NGHIÊN cứu, PHÁT TRIỂN ĂNG TEN VI dải KÍCH THƯỚC NHỎ BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN ĂNG-TEN VI DẢI
KÍCH THƯỚC NHỎ BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

LÊ TRỌNG TRUNG

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN ĂNG-TEN VI DẢI
KÍCH THƯỚC NHỎ BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 62 52 02 03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. NGUYỄN QUỐC ĐỊNH
TS. HOÀNG ĐÌNH THUYÊN

HÀ NỘI - 2016


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên
cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết
quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố
trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều
đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định.
Hà Nội, ngày 27 tháng 10 năm 2016
Tác giả

Lê Trọng Trung


LỜI CẢM ƠN

Trước hết, những người đầu tiên nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn
sâu sắc là các thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Quốc Định và TS. Hoàng
Đình Thuyên. Nghiên cứu sinh cám ơn chân thành tới các thầy cô trong khoa
Vô Tuyến Điện Tử đã tạo điều kiện giúp đỡ về mọi mặt trong quá trình học
tập, nghiên cứu tại khoa.
Nghiên cứu sinh xin cám ơn GS. TS. Yoshihide Yamada và PGS. TS.
Naobumi Michishita thuộc khoa Điện - Điện tử, Đại học Phòng vệ Nhật Bản
đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện ý tưởng nghiên cứu của
luận án.

Nghiên cứu sinh cám ơn Phòng đo lường thuộc Trung tâm 80, Cục tác
chiến điện tử, Bộ quốc phòng và Phòng thí nghiệm thuộc khoa Điện - Điện
tử, Đại học Phòng vệ Nhật Bản đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh hoàn
thành đo kiểm các ăng-ten chế tạo .
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học - Học viện Kỹ
thuật Quân sự, Trường Đại học Thông tin Liên lạc và Bộ tư lệnh Thông tin
Liên lạc đã giúp đỡ, tạo điều kiện để nghiên cứu sinh học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè
đã động viên, giúp đỡ nghiên cứu sinh trong quá trình học tập, nghiên cứu.


MỤC LỤC

MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vi

DANH MỤC BẢNG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xi

MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN BĂNG SIÊU RỘNG

8

1.1. Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.2. Tổng quan về hệ thống thông tin băng siêu rộng . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.2.1. Những vấn đề chung về hệ thống thông tin băng siêu rộng . . . .

8

1.2.2. Các ứng dụng cơ bản của hệ thống thông tin băng siêu rộng

13

1.3. Những vấn đề chung về ăng-ten dải siêu rộng . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.3.1. Ăng-ten dải siêu rộng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.3.2. Những vấn đề về ăng-ten dải siêu rộng đơn cực dạng tấm . . .

17

1.3.3. Những vấn đề về ăng-ten dải siêu rộng đơn cực dạng khe . . . .

19

1.4. Các yêu cầu cơ bản của ăng-ten dải siêu rộng . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

1.4.1. Yêu cầu về băng thông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

1.4.2. Yêu cầu về kích thước ăng-ten UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

1.4.3. Yêu cầu về tương hỗ trong ăng-ten MIMO UWB . . . . . . . . . . . .

35

1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu ăng-ten dải siêu rộng. . . . . . . . . . .

38

1.5.1. Các công trình nghiên cứu ăng-ten UWB đơn cực dạng tấm .

38

i


ii

1.5.2. Các công trình nghiên cứu ăng-ten UWB đơn cực dạng khe .

41

1.5.3. Các công trình nghiên cứu ăng-ten MIMO UWB hai phần tử

42

1.5.4. Đánh giá các thiết kế ăng-ten dải siêu rộng. . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

1.6. Định hướng nghiên cứu của luận án . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

1.7. Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

Chương 2. NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT CÁC MẪU ĂNG-TEN
UWB DẠNG TẤM VÀ DẠNG KHE KÍCH THƯỚC NHỎ . .

47

2.1. Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

2.2. Thiết kế ăng-ten UWB đơn cực dạng tấm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

2.2.1. Yêu cầu đối với thiết kế ăng-ten UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

2.2.2. Tính toán cấu trúc ăng-ten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

2.2.3. Chế tạo và đo kiểm ăng-ten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

2.2.4. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

2.3. Thiết kế ăng-ten UWB đơn cực dạng khe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

2.3.1. Tính toán cấu trúc ăng-ten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

2.3.2. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

2.3.3. Chế tạo và đo kiểm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

2.3.4. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

2.4. Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

Chương 3. NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT CÁC MẪU ĂNG-TEN
MIMO UWB CÓ ĐỘ TƯƠNG HỖ NHỎ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1. Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77
77


iii

3.2. Thiết kế ăng-ten MIMO UWB dùng hai ăng-ten dạng khe . . . . . .

78

3.2.1. Cấu trúc của ăng-ten MIMO UWB thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

3.2.2. Chế tạo và đo kiểm các tham số của ăng-ten . . . . . . . . . . . . . . . .

88

3.2.3. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

3.3. Thiết kế ăng-ten MIMO UWB dùng hai ăng-ten dạng tấm . . . . . .

95

3.3.1. Cấu trúc ăng-ten MIMO UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95

3.3.2. Chế tạo và đo kiểm các tham số của ăng-ten . . . . . . . . . . . . . . .

105

3.3.3. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

111

3.4. Thiết kế ăng-ten MIMO UWB kết hợp ăng-ten đơn cực dạng tấm với
ăng-ten đơn cực dạng khe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

112

3.4.1. Cấu trúc của ăng-ten MIMO UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

112

3.4.2. Chế tạo và đo kiểm các tham số của ăng-ten . . . . . . . . . . . . . . .

124

3.4.3. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

133

3.5. Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

134

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU . . . . . . . . . . . . . . . . . .

139

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . .

141

TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

144


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Nghĩa Tiếng Anh

Nghĩa Tiếng Việt

ADC

Analog to Digital Con-

Mạch chuyển đổi tương tự

verter

ra số

ATL

Artificial Transmision Line

Đường truyền nhân tạo

BW

Bandwidth

Băng thông

CRLH

Composite

CSRR

FCC

FDTD

FEM

Right

Left

Đường truyền kết hợp trái

Handed

và phải

Composite Split-Ring Res-

Vòng chia cộng hưởng có

onator

khe bổ sung

Federal

Communications

Ủy ban truyền thông liên

Commission

bang Mỹ

Finite Difference Time Do-

Vi phân hữu hạn miền thời

main

gian

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu
hạn

HFSS

High Frequency Structure

Mô phỏng trường điện từ

Simulator
IEEE

Institute of Electrical and

Viện kỹ sư Điện-Điện tử

Electronics Engineers
ISI

Intersymbol Interference

iv

Giao thoa giữa các ký hiệu


v

MIMO

Multiple Input Multiple

Đa đầu vào đa đầu ra

Output
MB-OFDM

Multiband-Orthogonal

Ghép kênh phân chia theo

Frequency Division Multi-

tấn số trực giao đa băng

plex
MB-UWB

Multiband

Ultra-

Đa băng siêu rộng

Wideband
OFDM

Orthogonal Frequency Di-

Ghép kênh phân chia theo

vision Multiplexing

tần số trực giao

PPM

Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SRR

Split-Ring Resonator

Vòng chia cộng hưởng có
khe

USB

Universal Serial Bus

Chuẩn kết nối đa dụng

UWB

Ultra-Wide Band

Băng siêu rộng

TH-UWB

Time-Hopping

Ultra-

Nhảy thời gian băng siêu

Wideband

rộng

TM

Transverse Magnectic

Từ trường ngang

TE

Transverse Electric

Điện trường ngang

VSWR

Voltage

Standing

Wave

Hệ số sóng đứng điện áp

Personal

Area

Mạng không dây cá nhân

Ratio
WPAN

Wireless
Network


DANH MỤC HÌNH VẼ

1.1

UWB tồn tại cùng các hệ thống thông tin băng hẹp khác. . . . . 12

1.2

Mô hình ăng-ten mạch dải chữ nhật. . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3

Cấu trúc của ăng-ten đơn cực dạng khe: a) Ngắn mạch tại khe;

b) Kéo dài qua khe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.4

Các loại ăng-ten đơn cực dạng khe: a) Khe ở trung tâm; b)
Khe nghiêng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1

Cấu trúc của ăng-ten: a) Mặt trên, b) Mặt dưới, c) Mặt bên. . . 51

2.2

Cấu trúc của ăng-ten: a) Cấu trúc với hai bước, b) Mạch tương
đương. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.3

Phân bố dòng điện của ăng-ten khi chưa khoét tại tần số 7 GHz . 54

2.4

Hệ số sóng đứng điện áp của ăng-ten thiết kế. . . . . . . . . . . 55

2.5

Đồ thị bức xạ tại 3,1 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.6

Đồ thị bức xạ tại 5,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.7

Đồ thị bức xạ tại 7,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.8

Đồ thị bức xạ tại 9,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.9

Đồ thị bức xạ tại 10,6 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.10 Hệ số tăng ích cực đại của ăng-ten. . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.11 Hiệu suất bức xạ của ăng-ten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.12 Ăng-ten chế tạo: a) Mặt trên; b) Mặt dưới. . . . . . . . . . . . . 60
2.13 So sánh hệ số sóng đứng điện áp của ăng-ten. . . . . . . . . . . . 60
2.14 Phân bố biên độ dòng điện của ăng-ten khi chưa khoét khe. . . . 64
vi


vii

2.15 Cấu trúc ăng-ten: a) Mặt trên; b) Mặt bên; c) Mặt dưới. . . . . . 65
2.16 VSWR của ăng-ten UWB đơn cực dạng khe thiết kế. . . . . . . . 66
2.17 Đồ thị bức xạ tại 3,1 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.18 Đồ thị bức xạ tại 5,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.19 Đồ thị bức xạ tại 7,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.20 Đồ thị bức xạ tại 9,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.21 Đồ thị bức xạ tại 10,6 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.22 Hệ số tăng ích cực đại của ăng-ten. . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.23 Hiệu suất bức xạ của ăng-ten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.24 Ăng-ten chế tạo: a)Mặt trên; b)Mặt dưới. . . . . . . . . . . . . . 72
2.25 So sánh hệ số sóng đứng điện áp. . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1

Cấu trúc ăng-ten MIMO: a) Mặt trên; b) Mặt bên; c) Mặt dưới. . 78

3.2

Dây chêm và sơ đồ tương đương: a) Cấu trúc; b) Sơ đồ tương
đương; c) Sơ đồ tương đương rút gọn. . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.3

Hệ số sóng đứng điện áp của ăng-ten MIMO có và không có
dây chêm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.4

S12 và S21 của ăng-ten MIMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.5

Hệ số tương quan của ăng-ten MIMO. . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.6

Phân bố dòng điện của ăng-ten tại tần số 3,5 GHz: a) Không

dùng dây chêm; b) Dùng dây chêm. . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.7

Đồ thị bức xạ tại 3,1 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.8

Đồ thị bức xạ tại 5,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.9

Đồ thị bức xạ tại 7,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.10 Đồ thị bức xạ tại 9,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86


viii

3.11 Đồ thị bức xạ tại 10,6 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.12 Hệ số tăng ích cực đại của ăng-ten. . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.13 Hiệu suất bức xạ của ăng-ten MIMO UWB.

. . . . . . . . . . . 87

3.14 Độ trễ nhóm của ăng-ten MIMO UWB. . . . . . . . . . . . . . . 88
3.15 Ăng-ten chế tạo: a) Mặt trên; b) Mặt dưới. . . . . . . . . . . . . 89
3.16 So sánh hệ số sóng đứng điện áp của ăng-ten 1. . . . . . . . . . . 90
3.17 So sánh hệ số sóng đứng điện áp của ăng-ten 2. . . . . . . . . . . 90
3.18 So sánh kết quả đo kiểm và mô phỏng của S12 và S21 . . . . . . . 91

3.19 So sánh đồ thị bức xạ tại 3,1 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.20 So sánh đồ thị bức xạ tại 5,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.21 So sánh đồ thị bức xạ tại 7,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.22 So sánh đồ thị bức xạ tại 9,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.23 So sánh đồ thị bức xạ tại 10,6 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.24 Cấu trúc ăng-ten MIMO: a) Mặt trên; b) Mặt dưới; c) Mặt bên. . 96
3.25 Dây chêm và sơ đồ tương đương: a) Cấu trúc; b) Sơ đồ tương
đương; c) Sơ đồ tương đương rút gọn. . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.26 Hệ số sóng đứng điện áp của ăng-ten MIMO có và không có
dây chêm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.27 S12 và S21 của ăng-ten MIMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.28 Hệ số tương quan của ăng-ten MIMO. . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.29 Phân bố dòng của ăng-ten tại tần số 4,0 GHz: a) Không dùng
dây chêm; b) Dùng dây chêm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.30 Đồ thị bức xạ tại 3,1 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.31 Đồ thị bức xạ tại 5,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.32 Đồ thị bức xạ tại 7,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101


ix

3.33 Đồ thị bức xạ tại 9,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.34 Đồ thị bức xạ tại 10,6 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.35 Hệ số tăng ích cực đại của ăng-ten. . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.36 Hiệu suất bức xạ của ăng-ten MIMO. . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.37 Độ trễ nhóm của ăng-ten MIMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.38 Ăng-ten chế tạo: a) Mặt trên; b) Mặt dưới . . . . . . . . . . . . 106
3.39 So sánh hệ số sóng đứng điện áp của ăng-ten 1. . . . . . . . . . . 107
3.40 So sánh hệ số sóng đứng điện áp của ăng-ten 2. . . . . . . . . . . 107
3.41 So sánh kết quả đo kiểm và mô phỏng của S12 và S21 . . . . . . . 108

3.42 So sánh đồ thị bức xạ tại 3,1 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.43 So sánh đồ thị bức xạ tại 5,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.44 So sánh đồ thị bức xạ tại 7,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.45 So sánh đồ thị bức xạ tại 9,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.46 So sánh đồ thị bức xạ tại 10,6 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.47 Cấu trúc của ăng-ten MIMO: a) Mặt trên; b) Mặt bên; c) Mặt dưới.113
3.48 Dây chêm và sơ đồ tương đương: a) Cấu trúc; b) Sơ đồ tương
đương; c) Sơ đồ tương đương rút gọn. . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.49 Hệ số sóng đứng điện áp của ăng-ten MIMO không dùng dây chêm.115
3.50 Hệ số sóng đứng điện áp của ăng-ten MIMO dùng dây chêm. . . 116
3.51 S12 và S21 của ăng-ten MIMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.52 Hệ số tương quan của ăng-ten MIMO. . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.53 Phân bố dòng điện của ăng-ten MIMO tại tần số 4,0 GHz khi
ăng-ten 1 làm việc: a) Không dây chêm; b) Có dây chêm. . . . . 118
3.54 Phân bố dòng điện của ăng-ten MIMO tại tần số 4,0 GHz khi
ăng-ten 2 làm việc: a) Không dây chêm; b) Có dây chêm. . . . . 119


x

3.55 Đồ thị bức xạ tại 3,1 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.56 Đồ thị bức xạ tại 5,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.57 Đồ thị bức xạ tại 7,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.58 Đồ thị bức xạ tại 9,0 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.59 Đồ thị bức xạ tại 10,6 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.60 Hệ số tăng ích cực đại của ăng-ten. . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.61 Hiệu suất bức xạ của ăng-ten MIMO. . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.62 Độ trễ nhóm của ăng-ten 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.63 Độ trễ nhóm của ăng-ten 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.64 Ăng-ten chế tạo: a) Mặt trên; b) Mặt dưới. . . . . . . . . . . . . 125

3.65 So sánh hệ số sóng đứng điện áp của ăng-ten 1. . . . . . . . . . . 126
3.66 So sánh hệ số sóng đứng điện áp của ăng-ten 2. . . . . . . . . . . 126
3.67 So sánh kết quả đo kiểm và mô phỏng của S12 và S21 . . . . . . . 127
3.68 So sánh đồ thị bức xạ của ăng-ten đơn cực dạng tấm tại 3,1 GHz. 128
3.69 So sánh đồ thị bức xạ của ăng-ten đơn cực dạng tấm tại 5,0 GHz. 128
3.70 So sánh đồ thị bức xạ của ăng-ten đơn cực dạng tấm tại 7,0 GHz. 129
3.71 So sánh đồ thị bức xạ của ăng-ten đơn cực dạng tấm tại 9,0 GHz. 129
3.72 So sánh đồ thị bức xạ của ăng-ten đơn cực dạng tấm tại 10,6 GHz. 130
3.73 So sánh đồ thị bức xạ của ăng-ten đơn cực dạng khe tại 3,1 GHz. 130
3.74 So sánh đồ thị bức xạ của ăng-ten đơn cực dạng khe tại 5,0 GHz. 131
3.75 So sánh đồ thị bức xạ của ăng-ten đơn cực dạng khe tại 7,0 GHz. 131
3.76 So sánh đồ thị bức xạ của ăng-ten đơn cực dạng khe tại 9,0 GHz. 132
3.77 So sánh đồ thị bức xạ của ăng-ten đơn cực dạng khe tại 10,6 GHz. 132


DANH MỤC BẢNG

1.1

Tổng hợp các công trình thiết kế về ăng-ten UWB đơn cực
dạng tấm.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.2

Tổng hợp các công trình ăng-ten UWB đơn cực dạng khe. . . . . 42

1.3

Tổng hợp các thiết kế ăng-ten MIMO UWB hai phần tử. . . . . . 43

2.1

Tham số kích thước của ăng-ten (mm). . . . . . . . . . . . . . . 51

2.2

So sánh ăng-ten thiết kế với các công trình đã công bố. . . . . . 62

2.3

Tham số kích thước của ăng-ten (mm). . . . . . . . . . . . . . . 65

2.4

So sánh ăng-ten UWB thiết kế với các công trình đã công bố. . . 74

3.1

Tham số kích thước của ăng-ten (mm). . . . . . . . . . . . . . . 79

3.2

Tham số kích thước của ăng-ten (mm). . . . . . . . . . . . . . . 96

3.3

Tham số kích thước của ăng-ten (mm). . . . . . . . . . . . . . . 114

3.4

So sánh các ăng-ten MIMO UWB thiết kế với các công trình
đã công bố. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

3.5

So sánh khoảng cách giữa các phần tử và S12 của ba ăng-ten
MIMO UWB thiết kế. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

3.6

So sánh các tham số của ba ăng-ten MIMO UWB thiết kế.

xi

. . . 137


MỞ ĐẦU
1. Công nghệ băng siêu rộng và ăng-ten băng siêu rộng
Công nghệ băng siêu rộng (UWB) đã và đang mở ra một hướng phát triển
mới cho truyền thông không dây, nó đem lại những ưu điểm vượt trội hơn về
mặt công nghệ cũng như hiệu quả của hệ thống. Điểm đặc biệt là sử dụng
năng lượng thấp và hoạt động song song bên cạnh các hế thống vô tuyến
khác mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau.
Công nghệ vô tuyến UWB đang thu hút được sự chú ý của cộng đồng
nghiên cứu, phát triển sản phẩm trên thế giới. Công nghệ UWB đem lại
nhiều hứa hẹn về một môi trường truyền thông tốc độ rất cao. Tương lai của
các mạng không dây giữa các thiết bị trong gia đình sẽ là công nghệ UWB

với khả năng chia sẻ hình ảnh số, âm nhạc, video, dữ liệu và tiếng nói... tốc
độ cao. Công nghệ UWB với bước sóng rất ngắn, thích hợp cho các mạng
gia đình WPAN. Đây được coi là công nghệ có giá rẻ, tiết kiệm năng lượng,
băng thông rộng. Công nghệ UWB chủ yếu hướng tới ứng dụng truyền thông
trong phạm vi hẹp với tốc độ cao. Với sự ra đời của công nghệ UWB, một
môi trường truyền thông vô tuyến tốc độ cao tới các thiết bị cầm tay không
còn xa vời.
Sự ra đời của công nghệ UWB đặt ra nhiều thách thức về kỹ thuật trong
đó có vấn đề tính toán, thiết kế và chế tạo ăng-ten. Ăng-ten dùng cho thiết
bị UWB yêu cầu nhỏ gọn, ít gây méo tín hiệu trong một dải tần rất rộng từ
3,1 GHz đến 10,6 GHz. Khác với ăng-ten vô tuyến băng hẹp truyền thống,

1


2

ăng-ten UWB hoạt động trong dải tần rất rộng với những yêu cầu khắt khe
về công suất bức xạ và độ méo dạng tín hiệu xung. Ăng-ten mạch dải là sự
lựa chọn thích hợp cho thiết kế ăng-ten UWB với việc phối hợp trở kháng
tốt trên toàn băng tần cũng như đồ thị bức xạ tương đối đẳng hướng, đồng
thời cho kích thước nhỏ gọn, đồng phẳng và dễ chế tạo.
Việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế ăng-ten cho hệ thống UWB đã và đang
là vấn đề khó khăn, thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu
trong và ngoài nước. Các nhà thiết kế ăng-ten với mục đích hướng tới là thiết
kế ăng-ten UWB không những chỉ đảm bảo tối ưu về mặt kỹ thuật mà còn
phải có cấu trúc nhỏ, gọn,... Mục tiêu đặt ra và hướng tới là thiết kế ăng-ten
MIMO UWB để nâng cao tốc độ truyền dẫn dữ liệu, mở rộng cự ly thông
tin trong điều kiện bị giới hạn, ràng buộc về công suất nhằm không làm ảnh
hưởng tới các hệ thống thông tin hiện hành. Đây cũng là một hướng ứng

dụng mới của công nghệ UWB.
Trong công nghệ UWB, khi sử dụng một ăng-ten đơn đã cho tốc độ truyền
dữ liệu đạt tới hàng Gbps, tuy nhiên vấn đề đặt ra là tốc độ này chỉ đạt
được trong một phạm vi hẹp. Khi truyền dẫn ở cự ly xa hơn thì tốc độ giảm
xuống nhanh chóng do công nghệ UWB bị giới hạn về mức công suất phát để
không làm ảnh hưởng tới các hệ thống vô tuyến khác cùng hoạt động trong
băng tần. Khi sử dụng kỹ thuật MIMO sẽ góp phần nâng cao chất lượng
truyền dẫn dữ liệu. Chính vì vậy, một giải pháp đang đặt ra và hướng tới
nâng cao tốc độ truyền dẫn dữ liệu ở cự ly xa hơn nhằm khai thác được các
ưu điểm của công nghệ UWB đó là sử dụng công nghệ UWB kết hợp với kỹ
thuật MIMO. Việc kết hợp này cho phép phát huy các lợi thế của công nghệ
UWB trong điều kiện công suất sử dụng thấp nhưng vẫn truyền dẫn được dữ


3

liệu tốc độ cao và kéo dài đáng kể cự ly thông tin. Việc nghiên cứu, thiết kế
ăng-ten UWB có cấu trúc nhỏ, gọn không chỉ phù hợp chung cho các thiết
bị cầm tay thế hệ mới mà còn hướng tới thiết kế ăng-ten MIMO UWB, đây
cũng chính là mục tiêu của thiết kế ăng-ten UWB gần đây.
Trong thời gian qua, ăng-ten MIMO UWB cũng đã và đang được tập trung
nghiên cứu, phát triển. Việc nghiên cứu, thiết kế ăng-ten MIMO UWB đặt
ra nhiều thách thức, trước hết ăng-ten MIMO hoạt động trên toàn bộ dải
tần công tác từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz với độ tương hỗ nhỏ nhưng đồng thời
ăng-ten cũng phải có cấu trúc nhỏ, gọn, phù hợp với cấu trúc chung của các
thiết bị cần tay thế hệ mới. Như vậy, ta phải lựa chọn hợp lý các tham số để
thỏa mãn tất cả các yêu cầu kỹ thuật của ăng-ten UWB. Hiện nay, nghiên
cứu thiết kế ăng-ten MIMO UWB đang tập trung vào nghiên cứu đối với
ăng-ten MIMO hai phần tử.
2. Những tồn tại của vấn đề nghiên cứu

Việc nghiên cứu, thiết kế ăng-ten UWB đặt ra nhiều thách thức, đã có
các thiết kế ăng-ten UWB trên nhiều loại vật liệu với kích thước, hình dạng
khác nhau. Tuy nhiên, đối với các ăng-ten mạch dải vẫn là lựa chọn chủ yếu
cho nghiên cứu, thiết kế ăng-ten UWB. Có nhiều thiết kế ăng-ten UWB được
công bố trong các công trình [5], [11], [13], [27], [30], [45], [46], [56], [61], [62],
[63] và [74]. Các thiết kế ăng-ten UWB dạng khe đang được tập trung nghiên
cứu, như các thiết kế [58], [70], [82]. Ăng-ten khe thường có kích thước khá
nhỏ so với các ăng-ten dạng tấm. Các thiết kế ăng-ten luôn hướng tới mục
tiêu ngày càng tối ưu, đạt được phẩm chất kỹ thuật tốt hơn. Một trong những
hướng nghiên cứu, thiết kế ăng-ten UWB tập trung hướng tới đó là thiết kế
các ăng-ten có kích thước nhỏ, gọn, đồng phẳng. Có nhiều thiết kế ăng-ten


4

UWB được công bố, tuy nhiên kích thước vẫn còn khá lớn hoặc cấu trúc
không đồng phẳng, không thích hợp cho các thiết bị cầm tay thế hệ mới.
Song song với công nghệ UWB, kỹ thuật MIMO cũng được kết hợp nhằm
mục đích nâng cao tốc độ và chất lượng truyền tải dữ liệu, mở rộng cự ly thông
tin. Vấn đề thiết kế ăng-ten MIMO UWB đã và đang thu hút được sự chú
ý nghiên cứu, phát triển tích cực trong thời gian gần đây. Đã có nhiều công
trình nghiên cứu về ăng-ten MIMO UWB như [7]-[9], [77]-[79]. Tuy nhiên,
kích thước ăng-ten vẫn còn khá lớn, chưa thực sự phù hợp với các thiết bị
cầm tay thế hệ mới. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu đưa ra các giải pháp giảm
nhỏ độ tương hỗ giữa các phần tử trong ăng-ten MIMO UWB vẫn chưa thực
sự được chú trọng. Kích thước của ăng-ten chỉ có thể giảm trong điều kiện
cho phép về độ tương hỗ, do vậy giảm độ tương hỗ đồng nghĩa với việc giảm
nhỏ kích thước của ăng-ten MIMO UWB. Như vậy, độ tương hỗ là một tiêu
chí quan trọng để đánh giá chất lượng của ăng-ten MIMO UWB.
Để ăng-ten MIMO UWB có kích thước nhỏ thì các ăng-ten UWB đơn cực

tạo nên nó phải có kích thước nhỏ và cấu trúc phù hợp. Chính vì vậy, vấn
đề đặt ra đối với luận án là phải nghiên cứu, thiết kế ăng-ten UWB có kích
thước nhỏ, coi đây là cơ sở để thiết kế ăng-ten MIMO UWB kích thước nhỏ
với độ tương hỗ thấp. Để đạt được yêu cầu thiết kế ăng-ten UWB và ăng-ten
MIMO UWB, trước hết phải nghiên cứu các giải pháp mở rộng dải thông và
giảm nhỏ kích thước ăng-ten UWB. Đối với ăng-ten MIMO UWB, cần nghiên
cứu các giải pháp giảm nhỏ độ tương hỗ giữa các phần tử trong ăng-ten. Cụ
thể là dùng dây chêm và dùng các loại ăng-ten UWB khác nhau để giảm độ
tương hỗ. Những vấn đề nghiên cứu này làm cơ sở để tiến hành thiết kế các
ăng-ten UWB và ăng-ten MIMO UWB.


5

3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu các giải pháp mở rộng dải thông và giảm nhỏ kích thước
đối với ăng-ten UWB.
- Nghiên cứu các giải pháp giảm nhỏ độ tương hỗ giữa các phần tử trong
ăng-ten MIMO UWB.
- Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ăng-ten UWB đơn cực dạng tấm và ăngten UWB đơn cực dạng khe có kích thước nhỏ làm cơ sở để thiết kế
ăng-ten MIMO UWB.
- Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các ăng-ten MIMO UWB kích thước nhỏ
với độ tương hỗ thấp.
2. Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu ăng-ten UWB và ăng-ten MIMO UWB theo tiêu chuẩn FCC
năm 2002 của Mỹ. Tập trung vào ăng-ten mạch dải, cụ thể là ăng-ten
UWB dạng đơn cực và ăng-ten UWB dạng khe. Đối với ăng-ten MIMO
UWB chỉ tập trung nghiên cứu đối với loại ăng-ten gồm hai phần tử.
- Nghiên cứu, thiết kế và phát triển các mẫu ăng-ten UWB theo tiêu

chuẩn FCC.
3. Phạm vi nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng thể về công nghệ UWB và vị trí, vai trò của ăng-ten
trong hệ thống thông tin UWB.
- Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết ăng-ten, chú trọng đối với ăng-ten
mạch dải, trong đó tập trung vào ăng-ten UWB đơn cực dạng tấm, ăng-


6

ten UWB đơn cực dạng khe và ăng-ten MIMO UWB hai phần tử có kích
thước nhỏ với độ tương hỗ thấp.
- Các thiết kế ăng-ten được thực hiện trên nền chất điện môi FR4, là vật
liệu phổ biến, giá thành hợp lý tại Việt Nam.
4. Đóng góp của luận án
Một số đóng góp chính của luận án có thể được tóm tắt như sau:
1. Nghiên cứu, đề xuất ăng-ten UWB bao gồm ăng-ten UWB đơn cực dạng
tấm và ăng-ten UWB đơn cực dạng khe có kích thước nhỏ. Các ăng-ten
UWB này được thiết kế theo kiểu ăng-ten mạch dải, trên nền chất điện
môi FR4, là vật liệu phổ biến tại Việt Nam.
2. Nghiên cứu, đề xuất ăng-ten MIMO UWB kích thước nhỏ với độ tương
hỗ thấp. Trên cơ sở các ăng-ten UWB thiết kế trên đã thiết kế ba mẫu
ăng-ten MIMO UWB. Các ăng-ten MIMO này có sử dụng dây chêm và
kết hợp các ăng-ten khác loại để giảm nhỏ độ tương hỗ.
4. Bố cục luận án
Luận án được tổ chức theo 3 chương, bố cục cụ thể như sau:

• Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN DẢI SIÊU RỘNG
Chương này đã trình bày những vấn đề chung về hệ thống thông tin
UWB, các giải pháp mở rộng dải thông và giảm nhỏ kích thước của ăngten UWB. Trình bày các giải pháp giảm nhỏ độ tương hỗ trong ăng-ten

MIMO UWB. Khái quát tình hình nghiên cứu về ăng-ten UWB, ăng-ten
MIMO UWB và định hướng nghiên cứu của luận án.


7

• Chương 2: NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT CÁC MẪU ĂNG-TEN UWB
DẠNG TẤM VÀ DẠNG KHE KÍCH THƯỚC NHỎ
Trong chương này trình bày các nghiên cứu, thiết kế về ăng-ten UWB.
Các ăng-ten UWB thiết kế gồm ăng-ten UWB đơn cực dạng tấm và ăngten UWB đơn cực dạng khe. Các ăng-ten thiết kế được tiến hành mô
phỏng, chế tạo, đo kiểm và so sánh với các thiết kế đã công bố.

• Chương 3: NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT CÁC MẪU ĂNG-TEN MIMO
UWB CÓ ĐỘ TƯƠNG HỖ NHỎ
Trên cơ sở các ăng-ten thiết kế ở chương 2, kết hợp với giải pháp sử dụng
dây chêm để giảm độ tương hỗ trong ăng-ten MIMO UWB, đã tiến hành
thiết kế ba mẫu ăng-ten MIMO UWB, các ăng-ten này được chế tạo, đo
kiểm, so sánh với các công trình đã công bố. Tiến hành đánh giá cụ thể
từng mẫu ăng-ten MIMO thiết kế.


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN BĂNG SIÊU RỘNG
1.1. Giới thiệu chương
Trong chương này, trình bày khái lược về hệ thống thông tin UWB, ưu
điểm, nhược điểm và ứng dụng của hệ thống thông tin UWB. Nêu lên các
yêu cầu cơ bản về thiết kế ăng-ten UWB, trong đó đi sâu nghiên cứu các
giải pháp để mở rộng băng thông và giảm nhỏ kích thước ăng-ten. Đối với
ăng-ten MIMO UWB, đã tiến hành nghiên cứu các giải pháp để giảm nhỏ độ
tương hỗ trong ăng-ten.

Nội dung của chương còn trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về
ăng-ten UWB đơn cực dạng tấm, ăng-ten UWB đơn cực dạng khe và ăng-ten
MIMO UWB. Thực hiện đánh giá các nghiên cứu hiện tại để đưa ra định
hướng nghiên cứu của luận án. Những kiến thức cơ bản trong chương 1 là
tiền đề để thực hiện nghiên cứu các nội dung của luận án.

1.2. Tổng quan về hệ thống thông tin băng siêu rộng
1.2.1. Những vấn đề chung về hệ thống thông tin băng siêu rộng
Công nghệ truyền thông vô tuyến UWB theo tiêu chuẩn FCC đang thu
hút sự chú ý lớn của cộng đồng nghiên cứu trên thế giới. Khác với các kỹ
thuật truyền thống, công nghệ UWB dựa trên việc thu phát các xung có độ
rộng rất nhỏ, cỡ ns. Do vậy, tín hiệu UWB có băng thông rất rộng và mật độ
phổ công suất rất thấp, nhỏ hơn - 41,25 dB/MHz. Bởi thế, công nghệ UWB
còn được gọi bằng những thuật ngữ: truyền thông xung, băng cơ sở hay phi
8


9

sóng mang.
Một động lực khác phải kể đến là năm 2002, Ủy ban truyền thông liên
bang Mỹ (FCC) đã ban hành quy định về phổ tần từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz
và mặt nạ phổ công suất với công suất phát không quá 0,5 mW cho truyền
thông vô tuyến UWB. Đây là một dấu mốc quan trọng trong sự phát triển
của công nghệ UWB. Trong những năm qua đã có hàng trăm công ty hoạt
động nghiên cứu trong lĩnh vực này. Vì vậy, IEEE đã thành lập nhóm chuyên
trách (IEEE 802.15.3a) để chuẩn hóa lớp vật lý cho công nghệ truyền thông
vô tuyến tốc độ cao dựa trên công nghệ UWB. Song song với đó, trong lĩnh
vực công nghiệp, hai liên minh WiMedia và Diễn đàn UWB đã có các sản
phẩm ban đầu vào năm 2005. Điều đáng nói là không liên minh nào sử dụng

kỹ thuật phát xung trực tiếp. Bên cạnh các ứng dụng tốc độ cao, công nghệ
UWB còn được phát triển trong lĩnh vực truyền dữ liệu tốc độ thấp nhưng
chú trọng mục tiêu giảm thiểu công suất.
Công nghệ UWB về căn bản khác so với các công nghệ không dây băng
hẹp và trải phổ như công nghệ Bluetooth và 802.11a/g. Công nghệ UWB
sử dụng một băng thông cực rộng của phổ tần số để truyền dữ liệu. Do đó,
UWB có khả năng truyền tải với tốc độ dữ liệu lớn hơn hẳn so với các công
nghệ truyền thống.
Tốc độ truyền dữ liệu qua đường truyền vô tuyến tỉ lệ thuận với băng
thông của kênh truyền và phụ thuộc theo hàm loga của tỉ số tín hiệu trên
nhiễu. Nhưng độ rộng băng thông của kênh vô tuyến được ấn định trước, các
nhà thiết kế khó có thể thay đổi thông số này trong các hệ thống thông tin
vô tuyến. Công nghệ Bluetooth, WiFi, điện thoại không dây, một số thiết bị
khác sử dụng các băng tần không đăng ký ở 900 MHz; 2,4 GHz và 5,1 GHz.


10

Mỗi kênh vô tuyến bắt buộc chiếm giữ một dải tần hẹp so với công nghệ
UWB. Công nghệ UWB là cách sử dụng phổ tần số mới duy nhất, khác biệt
so với các cách thức sử dụng trước đây.
Dải tần số sử dụng rộng 7,5 GHz, từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz, với mỗi kênh
chiếm độ rộng băng tần hơn 500 MHz, độ rộng băng tần của kênh phụ thuộc
vào tần số trung tâm. Để cho phép băng tần tín hiệu rộng, FCC yêu cầu rất
khắt khe cho việc hạn chế công suất phát. Các thiết bị công nghệ UWB có
thể làm việc ở dải tần cực rộng trong khi năng lượng phát ra không đủ lớn
như các thiết bị sử dụng công nghệ băng hẹp theo chuẩn 802.11a/g. Đây là
sự chia sẻ phổ tần số cho phép thiết bị đạt được tốc độ truyền dữ liệu rất cao
nhưng chúng phải đặt ở gần nhau. Sự giới hạn nghiêm ngặt về công suất đồng
nghĩa với bản thân công nghệ UWB có công suất tiêu thụ thấp. Vì sử dụng

công suất thấp nên có lợi thế để triển khai công nghệ UWB với chi phí thấp.
Với các đặc tính công suất thấp, giá rẻ, tốc độ dữ liệu cao ở khoảng cách
giới hạn. Công nghệ UWB chọn lọc ưu điểm của các kỹ thuật xử lý tín hiệu
băng rộng trước nó như: MB-OFDM,. . . tạo thành các kỹ thuật MB-UWB,
TH-UWB,. . .
Trong lĩnh vực nghiên cứu về công nghệ UWB, cộng đồng khoa học tập
trung giải quyết nhiều vấn đề: phát triển kỹ thuật nhảy thời gian, đa truy
nhập và xử lý can nhiễu, kỹ thuật san bằng kênh, bộ thu Rake, kết hợp UWB
với MIMO, mô hình hóa hệ thống, kênh truyền UWB cũng như thiết kế, chế
tạo các mô đun phần cứng trong đó có ăng-ten cho hệ thống UWB.
* Ưu điểm của hệ thống thông tin UWB
- Hoạt động song song bên cạnh các hệ thống băng hẹp hiện có: Theo quy
định của FCC, mật độ phổ của UWB rất thấp, nhỏ hơn - 41,25 dB/MHz