Nghiên cứu thiết kế anten dùng cho thông tin di động GSM1800

Mục lục
Lời nói đầu…………………………………………………………. 6
Chương 1
TỔNG QUAN MẠNG GSM VÀ ANTENNA GSM
1.1. Cấu trúc mạng di động GSM………………………………… 8
1.1.1. Phân hệ trạm gốc………………………………………. 8
1.1.2. Phân hệ chuyển mạch mạng NSS……………………… 11
1.1.3. Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR…………………………. 13
1.1.4. Trạm di động GSM…………………………………… 14
1.2. Antenna dùng trong mạng GSM………………………………. 15
1.2.1. Chức năng và nhiệm vụ của antenna trong trạm BTS…. 15
1.2.2. Các hệ thống antenna trong thông tin di động………… 17
1.2.3. Một số loại antenna di động GSM…………………… 24
Chương 2
CÁC THAM SỐ CỚ BẢN CỦA HỆ THỐNG ANTENNA
2.1. Miền phát xạ của antenna……………………………………… 28
2.2. Hệ số định hướng……………………………………………… 30
2.3. Hệ số khuếch đại………………………………………………. 32
2.4. Độ rộng búp sóng antenna…………………………………… 33
2.5. Trở kháng và dải thông của antenna………………………… 35
2.6. Phân cực……………………………………………………… 37
Chương 3
PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN CHẤN TỬ MẠCH DẢI
3.1. Tham số tán xạ và hiệu suất…………………………………… 39
3.2. Bộ chia công suất……………………………………………… 41
3.3. Phân bố công suất cho các chấn tử……………………………. 43
Chương 4
THIẾT KẾ ĐƠN CHẤN TỬ MẠCH DẢI
VÀ GIÀN ANTENNA MẠCH DẢI
4.1. Ưu nhược điểm và ứng dụng của antenna mạch dải………… 45
4.1.1. Ưu điểm của antenna mạch dải……………………… 45

4.1.2. Nhược điểm của antenna mạch dải……………………. 45
4.1.3. Ứng dụng của antenna mạch dải………………………. 45
4.2. Phương pháp chọn mạch dải cho chấn tử……………………… 46
4.3. Mở rộng dải thông cho chấn tử mạch dải……………………… 49
4.3.1. Mở rộng băng thông BW bằng thay đổi hình dạng patch 49
4.3.2. Nhiều cộng hưởng phẳng………………………………. 50
1
4.3.3. Cấu hình nhiều lớp…………………………………… 50
4.3.4. Phối hợp trở kháng làm tăng dải thông……………… 52
4.3.5. Cấu hình loga chu kỳ………………………………… 52
4.4. Thiết kế chấn tử đơn antenna mạch dải……………………… 53
4.4.1. Cấu hình antenna patch………………………………. 53
4.4.2. Các bước thiết kế antenna patch………………………. 57
4.5. Thiết kế antenna GSM 1800………………………………… 63
4.5.1. Tính năng kỹ thuật và công dụng…………………………….
4.5.2. Kết quả mô phỏng……………………………………………
63
63
Kết luận……………………………………………………………
Tài liệu tham khảo…………………………………………………
70
72
2
Bng cỏc ch vit tt
AUC Authenticication centre Trung tâm chứng thực
BSC Base Transceiver Controller Bộ điều khiển trạm gốc
BSS Base Transceiver System Hệ thống trạm gốc
BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc
BW Bandwidth Độ rộng dải thông
CC Call Controll

iu khin cui gi
EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị
FDD Frequency Division Duplex Song công chia tần số
FDMA Frequency Division Mutiple Access Đa truy nhập chia tần số
GPRS General Packet Radio Service
Dch v vụ tuyn gúi tng hp
GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu
HLR Home Location Register Bộ đăng ký vị trí thờng trú
IMEI International Mobile Equipment Identity Danh tính thiết bị di động quốc tế
ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số liên kết đa dịch vụ
IWF Intelligent Work Station Trạm làm việc thông minh
MM Mobility Management Chế độ trộn
MS Mobile Station Trạm di động
MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di động
NSS Nodal Switching System Hệ thống chuyển mạch của mạng
PLMN Public Land Mobile Network
Mng di ng cụng cng mt t
PSTN Packet Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch côngcộng
RA Rate Adaption Thích ứng tốc độ
SIM Subscriber Indentity Module Mô đun nhận dạng thuê bao
TDD Time Division Duplexing Song công chia theo thời gian
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập chia theo thơì gian
VLR Visitor Location Register Bộ đăng ký vị trí khách
VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng
LI NểI U
K t khi mng di ng u tiên ti Vit Nam, MobiFone chính thc i
vo hot ng ã 16 nm, ngnh thông tin di ng Vit Nam ó tri qua
nhng chng ng phát trin y du n. Hiện nay, ở Việt Nam có 3 mạng
thông tin di động GSM: Vinaphone, MobiFone và Viettel chiếm hơn 98% thị
phần các thuê bao di động. Trong thời gian tới GSM vẫn chứng tỏ là công

nghệ phù hợp cho thông tin di động ở nớc ta.
Các mạnh thông tin GSM đã hoạt động đợc gần 20 năm nên cơ sở hạ
tầng đã cũ và cần thay thế. Để nâng cấp chất lợng, các nhà cung cấp dịch vụ
cồ gắng nâng cấp và thay thế các thiết bị trong đó có hệ thống antenna dùng
cho các trạm BTS. Nh cung cp dch v no cng khng nh ó ph súng
3
rng khp nhng nhỡn chung mt khụng u v cht lng cuc gi cha
n nh. Cỏc trm thu phỏt súng (BTS) thng dy c thnh th v nhng
im ụng dõn nhng li tha tht cỏc vựng nụng thụn, min nỳi. ụi khi
ngay c cỏc a phng giỏp ranh vi cỏc thnh ph ln vn cú nhng li
phn nn v hin tng ớt súng. gii quyt trit tỡnh trng ny, cỏc nh
cung cp dch v ó v ang tin hnh m rng khỏ nhiu trm BTS. Mc
tiờu ca cỏc nh cung cp trong nm nay l phi xõy dng c 15.000 trm
thu phỏt mi trong ú mng GSM chim ti hai phn ba. Trong ú, MobiFone
d kin thờm 4.500 BTS mi trong khi phi mt 13 nm hóng mi lp c
2.500 BTS u tiờn. VinaPhone phn u n ht nm nay s cú thờm 5.000
BTS.
Thực trạng hiện nay ở Việt Nam là hầu hết các thiết bị đều nhập từ nớc
ngoài, chúng ta chỉ khai thác sử dụng. Vì vậy, chúng ta không làm chủ đợc
công nghệ và kiểm soát đợc chất lợng sản phẩm. Việc nghiên cứu, thiết kế chế
tạo các thiết bị viễn thông trong đó có anten là rất cần thiết.
Do vậy, em chọn đề tài Nghiên cứu thiết kế antenna dùng cho thông
tin di động GSM-1800. Cấu trúc đồ án tốt nghiệp:
Chng 1: Tng quan mng GSM v antenna GSM;
Chng 2: Cỏc tham s c bn ca antenna;
Chng 3: Phng phỏp cp ngun chn t mch di;
Chng 4: Thit k n chn t mch di v antenna mch di.
Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp là nghiên cứu thiết kế antenna băng tần 1760
MHz đến 1840 MHz dùng cho trạm BTS của các nhà cung cấp dịch vụ di
động GSM-1800.

Do hạn chế về thời gian cũng nh kinh nghiệm trong nghiên cứu nên nội
dung đồ án còn sơ sài kính mong các thầy giáo trong hội đông chấm thi xem
xét giúp đỡ.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN MẠNG GSM VÀ ANTENNA GSM
1.1. CẤU TRÚC MẠNG GSM
M¹ng GSM cã thÓ ph©n chia thµnh: Ph©n hÖ tr¹m gèc BSS, ph©n hÖ
chuyÓn m¹ch m¹ng NSS vµ c¸c tr¹m di ®éng MS. KiÕn tróc cña mét m¹ng
GSM ph©n bè theo ®Þa lý vµ kÕt nèi cña nã ®îc thÓ hiÖn trªn h×nh 1.1.
H×nh 1.1- KiÕn tróc m¹ng GSM
5
1.1.1. Phân hệ trạm gốc
a. Trạm thu phát gốc
Phân hệ trạm gốc gồm nhiều trạm thu phát BTS cho phép kết nối không
dây từ trạm di động tới mạng thông qua giao diện Um hoặc vô tuyến (hình
1.2). Cùng với bộ thích nghi tốc độ chuyển đổi mã TRAU và trạm thu phát
gốc BTS đảm nhiệm tất cả chức năng thông tin liên lạc giữa mạng và trạm di
động. Những công việc này gồm: mã kênh, xen kênh, bảo mật kênh, điều chế
và giải điều chế khoá dịch tối thiểu Gaussian Sơ đồ nguyên lý trạm thu phát
BTS đợc biểu diễn hình 1.2.
Hình 1.2 - Sơ đồ nguyên lý trạm thu phát BTS
b. Bộ điều khiển trạm gốc
Tất cả trạm thu phát BTS của phân hệ trạm gốc BSS kết nối với bộ điều
khiển trạm gốc BSC thông qua giao diện Abis (hình 1.3). Bộ điều khiển trạm
gốc kết nối tới trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC qua dao diện A
đợc hiểu nh là một chuyển mạch. Bộ điều khiển trạm gốc giống một tổng đài
mở rộng nhằm giảm bớt gánh nặng của MSC khỏi tất cả các kết nối không
dây. Cụ thể là: ớc lợng kết quả đo lờng từ BTS và trạm di động MS khi tồn tại
một cuộc gọi để điều chỉnh công suất thích hợp từ những kết quả thay đổi đó

hoặc điều khiển chuyển vùng. Những chức năng điều chỉnh này hầu hết đợc
thực hiện bởi BSC, mặc dù chuẩn GSM chỉ cho phép chuẩn bị sơ bộ của kết
quả đo lờng ở BTS.
6
Cộng thêm chức năng điều khiển trạm gốc BSC là chức năng ngang
hàng của MS về phía giao thức quản lý nguồn tài nguyên sóng vô tuyến và
quản trị tài nguyên trên giao diện Abis và vô tuyến. BSC nh một phần tử của
mạng chuyển mạch kênh, là trở lực lớn đối với dịch vụ chuyển mạch gói. Sơ
đồ mạch chính của BSC đợc minh hoạ trên hình 1.3.
Hình 1.3 - Sơ đồ mạch chính của BSC
Các chức năng của BSC không thích hợp cho dịch vụ chuyển mạch gói còn
giao thức ngang hàng thì gây nhiều khó khăn khi điều chỉnh cho các yêu cầu
của các dịch vụ chuyển gói.
c. Khối điều chỉnh tốc độ và biến đổi mã TRAU
TRAU có nhiệm vụ nén tín hiệu từ tốc độ 64kb/s thành 16kb/s cho chế
độ toàn tốc hoặc 8 kb/s cho chế độ bán tốc . TRAU thực hiện tạo nhiễu tạp âm
dễ chịu khi có đoạn ngng nói trong cuộc đàm thoại. Điều quan trọng hơn với
việc hiểu cơ bản của quá trình xử lý tín hiệu trong GSM là chức năng khác của
TRAU: chuyển đổi hết toàn bộ thông tin từ MSC thành các khung TRAU.
Quá trình biến đổi này áp dụng cho tín hiệu fax, truyền dữ liệu, thoại. Nói
cách khác: tất cả sự chuyển tải giữa MS và TRAU diễn ra chính ở khung
TRAU. Mỗi khung TRAU có độ dài 320 bit, cứ 20 ms thì có một khung
TRAU đợc truyền hoặc phát. Do đó có 16kb/s/kênh. Thực tế số lợng bít tải
phụ thuộc vào loại khung TRAU hoặc ứng dụng. Với thoại toàn tốc mỗi
khung TRAU chứa 260 bit dữ liệu, bình thờng thì khung TRAU chứa 240 bit
tải. Kênh tải 16kb/s đợc sử dụng là do khung TRAU giữa TRAU và BTS có
7
giao diện Abis. Nói cách khác, nếu có hơn 16 kbps dữ liệu đợc truyền tải là
một vấn đề lớn. Chuẩn GSM cho phép tích hợp TRAU trong BTS (hình 1.4).
Hình 1.4 - Sơ đồ khối của BSC

Tuy nhiên, mỗi nhà sản xuất đều đa ra một định hớng khác nhau và sử dụng
điều khiển TRAU. Do yêu cầu giảm giá thành kết nối nên nếu TRAU đợc lắp
đặt ở MSC thì kênh 16 kb/s có thể đợc sử dụng ở tất cả các đờng kết nối từ
MSC đến BTS thay vì kênh 64 kb/s nh ở GSM. Vậy nên một khối điều khiển
TRAU cho phép giảm giá thành kết nối đi 3/4.
1.1.2. Phân hệ chuyển mạch mạng NSS
Phân hệ chuyển mạch NSS gồm :
- Một hoặc nhiều hơn một bộ ghi định vị thờng trú HLR (Mỗi mạng có thể có
nhiều HLR vật lý song về mặt logic chỉ có một).
- Trung tâm nhận thực AuC;
- Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR;
- Trung tâm chuyển mạch di động MSC;
- Bộ ghi định vị tạm trú VLR.
a. Trung tâm nhận thực AuC và bộ ghi định vị thờng trú HLR
+ Bộ ghi định vị thờng trú HLR:
Là cơ sở dữ liệu tĩnh lu trữ thông tin về tất cả thuê bao của mạng. Những
thông tin này gồm số điện thoại, số ISDN của thuê bao cũng nh đặc điểm, giới
hạn về dịch vụ của thuê bao. Để linh hoạt trong quản lý di động rất quan trọng
ở GSM, HLR lu giữ thông tin liên quan tới mọi thuê bao đã đăng ký hiện thời.
+ Trung tâm nhận thực AuC:
Là phần không thể thiếu của HLR, nó tính toán kết quả nhận thực tơng ứng
SRES và các khoá mật Kc với việc sử dụng thuật toán A3, A8 và số ngẫu
8
nhiên RAND, khoá thuê bao Ki đợc lu trữ trong HLR. Quá trình tính toán đợc
minh họa ở hình 1.5 Xác định
c
K
từ
i
K

và RAND; và hình 1.6 xác định SRES
từ
i
K
và RAND.
Hình 1.5 - Xác định Kc từ Ki và RAND
Hình 1.6 - Xác định SRES từ Ki và RAND
Chính vì vậy, mỗi MS đợc nhận thực hai lần: một bởi VLR và một bởi SGSN,
mỗi lần nhận thực với một giá trị RAND khác nhau. Theo đó, hai giá trị khác
nhau Kc phải đợc lu trữ và sẵn sàng phục hồi ở MS - một cho GPRS, một cho
GSM thông thờng.
b. Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động và bộ ghi định vị tạm trú
Những năm của thập kỉ 80, trong quá trình phát triển GSM, MSC và
VLR đợc quan niệm nh hai phần tử mạng độc lập: MSC giống nh phần tử
mạng đảm nhiệm chức năng điều khiển cuộc gọi, VLR đảm nhiệm chức năng
cơ sở dữ liệu cho quản lý di động MM. Cả hai giao thức điều khiển cuộc gọi
CC và quản lý di động MM là trong suốt với phân hệ vô tuyến và chịu trách
nhiệm xử lý tại MSC và VLR . Đến gần những năm 90, quan niệm về hai phần
9
tử độc lập MSC và VLR không còn nữa thay vào đó là MSC/VLR. Tuy nhiên
việc này không làm thay đổi giao thức độc lập của CC và MM. MSC của GSM
giống nh một tổng đài ISDN. Tuy nhiên tổng đài ISDN sử dụng chuyển mạch
kênh.
+ Trung tâm chuyển mạch di động cổng GMSC và chức năng phối hợp IWF:
Hình 1.1 cho thấy một mạng di động mặt đất công cộng PLMN điển hình
cùng với trung tâm chuyển mạch di động cổng khác. Trong số MSC trên hình
1.1 thì chỉ có hai MSC có kết nối với mạng ngoài. Các MSC đặc biệt này đợc
xem nh là trung tâm chuyển mạch di động cổng ở GSM. Các nhà điều hành
mạng có quyền quyết định tất cả hoặc một số MSC có chức năng kết nối mạng
ngoài. Chức năng phối hợp IWF thờng đợc gọi là modem gốc vì nó đảm

nhiệm chức năng thích nghi tốc độ RA trong các kết nối với mạng dữ liệu
ngoài. GSM hỗ trợ kết nối với các mạng ngoài khác nhau nh: Mạng dữ liệu
công cộng chuyển mạch kênh PSPDNs, mạng chuyển mạch điện thoại cố định
công cộng PSTN, mạng số tích hợp đa dịch vụ ISDN và các mạng di động
khác.
1.1.3. Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR
EIR không quản lý dữ liệu thuê bao nên thiết bị di động đầu cuối tự
quản lý dữ liệu. Khác với VLR và HLR, EIR là phần tử tùy chọn của mạng, vì
giá của EIR cực nhỏ so với tổng đầu t GSM. Lịch sử phát triển EIR: Theo
chuẩn GSM những năm 80 thì thiết bị di động và điện thoại di động rất đắt và
khả năng chống sử dụng trái phép kém nên GSM mở cánh cửa mới cho thị tr-
ờng đen phát triển do việc nhận dạng thuê bao tách khỏi việc nhận dạng thiết
bị. Để giải quyết vấn nạn này, hai biện pháp đã đợc đa ra, thứ nhất: các máy di
động GSM không đợc thay đổi và nhận dạng IMEI. Thứ hai: EIR có khả năng
lu trữ số IMEI. EIR giúp cho việc bảo vệ mạng PLMN khỏi sự thâm nhập của
các thuê bao trái phép bằng cách so sánh số IMEI của thuê bao này gửi tới khi
thiết bị thiết lập thông tin với số IMEI lu trữ trong các danh sách trng và xám
trong EIR nếu không tơng ứng thuê bao sẽ không truy nhập mạng đợc.
1.1.4. Trạm di động GSM
Trạm di động GSM chỉ tồn tại khi thiết bị di động ME kết nối vật lý với
SIM. Một số đặc điểm của GSM đã đợc định nghĩa trong các thuật ngữ ở thiết
bị di động:
10
- Cấu hình mạng tổ ong với kích thớc tế bào tơng đối nhỏ cho phép truyền tiêu
thụ năng lợng truyền dẫn thấp ở MS vì thế pin của MS vừa nhỏ và nhẹ.
- Điều chế GMSK đợc sử dụng nên cho phép sử dụng các bộ khuếch đại công
suất giá rẻ, xử lý điều chế đơn giản nên giá thành sản xuất thấp.
- Chuẩn GSM chuẩn không cho phép MS có khả năng thu phát tín hiệu đồng
thời. Nên bộ song công trên giao diện giữa đờng thu phát và antenna là không
cần thiết do đó giảm độ phức tạp và giá thành của một MS

- Không giống với phần tử mạng khác trong NSS và BSS, các phần cứng cụ thể
của giao diện ngời máy MMI đợc xác định cho MS.
- Định nghĩa chính xác của chức năng bắt buộc và tùy chọn của trạm di động
GSM liên quan đến hiệu suất kiểm thử hàng trăm trờng hợp. Mỗi MS phải qua
các lần kiểm thử trớc khi đợc bán lẻ. Thoạt tiên, sự hạn chế này có vẻ nh một
trở ngại lớn nhng xem xét một cách sâu xa lại là những thuận lợi bởi vì nó
đảm bảo niềm tin cho khách hàng, giảm đáng kể số lợng cuộc nhỡ. Sự đơn
giản hóa MS là một phần của công nghệ tốc độ cao. Hình 1.7 cho thấy, một
MS gồm tất cả chức năng lớp 1 gồm cả BTS và TRAU.
Hơn nữa, MS phải hỗ trợ tất cả chức năng quản lý di động, điều khiển cuộc
gọi trong đàm thoại dọc theo MSC và VLR. Ngoài ra phải có thiết bị máy móc
để cài đặt và gỡ bỏ SIM. Cuối cùng, các giao diện ngời dùng khác phải đợc
tích hợp. Giao diện ngời dùng đó gồm: giao diện ngời máy, loa, giao diện
điện/quang phục vụ kết nối dữ liệu.
Hình 1.7 - Sơ đồ khối của một MS GSM
1.2. ANTENNA Dùng TRONG MNG GSM
1.2.1. Chức năng và nhiệm vụ của antenna trong trạm BTS
11
Antenna trong các trạm BTS dùng để thu phát sóng bức xạ từ tổng đài
tới các máy lẻ và ngợc lại. Với các antenna có tính định hớng cao và hệ số
tăng ích còn giúp cho các công ty viễn thông tiết kiệm đợc công suất cũng nh
các lãng phí do việc phủ sóng toàn bộ.
Hiện nay các trạm BTS đã sử dụng các loại antenna tơng đối phức tạp có tính
định hớng cao và khả năng xử lý thông minh theo các chơng trình đã lập sẵn.
Tuy nhiên, về cơ bản các antenna phức tạp đều dựa vào nguyên lý của các
antenna đơn giản đợc dùng khá phổ biến là antenna vô hớng (Omnidirectional
Antenna) hình 1.8 và antenna định hớng (Directional Antenna) hình 1.9.
Hình 1.8 - Antenna vô hớng và vùng phủ sóng
Antenna vô hớng là một antenna đơn giản dùng để phát thu sóng đồng
đều trên tất cả các hớng. Omnidirectional Antenna thích hợp cho vùng phủ

sóng có mật độ điện thoại trên thuê bao thấp. Tuy vậy, antenna cũng làm phân
tán năng lợng và cờng độ tín hiệu phát ra. Để khắc phục điều này ngời ta phải
tăng công suất phát nhng lại gây nên tăng xuyên nhiễu giữa các kênh. Nói
chung antenna vô hớng có nhiều hạn chế về độ tăng ích và khả năng tái sử
dụng các kênh tần số.
Antenna định hớng cũng là loại antenna đơn giản, nhng khác với loại
antenna vô hớng nó đợc thiết kế để phát và thu tín hiệu trong một hớng nhất
định. Trong các hệ thống thông tin di động đặc tuyến phủ sóng của antenna
định hớng thờng có sector và góc mở 120
0
. So với antenna vô hớng thì
antenna định hớng có độ tăng ích và hiệu năng tín hiệu cao hơn nhờ tập trung
tín hiệu. Tuy nhiên, nó vẫn không thể khắc phục đợc một nhợc điểm lớn của
antenna vô hớng là vấn đề xuyên nhiễu giữa các kênh.
12
Hình 1.9 - Antenna định hớng và vùng phủ sóng
1.2.2. Các hệ thống antenna trong thông tin di động
Để khắc phục nhợc điểm của các loại antenna đơn giản ở trên ngời ta cố
gắng kết hợp nhiều antenna với nhau để tạo thành một hệ thống antenna. Các
antenna trong cùng một hệ thống phải làm việc đồng bộ với nhau nhằm nâng
cao độ tăng ích cũng nh mở rộng vùng phủ sóng. Sau đây ta sẽ nghiên cứu
một số hệ thống antenna đã đợc phát triển trong thông tin di động
a. Hệ thống antenna sector
Hệ thống antenna sector (hình 1.10) kết hợp antenna định hớng đặt ở
trạm gốc (base station -BS) để chia các cell truyền thống thành từng phần
sector. Mỗi cell thờng đợc chia thành 3 sector hoạt động nh các cell độc lập.
Hệ thống antenna sector cho phép tái sử dụng các kênh tần số và giảm bớt
xuyên nhiễu trong hệ thống thông tin di động.
Hình 1.10 - Hệ thống antenna sector
b. Hệ thống antenna phân tập

Hệ thống antenna phân tập kết hợp các antenna đặt các vị trí khác nhau
(phân tập không gian) ở trạm gốc nhằm hạn chế hiệu ứng đa đờng (fading).
Để đơn giản ta xét hệ thống antenna phân tập gồm 2 antenna. Hệ thống này
13
cải thiện độ lớn của tín hiệu thu đợc bằng cách sử dụng một trong hai phơng
pháp sau:
- Antenna phân tập chuyển mạch (hình 1.11): sử dụng bộ chuyển mạch
để chọn kết nối với antenna nào ở vị trí thu đợc tín hiệu tốt nhất, hệ thống này
có khả năng cải thiện đợc hiệu ứng fading nhng không nâng cao đợc hệ số
tăng ích do tại mỗi thời điểm chỉ có một antenna đợc nối tới bộ thu.
- Antenna phân tập kết hợp (Combining diversity): Thực hiện việc nhận
cả hai tín hiệu từ cả hai antenna, sửa sự lệch pha nhằm phối hợp hai tín hiệu để
đa ra tín hiệu tốt nhất. Hệ thống này không những cải thiện đợc hiện tợng
fading mà còn tăng đợc độ tăng ích của antenna.
Hình 1.11 - Antenna phân tập chuyển mạch
Hình 1.12 - Antenna phân tập phối hợp
Do cờng độ phát tín hiệu của trạm gốc (downlink) lớn hơn rất nhiều c-
ờng độ phát tín hiệu phát ra từ mobile (uplink) nên hệ thống antenna phân tập
thờng đợc dùng ở các trạm gốc để cải thiện tín hiệu thu đợc từ mobile. Tuy
14
vậy hệ antenna phân tập cha giảm đợc xuyên nhiễu giữa các kênh, nâng cao
độ nhạy, tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số cũng nh tăng dung lợng của hệ
thống. Các yêu cầu này dẫn đến việc đòi hỏi nghiên cứu các hệ thống antenna
thông minh hơn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới, sau đây ta
trình bày tổng quan về các antenna thông minh đang đợc phát triển hiện nay.
c. Antenna thông minh
Antenna thụng minh l mt h thng gm mt ma trn cỏc antenna
phi hp vi nhau bng cụng ngh s nhm ti u hoỏ vic phỏt v thu tớn
hiu. Cỏc antenna ny cú kh nng t ng iu chnh hng c tuyn ph
súng ca mỡnh sao cho phự hp nht vi mụi trng tớn hiu. Antenna thụng

minh khụng nhng lm tng cht lng tớn hiu m cũn lm tng dung lng
h thng thụng qua vic tng kh nng tỏi s dng kờnh tn s. Mt s c
im v li ớch ni bt ca antenna thụng minh c lit kờ trong (bng 1.1).
Bng 1.1 - u im antenna thông minh
Đặc điểm Lợi ích
tng ớch cao - Tớn hiu vo t
nhiu antenna c phi hp nõng
cao tng ớch t ú ti u hoỏ cụng
sut phỏt yờu cu i vi mt vựng
ph súng nht nh.
M rng c vựng ph súng - Vic
tp trung nng lng truyn súng vo
trong cell cho phộp m rng vựng
ph súng ca trm gc. Mt khỏc
tng ớch trm gc ln cho phộp gim
cụng sut phỏt yờu cu ca MS, t ú
tng thi gian s dng ca pin v cho
phộp gim nh kớch thc cng nh
trng lng mobile.
Đặc điểm Lợi ích
Chng xuyờn ln - T s tớn Tng dung lng - Vic tng t s
15
hiu/xuyờn nhiu (C/I) c nõng
cao nh gim c s ngun nhiu
tỏc ng lờn beam nh hng.
C/I cho phộp gim nh khong cỏch
tỏi s dng, t ú tng thờm dung
lng ca h thng.
S phõn tp khụng gian - Cỏc tớn
hiu t ma trn antenna c phi

hp nhm gim thiu hiu ng
fading v cỏc nh hng khỏc ca
hiu ng a ng.
Nõng cao kh nng chng hiu ng
a ng - Cú th gim c tỏc
ng ca vic tr trong kờnh, cho
phộp nõng cao tc (bit rate) m
khụng cn dựng n b cõn bng.
Ti u hoỏ cụng sut phỏt -Kt hp
tớn hiu vo ca nhiu antenna nhm
ti u hoỏ tng ớch ng xung.
Gim chi phớ h thng - Gim chi phớ
cho cỏc b khuch i, gim mc
tiờu th in nng v nõng cao tin
cy ca h thng.
Thớch ng vi hu ht cỏc chun
thụng tin vụ tuyn
Cú th ỏp dng cho hu ht cỏc h
thng thụng tin di ng s dng cỏc
chun truy nhp FDMA, TDMA
CDMA hay cỏc chun song cụng
FDD, TDD.
Cú tớnh trong sut i vi mng li
- Khụng b gii hn bi mt phng
thc iu ch hay giao thc vụ tuyn
c th no.
Cho phộp to ra cỏc sn phm v
dch v cht lng cao v a li cho
cỏc nh cung cp dch v mt kh
nng cnh tranh mnh.

Nguyên lý làm việc của các antenna thông minh là tự điều chỉnh nhằm
hớng các búp sóng chính về phía ngời sử dụng mong muốn đồng thời cố gắng
loại bỏ các xuyên nhiễu bên ngoài búp sóng chính. Tại đờng lên các antenna
thông minh đo đạc cờng độ tín hiệu nhận đợc từ ma trận antenna và thực hiện
các điều chỉnh phức tạp về biên độ cũng nh về pha tín hiệu. Điều này cho phép
các antenna thay đổi đặc tuyến làm việc để tối u hoá tín hiệu nhận đợc. Có
nhiều antenna thông minh đang đợc ứng dụng và phát triển, trong bản đồ án
này đề cập đến 2 loại antenna thông minh đơn giản điển hình đó là antenna
16
chuyển búp (chuyển Beam) và antenna ma trận thích nghi (gọi tắt là antenna
thích nghi)
- Antenna chuyển búp (beam) bao gồm các antenna có búp sóng cố định đợc
định dạng để tăng độ nhạy ở một hớng xác định. Hệ thống này đo cờng độ tín
hiệu để chọn một búp thích hợp tại thời điểm nhận tín hiệu để phục vụ và nó
sẽ chuyển từ búp này sang búp khác khi máy mobile di chuyển vị trí trong
sector. Thay vì định dạng các búp sóng bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý các
chấn tử theo kiểu antenna định hớng, antenna chuyển búp kết hợp đầu ra của
nhiều antenna một cách đặt biệt nhằm đạt đợc sự sector hoá chùm beam một
cách tinh vi và linh hoạt hơn nhiều. Hình 1.13 đặc tuyến phủ sóng của antenna
chuyển beam.
Hình 1.13 - Đặc tuyến phủ sóng của antenna chuyển beam
Đặc tuyến bức xạ của antenna chuyển búp sóng chính là phơng pháp
mở rộng của phơng pháp sector hoá nhằm chia nhỏ các ô. Antenna chuyển
các búp sóng chính chia các macrosector thành các microsector nhằm cải
thiện phạm vi phủ sóng và dung lợng. Mỗi một microsector chứa một búp cố
định với độ nhạy đợc tập trung tối đa ở vùng trung tâm và giảm tối thiểu ở các
vùng khác. Tuỳ theo số búp sóng trong hệ antenna mà độ rộng của từng búp
có thể là 20
0
hoặc 30

0
thậm chí nhỏ hơn. Thiết kế này đòi hỏi các chấn tử
phải có độ tăng ích lớn và chùm beam hẹp. Tại mỗi thời điểm antenna chuyển
beam chọn trong số các beam cố định một beam có cờng độ tín hiệu lớn nhất
cho ngời sử dụng mong muốn.Việc lựa chọn đợc điều khiển bằng tín hiệu cao
tần hoặc các thiết bị phần cứng hay phần mềm xử lý số. Khi ngời dùng đi vào
một macrosector, antenna sẽ lựa chọn microsector có tín hiệu lớn nhất để phục
vụ ngời đó, trong suốt cuộc gọi hệ thống sẽ kiểm tra cờng độ tín hiệu và thực
hiện việc chuyển sang beam khác khi cần thiết.
17
- Antenna thích nghi là loại antenna thông minh nhất hiện nay, bằng
cách sử dụng nhiều thuật toán xử lý tín hiệu mới, nó có khả năng vợt trội hơn
hẳn trong việc định vị, theo dõi và xử lý nhằm giảm thiểu độ xuyên nhiễu
cũng nh tăng tối đa cờng độ tín hiệu cần nhận. Tuy cả 2 loại antenna chuyển
beam và antenna thích nghi đều cố gắng tăng độ tăng ích, tuy nhiên chỉ có
antenna thích nghi có thể cho một độ tăng ích tối u cùng với việc định vị, theo
dõi và giảm thiểu xuyên nhiễu. Đặc tuyến phủ sóng của antenna thích nghi
hình 1.14.
Hình 1.14 - Đặc tuyến phủ sóng của antenna thích nghi
Nu antenna chuyn beam da vo cng tớn hiu ti mi thi im
chn mt beam thớch hp thỡ antenna thớch nghi li dựng cỏc d liu mụi
trng vụ tuyn (RF) ti u hoỏ kt ni vi ngi dựng. c tuyn phỏt x
ca antenna thớch nghi c iu chnh liờn tc theo s thay i ca mụi
trng vụ tuyn nhm m bo cho hot ng ca h thng l ti u. Antenna
thớch nghi s dng k thut x lý s phõn bit tớn hiu mong mun, tớn
hiu do hiu ng a ng v ngun xuyờn nhiu, ng thi tớnh toỏn xỏc
nh hng xut phỏt ca cỏc thnh phn ny. Nú liờn tc iu chnh c
tuyn lm vic da vo s thay i v trớ cng nh cng ca c tớn hiu
ln xuyờn nhiu. S thay i liờn tc nh th m bo bỳp súng lỳc no cng
hng v phớa tt nht, iu ny lm cho antenna thớch nghi vt tri hn hn

antenna chuyn beam v mt cht lng hot ng (s thay i beam trong
antenna chuyn beam l khụng liờn tc). Hỡnh 1.15 miờu t mt vớ d so sỏnh
18
dng bỳp súng m antenna chuyn beam v antenna thớch nghi cú th chn
trong cựng mt iu kin ging nhau.
Hình 1.15 - So sánh dạng búp sóng mà antenna chuyển beam (trái) và
antenna thích nghi (phải) có thể chọn trong điều kiện tín hiệu ngời dùng và
xuyên nhiễu giống hệt nhau
Yếu tố làm cho các hệ thống antenna thông minh trở thành hiện thực
chính là nhờ công nghệ kỹ thuật số. Ta biết so với tín hiệu tơng tự thì tín hiệu
số truyền từ đầu phát đến đầu thu với một độ chính xác cao và độ suy giảm rất
nhỏ. Tín hiệu âm thanh dạng tơng tự đã đợc thu lại, điều chế chuyển sang tín
hiệu số để truyền đi và điều chế lại ở dạng tơng tự ở đầu nhận. Trong hệ thông
antenna thích nghi khả năng này còn đợc hỗ trợ thêm bởi các kỹ thuật xử lý
tinh xảo nhằm điều khiển sự phối hợp antenna một cách rất tinh vi phù hợp
với điều kiện hoạt động. Điều này làm antenna thích nghi hoạt động hiệu quả
hơn hẳn các loại antenna khác.
1.2.3. Một số loại antenna di động GSM
Các antenna GSM hiện nay đợc ứng dụng từ nguyên lý cơ bản và các
antenna đơn giản, tuy nhiên do yêu cầu về cấu trúc nên xu hớng phát triển của
antenna GSM là có kết cấu nhỏ gọn vì vậy antenna hiện đại phát triển nhiều
các loại antenna cần, antenna chấn tử cỡ nhỏ và antenna mạch in (microtrip)
dới đây là giới thiệu qua một số antenna và cùng các tham số đặc trng hoạt
động.
a. Antenna cần (hình 1.16)
19
BY-GSM-04 BY-GSM-02 BY-GSM-20 BY-GSM-01-02
Hình 1.16 Antenna cần
Antenna BY-GSM-04
- Băng tần làm việc: 850 MHz/1900MHz hoặc 900MHz/1800MHz

- Dải thông (MHz) 90/180
- Hệ số sóng đứng

1,5
- Hệ số khuếch đại( dBi) 3,5
- Năng lợng đầu vào lớn nhất (W) 60W
- Dạng phân cực đứng
- Độ dài Antenna (mm) 110

1
- Độ dài cáp đồng trục (mm) 2500 dạng cáp RG174
- Nhiệt độ hoạt động -45
0
C
ữ
+75
0
C
Antenna BY-GSM_01-02
- Băng tần làm việc: 850 MHz/1900MHz hoặc 900MHz/1800MHz
- Dải thông( MHz) 70/180
- Tỉ số sóng đứng

2
- Hệ số khuếch đại (dBi) 2,15
- Năng lợng đầu vào lớn nhất (W) 50W
- Trở kháng đầu vào (

) 50
- Dạng phân cực đứng

- Độ dài Antenna (mm) 24
Antenna BY-GSM-20
- Băng tần làm việc: 850 MHz/1900MHz hoặc 900MHz/1800MHz
20
- Dải thông (MHz) 90/280 - Tỉ số sóng đứng

1,5
- Hệ số khuếch đại (dBi) 9 - Năng lợng đầu vào lớn nhất (W) 60W
- Trở kháng đầu vào (

) 50 - Dạng phân cực đứng
- Độ dài Antenna (mm) 850 - Nhiệt độ hoạt động -45
0
C
ữ
+75
0
C
- Độ dài cáp đồng trục (mm) 2000, 3000, 5000 dạng cáp RG174
b. Antenna chấn tử (hình 1.17)
Hình 1.17 - Antenna BY-GSM-07
- Băng tần làm việc: 850 MHz/1900MHz hoặc 900MHz/1800MHz
- Dải thông (MHz) 90/280 - Tỉ số sóng đứng

1,5
- Hệ số khuếch đại (dBi) 3 - Năng lợng đầu vào lớn nhất (W) 60W
- Trở kháng đầu vào (

) 50 - Dạng phân cực đứng
- Độ dài Antenna (mm) 155

ì
17 - Đờng kính chấn tử 6.0
- Nhiệt độ hoạt động -30
0
C
ữ
+75
0
C
- Độ dài cáp đồng trục (mm) 2000, 3000, 5000 dạng cáp RG174
c. Antenna mạch in (hình 1.18)
BY-AMPS/GSM-01 BY-AMPS/GSM 03
Hình 1.18 Antenna mch in
21
Antenna BY-AMPS/GSM-01
- Tần số trung tâm 880 MHz
ữ
960 MHz;1710 MHz
ữ
1910 MHz (GSM)
- Trở kháng 50

- Khuếch đại đặc trng 2 dBi+/-1 dB tại 850 MHz;
2 dBi+/-1 dB tại 900 MHz; 1 dBi+/-1 dB tại 1800 MHz
- Kích thớc của miếng antenna 64
ì
40
ì
0,8 mm
Antenna BY-AMPS/GSM 03

- Băng tần làm việc( MHz) :890 MHz/960MHz hoặc 824MHz/894MHz
1710 MHz/1990 MHz
- Dải thông( MHz) 70/180
- Tỉ số sóng đứng

2
- Hệ số khuếch đại (dBi) 1
- Năng lợng đầu vào lớn nhất (W) 50W
- Trở kháng đầu vào (

) 50; - Dạng phân cực đứng
- Kích thớc antenna (mm) 35,8
ì
7
ì
0,5.
22
CHƯƠNG 2
CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ANTENNA
2.1. MIỀN PHÁT XẠ CỦA ANTENNA
Khi nói về miền bức xạ của antenna người ta thường đề cập đến miền
bức xạ tương ứng với khoảng cách của nó so với antenna. Miền phát xạ của
antenna h×nh 2.1.
Trên hình 2.1 miền phát xạ chia làm 3 vùng:
+ Vùng I được gọi là miền trường gần tác động trở lại antenna. Trong
miền này năng lượng cao tần bị lưu giữ và phản xạ lại antenna.
+ Vùng II được gọi là miền trường gần hay còn gọi là miền Fresnel. Đặc
tính của trường này là át trội trường vùng I và góc phân phối trường phát xạ
phụ thuộc vào khoảng cách.
23

0
Z
x
y
I
II
III
Dipole
Hình 2.1- Miền phát xạ của antenna
Hình 2.2 Hệ toạ độ cầu miền quan sát trường gần
+ Vùng III được gọi là miền trường xa . Trong miền này trường phát xạ
chiếm ưu thế và góc phân bố trường độc lập với khoảng cách từ vị trí quan sát
tới antenna. Tại miền này véc tơ điện từ trường E và H là vuông góc với nhau
và cùng vuông góc với hướng quan sát r. Trong thực tế, các hệ thống vô tuyến
thì hầu hết các antenna phát và antenna thu đều nằm ở vùng trường xa của
nhau.Phân bố antenna trong không gian hình 2.2.
Hình 2.2 – Phân bố antenna trong không gian
Đường biên của ba vùng I, II, III không rõ ràng và chính xác. Định
lượng nó chỉ là phép toán gần đúng và xác định điều kiện biên cho từng vùng
như sau:
Trong phần lớn các hệ thống antenna, vùng biên của miền I, II, III được
xác định bằng khoảng cách so với antenna như sau:
3
I
D
r < 0.62
λ
(2.1)
3 2
II

D D
0.62 < r < 2
λ λ
(2.2)
24
2
2
III
D
r
λ
>
(2.3)
Trong đó:
+ D là chiều dài lớn nhất của antenna;
+
λ
là bước sóng hoạt động của hệ thống.
Tuy nhiên, để tăng độ chính xác về pha người ta tính điều kiện bờ cho
vùng trường xa theo tiêu chuẩn là
2
III
D
r n
λ
>
với n là số tự nhiên 3… 10 tuỳ
theo tính chất của bài toán. Hình 2.3 phân bố miền phát xạ của antenna.
2.1.2.
2.2. HỆ SỐ ĐỊNH HƯỚNG

Hàm D(
,
θ ϕ
) là công suất phát xạ bởi antenna trong hướng (
,
θ ϕ
) so với
công suất phát xạ ở tất cả các hướng của antenna đẳng hướng (antenna đẳng
hướng là antenna giả định có mức công suất phát xạ đồng đều trong tất cả các
hướng của quả cầu). Nếu gọi công suất phát là
T
P
thì công suất của tất cả các
hướng là
/ 4
T
P
π
. Do vậy ta có công thức sau:
25
0
Near-Field
Far - Field
D
3
D
0.62
λ
2
D

2
λ
Hình 2.3 - Phân bố miền phát xạ của antenna
Reactive Near
Field