.1. Tổn hao năng lượng kênh truyền không dây

Pha đinh là hiện tượng suy giảm tín hiệu biến thiên 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 như đồi, núi, toà nhà, hầm,... những chướng ngại vật này sẽ che phủ hay cắt hoàn
toàn tín hiệu. Do vậy, cường độ của tín hiệu thu được biến thiên một cách ngẫu nhiên, phụ
thuộc vào kích cỡ của vật chắn và khoảng cách đến nó. Loại pha đinh này gọi là pha đinh
che chắn. Ngoài ra, trong truyền dẫn đa đường còn tồn tại pha đinh đa đường. Pha đinh đa
đường là kết quả của việc máy thu nhận được nhiều tín hiệu của cùng một máy phát theo các
đường lan truyền khác nhau. 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 sẽ khác
nhau về pha và biên độ 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.
Hệ thống đa anten (MAS) 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, hệ thống đa anten 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.

1.2.2. Truyền thông không dây qua kênh truyền MIMO
Mô hình thu phát truyền thống gồm một anten phát và một anten thu (còn gọi là hệ
thống SISO) thường được sử dụng cho các hệ thống truyền thông không dây. Theo định lý
Shanon [67], dung lượng của hệ thống SISO trong môi trường tạp âm AWGN được biểu
diễn như sau:


3

𝐶 = 𝑊log 2 (1 +

𝑃
)
𝑁0 𝑊

(1.2)

trong đó 𝑊 là băng thông, 𝑃 là công suất thu trung bình, 𝑁0 là mật độ phổ công suất tạp âm.
Trong trường hợp có hiện tượng đa đường và giả sử băng thông là 1 Hz, dung lượng được
biểu diễn như sau [77]:
𝐶 = log 2 (1 +

𝑃𝑇 2
|ℎ | )
𝑁0

(1.3)

trong đó ℎ là đáp ứng xung thỏa mãn điều kiện 𝐸 {|ℎ|2 } = 1 và 𝐸 {∙} là toán tử kỳ vọng. Công
thức trên cho thấy dung lượng kênh của hệ thống SISO sẽ tăng theo hàm logarit của công
suất phát tức là muốn tăng dung lượng thêm 1b/s/Hz thì công suất phát cần tăng thêm 3 dB.

TX

RX

(a)
Kênh vô tuyến MIMO

1

1

2

2

RX

.
.

TX

.
.
m

n

(b)

Hình 1.2. Mô hình hệ thống (a) SISO và (b) MIMO

Một hệ thống kết nối không dây MIMO với m anten thu và n anten phát được mô tả
trên hình 1.2. Hệ thống MIMO đầu tiên được đề xuất trong [95] và được quan tâm đặc biệt
thông qua các nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm trong những năm 1990 [25, 90].
Trong mô hình MIMO ở hình 1.2(b), ta giả sử rằng:


4

- Máy phát truyền đi tín hiệu 𝑆 = (𝑠1 , 𝑠2 , … , 𝑠𝑛 )𝑇 từ 𝑛 anten ở những khoảng thời gian
cho trước.
- Máy thu nhận được tín hiệu 𝑌 = (𝑦1 , 𝑦2 , . . , 𝑦𝑚 )𝑇 , trong đó 𝑦𝑖 là sự tổng hợp của

các tín hiệu được truyền 𝑆 = (𝑠1 , 𝑠2 , … , 𝑠𝑛 )𝑇 và thành phần AWGN 𝑣𝑖 .
- Mối quan hệ đầu ra và đầu vào của hệ thống (𝑛 + 𝑚) anten có thể được viết như sau:
𝑦1
ℎ1,1
⋮
[ ]=[ ⋮
𝑦𝑛
ℎ𝑚,1

⋯
⋱
⋯

𝑣1
ℎ1,𝑛 𝑠1
⋮
⋮ ][ ] + [ ⋮ ]
𝑣𝑛
ℎ𝑚,𝑛 𝑠𝑛

(1.4)

hay 𝑌 = 𝐻𝑆 + 𝑣,
trong đó ℎ𝑖,𝑗 là các hệ số kênh truyền giữa anten phát thứ 𝑖 và anten thu thứ 𝑗 và 𝐻 là ma trận
kênh.
Trong trường hợp kênh truyền độc lập với máy phát tức là tín hiệu có công suất như
nhau tại các anten phát, dung lượng kênh của hệ thống MIMO được xác định như sau [61]:
𝐶 = log 2 det (𝑰𝑚 +

𝑃𝑇

𝑯𝑯𝐻 )
𝑛𝑁0

(1.5)

trong đó 𝑰𝑚 là ma trận đơn vị mxm, (∙)H là chuyển vị Hermition. Công thức trên cho ta thấy
khi sử dụng nhiều anten ở phía phát và phía thu sẽ tạo ra nhiều tuyến dữ liệu không gian kết
nối giữa máy phát và máy thu [73], đồng thời trong trường hợp các kênh độc lập và phân bố
giống nhau [73, 90], dung lượng của hệ thống MIMO tăng gấp min (m,n) lần so với hệ thống
SISO.

1.2.3. Ưu điểm của kênh truyền MIMO
Một hệ thống kênh truyền MIMO có những ưu điểm sau [11]:
-

Độ tăng ích mảng: Độ tăng ích mảng là việc tăng lên của tỷ số SNR nhận được
do hiệu ứng kết hợp của các tín hiệu vô tuyến tại máy thu. Việc kết hợp tín hiệu
có thể được thực hiện thông qua xử lý tín hiệu không gian tại mảng anten thu. Độ
tăng ích mảng tăng cường khả năng chống nhiễu do đó giúp cải thiện vùng phủ
sóng và phạm vi của mạng không dây.

-

Độ tăng ích phân tập: Như đã đề cập ở trên, mức tín hiệu tại máy thu trong hệ
thống vô tuyến thăng giáng do pha đinh. Độ tăng ích phân tập không gian làm
giảm pha đinh trên cơ sở máy thu nhận được nhiều bản sao độc lập của tín hiệu
phát theo không gian, tần số hoặc thời gian. Với việc tăng số lượng bản sao độc
lập của tín hiệu (còn gọi là bậc phân tập), xác xuất có ít nhất một bản sao không
bị pha đinh sâu sẽ tăng lên do đó làm tăng chất lượng và độ tin cậy của của tín

5

hiệu thu được. Kênh truyền MIMO với n anten phát và m anten thu tạo ra mxn
kết nối độc lập do vậy bậc phân tập không gian sẽ là mxn.
-

Độ tăng ích phân kênh không gian: Hệ thống MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu
thông qua phân kênh không gian, tức là truyền cùng lúc nhiều luồng dữ liệu độc
lập trên cùng băng tần hoạt động. Mỗi luồng dữ liệu có chất lượng kênh ít nhất
bằng với chất lượng kênh trong hệ thống SISO do đó làm tăng dung lượng hệ
thống lên gấp min (m,n) lần.

-

Giảm và tránh nhiễu: Nhiễu trong hệ thống vô tuyến là do nhiều người dùng
chia sẻ cùng tài nguyên tần số hoặc thời gian. Hệ thống MIMO giúp giảm nhiễu
là do khai thác yếu tố không gian để làm tăng cách biệt giữa các người dùng khác
nhau. Việc giảm và tránh nhiễu giúp tăng phạm vi và vùng phủ của mạng vô
tuyến.

Nói chung, có thể không đồng thời khai thác được toàn bộ các lợi ích được nêu ở trên,
tuy nhiên việc ứng dụng một vài trong số các ưu điểm trên sẽ giúp cải thiện dung lượng, tăng
độ tin cậy và vùng phủ của hệ thống vô tuyến MIMO.

1.3. Hệ thống đa anten và ảnh hưởng tương hỗ
1.3.1. Giới thiệu hệ thống đa anten
Hệ đa anten là hệ mà các nguồn được kết nối với những phần tử phát xạ độc lập nhau,
hoặc cùng chung một phần 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).
Cổng n

Phần tử
bức xạ
(RE)

Cổng 2

(a)

RE1

RE2

Cổng 1

Cổng 2

REn

.
.
.

Cổng 1

.
.
.

Cổng n

(b)

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


6

Ta có thể phân loại hệ đa anten làm hai loại: loại sử dụng chung phần tử bức xạ và loại
sử dụng các phần tử bức 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 - MMA, Multipolarized antenna-MPOA).

-

Loại sử dụng các phần tử bức xạ độc lập nhau, như hình 1.3(b).

1.3.2. Kỹ thuật phân tập anten
Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp dùng để hạn chế ảnh hưởng của
pha đinh. Ý tưởng cho việc phân tập là tạo ra cách kênh độc lập với nhau và pha đinh 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 pha đinh nhiều 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
nhưng có ít sự tương quan về pha đinh. Tín hiệu thu được bao gồm một sự kết hợp hợp lý
của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng pha đinh 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), phân tập phân cực, phân tập góc. Trong đó kỹ thuật phân tập
anten (hoặc kết hợp cùng với phân tập góc và phân tập phân cực) 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 pha đinh, 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.

1.3.3. Ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử trong hệ thống đa anten
1.3.3.1. Cơ chế chung gây tương hỗ giữa các phần tử anten
Khi các anten trong hệ thống được đặt gần nhau, năng lượng từ một anten cụ thể sẽ
được hấp thụ bởi các anten khác. Tổng năng lượng trao đổi phụ thuộc chủ yếu vào các tham
số gồm: đặc tính bức xạ của anten, sự cách ly giữa các anten và môi trường giữa các anten
[8]. Có thể xét ví dụ như hình 1.4, do đặc điểm phân bố dòng của anten 1, điện trường bao
quanh anten hình thành bức xạ điện từ ra ngoài không gian và tác động tới anten lân cận


7

(anten 2 trong hình). Sự trao đổi năng lượng đó được xem là hiện tượng tương hỗ. Do ảnh
hưởng của hiện tượng tương hỗ, các anten đặt gần nhau sẽ thay đổi phân bố dòng dẫn đến
thay đổi trở kháng vào của anten. Khi có hiện tượng tương hỗ, trở kháng vào của anten không
chỉ phụ thuộc vào trở kháng vào của bản thân nó mà còn phụ thuộc vào trở kháng tương hỗ
và dòng điện trên hai anten.

l2/2

Anten 2

l2/2

l1/2

Anten 1

h
l1/2

d

Hình 1.4. Hệ anten MIMO hai anten đơn

Để đơn giản trong việc phân tích, giả sử một hệ anten gồm 2 phần tử. Hệ anten này có
thể được mô hình hóa bằng một mạng 2 cổng như hình 1.5.
Quan hệ dòng điện và điện áp được xác định như sau:
𝑉1 = 𝑍11 𝐼1 + 𝑍12 𝐼2
𝑉2 = 𝑍21 𝐼1 + 𝑍22 𝐼2

(1.6)

trong đó
𝑍11 =

𝑉1

|
𝐼1 𝐼

, 𝑍12 =

2 =0

𝑉1
|
𝐼2 𝐼

1 =0

, 𝑍21 =

𝑉2
|
𝐼1 𝐼

2 =0

, 𝑍22 =

𝑉2
|
𝐼2 𝐼

1 =0

Phương trình (1.6) biến đổi thành:

𝑉1
𝐼
= 𝑍11 + 𝑍12 2⁄𝐼
1
𝐼1
𝑉2
𝐼
=
= 𝑍22 + 𝑍21 1⁄𝐼
2
𝐼2

𝑍𝑖𝑛1 =
𝑍𝑖𝑛2

(1.7)


8

Với 𝑍11 và 𝑍12 là trở kháng bản thân và trở kháng tương hỗ của cổng 1, 𝑍22 và 𝑍21 là trở
kháng bản thân và trở kháng tương hỗ của cổng 2, 𝐼1 và 𝐼2 và dòng điện trên các anten thành
phần.
I1

I2

[Z]

V1

V2

(a)
I1

Z11-Z12

V1

Z22-Z21

I2

Z21,Z12

V2

(b)

Hình 1.5. (a) Mạng hai cổng và (b) mạch tương đương hình T

Khi thực hiện tiếp điện cho các anten thành phần, trở kháng vào sẽ phải được phối hợp
trở kháng với đường truyền do vậy nó sẽ trở lên rất quan trọng khi khảo sát hệ đa anten.
Trở lại với ví dụ trên hình 1.4, khi các anten thành phần là anten lưỡng cực nửa bước
sóng, trở kháng tương hỗ tại cổng đầu vào anten 1 được xác định sử dụng phương pháp cảm
ứng trường điện từ (EMF) [8], có giá trị như sau:
′

𝑍21𝑖

𝐼2 (𝑧 )/2
𝑉21
1
∫
=
=−
𝐸𝑧21 (𝑧 ′ )𝐼2 (𝑧 ′ )𝑑𝑧 ′
𝐼1𝑖
𝐼1𝑖 𝐼2𝑖 −𝑙2 /2

(1.8)

trong đó 𝐸𝑧21 (𝑧 ′ ) là thành phần điện trường do anten 1 bức xạ có hướng song song với anten
2, 𝐼2 (𝑧 ′ ) là dòng điện phân bố dọc theo anten 2, 𝑙2 là độ dài điện của anten 2, 𝐼1𝑖 và 𝐼2𝑖 là
dòng điện tại cổng vào của anten 1 và anten 2.
Hình 1.6 và hình 1.7 mô tả quan hệ giữa trở kháng tương hỗ giữa hai anten lưỡng cực
nửa bước sóng (l1=l2=l) theo khoảng cách chuẩn hóa trong trường hợp h = 0 , d > 0 (hình
1.6) và d=0, s =h-l >0 (hình 1.7) sử dụng phương pháp cảm ứng điện từ và phương pháp
Mômen (MoM). Trong cả hai trường hợp, khi khoảng cách tăng, trở kháng tương hỗ giảm
xuống. Do đó, khi các anten thành phần hệ đa anten đặt cách xa nhau, tính năng của anten
vẫn duy trì do tác động của tương hỗ nhỏ. Trong trường hợp các anten thành phần đặt gần


9

nhau (ví dụ khi d/λ <0,25), tính năng của hệ đa anten trên phương diện công suất anten nhận
được và độ tăng ích của hệ thống bị suy giảm, tác động lớn đến tỷ số SNR.
Trong các ứng dụng truyền thông không dây, các thành phần của hệ đa anten thường
được đặt gần nhau do đó vấn đề đặt ra là cần giảm tương hỗ giữa các thành phần này để đảm

Trở kháng tương hỗ Z21m(Ω)

bảo các tính năng của anten không bị tác động.

Trở kháng tương hỗ Z21m(Ω)

Hình 1.6. Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa trong trường hợp h=0 , d>0

Hình 1.7. Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa trong trường hợp d=0,
s=h-l>0

1.3.3.2. Tương hỗ trong anten mạch dải
Anten mạch dải được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin liên lạc không dây do
có kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và dễ dàng tích hợp với các thiết bị siêu cao tần khác.
Anten mạch dải có độ tăng ích nhỏ và trong thực tế một hệ thống gồm nhiều thành phần


10

anten thường được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi độ tăng ích lớn hoặc cho các ứng dụng
MIMO. Tuy nhiên, tính năng của anten có xu hướng xấu đi do sự tương tác lẫn nhau giữa
các thành phần anten. Hình 1.8 mô tả các nguồn gây ra tương hỗ thường gặp phải trong các
hệ đa anten mạch dải. Tương hỗ này được xác định bởi trường tồn tại trên mặt phẳng tiếp
giáp điện môi - không khí ở khoảng giữa hai tấm bức xạ được chia thành hai loại chính là
sóng không gian (thay đổi theo khoảng cách với tỷ lệ 1/𝑟) và sóng mặt (thay đổi theo khoảng
cách với tỷ lệ 1/√𝑟) [8].
Sóng không gian

Ɛr

Mặt phẳng đất

Sóng mặt

d

Hình 1.8. Các nguồn gây ra tương hỗ giữa các thành phần trong hệ đa anten mạch dải

Sóng mặt được dẫn bởi lớp điện môi và mặt phẳng đế và lan truyền dọc theo mặt tiếp
giáp điện môi - không khí với mức độ suy giảm theo hàm mũ khi đi ra khỏi mặt tiếp giáp
này. Sóng mặt được kích thích mạnh khi anten in trên đế có hệ điện môi lớn hoặc điện môi
có độ dày lớn [9, 34]. Trong trường hợp này, do sóng mặt suy hao chậm theo đường đi (có
thể di chuyển ở khoảng cách vài bước sóng) [34], nên nó chiến ưu thế và gây ra tương hỗ
mạnh giữa các thành phần anten. Nói cách khác, sóng mặt có thể bỏ qua khi anten được in
trên đế điện môi mỏng [67] và trong trường hợp tổng quát, sóng mặt có tác động ít đến tương
hỗ giữa các anten thành phần khi thỏa mãn điều kiện sau [36, 67]:
ℎ
0.3
<
𝜆 2𝜋 √𝜀𝑟

(1.9)

trong đó ℎ là độ dầy của đế, 𝜆 là bước sóng hoạt động của anten, 𝜀𝑟 là hằng số điện môi
tương đối của lớp đế.
Trong khi sóng bề mặt bị kích thích yếu với đế điện môi mỏng, một cơ chế gây tương
hỗ khác chiếm ưu thế trong trường hợp này là tương tác sóng không gian [34, 67]. Sóng
không gian có thành phần điện trường vuông góc với đế điện môi và đóng góp vào năng
lượng bức xạ ra không gian. Tuy nhiên, một phần của năng lượng sóng không gian này bị

suy giảm do hiện tượng tương hỗ giữa các thành phần bức xạ trong trường hợp khảo sát với
một anten mảng in trên đế điện môi mỏng [67]. Tương tác sóng không gian cũng tăng lên
khi anten nằm trong vùng trường gần của nhau, ở đó các thành phần điện trường vuông góc
của các anten tương tác với nhau do trường rìa từ các tấm bức xạ của các anten thành phần.


11

Đối với hệ đa anten gồm 2 anten mạch dải hình chữ nhật, tương hỗ sẽ biến đổi theo
cách sắp xếp của các anten thành phần. Xét hai trường hợp: khi các anten đơn được đặt sao
cho cùng nằm trên một đường thẳng dọc theo mặt phẳng E (gọi là sắp xếp trên mặt phẳng E
- hình 19(a)) và khi các anten đơn được đặt sao cho cùng nằm trên một đường thẳng dọc
theo mặt phẳng H (gọi là sắp xếp trên mặt phẳng H - hình 1.9(b)).

(b)

(a)

Hình 1.9. Sắp xếp các anten mạch dải chữ nhật (a) trên mặt phẳng E và (b) trên mặt phẳng H

Với s là khoảng cách cạnh-cạnh giữa hai anten đơn, hình 1.10 cho ta thấy khi s>0,1λ,
tương hỗ giữa các phần tử khi sắp xếp trong mặt phẳng E lớn hơn khi sắp xếp trong mặt
phẳng H. Trong thực tế, khoảng cách gây tương hỗ trong mặt phẳng này lớn hơn trong mặt
phẳng khác còn phụ thuộc vào tính chất điện và kích thước hình học của các phần tử anten.

Sắp xếp trên mặt phẳng E

Sắp xếp trên mặt phẳng H
Kết quả đo
Kết quả mô phỏng

Hình 1.10. Quan hệ của tương hỗ giữa các phần tử anten theo khoảng cách [8]

Phân tích kỹ hơn về tác động của sóng mặt đối với việc sắp xếp các anten mạch dải
chữ nhật theo cách thức khác nhau. Mode sóng mặt bậc thấp nhất (mode cơ bản) là TM0.
Trường bức xạ của các anten đơn sẽ là TM theo hướng truyền lan dọc mặt phẳng E và là TE
theo hướng truyền lan dọc mặt phẳng H. Do vậy nếu sắp xếp các anten như hình 1.9(a),
trường trong không gian giữa hai anten đơn là TM dẫn đến sóng mặt bị kích thích mạnh hơn


12

làm tương hỗ lớn. Ngược lại, nếu sắp xếp các anten như hình 1.9(b), trường trong không
gian giữa hai anten đơn là TE và không phải mode sóng mặt cơ bản (TM0) dẫn đến tương hỗ
nhỏ. Tất nhiên khi lớp điện môi dầy hơn, các mode sóng mặt TE được kích thích sẽ dẫn đến
tương hỗ tăng kể cả khi anten được sắp xếp trong mặt phẳng H [8].
Khi các anten sắp xếp trong mặt phẳng E với mode cơ bản, điện dẫn tương hỗ của hai
anten mạch dải hình chữ nhật được xác định như sau [21]:
𝜋

𝐺12 =

1 𝜀
√ ∫ [
𝜋 𝜇 0

sin (

2
𝑘0 𝑊

cos 𝜃)
𝑌
𝑌+𝐿
2
] 𝑠𝑖𝑛3 𝜃 {2𝐽0 ( 2𝜋 𝑠𝑖𝑛𝜃) + 𝐽0 (
2𝜋 sin 𝜃)
cos 𝜃
𝜆0
𝜆0

+ 𝐽0 (

(1.10)

𝑌−𝐿
2𝜋 sin 𝜃)} 𝑑𝜃
𝜆0

trong đó 𝑌 là khoảng cách tâm-tâm giữa các tấm bức xạ, 𝐽0 là hàm Bessel loại 1 bậc 0.
Khi các anten sắp xếp trong mặt phẳng H với mode cơ bản, điện dẫn tương hỗ của hai
anten mạch dải hình chữ nhật được xác định như sau [21]:

𝐺12

2
𝑘0 𝑊
(
sin
cos
𝜃)

2 𝜀 𝜋
𝑍
𝐿
2
] 𝑠𝑖𝑛3 𝜃 cos ( 2𝜋 cos 𝜃) {1+𝐽0 ( 2𝜋 sin 𝜃)} 𝑑𝜃
= √ ∫ [
𝜋 𝜇 0
cos 𝜃
𝜆0
𝜆0

(1.11)
trong đó 𝑍 là khoảng cách tâm-tâm giữa các tấm bức xạ, 𝐽0 là hàm Bessel loại 1 bậc 0. Một
ví dụ điển hình về giá trị điện dẫn tương hỗ chuẩn hóa khi anten sắp xếp trên mặt phẳng E
và mặt phẳng H được biểu diễn trên hình 1.11.

Sắp xếp trên mặt phẳng E
Sắp xếp trên mặt phẳng H

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)

Bằng cách so sánh các kết quả trên hình 1.11, có thể thấy rằng điện dẫn tương hỗ trong
trường hợp các anten sắp xếp trong mặt phẳng H giảm theo khoảng cách giữa các anten, với
tốc độ nhanh hơn khi sắp xếp anten trong mặt phẳng E. Ngoài ra, theo [21] cho ta thấy điện


13

dẫn tương hỗ tỷ lệ thuận với chiều rộng phần tử bức xạ khi sắp xếp anten trong mặt phẳng E

và tỷ lệ nghịch với chiều rộng phần tử bức xạ khi sắp xếp anten trong mặt phẳng H. Các kết
luận này là cơ sở quan trọng để thiết kế và sắp xếp các anten đơn trong hệ đa anten ở các
phần sau của luận án.

1.4. Các tham số của anten MIMO
1.4.1. Hệ số tương quan tín hiệu
Tương quan tín hiệu trên kênh truyền mô tả sự độc lập của các tín hiệu. Hệ số tương
quan là một trong những tham số quan trọng cần phải chú ý trong thiết kế anten MIMO. Hệ
số tương quan càng nhỏ thì các tín hiệu tại đầu thu càng độc lập với nhau, sự ảnh hưởng lẫn
nhau của các phần tử anten càng thấp, do đó độ tăng ích phân tập, cũng như dung lượng của
hệ thống đều tăng lên. Hệ số tương quan phức 𝜌𝑖,𝑗 giữa thành phần anten i và thành phần
anten j được xác định dựa theo đồ thị phương hướng bức xạ như sau [14, 26]:
2𝜋

𝜌𝑐,𝑖𝑗 =

𝜋

∫0 ∫0 𝐴𝑖,𝑗 (𝜃, Φ) sin 𝜃 𝑑𝜃𝑑Φ
2𝜋

𝜋

√∫0 ∫0 𝐴𝑖,𝑖 (𝜃, Φ) sin 𝜃 𝑑𝜃𝑑Φ 𝐴𝑗,𝑗 (𝜃, Φ) sin 𝜃 𝑑𝜃𝑑Φ

(1.12)

trong đó
∗ (
∗ (

𝐴𝑖,𝑗 = 𝑋 ⋅ 𝐸𝜃,𝑖 (𝜃, Φ)𝐸𝜃,𝑗
𝜃, Φ)𝑃𝜃 (𝜃, Φ) + 𝐸Φ,𝑖 (𝜃, Φ)𝐸Φ,𝑗
𝜃, Φ)𝑃Φ (𝜃, Φ), 𝑋 là tỷ số công

suất phân cực chéo, 𝐸 là đồ thị phương hướng bức xạ điện trường, Φ là góc ngẩng trong mặt
phẳng xoy theo chiều dương của trục x với 0 < Φ < 2π, 𝜃 là góc cực theo chiều dương của
trục z với 0 < 𝜃 < π, và 𝑃 là hàm mật độ góc của hai mặt phẳng phân cực trực giao.
Trong các hệ thống thông tin di động, hệ số tương quan đường bao (ECC) thường được
sử dụng và được xác định như sau [36]:
𝜌𝑒 = |𝜌𝑐 |2

(1.13)

Ngoài cách xác định ECC dựa trên đồ thị phương hướng bức xạ như trên, ta có thể xác
định được ECC giữa anten i và anten j của hệ anten MIMO 𝑁 × 𝑁 dựa trên các tham số tán
xạ theo công thức sau [91]:
𝜌𝑒 (𝑖, 𝑗, 𝑁 ) =

∗
| ∑𝑁
𝑛=1 𝑆𝑖,𝑛 𝑆𝑛,𝑗 |

2

∗
∏𝑘=(𝑖,𝑗)[1 − ∑𝑁
𝑛=1 𝑆𝑘,𝑛 𝑆𝑛,𝑘 ]

(1.14)

Trường hợp anten MIMO gồm 2 phần tử anten đơn, hệ số tương quan đường bao được
xác định như sau:


14

𝜌𝑒 =

∗
∗
|𝑆11
𝑆12 + 𝑆21
𝑆22 |2
(1 − |𝑆11 |2 − |𝑆21 |2 )(1 − |𝑆22 |2 − |𝑆12 |2 )

(1.15)

ECC có giá trị từ 0 (khi không có ảnh hưởng, hệ thống có độ tăng ích phân tập tốt nhất)
tới 1 (khi ảnh hưởng lẫn nhau lớn nhất, hệ thống không có độ tăng ích phân tập). Hệ thống
MIMO đáp ứng được yêu cầu cho hệ thống liên lạc không dây thì ECC phải nhỏ hơn 0,5
[39].

1.4.2. Độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG)
MEG được định nghĩa cho một anten thu nhiều cổng (MPA) và được xác định là tỷ số
giữa công suất phân phát trung bình tới một cổng cụ thể của anten thu và công suất nhận
được trung bình của một anten tham chiếu trong điều kiện anten tham chiếu sử dụng trên
cùng kênh truyền và với cùng anten phát MPA [20].
Ngoài ra, MEG có thể được xác định dựa trên sự cách ly phân cực chéo, tăng ích và
hàm mật độ góc theo hướng theta và phi. MEG là tham số quan trọng để quyết định quỹ
đường truyền của hệ thống vô tuyến.

2𝜋

𝑀𝐸𝐺 = ∫
0

𝜋
𝑋
1
∫ [
𝐺𝜃 (𝜃, 𝜑 )𝑃𝜃 (𝜃, 𝜑 ) +
𝐺 (𝜃, 𝜑 )𝑃𝜑 (𝜃, 𝜑 )] 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃𝑑𝜑
1+𝑋 𝜑
0 1+𝑋

(1.16)

trong đó 𝑋 là tỷ số công suất phân cực chéo, 𝐺𝜃 (𝜃, 𝜑 ) và 𝐺𝜑 (𝜃, 𝜑 ) là độ tăng ích thành
phần của anten, 𝑃𝜃 (𝜃, 𝜑 ) và 𝑃𝜑 (𝜃, 𝜑 ) mô tả xác xuất phân bố của sóng tới trong môi trường
truyền với giả thiết các thành phần này không tương quan.

1.4.3. Dung lượng hệ thống
Ưu điểm chính của một hệ thống MIMO là nó cung cấp một dung lượng kênh được
cải thiện trong môi trường đa đường so với một hệ thống SISO. Do đó, giới hạn dung lượng
kênh của một hệ thống MIMO cũng là một thước đo hiệu năng của hệ thống. Dung lượng
kênh của một hệ thống MIMO phụ thuộc vào ma trận kênh và đó là hàm phụ thuộc vào đặc
tính bức xạ của anten thành phần và môi trường kênh. Trong trường hợp của một anten
MIMO có N phần tử và khi máy phát không có thông tin về môi trường kênh truyền, công
suất được chia đều trên các anten thành phần của anten MIMO. Dung lượng kênh trong
trường hợp này được xác định như sau:
𝐶 = log 2 det (𝑰𝑁 +

𝜌
𝑯𝑯𝐻 )
𝑁

(1.17)

trong đó 𝜌 là giá trị SNR trung bình, H là ma trận kênh và (∙)H là chuyển vị Hermition.
Trong trường hợp không có sự tương quan của các sóng phát đi/ sóng tới, các anten
thành phần có hệ số tương quan bằng không ở cả phía phát và thu, với công suất và giá trị


15

độ tăng ích hiệu quả trung bình chuẩn hóa tương tự, biến 𝑯𝑯𝐻 trở thành ma trận đơn vị, khi
đó dung lượng kênh tăng tuyến tính so với một hệ thống SISO khi số lượng các anten thành
phần tăng. Phương trình (1.17) vì thế trở thành:
𝜌
𝐶 = 𝑁. log 2 (1 + )
𝑁

(1.18)

Đây là dung lượng kênh lý tưởng của một hệ thống MIMO. Giới hạn này không bao
giờ đạt được vì luôn luôn tồn tại tương hỗ giữa các kênh và hệ số tương quan giữa các anten
thành phần luôn khác không. Tương hỗ càng cao giữa các anten thành phần và tương quan
càng lớn giữa các kênh dẫn đến kết quả là làm giảm hiệu quả của hệ thống MIMO. Trong
môi trường tầm nhìn thẳng (LOS), giả sử khi tất cả các kênh đều hoàn toàn tương quan, hiệu
quả của anten MIMO sẽ không còn nữa. Hiệu quả thực sự của anten MIMO chỉ phát huy
trong môi trường đa đường chẳng hạn như trong các ứng dụng thông tin di động. Trong môi

trường như vậy, các ma trận H chứa các thông tin của mối tương quan giữa các kênh khác
nhau do anten cũng như do môi trường truyền dẫn. Vì vậy, việc xác định ma trận kênh H
của một hệ thống MIMO hoạt động trong một môi trường cụ thể sẽ rất quan trọng vì nó liên
quan đến dung lượng kênh của anten trong môi trường đó. Nhiều nghiên cứu đã đưa ra các
phương pháp mô hình hóa kênh truyền khác nhau để xác định ma trận H trong môi trường
đa đường, chẳng hạn như trong [107].

1.5. Các kỹ thuật cải thiện cách ly cho anten MIMO
Tương hỗ giữa các phần tử anten trong anten MIMO ảnh hưởng đến hiệu suất anten
bởi vì một phần công suất vào đã không được bức xạ mà bị tổn hao do hấp thụ bởi các phần
tử lân cận. Hơn nữa, ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử làm tăng tương quan giữa các đồ
thị bức xạ và vì vậy làm giảm đặc tính bức xạ của anten [82]. Một số kỹ thuật đã được đề
xuất để giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử hay cải thiện cách ly của anten MIMO,
bao gồm [74, 82]:
(1). Thay đổi hướng đặt anten (Orientation).
(2). Sử dụng mạng cách ly (Decouping Network).
(3). Sử dụng phần tử ký sinh (Parasitic Element).
(4). Sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS).
(5). Sử dụng đường trung tính (Neutralization Line).

1.5.1. Hướng đặt anten
Hướng đặt các phần tử anten rất quan trọng trong anten MIMO. Nếu anten hoạt động
ở tần số cao (trên 1 GHz) thì khi đặt các phần tử anten xa nhau (ví dụ đặt ở cạnh/góc thiết


16

bị) thường sẽ cải thiện hệ số cách ly của anten MIMO. Hơn nữa, hướng đặt anten có thể tạo
ra sự trực giao phân cực và pha phân bố dòng điện do đó giúp cải thiện được cách ly và giảm
hệ số tương quan của anten MIMO. Đối với dải tần số thấp, hướng đặt anten thường không

đủ để cải thiện cách ly khi mặt phẳng đế trở thành một phần của cấu trúc bức xạ và ảnh
hưởng của dòng điện ở mặt đế sẽ trở nên nghiêm trọng hơn. Vì vậy, một số kỹ thuật khác có
thể được sử dụng như cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo hay đường trung tính [82].
Đường kết nối

Tiếp điện 1

S11, S22, S21 (dB)

Tiếp điện 2

Tần số (GHz)

(b)

(a)

Hình 1.12. (a) Mô hình anten và (b) kết quả đo tham số tán xạ (l1=24; l2=18,2; g=0.5; fg=2.85;
h=1,1; đơn vị mm) [72]

Tài liệu [72] giới thiệu một mô hình anten MIMO (kích thước 60 x 60 mm2) sử dụng
phương pháp đặt hướng anten nhằm giảm ảnh hưởng tương hỗ. Cụ thể, hai anten đơn cực
dạng gấp được đặt vuông góc với nhau để đạt được hệ số cách ly cao. Ngoài ra, một đoạn vi
dải được sử dụng để nối hai điểm tiếp điện nhằm triệt tiêu tương hỗ giúp tăng hệ số cách ly
giữa các cổng. Anten hoạt động trong dải tần từ 2,4 đến 2,5 GHz, bảo phủ toàn bộ dải tần
của hệ thống WLAN. Hệ số cách ly giữa các cổng tiếp điện đạt trên 25 dB tại tần số trung
tâm. Mô hình anten và kết quả đo tham số tán xạ S của anten được trình bày ở hình 1.12.

1.5.2. Mạng cách ly
Anten 1

Anten 2

Mạng
PHTK

Mạng
PHTK

Cổng 1

Cổng 2

Mạng cách ly

Hình 1.13. Mạng cách ly sử dụng các phần tử điện kháng [15]


17

Mạng cách ly là một giải pháp nhằm tăng cường cách ly giữa các cổng của anten
MIMO mà không can thiệp vào cấu trúc bức xạ của nó. Mạng cách ly sẽ bổ sung thành phần
điện kháng tại mạng tiếp điện của anten MIMO do đó triệt tiêu được điện kháng tương hỗ
giữa các phần tử anten đơn, kết quả là làm tăng hiệu suất bức xạ và giảm tương quan về đồ
thị bức xạ của anten MIMO. Sử dụng mạng cách ly thường kèm theo với một mạng phối
hợp trở kháng để tăng cường sự phối hợp trở kháng ở đầu vào các cổng anten.
Hình 1.13 mô tả sơ đồ khối mô hình sử dụng mạng cách ly để tăng cường hệ số cách
ly giữa các cổng của hệ anten hai cổng [15]. Ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử liền kề
trong anten MIMO hay mảng anten được mô tả bởi hệ số 𝑆𝑖𝑗 trong ma trận tán xạ 𝑆 𝐴 của hệ
anten. Mạng cách ly sẽ giúp giảm hay loại bỏ các giá trị khác 0 của các hệ số 𝑆𝑖𝑗 nhưng sẽ

làm thay đổi giá trị 𝑆𝑖𝑖 tại cổng vào của nó (𝑆 𝐵 ). Các hệ số phản xạ sau khi thêm mạng cách
ly có thể giảm về 0 bằng cách sử dụng mạng phối hợp trở kháng cho mỗi cổng (ma trận 𝑆)
của hệ anten.
Trong ví dụ ở hình 1.13, mạng cách ly bao gồm hai đường truyền và một thành phần
điện kháng, trong khi đó, mạng phối hợp trở kháng tại mỗi cổng có thể được thực hiện dễ
dàng bằng cách sử dụng các phần tử tập trung. Giả sử hai anten là giống nhau và được phối
hợp trở kháng tốt ở cổng vào tiếp điện, ma trận tán xạ tại điểm tham khảo t1 được cho bởi:
[𝑆 𝐴 ] = [ 0𝑗𝜙
𝛼𝑒

𝛼𝑒 𝑗𝜙 ]
0

(1.19)

Với 𝛼 và 𝜙 là biên độ và pha của hệ số tương hỗ. Mạng cách ly trong ví dụ này gồm
hai đường truyền với mục đích để chuyển đổi giá trị của hệ số tương hỗ thành một giá trị
thuần ảo. Giá trị này có thể bị triệt tiêu bởi một điện kháng mắc song song. Vì vậy, sau khi
thêm hai đường truyền với trở kháng đặc tính Z0 và độ dài điện 𝜃, ma trận tán xạ tại điểm
tham khảo t2 trở thành:
′
[𝑆 𝐴 ] = [ −𝑗0
𝛼𝑒 (2𝜃−𝜙)

𝛼𝑒 −𝑗(2𝜃−𝜙) ]
0

(1.20)

−2𝛼 −2𝑗(2𝜃−𝜙)

)
1 − 𝛼 2 𝑒 −2𝑗(2𝜃−𝜙)
1 + 𝛼 2 𝑒 −2𝑗(2𝜃−𝜙)
)
𝑌0 (
1 − 𝛼 2 𝑒 −2𝑗(2𝜃−𝜙) ]

(1.21)

Biến đổi (1.20) thành ma trận dẫn nạp,
1 + 𝛼 2 𝑒 −2𝑗(2𝜃−𝜙)
)
2 𝑒 −2𝑗 (2𝜃−𝜙)
1
−
𝛼
′
[𝑌 𝐴 ] =
−2𝛼 −2𝑗(2𝜃−𝜙)
)
𝑌0 (
1 − 𝛼 2 𝑒 −2𝑗(2𝜃−𝜙)
[
𝑌0 (

𝑌0 (

Từ hình 1.13, ta thấy mạng hai cổng nhìn tại t2 nối song song về mặt điện với phần tử
tập trung có điện nạp 𝐵. Kết quả sẽ tạo ra một mạng hai cổng mới và ma trận dẫn nạp tại
điểm t3 trở thành:

18
′

[𝑌 𝐵 ] = [𝑌 𝐴 ] + [𝑌 𝑏 ]

(1.22)

trong đó [𝑌 𝑏 ] là ma trận dẫn nạp của mạng hai cổng có phần tử điện nạp B
𝑗𝐵
[𝑌 𝑏 ] = [
−𝑗𝐵

−𝑗𝐵
]
𝑗𝐵

(1.23)

Biến đổi (1.22) về ma trận tán xạ tại điểm tham khảo t3
𝐵)
𝐵 )2
𝑌02 − (𝑌11
+ (𝑌12
𝐵
𝐵 )2
𝐵 )2
𝑌 2 + 2𝑌11
𝑌0 + (𝑌11

− (𝑌12
[𝑆 𝐵 ] = 0
𝐵
−2𝑌0 𝑌12
𝐵
𝐵 )2
𝐵 )2
𝑌0 + (𝑌11
− (𝑌12
[𝑌02 + 2𝑌11

𝐵
−2𝑌0 𝑌12
𝐵
𝐵 )2
𝐵 )2
𝑌02 + 2𝑌11
𝑌0 + (𝑌11
− (𝑌12
𝐵)
𝐵 )2
𝑌02 − (𝑌11
+ (𝑌12
𝐵
𝐵 )2
𝐵 )2
𝑌02 + 2𝑌11
𝑌0 + (𝑌11
− (𝑌12
]

(1.24)

với 𝑌0 = 1⁄𝑍0 và 𝑌𝑖𝑗𝐵 là phần tử ma trận dẫn nạp ở (1.23).

Anten 2

Anten 1

S

La

Phần tử
tập trung
L

Lỗ via
Cổng 1 Cổng 2

W

Hình 1.14. Anten MIMO hai phần tử đơn cực với mạng cách ly (L=45; W= 22; S= 8,5; La=
22,5; đơn vị mm) [15]
𝐵
Để triệt tiêu tương hỗ, phần tử 𝑌21
phải bị triệt tiêu, hay có giá trị bằng không,
𝐵
𝐵
𝑌21

= 𝑌12
= 𝑌0 (

−2𝛼 −2𝑗(2𝜃−𝜙)
) − 𝑗𝐵 = 0
1 − 𝛼 2 𝑒 −2𝑗(2𝜃−𝜙)

(1.25)

Kết quả:
𝜋
𝜃 = 0.5 (𝜙 ± )
2
2𝛼
)𝑌
𝐵 = ±0.5 (
1 + 𝛼2 0

(1.26)
(1.27)