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

- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN KHẮC KIỂM NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN ANTEN MIMO CHO CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2017 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1.
- Nguyễn Đôn Nhân Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi 14 giờ, ngày 22 tháng 09 năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1.
- Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN I.
- CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ ĐĂNG 1.
- CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN LUẬN ÁN ĐANG CHỜ KẾT QUẢ PHẢN BIỆN.
- Kỹ thuật MIMO và hệ thống đa anten 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.
- Chính vì vậy, hệ thống đa anten hay còn gọi là anten MIMO đã được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới (4G, 5G, WLAN 802.11n, WLAN 802.11ad, WiMAX, WPAN.
- Bên cạnh đó, việc thiết kế, tối ưu hoá và chế tạo các anten MIMO sử dụng trong các hệ thống thông tin thế hệ mới đang trở thành một đề tài thu hút nhiều nhà nghiên cứu.
- Trong các anten MIMO, ngoài các 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 của chúng nhỏ hơn.
- nhằm duy trì hiệu xuất bức xạ và lợi thế của kỹ thuật MIMO.
- Thông thường, để đạt được yêu cầu này, các anten sẽ được đặt cách nhau ít nhất 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.
- Hơn thế, người sử dụng hiện nay 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 các lý do trên, vấn đề nghiên cứu thiết kế các anten MIMO, đặc biệt là anten MIMO sử dụng công nghệ mạch in, 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 rất cấp thiết.
- Việc phát triển các kỹ thuật giảm tương hỗ hay tăng cách ly cổng và thiết kế các mô hình anten MIMO mới phù hợp với các thiết bị đầu cuối khác nhau đang là thách thức lớn và thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới.
- 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 120x60 mm2.
- 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.
- Do không bị hạn chế nhiều bởi không gian thiết kế, các anten MIMO thường 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 khi anten hoạt động ở vùng tần số thấp.
- Nghiên cứu thiết kế anten MIMO cho các thiết bị USB Dongle (Universal Serial Bus.
- Do không gian của USB thường bị giới hạn trong phạm vi kích thước 70x 30 mm2 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.
- 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.
- Những vấn đề còn tồn tại Một số mô hình anten MIMO băng thông siêu rộng đề xuất trước đây vẫn chỉ sử dụng cấu hình MIMO 2x2 hoặc nếu sử dụng cấu hình 4x4 thì kích thước lớn 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 một anten MIMO băng thông 2 siêu rộng UWB hoặc cực kỳ rộng EWB 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.
- Trong một số nghiên cứu trước đây, các anten MIMO sử dụng kỹ thuật DGS có cấu trúc đa lớp nên gặp phải hạn chế khi ứng dụng trong các thiết bị yêu cầu nhỏ gọn.
- Việc sử dụng kỹ thuật giảm ảnh hưởng tương hỗ bằng cấu trúc DGS kết hợp với những mô hình anten có cấu trúc nhỏ gọn như anten dạng xoắn ốc, anten PIFA, cấu trúc CLRH,… trong thiết kế anten MIMO là động lực cho các nghiên cứu thiết kế anten MIMO có kích thước nhỏ gọn, phù hợp với ứng dụng của người dùng.
- 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 mô hình anten MIMO do kỹ thuật này không can thiệp vào cấu trúc bức xạ anten MIMO.
- 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, tuy nhiên các nghiên cứu này có thể ở dạng đơn băng tần hoặc nếu đa băng tần thì cấu trúc phức tạp, khó chế tạo, kích thước lớn hoặc không linh hoạt trong thiết kế ở các vùng tần số khác nhau.
- Do 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, 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.
- Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu.
- 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.
- 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.
- 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.
- Ý nghĩa khoa học và đóng góp của luận án Việc nghiên cứu các giải pháp giảm ảnh hưởng tương hỗ trong thiết kế các anten MIMO trong luận án có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn.
- 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: 3 (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 hp 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 TLDN trong thiết kế hai mô hình anten MIMO hai băng tần.
- Cấu trúc nội dung của luận án Nội dung chính của luận án bao gồm bốn chương.
- Đầu tiên, Chương 1 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 hai mô hình anten MIMO 4×4 và MIMO 2×2 được thiết kế cho hệ thống thông tin băng thông siêu rộng UWB và EWB, sử dụng phần tử ký sinh cấu trúc bộ cộng hưởng MMR và cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch để giảm ảnh hưởng tương hỗ.
- Kết quả, hai mô hình anten MIMkeesdduwowcj thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông hoạt động, ảnh hưởng tương hỗ và hệ số tương quan.
- Tiếp theo, giải pháp sử dụng cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo (DGS) được áp dụng để thiết kế hai mô hình anten MIMO có kích thước nhỏ gọn ở Chương 3.
- 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 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.
- Các cấu trúc DGS dạng hai khe hp được thực hiện ở mặt phẳng đế của các mô hình anten MIMO giúp giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các anten thành phần.
- 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 sử dụng kỹ thuật mạng cách ly này đã được thiết kế cho hệ thống WLAN hai băng tần 2,4 GHz/5,25 GHz và LTE 1,8 GHz/WiMAX 3,5GHz.
- Các kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm cho thấy các 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 được thiết kế.
- 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.
- Các nguyên nhân dẫn đến ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ trong hệ thống MIMO được phân tích cụ thể.
- Bên cạnh đó, một số kỹ thuật để cải thiện hệ số cách ly cho anten MIMO cũng được phân tích.
- 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.
- Khi các thiết bị đầu cuối di chuyển sẽ gây ra sự biến thiên không thể dự đoán được về biên độ và pha tín hiệu theo thời gian làm cho sự suy giảm tín hiệu biến thiên.
- Hệ thống đa anten là giải pháp hữu hiệu để chống lại tác động của truyền tín hiệu đa đường nhằm tăng độ tin cậy của 4 hệ thống thông tin không dây.
- Truyền thông không dây qua kênh truyền MIMO Một hệ thống truyền thông không dây MIMO với m anten thu và n anten phát được mô tả trên hình 1.1.
- Trong trường hợp kênh truyền độc lập với máy phát, dung lượng kênh của hệ thống MIMO là.
- Mô hình hệ thống MIMO trong đó.
- Công thức 1.1 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, đồng thời trong trường hợp các kênh độc lập và phân bố giống nhau, dung lượng của hệ thống MIMO tăng gấp min (m,n) lần so với hệ thống chỉ gồm một anten phát và một anten thu.
- Hệ thống đa anten và ảnh hưởng tương hỗ 1.3.1.
- Giới thiệu về 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 phân tử phát xạ nhưng sử dụng các thuộc tính vật lí khác nhau (khác nhau về tính phân cực, khác nhau về đồ thị bức xạ.
- Ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử trong hệ thống đa anten 1.3.2.1.
- 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 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.
- 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 theo biểu thức.
- là trở kháng bản thân và trở kháng tương hỗ của cổng 1.
- là trở kháng bản thân và trở kháng tương hỗ của cổng 2.
- và dòng điện trên các anten thành phần (với giả thiết hệ thống gồm hai anten và được mô hình hóa bằng mạng 2 cổng sử dụng ma trận trở kháng Z).
- Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ và khoảng cách chuẩn hóa giữa hai phần tử anten được biểu diễn trên hình 1.2.
- Trong cả hai trường hợp, khi khoảng cách tăng, trở kháng tương hỗ giảm xuống.
- Do đó khi các anten thành phần hệ 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 nhau (ví dụ khi d/λ

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt