MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền thông không dây và nhu cầu ngày càng tăng của các ứng dụng linh hoạt, truyền thông thế hệ tiếp theo (5G) đã trở thành một trong những chủ đề nóng nhất của ngành công nghiệp anten [1-3]. Do hạn chế của nguồn phổ, các nghiên cứu hiện tại về truyền thông 5G chủ yếu tập trung vào đải sóng mm. Dải tần khoảng 3.6 GHz đã thu hút sự chú ý trên toàn thế giới do đặc tính về băng thông và dải tần của dải sóng mm [4]. Là một trong những công nghệ quan trọng nhất của truyền thông 5G, công nghệ đa đầu vào-đa đầu ra (MIMO) được áp dụng rộng rãi do tốc độ truyền cao và chất lượng truyền thông ôn định.
Nó sử dụng nhiều anten để truyền và nhận tín hiệu trong truyền thông không dây; do đó, nó có thê nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin liên lạc và tỷ lệ sử dụng phô tần mà không làm tăng công suất phát. Khi thu nhỏ thiết bị điện tử đã trở thành xu hướng chính cùng với sự phát triển của công nghệ, nó đòi hỏi anten có nhiều phần tử phải được đặt trong một khu vực hạn chế. Đồng thời, hệ thống MIMO đòi hỏi sự cách ly cao giữa các anten khác nhau, do đó, cần nhiều không gian hơn giữa các anten [5, 6]. Thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu là để tìm ra sự cân bằng tốt nhất giữa thu nhỏ kích thước và độ cách ly cao.
Trong truyền thông không dây hiện tại, các anten MIMO 2x2 hoặc 4x4 là những anten được sử dụng rộng rãi nhất. Tuy nhiên, giao tiếp 5G mang lại yêu cầu cao hơn nhiều rằng cần có anten MIMO 8 x 8 hoặc thậm chí là lớn trong thiết bị 5G. Số lượng anten MIMO tăng lên mang lại thách thức lớn cho tất cả các nhà nghiên cứu trong ngành anten. Trong đó, ảnh hưởng tương hỗ do ghép nối là một yếu tố quan trọng trong công nghệ MIMO đã nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và sản xuất.
Thực tế cho thấy chỉ khi giải quyết tốt ảnh hưởng tương hỗ ghép nối, nâng cao hệ số cách ly giữa các phần tử bức xạ thì anten MIMO mới đạt hiệu quả bức xạ tốt nhất, đặc biệt trong các dải tần số của hệ thống thông tin thế hệ mới như 5G. Với những lí do trên, học viên đã chọn dé tài “Nghiên cứu, thiết kế anten MIMO có hệ số cách ly cao ứng dụng cho hệ thống thông tin 5G” Tổng quan tình hình nghiên cứu Trong các hệ thống không dây, để duy trì tính độc lập của từng phần tử anten trong hệ thống MIMO trong một không gian hạn chế, đó là một trong những khó khăn cấp bách đề khắc phục ảnh hưởng ghép nối tương hỗ từ anten liền kề, đặc biệt là đối với các mảng băng tần kép [29-31]. Ghép nối tương hỗ là một hiện tượng phụ thuộc vào các phần tử mảng liền kề và ảnh hưởng lớn đến các đặc tính của hệ thống không dây phụ thuộc vào anten mảng và gần đây là hệ thống truyền thông không dây MIMO. Đề đạt được khả năng ghép nối tương hỗ thấp và cách ly cao giữa các phần tử anten liền kề và cũng có thé triệt tiêu sóng bề mặt, một số phương pháp đã được nghiên cứu và đề xuất [32-37].
Kỹ thuật phô biến nhất là sử dụng kỹ thuật phân tập không gian bằng cách tách các phần tử anten. Tuy nhiên, kỹ thuật này có thể không phù hợp với hầu hết các hệ thống không dây, vì nó đòi hỏi một không gian tương đối lớn đề đặt hệ thống anten. Vì vậy, một số kỹ thuật tích hợp hiệu quả cho anten vi dải đang được sử dụng nhiều trong thời gian gần đây, như phần tử ký sinh [38, 39], mạng cách ly, đường trung tính,. thể hiện hiệu quả trong cải thiện hệ số cách lý công giữa các phần tử anten trong hệ MIMO.
+* Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế anten MIMO cho hệ thống thông tin 5G hoạt động ở tần số 3.6 GHz, có các hệ số cách ly công giữa các phần tử bức xạ cạnh nhau cao, đảm bảo đặc tính bức xạ của anten. s* Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết tông quan anten va hé thong anten MIMO. Nghiên cứu, đề xuất phương pháp cải thiện hệ số cách ly cổng giữa các phần tử bức xạ trong anten MIMO. Thiết kế, tối ưu mô phỏng anten MIMO 2x2 phần tử.
s* Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Anten vi dai, anten MIMO Các cấu trúc cải thiện cách ly. Hệ thống thông tin 5G bước sóng mm tại tần số 3. +* Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết tông quan kết hợp với tính toán thiết kế, mô phỏng kiểm chứng kết quả thiết kế theo lý thuyết. CHUONG 1: LY THUYET VE ANTEN VI DAI 1.Giới thiệu chương Chương này tập trung khái quát các khái niệm về anten, đặc tính của nó.
Đồng thời, giới thiệu về anten vi đải, là một trong những loại anten phô biến trong hệ thống thông tin.Tổng quan về anten 1. Khái niệm Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài. Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống xử lý tín hiệu (trường hợp anten thu). Anten phát < Anten thu Hệ thống cảm Hệ thống gia “-UU s c] công tín hiệu Hệ thống cung cấp tín hiệu Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, có 2 trường sẽ được tạo ra.
Một là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này ràng buộc với anten; trường còn lại là trường bức xạ (trường khu xa). Ngay tai anten (trong trường khu gần), cường độ trường tại đây rất lớn và tỉ lệ tuyến tính với năng lượng được cấp vào anten. Tại khu xa anten, chỉ có năng lượng của trường bức xạ là được duy trì. Trường khu xa bao gồm 2 thành phần đó là điện trường và từ trường (hình 1.
TRANSMITTING RECEIVING ANTENNA ANTENNA | | ELECTRIC FIELD a | a‘ + li —”] SIGNAL VOLTAG _¬ k z ` Ni] DIRECTION ‡ | vv + / Ỉ / LỊ / vy MAGNETIC FIELD Hình 1.2: Điện trường và từ trường tại trường khu xa Hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ anten sẽ tạo thành trường điện từ. Về cơ bản, sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyên. Khi sóng truyền đi, năng lượng mà sóng mang theo sẽ được trải ra trên một diện tích ngày càng lớn. Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát đến nguồn tăng.
Hé phwong trinh Maxwell Toàn bộ lý thuyết anten được xây dựng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện động lực học là các phương trinh Maxwell. Trong phần trình bày này ta sẽ coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hòa theo thời gian,nghĩa là theo quy luật sin, cos dưới dạng phức e"“ E = Re(Ee') = E cos(at) (1.1b) Các phương trinh Maxwell 6 dang vi phan duoc viết dưới dạng: rotH =iee„E + J“ (1.5) divH =0 E là biên độ phức của vecto cường độ điện trường: (V/m) H là biên độ phức của vecto cường độ từ trường: (A/m) Hệ số điện thâm phức của môi trường được tính theo công thức: £ 1-12 | (1.6) , QE chệ số điện thâm tuyệt đối của môi trường: (F/m) uhệ số từ thâm của môi trường: (H/m) ø điện dẫn xuất của môi trường: (S1/m) 7“ là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện: ( 4) m © 1h ent AA LLA: wn didn 4 Cc ø“ là mật độ khôi của điện tích: (—) m Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng trong một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích. Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên.
Kết hợp với nguyên lý đồi lẫn, hệ phương trình Maxwell tổng quát được việt như sau: rotH =iee,„E + J° (1.7) rotE =-iauH — J" in (1.10) Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E và H. Trong phương trình nghiệm đó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E, H và cách thức lan truyền. Các thông số cơ bản của anten Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây: - Trở kháng vào Hiệu suât Hệ số định hướng và độ tăng ích. Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten Tính phân cực Dải tần của anten.
Trở kháng vào của anten Trở kháng vào của anten Za bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện áp Ưạ đặt vào anten và dòng dién I, trong anten: (1. A Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học cua anten va trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten. Thành phần thực của trở kháng vào Ra được xác định bởi công suất đặt vào anten Pa và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten lạ,: _ TP (1.12) Ae Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bó dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biêu thức của đường dây truyền sóng. Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten.
Hiệu suất của anten Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten ; „ chính là tỷ số giữa công suất bức xạ P›„ và công suất máy phát đưa vào anten Pvạo hay Pa: _ Py (1.13) 1s P, Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tôn hao công suất trong anten. Đối với anten có tôn hao thi P,, < Py, do d6 7 „ < 1.Gọi công suất tôn hao là Pụ P,=P,,+P bx th (1.