Nghiên cứu và Phát triển Anten MIMO cho Thiết bị Đầu cuối Di động Thế hệ Mới

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Tác giả luận án Nguyễn Khắc Kiểm ii LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. Đào Ngọc Chiến và TS.

Nguyễn Vũ Thắng, đặc biệt là PGS. Đào Ngọc Chiến, người đã hướng dẫn trực tiếp về mặt khoa học đồng thời hỗ trợ tôi về nhiều mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này. Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Cảm ơn Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Việt Nam (NAFOSTED) đã tài trợ kinh phí tham dự hội thảo khoa học quốc tế tại nước ngoài.

Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn Giáo sư Hiroshi Shirai, Khoa Điện - Điện tử - Truyền thông, Đại học Chuo, Nhật Bản đã hỗ trợ tôi trong quá trình đo đạc mô hình chế tạo thực nghiệm. Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến mọi thành viên trong gia đình. Sự động viên, giúp đỡ của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này. iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.

viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .xvi MỞ ĐẦU. Kỹ thuật MIMO và hệ thống đa anten. Những vấn đề còn tồn tại. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án. Cấu trúc nội dung của luận án. xxii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ANTEN MIMO.

Giới thiệu chương. Khái niệm về kênh truyền MIMO. Kênh truyền không dây. Truyền thông không dây qua kênh truyền MIMO.

Ưu điểm của kênh truyền MIMO. Hệ thống đa anten và ảnh hưởng tương hỗ. Giới thiệu hệ thống đa anten. Kỹ thuật phân tập anten.

Ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử trong hệ thống đa anten. Các tham số của anten MIMO. Hệ số tương quan tín hiệu. Độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG).

Dung lượng hệ thống. Các kỹ thuật cải thiện cách ly cho anten MIMO. Hướng đặt anten. Mạng cách ly.

Phần tử ký sinh. Cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo. Đường trung tính. Tổng kết chương.

GIẢI PHÁP SỬ DỤNG PHẦN TỬ KÝ SINH TRONG THIẾT KẾ ANTEN MIMO BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG. Giới thiệu chương. Nguyên lý hoạt động của một số cấu trúc phần tử ký sinh. Phần tử ký sinh có cấu trúc bộ cộng hưởng MMR.

Phần tử ký sinh có cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch. Anten MIMO-UWB 4×4 loại bỏ băng tần WLAN. Thiết kế anten MIMO-UWB 4×4. Kết quả và nhận xét.

Đặc tính MIMO của anten. Anten MIMO-EWB 2×2 loại bỏ băng tần WLAN. Thiết kế anten MIMO-EWB 2×2 loại bỏ băng tần WLAN. Kết quả và nhận xét.

Đặc tính MIMO của anten. Tổng kết chương. GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CẤU TRÚC MẶT PHẲNG ĐẾ KHÔNG HOÀN HẢO TRONG THIẾT KẾ ANTEN MIMO NHỎ GỌN. Giới thiệu chương.

Nguyên lý hoạt động của cấu trúc mặt phẳng đế không hoàn hảo. Anten MIMO siêu vật liệu có hệ số cách ly cao ứng dụng cho hệ thống thông tin WLAN. Nguyên lý hoạt động của anten cấu trúc siêu vật liệu. Thiết kế anten MIMO siêu vật liệu.

Kết quả và thảo luận. Đặc tính MIMO của anten. Anten MIMO-PIFA hai băng tần ứng dụng cho hệ thống thông tin 4G-LTE và WiMAX. Thiết kế anten MIMO PIFA hai băng tần.

Kết quả và thảo luận. Đặc tính MIMO của anten. Tổng kết chương. GIẢI PHÁP SỬ DỤNG MẠNG CÁCH LY ĐƯỜNG TRUYỀN VI DẢI TRONG THIẾT KẾ ANTEN MIMO HAI BĂNG TẦN.

Giới thiệu chương. Phương pháp luận thiết kế. Mô hình anten. Bộ biến đổi dẫn nạp hai băng tần.

Mạng cách ly sử dụng đường truyền vi dải. Anten MIMO hai băng tần sử dụng TLDN. Thiết kế các anten MIMO hai băng tần. Kết quả và thảo luận.

Tổng kết chương .116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .118 TÀI LIỆU THAM KHẢO .119 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng Cấu trúc siêu vật liệu điện từ dạng CRLH Composite Right-Left Handed phức hợp CPW Co-planar Waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng DGS Defected Ground Stucture Mặt đế không hoàn hảo DMN Dual-band Matching Network Mạng phối hợp trở kháng hai băng tần EBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn điện từ ECC Envelop Correlation Coefficient Hệ số tương quan đường bao EMF Electromagnetic Field Trường điện từ EWB Extremely Wide-Band Băng thông cực kỳ rộng Federal Communications FCC Ủy ban truyền thông Liên bang Commission GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền GND Ground Mặt phẳng đế Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay trái LH Left-handed material (Siêu vật liệu) LTE Long-Term Evolution Hệ thống thông tin dài hạn MEG Medium Efficiency Gain Hệ số tăng ích hiệu dụng trung bình MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra MoM Method of Moment Phương pháp mô-men MMA Multimode antenna Anten đa mốt Microstrip Multimode MMR Bộ cộng hưởng đa-mode dạng vi dải Resonator MPA Multiport antenna Anten đa cổng MPOA Multipolarized antenna Anten đa phân cực vii MTM Metamaterial Siêu vật liệu PDA Personal Digital Assistant Thiết bị truy nhập cá nhân PIFA Planar Inverted-F Antenna Anten chữ F-ngược phẳng PSO Particle Swarm Optimization Tối ưu bầy đàn Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay phải RH Right-handed material (Vật liệu thông thường) RE Radiating Element Phần tử bức xạ RX Receiver Máy thu SISO Single Input Single Output Hệ thống một đầu vào một đầu ra Slotted Meander- Cấu trúc cộng hưởng dạng khe gấp SMLR Line Resonator khúc SNR Signal-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm TE Transverse Electric Điện trường ngang TLDN Transmission Line Decouping Mạng cách ly đường truyền Network Transmission Line- TL-MTM Đường truyền siêu vật liệu Metamaterial TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TX Transmiter Máy phát Universal Mobile UMTS Hệ thống viễn thông di dộng toàn cầu Telecommunications System UWB Ultra Wide-Band Băng thông siêu rộng VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số sóng đứng Worldwide Interoperability for Khả năng tương tác mạng diện rộng WiMAX Microwave Access bằng sóng siêu cao tần WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây Wireless Personal Area WPAN Mạng vô tuyến cá nhân Network viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Tổn hao năng lượng kênh truyền không dây. Mô hình hệ thống (a) SISO và (b) MIMO. Mô hình đa anten (a) sử dụng chung phần tử bức xạ và (b) sử dụng các phần tử bức xạ độc lập.

Hệ anten MIMO hai anten đơn. (a) Mạng hai cổng và (b) mạch tương đương hình T. Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa trong trường hợp h=0 , d>0. Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa trong trường hợp d=0, s=h-l>0.

Các nguồn gây ra tương hỗ giữa các thành phần trong hệ đa anten mạch dải. Sắp xếp các anten mạch dải chữ nhật (a) trên mặt phẳng E và (b) trên mặt phẳng H. Quan hệ của tương hỗ giữa các phần tử anten theo khoảng cách [8] .11 Quan hệ giữa điện dẫn tương hỗ chuẩn hóa với khoảng cách giữa hai anten mạch dải chữ nhật (W=1. (a) Mô hình anten và (b) kết quả đo tham số tán xạ (l 1=24; l2=18,2; g=0.

Mạng cách ly sử dụng các phần tử điện kháng [15]. Anten MIMO hai phần tử đơn cực với mạng cách ly (L=45; W= 22; S= 8,5; L a= 22,5; đơn vị mm) [15]. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tổn hao ngược và cách ly của anten MIMO không có mạng cách ly [15]. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tổn hao ngược và cách ly của anten MIMO khi có mạng cách ly [15].

Tương hỗ giữa hai anten lưỡng cực đặt gần nhau và tương hỗ giữa hai anten lưỡng cực khi có thêm phần tử ký sinh [64]. Mô hình anten MIMO hai khe bức xạ với phần tử đơn cực ký sinh [107]. Phân bố dòng điện ở trên anten MIMO không có và có phần tử đơn cực ký sinh [107]. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ khi không có và có phần tử đơn cực ký sinh [107].

Cấu trúc SMLR đề xuất đặt giữa hai phần tử anten vi dải [4]. Phân bố dòng điện của anten (a) khi không có cấu trúc SMLR và (b) khi có cấu trúc SMLR [4]. Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của anten khi không có và có cấu trúc SMLR [4]. Mô hình anten MIMO với bốn phần tử bức xạ sử dụng cấu trúc DGS (L 1= 37,7;W1= 25; L2= 22; W2= 7; Ls= 18,75; Lc= 30; Wc= 1; đơn vị mm) [53].

Phân bố dòng điện trên mặt đế của anten khi không có và khi có dãy các khe DGS [53]. Kết quả đo tham số tán xạ của anten MIMO với bốn phần tử bức xạ [53]. Mô hình anten MIMO sử dụng đường trung tính [88]. Mô phỏng các tham số tán xạ của (a) cấu trúc đề xuất và (b) cấu trúc tham khảo (không có đường trung tính) [88].

(a) Mô hình và (b) sơ đồ mạch của cấu trúc bộ cộng hưởng MMR. (a) Bộ cộng hưởng đa mode (b) mạch điện tương đương mode lẻ (c) mạch điện tương đương mode chẵn. (a) Mô hình và (b) sơ đồ mạch của cấu trúc hai dây chêm ngắn mạch. (a) Hai dây chêm ngắn mạch (b) mạch điện tương đương mode lẻ (c) mạch điện tương đương mode chẵn.

(a) Kết cấu biến đổi từ từ, (b) Cấu trúc anten Loga-chu kỳ và (c) Cấu trúc anten xoắn phẳng. Cấu trúc anten UWB: (a) không sử dụng cấu trúc EBG, (b) có sử dụng cấu trúc EBG; và (c) mô hình mạch điện tương đương của cấu trúc EBG và đường tiếp điện vi dải. Anten MIMO (a) chỉ sử dụng các phần tử anten UWB và (b) có sử dụng phần tử ký sinh cấu trúc MMR. (a) Mô hình ban đầu, (b) một nhánh mô hình triển khai thực tế và (c) kết quả mô phỏng tham số tán xạ của mô hình triển khai thực tế của cấu trúc MMR.

Kết quả mô phỏng S11 của phần tử anten UWB không sử dụng cấu trúc EBG với các kích thước khác nhau của Rpatch.