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 802.11ad, 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. 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.
