Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng anten 4g theo chuẩn LTE a dùng cho trạm BTS

Những vấn đề còn tồn tại: Công nghệ thiết kế, chế tạo anten mạch in đang phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong việc thiết kế anten dùng trong nhiều mục đích khác nhau,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

ANTEN 4G THEO CHUẨN LTE-A DÙNG CHO TRẠM BTS

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội, 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUY ỄN TRUNG HIẾU

LU ẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS LÂM H ỒNG THẠCH

Hà N ội, 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian học thạc sỹ và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được và các tài liệu tham khảo là chính xác, khách quan và trung thực

Tác giả luận án

Nguyễn Trung Hiếu

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS Lâm Hồng Thạch - giảng viên viện Điện tử - Viễn thông, trường đại học Bách Khoa Hà Nội là người trực tiếp hướng dẫn, cung cấp kiến thức nền tảng, giúp đỡ về mặt khoa học cũng như cung cấp những tài liệu chuyên ngành cần thiết để tôi có thể hoàn thành luận án thạc sỹ kỹ thuật

về chuyên ngành anten

Đồng thời tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới bộ môn Hệ thống viễn thông, viện Điện

tử Viễn thông, viện Đào tạo Sau Đại học – trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, rèn luyện trong chương trình đào tạo thạc sỹ kỹ thuật tại trường

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới toàn thể gia đình tôi đã nuôi dưỡng và tạo điều kiện cho tôi được như ngày hôm nay, cảm ơn những người luôn ở bên tôi và ủng hộ tôi Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

Nguyễn Trung Hiếu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

MỞ ĐẦU 10

Lý do chọn đề tài nghiên cứu 10

Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 13

Cấu trúc nội dung của luận án 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 4G THEO CHUẨN LTE-A DÙNG CHO TRẠM BTS 1.1 Công nghệ mạng LTE 15

1.2.1 Quá trình phát triển 15

1.1.2 Công nghệ mạng LTE 16

1.2 Công nghệ LTE-A và những cải tiến so với công nghệ LTE 17

1.2.1 Công nghệ LTE-A 17

1.2.2 Những cải tiến so với công nghệ LTE 18

1.3 Quá trình phát triển hệ thống anten dùng trong trạm thu phát sóng di động 1.4 Anten chấn tử đối xứng và các tham số cơ bản 27

1.5 Kết luận chương 1 31

CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT NHẰM CẢI THIỆN BĂNG THÔNG VÀ HỆ SỐ TĂNG ÍCH CHO ANTEN 4G THEO CHUẨN LTE-A DÙNG CHO TRẠM BTS 2.1 Giải pháp mở rộng dải tần hoạt động bằng cách sử dụng anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ 32

2.1.1 Cơ sở giải pháp 32

2.1.2 Phân tích thiết kế 33

2.1.3 Các kết quả mô phỏng 35

2.2 Giải pháp sử dụng cấu trúc khe tạo thêm tần số cộng hưởng 37

2.2.1 Cơ sở giải pháp 37

2.2.2 Phân tích thiết kế 38

2.2.3 Các kết quả mô phỏng 39

2.3 Sử dụng phần tử kí sinh (parasitic) 40

2.3.1 Cơ sở giải pháp 41

2.3.2 Phân tích thiết kế 41

2.3.3 Các kết quả mô phỏng 42

2.4 Giải pháp cải thiện hệ số tăng ích bằng cách sử dụng bề mặt phản xạ 45

2.4.1 Cơ sở giải pháp 45

2.4.2 Phân tích thiết kế 46

2.4.3 Các kết quả mô phỏng 46

2.5 Kết luận chương 2 48

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO PHẦN TỬ ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG MẠCH IN DẠNG NƠ ĐÁP ỨNG TIÊU CHUẨN LTE-A DÙNG CHO TRẠM BTS 3.1 Thiết kế phối hợp trở kháng cho anten 50

3.2 Mô phỏng đánh giá kết quả anten hoàn chỉnh 56

3.3 Kết quả đo lường 62

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ANTEN THEO CHUẨN LTE-A DÙNG CHO TRẠM BTS 4.1 Cơ sở giải pháp sử dụng mảng anten nhằm đáp ứng chuẩn LTE-A dùng cho trạm BTS 66

4.1.1 Hệ thống thẳng 66

4.1.2 Hệ thống phẳng 69

4.2 Thiết kế bộ chia công suất 71

4.3 Mô phỏng đánh giá kết quả hệ thống anten mảng 72

KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT – ANH 80

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Mô tả Tiếng Anh Mô tả Tiếng Việt

LTE-A Long Term Evolution -

MIMO Multi Input – Multi Output Công nghệ nhiều đầu vào,

nhiều đầu ra GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ dữ liệu di động dạng

gói cho mạng GSM EDGE Enhanced Data rate for GSM

Evolution

Công nghệ truyền dữ liệu nâng cấp trong mạng GSM GSM Global System for Mobile

Communication

Công nghệ mạng di động thế

hệ thứ 2

ViLTE Video over LTE Gọi hình ảnh và âm thanh qua

mạng LTE OFDMA Orthogonal Frequency Division

Multiple Access

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao FDD Frequency Division Duplex Kỹ thuật song công phân chia

theo tần số TDD Time Division Duplex Kỹ thuật song công phân chia

theo thời gian

SINR Singal Intereference Noise

Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu và tạp

âm

QoS Quality of Service Mức chất lượng dịch vụ

AAS Active Antenna System Hệ thống anten chủ động

VSWR Volt Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng điện áp

SM Spatial Multiplexing Ghép kênh không gian

CPW Co-planar Waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Quá trình phát triển của mạng viễn thông di động 16

Hình 1.2: Cấu trúc kỹ thuật cộng hưởng sóng mang 18

Hình 1.6: Quá trình phát triển của hệ thống anten tại trạm thu phát sóng

Hình 1.7: Quá trình phát triển của kỹ thuật MIMO 24

Hình 1.8: Ứng dụng MIMO với công nghệ tạo búp sóng beamforming 25

Hình 1.9: Quá trình phát triển của trạm thu phát sóng di động hiện nay 25

Hình 1.10: Cấu trúc hệ thống anten AAS (Active Antenna System) 26

Hình 2.1: Cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ 33

Hình 2.2: Mô hình cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ và

Hình 2.3: Hệ số phản xạ S(1,1) của anten chấn tử đối xứng mạch in dạng

Hình 2.4: Hệ số phản xạ S(1,1) của anten chấn tử đối xứng mạch in 35

Hình 2.5: Kết quả thể hiện phối hợp trở kháng tại tần số f = 2.2 GHz của

Hình 2.6: Kết quả thể hiện phối hợp trở kháng tại tần số f = 2.2 GHz của

Hình 2.7: Cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ đề xuất được

Hình 2.8: Cấu trúc mẫu anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ có tạo

Hình 2.9 : Băng thông anten trước và sau khi được tạo khe 40

Hình 2.10: Cấu trúc anten sau khi thêm phần tử kí sinh 41

Hình 2.11: Mô hình cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ khi

Hình 2.12: Hệ số phản xạ S(1,1) của anten chấn tử đối xứng mạch in dạng

Hình 2.13: Hệ số phản xạ S(1,1) của anten chấn tử đối xứng mạch in dạng

Hình 2.14: Đồ thị bức xạ anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ 44

Hình 2.15: Đồ thị bức xạ anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ sau khi

Hình 2.16: Cấu tạo mặt phản xạ kết hợp với anten 45

Hình 2.17: Đồ thị bức xạ mẫu anten khi chưa có bề mặt phản xạ 46

Hình 2.18: Đồ thị bức xạ mẫu anten khi có bề mặt phản xạ 47

Hình 2.19: Hệ số phản xạ S(1,1) của mẫu anten khi không dùng bề mặt

Hình 2.20: Hệ số phản xạ S(1,1) của mẫu anten khi dùng bề mặt phản xạ 48

Hình 3.1: Cấu trúc anten chấn tử đối xứng kết hợp với đường truyền vi

Hình 3.2: Cấu trúc sơ đồ mạch tương đương thực hiện phối hợp trở kháng 50

Hình 3.3: Thông số độ dài của các thành phần của mẫu anten thiết kế 51

Hình 3.4: Đặc tính trở kháng anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ đề

Hình 3.5: Đặc tính trở kháng anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ

Hình 3.6: Cấu trúc mẫu anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ hoàn

Hình 3.7: Đặc tính trở kháng của mẫu anten chấn tử đối xứng mạch in

Hình 3.10: So sánh hệ số tăng ích trong dải tần hoạt động của mẫu anten

khi sử dụng phần tử kí sinh và bề mặt phản xạ tại tần số f = 2.2 GHz 59

Hình 3.11: Mô hình anten sau khi chế tạo thực tế: (a) mặt trước, (b) mặt

Hình 3.12: Mẫu anten sau khi kết nối với giắc SMA: (a) mặt trước, (b)

Hình 3.13: Kết quả đo lường hệ số suy hao phản xạ S(1,1) của mẫu anten 62

Hình 3.14: Kết quả so sánh hệ số suy hao phản xạ S(1,1) giữa mô phỏng

Hình 4.1: Phân tích hệ thống bức xạ thẳng gồm N phần tử 66

Hình 4.2: Sử dụng phương pháp vector tính giá trị f KN 67

Hình 4.3 Đồ thị hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa F KN 69

Hình 4.4: Hệ thống mảng anten kích thước NxM phần tử 70

Hình 4.5: Các dạng bộ chia công suất được sử dụng 72

Hình 4.7: Mô hình anten mảng: mặt sau a), mặt trước b) 74

Hình 4.8: Hệ số suy hao phản xạ S(1,1) của mảng anten kích thước 8x1 74

Hình 4.9: Hệ số tăng ích của mảng anten kích thước 8x1 75

Bảng 2.1: Các thông số kĩ thuật của anten chấn tử đối xứng dạng nơ 34

Bảng 2.2: Các tham số kích thước anten chấn tử đối xứng mạch in dạng

Bảng 2.3: Các tham số kích thước anten chấn tử đối xứng mạch in 35

Bảng 2.4: Các tham số kích thước anten chấn tử đối xứng mạch in được

Bảng 2.5: Các tham số kích thước anten chấn tử đôi xứng mạch in 42

Bảng 2.6: Các tham số kích thước của bề mặt phản xạ 46

Bảng 3.1: Thông số kích thước anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ 53

Bảng 3.2: Các tham số kích thước đầy đủ của anten chấn tử đối xứng

Bảng 3.3: So sánh các thông số mô phỏng của mẫu anten với một số anten

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài nghiên cứu

Công nghệ mạng di động không dây luôn phát triển không ngừng với mục tiêu phục

vụ tốt hơn với nhu cầu ngày càng tăng không những về số lượng mà còn về chất lượng dịch

vụ, nhất là loại hình dịch vụ yêu cầu tốc độ cao có độ trễ thấp Điều này đòi hỏi hệ thống anten thu phát dùng ở trạm phát sóng phải cải tiến không ngừng nhằm đáp ứng những yêu cầu đó Đồng thời cần phải tối ưu, giảm nhỏ kích thước hệ thống nhằm dễ dàng khi lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng trạm đối với khách hàng là các nhà mạng viễn thông

Hệ thống anten dùng hiện nay tại các trạm phát sóng là mảng anten gồm nhiều phần

tử, tuy nhiên vẫn có nhiều nhược điểm cần được hoàn thiện và phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu đặt ra trong công nghệ mạng tiếp theo là LTE-A

Những vấn đề còn tồn tại:

Công nghệ thiết kế, chế tạo anten mạch in đang phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong việc thiết kế anten dùng trong nhiều mục đích khác nhau, trong đó việc thiết kế anten mạch in dùng cho trạm thu phát sóng đang là hướng phát triển mới với rất nhiều triển vọng vì những ưu điểm nổi trội: cấu tạo nhỏ gọn, đặc tính dễ dàng kết hợp các phần tử thành hệ thống có dải tần hoạt động rộng, chi phí thiết kế chế tạo thấp và dễ dàng kết hợp tạo thành mảng anten Tuy nhiên, nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của các khách hàng là nhà mạng viễn thông di động thì vấn đề cải thiện các thông số hoạt động của anten là rất quan trọng và chính điều này đặt ra không ít thách thức cho việc nghiên cứu phát triển của các nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam Có thể thấy được những bài báo, công trình nghiên cứu đã công bố ở trong và ngoài nước nhằm đưa ra tính ưu việt của mẫu thiết kế anten như đưới đây:

Tình hình nghiên cứu quốc tế:

Nghiên cứu được đề cập tại [3], có thể thấy mẫu thiết kế anten chấn tử đối xứng mạch

in dạng nơ đã đạt được yêu cầu về băng tần hoạt động, tuy nhiên hệ số tăng ích cho một phần tử vẫn còn thấp trong dải tần hoạt động (chỉ từ 6 đến 8 dBi) Điều này tương tự với nghiên cứu [23] khi hệ số tăng ích đạt được tại các tần số hoạt động công nghệ LTE chỉ là

từ 6 đến 7 dBi Do vậy, cần phải cải thiện hệ số tăng ích để hệ số tăng ích đạt được tốt hơn khi thiết kế hệ thống mảng anten gồm nhiều phần tử

Với nghiên cứu đề cập tại [12], mẫu anten thiết kế là anten vi dải, băng thông hoạt động của anten là 400 MHz và hệ số tăng ích đạt được là từ 6.2 đến 7.1 dBi Với yêu cầu truyền thông băng rộng hiện nay, băng thông cần được cải thiện hơn nữa nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng Ngoài ra hệ số tăng ích cũng tương đương với [3]

và [23] và cần được cải thiện thêm

Rõ ràng rằng việc cải thiện thông số về hệ số tăng ích và băng thông hoạt động của anten còn nhiều vấn đề cần giải quyết và tối ưu Điều này chính là nhằm cải thiện chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến mà cụ thể ở đây là anten, anten là thành phần rất quan trọng trong hệ thống Các mẫu anten đề xuất trong các nghiên cứu trên có thiết kế khá phức tạp (cấu tạo lắp ghép các thanh tạo thành anten), điều này làm tăng chi phí trong sản xuất thực tế cũng như giá thành sản phẩm thực tế

Tình hình nghiên cứu trong nước:

Năm 2017, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tác giả Nguyễn Ngọc Lan đã bảo vệ

luận án tiến sỹ với đề tài “Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng trong hệ thống thông tin và định vị vô tuyến”, trong đó đối tượng nghiên cứu của luận án là

giải pháp cải thiện tham số băng thông và hệ số tăng ích cho anten vi dải

Năm 2016, tác giả Nguyễn Khắc Kiểm đã công bố luận án nghiên cứu về vấn đề anten MIMO cho thiết bị di động đầu cuối tại đại học Bách Khoa Hà Nội, đối tượng nghiên cứu trong luận án là mẫu anten đơn với mục đích nghiên cứu là giảm nhỏ ảnh hưởng tương hỗ giữa các anten đơn trong mảng anten

Năm 2015, tác giả Lê Văn Cung cũng đã công bố đề tài luận án thạc sỹ “Thiết kế anten

vi dải băng rộng” (đại học Đà Nẵng), đối tượng nghiên cứu là phần tử anten vi dải sau khi

thiết kế có dải tần hoạt động chỉ từ 1.95 GHz đến 2.35GHz với hệ số tăng ích đạt được chỉ

từ 7-8 dBi Rõ ràng đây chưa phải là kết quả tối ưu cho mục đích thiết kế anten dùng cho trạm thu phát di động

Hay như vào năm 2011, tác giả Tăng Thế Toàn thuộc trường đại học Công nghệ - đại

học quốc gia Hà Nội cũng đã công bố đề tài “Nghiên cứu thiết kế mẫu anten có độ lợi cao dùng trong truyền thông điểm – điểm”, mẫu anten được thiết kế hoạt động tại tần số cộng

hưởng 2.4 GHz với dải tần hoạt động rất hẹp từ 2.35 GHz đến 2.5 GHz

Cùng điểm qua một số nghiên cứu nổi bật trong nước, ta có thể thấy rằng có rất ít đề tài nghiên cứu về vấn đề thiết kế anten với việc cải thiện các tham số của anten: băng thông hoạt động và hệ số tăng ích cho phần tử anten đơn Đồng thời các kết quả thông số của anten trong các mẫu thiết kế chưa đạt được kết quả phù hợp với yêu cầu của anten dùng trong trạm thu phát sóng di động Cùng với chủ trương của Nhà Nước về việc tự chủ trong vấn đề thiết kế, chế tạo hệ thống anten trạm thu phát di động, giảm bớt việc nhập khẩu thiết

bị từ nước ngoài Xuất phát từ những thực trạng này, việc nghiên cứu thiết kế và tối ưu cải thiện tham số: băng thông hoạt động và hệ số tăng ích cho mẫu anten ứng dụng trong trạm thu phát sóng di động đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết

Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu:

- Đề xuất giải pháp cải thiện tham số: băng thông hoạt động, hệ số tăng ích cho phần

tử anten đơn

- Nghiên cứu, thiết kế phần tử anten từ giải pháp đã đề xuất để có băng thông hoạt động bao phủ hết các băng tần LTE, đặc biệt là các tần số LTE phổ biến đang được triển khai bởi các nhà mạng hiện nay như các băng tần FDD phổ biến: FDD band 3 (1800MHz), FDD band 7 (2700MHz), các băng tần LTE TDD phổ biến: TDD band 38 (2600MHz), TDD band 40 (2300MHz), TDD band 41 (2500MHz) Phần tử anten thiết kế có hệ số tăng ích cao, đồ thị PHBX tốt phù hợp với yêu cầu thực tế Phần tử anten được thiết kế phải có kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và có tính khả dụng cao khi áp dụng trong thực tế

Đối tượng nghiên cứu:

- Anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ có cấu tạo nhỏ gọn, dễ chế tạo trong thực

tế, đảm bảo yêu cầu băng tần hoạt động theo tiêu chí đã nêu tại mục tiêu nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu đề xuất giải pháp nhằm cải thiện hai tham số cơ bản của anten: băng thông hoạt động và hệ số tăng ích

- Công việc cần thực hiện bao gồm: phân tích, tính toán, thiết kế, mô phỏng, chế tạo

và đo lường để từ đó đưa ra so sánh và đánh giá nhằm đưa ra kết luận cho mẫu thiết kế

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Về mặt thực tiễn:

- Những giải pháp đề xuất trong luận án là cơ sở để áp dụng thực tiễn trong việc chế tạo, sản xuất ra sản phẩm không chỉ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về băng tần hoạt động, hệ số tăng ích, mà còn dễ dàng chế tạo và hoạt động tin cậy

Cấu trúc nội dung của luận án

Nội dung luận án bao gồm 4 chương:

Chương một trình bày tổng quan về công nghệ mạng LTE, quá trình phát triển từ công nghệ mạng 2G lên 3G cho đến LTE, để từ đó, công nghệ mạng LTE-A xuất hiện là bước tiến hoàn thiện của công nghệ mạng LTE với những kỹ thuật tiên tiến hơn Để đáp ứng được với những kỹ thuật tiên tiến áp dụng trong công nghệ mạng LTE-A thì hệ thống anten

sử dụng tại trạm thu phát sóng di động cần có sự cải thiện về hệ số tăng ích cũng như mở rộng dải tần làm việc của anten

Sau khi quyết định được loại anten sử dụng cho mẫu thiết kế anten trong luận án, chương một trình bày tổng quan các tham số của mẫu anten dùng cho hệ thống anten sử dụng tại trạm thu phát sóng di động, cũng như nguyên lý hoạt động và phương pháp phân

tích cho mẫu anten này Chương một cũng đề cập cụ thể tới những nhược điểm của loại anten sử dụng: hệ số tăng ích nhỏ, dải tần hoạt động hẹp để nhằm đưa ra một số giải pháp nhằm cải thiện cho 2 tham số này của mẫu anten thiết kế trong luận án ở chương hai Chương hai trình bày một số giải pháp nhằm cải thiện băng thông và hệ số tăng ích cho phần tử anten đề xuất thỏa mãn yêu cầu thiết kế của anten 4G theo chuẩn LTE-A dùng cho trạm BTS Những giải pháp này nhằm mở rộng băng tần hoạt động cho anten chấn tử đối xứng mà không ảnh hưởng quá nhiều đến đồ thị phương hướng bức xạ Các giải pháp

đã được đề cập tổng quan ở chương một bao gồm: sử dụng cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ, sử dụng cấu trúc dạng khe cho anten nhằm tạo thêm mode cộng hưởng,

sử dụng thêm phần tử kí sinh (có thể gọi là phần tử dẫn xạ theo nguyên lý anten Yagi - Uda) Về vấn đề cải thiện hệ số tăng ích anten, giải pháp sử dụng bề mặt phản xạ được đề xuất

Chương ba trình bày chi tiết thiết kế phần tử anten hoàn chỉnh với phần tử bức xạ (anten) có kích thước được tính toán và tối ưu ở chương hai, đồng thời áp dụng các phương pháp tối ưu nhằm mở rộng dải tần làm việc của anten: sử dụng phần tử kí sinh và tạo cấu trúc khe cho anten, đối với vấn đề cải thiện hệ số tăng ích cho mẫu anten, phương pháp sử dụng bề mặt phản xạ đã phân tích ở chương hai sẽ được áp dụng

Sau đó, luận án thiết lập mô phỏng thiết kế phần tử anten các thông số: hệ số suy hao phản xạ S(1,1) và hệ số tăng ích của mẫu anten Từ đó thực hiện chế tạo và đo lường kết quả hệ số suy hao phản xạ S(1,1) và đánh giá so sánh với kết quả mô phỏng để tìm hiểu nguyên nhân của sự sai lệch để từ đó rút ra những điểm cần khắc phục cho việc chế tạo thực tế

Chương bốn trình bày chi tiết thiết kế hệ thống mảng anten hoàn chỉnh với 8 phần tử anten đã được tối ưu tại chương ba Để từ đó thực hiện mô phỏng và đánh giá các tham số

về dải tần hoạt động và hệ số tăng ích của hệ thống anten Để từ đó đưa ra phương hướng cho việc tối ưu và chế tạo hệ thống anten áp dụng trong thực tế với những yêu cầu đã đặt

ra

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 4G THEO CHUẨN LTE-A DÙNG CHO TRẠM BTS

Chương một trình bày tổng quan về công nghệ mạng LTE, quá trình phát triển từ công nghệ mạng 2G lên 3G cho đến LTE, cũng như các tiêu chuẩn kỹ thuật của công nghệ mạng LTE, để từ đó, công nghệ mạng LTE-A xuất hiện là bước tiến hoàn thiện của công nghệ mạng LTE với những kỹ thuật tiên tiến có thể kể đến như: cộng hưởng sóng mang, MIMO 8x8… Để đáp ứng được với những kỹ thuật tiên tiến áp dụng trong công nghệ mạng LTE-

A thì hệ thống anten sử dụng tại trạm thu phát sóng di động cần có sự cải thiện mạnh mẽ

về hệ số định hướng cũng như mở rộng dải tần làm việc của anten

Để làm được điều này, trước hết cần tìm hiểu rõ quá trình phát triển hệ thống anten dùng cho trạm thu phát sóng di động từ quá khứ đến hiện tại, để từ đó đưa ra yêu cầu, thách thức cần giải quyết cho việc nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và chế tạo mẫu anten thỏa mãn yêu cầu thách thức đã đặt ra

Sau khi quyết định được loại anten sử dụng cho mẫu thiết kế anten trong luận án, chương một đưa ra tổng quan các tham số của mẫu anten dùng cho hệ thống anten sử dụng tại trạm thu phát sóng di động, cũng như nguyên lý hoạt động và phương pháp phân tích cho mẫu anten này Ngoài những ưu điểm sẽ được liệt kê chi tiết, chương một cũng sẽ đề cập cụ thể tới những nhược điểm của loại anten sử dụng: hệ số tăng ích nhỏ, dải tần hoạt động hẹp để nhằm đưa ra một số giải pháp nhằm cải thiện cho 2 tham số này của mẫu anten thiết kế trong luận án Những giải pháp này sẽ là cơ sở cho những giải pháp thiết kế nhằm cải thiện tham số về dải tần hoạt động và hệ số tăng ích được đề cập chi tiết ở chương tiếp theo

1.1 Công nghệ mạng LTE

1.2.1 Quá trình phát triển

Để có cái nhìn rõ hơn về LTE, chúng ta cần đưa ra tổng quan về quá trình phát triển của thế hệ mạng di động:

Hình 1.1 Quá trình phát triển của mạng viễn thông di động

Có thể thấy rằng sự phát triển của các thế hệ mạng di động như hiện nay xuất phát từ chính nhu cầu sử dụng kết nối không dây ngày càng cao của con người Từ mục đích đơn thuần cho việc gọi điện liên lạc một cách sơ khai (thế hệ mạng 1G), cho đến khi nhu cầu muốn có một chất lượng cuộc gọi tốt hơn, thế hệ mạng di động 2G ra đời, đánh dấu bước phát triển đầu tiên cho dịch vụ dữ liệu di động (GPRS, EDGE) Cho đến khi mạng di động 3G ra đời, nó giúp tối ưu hóa dịch vụ dữ liệu với băng thông rộng hơn, tốc độ kết nối cao hơn, bảo mật tốt hơn so với thế hệ trước đó Và cho đến hiện tại, công nghệ mạng di động LTE ra đời đem lại trải nghiệm tuyệt vời hơn nữa về cả cuộc gọi và dữ liệu di động Từ đây các ứng dụng được phát triển nhiều hơn trên nền tảng LTE nhằm đa dạng hóa nhu cầu của con người như: VoLTE, ViLTE, RCS…

1.1.2 Công nghệ mạng LTE

Công nghệ mạng LTE là quá trình phát triển tiếp theo của công nghệ mạng viễn thông không dây trước đó là 3G, 2G Với mục đích nhằm đáp ứng nhu cầu lưu lượng dữ liệu tăng vọt, cũng như nhu cầu về kết nối không dây tốc độ cao

Mạng di động LTE giúp tăng dung lượng phục vụ, tức là đáp ứng nhu cầu sử dụng đồng thời cho nhiều người dùng hơn tại một thời điểm, cũng như độ trễ được cải thiện đáng

kể, điều này rất hữu dụng cho những ứng dụng thời gian thực vốn là ứng dụng có tốc độ phát triển mạnh mẽ nhất hiện nay

Công nghệ LTE không phải là mạng di động có cấu trúc mới hoàn toàn, nó là sự kế thừa từ những nền tảng trước đó, do đó việc triển khai hạ tầng LTE trên các quốc gia không gặp khó khăn lớn, mà đem lại hiệu quả rõ rệt

Công nghệ mạng LTE sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) cho đường xuống (downlink) và SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiplexing Access) cho đường lên (uplink) Công nghệ OFDMA cho phép phân chia dữ liệu thành nhiều luồng tin hiệu nhỏ ghép kênh truyền trực giao với nhau, từ đó ở phía thu sẽ thu lại toàn bộ luồng tin hiệu này và ghép kênh để thu được tín hiệu ban đầu Cũng từ đây công nghệ MIMO (Multi Input Multi Output) ra đời nhằm tăng cường tốc độ thu phát và chất lượng tín hiệu thu được tại phía thu

Một số tiêu chuẩn có thể kể tới của công nghệ mạng LTE như sau:

- Tốc độ tối đa với băng thông tối đa 20MHz:

* Tốc độ tải xuống (download): 150Mbps

* Tốc độ tải lên (upload): 50Mbps

- Đáp ứng hoạt động khi người dùng di chuyển với vận tốc cao (từ 100km/h – 200km/h tùy theo băng tần hoạt động)

- Độ rộng băng thông đáp ứng linh hoạt: 1.25MHz, 2.5MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz

- Hoạt động ở cả hai chế độ: FDD và TDD

- Cải thiện rõ rệt hiệu suất phổ băng tần

- Độ trễ mạng RAN (Radio Access Network) dưới 10ms

1.2 Công nghệ LTE-A và những cải tiến so với công nghệ LTE

1.2.1 Công nghệ LTE-A

LTE-A được giới thiệu tại bản 3GPP rel 12, bao gồm cải tiến về công nghệ truy nhập

vô tuyến như: cộng hưởng sóng mang (Carrier Aggregation), ghép kênh không gian đa người dùng (multi player spatial multiplexing), công nghệ truyền chuyển tiếp (Relaying Node) và cải tiến về thiết kế cấu tạo anten Như vậy, với sự cải tiến có ở công nghệ LTE-

A, việc thiết kế anten cho trạm eNodeB bao gồm: tích hợp nhiều kênh phát RF vào cụm anten, công suất phát nhỏ hơn và hiệu suất tại eNodeB cao hơn

1.2.2 Những cải tiến so với công nghệ LTE

1.2.2.1 Cộng hưởng sóng mang

Hình 1.2 Cấu trúc kỹ thuật cộng hưởng sóng mang

Cộng hưởng sóng mang là kỹ thuật nhằm cải thiện tốc độ và dung lượng truyền dữ liệu bằng cách két hợp các băng thông khác nhau để tạo nên các kênh truyền có độ rộng băng thông lớn hơn Kỹ thuật cộng hưởng sóng mang cho phép tăng tốc độ tải xuống (download) ở phía thiết bị đầu cuối với khả năng tận dụng phổ tần còn trống trong dải tần

từ 700MHz tới 3.5GHz

Kỹ thuật cộng hưởng sóng mang là một trong những tính năng quan trọng nhất của công nghệ LTE-A để tăng độ rộng băng thông có sẵn cho thiết bị di động và do đó tốc độ được cải thiện rõ rệt Mỗi sóng mang kết hợp gọi là một sóng mang thành phần (Component Carrier), sóng mang thành phần có thể có băng thông 1,4; 3; 5; 10; 15MHz hoặc 20 MHz Trong LTE, thông thường chỉ có thể truyền tải dữ liệu nhờ sử dụng các đoạn phổ tần số liền

kề có độ rộng tối đa là 20MHz Còn trong LTE-A, công nghệ cộng hưởng sóng mang cho phép kết hợp những kênh nhỏ hay còn gọi là sóng mang trên các băng tần khác nhau, do đó

về cơ bản có thể tăng tốc độ dữ liệu khả dụng cho mỗi người dùng lên nhiều lần Công nghệ LTE-A cho phép nhà mạng kết hợp tối đa 5 sóng mang với băng thông 20MHz thành một kênh có băng thông tối đa 100MHz cao gấp năm lần băng thông của LTE thông thường

1.2.2.2 Kỹ thuật MIMO (đa đầu vào, đa đầu ra)

Kỹ thuật MIMO cho phép các trạm thu phát và các thiết bị di động đầu cuối gửi và nhận dữ liệu bằng nhiều anten Công nghệ mạng LTE có hỗ trợ MIMO nhưng áp dụng cho chiều tải xuống (download) Ngoài ra công nghệ mạng này còn giới hạn số lượng anten ở mức tối đa là 4 bộ anten phát ở phía trạm thu phát và bốn bộ anten thu ở thiết bị di động (hay còn gọi là MIMO 4x4) Công nghệ LTE-A cho phép tối đa 8 cặp thu phát ở chiều tải xuống và 8 cặp ở chiều tải lên (MIMO 8x8)

Kỹ thuật MIMO thực hiện 2 chức năng:

 Ở môi trường không dây khả năng xảy ra can nhiễu cao như tại biên các cell hoặc khi người dùng đang di chuyển, các bộ phát và thu sẽ phối hợp với nhau để tập trung tín hiệu vô tuyến vào một hướng cụ thể Kỹ thuật tạo búp sóng (beamforming) giúp cho tín hiệu thu được mạnh lên mà không cần phải tăng công suất phát

 Khi cường độ tín hiệu mạnh còn tín hiệu nhiễu yếu, như khi người dùng đứng yên hay gần trạm phát thì công nghệ MIMO giúp làm tăng tốc độ dữ liệu hay tăng số lượng người dùng mà không phải dùng thêm băng thông Kỹ thuật được gọi là ghép kênh không gian (spatial multiplexing) giúp nhiều luồng dữ liệu được truyền đi cùng lúc, trên cùng tần số sóng mang Ví dụ, một trạm thu phát với 8 bộ phát có thể truyền đồng thời 8 luồng tín hiệu tới một điện thoại có 8 bộ thu Do mỗi luồng dữ liệu tới mỗi bộ thu có hướng, cường độ và thời gian khác nhau nên các thuật toán xử lý trong máy có thể kết hợp chúng với nhau và dựa vào những khác biệt này để tìm ra các luồng dữ liệu gốc Kỹ thuật ghép kênh không gian có thể làm tăng tốc độ dữ liệu tỷ

lệ thuận với số cặp anten thu phát Do vậy, trong điều kiện lý tưởng, 8 cặp thu phát

có thể tăng tốc độ dữ liệu lên tới 8 lần

Hình 1.3 Kỹ thuật đa đầu vào đa đầu ra (MIMO)

Kỹ thuật MIMO cũng được sử dụng trong trường hợp khi thiết bị đầu cuối nằm trong cell có chất lượng tín hiệu tốt (SINR cao) Còn khi thiết bị người dùng nằm trong vùng chất lượng tín hiệu kém, thì phát tín hiệu phân cực (spatial diversity) được sử dụng nhằm đảm bảo tính tin cậy và chất lượng dịch vụ mà nhà mạng cung cấp

1.2.2.3 Kỹ thuật truyền chuyển tiếp (Relaying Node)

Công nghệ truyền chuyển tiếp được dùng để mở rộng vùng phủ sóng tới những nơi

có tín hiệu yếu Thông thường các bộ truyền nối tiếp thông thường, hay còn gọi là bộ lặp lại khá đơn giản đó là nhận tín hiệu, khuyếch đại, rồi truyền đi Công nghệ LTE-A hỗ trợ các chế độ truyền nối tiếp tiên tiến hơn Trước tiên nó sẽ giải mã tất cả các dữ liệu thu được rồi sau đó chỉ chuyển đi những dữ liệu có đích đến là các thiết bị di động mà mỗi bộ truyền nối tiếp đang phục vụ Phương pháp này giúp giảm can nhiễu và tăng số lượng máy di động kết nối tới bộ truyền nối tiếp LTE-A còn cho phép các bộ truyền nối tiếp dùng cùng phổ tần số và các giao thức của trạm thu phát để liên lạc với trạm thu phát và với các thiết bị đầu cuối Lợi thế của việc này là cho phép các thiết bị LTE kết nối tới bộ truyền nối tiếp như thể đó là một trạm thu phát thông thường Bộ truyền nối tiếp sẽ chỉ phát sóng vào những thời điểm cụ thể khi mà trạm thu phát không hoạt động để tránh gây nhiễu cho trạm thu phát Dưới đây là hình vẽ nút chuyển tiếp (Relay node) dùng để mở rộng phủ sóng và được kết nối với nút chủ gọi là Donor cell qua giao diện vô tuyến (Backhaul link)

Hình 1.4 Kỹ thuật truyền chuyển tiếp Relay

1.2.2.4 Kỹ thuật phối hợp đa điểm CoMP (Coordinated MultiPoint)

Hình 1.5 Kỹ thuật phối hợp đa điểm CoMP

Kỹ thuật phối hợp đa điểm cho phép thiết bị di động cùng một lúc trao đổi dữ liệu với nhiều trạm thu phát Kỹ thuật này sẽ giúp cải thiện hơn nữa tín hiệu và tăng tốc độ dữ liệu tại vùng biên của cell là vùng có nhiễu lớn Thiết bị cũng có thể cùng một lúc tải dữ liệu

lên cả hai trạm thu phát, các trạm này đóng vai trò như một mảng anten ảo sẽ cùng nhau xử

lý tín hiệu thu được tín hiệu không lỗi Hoặc thiết bị có thể tải dữ liệu lên qua cell nhỏ ở gần bên, giúp giảm năng lượng phát trong khi vẫn nhận tín hiệu tải xuống tốt từ một trạm thu phát lớn hơn

1.3 Quá trình phát triển hệ thống anten dùng trong trạm thu phát sóng di động

Hình 1.6 Quá trình phát triển của hệ thống anten tại trạm thu phát sóng di động

Sự phát triển nhanh chóng về nhu cầu về chất lượng dịch vụ di động không dây, đòi hỏi hệ thống anten hoạt động ở chế độ đa băng tần và đa chế độ Không những vậy, hệ thống anten cần phải được giảm nhỏ kích thước, chính vì vậy, khoảng không gian dành cho việc lắp đặt, vận hành hệ thống anten ngày càng bị hạn chế, nhất là trong vùng đô thị Để đáp ứng nhu cầu thực tế, hệ thống anten cần phải đáp ứng những tiêu chuẩn dưới đây:

Kích thước hệ thống anten:

Bảng 1.1 Kích thước tiêu chuẩn cho hệ thống anten đáp ứng từng loại tần số

Tần số Chiều rộng (mm) Chiều dài (mm)

Hệ số tăng ích (dBi) Độ dài (mm) Tỉ lệ

Kỹ thuật MIMO (đa đầu vào, đa đầu ra) là kỹ thuật được sử dụng phổ biến hiện nay Bắt đầu xuất hiện từ năm 2009 với công nghệ mạng HSDPA (công nghệ mạng tiếp theo của 3G), cho đến nay, kỹ thuật MIMO có những bước phát triển mạnh mẽ, là một trong những yếu tố quan trọng giúp cho mạng không dây có tốc độ cao và độ trễ thấp

Hình 1.7 Quá trình phát triển của kỹ thuật MIMO

Để đáp ứng tốc độ tải xuống tối đa 1GBps của tiêu chuẩn công nghệ mạng LTE-A hiện nay, ngoài việc sử dụng kỹ thuật điều chế bậc cao (256QAM), đồng thời kỹ thuật hiện tại đã cho phép đạt dung lượng hệ thống chạm ngưỡng công thức Shannon thì kỹ thuật ghép kênh không gian (Spatial Multiplexing) với nhiều anten được sử dụng Như ở bản 3GPP rel

8, công nghệ 2x2 MIMO và 4x4 MIMO được sử dụng cho đường tải xuống, thì đến bản 3GPP rel 10, công nghệ 8x8 MIMO được sử dụng (tương ứng với kiểu truyền dẫn thứ 9 - TM9) Đến bản rel 12 (chuẩn LTE-A), kỹ thuật mới được sử dụng nhằm tối ưu 8x8 MIMO cho đường xuống được tích hợp trong hệ thống AAS Thông số quan trọng để áp dụng được MIMO bậc cao, đó là chất lượng tín hiệu tốt (biểu hiện qua tham số SINR), khi đó công nghệ ghép kênh không gian được sử dụng nhằm đạt được độ lợi về sóng mang phát Việc triển khai công nghệ 8x8 MIMO để đáp ứng tiêu chuẩn đặt ra của LTE- A yêu cầu cả phía trạm phát sóng di động và thiết bị đầu cuối phải sử dụng 8 anten cho việc thu phát (Hiện nay mới chỉ sử dụng tối đa 4 anten ở phía thiết bị đầu cuối)

Hình 1.8 Ứng dụng MIMO với công nghệ tạo búp sóng beamforming

Dựa theo tình hình thực tế công nghệ mạng LTE được triển khai song song với công

nghệ mạng 3G/2G vẫn đang hoạt động Do đó, cấu trúc hạ tầng mạng được nâng cấp từ hạ

tầng 2G, 3G lên LTE nên thiết kế anten tại trạm phát phải bao phủ cả băng tần sóng 2G, 3G hoặc phải cùng tồn tại hệ thống anten 2G/3G và LTE riêng biệt

Hình 1.9 Quá trình phát triển của trạm thu phát sóng di động đến nay

Nhìn vào quá trình phát triển công nghệ, hạ tầng trạm thu phát sóng di động, ta có thể thấy rằng hệ thống anten thế hệ thứ 4 (Active Antenna System) chính là tiêu chuẩn đặt ra cho hệ thống anten đáp ứng tiêu chuẩn công nghệ mạng LTE-A Sau đây ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về hệ thống này, đó chính là cơ sở cho việc thiết kế, mô phỏng hệ thống anten trong đề tài nhằm đáp ứng yêu cầu đặt ra

Hình 1.10 Cấu trúc hệ thống anten AAS (Active Antenna System)

Hình trên mô tả cấu trúc hệ thống AAS (Active Antenna System) với bộ xử lý RF tích hợp tại mảng anten Như ta đã biết thì yêu cầu quan trọng đặt ra khi phát triển hạ tầng công nghệ thu phát sóng di động, đó là hiệu quả sử dụng tần số, năng lượng điện cung cấp giảm, giảm kích thước hệ thống, giảm thời gian lắp đặt, tăng số lượng phần tử anten trong hệ thống cùng với việc tối ưu trong việc điều khiển búp sóng, tăng tính định hướng, tăng tính linh hoạt mục đích sử dụng với từng búp sóng khác nhau

Để đáp ứng yêu cầu cho hệ thống mảng anten gồm nhiều phần tử anten kết hợp, mỗi phần tử anten cần đáp ứng được yêu cầu đặt ra, nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của hệ thống mảng anten Bảng dưới đây liệt kê yêu cầu đặt ra cho một phần tử anten trong hệ thống nhằm đạt được yêu cầu của hệ thống mảng anten sử dụng trong trạm thu phát di động:

Về việc lựa chọn loại anten sử dụng để thiết kế anten, luận án sử dụng anten chấn tử đối xứng dạng mạch in với lý do được liệt kê cụ thể dưới đây:

Ưu điểm:

- Kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ

- Dễ dàng thiết kế hệ thống hoạt động với dải tần hoạt động rộng

- Hoạt động chủ yếu ở dải sóng ngắn và cực ngắn

- Chi phí chế tạo thấp, dễ dàng chế tạo bằng công nghệ mạch in nên có thể được ứng dụng rộng rãi

- Dễ dàng kết hợp các phần tử anten mạch in để tạo thành mảng anten đáp ứng yêu cầu thiết kế đặt ra

Tuy nhiên, một số nhược điểm có thể kể tới với anten chấn tử đối xứng mạch in:

- Băng tần hoạt động hẹp, tuy nhiên có thể sử dụng các phương pháp khả dụng

để mở rộng dải tần làm việc của anten

1.4 Anten chấn tử đối xứng và các tham số cơ bản

Khái niệm anten chấn tử đối xứng được giới thiệu lần đầu tiên bởi Heinrich Hertz vào năm 1886 Tuy nhiên, phải đến năm 1901, mẫu anten này mới được đưa vào đo đạc thực tế [15] Chấn tử đối xứng là một trong những nguồn bức xạ được sử dụng phổ biến trong hệ thống thu phát sóng vô tuyến hiện nay Anten chấn tử đối xứng không chỉ là một anten độc lập hoàn chỉnh mà còn là phần tử kết cấu những anten phức tạp

Cấu trúc của phần tử chấn tử đối xứng bao gồm hai đoạn vật dẫn, có thể là vật dẫn hình trụ, hình chóp, elip… có kích thước giống nhau được nối với nguồn cao tần [1] Hình dưới đây mô tả cấu tạo của phần tử anten chấn tử đối xứng:

Hình 1.11: Cấu tạo anten chấn tử đối xứng

Các thông số của anten chấn tử đối xứng:

 Băng thông:

Anten được thiết kế để không chỉ hoạt động tại một tần số xác định mà nó còn phải hoạt động tại một dải tần số, với mỗi tần số trong dải tần này, anten phải đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật như: trở kháng vào, đặc tính phương hướng bức xạ, hệ số tăng ích, hiệu suất bức xạ… Dải tần hoạt động đáp ứng các yêu cầu này được gọi là băng thông hoạt động của anten Để đạt được các tiêu chuẩn trên, băng thông hoạt động của anten thường được tính tại mỗi giá trị tần số có tỉ số sóng đứng điện áp – VSWR nhỏ hơn 2 hoặc với mỗi giá trị tần số có hệ số suy hao phản xạ S11 nhỏ hơn -10 dB

Dựa vào băng thông hoạt động, có thể chia anten theo 4 loại như dưới đây [1]:

- Anten băng hẹp:

0

10%

f f

max min

f f

- Anten băng siêu rộng:

max min

4 1

Ib là biên độ dòng điện ở điểm bụng sóng đứng

max 2

W ( ) (1 cos )

ZA : trở kháng vào của anten (Ohm),

RA : điện trở bức xạ của anten (Ohm),

XA : điện kháng của anten (Ohm)

Giá trị điện kháng biểu thị phần năng lượng trường gần của anten, anten được gọi là cộng hưởng nếu phần ảo (điện kháng) bằng không Giá trị trở kháng của anten sẽ thay đổi theo tần số hoạt động của anten

 Hệ số tăng ích:

Hệ số tăng ích của anten được định nghĩa là tỉ số cường độ bức xạ theo hướng xác định với cường độ bức xạ của anten đẳng hướng khi công suất bức xạ của hai anten là như nhau Hệ số tăng ích của anten được cho bởi công thức:

( , ) ( , ) 4

in

U G

Có một cách biểu diễn khác của hệ số tăng ích anten như sau:

mẽ về hệ số định hướng cũng như mở rộng dải tần làm việc của anten

Sau khi quyết định được loại anten sử dụng cho mẫu thiết kế anten trong luận án đảm bảo yêu cầu thiết kế, chương một cũng đã trình bày tổng quan các tham số của mẫu anten dùng cho hệ thống anten sử dụng tại trạm thu phát sóng di động, cũng như các thông số của anten Ngoài những ưu điểm sẽ được liệt kê chi tiết, chương một cũng sẽ đề cập cụ thể tới những nhược điểm của loại anten sử dụng: hệ số tăng ích nhỏ, dải tần hoạt động hẹp để nhằm đưa ra một số giải pháp nhằm cải thiện cho 2 tham số này của mẫu anten thiết kế trong luận án trong chương hai

CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT NHẰM CẢI THIỆN BĂNG THÔNG VÀ HỆ

SỐ TĂNG ÍCH CHO ANTEN 4G THEO CHUẨN LTE-A DÙNG CHO TRẠM BTS

Chương hai tập trung nghiên cứu đưa ra một số giải pháp nhằm cải thiện băng thông

và hệ số tăng ích cho phần tử anten đề xuất thỏa mãn yêu cầu thiết kế của anten 4G theo chuẩn LTE-A dùng cho trạm BTS

Nguyên lý của giải pháp mở rộng dải tần làm việc của phần tử anten là tạo ra nhiều mode cộng hưởng liên tiếp, mục đích nhằm mở rộng băng tần hoạt động cho anten chấn tử đối xứng mà không ảnh hưởng quá nhiều đến đồ thị phương hướng bức xạ Các giải pháp

đã được đề cập tổng quan ở chương một bao gồm: sử dụng cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ, sử dụng cấu trúc dạng khe cho anten nhằm tạo thêm mode cộng hưởng,

sử dụng thêm phần tử kí sinh (có thể gọi là phần tử dẫn xạ theo nguyên lý anten Yagi - Uda)

Về vấn đề cải thiện hệ số tăng ích anten, giải pháp sử dụng bề mặt phản xạ được đề xuất Trong chương này thực hiện mô phỏng so sánh nhằm làm nổi bật những ưu điểm đã nói trên của những giải pháp đã đề cập

2.1 Giải pháp mở rộng dải tần hoạt động bằng cách sử dụng anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ

2.1.1 Cơ sở giải pháp

Đối với anten chấn tử đối xứng, tham số ảnh hưởng tới tần số hoạt động của anten chính là sự phụ thuộc giữa trở kháng vào của anten và tần số, anten được gọi là cộng hưởng nếu phần điện kháng (phần năng lượng trường khu gần) của anten bằng không Vậy nếu như có một giải pháp nhằm giảm đi sự phụ thuộc của trở kháng anten với tần số hoạt động thì có nghĩa rằng dải tần hoạt động của anten sẽ được mở rộng mà ít bị phụ thuộc vào trở kháng vào của anten Có một giải pháp được đưa ra đó là phương pháp biển đổi từ từ thiết diện của chấn tử [1]

Anten cũng được coi là một thiết bị chuyển tiếp giữa hệ thống tiếp điện và môi trường truyền sóng (không gian tự do), do vậy anten cũng phải có kết cấu dạng chuyển tiếp hay nghĩa là kích thước của anten cần được biến đổi từ từ

Chính vì vậy, cấu trúc anten chấn tử đối xứng dạng nơ bướm được đề xuất, nó có cấu trúc như dưới đây và được nghiên cứu cụ thể ở chương tiếp theo

Hình 2.1: Cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ 2.1.2 Phân tích thiết kế

Đã từng có nhiều mẫu thiết kế anten được đề xuất để đảm bảo yêu cầu thiết kế đề ra,

ví dụ anten vi dải là một lựa chọn khả thi, đáp ứng được yêu cầu về chi phí chế tạo thấp, cấu trúc không phức tạp và dễ dàng tạo thành cấu trúc dạng lưỡng phân cực Tuy nhiên, nhược điểm lớn là băng thông hẹp (tài liệu tham khảo số [17], [18] và [19]) Dựa vào cơ sở

lý thuyết của anten dipole, cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ được sử dụng nhằm thỏa mãn yêu cầu về độ rộng băng thông đặt ra Ngoài ra, do xuất phát từ cấu trúc chung của anten chấn tử, nên anten chấn tử đối xứng thừa hưởng tất cả những ưu điểm kể trên, đáp ứng yêu cầu thiết kế đã đặt ra

Dưới đây là bảng thông số kỹ thuật của anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ:

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của anten chấn tử đối xứng dạng nơ

Tiếp điện Kết nối với cáp đồng trục thông

qua hệ thống tiếp điện phù hợp

Để chứng minh đặc tính băng thông hoạt động rộng hơn so với anten chấn tử đối xứng bình thường, đồ án thiết lập một mô phỏng hai cấu trúc phần tử anten: phần tử anten chấn

tử đối xứng mạch in dạng nơ và phần tử anten chấn tử đối xứng mạch in Cả hai cấu trúc sẽ

có cùng kích thước (chiều dài nửa bước sóng tại tần số f = 2.2 GHz), khoảng cách giữa hai phần tử bức xạ của từng anten là 1 mm Cả hai phần tử được cấp bằng nguồn có trở kháng

50 Mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm CST Studio Suite 2016 là phần mềm được

sử dụng rộng rãi trong thiết kế phần tử cao tần trong thực tế

Hình 2.2 Mô hình cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ và anten chấn tử chấn

tử đối xứng mạch in

Kích thước cụ thể của hai mẫu anten được cho bởi bảng dưới đây:

- Mẫu anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ:

Bảng 2.2 Các tham số kích thước anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ

Thông số L_bowtie W_bowtie Angle_bowtie D_bowtie

- Mẫu anten chấn tử đối xứng mạch in:

Bảng 2.3 Các tham số kích thước anten chấn tử đối xứng mạch in

Thông số L_bowtie W_bowtie D_bowtie

2.1.3 Các kết quả mô phỏng

Từ những thiết lập trên, tiến hành mô phỏng ta thu được kết quả mô phỏng như sau:

Hình 2.3 Hệ số phản xạ S(1,1) của anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ

Hình 2.4 Hệ số phản xạ S(1,1) của anten chấn tử đối xứng mạch in

Từ hai hình mô phỏng hệ số phản xạ S(1,1) ở trên, có thể thấy rõ băng thông hoạt động của anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ lớn hơn so với băng thông hoạt động của anten dipole mạch in (670 MHz so với 480 MHz) khi hai phần tử có cùng kích thước và được tiếp điện bằng cùng một nguồn có trở kháng vào 50 Như chúng ta biết, anten chấn

tử đối xứng mạch in đã là dạng anten băng rộng, tuy nhiên với mẫu thiết kế anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ đề xuất, băng thông hoạt động còn được mở rộng đáng kể Điều này rất quan trọng khi thiết kế hệ thống anten thu phát sóng di động dùng trọng di động không dây

Ngoài ra, việc phối hợp trở kháng đối với mẫu thiết kế này cũng được cải thiện hơn rất nhiều, có thể thấy qua mô phỏng thực hiện phối hợp trở kháng tại tần số f = 2.2 GHz, các kết quả được thể hiện như hình dưới đây:

Hình 2.5 Kết quả thể hiện phối hợp trở kháng tại tần số f = 2.2 GHz của anten chấn tử đối

xứng mạch in dạng nơ đề xuất

Hình 2.6 Kết quả thể hiện phối hợp trở kháng tại tần số f = 2.2 GHz của anten chấn tử đối

xứng mạch in

Việc phối hợp trở kháng tốt khiến cho công suất suy hao phản xạ của mẫu anten đề xuất rất nhỏ Điều này thể hiện ở hệ số suy hao phản xạ S(1,1) của mẫu thiết kế là -50.9 dB khi so với mẫu anten chấn tử đối xứng mạch in có S(1,1) là -23.33 dB Tất nhiên, tại tần số cộng hưởng có hệ số S(1,1) bằng -23.33 dB có thể chấp nhận được (với chỉ nhỏ hơn 10% năng lượng bị phản xạ lại), tuy nhiên, đối với mẫu anten đề xuất xuất phát từ chính anten chấn tử đối xứng mạch in thì việc cải thiện hệ số S(1,1) cũng làm dải tần hoạt động của mẫu anten thiết kế được mở rộng

Hệ số tăng ích tối đa đạt được của hai mẫu thiết kế là như nhau bằng 2.23 dBi

2.2 Giải pháp sử dụng cấu trúc khe tạo thêm tần số cộng hưởng

2.2.1 Cơ sở giải pháp

Một phương pháp được đề xuất nhằm mở rộng dải tần hoạt động của anten, đó là tạo

ra hai khe đối xứng trên hai chấn tử của anten Điều này dựa theo phân tích từ tài liệu tham

khảo số [11], trong đó có dẫn chứng: “việc tạo ra khe trên anten làm tăng điện trở vào, do

đó khả năng phối hợp trở kháng tốt hơn”

Việc tạo ra khe trên hai chấn tử của anten nếu ở vị trí phù hợp, sẽ làm tăng độ dài điện của anten, do đó sẽ làm giảm chiều dài vật lý của anten, điều này là ưu điểm vượt trội của giải pháp khi việc giảm nhỏ kích thước anten thực tế trở nên rất quan trọng trong thực tiễn Việc thiết kế, so sánh và tối ưu được thực hiện ở chương tiếp theo Dưới đây là mô hình anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ được tạo ra khe:

Hình 2.7: Cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ được tạo thêm khe

2.2.2 Phân tích thiết kế

Việc tạo thêm cấu trúc khe cho mẫu anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ là một phương pháp mở rộng băng thông hoạt động cho anten, dựa trên tài liệu tham khảo số [17] Cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ sau khi được tạo khe được cho như hình dưới đây:

Hình 2.8 Cấu trúc mẫu anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ có tạo khe

Việc tối ưu kích thước khe, nếu thành công, sẽ làm tăng chiều dài điện mà không cần tăng chiều dài vật lý của mẫu anten hiện tại Điều này rất quan trọng trong việc thiết kế chế