TỔNG QUAN VỀ ANTEN
Tổng quan
Trong bối cảnh hệ thống truyền thông không dây hiện đại, nhu cầu về băng thông rộng, đa tần và anten kích thước nhỏ đang gia tăng mạnh mẽ cho cả ứng dụng thương mại và quân sự Điều này đã thúc đẩy nghiên cứu về anten theo nhiều hướng khác nhau, trong đó nổi bật là việc sử dụng anten vi dải Truyền thống, mỗi anten chỉ hoạt động ở băng tần đơn hoặc kép, dẫn đến việc cần thiết phải sử dụng nhiều anten khác nhau cho các ứng dụng cụ thể.
Anten là thành phần thiết yếu trong các hệ thống thông tin liên lạc không dây, hoạt động trên tần số vô tuyến và sóng vi ba Định nghĩa, anten là thiết bị chuyển đổi tín hiệu vô tuyến thành tín hiệu điện và ngược lại, cho phép truyền tải thông tin trong không gian tự do Các tiêu chuẩn IEEE cũng đã quy định các thuật ngữ liên quan đến anten (IEEE Std 145).
Anten (1983) là một thiết bị dùng để phát xạ hoặc nhận sóng vô tuyến, đóng vai trò là cầu nối giữa không gian tự do và các thiết bị định hướng, giúp tối ưu hóa việc phát và nhận sóng điện từ Chúng thường được ứng dụng trong các lĩnh vực như phát thanh, truyền hình, điện thoại di động, radar và nhiều hệ thống sử dụng sóng điện từ khác Anten hoạt động dựa trên nguyên tắc tác động qua lại, cho phép duy trì các đặc tính tương tự khi truyền hoặc nhận sóng.
Các nhà khai thác hiện đang tìm kiếm anten đa băng tần hoặc có khả năng cấu hình lại để đáp ứng những thay đổi trong hệ thống Ngoài ra, một số ứng dụng yêu cầu thiết kế anten phải có tính thẩm mỹ, dẫn đến nhu cầu thu nhỏ kích thước anten càng nhiều càng tốt.
Hiện nay, nhiều thiết bị di động sử dụng anten kích thước một phần tư bước sóng, chủ yếu là các phần của dây bức xạ được cắt theo chiều dài xác định Mặc dù thiết kế đơn giản, nhưng những anten này lại có tính chất bức xạ xuất sắc, phù hợp cho các hệ thống hiện đại.
Các hệ thống hoạt động ở tần số 900 MHz như GSM thường gặp vấn đề với chiều dài anten một phần tư bước sóng, gây bất tiện cho người dùng Anten vi dải mang lại lợi thế trong việc thiết kế anten với đặc tính bức xạ tương tự nhưng kích thước nhỏ gọn hơn Xu hướng hiện nay trong công nghệ truyền thông không dây cho thấy sự gia tăng các hệ thống tích hợp nhiều công nghệ, yêu cầu hoạt động ở nhiều dải tần số, từ đó cần một hệ thống anten đáp ứng được các yêu cầu này.
Anten bức xạ vi dải ngày càng được quan tâm nhờ vào tính đơn giản và khả năng tương thích với công nghệ in mạch Với thiết kế hình chữ nhật hoặc các hình dạng khác, anten vi dải có bề mặt bức xạ kim loại trên nền điện môi, mang lại nhiều lợi ích cho các ứng dụng anten Chúng dễ chế tạo, chi phí sản xuất thấp, nhẹ và phẳng, dễ dàng tích hợp vào thiết bị Anten vi dải có thể được sản xuất như một phần tử độc lập hoặc trong một mảng Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là hiệu quả thấp và băng thông hạn chế.
Lý thuyết chung về anten
An antenna is defined by Webster's dictionary as a device, typically made of metal (such as a rod or wire), used to radiate or receive radio waves According to the IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas (IEEE Std 145), it serves a crucial role in communication technology.
Anten là một thiết bị dùng để bức xạ hoặc nhận sóng radio, theo định nghĩa năm 1983 Các cấu trúc khác nhau có thể hoạt động như anten, thường được chế tạo từ vật liệu dẫn điện và có nhiều hình dạng cũng như kích thước khác nhau Kích thước của anten liên quan trực tiếp đến bước sóng mà nó hoạt động; ví dụ, anten thiết kế cho tần số 10 kHz thường lớn hơn nhiều so với anten cho tần số 10 GHz.
Anten là thiết bị dùng để phát bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài Nó hoạt động như một cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng.
Giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và anten thu, không được nối trực tiếp mà qua đường truyền năng lượng điện từ gọi là fider Máy phát tạo ra dao động điện cao tần, truyền đi qua fider đến anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Ngược lại, anten thu tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc, sau đó truyền qua fider tới máy thu Thiết bị anten và fider cần phải truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất, đồng thời không gây méo dạng tín hiệu.
Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng [1]
Hinh 1.2 Mạch điện tương đương [1]
Phương trình tương đương Thevenin của hệ thống anten trong hình 1.1 hoạt động ở chế độ phát, như minh họa trong hình 1.2 Trong đó, nguồn được mô tả bởi bộ tạo dao động lý tưởng, và đường truyền dẫn được thể hiện qua đường dây với trở kháng đặc.
Trong hệ thống anten, trở kháng tải Z_A được xác định bởi tổng của trở kháng tải R_L và trở kháng bức xạ R_R, cùng với phần điện kháng JX_A Trở kháng tải R_L đại diện cho sự mất mát năng lượng do điện môi và vật dẫn, trong khi R_R thể hiện khả năng bức xạ sóng điện từ của anten Điện kháng X_A phản ánh phần ảo của trở kháng liên quan đến bức xạ Bên cạnh sóng điện từ bức xạ ra xa, còn tồn tại trường điện từ dao động gần anten, không bức xạ ra ngoài mà chuyển đổi thành năng lượng điện trường hoặc từ trường thông qua trao đổi với nguồn, được gọi là công suất vô ích Trong điều kiện lý tưởng, năng lượng từ nguồn sẽ được truyền hoàn toàn đến trở kháng bức xạ R_R.
Trong một hệ thống thực tế, luôn có các loại mất mát như mất mát điện môi, mất mát vật dẫn, và mất mát do phản xạ, phụ thuộc vào đặc tính của đường truyền và anten, cũng như sự không hoàn hảo trong phối hợp trở kháng tại điểm tiếp điện giữa chúng.
Sóng phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và anten tạo ra sóng đứng, dẫn đến sự xuất hiện của các nút và bụng sóng trên đường truyền Nếu hệ thống anten thiết kế không chính xác, đường truyền có thể trở thành thành phần lưu giữ năng lượng thay vì truyền năng lượng Cường độ trường cực đại của sóng đứng có thể gây hại cho đường truyền Mất mát tổng phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten và sóng đứng; có thể giảm thiểu mất mát đường truyền bằng cách chọn đường truyền mất mát thấp và giảm trở kháng bức xạ R L Để giảm sóng đứng và tối thiểu hóa khả năng lưu giữ năng lượng, cần phối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng của đường truyền.
Một phương trình tương tự như hình 1.2 được áp dụng để mô tả hệ thống anten trong chế độ thu, trong đó nguồn được thay thế bằng bộ thu Các phần khác của phương trình vẫn giữ nguyên tính tương đương Trở kháng phát xạ R R được sử dụng để biểu thị quá trình thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tự do đến anten.
Anten trong các hệ thống không dây không chỉ thu nhận và truyền phát năng lượng mà còn cần định hướng bức xạ mạnh theo một số hướng nhất định, đồng thời triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác Do đó, anten đóng vai trò quan trọng như một thiết bị bức xạ hướng tính và cần có nhiều hình dạng khác nhau để phục vụ cho các mục đích cụ thể.
Anten là lĩnh vực quan trọng trong công nghệ truyền thông, với nhiều cải tiến đã được phát triển trong hơn 50 năm qua và vẫn còn ứng dụng hiện nay Những tiến bộ mới trong công nghệ anten mang lại những cải thiện đáng kể về hiệu suất và các thông số hệ thống, góp phần nâng cao chất lượng truyền tải.
1.2.2 Các thông số cơ bản của anten
Phần này giới thiệu các khái niệm cơ bản về anten, bao gồm sự bức xạ sóng và trường bức xạ, cùng với giản đồ trường bức xạ Ngoài ra, bài viết còn đề cập đến phân cực sóng bức xạ, độ định hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông và tăng ích của anten.
1.2.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten
Khi năng lượng được truyền tới anten, hai trường được hình thành: trường cảm ứng (trường gần) gắn liền với anten và trường bức xạ (trường xa) Tại anten, cường độ của hai trường này lớn và tỷ lệ thuận với năng lượng cung cấp Ở trường xa, chỉ có trường bức xạ được duy trì, bao gồm hai thành phần chính là điện trường và từ trường.
Cả điện trường và từ trường bức xạ từ anten tạo thành trường điện từ, có khả năng truyền và nhận năng lượng điện từ qua không gian tự do Sóng vô tuyến, một dạng trường điện từ di chuyển, có dạng sóng phẳng ở khu xa Khi sóng lan truyền, năng lượng mà nó mang theo trải ra trên một diện tích ngày càng lớn, dẫn đến việc năng lượng trên một diện tích nhất định giảm đi.
6 giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng
Các tín hiệu vô tuyến được phát ra từ anten tạo ra một trường điện từ với giản đồ xác định, tùy thuộc vào loại anten sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện rõ các đặc tính định hướng của anten.
Hình 1.3 Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1]
Anten vi dải
Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một tấm kim loại mỏng, với độ dày rất nhỏ so với bước sóng trong không gian tự do (λ0) Tấm kim loại này được đặt cách mặt đất một khoảng cách cũng rất nhỏ, thường nằm trong khoảng từ 0.003 λ0 đến 0.05 λ0 Các thông số như w, h, x, y, z, θ và Φ đều liên quan đến cấu trúc và hoạt động của anten này.
Khe bức xạ #1 Khe bức xạ #2
Mặt bức xạ của anten vi dải được tối ưu hóa để đạt được đồ thị bức xạ cực đại bằng cách lựa chọn mode trường bức xạ phù hợp ở khu vực bên dưới patch Việc đạt được bức xạ end-fire cũng phụ thuộc vào việc chọn mode hoạt động đúng Đối với patch hình chữ nhật, chiều dài L thường nằm trong khoảng λ0/3 < L < λ0/2 Patch được tách biệt với mặt phẳng đất bởi một lớp điện môi nền, như minh họa trong hình 1.6.
Điện môi nền là yếu tố quan trọng trong thiết kế anten vi dải, với hằng số điện môi thường nằm trong khoảng 2.2 đến 12 Các lớp điện môi dày có hằng số điện môi thấp thường được ưa chuộng vì chúng cung cấp hiệu suất tốt, băng thông lớn và giảm thiểu sự bức xạ các trường tổn hao vào không gian, mặc dù kích thước phần tử lớn hơn Ngược lại, nền mỏng với hằng số điện môi cao có thể được sử dụng trong thiết kế mạch vi sóng, nhờ vào khả năng giới hạn trường chặt chẽ, giúp giảm thiểu bức xạ và kết hợp không mong muốn, đồng thời cho phép kích thước phần tử nhỏ hơn Tuy nhiên, nhược điểm là sự mất mát lớn hơn, dẫn đến hiệu suất thấp và băng thông nhỏ hơn.
1.3.1 Các hình dạng cơ bản của anten vi dải
Anten vi dải có nhiều thông số chi tiết hơn so với các anten truyền thống Chúng được thiết kế với nhiều hình dạng khác nhau, bao gồm hình vuông, hình tròn, tam giác, bán cầu, hình quạt và hình vành khuyên.
All microstrip antennas can be categorized into four basic types: microstrip patch antennas, microstrip dipole antennas, slot antennas using printed technology, and microstrip traveling-wave antennas.
Hình 1.7 Các dạng anten vi dải thông dụng
Anten bức xạ vi dải bao gồm một mặt bức xạ dẫn điện trên một miếng đế điện môi, với mặt phẳng đất nằm ở phía đối diện Mặc dù có nhiều hình dạng khác nhau, anten mặt bức xạ vi dải thường hoạt động giống như một dipole, dẫn đến đặc tính bức xạ tương tự Trong số các loại anten patch vi dải, hình vuông và hình tròn là hai dạng phổ biến và được sử dụng rộng rãi.
Dipole vi dải có hình dạng tương tự như anten vi dải patch hình vuông, nhưng khác nhau về tỷ số L/W Bề rộng của dipole thường nhỏ hơn 0.05 lần bước sóng trong không gian tự do Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi dải tương đồng, nhưng chúng khác nhau về các đặc tính như điện trở bức xạ, băng thông và bức xạ phân cực chéo Anten dipole vi dải phù hợp cho các ứng dụng tần số cao nhờ vào việc sử dụng miếng đế điện môi dày, giúp đạt được băng thông đáng kể Việc lựa chọn mô hình cấp nguồn là rất quan trọng và cần được xem xét khi phân tích anten dipole vi dải.
Antenna dạng khe in (Printed Slot Antenna) được thiết kế với một khe trong mặt phẳng đất của đế nối đất, có thể có nhiều hình dạng như hình chữ nhật, hình tròn hoặc hình nến Loại anten này phát bức xạ theo hai hướng, tức là bức xạ từ cả hai mặt của khe Để tạo ra bức xạ đơn hướng, người ta có thể sử dụng một mặt phản xạ ở một bên của khe.
Anten vi dải bao gồm nhiều vật dẫn được kết nối với nhau hoặc một đoạn đường truyền vi dải đủ dài và rộng để hỗ trợ chế độ truyền TE Đầu anten được nối đất, trong khi đầu còn lại được điều chỉnh trở kháng để ngăn ngừa hiện tượng sóng đứng Anten MTA có khả năng được thiết kế để định hướng búp sóng chính theo nhiều phương, từ broadside đến endfire.
1.3.2 Đặc tính của anten vi dải
Anten vi dải (MSA) mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các loại anten truyền thống Với thiết kế nhỏ gọn và hiệu suất cao, anten vi dải được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong khoảng băng tần đa dạng.
Từ 100Mhz đến 100Ghz, MSA đã chứng tỏ là một thiết bị phát xạ hiệu quả cho nhiều ứng dụng, mặc dù vẫn còn một số khuyết điểm cần khắc phục Anten vi dải nổi bật với khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng, chi phí sản xuất thấp và dễ dàng sản xuất hàng loạt Nó có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật cấp nguồn đơn giản, đồng thời các đường cung cấp và linh kiện phối hợp trở kháng có thể được sản xuất cùng lúc với anten Hơn nữa, anten vi dải dễ dàng tích hợp với các MIC khác trên cùng một vật liệu nền và linh động giữa phân cực tròn và phân cực thẳng, phù hợp cho các thiết bị di động cá nhân.
Anten microstrip có nhược điểm là băng thông hẹp và vấn đề về dung sai, đồng thời một số loại còn có độ lợi thấp và khả năng tích trữ công suất kém Chúng chủ yếu bức xạ trong nửa không gian phía trên mặt đất, kèm theo bức xạ dư từ đường truyền và mối nối.
1.3.3 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải
Anten vi dải có thành phần bức xạ trên một mặt của đế điện môi, do đó, kỹ thuật cấp nguồn ban đầu thường sử dụng đường truyền vi dải hoặc probe đồng trục kết nối đến patch kim loại Lựa chọn phương pháp cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng hiệu suất truyền năng lượng giữa phần bức xạ và phần cấp nguồn là yếu tố quan trọng nhất, yêu cầu sự phối hợp trở kháng giữa hai phần Thêm vào đó, việc chuyển đổi trở kháng và uốn cong cũng có thể gây ra bức xạ rò và suy hao sóng.
Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải
Kích thích anten vi dải bằng đường truyền vi dải trên cùng một lớp nền là một phương pháp tự nhiên, vì patch có thể coi là một đường truyền vi dải hở và cả hai có thể được thiết kế trên cùng một mạch Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế, bao gồm sự phát xạ không mong muốn từ đoạn feed line khi kích thước của nó đáng kể so với mặt bức xạ Hình 1.8 minh họa hình dạng và cách cấp nguồn bằng đường truyền vi dải cho anten vi dải, đây là phương pháp cấp nguồn phổ biến nhất trong anten vi dải.
Hình 1.8 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải [2]
Cấp nguồn bằng cáp đồng trục
Cấp nguồn qua cáp đồng trục là phương pháp truyền tải công suất cao tần cơ bản, với lõi đầu cấp nguồn nối với mặt bức xạ và phần ngoài nối với đất Phương pháp này có ưu điểm là thiết kế đơn giản và khả năng cấp nguồn linh hoạt tại mọi vị trí trên mặt bức xạ, giúp dễ dàng phối hợp trở kháng Tuy nhiên, nhược điểm của nó bao gồm việc anten không hoàn toàn phẳng do phần đầu cấp nguồn nhô ra, tăng số lượng đầu nối khi cấp nguồn cho dãy anten dẫn đến khó khăn trong chế tạo và giảm độ tin cậy Ngoài ra, việc tăng băng thông anten yêu cầu tăng bề dày lớp nền và chiều dài cáp đồng trục, làm tăng bức xạ rò và điện cảm của cáp.
Patch Điểm tiếp xúc điện
Hình 1.9 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục [2]
Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe Aperture coupled
Patch khe Đường cấp nguồn vi dải
CÔNG NGHỆ BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG VÀ ANTEN MIMO
Công nghệ UWB
2.1.1 Lịch sử phát triển Để có thể truyền tải được khối dữ liệu có dung lượng lớn giữa các thiết bị trong môi trường wireless với khoảng cách gần thì cần phải có một giải pháp cân bằng giữa tốc độ, độ ổn định cũng như tính tin cậy Câu trả lời chính là công nghệ băng thông siêu rộng (UWB), giải pháp này sẽ mở ra một tương lại hứa hẹn như việc tải bộ phim có độ phân giải cao chỉ trong tích tắc cho các giao diện kết nối đa phương tiện ở phạm vi hẹp Việc ứng dụng nó trên các thiết bị di động có tính năng giải trí đang ngày càng trở nên phổ biến Để công nghệ UWB được phổ biến và ứng dụng trong các thiết bị điện tử công nghiệp, các nhà nghiên cứu khoa học, hiệp hội, tổ chức điện tử, tin học trên thế giới đã tổ chức rất nhiều các cuộc hội thảo, hội nghị để đưa ra chuẩn quốc tế cho công nghệ này Mọi thứ được khởi động bởi tuyên bố của FCC vào ngày 14 tháng 2 năm 2002 lần đầu tiên đưa ra tiêu chuẩn cho công nghệ UWB mặc dù trước đó nó đã được ứng dụng nhưng chủ yếu là trong lĩnh vực quân sự Dải thông được đưa ra là từ 3.1GHz đến 10.6GHz Tiếp đó vào tháng 9 năm 2005, UWB được đưa vào bản báo cáo và đề nghị của hiệp hội viễn thông quốc tế ITU-R sau những cân nhắc kĩ càng Với những sự kiện này các nhà phát triển hi vọng sẽ sớm đưa UWB vào ứng dụng thực tế trên toàn thế giới không chỉ dừng chân tại châu Âu Tháng 8 năm 2007, tổ chức ủy quyền cạnh trạnh và quản lý viễn thông độc lập Ofcom ở Anh cũng có những tuyên bố tương tự Đã có rất nhiều các thiết bị điện tử ứng dụng công nghệ UWB theo chuẩn của FCC, đa số là radar, hệ thống xác định vị trí và hình ảnh Để bắt kịp với công nghệ, các nhà sản xuất và cung cấp các thiết bị điện tử như Ericsson, IBM, Nokia, Toshiba đã đưa công nghệ này vào sản phẩm của họ hoặc kết hợp với công nghệ không dây khác (Bluetooth) tạo nên giải pháp đẩy mạnh tốc độ tiếp thị cho các thiết bị băng thông siêu rộng mà không phải tốn tiền đầu tư phát triển các sản phẩm có công nghệ cũ Có thể thấy được rằng, công nghệ băng thông siêu rộng đang có được sự quan tâm rất lớn từ nền công nghiệp truyền dẫn Tuy vậy việc triển khai và áp dụng nó phải được xem xét kĩ
Công nghệ UWB có phạm vi phủ sóng hạn chế dưới 10m và tốc độ truyền tải ấn tượng, nhưng tín hiệu giảm sút đáng kể khi vượt quá khoảng cách này Do đó, UWB chủ yếu được ứng dụng trong mạng cá nhân và hệ thống giải trí gia đình, có khả năng thay thế Bluetooth và hồng ngoại, nhưng không thể thay thế Wifi và Wimax Việc thiết kế hệ thống và anten thu phát sóng UWB cần đảm bảo không gây can nhiễu đến các thiết bị khác, do sự trùng lặp tần số với các công nghệ băng hẹp đã phổ biến trước đó.
2.1.2 Các ưu điểm của UWB
Băng thông của UWB rất lớn, tuy nhiên, do công suất phát thấp, tốc độ dữ liệu của các hệ thống UWB chỉ đạt khoảng 100-500Mb/s Hơn nữa, công suất phát thấp cũng dẫn đến cự ly truyền thông của UWB tương đối hạn chế.
Bảng 2.1 So sánh tốc độ dữ liệu của UWB với một số chuẩn hiện có
Chuẩn truyền thông Tốc độ dữ liệu (Mb/s)
UWB, với băng tần lớn, hướng tới ứng dụng giảm thiểu công suất phát tối đa theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4a Ưu điểm nổi bật của UWB là khả năng truyền dữ liệu với tốc độ cao, đạt trên 100 Mb/s trong môi trường truyền dẫn khoảng cách ngắn.
Biểu thức Shannon được biểu diễn log 1 S
Trong đó C là dung lượng tối đa của kênh, với đơn vị [b/s] B là băng tần kênh Hz S là công suất tín hiệu W và N là công suất tạp âm W
Có ba cách để tăng dung lượng kênh: tăng băng tần, tăng công suất tín hiệu hoặc giảm tạp âm Dung lượng kênh tăng tuyến tính với băng tần nhưng chỉ theo hàm loga với công suất tín hiệu Kênh UWB có băng tần rất lớn, cho phép hy sinh độ rộng băng tần để giảm công suất phát và nhiễu đến các nguồn vô tuyến khác Theo biểu thức Shannon, các hệ thống UWB có khả năng cung cấp tốc độ rất cao cho các hệ thống không dây.
Hoạt động song song trên các hệ thống băng tần hiện có là khả năng của UWB, với mật độ phổ được quy định bởi FCC là rất thấp, chỉ khoảng -41.25 dBm/1MHz, tương đương 71.3 nW/MHz Mức công suất này được phân loại là bức xạ không gây hại, do đó UWB không gây nhiễu cho các hệ thống băng thông hẹp hiện có.
Băng tần rộng trong hệ thống UWB tạo ra hệ số trải phổ lớn, giúp giảm thiểu khả năng can nhiễu từ các tín hiệu băng hẹp Điều này xảy ra khi tín hiệu bị trễ công suất tương ứng với hệ thống số trải phổ tại bộ thu UWB, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Công nghệ UWB mang lại tính bảo mật cao nhờ vào công suất phát rất nhỏ, khiến tín hiệu khó bị phát hiện Hơn nữa, các kỹ thuật điều chế phức tạp cũng góp phần nâng cao tính bảo mật của hệ thống UWB.
Khả năng chống nhiễu đa đường trong truyền sóng điện từ là rất quan trọng, vì sóng có thể bị phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ hoặc hấp thụ bởi các vật thể Tín hiệu sẽ đến máy thu theo nhiều đường khác nhau với thời gian trễ khác nhau, dẫn đến hiện tượng giao thoa và tăng xác suất lỗi bít Tuy nhiên, với xung UWB có độ rộng rất hẹp, các xung đa đường có độ trễ lớn hơn độ rộng xung sẽ không giao thoa và có thể được lọc bỏ trong miền thời gian hoặc bằng cách sử dụng bộ thu Rake.
Kiến trúc thu phát đơn giản giúp loại bỏ nhiều khối cao tần ở máy phát và máy thu, từ đó giảm chi phí và giá thành sản phẩm Tuy nhiên, đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao và đa truy nhập, độ phức tạp và chi phí sẽ tăng lên đáng kể.
Anten MIMO
Kỹ thuật đa anten, hay còn gọi là MIMO, sử dụng nhiều anten ở cả phía thu và phát để nâng cao hiệu suất hệ thống viễn thông Phương pháp này giúp tăng dung lượng hệ thống, cho phép nhiều người dùng hơn trong một ô, đồng thời mở rộng vùng phủ sóng và cải thiện khả năng cung cấp dịch vụ với tốc độ dữ liệu cao hơn Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các ứng dụng và lợi ích của kỹ thuật MIMO.
Khoảng cách giữa hai phần tử anten là một đặc tính quan trọng trong cấu hình anten, ảnh hưởng đến độ tương quan giữa fading kênh vô tuyến Để giảm độ tương quan, các anten nên được đặt cách xa nhau.
Khoảng cách thực tế cần thiết giữa các anten để có độ tương quan cao hay thấp phụ thuộc vào bước sóng
2.2.2 Lợi ích của kỹ thuật đa anten
Nhiều anten phát hoặc thu có thể được sử dụng để phân tập và chống fading kênh vô tuyến Để đảm bảo độ tương quan thấp giữa các kênh trên các anten khác nhau, khoảng cách giữa các anten cần phải đủ lớn hoặc sử dụng anten có phân cực khác nhau.
Nhiều anten phát và thu có thể định hình búp sóng anten tổng, cho phép tạo ra nhiều kênh vô tuyến song song qua giao diện vô tuyến Việc sử dụng đa anten này giúp tối ưu hóa băng thông mà không làm giảm chất lượng thông tin với cùng một mức công suất.
2.2.3 Mô hình tổng quát anten MIMO
Mô hình MIMO tổng quán gồm N t anten phát và N r anten thu được minh họa trong hình 2.1
Hinh 2.1 Mô hình kênh MIMO với N t anten phát và N r anten thu
Ma trận H cho mô hình MIMO được biểu diễn như sau: t t r r r t
Trong đó r t hN N là độ lợi kênh giữa anten pháy thứ r và anten thu thứ t
là tạp âm Gaus trắng phức của N r máy thu
T là ký hiệu phép toán chuyển vị
Khi đó quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y được xác định bởi biểu thức sau: t t t r r r t r r
Các kỹ thuật tăng băng thông
Kỹ thuật tăng băng thông là các phương pháp mở rộng băng thông nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng của khách hàng Bài viết này sẽ khám phá một số kỹ thuật tăng băng thông của anten vi dải.
2.3.1 Lựa chọn hình dạng thành phần bức xạ
Một số hình dạng thành phần bức xạ có hệ số Q thấp hơn so với các hình dạng khác, dẫn đến băng thông cao hơn Các hình dạng này bao gồm vành khuyên, vành hình chữ nhật/hình vuông, mặt bức xạ một phần tư bước sóng (được ngắn mạch) và một số hình dạng khác.
2.3.2 Lựa chọn kỹ thuật tiếp điện
Có nhiều kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải, bao gồm tiếp điện bằng đầu dò, ở cạnh mặt bức xạ, và ghép khe với đường truyền vi dải Phương pháp ghép khe được ưa chuộng cho các anten băng rộng trên nền dày vì cho phép điều chỉnh nhiều tham số như độ dài, độ rộng và hình dạng khe Kỹ thuật này có thể tăng băng thông lên đến 70% khi được điều chỉnh kỹ lưỡng Anten vi dải bao gồm mặt bức xạ hình chữ nhật trên nền có độ dày h và hằng số điện môi ε ra, được tiếp điện qua khe hoặc rãnh trên mặt phẳng đất chung Khe có kích thước L a × W a và tâm tại (x0, y0), trong khi đường vi dải có độ rộng W, độ dày t và hằng số điện môi ε rf Trở kháng đặc trưng của đường vi dải là Z 0m và của khe là Z 0s Kỹ thuật ghép khe "phá vỡ sự liên tục" của dòng điện trên mặt bức xạ, và phân tích cho thấy các đặc tính của anten vi dải ghép khe tương tự như anten khe tiếp điện bằng đường vi dải Kỹ thuật này do Pozar giới thiệu và có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác.
Các ưu điểm bao gồm việc bảo vệ anten khỏi bức xạ "giả" từ phần tiếp điện, sử dụng chất nền cho cả cấu trúc tiếp điện và anten, và áp dụng chất nền dày nhằm tăng băng thông cho anten.
2.3.3 Kỹ thuật kích thích đa mode
Kỹ thuật kích thích đa mode là phương pháp hiệu quả trong thiết kế anten vi dải băng rộng, sử dụng nhiều mode cộng hưởng Ý tưởng cơ bản của phương pháp này là ghép các bộ cộng hưởng, cho phép hai hoặc nhiều bộ cộng hưởng hoạt động cùng nhau để bao phủ toàn bộ dải tần mong muốn Phương pháp này có thể áp dụng cho nhiều hình dạng mặt bức xạ khác nhau.
Có nhiều phương pháp thiết kế nhằm tăng băng thông trở kháng Một trong số đó là sử dụng hai hoặc nhiều thành phần cộng hưởng, với tần số cộng hưởng của mỗi thành phần có sự khác biệt nhỏ Các thành phần này được ghép sát nhau, và việc điều khiển sự ghép sát này giúp tối ưu hóa băng thông.
2.3.4 Kỹ thuật giảm nhỏ mặt đất
Kỹ thuật giảm nhỏ mặt đất là phương pháp phổ biến để tạo ra các tần số cộng hưởng với băng thông siêu rộng Kỹ thuật này thực hiện việc thu nhỏ mặt đất về phía đường cấp nguồn, nhằm tạo ra các cộng hưởng ở tần số xung quanh tần số cộng hưởng trung tâm.
THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN MIMO BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG
Mục đích
Trong đồ án này, chúng tôi tập trung vào việc thiết kế một anten siêu rộng UWB Cấu trúc anten được đề xuất bởi nhóm tác giả Li Liu và các cộng sự.
W Cheung” được công bố ở tài liệu [6] Anten được thiết kế trên chất nền RO-4350B với hằng số điện môi 3.66 và được tiếp diện bởi một đường vi dải 50 Ω Anten này có kích thước phải nhỏ gọn và phải đạt yêu cầu kỹ thuật của anten vi dải.
Quy trình thiết kế
Anten MIMO băng thông siêu rộng được thiết kế qua các bước như sau:
Chúng tôi thiết kế anten vi dải hình chữ nhật bằng đồng, sử dụng phương pháp inset feed line để cấp nguồn và phối hợp trở kháng Bản kim loại hình chữ nhật được chọn do cấu trúc đơn giản và dễ thiết kế Anten hoạt động trong dải tần từ 3.1 GHz đến 10.6 GHz, được đặt trên lớp điện môi RO-4350B với hằng số điện môi 3,66 và độ dày 0,8 mm.
- Thực hiện quá trình giảm đất để mở rộng băng thông của các tần số cộng hưởng;
- Thêm đường sau mặt đất để tăng thông số S 11 ;
- Tiến hành phối hợp trở kháng cho anten tăng cường khản năng hoạt động của anten;
- Ghép hai anten lại để tạo ra anten MIMO Để tiến hành tính toán các thông số ban đầu của anten ta sử dụng các công thức sau:
Chiều rộng của mặt bức xạ được tính theo công thức:
Hệ số điện môi hiệu dụng:
33 Độ dài hiệu của anten được xác định theo công thức:
(3.3) Độ tăng độ dài được tính:
(3.4) Độ dài thực của mặt bức xạ: reff 2
Kích thước của mặt đất là: g 6
L hL (3.7) Để trở kháng ngõ vào của anten là 50Ω, thì điểm cấp tín hiệu cho anten sẽ lấn sâu vào trong anten một khoảng y0 với:
Phối hợp trở kháng là một vấn đề quan trọng trong kỹ thuật siêu cao tần, vì sự lắp ráp các phần tử khác nhau thường dẫn đến bất đồng nhất và sóng phản xạ Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự tương thích trở kháng để giảm thiểu sóng phản xạ trong hệ thống siêu cao tần.
Tuyến siêu cao tần với 34 sóng phản xạ đảm bảo hệ số sóng đứng và hệ số sóng chạy đạt tiêu chuẩn trong một dải tần nhất định.
Chế độ sóng trong tuyến siêu cao tần được thể hiện rõ qua hệ số phản xạ, trong khi hệ số sóng đứng và hệ số sóng chạy là những đại lượng dễ đo đạc hơn.
Phối hợp trở kháng là quá trình chuyển đổi trở kháng tùy ý thành trở kháng của hệ thống, giúp tối ưu hóa công suất truyền Khi trở kháng được phối hợp đúng cách, công suất truyền đạt có thể đạt mức tối đa, đồng thời giảm thiểu công suất tiêu tán trong quá trình truyền Việc phối hợp trở kháng trong anten còn góp phần tăng cường tỉ lệ tín hiệu so với tạp âm.
Thiết kế mô phỏng
Trong phần thiết kế này chúng ta sẽ tiến hành các bước đã đề cập ở mục 3.2
3.3.1 Thiết kế anten có tần số 7,25 GHz Áp dụng các công thức tính toán ở mục 3.2 chúng ta có các thông số cơ bản của anten như sau Sử dụng chất nền RO-4350B với hằng số điện môi là 3.66, độ cao điện môi h = 0.8mm bề rộng mặt bức xạ W 1 10mm, chiều dài mặt điện môi và mặt đất L = 26mm, độ rộng điện môi và mặt đất là W = 29mm, chiều dài đường line f 9
L mm, độ rộng đường line W f 1.8mm, D 1 6.1mm
Hình 3.1 Hình dạng đơn anten
Kết quả mô phỏng anten vi dải ban đầu cho thấy tần số cộng hưởng chính ở F0, với S11 đạt giá trị S11 ≥ -3dB Tuy nhiên, anten này chưa đáp ứng điều kiện S11 ≤ -9.5dB để có thể hoạt động hiệu quả.
Hình 3.2 Đồ thị hệ số suy hao S 11 đơn anten
3.3.2 Tiến hành thu hẹp đất để tăng băng thông
Để mở rộng băng thông, chúng tôi đã áp dụng các kỹ thuật đã trình bày ở mục 2.3 và thực hiện khảo sát thực nghiệm Phương pháp thu nhỏ mặt đất [4], [5] được chọn cho nghiên cứu này Hình 3.3 minh họa hình dạng anten trong quá trình khảo sát thu nhỏ kích thước mặt đất, và kết quả khảo sát được thể hiện ở hình 3.4 Kết quả cho thấy với chiều rộng L1 = 8mm, băng thông rộng đạt yêu cầu đề ra.
Hình 3.4 Đồ thị hệ số suy hao S11
3.3.3 Thêm Stub mặt đất Đã được khảo sát ở các tài liệu [7]-[11] thì khi tiến hành thêm stub hình chữ
L tại mặt đất sẽ làm giảm hệ số suy hao S 11 Hình 3.5 thể hiện hình dạng của anten khi thêm đường stub
Hình 3.5 minh họa hình dạng của anten với đường stub, trong khi Hình 3.6 trình bày kết quả đồ thị suy hao S11 khi áp dụng đường stub hình chữ L với các thông số W3 = 3mm và W2 = 14mm Kết quả mô phỏng cho thấy hệ số suy hao S11 của anten đáp ứng yêu cầu cho anten vi dải.
Hình 3.6 Kết qua mô phỏng khi thêm đường stub S11
Hệ số VSWR càng gần 1 thì sự phối hợp trở kháng càng tốt, với SWR = 1 tương ứng với Γ = 0, nghĩa là không có sóng phản xạ trở lại đường truyền và tải hoàn toàn phối hợp trở kháng Hình 3.7 minh họa kết quả mô phỏng hệ số VSWR trong dải tần hoạt động, cho thấy VSWR < 2 trong dải tần số này đáp ứng yêu cầu đề ra.
Hình 3.7 Đồ thị VSWR đơn anten
Hệ số tăng ích của anten được xác định bằng cách so sánh mật công suất bức xạ của anten thực với mật độ công suất của anten chuẩn ở cùng hướng và khoảng cách, với công suất vào hai anten giống nhau Anten chuẩn thường là anten vô hướng và có hiệu suất bằng 1.
38 phỏng độ tăng ích của anten theo tần số Ta nhận thấy Gain trong dải tần số hoạt động của anten đều lớn hơn 2 dBi
Hình 3.8 Độ lợi anten theo tần số của đơn anten
Theo tiêu chuẩn của tổ chức viễn thông quốc tế, anten microstrip cần có năng lượng bức xạ lớn hơn 20 dBm để hoạt động hiệu quả Hình 3.9 minh họa đồ thị tổng năng lượng bức xạ theo tần số của anten, cho thấy sự phân bố năng lượng bức xạ trong các tần số khác nhau.
Anten này có lượng bức xạ lớn hơn 26dBm trong toàn bộ dải hoạt động, cho thấy nó đạt yêu cầu thiết kế về năng lượng bức xạ, như thể hiện trong hình 3.9.
Hiệu suất bức xạ của anten vi dải được xác định bởi khả năng chuyển đổi năng lượng từ nguồn cung cấp thành năng lượng bức xạ Hình 3.10 minh họa hiệu suất của anten theo tần số, cho thấy rằng anten này đạt hiệu suất bức xạ lớn hơn 80% trong toàn bộ dải tần làm việc.
Anten MIMO 2x2
MIMO (Multiple Input Multiple Output) là công nghệ sử dụng nhiều anten tại cả đầu phát và đầu thu để phát hiện nhiều kênh độc lập trong không gian, giúp tăng tốc độ bit so với anten thông thường Việc áp dụng nhiều anten đầu thu không chỉ mang lại độ lợi phân tập cao mà còn cho phép truyền nhiều dòng dữ liệu song song, nâng cao dung lượng hệ thống Do đó, hệ thống anten MIMO đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu toàn cầu Anten vi dải là lựa chọn phổ biến trong thiết kế anten MIMO nhờ vào tính nhỏ gọn, dễ chế tạo, lắp đặt, giá thành thấp và khả năng tích hợp với vi mạch Chúng tôi đã tiến hành ghép nối một anten MIMO hai cổng từ anten đã thiết kế, sử dụng cấu trúc hai mặt bức xạ vuông góc để đạt hệ số tương quan nhỏ, với kích thước L1 = 8mm, D2 = 10mm, D3 = 9mm, W4 = 14mm.
Sau khi kết hợp hai anten UWB, chúng ta thu được anten MIMO UWB với đồ thị hệ số suy hao S11 và S22 như hình 3.12 Kết quả mô phỏng cho thấy hệ số suy hao của cả hai anten đều nhỏ hơn -9.5 dB trong dải tần hoạt động.
Hình 3.12 Đồ thị S của anten MIMO 2x2
Hệ số tương quan giữa các anten trong hệ thống MIMO là một thông số quan trọng, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động Hệ số tương quan càng thấp, tác động của anten này lên anten kia càng nhỏ, với giá trị thường nhỏ hơn 0,02 Hình 3.13 minh họa hệ số tương quan giữa hai anten theo tần số, cho thấy rằng trong dải tần hoạt động, hệ số tương quan luôn nhỏ hơn 0,015, đặc biệt rất nhỏ trong khoảng từ 4 GHz đến 10,6 GHz.
Hình 3.13 Hệ số tương qua giữa hai anten trong MIMO 2x2
Gain theo tần số của anten MIMO 2x2 UWB được minh họa trong hình 3.14 Anten MIMO UWB đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về gain trong dải tần hoạt động.
Hình 3.14 Đồ thị độ lợi theo tần số anten MIMO 2x2
Hinh 3.15 Độ lợi anten MIMO 2x2 3D Qua hình 3.8 và hình 3.14 ta nhận thấy so với đơn anten thì anten MIMO cải thiện đáng kể về độ lợi Đặc biệt ở vùng tần số cao độ lợi của anten tăng lên lớn nhất
Hinh 3.16 Đồ thị VSWR anten MIMO 2x2 Hình 3.16 là kết quả mô phỏng hệ số VSWR theo tần số của anten MIMO 2x2 Từ hình 3.16 ta nhận thấy hệ số VSWR đều nhỏ hơn 2 trong dải tần hoạt động
Do vậy anten MIMO đạt được yêu cầu về hệ số VSWR
Một thông số kỹ thuật quan trọng của anten là năng lượng bức xạ Để anten hoạt động hiệu quả, nó cần đạt một ngưỡng năng lượng bức xạ nhất định Hình 3.17 minh họa mối quan hệ giữa năng lượng bức xạ và tần số của anten MIMO 2x2.
Anten MIMO có năng lượng bức xạ vượt quá 26dBm trong dải tần hoạt động, đáp ứng đầy đủ yêu cầu về năng lượng bức xạ của anten.
Hình 3.17 Công suất bức xạ anten MIMO 2x2
Hình 3.18 trình bày kết quả mô phỏng hiệu suất của anten MIMO 2x2, cho thấy anten thiết kế đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật ban đầu.